CN105417727B - 一种通过土著微生物的原位富集、固定化与驯化深度处理微污染水源水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种通过土著微生物的原位富集、固定化与驯化深度处理微污染水源水的方法。通过接种待处理水体底泥和待处理水、投加营养元素、在合适的曝气条件下，以闷曝的形式进行土著微生物的原位富集与固定化；然后通过设置自动进出水、逐步降低进水中营养元素浓度、增大进出水水量使固定化微生物逐步适应待处理水质。本发明的优点在于：1）在闷曝条件下，避免了微生物的流失、加速了土著功能微生物的增殖，大大缩短了工艺启动时间；2）通过接种硝化菌群丰度高的底泥，并外加氨氮、降低碳氮比，来优先促进自养硝化菌群的增殖，并且通过接种合适深度的底泥，保证接种的硝化菌群的多样性，从而提升系统运行的稳定性。

Description

一种通过土著微生物的原位富集、固定化与驯化深度处理微 污染水源水的方法
技术领域
本发明属于水处理领域，具体涉及一种通过土著微生物的原位富集、固定化与驯化深度处理微污染水源水的方法，适用于微污染水源的处理，也适用于其他湖泊（水库）、河流等地表水体及尾水的深度处理。
背景技术
随着我国社会经济的快速发展，污染物排放量逐年增加，水环境污染问题严重。根据环境保护部公布的《2014年中国环境状况公报》，我国长江、黄河、珠江、松花江、淮河、海河、辽河等七大流域和浙闽片河流、西北诸河、西南诸河的国控断面中，Ⅰ～Ⅲ类水质断面只有71.2%；而全国62个重点湖泊（水库）中，Ⅰ～Ⅲ类水质的仅占61.3%。地表水水源地由于多以河流型、湖库型等开放式为主，极易受市政污水、农业面源污染、水产养殖等影响。微污染水源水是指受到工农业和生活污水污染，部分水质指标超过《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类水体规定标准的饮用水源水，氨氮、高锰酸盐指数常成为主要超标指标。
生物膜技术具有抗冲击负荷能力强、运行稳定、低成本等特点，在微污染水源水处理中具有很大的应用潜力。一般生物膜法水处理中，为了工艺的快速启动，常采样微生物菌剂、基因工程菌或活性污泥等进行挂膜启动，但在水源水处理中，这些外来微生物的引入会存在一定的生态风险。自然水体本身是一个宝贵的微生物库，但因种种环境条件的限制，导致自然水体中具有污染物去除能力的功能微生物的生物量或生物活性较低，造成土著微生物对污染物的去除能力弱。尤其在微污染水源水中，土著微生物生长速率低，挂膜周期长，导致了工艺的启动时间很长。尤其是自然界中的硝化菌因具有严格自养、生长缓慢、对环境因子变化敏感等特性，使其在与异养菌的竞争中处于劣势，极易被系统淘汰，导致硝化菌群在生物膜中难以占据优势。因此，利用土著微生物实现快速挂膜启动，对微污染水源水的处理具有重要意义。
专利CN101397166A公布了一种天然水域饮用水源地把环式生态修复及水质改良技术，其中的微生态修复技术通过对土著微生物进行分离、纯化、驯化和扩培，然后再将微生物着床在介质上用于水处理，该方法中的微生物虽然来源于待处理水体中的土著微生物，但需先在实验室对微生物进行分离、纯化，耗时长，且分离培养的微生物多样性低，应用后容易随环境条件的改变发生流失。专利CN101870516A公布了一种寡营养生境下生物膜反应器快速启动工艺，其中挂膜启动是取三个水源地的底泥混合后进行接种，但该工艺的启动周期仍然很长，需2～3个月。专利CN 104445599A公布了一种强化原水生物预处理生物膜富集与运行性能稳定的方法，该方法通过接种受污染原水，在进水内循环运行模式、外加适量营养元素的条件下启动原水生物预处理工艺，同时添加硅藻土作为辅助载体以形成生物硅藻土，持留功能微生物赋予生物预处理工艺高效稳定运行性能，该方法启动周期仅为16天，但该法中需要添加大量硅藻土，增加了运行成本，并且添加硅藻土的目的是强化聚氨酯填料内部多孔结构的形成，也就是说硅藻土的效果仅对聚氨酯填料有用，从而限制了其应用范围。
发明内容
1、所要解决的技术问题：
微污染水源水处理中，利用土著微生物进行挂膜启动周期长，而接种外来微生物进行启动又存在生态风险。
2、技术方案：
