CN105692916A - 一种用于河道修复的功能菌剂强化富集装置及驯化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于河道修复的功能菌剂强化富集装置及驯化方法，装置包括：箱体，所述箱体内分隔为相互独立的硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱；分别连接至所述硝化菌驯化箱和聚磷菌驯化箱内的曝气装置；所述硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱独立配置的进、出水系统；以及与所述箱体连接用于控制所述硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱的冷却控温装置。本本发明的驯化方法针对不同的菌种投加不同填料和药剂，通过根据不同菌种的生长繁殖条件分别定向驯化，使硝化菌、反硝化菌、聚磷菌都达到较为理想的富集状态。

Description

一种用于河道修复的功能菌剂强化富集装置及驯化方法
技术领域
本发明涉及生物菌群驯化技术领域，具体涉及一种利污染水域底泥低温驯化菌剂的方法。
背景技术
随着我国水体排放标准的日益提高，高效率且低能耗的生物生态修复技术显得尤为重要，目前很多关于菌种驯化的专利都是在常温条件下(25～30℃)进行的，但是实际河水温度常年保持在10～15℃左右，所以这类常温条件下的微生物富集方法是存在缺陷的。
目前比较常见的水体微生物修复是通过模拟废水或者污水厂污泥进行菌种驯化然后异位投放。例如授权公告号为CN203498387U的中国实用新型专利公开了一种菌种驯化装置，包括有与驯化培养箱连接的采样器和温控装置，在驯化培养箱内设置有曝气装置，在驯化培养箱的上端设置有采样装置，在驯化培养箱的下端设置有排水口，在采样器与驯化培养箱连接的管路上设置有采样泵和转子流量计，连接曝气装置的管路上设置有曝气泵和转子流量计。
例如，公开号为CN105060507A的中国发明专利申请文献公开了一种煤焦化废水COD降解用菌种驯化试剂盒及驯化方法，试剂盒包括富集管、驯化预制管A、驯化预制管B，驯化方法包括缺氧和好氧驯化。该试剂盒是通过在全国大量采集煤焦化废水样品，对废水成分进行分析，并通过实验配制出了一种可以模拟真实污水的驯化培养基，并以此为基础形成了试剂盒。该驯化培养基具有较强的适应性，通过其驯化后的菌种投入到多个煤焦化污水样品后，其COD降解能力均有所提高，大大缩短污水处理启动时间。
公开号为CN103626302A的中国发明专利申请文献公开了一种脱氮除磷菌种在线提取培养及驯化的污水处理方法，包括以下步骤：1)将污水输送至污水净化池，并分流部分污水至菌种培养池；2)菌种培养池内含有生物填料1#，控制溶解氧浓度为6～7mg/L，停留时间为1.5～5h，进行脱氮除磷菌种的提取培养，得到菌种提取液；3)将菌种提取液输送至菌种驯化池，菌种驯化池内含有生物填料2#，控制溶解氧浓度为4～5mg/L，停留时间为2～4h，进行驯化，得到脱氮除磷菌种母液；4)采取多点投放的方式，将脱氮除磷菌种母液输送至污水净化池，进行污水净化处理。
然而硝化菌，反硝化菌，聚磷菌生长繁殖所需的温度，pH，所需营养条件等具有较大的差异，混合驯化存在着一定的缺陷。
发明内容
针对现有技术中混合驯化存在的技术问题，本发明提供一种用于河道修复的功能菌剂强化富集装置及驯化方法。
一种用于河道修复的功能菌剂强化富集装置，包括：
箱体，所述箱体内分隔为相互独立的硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱；
分别连接至所述硝化菌驯化箱和聚磷菌驯化箱内的曝气装置；
所述硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱独立配置的进、出水系统；
以及与所述箱体连接用于控制所述硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱内温度的冷却控温装置。
