申请日2010.06.28
公开(公告)日2011.03.16
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明突破了传统自养硝化和缺氧反硝化代谢理论的限制，根据异养硝化-好氧反硝化细菌的生理特征和代谢原理，公开了一种一步去除污水中碳氮污染物的方法。在单一生化反应器内接种一定配比的异养硝化-好氧反硝化细菌和活性污泥的混合液，曝气一定时间后，氮素和有机物同时被去除，脱氮除碳效率高。本发明的方法可依托传统生化处理系统，无须构建新的构筑物即可对其进行升级改造，操作便捷。本发明的方法克服了现有技术中存在的硝化细菌增殖缓慢、硝化与反硝化反应必须分段进行等瓶颈问题。
权利要求书
1.一种一步式去除污水中碳氮污染物的方法，其包括在去除有机碳和氮污染物的曝气系统内接种异养硝化-好氧反硝化细菌，其中所述氮污染物包括有机氮污染物和/或无机氮污染物。
2.权利要求1的方法，其中所述污水中的氮是有机氮，氨态氮，亚硝酸盐氮和/或硝酸盐氮。
3.权利要求1的方法，其中所述有机碳是烃类及其衍生物。
4.权利要求1的方法，其中所述异养硝化-好氧反硝化细菌包括脱氮副球菌(Paracoccus pantotropha)，产碱菌属(Alcaligenes faecalis)，芽孢杆菌(Bacillus sp.)，保藏号为CGMCC No.2962的土壤杆菌(Agrobacterium sp.)，保藏号为CGMCC No.2963的睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas sp.)和保藏号为CGMCC No.2964的木糖氧化无色杆菌(Achromobacter sp.)。
5.权利要求4的方法，其中所述异养硝化-好氧反硝化细菌是至少一种。
6.权利要求4的方法，其中所述至少一种异养硝化-好氧反硝化细菌间的配比是等比例。
7.权利要求1的方法，其中所述异养硝化-好氧反硝化细菌的接种量占曝气生化反应器内总生物量的范围为2%以上。
8.权利要求1的方法，其中所述异养硝化-好氧反硝化细菌是高活性的，并且为曝气系统内混合液中的优势菌群。
9.权利要求1的方法，其中当所述污水 中的有机碳/N比低于2-4时，添加有机碳源来提高总氮的处理效果。
10.根据权利要求1的方法，其中所述曝气系统是好氧曝气的生化反应器。
11.权利要求10的方法，其中所述的生化反应器为悬浮式或附着式的单一间歇式反应器或连续流反应器，或是它们的组合。
12.权利要求1的方法，其中所述异养硝化-好氧反硝化细菌的生长细胞、细胞悬浮液分别以氨氮为唯一氮源，有机物为碳源进行异养硝化-好氧反硝化作用。
13.权利要求1的方法，其中所述的异养硝化-好氧反硝化细菌的生长细胞、细菌悬浮液分别以硝酸盐氮或亚硝酸盐氮为氮源，有机物为碳源进行好氧反硝化作用。
14.权利要求1的方法，其中所述曝气系统中包含活性污泥和/或用于污水处理的微生物群体。
15.异养硝化-好氧反硝化细菌在一步式去除污水中碳氮污染物中的应用。
说明书
一步去除废水中碳氮污染物的方法
技术领域
本发明涉及一种污水的处理方法，属水处理技术领域，尤其是涉及一种利用异养硝化-好氧反硝化细菌一步脱氮除碳的废水处理技术。
背景技术
水体中存在的各类有机碳等耗氧污染物和无机氮磷等营养物质是导致天然水体丧失其功能的主要原因。耗氧污染物需要消耗水中的溶解氧，导致水体缺氧，进而发生腐败发酵，细菌滋长，产生黑臭。而过多的氮、磷的摄入是引起水体富营养化的“元凶”，富营养化水体不仅影响水体的使用功能，而且危害人类健康。因此，人们一直致力于开发各种各样的污水处理技术来控制这两类污染物对环境造成的危害。