为了解决以上问题，本发明提供了一种通过土著微生物的原位富集、固定化与驯化深度处理微污染水源水的方法，包括以下步骤，第一步：在反应池底部布设微孔曝气头，曝气时间由时间控制开关控制；第二步：土著微生物的富集和活化；第三步：功能微生物的固定化；第四步：驯化；第五步：经以上14～25天，整个工艺成功启动。
第二步中土著微生物的富集和活化的步骤为取待处理水体表层0～40cm的底泥和待处理区的水加入反应池,使泥水体积比为1：20～1:50，投加NH4Cl或(NH4)2 SO4氮源使氨氮浓度为15～25 mg/L，闷曝1～3 d，然后将剩余底泥从反应池底部的排泥口排出。
第三步功能微生物的固定化包括两个过程，挂膜初期和挂膜中后期。
所述挂膜初期的步骤为：在反应池内填充生物载体，补投NH4Cl或(NH4)2 SO4等氮源使氨氮浓度为15～25 mg/L，调整曝气强度，使溶解氧为3～5 mg/L，闷曝3～5天。
所述挂膜中后期的步骤为：每隔2～3天投加NH4Cl或(NH4)2 SO4使氨氮浓度为10～15 mg/L，并补充碳源和磷源，使碳：氮：磷为100：5：1，进行间歇式曝气，控制曝气时间：停曝时间为3：1～1:1，控制曝气段溶解氧为3～5 mg/L，闷曝5～7天。
所填充生物载体为多孔载体，载体孔隙率为80～98%，孔径为1～5mm，比表面积为10～35 m2/g。
所述生物载体表面加载羟基、羧基和氨基多种活性基团。
所述第四步驯化的步骤为：设置系统自动进出水，在水流方向投加一定量碳源、氮源，使投加后碳源浓度从100mg/L、氨氮浓度从10 mg/L逐步减少至不再添加任何营养物质，并逐渐增大进水量，找到合适的水力停留时间。进行间歇式曝气，控制曝气时间：停曝时间为1：1～1:3，控制曝气段溶解氧浓度为3～5 mg/L，持续5～10天。
3、有益效果：
本方法中微生物来源于待处理水体的底泥和水，属于土著微生物，避免了外来菌种的引入，不存在生态风险。
启动快：本方法中选用的微生物载体加载有能与微生物细胞表面特定基团结合的活性基团，有利于载体对微生物进行快速吸附和固定化，促进生物膜的发育；针对自养硝化菌群生长速率低、与异养菌的竞争中处于劣势的问题，通过投加氨氮，降低碳氮比，优先促进低生长速率的硝化菌群的生长，保证硝化菌群能在生物膜中占据优势，然后再补充碳氮磷，同步促进自养的硝化菌群和异养菌群的生长，在这一过程中大大促进了土著功能微生物的生长速率；因此工艺启动快。
污染物去除效率高，水力停留时间短：由于所用载体比表面积大，其固定的微生物生物量高，因此对污染物的去除速率快、去除负荷高，从而在处理微污染水体时在较短的水力停留时间下即可达到目的。
具体实施方式
下面详细对本发明进行详细说明。
提供一种通过土著微生物的原位富集、固定化与驯化深度处理微污染水源水的方法。具体步骤如下：
第一步：在反应池底部布设微孔曝气头，曝气时间由时间控制开关控制。
第二步：土著微生物的富集和活化。
取待处理水体表层0～40cm的底泥和待处理区的水加入反应池,使泥水体积比为1：20～1:50，投加NH4Cl或(NH4)2SO4等氮源使氨氮浓度为15～25 mg/L，闷曝1～3 d，然后将剩余底泥从反应池底部的排泥口排出。
针对微污染水源水中氨氮常常超标这一特点，硝化菌群的富集至关重要。底泥中硝化菌群的丰度一般高于水中，因此采用底泥进行富集。硝化菌群通过硝化作用将氨氮转化为硝态氮，这一过程主要由两大类化能自养菌协同完成：首先NH4+在好氧条件下被氨氧化细菌或氨氧化古菌氧化为NO2-，进而NO2-被亚硝酸盐氧化菌氧化成NO3-，其中前一步反应为硝化作用的限速步骤，因此氨氧化菌群的富集至关重要。氨氧化细菌和氨氧化古菌在底泥中常存在生态位的分离，氨氧化细菌倾向于分布在含氧量丰富的表层底泥中，而氨氧化古菌则分布在更深的底泥中，因此采集的底泥的深度应能包含两类氨氧化菌，以保证富集的硝化菌群的多样性，有利于提升处理系统的稳定性和抗冲击能力。研究表明，淡水湖泊系统中，氨氧化细菌主要分布在表层0～20cm的底泥中，而氨氧化古菌主要分布在表层20～40cm的底泥中，因此，本发明取表层0～40cm的底泥进行功能微生物的富集和活化。
第三步：功能微生物的固定化。
挂膜初期：在反应池内填充生物载体，补投NH4Cl或(NH4)2 SO4氮源使氨氮浓度为15～25 mg/L，调整曝气强度，使溶解氧为3～5 mg/L，闷曝3～5天。
