一种耐盐除碳微生物颗粒材料快速培育方法与流程

本发明涉及环境工程废水生物处理技术领域，尤其涉及一种耐盐除碳微生物颗粒材料的快速培育方法。

背景技术

我国现阶段高盐有机废水年排放量巨大、类型多样，已经成为典型的污染源。根据《全国环境统计公报》，2015年全国废水排放总量735.3亿吨，化学需氧量(cod)排放量2223.5万吨。由于含有高盐分和各种有机物，基于物理或化学原理的处理工艺存在成本高昂，处理效果不佳等缺点，而生物除碳技术由于经济、高效、环保等优点被广泛应用于各种污水处理系统中。

培育耐盐活性污泥是生物处理高盐有机废水的重要研究领域，但絮状活性污泥耐盐度有限，对冲击负荷敏感，且污泥容易上浮和流失。近年来，新型耐盐生物去污除碳材料与技术的开发受到广泛关注，其中耐盐微生物颗粒材料具备结构密实、沉降性能优越，盐分忍耐度高，微生物菌群丰富、功能菌高效持留的优势，而且占地面积小、排泥量少、对有毒物质耐受性强，抗冲击能力强，已经证明是处理高盐有机物废水的有效技术之一，但如何快速获得耐盐高效微生物颗粒材料是研究重点。

微生物颗粒材料制备过程的机理十分复杂，影响因素众多，因此研究者提出多种生物颗粒化过程的机理，比如胞外聚合物假说，丝状菌假说，晶核假说，金属阳离子假说以及微生物自凝聚假说。而微生物颗粒化过程模型主要包括：(1)微生物或细菌之间相互碰撞，或细菌向固体表面粘附，形成最初的颗粒凝聚核；(2)碰撞而聚集的微生物保持稳定接触而进一步形成聚集体；(3)粘附或凝聚的微生物聚集体中的细菌持续生长、繁殖、分泌粘附物质等，逐渐形成初生颗粒体；(4)在外部作用力等的影响下，初生颗粒体形成一个稳定的三维空间结构。微生物或细菌表面总是带负电，而菌体表面附着的胞外聚合物含有较多负电基团物质，根据dlvo理论，颗粒之间易产生静电斥力及斥力势能，破坏微生物聚集状态。金属阳离子通过电中和作用降低静电斥力，或者通过架桥作用与负电基团相连接，而在高浓度na⁺或k⁺的刺激下微生物趋向于分泌更多的胞外聚合物，从而促进微生物之间聚集。

现有技术公开了微生物颗粒材料的多种培养方法，例如，申请号为cn201410268969.7的发明名称为“一种好氧耐盐颗粒污泥培养方法”，其中公开了利用投加粉末活性炭，并逐步提高盐分，最终培育耐盐微生物颗粒的方法；该法接种污泥需取自污水厂的脱水污泥，并且事先投加1～2kg·m^-3的粉末活性炭，无疑增加运行成本及处理费用；另外该方法通过逐步提高盐度至20±5g·l^-1的方法，微生物颗粒培育花费时间较长(10周左右)。

申请号为cn201711330613.1的发明名称为“一种好氧颗粒污泥培养方法及培养装置”，其中公开了一种好氧颗粒污泥培养方法及培养装置，该方法通过将活性污泥与pac及海泡石混合，并在曝气供氧的上游环节设置厌氧搅拌的过程(共6个阶段)，最后在90天左右获得微生物颗粒。相比之下，本培育方法的优势在于：操作过程简单(不需厌氧搅拌)，培育时间更短(仅10天左右)，适应更高盐浓度(最大50g·l^-1)，除碳活性高。

快速驯化培育获得耐盐型微生物除碳颗粒是高效降解高含盐、高浓度有机废水生化处理工艺的关键。本发明关于耐盐型微生物除碳颗粒快速培育方法的创新点在于，不同于传统梯度提高盐分及逐步增加选择压的办法，在反应启动时初始cod及盐负荷值都较高下，严苛的水力选择压更加适合微生物颗粒材料的合成，这种组合方式在仅10天左右便可获得耐盐除碳微生物颗粒材料，其适应高盐环境，同时去污除碳活性大大提高。该技术不仅运行成本低廉，而且培养周期大大缩短、操作简单，极大推动耐盐型微生物颗粒技术在工业污水处理领域的应用。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种耐盐除碳微生物颗粒快速培育方法。

