CN105417689A - 一种利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法 - Google Patents

一种利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法。所述的好氧颗粒污泥以吡啶降解菌Rhizobium？sp.NJUST18和普通活性污泥为复合接种物，采用序批式反应器的反应器形式，利用生物炭作为好氧颗粒污泥的晶核，促进吡啶降解好氧颗粒污泥的快速形成。本发明所提供的具有吡啶降解功能的好氧颗粒污泥，以吡啶为唯一碳源、氮源进行生长，颗粒污泥培养成熟后，颗粒形状规则，沉降性能好，反应体系污泥浓度高，可实现高浓度吡啶的降解并同步亚硝化，且可有效地缩短用于处理难生物降解废水的好氧颗粒污泥的培养时间。

Description

一种利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法
技术领域
本发明属于废水生物处理技术领域，具体涉及一种利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法。
背景技术
好氧颗粒污泥是生物膜生长的一种特殊形式，是微生物“自絮凝”的一种新方式。在这种微生物自身絮凝增殖的体系中，众多微生物被胞外聚合物包裹于网络框架内，由于在各种微生物间存在有较强的代谢互补关系，因而能够实现复杂有机物的降解，具有承受高有机负荷、耐受有毒物质等特点。同时好氧颗粒污泥技术作为一种在活性污泥技术基础上发展起来的新兴的废水处理技术，能够克服传统活性污泥工艺中存在的诸多问题，如反应器体积庞大、且需要后续的二沉池用以污泥沉淀和回流、容积负荷低、抗冲击能力弱、剩余污泥量大、易于出现污泥膨胀等。然而，好氧颗粒污泥的形成机制仍存在争议，其中“晶核假说”认为污泥颗粒化过程类似于结晶，在晶核基础上微生物富集，形成颗粒污泥。晶核一般来源于反应器运行过程中析出的无机盐沉淀或是惰性有机物。目前多数学者认同“晶核假说”，但是目前对于好氧颗粒污泥的研究大多局限于实验室阶段，难以投入工程实用，主要原因是好氧颗粒污泥的培养周期过长，且成熟颗粒在长期运行中容易出现解体现象，其限制了好氧颗粒污泥在实际应用中的推广和产业化。尤其以难降解工业废水为基质时，好氧颗粒污泥的培养尤为困难，培养时间通常需要3个月以上。
利用人为投加外部载体或晶核实现好氧污泥颗粒化的快速培养是目前一种有效解决方法。已有研究表明，投加活性炭颗粒有利于好氧污泥的颗粒化。近年来，生物炭在环境修复领域的应用潜力已引起了广泛关注。生物炭是指生物质，如农作物秸秆、木材、动物粪便、污泥、树叶等在厌氧或缺氧的情况下，经过高温慢热热解形成的碳含量丰富的固体物质。相比焦炭、活性炭等其他类型的黑炭，主要应用于生态环境修复、气候变化和农业土壤改良等方面。生物炭因为具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，呈多孔性，且孔隙大小不一，有利于微生物的栖息和繁殖，有利于污泥附着固定。如能采用生物炭为“晶核”，加速好氧颗粒污泥的培养过程，并将之应用于难降解工业废水的处理，将对难降解工业废水好氧颗粒污泥处理技术的发展起积极的推动作用。然而，关于利用生物炭加速吡啶降解好氧污泥颗粒化的研究尚未见文献报道。
发明内容
本发明的目的在于针对目前对于难生物降解废水处理系统中好氧颗粒污泥培养周期过长、易发生解体等问题，提供一种利用生物炭作为载体，快速培养具有难降解污染物降解功能的好氧颗粒污泥的新方法。
实现本发明目的的技术方案是：一种利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法，包括如下步骤：
(1)Rhizobiumsp.NJUST18接种物的制备：将Rhizobiumsp.NJUST18接种至添加了0.5-2g/L吡啶的无机盐培养基MSM中，摇床培养96小时后，将菌液在8000×g条件下离心分离10分钟，将得到干重约为2g的菌体沉积物作为SBR反应器的接种物；
