CN105347481A - 生物发酵耦合人工湿地系统净化低碳氮比生活污水的方法 - Google Patents

生物发酵耦合人工湿地系统净化低碳氮比生活污水的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物发酵耦合人工湿地系统及净化低碳氮比生活污水方法，该系统由微生物发酵系统和湿地单元串联组成，该方法是将秸秆采用微生物进行发酵，得到微生物发酵液；然后将微生物发酵液投加至人工湿地中；微生物发酵液与生活污水混合，混合液经过人工湿地的处理后得到了净化后的生活污水。本发明使用秸秆进行发酵，既合理利用了秸秆，提高了资源利用率，释放碳源能力强，有效提高了污水的碳氮比，提高了污水的处理效率。

Description

生物发酵耦合人工湿地系统净化低碳氮比生活污水的方法
技术领域
本发明属于污水净化领域，具体涉及一种生物发酵耦合人工湿地系统净化低碳氮比生活污水的方法。
背景技术
人工湿地是指通过模拟天然湿地的结构与功能，根据人们的具体需求而人为设计建造的湿地。人工湿地处理系统可以分为：表面流人工湿地处理系统，水平潜流人工湿地处理系统和垂直潜流人工湿地处理系统。其作用机理包括吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解、转化及各类动植物的作用。人工湿地具有污染物去除效率高，投资、运行及维护费用低，适用面广，耐冲击负荷强等优点。
随着经济的高速发展和人们生活水平的提高，生活污水中的碳氮比越来越低，为使生活污水处理达标，人们不得不通过各种方法向污水中投加碳源，以此提高碳氮比。目前常用的方法是向污水中投加甲醇、乙醇等有机物，这将极大地提高污水处理代价，同时造成巨大的资源和能源浪费。
中国专利201410170207.3公开了一种利用植物碳源强化人工湿地对低碳高氮污水脱氮的方法和系统，补充的有机碳源主要是植物材料用浸泡液浸泡水解得到水解液，其缺点是只是单纯添加有机碳源，除氮效果不好。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种生物发酵耦合人工湿地系统净化低碳氮比生活污水方法。
本发明采用以下技术方案：
一种生物发酵耦合人工湿地系统净化低碳氮比生活污水的方法，包括以下步骤：
(1)将秸秆采用酵母菌、放线菌和醋酸杆菌的复合菌剂进行发酵，所述酵母菌、放线菌和醋酸菌的活性菌种数量比为(6～8)：(2～3)：(4～6)，得到微生物发酵液；
(2)将微生物发酵液投加至人工湿地中；
(3)微生物发酵液与生活污水混合，混合液经过人工湿地的处理后得到了净化后的生活污水。
步骤(1)中，每克干秸秆加入0.1～0.2cfu/g活性的微生物。在秸秆中加水，秸秆与水的质量体积比以g/mL计，为1:8～12，使其湿度维持在70～80％，pH在6.0～6.8，发酵温度为35～40℃，发酵时间为一周至两周。发酵结束后得到的发酵液中含有丰富的可被反硝化细菌容易利用的有机酸和醇类物质。
本发明中所用的发酵菌株均可以通过常规的商业途径购买得到。
优选的，本发明采用的酵母菌为产朊假丝酵母(Candidautilis)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为31268。
优选的，本发明采用的放线菌为微白色放线菌转换变种(Actinomycesalbidus)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为11012。
放线菌能分解许多有机物，包括芳香化合物、石蜡、橡胶、纤维素、木质等复杂化合物。因此，放线菌不仅在自然界物质循环中，更在污水及有机固体废物的生物处理中有积极的作用。
优选的，本发明采用的醋酸杆菌为巴氏醋杆菌(Acetobacterpasteurianus)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为20056。
为了使微生物更好的发酵，将秸秆进行粉碎，粉碎至1～2mm。
步骤(1)中，所述秸秆为芦苇秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、薯类秸秆、油菜秸秆、棉花秸秆、香蒲秸秆、水枝棉秸秆、浮萍秸秆或甘蔗秸秆的一种或多种。农作物光合作用的产物有一半以上存在于秸秆中，秸秆富含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等，是一种具有多用途的可再生的生物资源，秸秆也是一种粗饲料。特点是：含碳量高，容易被微生物利用，粗纤维含量高(30％-40％)，并含有木质素等。不同农作物秸秆具有不同的营养特性，根据植物的营养特性的不同，发现将芦苇秸秆制作成微生物发酵液应用在处理低碳氮比的生活污水中，其处理效果最好。
