CN105254155A - 一种提高污泥脱水性能的生物破壁方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高污泥脱水性能的生物破壁方法，属于污泥处理技术领域。该方法充分利用蛭弧菌可广泛有效裂解革兰氏阴性菌的噬菌特性，将其结合其他微生物制成蛭弧菌复合菌剂应用于市政污水处理厂生物处理工艺剩余污泥处理过程中，使处理后污泥经后续板框压滤或离心脱水等物化处理后的脱水性能提高30%以上，从而提高污泥减量效率。本发明处理市政污水生物处理工艺剩余污泥，设备投资少，操作简单，安全无污染，能耗低，开辟了市政污泥生物脱水减量处理处置新方法，具有良好的经济效益和环境效益。

Description

一种提高污泥脱水性能的生物破壁方法

技术领域

本发明涉及一种生物破壁方法，主要涉及提高污泥脱水性能的生物破壁方法，属于污泥处理技术领域。

背景技术

近年来，随着社会的发展与公众环保意识的增加，市政污水处理率也得到迅速增长。作为市政污水处理的最终一环，大量含水率高达95%以上的剩余污泥（一般占到处理水体积的0.15%～1%左右）产生并需处理处置。目前污泥处理成本高昂，约占污水厂运行费用的25%～40%。因此市政污泥的处理处置已经成为世界共同关注的环境问题，而国内外的各项调查研究和统计数据表明提高污泥脱水性能已经成为污泥有效处理处置的关键。因此，研究确立有效的污泥脱水减量技术，不仅可以缓解污泥处理处置压力以及对周围环境和公共健康带来的威胁，还将为水处理行业带来巨大的经济效益，有效促进国家的生态文明建设。市政污水生物处理工艺运行产生的剩余污泥也称为市政污泥，一般具有颗粒细小、结构疏松、高度亲水、含水率高的特点。污泥中水的存在形式主要包括间隙水（约70%）、毛细水（约20%），颗粒表面吸附水和内部结合水（约10%）。污泥中胶体物质和胞外聚合物的存在使得水分子和污泥固体表面紧密结合或者将水分子包裹在细胞和絮体中。而降低污泥含水率，需去除污泥残留内含结合水、间隙水等，以大幅减少污泥体积，方便污泥处理处置。目前剩余污泥的减量方式分为物理方式、化学方式和生物方式。物理方式包括机械脱水、超声波破解法、自然干化法与污泥热干燥法等，但所需能耗较大。化学法包括氧化法、热酸碱法、解偶联法等。但这些污泥减量技术普遍存在污泥沉降性能下降、污水处理系统的需氧量增加、氮磷的去除效果不理想等问题。同时，化学物质的使用可能会给环境带来二次污染问题。生物方式包括污泥的好氧消化、厌氧消化、微型动物摄食、以及投加溶胞酶、抗菌素或微生物絮凝剂。相对于前两类污泥减量方法，污泥的生物处理对阻碍细胞裂解的刚性细胞膜结构的破坏程度较大，有利于污泥易生物降解胞内物质的释放、污泥脱水性能的提高，同时通过生物捕食的生物链延长方式可强化污泥物质与能量的减量转移。因此，污泥的生物减量技术作为一种生态工程技术，具有减量效率高、能耗低、无二次污染等特点，已日益受到关注。

蛭弧菌类生物（Bdellovibrio-and-likeorganisms，简称蛭弧菌）是一类以捕食宿主菌为生的小型寄生性革兰氏阴性细菌，在自然界中广泛存在，可裂解污泥中的革兰氏阴性菌。蛭弧菌以宿主菌的原生质为营养物质，一旦宿主的营养成分全部被消耗掉，菌体二分裂出许多带鞭毛的新子代个体，它们被释放出来后进入新的进攻期，开始下一个循环过程。蛭弧菌完成一次这样的生命周期大概需要3-4h。蛭弧菌具有许多独特的分子生物学特性，如一般只利用宿主菌细胞内或其抽提物中多肽及氨基酸作为能源和碳源，分解蛋白质能力强。同时，宿主细胞周质空间因被细胞壁所包围，可为蛭弧菌提供一个保护性的无竞争的小生境。目前蛭弧菌在在市政污水处理厂剩余污泥细胞破壁和污泥减量方面的应用目前尚未有报导。蛭弧菌在自然界中存在的广泛性及其对宿主菌需求的非特异性、其裂解细胞的能力，显示其在污泥脱水、可生化性提高与减量过程中的巨大应用潜力，以降低污水处理厂运行成本，并且该技术兼顾生态与卫生安全性，有利于环境的生态文明建设。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，公开了一种提高污泥脱水性能的生物破壁方法，该技术方案首次提出蛭弧菌作为细胞侵噬菌应用于污泥破壁脱水中，能够大大提高污泥脱水与减量性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，提高污泥脱水性能的生物破壁方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1）污泥预处理；2）将蛭弧菌复合菌剂投入预处理好的污泥中，进行生物破壁处理，并辅以机械脱水，常用的机械脱水包括离心脱水和板框压滤，有效地提高污泥的脱水性能，显著减小污泥体积。