本发明具体采用的技术方案如下：

一种耐盐除碳微生物颗粒材料快速培育方法，它包括如下工艺步骤：

1)取城市生活污水处理厂的剩余污泥或者生化池回流污泥，空曝一段时间后将其作为接种污泥接种至反应器中，反应器中接种污泥浓度为2～6gvss·l^-1(此处的污泥浓度是指反应器运行时的污泥浓度，在接种时需以反应器运行状态下的有效容积计算污泥添加量)；

2)配制模拟基质，模拟基质中含有营养试剂组分a和筛选试剂组分b；其中营养试剂组分a为葡萄糖1g·l^-1、氯化铵0.2g·l^-1、磷酸二氢钾0.045g·l^-1、七水硫酸镁0.037g·l^-1、无水氯化钙0.04～0.05g·l^-1、七水硫酸亚铁0.037g·l^-1和微量元素液1ml·l^-1；筛选试剂组分b为氯化钠5～25g·l^-1和硫酸钾5～25g·l^-1；

3)以序批式方式运行反应器，颗粒材料在串联批次反应中培育，每个批次包括进料阶段、好氧曝气培育阶段、静置分层阶段、上清液清除及闲置阶段，4个阶段的运行总时间控制在4～6h，其中静置分层阶段时间始终为5min；每个批次进料阶段的基质始终采用步骤2)配制的模拟基质，培育过程中维持反应器内ph和温度稳定；

4)在反应器内连续培育9～12d后，获得耐盐除碳微生物颗粒材料。

作为优选，所述步骤(1)中，污泥空曝时间为1～2d。

作为优选，所述步骤2)中，所述的微量元素液成分为：硼酸50mg·l^-1、氯化铜30mg·l^-1、四水氯化锰100mg·l^-1、七钼酸铵50mg·l^-1、氯化锌50mg·l^-1、氯化钴50mg·l^-1、氯化铝50mg·l^-1和氯化镍50mg·l^-1。

作为优选，在整个培育过程中，每个批次间无间歇时间，串联运行。

作为优选，所述步骤3)中，反应器ph控制在6.5～7.5。

作为优选，所述步骤3)中，反应器温度控制在23～26℃。

作为优选，在整个培育过程中，每个批次的进水中有机负荷与盐度保持稳定，不梯度上升，有机负荷率为3～6kgcod·m^-3·d^-1，盐度为1～5％。

作为优选，所述步骤(3)中，每个批次内，进料阶段、好氧曝气培育阶段、静置分层阶段、上清液清除及闲置阶段的时间比例依次为2％～2.5％，93％～94.5％，1.0％～2.5％及1.5～2.5％。

作为优选，所述步骤3)中，好氧曝气培育阶段控制供氧均匀稳定，溶解氧水平在5～7mg/l。

作为优选，所述步骤3)中，上清液清除及闲置阶段中，体积交换率维持在60％～70％范围内。

本发明制备方法与现有技术相比具有以下优势：1)操作方法简单，运行成本低廉，制备时间短；2)原料普遍，所制材料耐受高盐，并兼具高除碳活性及高沉降性能；3)培育方法及材料适用于高盐度高浓度有机物污水处理等领域，具有较广泛的应用价值。

附图说明

图1为耐盐高密度微生物除碳颗粒培育过程中不同天数时的光镜图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

实施例1

本实施例中，一种耐盐除碳微生物颗粒材料快速培育方法，具体工艺步骤如下：

(1)活性污泥接种：取城市生活污水处理厂的生化池回流污泥，空曝1d后将其作为接种污泥接入反应器，保证反应器后续运行时污泥浓度为6gvss·l^-1。接种时预先根据反应器后续运行时的有效容积计算污泥接种量。

