CN104876332A - 强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥及其制备方法及其应用 - Google Patents

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李辉
刘勇弟
杨洁
林匡飞
周栋
陈亚琴
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Abstract

本发明公开了一种强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥及其制备方法及其应用，所述强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥，包括零价铁和粘附在所述的零价铁外表面的含有微生物菌体的厌氧污泥。所述的强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥可用于降解含氯代烃废水。本发明厌氧颗粒污泥具有沉降性能好、颗粒稳定、结构致密以及还原脱氯活性高效稳定等优点。该颗粒污泥有效地富集了还原脱氯菌等功能菌群，消除电子供体[H]、中间产物等代谢流传递的空间障碍，强化了UASB反应器的还原脱氯性能。

Description

强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥及其制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种用于废水处理的颗粒污泥的及其制备方法。
背景技术
氯代烃在很多工业上都有着广泛的使用，因其在环境中难以降解，在环境中如地下水和土壤均有着较为严重的污染。氯代烃不仅具有三致效应与遗传毒性，对人体的肝、肾、心血管和胃肠等器官都有极强的毒害作用，还会影响中枢神经系统，这些对生态环境和人体健康构成极大威胁。利用传统的固定床反应器对氯代烃废水进行处理，颗粒污泥大多具有脱氯活性低、处理效果不稳定等问题。因此，强化固定床反应器的还原脱氯性能是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥及其制备方法及其应用，以克服现有技术存在的缺陷。
所述的厌氧颗粒污泥，包括零价铁和粘附在所述的零价铁外表面的含有微生物菌体的厌氧污泥；
所述的厌氧颗粒污泥的粒径为1-3mm；
所述的零价铁的化学式为Fe0，粒径为180～220目；
所述的厌氧颗粒污泥的颗粒铁浓度为0.10-0.50g·g-1TSS；
术语“g·g-1TSS”的定义，在《给水排水设计手册》上有详细的记载；
(g·g-1TSS指的是每克总悬浮固体中所含的颗粒铁的浓度)
所述的含有微生物菌体的厌氧污泥来源于城市污水处理厂的厌氧消化池的污泥，其中含有微生物菌体，主要为产甲烷菌(Methanogenium)、硫酸盐还原菌(Desulfovibrio)及具有脱氯功能的菌(Clostridiales)；
其中：
Methanocorpusculum为公知的微生物，在文献Maria V S,Oleg R K,et al.Isolation and Characterization of New Strains of Methanogens from ColdTerrestrial Habitats[J].Systematic and Applied Microbiology,2003,26,312-318.中有详细的报道；
Desulfovibrio为公知的微生物，在文献Effect of Sulfide,Selenite andMercuric Mercury on the Growth and Methylation Capacity of the SulfateReducing Bacterium Desulfovibrio Desulfuricans[J].Science of the TotalEnvironment,2013,449,373-384.中有详细的报道；