所述进、出水系统中的进水系统包括连接对应驯化箱与河道水体的进水管以及设置在进水管上的进水阀和进水泵；所述进、出水系统中的出水系统包括连接对应驯化箱与河道水体的出水管以及设置在出水管上的出水阀。
优选地，所述曝气装置包括顺次连接的曝气机控制器、曝气机和曝气头，所述曝气头设于对应驯化箱内。
优选地，所述硝化菌驯化箱填充改性沸石填料，填料的填充比为30～50％；所述反硝化菌驯化箱内均填充腐木填料，填料的填充比为30～50％。
优选地，所述硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱的体积比为(6～8):(25～30):(2～4)。
根据硝化菌，反硝化菌和聚磷菌的驯化天数以及河水中氨氮，硝氮和总磷的浓度范围，设计驯化池体积比为6～8:25～30:2～4，使得硝化菌，反硝化菌和聚磷菌同时富集驯化完毕并排放。
硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱在箱体内由上至下顺次设置。
本发明还提供一种用于河道修复的功能菌剂强化富集方法，优选采用本发明装置进行，包括如下步骤：
将待处理河道底泥抽入箱体内对应的驯化箱内，所述驯化箱包括相互独立的硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱，向硝化菌驯化箱和反硝化菌驯化箱内投加不同的填料；
通过各自独立的进、出水系统将待处理河道内水体循环送入对应的驯化箱内，向不同驯化箱的每次进水中投加不同药剂，进行定向驯化；
驯化过程中控制各驯化箱内驯化温度模拟待处理河道内河水的温度；通过曝气装置调节硝化菌驯化箱和聚磷菌驯化箱内的溶氧浓度。
本发明中将湖泊等污染水域底泥抽入驯化装置中分别对硝化菌、反硝化菌、聚磷菌进行富集驯化，在驯化过程中，所用驯化底泥和进水分别使用原河流底泥和污染原水，针对硝化菌、反硝化菌和聚磷菌的不同生长繁殖条件和作用位置投加不同药剂和填料，对三种菌分别进行定向强化驯化，进行驯化温度模拟河水的常年温度，当富集驯化完毕，固定形成生物膜后，再次投放入污染水域原水中。
挂膜是生物膜处理系统中膜状微生物的培养和驯化过程，使具有除污能力且有生物活性的微生物污泥在水处理系统中填料上固着生长的过程。菌群挂膜程度直接影响着生物膜反应器运行性能的稳定及优劣。本发明通过针对不同菌种使用不同载体填料，优化水质微生物降解效果。
优选地，所述硝化菌驯化箱内的定向驯化过程为：底泥和填料混合加入驯化箱后，装置启动进行进水—曝气—静置—排水过程，每天运行1周期；重复驯化3～5d后，再每天运行2周期运行至10～15d(即每天运行2周期的驯化时间为5～12天)，驯化完成。
第二驯化阶段即每天运行2周期内，运行至观察到载体内部形成蜂窝状薄膜结构，且去除硝酸盐氮占去除总氨氮的80～90％时，挂膜结束，挂膜结束后将填料投放入污染水域(即待处理河道内)。
优选地，所述硝化菌驯化箱内的载体为密度为0.80～1.10g/cm3、吸附氨氮的改性沸石填料，所述药剂为NH4Cl溶液，驯化过程中所述硝化菌驯化箱内温度为10～15℃，采用间歇式曝气。
NH4Cl溶液的浓度和投加量以NH4Cl在每次进水中的终浓度为30～40mg/L进行配置和计算；采用间歇式曝气，溶解氧浓度控制在2.0mg/L以上(一般为2.0mg/L～4.0mg/L)。
硝化菌驯化箱内驯化期间控制pH为8～10，利用H2SO4和Na2CO3调节pH，每隔1d测定溶解氧浓度和pH。
对于硝化菌的驯化，进一步优选，采用SBR(间歇式曝气)反应，填料选择密度为0.96g/cm3的有机悬浮填料，进水时加入NH4Cl终浓度浓度为30mg/L的NH4Cl溶液定向驯化，驯化期间控制pH为9；
进一步优选，反应器启动后进行进水20～40min，曝气18～22h，静置0.8～1.2h，排水20～40min，每天运行1周期；重复驯化7d后，改为每天2周期运行，进水20～40min，曝气8～12h，静置0.8～1.2h，排水20～40min。
更进一步优选，反应器启动后进行进水30min，曝气20h，静置1h，排水30min，每天运行1周期；重复驯化7d后，改为每天2周期运行，进水30min，曝气10h，静置1h，排水30min。