(2)模拟基质配制：模拟基质中含有两类组分，分别为营养试剂组分a和筛选试剂组分b，其中营养试剂组分a用于为微生物生长代谢提供养分，筛选试剂组分b用于提高基质中的盐负荷值，对耐盐微生物进行筛选。配制好的模拟基质中，溶剂为纯水，营养试剂组分a的成分和含量(此处各成分的含量均为该成分在配制好的模拟基质中的含量)如下：葡萄糖(c6h12o6，1g·l^-1)，氯化铵(nh4cl，0.2g·l^-1)，磷酸二氢钾(kh2po4，0.045g·l^-1)，七水硫酸镁(mgso4·7h2o，0.037g·l^-1)，无水氯化钙(cacl2，0.04g·l^-1)，七水硫酸亚铁(feso4·7h2o，0.037g·l^-1)以及微量元素液(1ml·l^-1)，微量元素液成分和含量(此处各成分的含量均为该成分在微量元素液中的含量)为：硼酸(h3bo3，50mg·l^-1)，氯化铜(cucl2，30mg·l^-1)，四水氯化锰(mncl2·4h2o，100mg·l^-1)，七钼酸铵((nh4)6mo7o24·4h2o，50mg·l^-1)，氯化锌(zncl2，50mg·l^-1)，氯化钴(cocl2·6h2o，50mg·l^-1)，氯化铝(alcl3，50mg·l^-1)，氯化镍(nicl2，50mg·l^-1)；另外基质中筛选试剂组分b的成分和含量(此处各成分的含量均为该成分在配制好的模拟基质中的含量)如下：氯化钠(nacl，15g·l^-1)，硫酸钾(k2so4，15g·l^-1)。

(3)运行模式调控：以序批式方式运行反应器，颗粒材料在串联批次反应中培育获得，每个批次包括阶段i(快速进料阶段)，阶段ii(均匀稳定供氧培育阶段)，阶段iii(静置分层阶段)和阶段ⅳ(上清液清除及闲置阶段)，每个阶段的运行时间依次为5min，225min，5min及5min，每次运行总时间控制在4h。整个运行过程中，每个批次间无间歇时间，串联运行。

每个批次的阶段i中，进水基质始终采用步骤2)配制的模拟基质，因此不同于传统梯度提高盐分及逐步增加选择压的办法，本发明在整个培育过程中cod负荷及盐负荷值一直保持在稳定的较高水平。

每个批次的阶段ii中，需要控制供氧均匀稳定，保持溶解氧水平在6.5～6.9mg/l。

每个批次的阶段iii中，始终保持静置时间为5min。传统方法中，静置时间逐渐降低，因此选择条件相对温和，微生物结构变化慢，而本发明中从开始到结束一直保持很短的静置时间，因此反应器初始运行淘洗掉的污泥更多，形成更为严苛的水力选择条件。

每个批次的阶段ⅳ中，体积交换率维持在65％。

在整个运行过程中，需要不断监测反应器内的ph和温度，通过补充hci或者nahco3溶液维持反应器ph在7.0，通过温度控制器维持反应器内温度在23.5℃。

(4)颗粒材料获得：按照上述运行方式将污泥在反应器内连续培育9d，取反应器底部颗粒，即可获得高效耐盐高密度微生物除碳颗粒材料。

在上述步骤(3)和(4)中，控制进水有机负荷始终为4kgcod·m^-3·d^-1。

耐盐高密度微生物除碳颗粒培育过程如图1所示。在第1天左右，絮状活性污泥开始生成微小的颗粒晶核；在第3～5天，微生物菌群系统中生成米粒大小的颗粒体，密实程度快速改善，除碳效果佳，并保持稳定；在反应器运行9天时获得成熟的高效耐盐高密度微生物除碳颗粒。

实施例2

本实施例中，一种耐盐除碳微生物颗粒材料快速培育方法，具体工艺步骤如下：

(1)活性污泥接种：取城市生活污水处理厂的生化池回流污泥，空曝1d后将其作为接种污泥接入反应器，保证反应器后续运行时污泥浓度为2gvss·l^-1。接种时预先根据反应器后续运行时的有效容积计算污泥接种量。