步骤(2)中，为使脱氮效果更加优异，投加是投加至人工湿地的表面上。
步骤(3)中，所述人工湿地的处理条件为：添加微生物发酵液使生活污水的C/N比为4～6:1，温度为25～29℃，时间为3～5天。上述人工湿地的处理条件使得脱氮效果更加优异。
投加至人工湿地的微生物发酵液提高了人工湿地污水中的碳氮比，经过人工湿地的处理后得到了净化后的生活污水。
一种生物发酵耦合人工湿地系统，由微生物发酵系统和湿地单元串联组成。
所述微生物发酵系统包括罐体，罐体上设有空气处理系统、流量计和出水管，罐体内设有微生物菌种和秸秆。
所述空气处理系统用于控制发酵罐的气体交换
所述流量计用于调整发酵液的流量以使污水混合后达到合理的碳氮比。
所述湿地单元设置有流通污水的进水管和出水管。
进一步，所述微生物发酵系统设置在污水混合池中，既大大节约了生物发酵系统的占地面积，有有利于保持生物发酵系统中的温度的恒定。
本发明中的生物发酵耦合人工湿地系统中的湿地单元为各种人工湿地系统。优选的，所述湿地单元为表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直潜流人工湿地。经过大量实验与分析，所述优选的湿地单元与生物发酵系统配合使用，使生活污水的净化效果更好。
优选的，所述表面流人工湿地的基质层为田园土和黄沙的混合物，基质层上种植芦苇、香蒲、水枝锦、浮萍等湿地植物。由于表面流人工湿地处理系统的表层具有较好的富氧能力，使系统能有效去除有机污染物。该处理系统处理污水的效果优异。
优选的，所述水平潜流人工湿地的基质层下部填充砾石，上部设有田园土层，田园土上种植芦苇、香蒲、菰草等湿地植物。其中，砾石的粒径为2～5cm。生活污水和微生物发酵液的混合液进入水平潜流人工湿地，悬浮物被混合土壤和植物根系直接吸收，大部分有机污染物被生物膜吸附降解，废水中的一部分N、P作为营养物质和植物直接吸收，一部分通过硝化、反硝化作用被去除。该处理系统处理污水的效果优异。
优选的，所述垂直潜流人工湿地的基质下部填充砾石，其厚度为90～100cm，上部设有田园土层，其厚度为15～25cm，田园土上设有湿地植物。生活污水和微生物发酵液的混合液进入垂直潜流人工湿地的田园土层，通过下渗进入砾石层，经植物根系、其表面的生物膜及微生物的共同作用，使污水中的污染物得到处理，该处理系统处理污水的效果优异。
上述生物发酵耦合人工湿地系统运行时，首先将秸秆从发酵罐罐顶处加入，随后加入适量的水和复合菌剂，使秸秆的湿度维持在70～80％，pH维持在6.0～6.8(优选6.5)，随后密封发酵罐。秸秆在生物发酵罐内高活性发酵菌种的作用下进行发酵。2周就可得到一定量的发酵液，测定其中有机碳的含量，并将得到的发酵液通入待处理的污水中，以发酵液中所含有的醇类、有机酸等多种有机物提高污水碳氮比，随后混合污水流入人工湿地系统进行进一步处理，处理后的污水由出水口排出。由于发酵液中的有机物适当地提高了污水碳氮比，因此，相比于其他方法，本发明对污水中污染物的去除效率更高。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的微生物发酵所用菌株，其中，酵母菌为兼性厌氧菌种，对木质纤维的分解起着重要作用，并能利用秸秆中的碳水化合物代谢产生有机酸和醇类物质，并能同化硝酸盐，将发酵液的添加至生活污水中，酵母菌发酵产生的有机酸和醇类物质可提高生活污水中的碳氮比，并且酵母本身与生活污水中的反硝化细菌共同作用同化硝酸盐进行脱氮，使得脱氮效率提高；放线菌为腐生型异养菌，容易吸收和利用秸秆中的纤维素、淀粉和糊精等碳水化合物，并改变木质素的分子结构，继而分解溶解的木质素，在生活污水中的处理中发挥积极作用；当酵母和放线菌产生各种分解酶，将秸秆的粗纤维(纤维素、半纤维)、木质素、木聚糖、木质化合物的酯键进行酶解产生碳水化合物，然后醋酸杆菌利用碳水化合物产生大量乙酸，乙酸为提高生活污水中的碳氮比起到了重要作用。经过实验验证与分析，酵母菌、放线菌和醋酸杆菌之间不存在拮抗作用，而且能够协同分解利用秸秆中的营养物质，并且协助反硝化细菌净化生活污水。
并且发酵液中不仅含有丰富的可被反硝化细菌利用的碳源物质，还含有大量的酵母菌、放线菌和醋酸杆菌，酵母菌和放线菌添加至生活污水中同化硝酸物质，协同反硝化细菌共同除氮，除氮效果更加明显。
经过大量实验验证与分析，本发明采用产朊假丝酵母(Candidautilis)、微白色放线菌转换变种(Actinomycesalbidus)和巴氏醋杆菌(Acetobacterpasteurianus)净化生活污水的效果最好，极大的改善了湿地系统的脱氮效率。
