CN103880166B - 一种利用改性凹凸棒培养好氧硝化颗粒污泥的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用改性凹凸棒培养好氧硝化颗粒污泥的方法，属于废水生物处理技术领域。将粉碎的凹凸棒土经硫酸处理，备用；用改性凹凸棒培养好氧硝化颗粒污泥：将城市污水处理厂好氧池的活性污泥作为种泥装入SBR中，反应器启动初期向SBR中一次性投加颗粒改性凹凸棒，使改性凹凸棒占SBR有效体积的1%，容积交换率为50％-60%，维持水温在25℃；SBR反应器的运行方式为：进水—曝气—沉淀—排水，进行周期运行。此发明用于好氧硝化颗粒污泥的培养和驯化，短期内达到满意的效果。

Description

一种利用改性凹凸棒培养好氧硝化颗粒污泥的方法

技术领域

本发明属于废水生物处理技术领域，设计一种在SBR反应器中投加改性凹凸棒载体快速培养具有脱氮功能的好氧硝化颗粒污泥。

背景技术

好氧颗粒污泥的研究始于20世纪90年代初，由Mishima和Shin等利用纯氧曝气，成功培养处好氧颗粒污泥。近年来，好氧颗粒污泥作为一种在活性污泥法基础上发展起来的新兴的废水处理工艺，能够较好克服活性污泥工艺中存在的以上这些问题，因此已引起了国内外广泛的关注和重视。好氧颗粒污泥的优势主要表现为：

(1)提高了反应器中的生物浓度

在一般情况下,活性污泥结构松散,反应器中难以获得高浓度生物量。而颗粒化的污泥则可以解决这个问题。

(2)提高了污泥的沉降性能

颗粒污泥具有很好的沉降性能,从而可以大大减小沉淀池体积或省去额外的沉淀系统装置。另外,系统中需要保持较高的微生物浓度,而良好的沉降性能使得污泥较易与液体分离并持留在反应器中,从而保证了较长的污泥停留时间。

(3)提高了质量传递的速率。

颗粒污泥的比表面积非常大,有利于反应器中基质的传递,从而有利于提高生物反应的速率。

(4)便于去除反应器中老化生物膜与剩余污泥

对于颗粒化的污泥,可通过水利条件的调整,利用合适的水流剪切力和颗粒碰撞作用,清除悬浮载体上的老化生物膜,从而保证反应器高效稳定的运行。

好氧颗粒污泥是通过微生物自凝聚作用形成的具有球形规则的颗粒状微生物聚合体。在这种微生物自身絮凝增值的好氧颗粒化过程中，众多微生物被胞外多聚物包裹于丝状菌形成的网络框架内，由于在各种微生物间存在有较强的代谢互补性，因而能够实现复杂有机物的降解，承受较高有机负荷、耐受有毒

物质等特点。但是目前对于好氧颗粒污泥的研究大多局限于实验阶段，较少用于工程实用，其具体原因是培养周期漫长，颗粒成熟一般为两个月左右，且成熟颗粒在长期运行过程中易发生解体，这限制大大限制了好氧颗粒污泥的推广和产业化。目前厌氧颗粒污泥的形成是由内核引导，类似晶体生长过程，逐步颗粒化的学术观点已达成共识，但是好氧颗粒的形成机制仍存在争议。晶核假说认为污泥颗粒化类似于结晶过程,在晶核基础上微生物不断富集,最后形成颗粒污泥。晶核一般来源于反应器运行过程中产生的无机盐沉淀或者惰性有机物。晶核假说是目前大多数学者认同的观点。