挂膜中后期：每隔2～3天投加NH4Cl或(NH4)2 SO4使氨氮浓度为10～15 mg/L，并补充碳源和磷源，使碳：氮：磷为100：5：1，进行间歇式曝气，控制曝气时间：停曝时间为3：1～1:1，控制曝气段溶解氧为3～5 mg/L，闷曝5～7天。
所填充载体为多孔载体，载体孔隙率为80～98%，孔径为1～5mm，比表面积为10～35 m2/g；载体表面加载羟基、羧基和氨基等多种活性基团，能与微生物细胞表面的特定基团结合，有利于载体对微生物进行快速吸附和固定化，从而促进生物膜的快速形成。
由于硝化菌群主要是化能自养菌，世代周期长，生长缓慢，在与异养菌的竞争中处于劣势，低碳氮比有利于硝化菌群的增殖，而微污染水源水中营养物质浓度较低，因此在富集和挂膜初期，通过添加氨氮来增加硝化反应的底物浓度，同时降低碳氮比，来保证硝化菌群在与异养菌竞争时的优势，优先促进硝化菌群的增殖。然后，再补充碳、氮、磷营养元素，促进自养硝化菌群和异养菌的共同增殖。
第四步：驯化
设置系统自动进出水，在水流方向投加一定量碳源、氮源，使投加后碳源浓度从100mg/L、氨氮浓度从10 mg/L逐步减少至不再添加任何营养物质，并逐渐增大进水量，找到合适的水力停留时间。进行间歇式曝气，控制曝气时间：停曝时间为1：1～1:3，控制曝气段溶解氧浓度为3～5 mg/L，持续5～10天。
通过逐步降低营养物质的浓度至待处理水的水平，促进生物膜中对底物亲和力高的微生物占据优势，逐步淘汰掉对底物亲和力弱的微生物，使生物膜逐步适应待处理微污染水源水的水质状况。突然加大进水量会引发生物膜大面积脱落，延长启动时间，因此通过逐步加大进水量，促进微生物分泌胞外聚合物来增强生物膜与载体之间及生物膜内部之间的粘结力，以适应因逐渐加大进水量而逐渐增强的水力剪切力。
第五步：经以上14～25天，整个工艺即可成功启动。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (4)

1.一种通过土著微生物的原位富集、固定化与驯化深度处理微污染水源水的方法，包括以下步骤，第一步：在反应池底部布设微孔曝气头，曝气时间由时间控制开关控制；第二步：土著微生物的富集和活化；第三步：功能微生物的固定化；第四步：驯化；第五步：经以上14～25天，整个工艺成功启动，第二步中土著微生物的富集和活化的步骤为取待处理水体表层0～40cm的底泥和待处理区的水加入反应池,使泥水体积比为1：20～1:50，投加NH4Cl或(NH4)2 SO4氮源使氨氮浓度为15～25 mg/L，闷曝1～3 d，然后将剩余底泥从反应池底部的排泥口排出，其特征在于：第三步功能微生物的固定化包括两个过程，挂膜初期和挂膜中后期，所述挂膜初期的步骤为：在反应池内填充生物载体，补投NH4Cl或(NH4)2 SO4氮源使氨氮浓度为15～25 mg/L，调整曝气强度，使溶解氧为3～5 mg/L，闷曝3～5天，所述挂膜中后期的步骤为：每隔2～3天投加NH4Cl或(NH4)2 SO4使氨氮浓度为10～15 mg/L，并补充碳源和磷源，使碳：氮：磷为100：5：1，进行间歇式曝气，控制曝气时间：停曝时间为3：1～1:1，控制曝气段溶解氧为3～5 mg/L，闷曝5～7天。
2.如权利要求1所述的通过土著微生物的原位富集、固定化与驯化深度处理微污染水源水的方法，其特征在于：所填充生物载体为多孔载体，载体孔隙率为80～98%，孔径为1～5mm，比表面积为10～35 m2/g。
3.如权利要求1所述的通过土著微生物的原位富集、固定化与驯化深度处理微污染水源水的方法，其特征在于：所述生物载体表面加载羟基、羧基和氨基多种活性基团。
4.如权利要求1所述的通过土著微生物的原位富集、固定化与驯化深度处理微污染水源水的方法，其特征在于：所述第四步驯化的步骤为：设置系统自动进出水，在水流方向投加一定量碳源、氮源，使投加后碳源浓度从100mg/L、氨氮浓度从10 mg/L逐步减少至不再添加任何营养物质，并逐渐增大进水量，找到合适的水力停留时间，进行间歇式曝气，控制曝气时间：停曝时间为1：1～1:3，控制曝气段溶解氧浓度为3～5 mg/L，持续5～10天。
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