(2)本发明中的生物发酵耦合人工湿地系统结构简单，容易建造，建设费用低，能源消耗少，处理低碳比生活污水的效果好。
(3)使用秸秆进行发酵，既合理利用了秸秆，提高了资源利用率，释放碳源能力强，有效提高了污水的碳氮比，提高了污水的处理效率。
(4)湿地植物秸秆的再利用，有利于减少湿地运行所产生的废物，构成了湿地污水处理良性循环，二次污染小。
(5)本发明适用于城市家庭生活所排放的低碳氮比的生活污水，相比于现有技术的其他方法，本发明对污水中的污染物的去除效率更高。
附图说明
图1实施例1的结构示意图。
图2实施例2的结构示意图。
图3实施例3的结构示意图。
图中：1、进水管，2、发酵液出水管，3、微生物发酵罐，4、空气处理系统，5、湿地植物，6、田园土和黄沙的混合物，7、田园土，8、砾石，9、流量计，10、阀门，11、混合池，12、污水出水管。
具体实施方式
实施例1
一种生物发酵耦合人工湿地系统净化低碳氮比生活污水方法，包括以下步骤：
如图1所示，本实施例是一种生物发酵罐3和表面流人工湿地处理系统串联而成的人工湿地耦合微生物发酵系统，生物发酵罐3内部装有秸秆和复合菌剂，发酵罐密封，发酵罐的空气处理系统4用于控制发酵罐的气体交换，流量计9通过调整发酵液的流量以使污水混合后达到合理的碳氮比。流量计9通过出水管2与表面流人工湿地处理系统相连，人工湿地处理系统设成长方形，其基质层全部为田园土和黄沙的混合物6，并种植有芦苇、香蒲、水枝锦、浮萍等湿地植物5。
运行时，生物发酵罐内的秸秆在复合菌剂和适宜的温度湿度条件下，进行厌氧发酵，产生富含多种有机物的生物发酵液。本实施例得到生物发酵液的具体方法是：将粉碎后的香蒲和水枝棉混合秸秆采用酵母菌、放线菌和醋酸菌的复合菌剂进行发酵，所述酵母菌、放线菌和醋酸菌的活性菌种的数量比为6：2：4，每克干秸秆加入0.2cfu/g活性的微生物，在秸秆中加水，秸秆与水的质量体积比以g/mL计，为1:10，使其湿度维持在70～80％，pH在6.0～6.8，发酵温度为35～40℃，发酵时间为一周，得到微生物发酵液。
本实施例采用的酵母菌为产朊假丝酵母(Candidautilis)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为31268。本实施例采用的放线菌为微白色放线菌转换变种(Actinomycesalbidus)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为11012。本实施例采用的醋酸菌巴氏醋杆菌(Acetobacterpasteurianus)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为20056。
随后，通过流量计9的控制将适量的发酵液导入表面流人工湿地处理系统中与由进水管1进入的待处理的生活污水混合，利用发酵液中的醇类、有机酸等有机物提高污水的碳氮比，污水混合过程可由阀门10调控。随后污水沿池体缓慢流动，由于表面流人工湿地处理系统的表层具有较好的富氧能力，使系统能有效去除有机污染物。处理后的污水经出水管排出。
采用实施例1中的生物发酵人工湿地系统，进水管1中进水的COD为130～140mg/L、总氮为60mg/L，C/N为1:1，加入适量的发酵液使C/N为4:1，水温25℃～29℃，停留时间为3天时，出水COD为7mg/L～12mg/L，总氮为4mg/L～6mg/L，总氮去除率约90％，脱氮效果明显，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》中的一级A标准。
对比例1
将实施例1中的复合菌剂替换为酵母菌、乳酸杆菌(菌种编号21007)和枯草芽孢杆菌(菌种编号10732)，其活性菌种数量添加比例为6：2：4，制得微生物发酵液，其他条件不变，将其投入到实施例1中的人工湿地系统中，进水管1中进水的COD为130～140mg/L、总氮为60mg/L，C/N为1:1，加入适量的发酵液使C/N为4:1，水温25℃～29℃，停留时间为3天时，出水COD为90mg/L～100mg/L，总氮为30mg/L～40mg/L，总氮去除率约50％。
经过实验对比，实施例1中的微生物发酵液脱氮效果明显优于对比例1。
实施例2
如图2所示，本实例是一种生物发酵罐3和水平潜流湿地处理系统相串联的一体化生物发酵耦合人工湿地系统，该系统中生物发酵罐浸没在污水混合池11中，既大大节约了系统的占地面积，又有利于保持发酵罐内温度的恒定。生物发酵罐3内部装有秸秆和复合菌剂，发酵罐密封，发酵罐的空气处理系统4用于控制发酵罐的气体交换，流量计9用于调整发酵液的流量以使污水混合后达到合理的碳氮比。水平潜流人工湿地处理系统的基质层下部填充粒径2cm～5cm的砾石层8，上部铺有田园土7，其内种植有芦苇、香蒲、菰草等湿地植物5。
