专利名称：稀土镨改性好氧颗粒污泥的培养方法
技术领域：
本发明涉及稀土镨(Pr3+)改性好氧颗粒污泥的培养方法，属于污水处理技术领域。
背景技术：
好氧颗粒污泥是在水力剪切力作用下，微生物通过自凝聚作用形成的一种特殊生物膜，实现微生物的自我保护。1997年，有学者在间歇式SBR(Sequencing Batch Reactor)反应器中通过自凝聚形成了好氧颗粒污泥，自此，好氧颗粒污泥的研究在国内外普遍开展起来。1999年竺建荣等率先提出好氧颗粒污泥的概念，指出在好氧曝气条件下，厌氧一好氧交替工艺中培养出好氧颗粒污泥，这些颗粒以细菌为主，粒径为0.5 1.5mm,比重为1.007t/m3，含水率为97% 98%，对COD、TP的去除率均达到90%以上。杨麒等采用人工配制的模拟生活污水，通过对运行条件的调控，在SBR反应器中培养出高性能的好氧颗粒污泥，污泥质量浓度达到4.5g/L以上。Liu等利用具有间歇运行特性的SBR反应器，证实了在微生物的内源呼吸期降低曝气量，除了好氧颗粒污泥的外形有变化之外，不影响好氧颗粒污泥的活性，和内源呼吸期的曝气相比，在微生物对数增长期的高曝气速率对好氧颗粒污泥的稳定性具有更重要的意义。张栋华等通过对序批式反应器中好养颗粒污泥特性的研究，总结出操作条件的不同导致颗粒污泥结构形态的不同，沉降时间是颗粒污泥形成的主要因素，有机负荷对颗粒污泥的结构有一定影响。
由此可见，好氧颗粒污泥的形成条件是各学者研究的热点所在。我国城市污水以活性污泥好氧生物处理为主，其结构及沉降性能是保证处理效果的关键。研究污泥颗粒化的培养及在各种污水处理中的应用，有利于好氧颗粒污泥技术的推广和应用。我国是一个稀土资源丰富的国家，稀土总储量位居世界前列，稀土资源主要分布在内蒙古、四川、广西等西部地区，为稀土在各行业中的应用打下了物质基础。稀土在冶金、化工、医药卫生方面都得到了很好的应用。大量资料表明，适宜浓度的稀土元素对生物机体的生长具有一定的促进作用，超过某一限度则产生抑制作用，这种生物效应被称为Hormesis 现象。镨，化学符号Pr，原子序数59，原子量140.90765，原子最外层电子轨道为6s24f3，镧系元素之一。镨作为稀土元素的一种，对生物机体产生的效应与其它稀土元素具有一定的相似性。有学者认为，镨可减轻镉对根系的伤害，镨具有缓解镉胁迫的作用与提高根系活力、增加脯氨酸含量、降低MDA含量和细胞膜透性；适当剂量的镨能够促进红菇菌丝体生长作用和代谢产物的积累。但镨对改性好氧颗粒污泥的作用未见报道。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种稀土镨(Pr3+)改性好氧颗粒污泥的培养方法。术语说明污水:本发明所用污水是指COD值在300 800mg/L，C:N:P (质量比)=(95 105): (9 11):1, Mg2+ 浓度为 4 6mg/L、Fe3+ 浓度为 4 6mg/L、Ga2+ 浓度为 75 85mg/L，Zn2+、Co2+、K+、Γ等微量元素总浓度为5 15mg/L, pH为6.5 7.5。镨离子:本发明所用的镨离子为三价镨离子，是可溶性盐类稀土镨元素化合物硝酸镨。