专利名称：稀土元素在好氧颗粒污泥培养以及控制污泥膨胀中的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及稀土的生物效应及环境微生物等领域，尤其涉及利用稀土元素在微生物中独特的生物特性，将其应用于好氧颗粒污泥的快速培养以及污泥膨胀的控制。
背景技术：
1.稀土中国是一个稀土资源大国，无论是稀土矿产品，还是资源总量和工业储量都居世界领先地位。稀土的应用日益广泛，已知稀土在冶金行业，石油化工、农业、医药等领域都得到应用。稀土元素的生物活性研究是20世纪初开始的，从大量的文献中可知稀土元素对微生物具有广泛的生物学作用(1)稀土元素对微生物的生物学影响适宜浓度的轻稀土元素在生长前期对微生物生长有轻微刺激作用，但随着培养时间的延长，促进作用减弱。提高稀土元素的浓度，对微生物的生长产生抑制作用表现为菌落初生时间比对照延迟，菌落直径减小。当浓度大于一定值后，微生物生长基本处于停止状态，同时对微生物的代谢产物和胞外酶的分泌能力有一定影响。菌体细胞的氨基酸总量、氨基酸组成也发生了变化。
(2)稀土元素对细胞的生物化学作用机理稀土对生物膜的影响主要包括以下三方面第一，稀土与膜上转运蛋白或磷脂相互作用，使转运蛋白活性或膜通道大小发生变化，从而提高膜主动或被动运输能力；第二，稀土可与膜代谢蛋白相互作用，影响生物膜的能量代谢；第三，稀土可与膜受体蛋白相互作用，参与细胞信息传递。
(3)稀土金属离子与酶分子的相互作用机理当浓度较低时稀土元素对酶具有变构激活作用，而浓度高时对酶具有抑制作用。作用位点大多在活性以外的变构位点，稀土金属离子与酶的变构位点结合后，使酶的构象改变而影响酶的活性。
随着稀土元素对微生物生物功能活性，对细胞的跨膜行为机理，对细胞的生物化学作用机理与酶分子的相互作用机理研究的不断深入，其在环境保护、微生物等领域的应用研究也越来越活跃。
2.好氧颗粒污泥好氧颗粒污泥是微生物在好氧环境下的自凝聚现象，自凝聚是生物处理系统中，微生物在适当环境条件下，相互聚合形成一种密度、体积比较大，活性和传质条件都比较好的共生体颗粒的现象。国内外学者在好氧颗粒污泥的研究方面做了大量细致的工作，1991-1998年是研究好氧颗粒污泥的初级阶段，开始认识到在好氧环境下污泥也可以颗粒化，此阶段只是报道了好氧颗粒污泥的出现的现象，未进行深入的研究。而进入第二阶段(1999-2000)好氧环境下污泥的颗粒化开始引起人们的关注，在这个期间，好氧污泥颗粒化被许多学者所报道，研究热点主要是好氧颗粒污泥形成的基本条件。从2001至今，随着好氧颗粒化技术的发展，各国学者开始对好氧颗粒污泥的培养条件、影响因素进行了深入的研究。
随着我国人口的增加，土地资源弥显珍贵，普通的活性污泥法及生物膜法等好氧处理方法占地面积大，制约水处理行业的发展，而好氧颗粒污泥方法依托SBR工艺，具有占地面积小、沉降性能良好、生物量高和在高容积负荷条件下降解高浓度有机废水的良好生物活性，因而应用前景诱人而广阔。
发明内容
本发明的目的在于将稀土元素应用于好氧颗粒污泥，提供一种安全、有效的可促进好氧颗粒污泥形成以及控制污泥膨胀现象出现的新方法，即稀土元素在好氧颗粒污泥培养以及控制污泥膨胀中的应用。该方法将有助于氧颗粒污泥工艺的工业化及污泥膨胀防治技术的发展。
稀土元素在好氧颗粒污泥培养以及控制污泥膨胀中的应用。
其中所述稀土元素是可溶性盐类稀土元素化合物。
其中所述可溶性盐类稀土元素化合物优选是硝酸镧、硝酸铈、硝酸钕中的一种。
上述稀土元素的应用方法是从好氧颗粒污泥培养启动开始，每隔三天向生化反应器内投加浓度不超过30mg/L的稀土元素溶液。