作为本发明的一种改进，所述步骤1）中预处理的步骤如下：11）选用酸碱试剂，如10%HCl或Ca(OH)₂调节污泥的pH值，使其pH范围在6.5—7.5；12）控制污泥的温度，温度范围为15—35℃。

作为本发明的一种改进，所述步骤2）中的蛭弧菌复合菌剂中的活菌至少包括噬菌蛭弧菌、斯托普蛭弧菌、斯塔尔蛭弧菌的一种或几种或者同时包含克雷伯氏菌、光合菌群、乳酸菌群、酵母菌群、革兰氏阳性放线菌群、发酵系的丝状菌群、短小芽孢杆菌、纤维单胞菌的一种或几种。

作为本发明的一种改进，所述步骤2中的蛭弧菌复合菌剂投加到剩余污泥中，接种量为污泥体积的1-15%，其中蛭弧菌在污泥中的最终浓度为10⁵—10⁹pfu/mL，同时快速搅拌3—10min，搅拌速度为150-250r/min，快速搅拌后进行常规搅拌。快速搅拌的目的是为了使混凝剂瞬间、快速、均匀地分散到水中，以避免药剂分散不均匀，造成局部药剂浓度过高，快速搅拌后进行常规搅拌，后面的常规搅拌为了使得蛭弧菌菌剂和污泥充分接触，污泥不沉降。

作为本发明的一种改进，所述步骤2）中生物破壁的时间为6-24小时，搅拌速度为40-150r/min，所述步骤2）中的蛭弧菌复合菌剂投加到剩余污泥中后，进行连续曝气，每立方米污泥的曝气量为1-6Nm³/h，保持池中氧气充足，菌剂好氧降解。

作为本发明的一种改进，所所述步骤2）中蛭弧菌菌剂中蛭弧菌浓度范围在10⁶—10¹⁰pfu/mL,。

作为本发明的一种改进，所述步骤2）中投加的污泥为市政污水生物处理工艺中的二沉池、污泥浓缩池或改良污泥浓缩池中的污泥。

相对于现有技术，本发明的优点如下：1、本发明菌剂中的蛭弧菌作为主要细胞裂解菌在提高污泥脱水减量性能应用中效果显著，当保证污泥中蛭弧菌为10⁶pfu/mL数量级时，蛭弧菌复合菌剂和剩余污泥混合培养12h，污泥原有微观结构即遭破坏，污泥中微生物细胞的细胞壁可有效裂解，污泥中的胞内结合水、间隙水、毛细水可有效释放，因此污泥比阻值可降低30%以上，指示该污泥脱水性能明显提高。同时在0.045MPa压力下，污泥滤饼平均含水率从78.4%降低至76.1%，泥饼含水率降低2.3%，污泥体积平均减小9.6%。需要指出的是，在污泥含水率低于80%的情况下，降低其含水率相对于高含水率污泥情况要困难的多，故每降低1%的污泥含水率即可节省大量的处理能耗和处置空间。因此该技术方案对于进一步提高污泥脱水性能效果良好；2、该技术方案在污泥处理与处置过程中不产生二次污染，生态与卫生安全性高，本发明利用蛭弧菌可侵染、裂解革兰氏阴性菌的特性，令其破坏污泥细胞的细胞壁、污泥中的胶体物质和胞外聚合物，以使得紧紧结合在固体表面或包裹在细胞和絮体中的水分子释放出来，蛭弧菌在完成裂解宿主细菌的任务后，会因饥饿而自动消亡，因此对公共健康无毒副作用，也为污泥的绿色处理处置提供保障；3、本发明可应用于常规市政污水处理厂生物处理工艺的二沉池、污泥浓缩池或改良污泥浓缩池中，操作简单、方便；