稀土镨改性好氧颗粒污泥的培养方法，步骤如下:(I)将活性污泥闷曝45 50小时后，放入序批式反应器(SBR)，活性污泥加入量为序批式反应器的反应柱体积的20% 40% ；(2)循环重复驯化操作6 8天，每次驯化操作步骤如下，用时4小时:污水进水6min，污水进水水位达到序批式反应器的3/4处，污水COD值为300 800mg/L，曝气222min，溶解氧(DO)为4.5 5.5mg/L，沉淀7min，排水5min，排水量为序批式反应器内水的总体积的1/2 ；制得驯化污泥；(3)将步骤(2)制得的驯化污泥循环重复改性操作17 22天，每次改性操作步骤如下，用时4小时:按11.6mg/L 34.9mg/L的量向污水中加入可溶性镨盐，使进水含Pr3+的浓度为5 15mg/L的污水6min,污水进水水位达到序批式反应器的3/4处,污水COD值为800mg/L,曝气224min,溶解氧(DO)为4.5 5.5mg/L,沉淀5min,排水5min,排水量为序批式反应器内水的总体积的1/2 ； 制得改性好氧颗粒污泥；(4)将步骤(3)制得的改性污泥继续培养7 9天，每次操作步骤如下，用时4小时:污水进水6min，污水进水水位达到序批式反应器的3/4处，污水COD值为800mg/L，污水中Pr3+的浓度为5_15mg/L,曝气226min,溶解氧(DO)为4.5 5.5mg/L,沉淀3min,排水5min，排水量为序批式反应器内水的总体积的1/2 ；制得稳定的改性好氧颗粒污泥。根据本发明优选的，所述步骤(I)中的活性污泥取自污水处理厂的活性污泥。根据本发明优选的，所述步骤(I)中的序批式反应器(SBR)的反应柱的有效容积为6.0L,内径IOcm,外径Ilcm,高度100cm,排水体积为60%。根据本发明优选的，所述步骤(2)中驯化操作第I 2天，污水COD值为300mg/L ；驯化操作第3 5天，污水COD值为500mg/L ;驯化操作第6 8天，污水COD值为800mg/L0根据本发明优选的，所述步骤(3)中污水中Pr3+的浓度为10mg/L。根据本发明优选 的，所述步骤(3)中的可溶性镨盐为硝酸镨。有益效果本发明所述稀土镨改性好氧颗粒污泥的培养方法，利用稀土元素镨对微生物活性的低促高抑作用，改善了好氧颗粒污泥系统对外界适宜运行条件要求复杂，不稳定性的缺点，加速污泥形成稳定的颗粒，从而快速培养出好氧颗粒污泥。
图1表示的是实施例1与对比例I出水COD去除率的变化对比；图2表示的是实施例1与对比例I中污泥浓度的变化对比；图3表示的是实施例1与对比例I胞外聚合物中的蛋白质和多糖比值的变化对比。
具体实施例方式下面对结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明所保护范围不限于此。实施例中的活性污泥取自济南市光大水务二厂曝气池中的活性污泥；Pr (NO3) 3购自国药集团化学试剂有限公司；COD值为300mg/L的污水配制过程:用乙酸钠作为碳源，氯化铵作为氮源，磷酸二氢钾和磷酸氢二钾作为磷元素来源，配制 C:N:P (质量比)=100:10:1，C0D 为 300mg/L，NH3-N 为 30mg/L，P 元素浓度为 3mg/L,同时加入金属离子=Mg2+浓度为5mg/L、Fe3+浓度为5mg/L、Ga2+浓度为80mg/L，以及Zn2+、Co2+、K+、Γ微量元素浓度之和为10mg/L，调节pH在7。COD值为500mg/L的污水配制过程:用乙酸钠作为碳源，氯化铵作为氮源，磷酸二氢钾和磷酸氢二钾作为磷元素来源，配制 C:N:P (质量比)=100:10:1，C0D 为 500mg/L，NH3-N 为 50mg/L，P 元素浓度为 5mg/L,同时加入金属离子=Mg2+浓度为5mg/L、Fe3+浓度为5mg/L、Ga2+浓度为80mg/L，以及Zn2+、Co2+、K+、Γ微量元素浓度之和为10mg/L，调节pH在7。 COD值为800mg/L的污水配制过程:用乙酸钠作为碳源，氯化铵作为氮源，磷酸二氢钾和磷酸氢二钾作为磷元素来源，配制 C:N:P (质量比)=100:10:1，C0D 为 800mg/L，NH3-N 为 80mg/L，P 元素浓度为 8mg/L,同时加入金属离子=Mg2+浓度为5mg/L、Fe3+浓度为5mg/L、Ga2+浓度为80mg/L，以及Zn2+、Co2+、K+、Γ微量元素浓度之和为10mg/L，调节pH在7。