(2)反应器的启动：向SBR反应器加入含500mg/L吡啶和500mg/L作为辅助碳源的乙酸钠的模拟废水，将Rhizobiumsp.NJUST18和城市生活污水处理厂好氧池的活性污泥混合，作为混合接种物加入SBR反应器中，SBR反应器启动初期时加入4g/L生物炭，SBR反应器容积交换率为50％，SBR反应器的运行方式为：进水—曝气—沉降—出水；
(3)颗粒污泥的培养：反应器启动运行过程中，通过定期观察好氧颗粒污泥形态，测定吡啶浓度参数，分析判断反应器运行状况，并对其操作参数做相应调整，具体为：随着模拟废水中吡啶降解性能提高，逐步减少模拟废水中乙酸钠含量，逐步增加模拟废水中吡啶含量至3000mg/L，实现颗粒污泥的增殖，逐步将运行周期由24小时逐步调整至8小时以增加进水负荷，从而提高污泥产量，逐步将污泥的沉降时间由10分钟降低至2分钟，以促进悬浮污泥的排出，直至模拟废水中吡啶为唯一碳源和氮源。
步骤(1)中，所述的Rhizobiumsp.NJUST18于2013年3月28日在中国典型培养物保藏中心CCTCC保藏，保藏单位地址为中国湖北省武汉市武汉大学，保藏编号为CCTCCNO:M2013110，命名为根瘤杆菌NJUST18，其分类命名为Rhizobiumsp.,GenBank登陆号为JN106368。
步骤(1)中，所述的无机盐培养基MSM的组分组成为：Na2HPO4·12H2O1.529g/L，KH2PO40.372g/L，MgSO4·7H2O0.1g/L，CaCl20.05g/L，微量元素W110ml/L，其中W1组成：EDTA0.5g/L，FeSO4·7H2O0.2g/L，ZnSO4·7H2O0.001g/L，MnCl2·4H2O0.003g/L，H3BO40.03g/L，CoCl2·6H2O0.02g/L，CuCl2·2H2O0.001g/L，NiCl2·6H2O0.002g/L，Na2MoO4·2H2O0.003g/L。
步骤(2)中，所述的生物炭通过以下步骤制备：通过30目标准筛对米糠进行筛选，置于流速为100mL/min的氮气气氛下热解，升温至500-800℃后保持该温度3h，升温速率为10℃/min；热解结束后，继续保持炉内氮气气氛冷却至室温，用稀盐酸浸泡12h后洗去灰分，去离子水冲洗至pH值恒定，于105℃下烘干，得到尺寸范围为1-2mm的生物炭；取生物炭固体进行研磨，控制生物炭粒径范围在0.01-0.5mm范围内。
步骤(2)中，所述的SBR反应器在启动初期时，初始运行周期设定为24小时，其中进水时间设定为5分钟，曝气时间为1410分钟，沉降时间定为10分钟，排水时间设定为5分钟，闲置期为10分钟。
步骤(2)中，所述的模拟废水还包括如下组分：Na2HPO4·12H2O1.504g/L，KH2PO40.285g/L，MgSO4·7H2O0.8873g/L，KCl0.35g/L，CaCl20.20g/L，FeCl30.03g/L，微量元素W110mL/L。
与现有技术相比，本发明的优点是：
(1)本发明所提供的利用生物炭为载体培养的具有吡啶降解功能的好氧颗粒污泥，可以有效缩短污泥颗粒化的时间、提高容积负荷、缩小反应器占地面积及提高污泥的沉降性能。
(2)解决了高浓度难生物降解废水中好氧颗粒污泥培养周期过长问题，避免了因基质扩散造成内部菌种死亡而导致颗粒污泥解体，颗粒内部微生物丰富，市场应用前景广阔。
(3)实现了具有吡啶降解功能的好氧颗粒污泥在含高浓度吡啶废水处理中的同步短程硝化反硝化的目标。
(4)所利用的生物炭原料米糠价格低廉、来源广泛、预处理操作简单。
附图说明
图1是生物炭载体和好养颗粒污泥照片，a.生物炭载体照片；b.生物炭显微镜照片40x；c.培养初期污泥显微镜照片40x；d.培养初期投加生物炭的污泥显微镜照片40x；e.成熟好氧颗粒污泥照片；f.成熟好氧颗粒污泥显微镜照片100x。
图2是运行过程中SBR反应器中MLSS、SVI变化图，R0为未投加生物炭的SBR反应器，R1为投加生物炭的SBR反应器。
图3是投加生物炭的SBR反应器的一个典型运行周期内吡啶降解效果及NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N浓度变化。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，结合附图详细说明本发明的具体实例，但不以任何方式限制本发明。