进一步优选，当观察到载体内部形成蜂窝状薄膜结构，并且去除硝酸盐氮占去除总氨氮的80％时，挂膜结束，将填料投放入污染水域。
优选地，所述反硝化菌驯化箱内的定向驯化过程为：
底泥和填料加入驯化箱后，装置启动，控制驯化箱内的水力停留时间为14～20h运行5～7d，再控制驯化箱内的水力停留时间为7～10h，运行至出口硝氮去除率达到70％～80％时，驯化结束将填料投入污染水域(即待处理河道内)。
运行过程中测试出口硝氮浓度，水力停留时间为7～10h运行至6～8d(即HRT为7～10h的驯化时间为1～3天)，挂膜结束，将填料投放入污染水域。
优选地，所述反硝化菌驯化箱内载体为密度围0.50～0.89g/cm3的腐木填料(同时作为缓释碳源)，药剂为KNO3溶液，驯化过程中温度为10～15℃，采用序批式厌氧驯化，溶解氧浓度0～0.1mg/L。
KNO3溶液的浓度和投加量以KNO3在每次进水中的终浓度为20～30mg/L进行配置和计算。
反硝化菌驯化箱内驯化期间控制pH为6～8。
对于反硝化菌的驯化，进一步优选，采用序批式厌氧驯化，控制溶解氧浓度小于0.1mg/L，填料选择密度为2.12g/cm3的陶粒填料，进水时以甲醇作为有机碳源，加入KNO3终浓度为30mg/L的KNO3溶液定向驯化，控制pH为7。
进一步优选，反应器启动以后，进水20～40min，厌氧反应18～20h，静置0.8～1.2h，排水20～40min；运行5d后，进水20～40min，厌氧反应8～10h，静置0.8～1.2h，排水20～40min。
更进一步优选，反应器启动以后，进水30min，厌氧反应19h，静置1h，排水30min；运行5d后，进水30min，厌氧反应9h，静置1h，排水30min；
更进一步优选，当观察到载体填料表明形成蜂窝状薄膜结构，硝氮去除率达到70％时，挂膜结束，将填料投放入污染水域。
对于聚磷菌的驯化：
聚磷菌驯化箱内，底泥投加至驯化箱后，装置启动进行进水—厌氧—好氧—沉淀—排水过程，每个周期运行总时间为10～12h，聚磷菌驯化箱内驯化分为两个阶段：第一阶段进水中添加终浓度为30～50mg/L的PO4 3--P和终浓度为200～300mg/L的COD强化驯化，此阶段不排泥；当驯化至15～20d后，第二阶段进水中添加终浓度为10～20mg/L的PO4 3--P，进行排泥，使污泥停留时间控制在8～12d，运行至30～40d后，当好氧阶段总磷去除率达到70％～80％，并经过厌氧释磷过程，驯化完成，将污泥排入污染水域中(即待处理河道内)，驯化过程中温度控制为10～15℃。
聚磷菌驯化箱内驯化期间控制pH为7～9；聚磷菌驯化箱内采用间歇式曝气，溶解氧浓度控制为在2.0mg/L以上。
对于聚磷菌的驯化，进一步优选，采用厌氧/好氧反应器驯化，反应器运行周期为12h(进水30min，厌氧反应3h，好氧反应7h，静置1h，排水30min)，控制pH为8；更进一步优选，驯化分为两个阶段，第一阶段进水中添加终浓度为40mg/L的PO4 3--P和终浓度为300mg/L的COD强化驯化，此阶段不排泥；当驯化至30d后，第二阶段进水中加入终浓度为20mg/LPO4 3--P，进行排泥，使SRT(污泥停留时间)控制在10d。
更进一步优选，当总磷去除率达到75％时，经过厌氧释磷过程后，可将污泥排入污染水域。
优选地，各驯化箱内的温度通过与各驯化箱连接的冷却控温装置控制，冷却控温装置本身可采用现有技术实现。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
目前很多关于菌种驯化的发明都是在常温条件下(25～30℃)进行的，但是实际河水温度常年保持在10～15℃左右，所以这类常温条件下的微生物富集方法是存在缺陷的。本发明通过在低温条件下各类菌群进行富集驯化，对于水体修复的实际工程应用具有重要的参考意义，
目前比较常见的水体微生物修复是通过模拟废水或者污水厂污泥进行菌种驯化然后异位投放，本发明使用污染水域底泥作为初始驯化底料，相较于异位驯化菌剂投放的优势在于使用污染水域底泥驯化所得的菌剂能够更好的适应该区域的污染状况，菌种存活时间长、存活率高，脱氮除磷效果也较为优异。