序批式反应器(SBR)的反应柱的有效容积为6.0L，内径10cm，外径11cm，高度100cm，排水体积为50%。实施例1稀土镨改性好氧颗粒污泥的培养方法，步骤如下:(I)将活性污泥闷曝48小时后，放入序批式反应器(SBR)，活性污泥加入量为序批式反应器的反应柱体积的1/3 ；(2)循环重复驯化操作7天,每次驯化操作步骤如下,用时4小时:污水进水6min,污水进水水位达到序批式反应 器的3/4处，污水COD值为800mg/L，曝气222min，溶解氧(DO)为4.5 5.5mg/L，沉淀7min，排水5min，排水量为序批式反应器内水的总体积的1/2 ；其中驯化操作第I 2天，污水COD值为300mg/L ;驯化操作第3 5天，污水COD值为500mg/L ;驯化操作第6 7天，污水COD值为800mg/L。制得驯化污泥；(3)将步骤(2)制得的驯化污泥循环重复改性操作18天，每次改性操作步骤如下，用时4小时:向每升污水中加入23.2mg Pr (NO3) 3配制Pr3+的浓度为10mg/L的污水,然后以0.5L/min的速率进水6min，污水进水水位达到序批式反应器的3/4处，污水COD值为800mg/L,曝气224min,溶解氧(DO)为4.5 5.5mg/L,沉淀5min,排水5min,排水量为序批式反应器内水的总体积的1/2 ；制得改性好氧颗粒污泥；(4)将步骤(3)制得的改性污泥继续培养循环重复稳定操作8天，每次操作步骤如下，用时4小时:通入Pr3+浓度为10mg/L的污水6min，使污水进水水位达到序批式反应器的3/4处，污水COD值为800mg/L,曝气226min,溶解氧(DO)为4.5 5.5mg/L,沉淀3min，排水5min，排水量为序批式反应器内水的总体积的1/2。制得稳定的改性好氧颗粒污泥。对比例I如实施例1所述的 培养方法，不同之处在于，步骤(3) (4)的污水中不加入Pr (NO3) 3。结果分析针对实施例1与对比例I的出水COD去除率、污泥浓度和胞外聚合物中的蛋白质和多糖比值的结果如图1 3所示。步骤(2)驯化操作分析:此阶段的作用是使接种絮状活性污泥逐渐适应新的生长环境而稳定增殖。接种活性污泥后，测得反应器中污泥浓度约为2489mg/L。活性污泥处于适应期时，DO控制在5mg/L，进水COD控制在300mg/L左右，以后根据污泥浓度的升高加大COD负荷，增至500mg/L左右，最终视污泥稳定情况将COD调至800mg/L左右。上升气体表面流速为0.0132m/s。由污泥生长机理来看，起始阶段真菌占主导主用，形成丝状菌球停留在反应器中的，粒度更小的细菌和漂浮絮体则随出水排出。沉降性能差的絮体排出的同时，性能良好的活性污泥则保留在了反应器中。此阶段在进行到第七天时，反应器中出现了黄白色的小颗粒，由于反应器不断排出絮体，加上污泥自身的增长，污泥浓度与接种污泥相比变化不大，但COD的去除效果明显增强由55%左右上升到90%左右，由此可见，反应器中的污泥逐步趋向稳定，活性不断增强，也逐渐倾向于自凝。步骤(3)改性操作分析:在此阶段中，COD负荷一直维持在800mg/L，适当增加气体表面流速到0.0172m/s来增加水利剪切力。实施例1进水中加入Pr (NO3) 3试剂，使进水Pr3+离子含量10mg/L。此时，实施例1中由于加入了稀土离子，污泥在短时间内无法适应，所以MLSS和COD去除率都相对对比例I来说较差。经过几天的适应期，实施例1中的污泥有所好转。