其中优选的稀土元素的应用方法是从好氧颗粒污泥培养启动开始，每隔三天向生化反应器内投加浓度为30mg/L的稀土元素溶液。
下面通过具体试验来对本发明的技术方案和技术效果作进一步说明分为两部分进行1.在六个250ml的锥形瓶中分别加入活性污泥及人工污水共100ml，然后加入适量稀土贮备液，使稀土元素浓度分别为0.0、10.0、20.0、30.0、50.0、70.0mg/L；将锥形瓶放入恒温(25℃)摇床培养24h后，观察污泥表观征状并记录，取样后用显微镜观察、拍照，并测定各个锥形瓶中的污泥总量及耗氧速率。
通过以上实验数据可知不同浓度的稀土对活性污泥的活性都具有不同程度的抑制，但同时发现在30mg/L左右的浓度下稀土可促进微生物分泌胞外多聚物，使微生物聚集生长，且可以较为快速的促进微生物的生长，所以选取30mg/L左右浓度的稀土作为微生物促进剂是可行的。
2.在第一部分研究的基础上以普通絮状活性污泥为接种污泥，利用两个SBR反应器(分别为SBR I和SBR II)中在好氧曝气条件下运行三阶段培养好氧颗粒污泥，同时观察污泥颗粒形态和结构的变化，监测MLSS、VSS、VSS/MLSS、SVI、COD和胞外多聚物组分的变化。从反应器启动开始，每隔三天向SBR I投加预先配制好的稀土元素溶液，使SBR I反应器内稀土元素浓度为30mg/L，SBR II作为对比反应柱不投加稀土元素。
从研究数据可知在好氧颗粒污泥形成时期，SBR I反应器的MLSS值在大部分时间是大于SBRII反应器的(见图1)，说明添加稀土元素对污泥量的增加有明显的效果；图2是颗粒污泥形成过程中VSS/MLSS值的变化曲线图，由图可见，接种污泥的VSS/MLSS值为0.82，经过28天的培养，两个SBR反应器的VSS/MLSS值分别为0.86和0.84，可以看出稀土元素对改善活性污泥中有机物质的含量有较为显著的作用；从图3可知SBR ICOD去除率基本稳定在85-95之间，SBR II的去除率基本稳定在80-90之间，SBR I比SBR II的COD去除率要高；从图4在好氧颗粒污泥形成过程中SVI变化曲线可知在SBR I反应器的SVI值在大部分时间是小于SBR II反应器的，基本保持在30-80之间，甚至当SBRII反应器中SVI达到166ml/g，发生轻微污泥膨胀时，SBR I反应器内SVI值也只在80左右，说明稀土可控制丝状菌的增殖，保持丝状菌与菌胶团细菌平衡，对改善并保持活性污泥沉降性能有明显的效果。从图5表示的两个反应器中颗粒污泥形成过程中胞外多聚物组分含量的变化可知，两个反应器在颗粒的形成过程中蛋白质的含量均有增加的趋势；多糖在颗粒形成初期有所降低后略有增加，总体变化幅度较小。SBR I反应器中蛋白质与多糖比值从2.29增加到4.88，SBR II反应器从2.29增加到4.15。随着蛋白质与多糖比值增加，则污泥表面负电荷降低、疏水性增加，有利于好氧颗粒污泥的形成和稳定，可见稀土将通过对胞外多聚物的影响而影响好氧颗粒污泥的形成。对比采用稀土元素培养的好氧颗粒污泥与普通法培养的好氧颗粒污泥，可发现前者在颗粒的密度、含水率、沉降速率、SVI、COD污泥负荷方面都较后者优越。
图1在好氧颗粒污泥形成过程中两个SBR反应器的MLSS变化曲线图，图2是在好氧颗粒污泥形成过程中VSS/MLSS值的变化曲线图，图3是在好氧颗粒污泥形成过程中COD变化曲线，图4在好氧颗粒污泥形成过程中SVI变化曲线，图5是胞外多聚物组分含量变化曲线图。
具体实施例方式
下面以具体实施实例对本发明的应用作进一步介绍本实例是利用稀土元素培养好氧颗粒污泥的具体应用，从反应器启动开始，到反应器内好氧颗粒污泥形成为止共28d。两个反应器同时运行，其中SBR I反应器启动开始每3天添加一次稀土元素(硝酸镧)溶液，使反应器内稀土元素的浓度为30mg/L。整个过程分为三个运行阶段。
