CN103626290B - 一种厌氧颗粒污泥快速驯化反应器及快速驯化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种厌氧颗粒污泥快速驯化反应器及快速驯化方法，厌氧颗粒污泥快速驯化反应器包括主体反应器，还包括设于所述主体反应器内的群体感应调控装置，所述群体感应调控装置包括：壳体；位于壳体上的若干扩散通道；设置在每个扩散通道处用于调节扩散通道开度的调节片；设于壳体内部的曝气系统和温控系统；以及连通在所述壳体上的进、出水管。本发明运用群体感应调控机制，结构简单，调控方便，能促进污泥快速形成颗粒，缩短颗粒污泥的形成时间，大幅度降低培养成本，具有较为明显的优势。

Description

一种厌氧颗粒污泥快速驯化反应器及快速驯化方法

技术领域

本发明涉及废水生物治理技术领域，具体涉及一种利用群体感情机制调控厌氧颗粒污泥的快速驯化反应器及快速驯化方法。

背景技术

厌氧颗粒污泥的形成主要分三个过程：（1）细菌与基体的吸引粘连过程；（2）微生物聚集体的形成；（3）成熟污泥不断增大的过程。其中前面过程是整个颗粒形成的关键步骤，也是驯化周期长短的决定过程。

例如，公开号为CN102976485A的中国发明专利申请于2013年3月20日公开了一种处理养猪废水的厌氧颗粒污泥快速培养方法，首先将失活的阳离子交换树脂用质量浓度为3%～5%的氢氧化钠溶液完全浸泡5～6小时，浸泡后的离子交换树脂用蒸馏水洗至中性，然后用质量浓度为5%盐酸将中性离子交换树脂完全浸泡5～6，完成强酸型阳离子交换树脂再生。厌氧培养装置在加入稀释的养猪废水前投入再生完成的强酸型阳离子交换树脂，通过控制厌氧培养装置内的温度、碱度及pH值等，逐渐提高进水浓度，减少水力停留时间等手段，当厌氧培养装置出水化学需氧量COD去除率在80～90%时，获得沉降性能良好的厌氧颗粒污泥。

公开号为CN103043792A的中国发明专利申请于2013年4月17日公开了一种厌氧颗粒污泥培养装置，包括在本体内设置人工污泥床层，人工污泥床层是在上支、下支撑板中间穿装固定有填料支撑管，上、下支撑板通过下固定架与本体固定，在填料支撑管的管壁上设有均布的放射状填料，在本体的底部设有多路进水分配器，多路进水分配器与进水泵连接，在本体的上部设有出水管，在位于出水管之上的本体上设有溢流堰，在位于溢流堰之上的本体上设有排气管，排气管与集气罐连接，在本体的底部侧壁上连接的排泥泵与污泥收集池连接。

目前废水厌氧生物处理所采用的厌氧颗粒污泥膨胀床反应器主要靠高上升流速来加速污泥的颗粒化进程。虽然这种驯化方法能快速的培养处颗粒污泥，但维持如此高的上升流速（数米甚至数十米每小时）需要大量能源物质的投入。这也是厌氧颗粒污泥废水处理技术发展过程的一个关键难题。因此，缩短颗粒化的周期将成为现阶段厌氧颗粒污泥培养乃至厌氧废水处理技术进一步发展的制胜点。

群体感应作为一种广泛存在于细胞间的交流调控机制，具有调控诱导细胞定向生长及胞外代谢产物合成的功能。因此，在污泥微生物聚集生长过程中必然受到群体感应的影响，而如何运用群体感应调控颗粒污泥快速形成显得非常重要。

发明内容

本发明提供了一种厌氧颗粒污泥快速驯化反应器及快速驯化方法，运用群体感应调控机制，结构简单，调控方便，能促进污泥快速形成颗粒，缩短颗粒污泥的形成时间，大幅度降低培养成本，具有较为明显的优势。