活性污泥法是处理各种污水最广泛使用的方法。在此过程中，有机物经异养微生物的氧化分解后，其中一部分碳、氮、磷、硫等物质经同化作用，合成为微生物的细胞组成部分，并以剩余污泥的形式排放;其余的大部分有机碳经异化作用氧化为二氧化碳得以去除，这一过程中产生的能量是异养微生物的生长、代谢所必需的。然而，传统的以去除有机污染物(COD)为主要目的的二级生化处理技术难以达到理想的氮素去除的目的，氮素的去除率仅为20-30%。因此，必须进一步改善二级处理的流出水质，进行深度脱氮处理。
生物脱氮技术是目前应用最广的废水脱氮技术，是指在微生物的作用下将有机氮和氨态氮转化为N2的过程。其中包括硝化和反硝化两个反应过程。硝化反应是在好氧条件下，将NH4+转化为NO2-和NO3-的过程。此作用是由亚硝酸菌和硝酸菌两种菌共同完成的。其反应如下：
总反应式为：
一般认为，硝化细菌是化能好氧自养型细菌，生长率低，世代周期长，对环境条件的变化较为敏感。
反硝化反应是在无氧条件下，反硝化细菌将NO2-和NO3-还原为氮气的过程。反应如下：
总反应式为：
反硝化细菌属异养型兼性厌氧菌，主要有变形杆菌属(Proteobacteria)、微球菌属(Micrococcus)、假单胞菌属(Pseudomonas)、芽胞杆菌属(Bacillaceae)、产碱杆菌属(Alcaligenes)、黄杆菌属(Flavobacterium)等兼性细菌，它们在自然界中广泛存在。
基于上述原理，人们开发出典型的两段式生物脱氮工艺——基于活性污泥法的A/O工艺，即前置反硝化工艺，反硝化、硝化和有机物去除分别在两个反应器内进行，其流程图见图8所示。
这种传统硝化反硝化工艺在废水脱氮方面起到了一定的作用，但仍然存在着许多问题。
(1)硝化菌群增殖速度慢，且世代时间长，难以维持较高的生物浓度;造成系统水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用;
(2)传统工艺中的反硝化过程需要一定量的有机物，而废水中的 COD经过曝气后大部分已被去除，因此反硝化过程往往需要外加碳源，增加运行费用;
(3)为中和硝化过程中产生的酸度，需要加碱中和，增加处理成本;
(4)抗冲击能力弱，高浓度氨氮和亚硝酸盐进水会抑制硝化菌的生长;
(5)系统为维持较高的生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用。
因传统硝化-反硝化工艺存在上述缺陷，难以消除环境中愈加严重的氮素污染的沉重压力，许多国家加强了对生物脱氮的研究，并在理论和技术上都取得了重大突破，开发出一系列的新型脱氮工艺，如SHARON工艺1、CANON工艺2和OLAND工艺3。
SHARON工艺(Single Reactor High Activity Ammonia Removal Over Nitrite)是荷兰Delft工业大学开发的脱氮新工艺。其基本原理是同一个反应器内，先在有氧的条件下，利用氨氧化菌将氨氧化生成NO2-，然后在缺氧条件下，以有机物为电子供体，利用NO2-进行反硝化，生成N2。在生物反应器内，不进行污泥回流，系统中水力停留时间(HRT)与污泥停留时间(SRT)相同，这样就可以通过控制亚硝化菌的生长速度来控制水力停留时间。反应过程中要严格控制温度和pH值。操作温度一般控制在30～40℃之间，这是由于在这个温度范围内，亚硝化菌的生长速率远远大于硝化菌的生长速率，所以在反应器内亚硝化菌得到积累，而硝化菌则被淘洗出去，从而使硝化阶段控制在亚硝酸盐阶段。与传统工艺相比，SHARON工艺虽然具有投资和运行费用较低，易于启动和操作等优点，但亦有其自身的缺陷：该工艺中温度设计值过高，难以处理低氨氮浓度的大量污水，而且对反应器要求苛刻，在经典的间歇式反应器中难以实现。