利用人为投加外部载体实现好氧颗粒污泥的快速培养是目前一种有效解决方法。凹凸棒石又名坡缕石或坡缕缟石，是一种层链状结构的含水富镁铝硅酸盐粘土矿物。1862年萨夫钦科发现于苏联乌拉尔，1913年，费父斯曼根据所发现的矿区把它命名为Palygorskite。后来在美国佐治亚洲的Attapulgus地区和法国的莫尔摩隆地区的漂白土中也发现了该种矿物，并由第拉白连特1935年采用Attapulgite之名。1976年，中国学者许冀泉根据凹凸堡之音同时兼顾该矿的晶体结构特征，译成“凹凸棒石”，近年来在国内传用。八十年代初，在中国江苏省盱眙地区首次发现凹凸棒石粘土矿，其晶体形状为棒状、纤维状、针状，长0.5-5微米，宽0.05-0.15微米,为2:1型粘土矿物,即两层硅氧四面体,一层铝氧八面体,其分子式为：Mg₅Si₈O₂₀(HO)₂(OH₂)₄·H₂O。凹凸棒土的基本结构分为3个层次:基本结构单元为棒状或纤维状，单晶体，棒晶的直径为0.01μm数量级，长度可达0.1-1μm；由单晶平行聚集而成的棒晶束；由晶束(包括棒晶)相互聚集堆砌而形成的各种聚集体，粒径通常为0.01-0.lmm数量级。凹凸棒土在含水的情况下具有高度的可塑性，在高温和盐水中稳定性好，密度较小，一般为2.05-2.30g/cm³，莫氏硬度为2-3，当加热到700至800℃，其硬度>5。凹凸棒粘土具有独特的链层状晶体结构，该结构赋予了凹凸棒土许多独特的物理化学性质。主要包括吸附性、载体性、催化性、可塑性和流变性等。凹凸棒土具有特殊的孔道结构、界面性质以及较大的比表面积，使其成为一种理想的催化剂载体，可直接或通过适当表面改性处理后用于固载催化剂。

凹凸棒土原矿石均含有大量的杂质，如蒙脱石、伊利石和碳酸盐等，杂质的存在影响凹凸土的使用性能，需要经过改性处理才能提高凹凸土的使用效果以及达到各种使用目的，才能作为高档次的载体材料被使用。对凹凸土进行改性的目的在于改善粒子在聚合物中的分散性质或者改进粒子对聚合物的结合性能。通过改性来改善和提高凹凸棒土的性能是凹凸棒土深加工研究的重点方向之一。目前较常用的处理凹凸棒土的方法主要包括无机改性和有机改性。无机改性主要包括高温活化和酸活化；有机改性存在两种不同的理论:一种认为通过有机改性剂与凹凸棒土之间形成的化学键或两者之间的其他相互作用力实现凹凸棒土的有机改性，另一种有的研究者认为凹凸棒土可通过适当的有机阳离子改性。

高温热改性：凹凸土晶体结构属2:1型粘土矿物，硅氧四面体夹1层镁铝氧八面体，属层链状结构，四面体条带间形成的与链平行的通道被水分子填充，在加热时能脱除晶体结构中不同状态水，内部结构变得疏松多孔，从而增加比表面积，增强吸附力。天然凹凸土的比表面积约为140-210m²/g，经高温焙烧，比表面积能够显著增加，甚至达到300m²/g以上。在一定温度范围内，凹凸土的比表面积随着焙烧温度的增加而增加，当温度升高到一定程度，如焙烧超过600℃时，比表面积就会出现下降趋势，这可能是因为温度过高，凹凸土失去部分结构水或轻基脱出引起孔洞塌陷、纤维束堆积，针状纤维束紧密烧结在一起，孔隙容积和比表面积减小，致使吸附能力减弱。

