一种硝化好氧颗粒污泥的培养方法和用途与流程

本发明涉及一种硝化好氧颗粒污泥的培养方法和用途，属环境工程好氧
技术领域：
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背景技术：
：随着我国经济的快速发展，环境污染越来越严重。含重金属及含过量氮磷的废水都深深影响着我们的身体健康及生存环境。国务院批复的《重金属污染综合防治“十二五”规划》明晰了以下重点防控对象，第一类规划对象以铅、铬、汞、镉和类金属砷等污染严重的重金属元素为主，第二类预防和控制的金属污染物对象为铜、锰、铋、铊、镍、锌、锡、钼等。重点防控的五大重点行业为：含铅蓄电池业、化学原料及化学制品制造业、有色金属矿(含伴生矿)采选业、皮革及其制品业、有色金属冶炼业。重金属废水治理方法常见的包括：一是化学沉淀法，即利用特定化学药剂与金属离子反应生成不溶物而去除的方法；二是物化法，即在不改变重金属离子化学形态的前提下将其去除；三是生物法，即利用生物体或植物的化学基团、孔隙特征及新陈代谢等将重金属去除。就目前已有的处理工艺而言，最常用的是化学沉淀法，该方法处理工艺成熟、操作简单易行，但投药量大，成本相对较高，处理后的金属离子沉淀物以化学污泥的形式存在，该污泥处理较难，容易造成二次污染。物理化学法成本高，过程比较复杂，重金属回收难，常被用于处理小规模废水。而生物法通常使用的是废弃物，原料易得廉价，属于废弃物资源化利用，同时吸附的重金属易于洗脱，回收利用率高，走的是可持续发展路线，设备、材料、工艺运行等控制因素的限制少，易于操作。好氧颗粒污泥技术已为污水处理领域的一个研究热点，并取得了一定的研究成果。相较于厌氧颗粒污泥，好氧颗粒污泥的启动时间短，可在常温下进行培养。好氧颗粒污泥不仅可处理城市污水这样的低浓度废水，对高浓度有机废水也可有很好的去除效果且不需要后续处理，另外其还具有较强的脱氮除磷能力。由于参与碳、氮、磷去除的菌群对生长条件需求不同，所以普通活性污泥一般要设置在不同的反应器，才能有效地去除碳、氮、磷，但在好氧颗粒污泥中,不同菌群可以分布在颗粒中的不同区域,为好氧颗粒污泥同时去除碳、氮、磷提供了有利条件好氧颗粒污泥由于具有较大的表面积且内部多孔,容易与水分离,其也可作为一种生物吸附剂来处理重金属废水。好氧颗粒主要通过离子交换、胞外多聚物的粘合、化学沉淀、金属螯合等机理来实现对重金属离子的吸附。颗粒污泥密实的结构、规则的外形及其沉降性能良好的特性，使颗粒污泥在水处理
技术领域：
具有重要的研究价值与应用前景。但如何合理控制影响颗粒污泥形成的工艺参数从而快速培养出性能良好的好氧颗粒污泥并维持其长期稳定运行，是实现将好氧颗粒污泥技术投入实际应用的关键。因此将好氧颗粒污泥在SBR反应器内硝化培养，得到培养成熟的好氧颗粒污泥及使其稳定运行参数，以期掌握培养方法以便用硝化好氧颗粒污泥处理含氮磷、重金属废水，为解决水体污染的问题做出贡献。技术实现要素：本发明的目的是，针对以上问题，提供一种硝化好氧颗粒污泥的培养方法，该硝化好氧颗粒污泥具有处理水中含氮磷及重金属的能力。本发明的技术方案如下：一种硝化好氧颗粒污泥的培养方法，包括以下步骤：(1)建立控制SBR反应器运行的实验装置；(2)接种污泥和曝气：接种污泥体积为1L，占反应器容积的1/2；进水水质采用人工配制模拟废水；由空气泵供气向SBR反应器曝气，并用转子流量计控制曝气量，曝气量控制在0.1～0.3m3/h；控制运行周期时间参数，SBR反应器温度控制在20±1℃；(3)污泥沉降和生化培养，生成好氧颗粒污泥：所述SBR反应器运行分三阶段，第一阶段为细菌培养的前期，第二阶段为细菌培养的中期，第三阶段为细菌培养的后期；在一个周期35天内，按污泥形成的形状划分，前期出现菌丝，中期出现颗粒晶核，后期形成完整的颗粒污泥。所述人工配制模拟废水用1700mg/L三水乙酸钠作为800mg/L的COD，进水溶液微量元素取1mL/L，投加111mg/LCaCl2，406mg/LMgSO4.7H2O；实验反应器R1、实验反应器R2和实验反应器R3内的C/N/P(碳/氮/磷)分别按照100/5/1、100/10/1、100/30/1比例配制人工废水。