一种厌氧颗粒污泥快速驯化反应器，包括主体反应器，还包括设于所述主体反应器内的群体感应调控装置，所述群体感应调控装置包括：

壳体；

位于壳体上的若干扩散通道；

设置在每个扩散通道处用于调节扩散通道开度的调节片；

设于壳体内部的曝气系统和温控系统；

以及连通在所述壳体上的进、出水管。

本发明在传统厌氧颗粒污泥驯化反应器（EGSB）内放入一个群体感应调控装置，群体感应调控装置内部装有群体感应菌种（信号分子分泌菌），通过控制群体感应调控装置内的温控系统和曝气系统选择内部环境条件，包括温度和溶解氧，可以实现信号分子的选择性合成；群体感应调控装置上设置作为信号分子的扩散通道，通过调节片调节扩散通道的开启或关闭，可以实现信号分子的选择性扩散，群体感应菌种在调控装置中封闭培养至一定浓度后打开扩散通道，群体感应调控装置群体感应菌种产生的信号分子扩散至主体反应器的污泥中，刺激污泥中微生物的生长，加快厌氧颗粒污泥驯化的速度。

本发明的所述的驯化反应器采用较一般厌氧颗粒污泥驯化反应器更低的上升流速，为1.0～2.0m/h。本发明装置结构简单，操作方便，能有效解决现有厌氧颗粒污泥培养所需时间较长、严重浪费人力、物力的问题。

所述调节片优选为有机玻璃片。

所述曝气系统包括曝气管和连通壳体内外的输气管，所述曝气管位于壳体内的下部。

作为优选，所述壳体上设有若干开口，该开口用微孔滤膜封闭，构成所述扩散通道。

进一步优选，所述开口与对应开设开口的面的面积比为1/4～1/8，并由微孔滤膜作密封，使其只能进行信号分子的扩散；更进一步优选，所述开口均为正方形开口，用微孔滤膜密封，作为信号分子的扩散通道，在开口外侧各有一片由尼龙绳控制的可滑动有机玻璃片，可通过开启与关闭的形式控制群体感应器内信号分子的扩散，定时开启使群体感应调控装置内信号分子经微孔滤膜扩散到驯化器中。

群体感应调控装置可以通过改变内部培养基温度和曝气量来调节不同菌种的生长，以获得所需种类的信号分子，由外侧滑动的有机玻璃片定时调控其扩散及其持续时间，扩散时间控制在1～2h/d。

作为优选，所述温控系统包括加热棒和温度传感器，所述加热棒立置于壳体内的中心处。用于内部信号分子培养基的温度调控，控制在28～40℃。加热棒设置在壳体的中心处加热更均匀，能更好的控制壳体内的温度。

作为优选，所述群体感应调控装置与主体反应器的容积比为1:100～1:40，确保群体感应调控装置的放置不会对驯化反应器中的上升流速产生干扰。

进行污泥驯化前，首先要将群体感应菌种接种至群体感应调控装置中，然后在放入主体反应器中，为了方便操作，所述主体反应器的上方设有定滑轮，所述壳体顶部设有挂钩及连接在挂钩上的调节绳，群体感应调控装置通过其挂钩及调节绳与所述定滑轮相配合。

群体感应调控装置由尼龙绳和定滑轮控制，固定于驯化反应器的底部，操作调节绳，使其沿定滑轮滑动，调节群体感应调控装置在主体反应器中的高度。

作为优选，所述壳体包括：

立置的长方体主体；

与所述长方体主体顶部连通的四棱锥体；

以及与所述长方体主体底部连通的倒四棱锥体；

所述挂钩位于四棱锥体顶部；

所述扩散通道开设在长方体主体的四个竖直面上。

这样的设置方式有利于增加群体感情调控装置内的流速。

作为优选，扩散通道的开口面积与对应竖直面的面积比为1/4～1/8。

所述四棱锥体和倒四棱锥体的大小相同。

长方体主体立置是指长方体主体的长边竖直设置，这样设计主要是减少壳体对上升流速的削弱，尽量减少对水力剪切力的干扰作用。

本发明在上述优选条件的组合下，尤其是壳体结构、群体感应调控装置与主体反应器的容积比以及加热棒的设置位置采用上述优选组合时，能够对调控装置的温控系统和曝气系统进行有效的控制，同时保证装置内信号分子的顺利扩散，能够更好的加速厌氧颗粒污泥的驯化速度。