硫酸改性：凹凸棒土经酸浸泡后的凹土内部四面体与八面体结构部分溶解，未溶解的八面体结构的支撑作用，使孔数目增加，比表面积增大。同时凹凸棒土的孔道中常含有碳酸盐等杂质，酸化处理一方面可除去分布于凹凸棒土孔道中的杂质，使孔道疏通；另一方面，由于凹凸棒土的阳离子可交换性，半径较小的H⁺能置换出凹凸棒石层间部分K⁺、Na⁺、Ca²⁺和Mg²⁺等离子，增大孔容积。多方面因素使得改性后凹土的吸附性、脱色性等多方面性能得到提高。一般来说，酸改性凹凸棒土比表面积随着酸含量的增加、改性时间的增长而增大。但是如果酸浓度过大，凹凸棒土中八面体阳离子近乎于完全溶解时，四面体结构失去支撑引起结构塌陷，会引起比表面积下降。有研究认为，凹凸棒土的结构不仅与酸处理的浓度有关，而且与酸处理时间有关，酸改性凹凸棒土的比表面积与酸处理时间呈正相关，但是，酸处理时间过长会引起四面体-八面体-四面体结构的坍塌，Barrios等认为原因是酸浓度过高使凹凸棒土新产生的孔隙被杂质所封闭，导致比表面积减小，呈现了凹凸棒粘土八面体阳离子局部酸溶和结构改变。凹凸棒土改性是为了满足不同的生产需求，应考虑实际成本等问题，根据不同的要求确定酸含量和改性时间，以期达到最大经济效益。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种利用改性凹凸棒作为载体，快速培养好氧颗粒污泥的方法。

本发明的技术方案包括如下步骤：

(1)预处理：将红色块状凹凸棒原土破碎并粉碎，粉碎后置于干燥密闭容器中保存，备用。

(2)将上述预处理凹凸棒土样按照50-100g/1000mL范围的固液比与1-3mol/L的硫酸溶液混合，具体固液比和硫酸浓度根据凹凸棒的纯度可适当调整，室温下用搅拌20min，静置，过滤，用蒸馏水水洗至pH呈中性，放入恒温鼓风干燥箱105℃烘干，研磨过40目标准筛对改性凹凸棒进行筛选，选取粒径范围在0.4-0.5mm的改性凹凸棒，在360℃烧2h，置于干燥密闭容器中保存，备用。

(3)用改性凹凸棒培养好氧硝化颗粒污泥：将城市污水处理厂好氧池的活性污泥作为种泥装入SBR中，反应器启动初期向SBR中一次性投加颗粒改性凹凸棒，使改性凹凸棒占SBR有效体积的1％，容积交换率为50％-60％，优选50％；维持水温在25℃；SBR反应器的运行方式为：进水—曝气—沉淀—排水，进行周期运行；优选初期周期时间为6小时。

进水：将进水阀门打开，将人工模拟废水从SBR反应器上部泵入，当达到预定水位，停止进水；培养初期采用人工模拟废水设置进水污染指标为COD＝300mg/L、氨氮＝70mg/L、磷酸盐10mg/L；然后周期逐步提高进水COD、氨氮符合培养好氧硝化颗粒污泥，定期监测出水中COD、氨氮、浓度，当COD去除率达到85％以上，氨氮去除率达到90％，此时提高进水有机负荷，每次COD增加20-25mg/L、氨氮增加5-10mg/L，实际增加量根据实际出水情况而定；投加达到上限为止，好氧颗粒污泥培养成熟后进水COD控制在500mg/L、氨氮控制在200mg/L。

曝气：SBR反应器采用底部曝气，输入空气，空气流量为每25L反应器0.2m³/h，实际反应器的曝气量可根据本反应器(25L)的曝气量做出相应调整(根据本反应器的体积来同比扩大或缩小曝气量)。保持曝气强度，通过水力剪切作用对污泥进行筛选。