Clostridiales为公知的微生物，在文献Duhamel M,Edwards E A.Microbial Composition of Chlorinated Ethene–Degrading Cultures Dominatedby Dehalococcoides[J].FEMS Microbiology Ecology,2006,58(3):538-549.中有详细的报道；
所述的强化固定床脱氯性能的厌氧颗粒污泥的制备方法，包括如下步骤：
(1)将取自城市污水处理厂的厌氧消化池污泥，接种于升流式固定床反应器(UASB)内，从所述的反应器底部通入以葡萄糖为底物的含有目标污染物废水，COD负荷范围为2500-3000g·m-3·d-1，在30-40℃条件下，培养接种污泥40～60天，反应器COD去除率逐步达到90％，反应器COD去除率逐步达到90％以上；
接种污泥的总悬浮固体(TSS)为7～8g/L，挥发性悬浮固体(VSS)为2～3g/L，VSS/TSS为35～40％；
除了目标污染物外，所述的葡萄糖为底物的废水的组成和含量为：
葡萄糖：2.5-4g·L-1，NH4Cl：1.5g·L-1，NaH2PO4：0.4g·L-1，MgSO4·7H20：0.4g·L-1，CaCl2：0.1g·L-1，NaHCO3：3.0g·L-1，Na2S·9H20：0.5g·L-1，KCl：0.4g·L-1，微量元素：1mL·L-1，维生素：1mL·L-1。其中，微量元素的组成为：FeSO4·4H20：2.0g·L-1，CuSO4·5H20：0.02g·L-1，NiSO4·6H20：0.00013g·L-1，NH4VO3：0.00065g·L-1，MnSO4·4H2O：2.0g·L-1，NaSiO3·9H20：0.00014g·L-1，SnCl2：0.00012g·L-1。维生素的组成为：维生素B12：0.1g·L-1，对氨基苯甲酸：0.08g·L-1，生物素：0.02g·L-1，烟酸：0.2g·L-1，D-泛酸钙：0.1g·L-1，盐酸吡哆纯B6：0.3g·L-1，二水盐酸硫胺：0.2g·L-1，ddH20：1L；
所述的升流式固定床反应器(UASB)在《给水排水设计手册》中有详细的报道；
(2)将零价铁粉投入所述的反应器，与接种污泥混合，零价铁粉的加入重量为：20～40g/L；
然后将含有目标污染物和以葡萄糖为底物的废水，从底部通入反应器，对厌氧污泥进行连续驯化，然后收集反应器中的固体物，即可获得所述的厌氧颗粒污泥，为圆形或椭圆形颗粒污泥；以葡萄糖为底物的废水的组成和含量同步骤(1)；
优选的，所述的颗粒污泥的驯化过程具体包括以下阶段：
(1)启动期30-60天：采用目标污染物低污染负荷方式对厌氧污泥进行驯化，控制进水COD容积负荷在2500-3500g·m-3·d-1左右，目标污染物负荷为5-10mg·L-1·d-1左右，水力停留时间(HRT)为18-24h；
(2)负荷提升期40-220天：进水COD容积负荷逐步提高到4000-5000g·m-3·d-1左右，目标污染物负荷逐步提高到50～80mg·L-1·d-1，水力停留时间(HRT)缩短至8-12h左右；
(3)稳定运行期60-90天：进水COD负荷保持4000-5000g·m-3·d-1左右，目标污染物负荷保持为50～80mg·L-1·d-1，水力停留时间(HRT)保持在8-12h左右；
步骤(1)和(2)中，所述的目标污染物为四氯乙烯；
厌氧颗粒污泥培养过程中，可通过反应器出水回流或提高出水回流速度来加快颗粒污泥的形成。
本发明获得的强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥，可以用于降解含氯代烃废水，应用方法如下：
将所述的厌氧颗粒污泥置于升流式固定床反应器(UASB)中，然后将所述的厌氧颗粒污泥置于升流式固定床反应器(UASB)中，厌氧颗粒污泥的接种量为3-5gVSS·L-1，废水中加入葡萄糖，浓度控制在0.5g·L-1以上，目标污染物负荷不超过100mg·L-1·d-1。
本发明通过培养结构化的以零价铁(ZVI)为亚核的具有还原脱氯活性的厌氧颗粒污泥，以富集还原脱氯菌等功能菌群，消除电子供体[H]、中间产物等代谢流传递的空间障碍，强化了UASB反应器的还原脱氯性能。
本发明的有益效果为：