实施例1：SBR反应器中吡啶降解好氧颗粒污泥的培养
本发明利用吡啶降解高效菌Rhizobiumsp.NJUST18作为生物强化菌剂，生物炭为晶核，快速培养好氧颗粒活性污泥。本实施例设置对照实验，R0反应器未投加生物炭，R1反应器投加生物炭，其余运行条件均相同,旨在通过对照实验说明投加生物炭可加快含高浓度吡啶废水中好氧颗粒污泥的形成。
(1)Rhizobiumsp.NJUST18接种物的制备：将Rhizobiumsp.NJUST18接种至添加了1g/L吡啶的无机盐培养基MSM中，摇床培养96小时后，将菌液在8000×g条件下离心分离10分钟，将得到干重约为2g的菌体沉积物作为SBR反应器的接种物。
(2)生物炭制备：通过30目标准筛对米糠进行筛选，置于流速为100mL/min的氮气气氛下热解，升温至500-800℃后保持该温度3h，升温速率为10℃/min；热解结束后，继续保持炉内氮气气氛冷却至室温，用稀盐酸浸泡12h后洗去灰分，去离子水冲洗至pH值恒定，于105℃下烘干，得到尺寸范围为0.5-1mm的生物炭；取生物炭固体进行研磨，控制生物炭粒径范围在0.01-0.2mm范围内。
(3)SBR反应器运行参数条件：反应器由有机玻璃制成的圆柱形SBR序批式反应器，SBR反应器内部为完全好氧，装置有效容积2.2L，高100cm，内径6cm外径8cm，水浴夹层2cm。根据SBR反应器结构，其内部上升空气使废水及颗粒污泥处于均匀的水力剪切力中。实验中，通过蠕动泵将含吡啶模拟废水从底部注入反应器，排水口在反应器中部40cm处，体积交换率约为50％。进出水通过自动时间控制器控制。SBR反应器内置曝气设备，由空气泵提供100L/h的曝气量从SBR反应器底部曝气。并配有夹套循环水浴保温，温度调节为30±1℃。通过时间控制器严格控制各周期进水、曝气、沉降、排水时间，确保周期运行无误。
无机盐培养基的组成为Na2HPO4·12H2O1.529g/L，KH2PO40.372g/L，MgSO4·7H2O0.1g/L，CaCl20.05g/L，微量元素W110mL/L。
除吡啶和乙酸钠外，模拟废水其余组分组成为：Na2HPO4·12H2O1.504g/L，KH2PO40.285g/L，MgSO4·7H2O0.8873g/L，KCl0.35g/L，CaCl20.20g/L，FeCl30.03g/L，微量元素W110mL/L。
其中W1组成：EDTA0.5g/L，FeSO4·7H2O0.2g/L，ZnSO4·7H2O0.001g/L，MnCl2·4H2O0.003g/L，H3BO40.03g/L，CoCl2·6H2O0.02g/L，CuCl2·2H2O0.001g/L，NiCl2·6H2O0.002g/L，Na2MoO4·2H2O0.003g/L。
(4)好氧颗粒污泥的培养与表征：SBR反应器采用2g干重城市生活污水处理厂活性污泥和2g干重Rhizobiumsp.NJUST18的混合物作为接种物，启动初期向SBR反应器中一次投加8.8g经过研磨的生物炭。SBR反应器启动运行过程中，通过定期观察好氧颗粒污泥形态，测定吡啶、NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N浓度等参数，分析判断SBR反应器运行状况，并对其操作参数做相应调整，具体为：在SBR反应器运行初期，进水中吡啶和乙酸钠浓度分别为500mg/L和500mg/L，反应周期为24小时，沉降时间10分钟；此后逐步将进水中吡啶浓度增加至3000mg/L并逐步将进水中乙酸钠用量减少至0mg/L，逐步将反应周期缩短至8小时，并逐步将沉降时间缩短至2分钟。设置未投加生物炭、其他运行条件相同的SBR反应器作为对照，以判别生物炭在好氧污泥颗粒化过程中的关键作用。