沉淀：曝气结束后，开始静止沉淀，初期沉淀时间为20min，然后周期内根据污泥沉降性能的改善，逐渐缩短，最终设置为1分钟。

排水：沉淀结束后，打开排水阀门，将处理水排到反应器外；稳定运行20天后，在反应器内获得好氧颗粒污泥。

优选SBR反应器在培养初期通过电磁式空气泵进行曝气，进水5min，曝气330min,沉淀20min排水5min。一个周期为360分钟，静止沉淀时间随着培养时间梯度缩短。温度控制在25℃，pH通过0.2mol/L的NaOH和H₂SO₄控制在7.0-8.0。培养初期采用人工模拟废水进水污染指标COD＝300mg/L(药品成分为葡萄糖)、氨氮＝70mg/L(药品成分为氯化铵)、磷酸盐10mg/L(药品成分为磷酸二氢钾)，微生物生长的大量的其他元素钙、铁、镁采用氯化钙、硫酸铁和硫酸镁定期投加。沉淀时间随着好氧颗粒污泥的形成和沉降性能的改善逐渐缩短，接种活性污泥初期沉降性能较差可设置沉淀时间为20分钟，随后逐渐缩短至1min(为避免污泥大量流失，沉淀时间应逐渐缩短)。

定期监测出水中COD、氨氮、浓度，当COD去除率达到85％以上，氨氮去除率达到90％，此时提高进水有机负荷，每次COD、氨氮增加30、10mg/L左右，投加达到上限为止。

好氧颗粒污泥培养成熟后进水COD控制在500mg/L、氨氮控制在200mg/L。

10天后，反应器沉淀时间为10min时，污泥颜色仍为褐黄色，但结构更加密实，形态趋于球形；培养到第18天时，沉淀时间为7min，此时观察到反应器内污泥形态发生重大变化，污泥变为浅黄色，且有细砂状的颗粒污泥出现，内部有红色的斑点，平均粒径较小，为450μm，但绝大部分还是絮状污泥，35天后，继续缩短沉淀时间强化对絮体污泥的淘洗；沉淀时间为3min时，运行1周后，好氧颗粒污泥培养成熟，外观浅黄色，规则球形，内部有红色斑点，显微镜观察证实为红色改性凹凸棒，平均粒径为620μm。污泥沉降性良好，SVI平均为60。

污泥颗粒化过程中胞外聚合物的变化，在沉淀时间不断缩短的过程中，污泥EPS中多糖(PS)与蛋白质(PN)都呈现出先下降后上升的趋势；当沉淀时间为7min时，反应器内出现好氧颗粒污泥；此后阶段，可以认为是污泥颗粒化的过程。

改性凹凸棒载体较凹凸棒原矿具有更大的孔道，能够对氨氮进行很好的吸附，可有效提高反应器的氨氮去除能力，同时借助于载体表面基质环境促进硝酸菌的附着、沉积和繁殖生长，从而形成晶核并快速培养出就有良好沉降性能的好氧颗粒污泥，大大缩短培养时间，提高有机物去除能力和脱氮效率。

凹凸棒土原矿石均含有大量的杂质，如蒙脱石、伊利石和碳酸盐等，杂质的存在影响凹凸土的使用性能，需要经过改性处理才能提高凹凸棒的纯度和扩宽其内部孔道，使其能够更好地作为好氧硝化颗粒污泥的载体。

改性凹凸棒载体的投加可以有效避免好氧颗粒污泥成熟以后因为颗粒内部基质扩散造成污泥解体问题，从而增强系统的稳定性和抵抗不良环境的耐受能力，从而得以处理实际废水。

所采用的的改性凹凸棒载体价格低廉、来源广泛、反应器工程实用性较强且应用灵活，操作简单、节约占地面积、能够根据实际需要进行改装，具有广阔推广前景。

此发明用于好氧硝化颗粒污泥的培养和驯化，短期内达到满意的效果。

本发明是基于颗粒污泥“晶核假说”原理利用改性凹凸棒作为诱导核来促进污泥好氧颗粒化，同样改性凹凸棒较凹凸棒原矿石具有更大的比表面积可以作为载体为微生物提供良好的生存环境，利用改性凹凸棒可以缩短污泥颗粒化的时间、提高容积负荷、大幅度提高污泥的沉降性能、缩小反应器占地面积；解决好氧颗粒污泥培养耗时较长且形态难于维持等问题，比单纯的颗粒污泥的培养更具优势，颗粒内部微生物丰富，颗粒不易解体凋亡，市场应用前景广阔。