所述运行周期时间参数包括进出水时间、曝气时间和沉降时间；将运行周期分为三阶段，第一阶段的进水时间为3min，曝气时间为3.6h，沉降时间为15min；第二阶段的进水时间为3min，曝气时间为3.6h，沉降时间为9min；第三阶段的进水时间为3min，曝气时间为3.8h，沉降时间为3min。所述接种污泥浓度MLSS为2.27～4.13g/L，SVI30＝52.51mL/g；接种污泥完全呈絮状，无颗粒污泥。所述SBR反应器接种絮状活性污泥后，在前期的污泥驯化阶段，进水COD由200mg/L逐渐加到800mg/L，当COD的浓度增加到800mg/L后维持不变；培养前期污泥沉降时间为15min；第十天开始将沉降时间定为9min，再到第16天将沉降时间设定为3min；根据培养的实际情况，反应器曝气流量由0.1m3/h逐渐增至0.25m3/h；在培养到35天后就可得到好氧活性污泥颗粒。反应器运行到第6天开始出现丝状菌，第9天反应器内的污泥出现肉眼可见的颗粒晶核，丝状菌缠绕颗粒晶核表面生长；反应器运行到第13天以后，与丝状菌缠绕的颗粒晶核开始慢慢变大；培养中期，颗粒表面的丝状菌慢慢变少，开始有少量的颗粒污泥出现，18天以后反应器里边的污泥已经基本转变为颗粒状，但是所形成的颗粒污泥形状不一，表面不规则，结构并不是很密实；培养后期，初步形成的好氧颗粒污泥经过一段时间的稳定运行后，呈现出表面光滑规则的椭圆形。所述控制SBR反应器运行的实验装置包括SBR反应器、配水箱、进水泵、流量计、时间控制器、气泵、转子流量计和电磁阀。配水箱出口通过出水管连接进水泵，进水泵通过流量计出水管进入SBR反应器的上端进水口；气泵通过转子流量计经管道通入SBR反应器的下端曝气头进口；SBR反应器中部壁上设置了出水口，出水口通过电磁阀控制SBR反应器的出水；时间控制器分别控制进水泵、气泵和出水电磁阀。所述SBR反应器为圆筒形结构，总高100cm，内径7cm，有效体积2L，排水口设在.距反应器.底部26cm处，由电磁阀控制排水；排水量为1L，即排水比为50％。反应器底部设曝气头。所述SBR反应器的温度由温控仪和电热带共同控制；SBR反应器每个运行周期为4h。所述配水箱装入人工配制模拟废水，由小型进水泵抽吸后从上部进水口打入SBR反应器。所述模拟废水组成如下表所示，其中微量元素包括：(NH4)6Mo7O24·4H2O；KI；CuSO4·5H2O；FeSO4·7H2O；ZnSO4·7H2O；EDTA-二钠；Ni(NO3)6H2O。模拟废水的组成本发明采用的测定项目与分析方法：用标准方法测定COD(化学需氧量)、TP(总磷)、NH4+-N(氨氮)等指标。(1)COD：重铬酸钾法测定。(2)TP：钼锑抗分光光度法测定。(3)NH4+-N：采用水杨酸-次氯酸盐分光光度法测定。硝化好氧颗粒污泥能用于水体脱氮除磷，去除CAD，吸附重金属；当C/N(碳/氮)为100：(5－10)时，所述硝化好氧颗粒污泥对COD的去除率可达到95％以上；所述硝化好氧颗粒污泥对TP的去除率可达80％～90％；当废水pH值为3.5时，所述硝化好氧颗粒污泥对Pb2+的去除率可达97％。本发明的有益效果是，采用本发明方法所培养的好氧颗粒污泥具有结构紧密、沉降性能好、耐冲击能力强、可以承受较高的有机负荷，能够在一个颗粒内同时保持多种氧浓度环境与营养环境，颗粒特有的氧浓度梯度为各种微生物提供良好的生长条件，因而具有多种代谢作用，具有同步脱氮除磷的能力。采用本发明方法制备的好氧颗粒污泥对TP、氨氮、COD都具有较好的去除效果。N/C比不同条件下形成的颗粒污泥对TP的去除效果的影响差异不大，去除率都可达80％～90％；反应器R1的氨氮去除率分别为94.9％；C/N为100：5与C/N为100：10反应器内颗粒污泥对COD具有较好的去除效果，去除率分别为96％和98％，C/N为100：30条件下形成的颗粒污泥对COD的去除率有所降低去除率为85％。