作为优选，每个扩散通道沿竖直向的两侧均设有与对应调节片滑动配合的轨道。

作为优选，所述调节片上连接有用于调节调节片高度的尼龙绳，该尼龙绳绕置在所述定滑轮上。

当群体感应调控装置放入主体反应器中，群体感应菌种密集度达到要求，需要打开扩散通道的时候，可以直接拉动尼龙绳，将调节片拉起，扩散通道打开，调控装置内的信号分子扩散至主体反应器中的污泥中。

本发明还提供了一种利用所述厌氧颗粒污泥快速驯化反应器进行厌氧污泥颗粒快速驯化的方法，包括如下步骤：

（1）将群体感应菌种培养至对数期后接种至装有新鲜培养基的群体感应调控装置中，关闭扩散通道，将群体感应调控装置放入主体反应器内并固定在主体反应器的底部；

（2）然后在主体反应器中接入厌氧絮状污泥，将主体反应器置于28～32℃的恒温室中；通过控制进水和出水回流的形式设定上升流速为1.0～2.0m/h；

（3）控制群体感应调控装置内的温度为28～40℃，溶氧量为1～4mg/L，选择性地合成信号分子，待信号分子的量达到设定值后打开扩散通道，扩散持续1～2h后关闭扩散通道，信号分子扩散进主体反应器内的厌氧絮状污泥中，加速污泥颗粒化。

所述设定值一般为1～3个HRT（水力停留时间）。

作为优选，群体感应调控装置中的培养基每2～4天更换培养基总体积的2/3～3/4。

群体感应菌种在不同培养条件下分泌不同信号分子，包括假单胞菌属、弧菌属。不同菌属对温度和氧气的需求各不相同，同时所分泌信号分子在种类和浓度上差异较大。假单胞菌属主要分泌高丝氨酸内酯类(AHL)信号分子，严格好氧，最适生长温度35～37℃；弧菌属主要分泌AI-2，需氧或兼氧，最适生长温度30℃。

群体感应菌种的培养基一般采用Luria-Bertani(LB)培养基，培养基成分组成为：蛋白胨10g/L、酵母膏5g/L、NaCl10g/L、pH7.0。

群体感应菌种通过如下方法制备：不同菌种在各自培养基中培养至对数期后，各自接种一定量的菌液于盛有新鲜培养基的群体感应调控装置中。

群体感应调控装置群体中的培养基每2～4天更换总体积的2/3～3/4。具体过程操作过程：采用蠕动泵经进水管先排出其内部一定量的培养基，再换入新鲜培养基，最后密封进水管，使菌种重新进入对数期合成相应的信号分子。

本发明装置成功改进了厌氧污泥颗粒化周期过长的缺点，通过在EGSB中设置群体感应调控装置，其中多种群体感应菌种在温度，曝气量等条件的调控下选择性合成信号分子，定时定量扩散到污泥混合物中，以促进污泥微生物聚集生长，加速形成颗粒污泥，有效缩短厌氧颗粒污泥的驯化周期，本申请的驯化周期在30～40天，而现有技术中厌氧污泥颗粒驯化一般需要40～70天，本申请大大减少了培养过程的能耗物耗，节约厌氧污泥驯化的前期投入成本，满足企业对污水的处理要求和正常的生产过程。本发明装置具有很高的实际应用价值。