附图说明

附图1是本发明的改性凹凸棒载体培养好氧颗粒污泥SBR反应器示意图：1.SBR反应器2.温度控制器3.pH测定仪4.恒温加热棒5.取样口6.好氧颗粒污泥7.改性凹凸棒8.电磁式空气泵。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细说明本发明装置的具体实施例，但本发明并不限于以下实施例。

一种利用改性凹凸棒培养好氧颗粒污泥的方法，设备主要包括1.SBR反应器2.温度控制器3.pH测定仪4.恒温加热棒5.取样口6.好氧颗粒污泥7.改性凹凸棒8.电磁式空气泵，见图1。

实施例1：采用SBR反应器利用改性凹凸棒为载体培养好氧硝化颗粒污泥。

将预处理凹凸棒土样按照10g/1000mL的固液比与2mol/L的硫酸溶液混合，室温下用搅拌20min，静置18h，过滤，用蒸馏水水洗至pH呈中性，放入恒温鼓风干燥箱105℃烘干，研磨过40目标准筛对改性凹凸棒进行筛选，选取粒径范围在0.4-0.5mm的改性凹凸棒，在360℃箱式电阻炉烧2h，置于干燥密闭容器中保存，备用。

用改性凹凸棒培养好氧硝化颗粒污泥：SBR反应器圆柱形，高径比为6.5，有效体积25L，容积交换率为50％；维持水温在25℃；SBR反应器的运行方式为：进水—曝气—沉淀—排水；周期时间为6小时。

将城市污水处理厂好氧池的活性污泥作为种泥装入SBR中，反应器启动初期向SBR中一次性投加250毫升的颗粒改性凹凸棒(SBR有效体积的1％，平均粒径为0.4-0.5mm)。BR反应器pH控制在8.0，逐步提高进水COD、氨氮负荷培养好氧硝化颗粒污泥。

SBR反应器由有机玻璃制成圆柱形，直径18cm,高110厘米，有效容积25L，SBR反应器上设温度控制器、pH测定仪、恒温加热棒、取样口、好氧颗粒污泥、改性凹凸棒、电磁式空气泵。排水口在反应器中部60cm处，换水比为50％。SBR反应器在培养初期通过电磁式空气泵进行曝气，一个周期为360分钟，进水5min，曝气330min,沉淀20min(沉淀时间随污泥沉降性而变化)排水5min。沉淀时间从20分钟逐渐递减至1分钟。反应器的曝气量为0.2m³/h，保持一定的曝气强度，通过水力剪切作用对污泥进行筛选。反应器在25℃下运行，温度通过恒温加热棒控制。培养初期采用人工模拟废水进水污染指标COD＝300mg/L(药品成分为葡萄糖)、氨氮＝70mg/L(药品成分为氯化铵)、磷酸盐10mg/L(药品成分为磷酸二氢钾)，微生物生长的大量元素钙、铁、镁采用氯化钙、硫酸铁和硫酸镁定期投加。定期监测出水中COD、氨氮浓度，当COD去除率达到85％以上，氨氮去除率达到90％，此时提高进水有机负荷，每次COD、氨氮、磷酸盐增加30mg/L左右、10mg/L左右，投加达到上限为止。好氧硝化颗粒污泥培养成熟后进水COD控制在500mg/L、氨氮控制在200mg/L。

10天后，反应器沉淀时间为10min时，污泥颜色仍为褐黄色，但结构更加密实，形态趋于球形；培养到第18天时，沉淀时间为7min，此时观察到反应器内污泥形态发生重大变化，污泥变为浅黄色，且有细砂状的颗粒污泥出现，内部有红色的斑点，可能为投加改性凹凸棒所致，平均粒径较小，为450μm，但绝大部分还是絮状污泥，35天后，继续缩短沉淀时间强化对絮体污泥的淘洗；沉淀时间为3min时，运行1周后，好氧硝化颗粒污泥培养成熟，外观浅黄色，规则球形，内部有红色斑点，显微镜观察证实为改性凹凸棒，平均粒径为620μm。污泥沉降性良好，SVI平均为60。采用此种方法培养的成熟AGS具有光滑的表面。