当污泥培养到第14天后对比例和实施例1中的污泥浓度已分别达到3527mg/L和3890mg/L，出现了较多的黄色颗粒，直径在1.4 1.8mm(实施例1中的颗粒粒径要大于对比例1)，质地较为松散，但已具有较好的沉降性。随着培养时间的增长，污泥活性增强，COD、NH3-N处理效果明显，由于反应器此时曝气不均匀的原因，对比例I中COD的去除率在短时间内去除率有所下降，但实施例1的去除率比较稳定，保持在90%以上，实施例1中颗粒污泥比对比例I中较为紧实，出水水质较清。此后，调整气体表面流速，维持供氧能力，继续观察污泥沉降性能和出水指标的变化。培养过程到了第24天，污泥各方面趋于稳定，驯化阶段结束。测定结果表明，此阶段活性污泥稳定生长，加入稀土镨的污泥，更有利于维持污泥的稳定性，使污泥中微生物的活性维持在较高水平。步骤(4)稳定操作分析:该操作主要根据污泥沉降特性，缩短沉降时间，调整为3min，使沉降性能更好的污泥颗粒保留下来，除去沉降性能稍差的污泥，观察污泥颗粒化进程所出现的变化。在此阶段中，污泥颗粒中有机物浓度大量增加，污泥颗粒生长到一定成熟度。污泥各方面的指标都趋于稳定，对比例I中MLSS达到4400mg/L以上，并在不断稳定增长，实施例1中MLSS达到4700mg/L以上，高于对比例1，颗粒的强度逐渐增强，颗粒直径也趋于均匀。两反应器的COD去除率也分别达到了 90%和94%。各个指标趋于稳定，好氧颗粒污泥成熟。经过35天的培养后，对比例I中培养出的好氧颗粒污泥的平均粒径为1.8mm，颗粒污泥强度为(经摇动后的污泥完整系数IC) 76.3%，污泥浓度为4875mg/L:SVI为54.lmL/g ；实施例1中培养出的好氧颗粒污泥的平均粒径为2.5mm，颗粒污泥强度为87.2%，污泥浓度为 5224mg/L:SVI 为 44.3mL/g ；综上所述，所以得出结论，加入10mg/L Pr3+的活性污泥在SBR中形成的颗粒较未加入稀土的形成的颗粒更快、更稳定，且出水水质较好。实施例2如实施例1所述的稀土镨改性好氧颗粒污泥的培养方法，不同之处在于，循环重复驯化操作7天，循环重复改性操作17天，循环重复造粒操作8天，改性操作和稳定操作中加入含Pr3+的浓度为 5mg/L的污水,每升污水中加入22.6mg Pr (NO3) 3。对比例2如实施例2所述的培养方法，不同之处在于，步骤(3) (4)的污水中不加入Pr (NO3) 3。结果分析试验的污泥初始浓度为3125mg/L，检测实施例2和对比例2的COD, MLSS,颗粒污泥粒径，三氮变化，胞外聚合物:培养32天后，对比例2中培养出的好氧颗粒污泥的平均粒径为1.9mm，颗粒污泥强度为77.5%，污泥浓度为5003mg/L:SVI为55.lmL/g ;实施例2中培养出的好氧颗粒污泥的平均粒径为2.1，颗粒污泥强度为85.1%，污泥浓度为5437mg/L:SVI为45.7mL/g ；综上所述，所以得出结论，加入5mg/L Pr3+的活性污泥在SBR中形成的好氧污泥颗粒较未加入稀土的形成颗粒较快、较稳定，且出水水质稍好。实施例3如实施例1所述的稀土镨改性好氧颗粒污泥的培养方法，不同之处在于，循环重复驯化操作7天，循环重复改性操作22天，循环重复造粒操作8天，改性操作和稳定操作中加入含Pr3+的浓度为15mg/L的污水,每升污水中加入34.9mg Pr (NO3) 3。对比例3如实施例3所述的培养方法，不同之处在于，步骤(3) (4)的污水中不加入Pr (NO3) 3。结果分析试验的污泥初始浓度为3125mg/L，检测实施例3和对比例3的COD, MLSS,颗粒污泥粒径，三氮变化，胞外聚合物:培养37天后，对比例3中培养出的好氧颗粒污泥的平均粒径为1.8mm，颗粒污泥强度为79.4%，污泥浓度为4978mg/L:SVI为54.9mL/g ;实施例3中培养出的好氧颗粒污泥的平均粒径为2.3mm，颗粒污泥强度为86.6%，污泥浓度为5343mg/L:SVI为46.2mL/g ；综上所述，所以得出结论，加入15mg/L Pr3+的活性污泥在SBR中形成的好氧污泥颗粒较未加入稀土的形成颗粒更快、更稳定，且出水水质较好，污泥在改性初期需要适应的时间 较长。