培养过程中运用光学显微镜观察污泥及生物炭的形态。由图1a和图1b可见，在氮气气氛保护下得到的生物炭呈黑色，具有不透光性，且四周呈锯齿状，多为柱体，表面无其他物质附着。由图1c可见，初始污泥呈黄褐色松散絮状物，可均匀的悬浮在SBR反应器中。由图1d可见，在投加生物炭的SBR反应器初始阶段内混合液内的污泥和生物炭没有附着现象。经过50天左右的运行，投加生物炭的SBR反应器内出现了以生物炭为核心、污泥附着在生物炭的四周并将生物炭紧紧包围起来的小颗粒，但颗粒数量较少，较为松散并不密实；此时投加生物炭的SBR反应器中仍然可见大量污泥絮体。未投加生物炭的SBR反应体系仍以絮状污泥为主。由图1e和图1f可见，培养80天后投加生物炭的SBR反应器内絮状污泥逐渐减少，出现了较为完整的好氧颗粒污泥，外形为椭圆形并且表面清晰光滑、结构致密，生物炭几乎被厚实的污泥包围至看不清，大部分颗粒污泥粒径处于0.5-1.5mm的范围。未投加生物炭的反应器中颗粒污泥尺寸较小，大部分颗粒粒径处于0.05-0.2mm的范围。
如图2所示，随着培养时间的延长，投加生物炭的反应器和未投加生物炭的对照反应器中污泥的SVI值逐步下降，污泥沉降性能逐渐改善。其中，投加生物炭的反应器中SVI下降幅度较于未投加生物炭的反应器明显，70天后降低至33.8mL/g左右，而此时未投加生物炭的反应器中SVI值为40mL/g。在培养初期，两个SBR反应器内MLSS值相同，为1800mg/L。随着培养时间的延长，污泥浓度逐渐增大，颗粒污泥的逐渐形成，MLSS浓度逐渐增大，投加生物炭的SBR反应器中MLSS增加幅度较于未投加生物炭的SBR反应器明显，70天后高达7000mg/L左右。70天后沉降时间由3min调节为2min，沉降性能差的絮状污泥被排出系统外，投加生物炭的SBR反应器、未投加生物炭的SBR反应器中的MLSS均出现了下降的趋势，90天投加生物炭的SBR反应器和未投加生物炭的SBR反应器中MLSS分别为5500mg/L和6000mg/L。SVI和MLSS的数据说明随着反应的进行，生物量会增加，颗粒化程度好的反应器中的生物量也相应较高，同时污泥的沉降性能也逐步的提高，最终在投加生物炭的SBR反应器中形成的好氧颗粒污泥具有更高的污泥浓度和更好的沉降性能。
本发明能够有效缩短高浓度难生物降解废水中好氧颗粒污泥的加培养周期，重要是利用生物炭作为晶核培养的好氧颗粒污泥紧密，不易解体，负荷高，解决了好氧颗粒污泥稳定性差的难题，为以惰性载体培养好氧颗粒污泥提供了一种新思路，为好氧颗粒污泥在实际工程中提供了应用基础。所采用的生物炭原料价格低廉、来源广泛、实用性强、预处理操作简单且应用灵活，具有广阔应用前景。此发明可用于高浓度难生物降解废水好氧颗粒污泥的培养和长期使用，短期内可达到令人满意的效果。
实施例2：成熟好氧颗粒污泥对吡啶的降解及短程硝化
按照实施例1中含吡啶模拟废水的组成配制废水，SBR反应器进水后中吡啶初始浓度为1500mg/L。在运行过程中，运行周期为8h，进水时间为5min，反应时间458min，沉降时间为2min，排水时间设置为5min，闲置期为10min,曝气量100L/h。
投加生物炭的SBR反应器在启动3天后即可实现吡啶的完全降解，此后吡啶负荷逐渐提高，吡啶降解能力逐步改善，在启动75天后出现亚硝化现象。启动90天后，投加生物炭的SBR反应器内出现成熟的好氧颗粒污泥，初始浓度为1500mg/L的吡啶约在280min内实现完全降解，反应体系内可观察到稳定的亚硝化现象。图3为启动90天后一个典型的SBR反应周期内吡啶的降解和短程硝化情况。整个运行周期分为两个阶段，0-280min为吡啶降解过程；280-480min为亚硝化过程。在运行周期初始，随着反应的进行，吡啶降解产生NH4 +-N，NH4 +-N的浓度逐渐升高，在280min达到最高，为186mg/L，随后进行好氧硝化反应，NH4 +-N被氧化成NO2 --N，NH4 +-N的浓度降低，在周期结束时浓度降至141.4mg/L，NO2 --N浓度逐渐上升，达到最大浓度145.8mg/L，同时NO3 --N则在反应周期结束时达到最大浓度9.5mg/L，但NO3 --N浓度相比NO2 --N浓度始终较小，NO2 --N积累率高达94％左右，表明反应系统短程硝化占据主导。亚硝化反应相比硝化反应省去了NO2 --N向NO3 --N的转化，可节省约25％的需氧量，而且亚硝化过程出水的反硝化脱氮相比全程硝化反应可以节省40％的碳源，同时亚硝酸盐反硝化反应以硝酸盐反硝化反应速率的1.5-2倍进行，降低了剩余污泥的产量。