4、本发明为污泥减量技术开辟了一条新的生态环保的研究途径，同时蛭弧菌菌剂对污泥絮体的裂解还可促进含碳有机物与营养物的释放，这不仅可以提高污泥后续处理处置可生化性与资源化利用率，其液相回流到污水生物处理系统中还可弥补污水中碳源的不足，节省外加碳源的投量，从而减小市政污水处理厂的运行成本。

附图说明

图1为经蛭弧菌菌剂破壁处理的污泥比阻值的变化对比图；

图2为经蛭弧菌菌剂破壁处理的污泥滤饼含水率的变化比较图(压滤施加压力0.045MPa)；

图3为本发明一种提高污泥脱水减量性能的生物破壁方法在代表性生物处理工艺-CAST（CyclicActivatedSludgeTechnology）工艺中的应用示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述和介绍。

所述方法对投加了本发明所涉及的各种浓度蛭弧菌复合菌剂的污泥均有破壁减量效果，但为清晰表达试验结果，特选择污泥中蛭弧菌复合菌剂中蛭弧菌的初始浓度为10⁶pfu/mL数量级的污泥进行破壁处理示范说明。

蛭弧菌作为细胞侵噬菌应用于提高市政污泥破壁脱水减量性能的过程中。作用方式为将该蛭弧菌菌剂投加到市政污水处理厂的剩余污泥中进行混合培养处理。该方法适用于提高常见市政污水生物处理工艺如A₂O、氧化沟、SBR等在运行过程中产生的剩余污泥的破壁脱水减量效率，适用投加点为二沉池、污泥浓缩池或改良污泥浓缩池。

实施例1：

参见图1、图2，采用本工艺在实验室对污泥进行批式处理，所处理的污泥为氧化沟工艺处理市政污水产生的二沉池污泥。

（1）蛭弧菌液的制备

提前制备蛭弧菌剂，蛭弧菌菌剂中蛭弧菌浓度达10⁷pfu/mL数量级。

（2）污泥的预处理

污泥经过自然沉降，取下层污泥，其含水率基本达到97-98%，污泥pH测定结果为6.75，污泥温度测定为25℃，不需调节，将污泥搅拌均匀开始分装至1000mL玻璃瓶中，每个玻璃瓶装650mL污泥；

（3）蛭弧菌菌剂的投加；

实验分为实验组和对照组。

所有对照组和实验组的污泥取同一批次预处理的污泥。经沉淀后的下层浓稠污泥混合均匀后装进1000mL玻璃瓶中，每瓶装650mL；

对照组：三个650mL污泥为三个平行样，将50mL超纯水加入污泥中，混匀；

实验组：将A、B两个玻璃瓶中装入等量650mL混合均匀污泥，分别添加蛭弧菌菌剂50mL，并且其浓度达到10⁶pfu/mL，混合均匀，设三个平行样。

将实验组和对照组都放入25~30℃、150r/min摇床中培养24h，每隔12h，将玻璃瓶中污泥混匀后取出150mL污泥，测定污泥比阻，通过0.45MPa抽滤计算滤饼含水率，检测结果如图1、2所示。

（4）检测结果：

污泥比阻(SRF)用于确定污泥脱水性能，指在一定压力条件下，单位过滤面积上单位质量的干污泥所受到的阻力，由图1可以看出，污泥中添加蛭弧菌浓度达到10⁶pfu/mL，在12h和24h处能使污泥比阻分别降低48%和34%；由图3可以看出，在0.045MPa压力下，经12h生物破壁处理后的污泥滤饼含水率从78.4%降低至76.1%，泥饼含水率降低2.3%，污泥体积平均减少9.6%。由此可证明在污泥中投加本发明蛭弧菌液能够显著提高污泥的脱水性能，以达到污泥减量目的。

实施例2：

（1）一种蛭弧菌复合菌剂的制备

提前制备蛭弧菌和光合细菌、酵母菌群混合菌液作为蛭弧菌复合菌剂菌液，其中蛭弧菌的浓度为10⁸pfu/mL数量级。

（2）污泥的预处理

所处理的污泥为氧化沟工艺处理市政污水产生的氧化沟污泥。污泥经过自然沉降，取下层污泥，其含水率基本达到97-98%，污泥pH测定结果为7.0，污泥温度测定为18℃，不需调节，将污泥搅拌均匀开始分装至1000mL玻璃瓶中，每个玻璃瓶装650mL污泥；