运行时，生物发酵罐内的秸秆在复合菌剂和适宜的温度湿度条件下，进行厌氧发酵，产生富含多种有机物的生物发酵液。本实施例得到生物发酵液的具体方法是：将粉碎后的玉米和浮萍混合秸秆采用酵母菌、放线菌和醋酸菌的复合菌剂进行发酵，所述酵母菌、放线菌和醋酸菌的个数比为7：3：5，每克干秸秆加入0.15cfu/g活性的微生物，在秸秆中加水，秸秆与水的质量体积比以g/mL计，为1:9，使其湿度维持在70～80％，pH在6.0～6.8，发酵温度为35℃，发酵时间为12天，得到微生物发酵液。
本实施例采用的酵母菌为产朊假丝酵母(Candidautilis)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为31268。本实施例采用的放线菌为微白色放线菌转换变种(Actinomycesalbidus)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为11012。本实施例采用的醋酸菌巴氏醋杆菌(Acetobacterpasteurianus)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为20056。
待处理的生活污水由进水管1进入污水混合池11，微生物发酵罐3产生的发酵液由流量计9控制通过出水管2进入混合池11，并在混合池11内完成污水混合，以达到适宜后续污水处理的碳氮比，从而有效提高污水处理效率。混合污水达到规定水位后进入水平潜流人工湿地处理系统。悬浮物被混合土壤和植物根系直接吸收，大部分有机污染物被生物膜吸附降解，废水中的一部分N、P作为营养物质和植物直接吸收，一部分通过硝化、反硝化作用被去除。处理后的污水经污水出水管12排出。
采用实施例2中的生物发酵人工湿地系统，进水管1中进水的COD为120mg/L、总氮为60mg/L，C/N为2:1，加入适量的发酵液使C/N为5:1，水温25℃～29℃，停留时间为5天时，出水COD为10mg/L～14mg/L，总氮为3mg/L～5mg/L，总氮去除率约92％，脱氮效果明显，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》中的一级A标准。
对比例2
将实施例2中的复合菌剂替换为酵母菌、放线菌和醋酸菌，其活性菌数量添加比例为1：3：5，制得微生物发酵液，其他条件不变，将其投入到实施例2中的人工湿地系统中，进水管1中进水的COD为120mg/L、总氮为60mg/L，C/N为2:1，加入适量的发酵液使C/N为5:1，水温25℃～29℃，停留时间为5天时，出水COD为80mg/L～90mg/L，总氮为25mg/L～30mg/L，总氮去除率约55％。
经过实验对比，实施例2中的微生物发酵液脱氮效果明显优于对比例2。
实施例3
如图3所示，本实施例是生物发酵罐3与垂直潜流人工湿地处理系统并联而成人工湿地耦合微生物发酵系统。生物发酵罐3内部装有秸秆和复合菌剂，发酵罐密封，发酵罐的空气处理系统4用于控制发酵罐的气体交换，流量计9用于调整发酵液的流量以使污水混合后达到合理的碳氮比。垂直潜流人工湿地处理系统的基质层下部填充砾石8，其厚度为90cm～100cm，上部铺有田园土层7，厚度约为15cm～25cm。微生物发酵罐3埋藏在约30cm处。
系统运行时，生物发酵罐内的秸秆在复合菌剂和适宜的温度湿度条件下，进行厌氧发酵，产生富含多种有机物的生物发酵液。本实施例得到生物发酵液的具体方法是：将粉碎后的芦苇秸秆采用酵母菌、放线菌和醋酸菌的复合菌剂进行发酵，所述酵母菌、放线菌和醋酸菌的个数比为8：2：6，每克干秸秆加入0.2cfu/g活性的微生物，在秸秆中加水，秸秆与水的质量体积比以g/mL计，为1:12，使其湿度维持在70～80％，pH在6.0～6.8，发酵温度为38℃，发酵时间为10天，得到微生物发酵液。
本实施例采用的酵母菌为产朊假丝酵母(Candidautilis)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为31268。本实施例采用的放线菌为微白色放线菌转换变种(Actinomycesalbidus)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为11012。本实施例采用的醋酸菌巴氏醋杆菌(Acetobacterpasteurianus)，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)，菌种保藏编号为20056。