本实施例说明在SBR反应器中，成熟好氧颗粒污泥不仅可以快速、高效的降解高浓度吡啶，而且还能达到短程硝化的目的。

Claims (6)

1.一种利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)Rhizobiumsp.NJUST18接种物的制备：将Rhizobiumsp.NJUST18接种至添加了0.5-2g/L吡啶的无机盐培养基MSM中，摇床培养96小时后，将菌液在8000×g条件下离心分离10分钟，将得到的菌体沉积物作为SBR反应器的接种物；
(2)反应器的启动：向SBR反应器加入含500mg/L吡啶和500mg/L乙酸钠的模拟废水，将2g干重的Rhizobiumsp.NJUST18和2g干重的活性污泥混合，作为混合接种物加入SBR反应器中，SBR反应器启动初期时加入4g/L生物炭，SBR反应器容积交换率为50％，SBR反应器的运行方式为：进水—曝气—沉降—出水；
(3)颗粒污泥的培养：反应器启动运行过程中，随着模拟废水中吡啶降解性能提高，逐步减少模拟废水中乙酸钠含量，逐步增加模拟废水中吡啶含量至3000mg/L；逐步将运行周期由24小时逐步调整至8小时以增加进水负荷；逐步将污泥的沉降时间由10分钟降低至2分钟，直至模拟废水中吡啶为唯一碳源和氮源。
2.如权利要求1所述的利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的Rhizobiumsp.NJUST18于2013年3月28日在中国典型培养物保藏中心CCTCC保藏，保藏单位地址为中国湖北省武汉市武汉大学，保藏编号为CCTCCNO:M2013110，命名为根瘤杆菌NJUST18，其分类命名为Rhizobiumsp.,GenBank登陆号为JN106368。
3.如权利要求1所述的利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的无机盐培养基MSM的组分组成为：Na2HPO4·12H2O1.529g/L，KH2PO40.372g/L，MgSO4·7H2O0.1g/L，CaCl20.05g/L，微量元素W110ml/L，其中W1组成：EDTA0.5g/L，FeSO4·7H2O0.2g/L，ZnSO4·7H2O0.001g/L，MnCl2·4H2O0.003g/L，H3BO40.03g/L，CoCl2·6H2O0.02g/L，CuCl2·2H2O0.001g/L，NiCl2·6H2O0.002g/L，Na2MoO4·2H2O0.003g/L。
4.如权利要求1所述的利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的生物炭通过以下步骤制备：通过30目标准筛对米糠进行筛选，置于流速为100mL/min的氮气气氛下热解，升温至500-800℃后保持该温度3h，升温速率为10℃/min；热解结束后，继续保持炉内氮气气氛冷却至室温，用稀盐酸浸泡12h后洗去灰分，去离子水冲洗至pH值恒定，于105℃下烘干，得到生物炭；取生物炭固体进行研磨，控制生物炭粒径范围在0.01-0.5mm范围内。
5.如权利要求1所述的利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的SBR反应器在启动初期时，初始运行周期设定为24小时，其中进水时间设定为5分钟，曝气时间为1410分钟，沉降时间定为10分钟，排水时间设定为5分钟，闲置期为10分钟。
6.如权利要求1所述的利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的模拟废水还包括如下组分：Na2HPO4·12H2O1.504g/L，KH2PO40.285g/L，MgSO4·7H2O0.8873g/L，KCl0.35g/L，CaCl20.20g/L，FeCl30.03g/L，微量元素W110mL/L。
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