CANON工艺(Completely Autotrophic Removal Over Nitrite)是2002年首先由荷兰Delft工业大学提出的新型生物脱氮工艺。这个工艺的微生物学原理是：亚硝酸细菌(如Nitrosomonas europaea)能够在有氧条件下把氨氧化成亚硝酸盐;厌氧氨氧化细菌(如Brocadia anammoxidans)则进一步在无氧条件下将氨和亚硝酸盐转化成氮气。由于亚硝酸细菌和厌氧氨氧化菌都是自养型细菌，CANON工艺无需外源有机物质，能够在完全 无机的条件下进行。在此过程中，亚硝酸细菌的硝化作用受氧气供应量的制约，厌氧氨氧化菌的厌氧氨氧化作用受亚硝酸盐供应量的制约;而硝酸细菌则受氧气和亚硝酸盐供应量的双重制约。因此只要维持一个制约因子，就能淘汰硝酸细菌，保证CANON反应装置稳定运行。
OLAND工艺称为氧限制自氧硝化反硝化(oxygen limited autotrophic nitrification denitrification)，由比利时Gent大学微生物生态实验室开发。该工艺的关键是控制溶解氧，若限制氧的供应，自养型亚硝酸盐细菌将以氧作为电子受体，把部分氨氧化成亚硝酸盐;再以氨作为电子供体，把亚硝酸盐还原为氮气。该反应机理为由亚硝化菌催化的NO2-的歧化反应。OLAND与CANON工艺的主要差别在于：前者由亚硝酸细菌单独作用，后者由亚硝酸细菌和厌氧氨氧化细菌协同作用。该工艺面临一个严峻的挑战，即自养型亚硝酸细菌的活性较低，污泥氨氧化速率不高。
上述各种新工艺，其基本原理为NH4+的氧化与NO2-的还原相偶联，在实际的含氮废水的处理中发挥了巨大的作用。然而，从理论上讲并不新颖，无法脱离现有技术的窠臼，仍旧无法克服传统工艺中存在的瓶颈问题：
(1)硝化菌群细胞产率低，难以维持较高的生物浓度;
(2)抗冲击能力弱，当环境中存在有机物时，自养型细菌对O2和营养物质的竞争能力明显弱于异养型细菌，难以在硝化过程中发挥作用;
(3)硝化与反硝化过程必须在时间或空间上分离，分两段进行，以满足其不同生长条件的要求。
本申请的发明人意识到硝化过程可以是异养细菌的生理行为，而反硝化过程可以在好氧条件下进行，并且一些细菌同时具有异养硝化和好氧反硝化的能力。所述异氧硝化-好氧反硝化细菌包括：脱氮副球菌(Thiosphaera pantotropha)，产碱菌属(Alcaligenes faecalis)，芽孢杆菌(Bacillus sp.)等，以及发明人已成功分离得到的同时具有异养硝化和好氧反硝化能力的细菌：土壤杆菌(Agrobacterium sp.，CN200910083014.3)，睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas sp.，CN200910085188.3)和木糖氧化无色杆菌(Achromobacter sp.，CN200910085187.9)。利用这类具有特殊性质的细菌的生理特性和代谢机理，基于硝化过程可以是异养细菌的生理行为，而反硝化过程可以在好氧条件下进行，使得可以在同一好氧环境下完 成硝化和反硝化反应，能够较好的克服上述提到的传统工艺中存在的瓶颈问题，由此完成了本发明。
发明内容
本发明突破了传统自养硝化和缺氧反硝化代谢理论的限制，提出一种利用异养硝化-好氧反硝化细菌一步去除污水中碳氮污染物的方法，克服了现有方法中存在的硝化细菌增殖缓慢、硝化与反硝化反应必须分开进行等瓶颈问题。