附图说明

图1是本发明群体感应调控装置的立体结构示意图。

图2是本发明群体感应调控装置的正面结构示意图。

具体实施方式

一种厌氧颗粒污泥快速驯化反应器，包括主体反应器和设于主体反应器内的群体感应调控装置，主体反应器采用传统厌氧颗粒污泥驯化反应器（EGSB），因此附图中未示出，在主体反应器的上方通过支架固定一个定滑轮，用于安装群体感应调控装置，群体感应调控装置的结构如图1和图2所示。

如图1和图2所述，群体感应调控装置包括壳体14，壳体14的结构包括长方体主体，该长方形主体的长边沿竖直向设置，长方体主体的顶部为四棱锥体，长方体主体的底部为倒四棱锥体；四棱锥体和倒四棱锥体的大小一致。

在壳体的顶部即四棱锥体的顶部固定一个挂钩1，挂钩1上连接有调节绳，该调节绳绕置在主体反应器上方的定滑轮上，绕过定滑轮后固定在对应的固定部件上。

在长方体主体的四个竖直面上各开设一个正方形开口，该开口的面积与长方体主体该面的面积比为1/4～1/8，每个开口均用微孔滤膜6封闭，被微孔滤膜6封闭的开口构成扩散通道。

在每个正方形开口竖直向的两侧各设置一条竖直向的轨道5，两条轨道的开口相对，均朝向正方形开口侧，调节片4插入该轨道5内，与轨道5滑动配合，调节片4选择有机玻璃片，在调节片4上连接一根尼龙绳，4根尼龙绳交汇于一根调节总线3，调节总线3跟壳体14的调节绳一样绕置在定滑轮上，用于调节扩散通道的开、关及开度大小。

壳体14内设有温控系统和曝气系统，曝气系统包括曝气管13和输气管10，曝气管13位于壳体14内底部，通过输气管10与外部的供气装置相连；温控系统包括加热棒12和温度传感器11，加热棒13位于壳体14内的中心处，竖直设置，温度传感器11和加热棒12通过温控系统电线8连接外部电源。

在壳体14的顶部还设有一个通气道7，该通气道调节壳体内外压差，避免曝气和进出培养基时压力的干扰,；进水管9从壳体14的顶部伸入壳体14内，温控系统电线、输气管和进水管在壳体14顶部固定在一起，形成线簇2。

本发明装置工作流程如下：

（1）首先选择不同的群体感应菌种于培养基中培养至对数期，再各自接一定量至含新鲜培养基的群体感应调控装置中；

（2）接着关闭群体感应调控装置四面的扩散通道，用尼龙绳沿定滑轮将群体感应调控装置放入厌氧颗粒污泥驯化反应器EGSB中并固定在底部；

（3）然后在EGSB反应器中接入适量厌氧絮状污泥，将主体反应器置于30℃的恒温室中；通过进水和出水回流的形式设定较低的上升流速；

（4）通过温控系统和曝气系统的调节有选择性地合成信号分子，待1～3个HRT后，打开群体感应调控装置外侧的有机玻璃片，使信号分子从浓度高的群体感应调控装置内扩散到周围污泥混合物中；

（5）扩散持续1～2h后关闭扩散通道，信号分子进入污泥体系的量受扩散通道的开关调控；此时，高浓度的信号分子能调控污泥微生物的生长方式，加速污泥颗粒化。

群体感应调控装置中的培养基采用蠕动泵经连到外部的进水管进行排放与灌注，每2～4天更换总体积的2/3～3/4。

应用例1

驯化反应器体积为10L，HRT为12h。出水回流比设为15，上升流速为1.0m/h；群体感应调控器体积为200mL，长宽高分别为8cm、5cm、5cm；四个面的外侧扩散通道横截面积为4cm²；在调控器内接入制备好的群体感应菌种，关闭扩散通道，放入驯化反应器中，固定在反应器底部。

通过温控系统控制群体感应调控器内部培养基温度至35℃及加大曝气量，使溶解氧维持在3～4mg/L，可促进假单胞菌属的生长，使其分泌出较多的AHL；同时抑制其他菌属的生长及其他信号分子的分泌。