随着沉淀时间的不断缩短，沉降性较差的污泥排出反应器，污泥浓度(MLSS和MLVSS)逐渐降低，沉降性(SVI)逐渐提高。但在每一个沉淀时间的运行阶段内，初始污泥质量浓度较低，随着活性污泥对该沉淀时间的适应，污泥逐渐实现增殖，污泥质量浓度有所上升，同时沉降性降低。当沉淀时间为1min时，好氧硝化颗粒污泥培养成熟，MLSS质量浓度为2000mg/L，SVI平均为60。

本发明能够缩短好氧硝化颗粒污泥的培养周期，最重要的是利用颗改性凹凸棒作为晶核培养的好氧硝化颗粒污泥具有稳定性好，密实，不易解体，给以前以惰性载体培养好氧硝化颗粒污泥的方法提供了一条新的途径，使得好氧颗粒污泥稳定性差的难题得以解决，具有良好的应用前景。所采用的改性凹凸棒载体价格低廉、来源广泛、反应器工程实用性较强且应用灵活，操作简单、节约占地面积、能够根据实际需要进行改装，具有广阔推广前景。此发明可用于好氧硝化颗粒污泥的培养和长期使用，能够达到满意的效果。

Claims (3)

1.一种利用改性凹凸棒培养好氧硝化颗粒污泥的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)预处理：将红色块状凹凸棒原土破碎并粉碎，粉碎后置于干燥密闭容器中保存，备用；

(2)将上述预处理凹凸棒土样按照50-100g/1000mL范围的固液比与1-3mol/L的硫酸溶液混合，室温下搅拌20min，静置，过滤，用蒸馏水水洗至pH呈中性，放入恒温鼓风干燥箱105℃烘干，研磨过40目标准筛对改性凹凸棒进行筛选，选取粒径范围在0.4-0.5mm的改性凹凸棒，在360℃烧2h，置于干燥密闭容器中保存，备用；

(3)用改性凹凸棒培养好氧硝化颗粒污泥：将城市污水处理厂好氧池的活性污泥作为种泥装入SBR中，反应器启动初期向SBR中一次性投加颗粒改性凹凸棒，使改性凹凸棒占SBR有效体积的1％，容积交换率为50％-60％，维持水温在25℃；SBR反应器的运行方式为：进水—曝气—沉淀—排水，进行周期运行。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，进水：将进水阀门打开，将人工模拟废水从SBR反应器上部泵入，当达到预定水位，停止进水；培养初期采用人工模拟废水设置进水污染指标为COD＝300mg/L、氨氮＝70mg/L、磷酸盐10mg/L；然后周期逐步提高进水COD、氨氮符合培养好氧硝化颗粒污泥，定期监测出水中COD、氨氮浓度，当COD去除率达到85％以上，氨氮去除率达到90％，此时提高进水有机负荷，每次COD增加20-25mg/L、氨氮增加5-10mg/L，实际增加量根据实际出水情况而定；投加达到上限为止，好氧颗粒污泥培养成熟后进水COD控制在500mg/L、氨氮控制在200mg/L；

曝气：SBR反应器采用底部曝气，输入空气，空气流量为每25L反应器0.2m³/h，保持曝气强度，通过水力剪切作用对污泥进行筛选；

沉淀：曝气结束后，开始静止沉淀，初期沉淀时间为20min，然后周期内根据污泥沉降性能的改善，逐渐缩短，最终设置为1分钟；

排水：沉淀结束后，打开排水阀门，将处理水排到反应器外。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，初期周期时间为6小时。