运行阶段一接种前活性絮状污泥用稀释的啤酒废水持续曝气4天，使污泥得到初步的驯化，活性絮状污泥为典型的丝状结构连接，颜色为黄褐色，结构松散，比重较小。反应器接种污泥后，在如下运行阶段1的条件下运行，COD负荷为1.01-1.48kg/(m3·d)，上升气体表面流速0.0132m/s，运行周期为3h。第一阶段运行时间为7d，调整反应器参数以逐渐减少沉降时间，在此阶段的第四天沉降时间由10min逐渐降为8min，从而将大量沉降性能较差的污泥洗出，使反应器中活性污泥的沉降性能逐渐提高。
在此阶段的第四天时，在SBR反应器中观察到少量白色团状物质，说明活性絮状污泥已经有自聚趋势。由数据分析可见，SBR反应器中MLSS上升到了5335mg/L，VSS数值由3472mg/L增加至4552mg/L，而VSS/MLSS的数值波动比较大。
运行阶段二SBR反应器运行7d后控制反应器在运行阶段2条件下运行。即COD负荷为3.20～4.78kg/(m3·d)，气体表面流速由0.0132m/s逐步提高到0.0172m/s以增加剪切力及克服传质阻力，并增加供氧能力。第二阶段运行时间为14d。
运行开始几天SBR反应器中就明显出现大量白色颗粒，但颗粒结构较为蓬松，直径大约2-5mm。具有规则圆形外部结构。第二阶段运行6天后，SBR中白色颗粒逐渐解体并消失，污泥又成为絮状污泥。第二阶段运行8天后，SBR反应器中出现米黄色小颗粒，其颗粒直径都很小，为小米粒状，且颗粒间出现丝状连接。
在运行阶段二中，由于减少了沉淀时间，使沉降性能差的污泥及颗粒污泥碎片被洗出，所以这个阶段初期反应器中污泥总量下降。但是几天后，污泥总量又开始趋于上升，到末期时污泥量明显增多，并且基本都是结构蓬松的颗粒污泥，絮状污泥很少，出水水质变清，说明污泥沉降性能较好。
运行阶段三SBR反应器运行21d后反应器内的颗粒污泥粒径很大但结构松散，为进一步得到结构密实的颗粒污泥，逐渐调整气体表面流速由0.0172m/s到0.0218m/s，增大COD负荷至5.97～9.07kg/(m3·d)。沉淀时间由4min减少至2min，再一次将一部分相对沉淀性能差的颗粒洗出。在第三阶段，SBR反应器颗粒逐渐变大，后期反应器内颗粒污泥形态基本保持不变，标志着好氧颗粒污泥培养成功。
权利要求
1.稀土元素在好氧颗粒污泥培养以及控制污泥膨胀中的应用。
2.如权利要求1所述的应用，其特征是所述稀土元素是可溶性盐类稀土元素化合物。
3.如权利要求2所述的应用，其特征是所述可溶性盐类稀土元素化合物是硝酸镧、硝酸铈、硝酸钕中的一种。
4.如权利要求1～3之一所述的应用，其特征是所述稀土元素的应用方法是从好氧颗粒污泥培养启动开始，每隔三天向生化反应器内投加浓度不超过30mg/L的稀土元素溶液。
5.如权利要求4所述的应用，其特征是所述稀土元素的应用方法是从好氧颗粒污泥培养启动开始，每隔三天向生化反应器内投加浓度为30mg/L的稀土元素溶液。
全文摘要
本发明公开了稀土元素在好氧颗粒污泥培养以及控制污泥膨胀中的应用。其应用方法是从好氧颗粒污泥培养启动开始，每隔三天向生化反应器内投加浓度不超过30mg/L的稀土元素溶液。本发明利用稀土元素培养的好氧颗粒污泥具有形成时间短、颗粒密度大、含水率低、沉降速率高、SVI值低、COD负荷高等优点。
文档编号C02F3/12GK1944285SQ20061006950
公开日2007年4月11日 申请日期2006年10月20日 优先权日2006年10月20日
发明者李善评, 乔鹏, 赵玉晓 申请人:山东大学