待其生长1～3个HRT后，通过外部连接的尼龙绳打开扩散通道，使内部高浓度的AHL扩散到外部污泥混合物中，其有利于污泥微生物胞外多聚物的合成，促进污泥细胞间的聚集以加速污泥颗粒化进程。

信号分子扩散时间持续1～2h，关闭扩散通道。

经过2～4天的培养后，调控器内菌种大多处于稳定期或衰亡期，需进行培养基的更：采用蠕动泵经进水管先排出调控器内1/3的培养基，再换入等量新鲜培养基。重复进行上述步骤直至完成颗粒污泥的驯化。

第21天在反应器底部取样口取样观察已有小粒径颗粒污泥出现，测定其粒径约为0.2～0.5mm，在污泥中占20%左右。在第40天取反应器底部颗粒污泥测定其粒径为0.3～0.7mm，在污泥中占43%左右。

应用例2

驯化反应器体积为10L，HRT为12h。出水回流比设为15，上升流速为1.0m/h；群体感应调控器体积为250mL，长宽高分别为10cm、5cm、5cm；四个面的外侧扩散通道横截面积为6.25cm²；在调控器内接入制备好的群体感应菌种，关闭扩散通道，放入驯化反应器中，固定在反应器底部。

通过温控系统调制培养基温度至30℃及减小曝气量或停止曝气，使溶解氧维持在1mg/L左右或以下，可促进弧菌属的生长，使其分泌出较多的AI-2；同时抑制其他菌属的生长及信号分子的分泌。

待其生长1～3个HRT后，打开扩散通道，使内部高浓度的AI-2扩散到外部污泥中，使污泥微生物呈聚集生长的方式进行生长，加速颗粒污泥的进一步扩大。

待其生长1～3个HRT后，通过外部连接的尼龙绳打开扩散通道，使内部高浓度的AHL扩散到外部污泥混合物中，其有利于污泥微生物胞外多聚物的合成，促进污泥细胞间的聚集以加速污泥颗粒化进程。

信号分子扩散时间持续1～2h，关闭扩散通道。

经过2～4天的培养后，调控器内菌种大多处于稳定期或衰亡期，需进行培养基的跟换：采用蠕动泵经进水管先排出调控器内1/3的培养基，再换入等量新鲜培养基。重复进行上述步骤直至完成颗粒污泥的驯化。

第17天在反应器底部取样口取样观察已有小粒径颗粒污泥出现，测定其粒径约为0.2～0.6mm，在污泥中占32%左右。在第40天取反应器底部颗粒污泥测定其粒径为0.3～0.7mm，在污泥中占55%左右。

应用例3

驯化反应器体积为10L，HRT为12h。出水回流比设为15，上升流速为1.0m/h；群体感应调控器体积为128mL，长宽高分别为8cm、4cm、4cm；四个面的外侧扩散通道横截面积为4cm²；在调控器内接入制备好的群体感应菌种，关闭扩散通道，放入驯化反应器中，固定在反应器底部。

通过温控系统控制群体感应调控器内部培养基温度至35℃及加大曝气量，使溶解氧维持在3～4mg/L，可促进假单胞菌属的生长，使其分泌出较多的AHL；同时抑制其他菌属的生长及其他信号分子的分泌。

待其生长1～3个HRT后，通过外部连接的尼龙绳3打开扩散通道，使内部高浓度的AHL扩散到外部污泥混合物中，其有利于污泥微生物胞外多聚物的合成，促进污泥细胞间的聚集以加速污泥颗粒化进程。

信号分子扩散时间持续1～2h，关闭扩散通道。

在关闭扩散通道后，通过温控系统调制培养基温度至30℃及减小曝气量或停止曝气，可促进弧菌属的生长，使其分泌出较多的AI-2；同时抑制其他菌属的生长及信号分子的分泌。