获得的厌氧颗粒污泥具有沉降性能好、颗粒稳定、结构致密以及还原脱氯活性高效稳定等优点。该颗粒污泥粒径集中在1-3mm，颗粒铁浓度为0.10-0.50g·g-1TSS，具有沉降性能好、颗粒稳定、结构致密以及还原脱氯活性高效稳定等优点。该颗粒污泥有效地富集了还原脱氯菌等功能菌群，消除电子供体[H]、中间产物等代谢流传递的空间障碍，强化了UASB反应器的还原脱氯性能。
附图说明
图1本发明颗粒污泥SEM(扫描电子显微镜)图像，其中a为颗粒污泥外观整体形貌，b为颗粒污泥表面形貌。
图2本发明颗粒污泥的XRD分析谱图。
图3不同颗粒污泥对目标污染物脱氯降解效果图。其中：1为本发明的颗粒污泥，2为普通厌氧颗粒污泥。
具体实施方式
本发明基于厌氧微生物和ZVI还原脱氯转化特性，以强化目标污染物还原脱氯转化为目的，通过构建UASB反应器，培养结构化的以零价铁(ZVI)为亚核的具有还原脱氯活性的厌氧颗粒污泥，以期富集还原脱氯菌等功能菌群，强化颗粒污泥的还原脱氯性能。本发明颗粒污泥具有沉降性能好、颗粒稳定、结构致密以及还原脱氯活性好等优点。下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。下面实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
强化降解四氯乙烯(PCE)的以ZVI为亚核的厌氧颗粒污泥的制备：
UASB反应器：反应器内径9cm，高1m，有效体积6.3升，顶部设有沉降室，外设三相分离器；
反应器接种污泥取自上海长桥污水处理厂的厌氧池污泥，接种体积4.5L；
接种污泥的总悬浮固体(TSS)为7.16g/L，挥发性悬浮固体(VSS)为2.60g/L，VSS/TSS为36.3％；
(1)将取自上海长桥污水处理厂的厌氧消化池污泥接种于升流式厌氧污泥床反应器(UASB)内，在30℃条件下，通入以葡萄糖为底物的含有目标污染物废水(COD负荷范围为3000g·m-3·d-1)培养接种污泥60天，反应器COD去除率逐步达到92％；
除了目标污染物外，所述的葡萄糖为底物的废水的组成和含量为：葡萄糖：2.5g·L-1，NH4Cl：1.5g·L-1，NaH2PO4：0.4g·L-1，MgSO4·7H20：0.4g·L-1，CaCl2：0.1g·L-1，NaHCO3：3.0g·L-1，Na2S·9H20：0.5g·L-1，KCl：0.4g·L-1，微量元素：1mL·L-1，维生素：1mL·L-1。其中，微量元素的组成为：FeSO4·4H20：2.0g·L-1，CuSO4·5H20：0.02g·L-1，NiSO4·6H20：0.00013g·L-1，NH4VO3：0.00065g·L-1，MnSO4·4H2O：2.0g·L-1，NaSiO3·9H20：0.00014g·L-1，SnCl2：0.00012g·L-1。维生素的组成为：维生素B12：0.1g·L-1，对氨基苯甲酸：0.08g·L-1，生物素：0.02g·L-1，烟酸：0.2g·L-1，D-泛酸钙：0.1g·L-1，盐酸吡哆纯B6：0.3g·L-1，二水盐酸硫胺：0.2g·L-1，ddH20：1L。
(2)投加200目的零价铁粉，与接种污泥混合，零价铁粉的加入重量为：30g/L(30*6.3＝189g)；
然后将零价铁粉投入所述的反应器，与接种污泥混合，然后将含有目标污染物和以葡萄糖为底物的废水，从底部通入反应器，对厌氧污泥进行连续驯化，以葡萄糖为底物的废水的组成和含量同步骤(1)；
具体的，包括三个阶段：
(a)启动期30天：控制进水COD容积负荷在2500g·m-3·d-1左右，目标污染物负荷为5mg·L-1·d-1，水力停留时间(HRT)为18h；
(b)负荷提升期40天：进水COD容积负荷提高到4000g·m-3·d-1，目标污染物负荷提高到50mg·L-1·d-1，水力停留时间(HRT)为8h左右；
(c)稳定运行期60天：进水COD负荷为4000g·m-3·d-1，目标污染物负荷为50mg·L-1·d-1，水力停留时间(HRT)为8h左右；
过滤反应器(UASB)中的颗粒污泥，即可获得所述的厌氧颗粒污泥，为圆形或椭圆形颗粒污泥，粒径范围在1-2mm，颗粒铁浓度为0.48g·g-1TSS，颗粒污泥具有沉降性能好、颗粒稳定、结构致密以及还原脱氯活性高效稳定等优点。
制备完成的厌氧颗粒污泥SEM图像如附图1所示，其中a为颗粒污泥外观整体形貌，b为颗粒污泥表面形貌。厌氧颗粒污泥的XRD分析谱图如附图2所示。