权利要求
1.稀土镨改性好氧颗粒污泥的培养方法，其特征在于，步骤如下: (1)将活性污泥闷曝45 50小时后，放入序批式反应器，活性污泥加入量为序批式反应器的反应柱体积的20% 40% ； (2)循环重复驯化操作6 8天,每次驯化操作步骤如下,用时4小时:污水进水6min,污水进水水位达到序批式反应器的3/4处，污水COD值为300 800mg/L，曝气222min，溶解氧(DO)为4.5 5.5mg/L，沉淀7min，排水5min，排水量为序批式反应器内水的总体积的1/2 ； 制得驯化污泥； (3)将步骤(2)制得的驯化污泥循环重复改性操作17 22天，每次改性操作步骤如下，用时4小时:按11.6mg/L 34.9mg/L的量向污水中加入可溶性镨盐，使进水含Pr3+的浓度为5 15mg/L的污水6min,污水进水水位达到序批式反应器的3/4处,污水COD值为800mg/L,曝气224min,溶解氧为4.5 5.5mg/L,沉淀5min,排水5min,排水量为序批式反应器内水的总体积的1/2 ； 制得改性污泥； (4)将步骤(3)制得的改性污泥循环重复造粒操作7 9天，每次造粒操作步骤如下，用时4小时:污水进水6min，污水进水水位达到序批式反应器的3/4处，污水COD值为800mg/L,污水中Pr3+的浓度为5_15mg/L,曝气226min,溶解氧为4.5 5.5mg/L,沉淀3min,排水5min，排水量为序批式反应器内水的总体积的1/2 ； 制得改性好氧颗粒污泥。
2.如权利要求1所述的培养方法，其特征在于，所述步骤(I)中的活性污泥取自污水处理厂的活性污泥。
3.如权利要求1所述的培养方法，其特征在于，所述步骤(I)中的序批式反应器的反应柱的有效容积为6.0L,内径IOcm,外径Ilcm,高度100cm,排水体积为50%。
4.如权利要求1所述的培养方法，其特征在于，所述步骤(2)中驯化操作第I 2天，污水COD值为300mg/L ;驯化操作第3 5天，污水COD值为500mg/L ;驯化操作第6 8天，污水COD值为800mg/L。
5.如权利要求1所述的培养方法，其特征在于，所述步骤(3)中污水中Pr3+的浓度为10mg/Lo
6.如权利要求1所述的培养方法，其特征在于，所述步骤(3)中的可溶性镨盐为硝酸镨。
全文摘要
本发明涉及稀土镨改性好氧颗粒污泥的培养方法，步骤如下(1)将活性污泥闷曝后，放入SBR，活性污泥加入量为SBR反应柱体积的20%～40%；(2)利用含Pr3+金属浓度为5-15mg/L的污水循环重复驯化操作6～8天，制得驯化污泥；(3)驯化污泥利用含Pr3+金属浓度为5-15mg/L的污水循环重复改性操作17～22天，制得改性污泥；(4)将改性污泥循环重复造粒操作7～9天，制得改性好氧颗粒污泥。本发明利用稀土元素镨对微生物活性的低促高抑作用，改善了好氧颗粒污泥系统对外界适宜运行条件要求复杂，不稳定性的缺点，加速污泥形成稳定的颗粒，从而快速培养出好氧颗粒污泥。
文档编号C02F3/12GK103112946SQ201310069650
公开日2013年5月22日 申请日期2013年3月5日 优先权日2013年3月5日
发明者李善评, 董沿雯, 李艳艳 申请人:山东大学