待其生长1～3个HRT后，打开扩散通道，使内部高浓度的AI-2扩散到外部污泥中，使污泥微生物呈聚集生长的方式进行生长，加速颗粒污泥的进一步扩大。

上述两个调控过程交替进行，即控制培养基温度至35℃及溶解氧3～4mg/L进行1～3个HRT后，调整温度至30℃及溶解氧至1mg/L以下维持相同的HRT。

经过2～4天的培养后，调控器内菌种大多处于稳定期或衰亡期，需进行培养基的跟换：采用蠕动泵经进水管先排出调控器内1/3的培养基，再换入等量新鲜培养基。重复进行上述步骤直至完成颗粒污泥的驯化。

第13天在反应器底部取样口取样观察已有小粒径颗粒污泥出现，测定其粒径约为0.1～0.4mm，在污泥中占25%左右。在第40天取反应器底部颗粒污泥测定其粒径为0.5～0.7mm，在污泥中占58%左右。

Claims (7)

1.一种厌氧颗粒污泥快速驯化反应器，包括主体反应器，其特征在于，还包括设于所述主体反应器内的群体感应调控装置，所述群体感应调控装置与主体反应器的容积比为1:100～1:40，所述群体感应调控装置包括：

壳体；

位于壳体上的若干扩散通道；

设置在每个扩散通道处用于调节扩散通道开度的调节片；

设于壳体内部的曝气系统和温控系统，所述温控系统包括加热棒和温度传感器，所述加热棒立置于壳体内的中心处；

以及连通在所述壳体上的进、出水管；所述壳体上设有若干开口，该开口用微孔滤膜封闭，构成所述扩散通道。

2.根据权利要求1所述厌氧颗粒污泥快速驯化反应器，其特征在于，所述主体反应器的上方设有定滑轮，所述壳体顶部设有挂钩及连接在挂钩上的调节绳，群体感应调控装置通过其挂钩及调节绳与所述定滑轮相配合。

3.根据权利要求1所述厌氧颗粒污泥快速驯化反应器，其特征在于，所述壳体包括：

立置的长方体主体；

与所述长方体主体顶部连通的四棱锥体；

以及与所述长方体主体底部连通的倒四棱锥体；

所述挂钩位于四棱锥体顶部；

所述扩散通道开设在长方体主体的四个竖直面上。

4.根据权利要求3所述厌氧颗粒污泥快速驯化反应器，其特征在于，每个扩散通道沿竖直向的两侧均设有与对应调节片滑动配合的轨道。

5.根据权利要求4所述厌氧颗粒污泥快速驯化反应器，其特征在于，所述调节片上连接有用于调节调节片高度的尼龙绳，该尼龙绳绕置在所述定滑轮上。

6.一种利用厌氧颗粒污泥快速驯化反应器进行厌氧污泥颗粒快速驯化的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将群体感应菌种培养至对数期后接种至装有新鲜培养基的群体感应调控装置中，关闭扩散通道，将群体感应调控装置放入主体反应器内并固定在主体反应器的底部；

(2)然后在主体反应器中接入厌氧絮状污泥，将主体反应器置于28～32℃的恒温室中；通过控制进水和出水回流的形式设定上升流速为1.0～2.0m/h；

(3)控制群体感应调控装置内的温度为28～40℃，溶氧量为1～4mg/L，选择性地合成信号分子，待信号分子的量达到设定值后打开扩散通道，扩散持续1～2h后关闭扩散通道，信号分子扩散进主体反应器内的厌氧絮状污泥中，加速污泥颗粒化；

所述厌氧颗粒污泥快速驯化反应器，包括主体反应器，还包括设于所述主体反应器内的群体感应调控装置，所述群体感应调控装置包括：

壳体；

位于壳体上的若干扩散通道；

设置在每个扩散通道处用于调节扩散通道开度的调节片；

设于壳体内部的曝气系统和温控系统；

以及连通在所述壳体上的进、出水管。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，群体感应调控装置中的培养基每2～4天更换培养基总体积的2/3～3/4。