本发明的核心在于，基于利用异养细菌，而不是自养细菌参与硝化过程，以及好氧细菌，而不是厌氧细菌参与反硝化过程，通过利用异氧硝化-好氧反硝化细菌，使得硝化和反硝化反应由异氧硝化-好氧反硝化细菌在同一好氧环境下完成，而不是由不同的细菌在好氧和缺氧两种环境下分步完成，使得有机碳和/或无机氮在异养硝化-好氧反硝化细菌的作用下被去除，有机物在异养微生物的作用下被去除，由此可以通过一步方式去除碳氮污染物，实现了发明目的。
本发明指出的异养硝化是指细菌以有机物为电子受体，NH4+为电子供体，将NH4+氧化为NO2-或NO3-的过程;好氧反硝化是指细菌在好氧的条件下，以有机物为电子供体，NO2-或NO3-为电子受体，将其还原为氮气的过程。兼有异养硝化-好氧反硝化能力的细菌是指同时具有这两种能力的细菌，即能够在好氧条件下将NH4+转化为N2，硝化和反硝化反应偶联进行。
所述异氧硝化-好氧反硝化细菌包括：脱氮副球菌(Thiosphaera pantotropha)，产碱菌属(Alcaligenes faecalis)，芽孢杆菌(Bacillus sp.)等，以及发明人已成功分离得到的同时具有异养硝化和好氧反硝化能力的细菌：土壤杆菌(Agrobacterium sp.，CN200910083014.3)，睾丸酮丛毛单胞菌(Comamonas sp.，CN200910085188.3)和木糖氧化无色杆菌(Achromobacter sp.，CN200910085187.9)。所述细菌的生长细胞、细胞悬浮液能分别以氨氮为唯一氮源，有机物为碳源进行异养硝化-好氧反硝化作用，从而将氨氮去除。优选地，所述细菌的生长细胞、细菌悬浮液能分别以硝酸盐氮或亚硝酸盐氮为氮源，有机物为碳源进行好氧反硝化作 用，从而在好氧条件下将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮去除。
本发明提出的一步去除污水中碳氮污染物的方法，其特点是在单一生化反应器内无须营造缺氧/好氧交替的环境，只需通过一个曝气单元即可以实现氨氮、总氮和COD的同时去除。
如果废水中有机碳含量不足，则可在培养过程中加入有机碳源，所述有机碳源是烃类及其衍生物，如有机酸或其盐，包括但不限于葡萄糖、柠檬酸、苹果酸、无水乙酸、无水乙酸钠或丁二酸钠等，或是它们的组合物，以维持异养硝化-好氧反硝化细菌正常的生理代谢。有机碳源是本领域的普通技术人员可以适当选择的。
有机碳源的添加需要考虑污水中的有机碳COD/N比例，当所述污水中的有机碳与氮的比例即COD/N比小于2-4时，向曝气系统中添加有机碳源，以更好地去除污水中的总氮。
本发明适用于氮含量不同的污水。比如总氮(TN)浓度约为20～80mg/L的城市生活废水，或TN浓度约为400～500mg/L的高浓度有机废水。根据氮含量的不同，可以适当延长反应时间，直至污水中的碳、氮污染物基本被去除。
本发明适用于各种类型、不同成分污水的除碳氮污染物处理。根据污水组成的不同，可以适当改变异养硝化-好氧反硝化细菌的投加比例，并接种有针对性的活性污泥，以保证对C、N污染物的去除效果。
具体地，在本发明的一个方面，提供了异养硝化-好氧反硝化细菌在一步式去除污水中碳氮污染物中的应用。优选所述异氧硝化-好氧反硝化细菌是本发明中所描述的。
在本发明的一个方面，提供一种去除污水中碳氮污染物的方法，其包括在去除有机碳和氮污染物的曝气系统内接种异养硝化-好氧反硝化细菌，其中所述氮污染物包括有机氮污染物和/或无机氮污染物。
在一个具体的实施方案中，所述异养硝化-好氧反硝化细菌是至少一种。优选地，所述至少一种异养硝化-好氧反硝化细菌间的配比是等比例。