本发明方法所培养的好氧颗粒污泥可处理难降解的废水、有毒废水、高浓度的有机废水以及吸附重金属。附图说明图1为本发明实验SBR装置示意图；其中，1为配水箱；2为进水泵；3为流量计；4为时间控制器；5为气泵；6为电磁阀；7为转子流量计；8为SBR反应器。图2为不同运行时间的污泥形态变化；图2(A)为运行8天的污泥形态；图2(B)为运行18天的污泥形态；图2(C)为运行22天的污泥形态；图2(D)为运行30天的成熟颗粒污泥；图2(E)为运行8天的污泥形态；图2(F)为运行30天的成熟颗粒污泥。图3为污泥颗粒化过程中COD、氨氮、TP的去除率变化曲线；图3(A)为污泥颗粒化过程中COD去除率变化曲线；图3(B)为污泥颗粒化过程中氨氮的去除率变化曲线；图3(C)为污泥颗粒化过程中TP的去除率变化曲线。图4为吸附前、吸附后好氧颗粒污泥扫描电镜图；图4(A)为吸附Pb2+前好氧颗粒污泥扫描电镜图；图4(B)吸附Pb2+后好氧颗粒污泥扫描电镜图；4(C)为吸附Pb2+前好氧颗粒污泥扫描电镜图；4(D)为吸附Pb2+后好氧颗粒污泥扫描电镜图。图5为pH对吸附除Pb2+效果的影响；图6为颗粒污泥加入量对Pb2+去除率效果的影响。具体实施方式本发明具体实施方式采用控制SBR反应器运行的实验装置。装置如图1所示。控制SBR反应器运行的实验装置，包括SBR反应器8、配水箱1、进水泵2、流量计3、时间控制器4、气泵5、转子流量计7和电磁阀6。配水箱1出口通过出水管连接进水泵2，进水泵2通过流量计3的出水管进入SBR反应器8的上端进水口；气泵5通过转子流量计7经管道通入SBR反应器8的下端曝气头进口；SBR反应器8中部壁上设置了出水口，出水口通过电磁阀6控制SBR反应器的出水；时间控制器4分别控制进水泵2、气泵5和出水电磁阀6。实施例1：硝化好氧颗粒污泥的培养(1)实验装置运行控制SBR反应器的实验装置如图1所示。SBR反应器总高100cm，内径7cm，有效体积2L，排水口设在.距反应器.底部26cm处，排水量为1L，即排水比为50％。反应器底部设曝气头，由空气泵供气并用转子流量计控制曝气量，曝气量控制在0.1～0.3m3/h。采用人工配制模拟废水装入配水箱，由小型抽水泵抽吸后从上部进水口打入SBR反应器。排水口设在反应器中间，由电磁阀控制排水。SBR反应器每个运行周期约为4h，进出水时间、曝气时间、沉降时间见表1，在整个运行过程中SBR反应器由时间继电器自动控制。温度由温控仪和电热带共同控制在20±1℃。(2)运行时间表1运行周期时间参数参数第一阶段第二阶段第三阶段进出水时间/min333曝气时间/h3.63.63.8沉降时间/min1593(3)接种污泥和进水水质反应器接种污泥取自华东交通大学生活污水处理站MBR反应器曝气池内的普通絮状污泥，接种体积为1L，占反应器容积的1/2，接种污泥浓度MLSS为2.64g/L，SVI30＝52.51mL/g。接种污泥完全呈絮状，无颗粒污泥。进水组分如表2，以三水乙酸钠(1700mg/L)作为COD(800mg/L)，进水溶液微量元素取1mL/L，投加111mg/LCaCl2(即40mg/LCa2+)，406mg/LMgSO4.7H2O(即40mg/LMg2+)，实验反应器R1、R2、R3内的C/N/P分别按照100/5/1、100/10/1、100/30/1比例配制人工废水。表2模拟废水的组成在反应器运行到第6天开始出现丝状菌，第9天反应器内的污泥出现肉眼可见的颗粒晶核，丝状菌缠绕颗粒晶核表面生长；反应器运行到第13天以后，与丝状菌缠绕的颗粒晶核开始慢慢变大。培养中期，颗粒表面的丝状菌慢慢变少，开始有少量的颗粒污泥出现，18天以后反应器里边的污泥已经基本转变为颗粒状，但是所形成的颗粒污泥形状不一，表面不规则，结构并不是很密实；培养后期，初步形成的颗粒污泥经过一段时间的稳定运行后，呈现出表面光滑规则的椭圆形。经过以上培养方法，培养期间污泥形态变化见图2，所培养的成熟好氧颗粒污泥具有以下物理性质，见表3。