（3）蛭弧菌菌剂的投加；

菌剂的投加方式同实例一一致，每隔12h取样测定污泥比阻和泥饼含水率。

（4）检测结果：

24h处能使污泥比阻降低42%；在0.045MPa压力下，经24h生物破壁处理后的污泥滤饼含水率从75.2%降低至72.8%，泥饼含水率降低2.4%，污泥体积平均减少9.7%。由此可证明在污泥中投加本发明蛭弧菌液能够显著提高污泥的脱水性能，以达到污泥减量目的。

实施例3：

（1）一种蛭弧菌复合菌剂的制备

提前制备蛭弧菌和乳酸菌群、短小芽孢杆菌混合菌液作为蛭弧菌复合菌剂菌液，其中蛭弧菌的浓度为10⁷pfu/mL数量级。

（2）污泥的预处理

所处理的污泥为SBR工艺处理市政污水产生的剩余污泥。污泥经过自然沉降，取下层污泥，其含水率基本达到96-97%，污泥pH测定结果为6.9，污泥温度测定为28℃，不需调节，将污泥搅拌均匀开始分装至1000mL玻璃瓶中，每个玻璃瓶装650mL污泥；

（3）蛭弧菌菌剂的投加；

菌剂的投加方式同实例一一致，每隔6h取样测定污泥比阻和泥饼含水率。

（4）检测结果：

24h处能使污泥比阻降低46%；在0.045MPa压力下，经24h生物破壁处理后的污泥滤饼含水率从74.1%降低至71.1%，泥饼含水率降低3%，污泥体积平均减少11.1%。由此可证明在污泥中投加本发明蛭弧菌液能够显著提高污泥的脱水性能，以达到污泥减量目的。

实施例4：

（1）一种蛭弧菌复合菌剂的制备

提前制备蛭弧菌和革兰氏阳性放线菌群、发酵系的丝状菌群、纤维单胞菌混合菌液作为蛭弧菌复合菌剂菌液，其中蛭弧菌的浓度为10⁷pfu/mL数量级。

（2）污泥的预处理

所处理的污泥为CASS工艺处理市政污水产生的剩余污泥。污泥经过自然沉降，取下层污泥，其含水率基本达到97-98%，污泥pH测定结果为6.83，污泥温度测定为20℃，不需调节，将污泥搅拌均匀开始分装至1000mL玻璃瓶中，每个玻璃瓶装650mL污泥；

（3）蛭弧菌菌剂的投加；

菌剂的投加方式同实例一一致，每隔8h取样测定污泥比阻和泥饼含水率。

（4）检测结果：

24h处能使污泥比阻降低38%；在0.045MPa压力下，经24h生物破壁处理后的污泥滤饼含水率从75.7%降低至73.3%，泥饼含水率降低2.4%，污泥体积平均减少10.9%。由此可证明在污泥中投加本发明蛭弧菌液能够显著提高污泥的脱水性能，以达到污泥减量目的。

实施例5：

（1）一种蛭弧菌复合菌剂的制备

提前制备蛭弧菌和克雷伯氏菌、短小芽孢杆菌、纤维单胞菌的混合菌液作为蛭弧菌复合菌剂菌液，其中蛭弧菌的浓度为10⁸pfu/mL数量级。

（2）污泥的预处理

所处理的污泥为CASS工艺处理市政污水产生的浓缩池污泥。污泥经过自然沉降，取下层污泥，其含水率基本达到97-98%，污泥pH测定结果为6.95，污泥温度测定为27℃，不需调节，将污泥搅拌均匀开始分装至1000mL玻璃瓶中，每个玻璃瓶装650mL污泥；

（3）蛭弧菌菌剂的投加；

菌剂的投加方式同实例一一致，每隔8h取样测定污泥比阻和泥饼含水率。

（4）检测结果：

24h处能使污泥比阻降低47%；在0.045MPa压力下，经24h生物破壁处理后的污泥滤饼含水率从76.7%降低至73.3%，泥饼含水率降低3.4%，污泥体积平均减少14.6%。由此可证明在污泥中投加本发明蛭弧菌液能够显著提高污泥的脱水性能，以达到污泥减量目的。

实施例6：

参见图3，采用本工艺对污泥进行扩大中试处理，所处理的污泥为CAST工艺处理市政污水后的浓缩池污泥，图3为本发明一种提高市政污泥脱水减量性能的生物破壁方法在代表性市政污水生物处理工艺-CAST工艺中的一种应用示意图。CAST工艺是循环式活性污泥法生物简称，是SBR工艺的一种改进型，运行过程中的剩余污泥产量较低。具体步骤如下：