通过上述过程制备的添加零价铁的厌氧颗粒污泥与未添加零价铁的普通厌氧颗粒污泥性能参数比较如下表：
项目 本发明厌氧颗粒污泥 普通厌氧颗粒污泥
SVI30min 41.56mL/g 90.12mL/g
沉降速率(平均值) 80.13m/h 68.54m/h
颗粒铁浓度 0.48g/g-1TSS /
比重 1.067g/cm3 1.006g/cm3
颗粒污泥还原脱氯活性对比实验：
在100mL血清瓶中分别以本发明添加零价铁颗粒污泥与普通颗粒污泥作为接种污泥，在污泥浓度5gVSS·L-1，葡萄糖浓度1g·L-1，PCE浓度为50ppm条件下进行污泥降解实验，其目标污染物降解过程如图3所示。
结果表明，本发明颗粒污泥可在6天之内完全还原转化PCE，而相同条件下，普通厌氧颗粒污泥则需9天才能完全转化目标污染物。可见，本发明颗粒污泥还原脱氯效果显著。
实施例2
采用与实施例1相同的装置，强化降解三氯乙烷(TCA)以ZVI为亚核的厌氧颗粒污泥的制备。
(1)将取自上海长桥污水处理厂的厌氧消化池污泥接种于升流式厌氧污泥床反应器(UASB)内，在40℃条件下，通入以葡萄糖为底物的含有目标污染物废水(COD负荷范围为2500g·m-3·d-1)培养接种污泥40天，反应器COD去除率逐步达到90％；
除了目标污染物外，所述的葡萄糖为底物的废水的组成和含量同实施例1。
接种污泥的总悬浮固体(TSS)为7g/L，挥发性悬浮固体(VSS)为3g/L，VSS/TSS为40％；
(2)然后将零价铁粉投入所述的反应器，与接种污泥混合，然后将含有目标污染物和以葡萄糖为底物的废水，从底部通入反应器，对厌氧污泥进行连续驯化，以葡萄糖为底物的废水的组成和含量同步骤(1)；
具体的，包括三个阶段：
(a)启动期60天：控制进水COD容积负荷为3500g·m-3·d-1，目标污染物负荷为10mg·L-1·d-1左右，水力停留时间(HRT)为24h；
(b)负荷提升期220天：进水COD容积负荷提高到5000g·m-3·d-1，目标污染物负荷提高到80mg·L-1·d-1，水力停留时间(HRT)为12h；
(c)稳定运行期90天：进水COD负荷保持5000g·m-3·d-1，目标污染物负荷为80mg·L-1·d-1，水力停留时间(HRT)为12h左右；
过滤反应器(UASB)中的颗粒污泥，即可获得所述的厌氧颗粒污泥，为圆形或椭圆形颗粒污泥，粒径范围在1-2mm，颗粒铁浓度为0.13g·g-1TSS，颗粒污泥具有沉降性能好、颗粒稳定、结构致密以及还原脱氯活性高效稳定等优点。
通过上述过程制备的添加零价铁的厌氧颗粒污泥与未添加零价铁的普通厌氧颗粒污泥性能参数比较如下表：
项目 本发明厌氧颗粒污泥 普通厌氧颗粒污泥
SVI30min 43.25mL/g 90.12mL/g
沉降速率(平均值) 77.58m/h 68.54m/h
颗粒铁浓度 0.13g/g-1TSS /
比重 1.051g/cm3 1.006g/cm3
颗粒污泥还原脱氯活性对比实验：
在100mL血清瓶分别以本发明添加零价铁颗粒污泥与普通颗粒污泥作为接种污泥，在污泥浓度4gVSS·L-1，葡萄糖浓度0.8g·L-1，三氯乙烷浓度为50ppm条件下进行污泥降解实验；
结果表明，本发明颗粒污泥可在7天之内完全还原转化三氯乙烷，而相同条件下，普通厌氧颗粒污泥则需10天才能完全转化目标污染物。可见，本发明颗粒污泥还原脱氯效果显著。

Claims (9)

1.强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥，其特征在于，包括零价铁和粘附在所述的零价铁外表面的含有微生物菌体的厌氧污泥。
2.根据权利要求1所述的强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥，其特征在于，所述的厌氧颗粒污泥的粒径为1-3mm，所述的零价铁的粒径为180～220目。
3.根据权利要求1所述的强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥，其特征在于，所述的厌氧颗粒污泥的颗粒铁浓度为0.10-0.50g·g-1TSS。