表3好氧颗粒污泥物理性质注：悬浮液固体浓度(MLSS)，污泥体积指数(SVI)，污泥胞外蛋白(PN)，胞外多糖(PS)；反应器R1、R2、R3内的C/N/P比分别为100/5/1、100/10/1、100/30/1。实施例2：硝化好氧颗粒污泥对废水(COD/NH4+-N/TP)的处理情况在好氧颗粒污泥的培养中，反应器运行过程对污染物的去除情况如图3所示。由于初始反应器的接种污泥取自膜生物反应器，因此在培养前期为污泥驯化过程，保证污泥的正常生长。初始进水COD浓度在200mg/L，逐步提高反应器进水浓度，进水COD浓度由200mg/L逐渐递增至800mg/L并稳定在此。在培养了35d后，R1和R2两个反应器中COD的去除率基本维持在95％上下，与刚接种时污泥对COD的去除率相近。同时，由图3可知，C/N比不同条件下所形成的颗粒污泥对TP的去除效果的影响不大，去除率都可达80％～90％；C/N比越高，形成的颗粒污泥对氨氮的去除率越高，R1、R2和R3反应器的氨氮去除率分别为94.9％、72.3％、43.61％；C/N为100：5与C/N为100：10的反应器内颗粒污泥对COD具有较好的去除效果，去除率分别为96％和98％，C/N为100:30条件下形成的颗粒污泥对COD的去除率有所降低去除率为85％。观察各反应器内培养过程中污泥对污染物的去除趋势，可以发现，COD、氨氮、TP等污染物的去除率在初期剧烈下降，这是培养初期水力选择压的作用，将沉降性能差的污泥排出了反应器，导致MLSS急剧下降，对污染物的去除率造成了一定的影响，后期随着污泥浓度的增加，污泥对各污染物的去除率稳步上升，培养16d后颗粒污泥属于稳定运行阶段，对污染物的去除能力也趋于稳定。培养后期的颗粒污泥对TP有较好去除效果，主要原因是，随着培养时间的逐渐增加，颗粒污泥逐渐成熟，粒径增大，内部富集越来越多的聚磷菌，同时颗粒结构外部好氧，内部缺氧的氧环境，有利于聚磷菌对磷过量摄取与释放，进而达到更佳的除磷效果，TP的去除率也随之升高。实施例3：硝化好氧颗粒污泥对Pb2+的吸附最佳pH的确定称取0.1g的干燥好氧颗粒污泥置于8个250mL的具塞锥形瓶中，加入实际废水100mL，用NaOH溶液调节pH值分别为1.25(原液)、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5，将锥形瓶置于恒温震荡摇床内，将摇床温度和转速分别设定为25℃、200r/min，震荡2.0h，0.45μm滤膜过滤后测定Pb2+的浓度值。吸附前、吸附后好氧颗粒污泥扫描如图4所示。当pH值为3.5时可达到最佳吸附效果，相应去除率为97.61％，即原水水质含Pb2+浓度为23.8mg/L时，其出水浓度为0.57mg/L，相应的吸附容量为23.23mg/g，当pH值大于3.5以后，该吸附剂对Pb2+的吸附效果并没有明显变化，故可以认为当pH≥3.5时，干硝化好氧颗粒污泥对铅吸附效果较好。考虑到原废水的pH值为1.25，把pH调节到3.5相对于将pH调节到大于3.5来说更为经济也更容易，pH对吸附除Pb2+效果的影响如图5所示。所以，综合考虑认为该吸附剂吸附除的最佳pH值为3.5。颗粒污泥加入量对Pb2+去除率效果的影响如图6所示。由图可见，随着吸附剂(颗粒污泥)用量增大，Pb2+去除率持续增大，当吸附剂用量为0.5g/L时，Pb2+的去除率为90.6％，此后随着吸附剂用量增大，Pb2+去除率基本都保持90％以上，当吸附剂用量为1.0g/L时，Pb2+的去除率为94.9％。这主要是因为，当吸附剂在0.1～1.0g/L之间时，随着吸附剂用量的增加，吸附面积随之增大，故去除率会逐渐增加。当吸附剂用量在0.1～0.3g/L时，吸附剂对Pb2+的吸附容量较为接近，在46～51mg/g之间；当吸附剂用量在0.3～1.0g/L时，吸附容量持续下降。这主要是因为，在低浓度吸附剂条件下，金属离子可以充分地与吸附剂接触，吸附容量大；然而再随着吸附剂浓度的增加，可能导致颗粒之间产生凝聚现象，吸附剂之间形成遮蔽效应，进而使得总比表面积减少，从而吸附容量降低。当前第1页1 2 3