流量计9将适量的发酵液通过出水管2导入表面流人工湿地处理系统中与由进水管1进入的待处理的生活污水混合，利用发酵液中的醇类、有机酸等有机物提高污水的碳氮比，混合过程可由阀门10调控。混合污水进入垂直潜流人工湿地处理系统的田园土层7，通过下渗进入砾石层8，经植物根系、其表面的生物膜及微生物的共同作用，使污水中的污染物得到处理。处理后的污水经污水出水管12排出。
采用实施例3中的生物发酵人工湿地系统，进水管1中进水的COD为180mg/L、总氮为60mg/L，C/N为3:1，加入适量的发酵液使C/N为5:1，水温25℃～29℃，停留时间为5天时，出水COD为15mg/L～117mg/L，总氮为2mg/L～4mg/L，总氮去除率约94％，脱氮效果明显，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》中的一级A标准。
对比例3
将实施例3中的复合菌剂替换为酵母菌、放线菌和光合细菌，其活性菌数量添加比例为8：2：6，制得微生物发酵液，其他条件不变，将其投入到实施例3中的人工湿地系统中，进水管1中进水的COD为180mg/L、总氮为60mg/L，C/N为3:1，加入适量的发酵液使C/N为5:1，水温25℃～29℃，停留时间为5天时，出水COD为100mg/L～120mg/L，总氮为40mg/L～45mg/L，总氮去除率约35％。
经过实验对比，实施例3中的微生物发酵液脱氮效果明显优于对比例3。

Claims (10)

1.一种生物发酵耦合人工湿地系统净化低碳氮比生活污水方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)将秸秆采用酵母菌、放线菌和醋酸杆菌的复合菌剂进行发酵，所述酵母菌、放线菌和醋酸菌的活性菌种数量比为(6～8)：(2～3)：(4～6)，得到微生物发酵液；
(2)将微生物发酵液投加至人工湿地中；
(3)微生物发酵液与生活污水混合，混合液经过人工湿地的处理后得到了净化后的生活污水。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤(1)中，所述秸秆为芦苇秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、薯类秸秆、油菜秸秆、棉花秸秆、香蒲秸秆、水枝棉秸秆、浮萍秸秆或甘蔗秸秆的一种或多种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤(1)中，每克干秸秆加入0.1～0.2cfu/g活性的微生物。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤(1)中，在秸秆中加水，秸秆与水的质量体积比以g/mL计，为1:8～12，使其湿度维持在70～80％，pH在6.0～6.8。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤(1)中，发酵温度为35～40℃，发酵时间为一周至两周。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤(1)中，所述酵母菌为产朊假丝酵母(Candidautilis)，它是由中国普通微生物菌种保藏管理中心进行保藏的菌种，保藏编号31268。
7.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤(1)中，所述放线菌为微白色放线菌转换变种(Actinomycesalbidus)，它是由中国工业微生物菌种保藏管理中心进行保藏的菌种，保藏编号为11012。
8.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤(1)中，所述的醋酸杆菌为巴氏醋杆菌(Acetobacterpasteurianus)，它是由中国工业微生物菌种保藏管理中心进行保藏的菌种，保藏编号为20056。
9.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤(2)中，所述投加是投加至人工湿地的表面上。
10.如权利要求1所述的方法，其特征是：步骤(3)中，所述人工湿地的处理条件为：添加微生物发酵液使生活污水的C/N比为4～6:1，温度为25～29℃，时间为3～5天。
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