4.根据权利要求1～3任一项所述的强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥，其特征在于，所述的含有微生物菌体的厌氧污泥来源于城市污水处理厂的厌氧消化池的污泥。
5.根据权利要求4所述的强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥，其特征在于，其中含有的微生物菌体，主要为产甲烷菌(Methanogenium)、硫酸盐还原菌(Desulfovibrio)或有脱氯功能的菌(Clostridiales)中的一种以上。
6.根据权利要求1～5任一项所述的强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将取自城市污水处理厂的厌氧消化池污泥，接种于升流式固定床反应器内，从所述的反应器底部通入以葡萄糖为底物的含有目标污染物废水，COD负荷范围为2500-3000g·m-3·d-1，在30-40℃条件下，培养接种污泥40～60天，反应器COD去除率逐步达到90％，反应器COD去除率逐步达到90％以上；
接种污泥的总悬浮固体(TSS)为7～8g/L，挥发性悬浮固体(VSS)为2～3g/L，VSS/TSS为35～40％；
除了目标污染物外，所述的葡萄糖为底物的废水的组成和含量为：
葡萄糖：2.5-4g·L-1，NH4Cl：1.5g·L-1，NaH2PO4：0.4g·L-1，MgSO4·7H20：0.4g·L-1，CaCl2：0.1g·L-1，NaHCO3：3.0g·L-1，Na2S·9H20：0.5g·L-1，KCl：0.4g·L-1，微量元素：1mL·L-1，维生素：1mL·L-1。其中，微量元素的组成为：FeSO4·4H20：2.0g·L-1，CuSO4·5H20：0.02g·L-1，NiSO4·6H20：0.00013g·L-1，NH4VO3：0.00065g·L-1，MnSO4·4H2O：2.0g·L-1，NaSiO3·9H20：0.00014g·L-1，SnCl2：0.00012g·L-1。维生素的组成为：维生素B12：0.1g·L-1，对氨基苯甲酸：0.08g·L-1，生物素：0.02g·L-1，烟酸：0.2g·L-1，D-泛酸钙：0.1g·L-1，盐酸吡哆纯B6：0.3g·L-1，二水盐酸硫胺：0.2g·L-1，ddH20：1L；
(2)将零价铁粉投入所述的反应器，与接种污泥混合，零价铁粉的加入重量为：20～40g/L；
然后将含有目标污染物和以葡萄糖为底物的废水，从底部通入反应器，对厌氧污泥进行连续驯化，然后收集反应器中的固体物，即可获得所述的厌氧颗粒污泥，为圆形或椭圆形颗粒污泥；以葡萄糖为底物的废水的组成和含量同步骤(1)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的颗粒污泥的驯化过程具体包括以下阶段：
(1)启动期30-60天：采用目标污染物低污染负荷方式对厌氧污泥进行驯化，控制进水COD容积负荷在2500-3500g·m-3·d-1左右，目标污染物负荷为5-10mg·L-1·d-1左右，水力停留时间(HRT)为18-24h；
(2)负荷提升期40-220天：进水COD容积负荷逐步提高到4000-5000g·m-3·d-1左右，目标污染物负荷逐步提高到50～80mg·L-1·d-1，水力停留时间(HRT)缩短至8-12h左右；
(3)稳定运行期60-90天：进水COD负荷保持4000-5000g·m-3·d-1左右，目标污染物负荷保持为50～80mg·L-1·d-1，水力停留时间(HRT)保持在8-12h；
步骤(1)和(2)中，所述的目标污染物为四氯乙烯。
8.根据权利要求1～5任一项所述的强化脱氯性能的厌氧颗粒污泥的应用，其特征在于，用于降解含氯代烃废水。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，应用方法如下：
将所述的厌氧颗粒污泥置于升流式固定床反应器(UASB)中，然后将所述的厌氧颗粒污泥置于升流式固定床反应器(UASB)中，厌氧颗粒污泥的接种量为3-5g VSS·L-1，废水中加入葡萄糖，浓度控制在0.5g·L-1以上，目标污染物负荷不超过100mg·L-1·d-1。
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