（1）一种蛭弧菌复合菌剂的制备

提前制备蛭弧菌和克雷伯氏菌混合菌液作为蛭弧菌复合菌剂菌液，其中蛭弧菌的浓度为10⁸pfu/mL数量级。

（2）污泥的预处理

提前测定CAST工艺系统中浓缩池污泥（其含水率达到97-98%）污泥pH值和温度，用10%的Ca(OH)₂溶液调节污泥的pH值至7.0，采用200r/min的转速将污泥搅拌均匀。

（3）蛭弧菌复合菌液的投加

蛭弧菌复合菌液应用于提高市政污泥脱水减量性能主要通过在污泥浓缩池旁设置投药箱定量投加蛭弧菌复合菌液。该投药箱为自动投加设备，根据污泥浓缩池内污泥量每隔12hr自动调节菌剂投加量，接种量为污泥体积的5%。

（4）蛭弧菌复合菌液与污泥混合培养

加入蛭弧菌复合菌液的污泥浓缩池在室温下，以200r/min的转速搅拌5min后，以每立方米污泥2Nm³/h曝气量连续曝气并以100r/min搅拌培养，经过12h的混合培养，污泥比阻降低40%，脱水性能得到改善。

（5）污泥机械脱水

采用板框压滤机进行污泥脱水，脱水后污泥的含水率达到65%-70%。

蛭弧菌复合菌剂对提高市政污泥脱水减量性能的应用不局限于CAST工艺系统，对A₂O、氧化沟、SBR等常规市政污水生物处理工艺产生的剩余污泥的脱水减量性能的提高均有效。但上述实施例只是列举了其中一种蛭弧菌复合菌液，蛭弧菌和其他微生物以任何比例和任何方式混合培养制备而成的蛭弧菌复合菌液都适用于提高市政污泥脱水减量性能的应用

上述实施例为本发明的实验室应用实施方式之一，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (8)

1.提高污泥脱水性能的生物破壁方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1）污泥预处理；2）将蛭弧菌复合菌剂投入预处理好的污泥中，进行生物破壁处理。

2.根据权利要求1所述的提高污泥脱水性能的生物破壁方法，其特征在于，所述步骤1）中预处理的步骤如下：11）用酸碱试剂，调节污泥的pH值，使pH范围在6.5—7.5；12）调节污泥的温度，温度范围为15—35℃。

3.根据权利要求2所述的提高污泥脱水性能的生物破壁方法，其特征在于，所述步骤2）中的蛭弧菌复合菌剂中的活菌至少包括噬菌蛭弧菌、斯托普蛭弧菌、斯塔尔蛭弧菌的一种或几种，或者同时包含克雷伯氏菌、光合菌群、乳酸菌群、酵母菌群、革兰氏阳性放线菌群、发酵系的丝状菌群、短小芽孢杆菌、纤维单胞菌的一种或几种。

4.根据权利要求3所述的提高污泥脱水性能的生物破壁方法，其特征在于，所述步骤2）中的蛭弧菌复合菌剂投加到预处理好的污泥中，接种量为污泥体积的1-15%，其中蛭弧菌在污泥中的最终浓度为10⁵—10⁹pfu/mL，同时快速搅拌3—10min，搅拌速度为150-250r/min，快速搅拌后进行常规搅拌。

5.根据权利要求4所述的提高污泥脱水性能的生物破壁方法，其特征在于，所述步骤2）中的蛭弧菌复合菌剂投加到污泥中后，进行连续曝气，每立方米污泥的曝气量为1-6Nm³/h。

6.根据权利要求4或5所述的提高污泥脱水性能的生物破壁方法，其特征在于，所述步骤2）中生物破壁处理反应时间为6-24小时，常规搅拌速度为40-150r/min。

7.根据权利要求4或5所述的提高污泥脱水性能的生物破壁方法，其特征在于，所述步骤2）中蛭弧菌菌剂中蛭弧菌浓度范围在10⁶—10¹⁰pfu/mL,。

8.所根据权利要求1所述的提高污泥脱水性能的生物破壁方法，其特征在于，所述步骤2）中投加的污泥为市政污水生物处理工艺中的二沉池、污泥浓缩池或改良污泥浓缩池中的污泥。