(2)模拟基质配制：模拟基质中含有两类组分，分别为营养试剂组分a和筛选试剂组分b，其中营养试剂组分a用于为微生物生长代谢提供养分，筛选试剂组分b用于提高基质中的盐负荷值，对耐盐微生物进行筛选。配制好的模拟基质中，溶剂为纯水，营养试剂组分a的成分和含量(此处各成分的含量均为该成分在配制好的模拟基质中的含量)如下：葡萄糖(c6h12o6，1g·l^-1)，氯化铵(nh4cl，0.2g·l^-1)，磷酸二氢钾(kh2po4，0.045g·l^-1)，七水硫酸镁(mgso4·7h2o，0.037g·l^-1)，无水氯化钙(cacl2，0.05g·l^-1)，七水硫酸亚铁(feso4·7h2o，0.037g·l^-1)以及微量元素液(1ml·l^-1)，微量元素液成分和含量(此处各成分的含量均为该成分在微量元素液中的含量)为：硼酸(h3bo3，50mg·l^-1)，氯化铜(cucl2，30mg·l^-1)，四水氯化锰(mncl2·4h2o，100mg·l^-1)，七钼酸铵((nh4)6mo7o24·4h2o，50mg·l^-1)，氯化锌(zncl2，50mg·l^-1)，氯化钴(cocl2·6h2o，50mg·l^-1)，氯化铝(alcl3，50mg·l^-1)，氯化镍(nicl2，50mg·l^-1)；另外基质中筛选试剂组分b的成分和含量(此处各成分的含量均为该成分在配制好的模拟基质中的含量)如下：氯化钠(nacl，25g·l^-1)，硫酸钾(k2so4，25g·l^-1)。

(3)运行模式调控：以序批式方式运行反应器，颗粒材料在串联批次反应中培育获得，每个批次包括阶段i(快速进料阶段)，阶段ii(均匀稳定供氧培育阶段)，阶段iii(静置分层阶段)和阶段ⅳ(上清液清除及闲置阶段)，每个阶段的运行时间依次为8min，340min，5min及7min，每次运行总时间控制在6h。整个运行过程中，每个批次间无间歇时间，串联运行。

每个批次的阶段i中，进水基质始终采用步骤2)配制的模拟基质，因此不同于传统梯度提高盐分及逐步增加选择压的办法，本发明中cod负荷及盐负荷值一直保持在稳定的较高水平。

每个批次的阶段ii中，需要控制供氧均匀稳定，保持溶解氧水平在6.5～6.9mg/l。

每个批次的阶段iii中，始终保持静置时间为5min。传统方法中，静置时间逐渐降低，因此选择条件相对温和，微生物结构变化慢，而本发明中从开始到结束一直保持很短的静置时间，因此反应器初始运行淘洗掉的污泥更多，形成更为严苛的水力选择条件。

每个批次的阶段ⅳ中，体积交换率维持在65％。

在整个运行过程中，需要不断监测反应器内的ph和温度，通过补充hci或者nahco3溶液维持反应器ph在7.0，通过温度控制器维持反应器内温度在23.5℃。

(4)颗粒材料获得：按照上述运行方式将污泥在反应器内连续培育12d，取反应器底部颗粒，即可获得高效耐盐高密度微生物除碳颗粒材料。

在上述步骤(3)和(4)中，控制进水有机负荷始终为3kgcod·m^-3·d^-1。

在第2天左右，絮状活性污泥开始生成微小的颗粒晶核；在第4～7天，微生物菌群系统中生成米粒大小的颗粒体，密实程度快速改善，除碳效果佳，并保持稳定；在反应器运行12天左右，获得成熟的高效耐盐高密度微生物除碳颗粒。

由此可见，本发明不同于传统梯度提高盐分及逐步增加选择压的办法，在初始cod及盐负荷值都较高下，严苛的水力选择压更加适合微生物颗粒材料的合成，这种组合方式在仅9～12天左右便可获得耐盐除碳微生物颗粒材料。由于其本身就是在高盐环境下培养的，因此具有较好的耐盐性，能够适应高盐环境，同时去污除碳活性大大提高。该技术不仅运行成本低廉，而且培养周期大大缩短、操作简单，可以极大推动耐盐型微生物颗粒技术在工业污水处理领域的应用。

尽管已经结合实例对本发明进行了详细地描述，但是本领域技术人员应当理解地是，本发明并非仅限于特定实施例，相反，在没有超出本申请精神和实质的各种修正，变形和替换都落入到本申请的保护范围之中。