在一个具体的实施方案中，以高活性的异养硝化-好氧反硝化细菌为曝气系统内混合液中的优势菌群。优选地，所述异养硝化-好氧反硝化细菌包括：脱氮副球菌(Thiosphaera pantotropha)，产碱菌属(Alcaligenes faecalis)，芽孢杆菌(Bacillus sp.)等，保藏号为CGMCC No.2962的土壤杆菌，保藏号为CGMCC No.2963的睾丸酮丛毛单胞菌和保藏号为CGMCC No.2964的木糖氧化无色杆菌。
在另一个具体的实施方案中，其中所述异养硝化-好氧反硝化细菌的接种量占曝气生化反应器内总生物量的范围为2%以上，优选10%以上，更优选为20%-60%，最优选20%-40%，其中所述总生物量优选为包括异养硝化-好氧反硝化细菌和活性污泥的总量。
在另一个实施方案中，所述污水中的氮是有机氮，氨态氮，亚硝酸盐氮和/或硝酸盐氮。
在另一个实施方案中，所述有机碳是烃类及其衍生物，优选是有机酸或其盐，包括但不限于葡萄糖、柠檬酸、苹果酸、无水乙酸、无水乙酸钠或丁二酸钠等，或是它们的组合物。
在另一个具体的实施方案中，其中所述曝气系统中包含活性污泥和/或用于污水处理的微生物群体。所述用于污水处理的微生物群体对于本领域的普通技术人员是已知的，包括例如BCP35M，bionetix，UK。
具体地，本发明的方法可以广泛的适用于现有的各类生化反应器和脱氮除碳系统，比如悬浮式或附着式(包括生物滤池或流化床等)的单一间歇反应器或连续流反应器，或是它们的组合。特别的，采用本发明提出的方法，利用传统的二级生化处理系统，无须构建新的反应器，即可以完成碳、氮污染物的去除。
本发明指出的异养硝化-好氧反硝化细菌的生物学特性，决定了在单一反应器中即可以实现一步脱氮除碳。全过程只需要一个反应器即可进行，通过简单的控制曝气时间，达到脱氮除碳的目的;最大限度地减少了反应器设置，克服了经典操作中多个反应器设置的诸多困难，简化了操作手续。
在单一反应器中脱氮除碳系统的典型流程可参见图1。如图所示，将异养硝化-好氧反硝化细菌与活性污泥按照一定比例混合后在曝气池内驯化培养;进水为含COD和氨氮的废水，在一定的曝气时间下完成COD的去除，同时氨氮在异养硝化-好氧反硝化细菌的作用下被降解，产生氮气;然后在二沉池发生泥水分离，一部分污泥回流至曝气池，上清液随重力作用流出。
本发明并不局限于单级反应器，还可以与传统技术结合，如A2/O、A/O或AB工艺等，通过在曝气池内投加异养硝化-好氧反硝化细菌来对传统工艺进行升级改造，强化处理效果。
总之，较之传统技术以及新型的脱氮技术而言，本发明具有如下技术优点：
(1)根据异养硝化-好氧反硝化细菌的生理特征和代谢机理，实现了一步式的脱氮除碳反应，解决了传统废水处理中生物脱氮需要采取缺氧反硝化、好氧硝化分段处理的问题;
(2)能够缩短停留时间，与自养硝化细菌相比，异养硝化细菌的生长速率快、细胞产率高，可以有效解决自养硝化细菌增值缓慢、系统水力停留时间长的问题;
(3)硝化和反硝化偶联进行，反硝化过程中产生的碱度可以很好的弥补硝化过程中产生的酸度，整个过程无需加碱调节pH;
(4)采用本发明，在传统活性污泥法的二级生化处理系统，可以完成污染物的去除，无须构建新的反应器，最大限度的简化了工艺流程，节省了设备和投资的成本，因此，具有较好的经济效益和环保效益;
(5)本发明适用于各种废水的脱氮除碳处理，应用前景广阔，具有很好的社会效益。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细描述。本领域的普通技术人员可以理解，实施例仅仅是举例说明的目的，本发明的范围并不以具体实施方法为限，而是由权利要求的范围加以限定。