CN103626302A公开了一种脱氮除磷菌种在线提取培养及驯化的污水处理方法，然而硝化菌，反硝化菌，聚磷菌生长繁殖所需的温度，pH，所需营养条件等具有较大的差异，混合驯化存在着一定的缺陷。本发明通过根据不同菌种的生长繁殖条件分别定向驯化，使硝化菌，反硝化菌，聚磷菌都达到较为理想的富集状态。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中所示附图标记如下：
1、硝化菌驯化箱；2、聚磷菌驯化箱；3、反硝化菌驯化箱；
4、硝化菌曝气头；5、聚磷菌曝气头2；6、硝化菌曝气机；
7、聚磷菌曝气机；8、硝化菌曝气机控制器；9、聚磷菌曝气机控制器；
10、硝化菌进水阀门；11、聚磷菌进水阀门；12、反硝化菌进水阀门；
13、进水总管；14、进水泵；15、出水总管；
16、硝化菌出水阀门；17、聚磷菌出水阀门；18、反硝化菌出水阀门；
19、冷却控温装置。
具体实施方式
如图1所示，一种功能菌剂富集装置，包括箱体、进出水系统、曝气系统和温控系统。
箱体内由上至下分隔为三个相互独立的箱体，由上至下依次为硝化菌驯化箱1、聚磷菌驯化箱2和反硝化菌驯化箱3。
三个驯化箱独立控制进出水，进水系统包括进水总管13、进水泵14、三根进水支管和进水阀，进水泵入口通过进水总管连接河道水体，进水泵出口通过三通连接件连接三根进水支管的入口，三根进水支管的出口分别与对应的驯化箱连通，三根进水支管上分别设置进水阀(硝化菌进水阀10、聚磷菌进水阀11和反硝化进水阀12)。出水系统包括出水总管15和三根出水支管，三根出水支管入口分别连通对应驯化箱、出口通过三通连接件汇总与出水总管，通过出水总管连接至河道水体中，三根出水支管上分别设置出水阀(硝化菌出水阀16、聚磷菌出水阀17和反硝化菌出水阀18)。
曝气系统设置为两套，其中一套为硝化菌驯化箱1设置，包括设置在硝化菌驯化箱内的硝化菌曝气头4、设置在驯化箱外与硝化菌曝气头4连接的硝化菌曝气机6和与硝化菌曝气机6连接的硝化菌曝气机控制器8；另一套为聚磷菌驯化箱设置，包括设置在聚磷菌驯化箱2内的聚磷菌曝气头5、设置在驯化箱外与聚磷菌曝气头连接的聚磷菌曝气机7及与聚磷菌曝气机7连接的聚磷菌曝气机控制器9。
温度控制系统采用冷却控温装置19，该冷却控温装置本身为现有技术，本实施方式中，冷却控温装置主要由制冷装置、温度显示器和温度信号接口组成。启动制冷装置后手动调节驯化箱内温度，温度信号接口实时反馈箱内温度于显示器上。
采用本发明装置驯化富集菌体的运行方式如下：
对于硝化菌的驯化，温度用冷却装置控制在10～15℃，采用SBR(间歇式曝气)反应，载体填料选择为密度0.80～1.10g/cm3可吸附氨氮的改性沸石填料，进水时加入NH4Cl溶液(NH4Cl在进水中终浓度为30～40mg/L)定向驯化。
将底泥和载体混合加入反应器，反应器启动后进行进水—曝气—静置—排水过程，并测试出口氨氮浓度，每天运行1周期；重复驯化3～5d后，改为每天2周期运行，运行至10～15d后，当观察到载体内部形成蜂窝状薄膜结构，且去除的硝酸盐氮占去除总氨氮的80～90％时，挂膜结束，将填料投放入污染水域。
对于反硝化菌的驯化，温度用冷却装置控制在10～15℃，采用序批式厌氧驯化，控制溶解氧浓度0～0.1mg/L，载体填料选择为密度0.50～0.89g/cm3的腐木填料(同时作为缓释碳源)，进水中加入KNO3溶液(KNO3在进水中终浓度为20～30mg/L)定向驯化。
将底泥和载体混合加入反应器，反应器启动后，控制HRT(水力停留时间)14～20h，测试出口硝氮浓度；运行5～7d后，缩短HRT至7～10h，运行至6～8d后，当硝氮去除率达到70％～80％时，挂膜结束，将填料投放入污染水域。
对于聚磷菌的驯化，温度用冷却装置控制在10～15℃，采用厌氧/好氧反应器驯化，进水时加入KH2PO4溶液(KH2PO4在进水中的终浓度为10～50mg/L)定向驯化。
反应器运行周期为12h(进水—厌氧—好氧—沉淀—排水)。厌氧/好氧反应器驯化分为两个阶段，第一阶段进水中添加终浓度为30～50mg/L的PO4 3-P和终浓度为200～300mg/L的COD强化驯化，此阶段不排泥；当驯化至15～20d后，第二阶段进水中PO4 3--P终浓度为10～20mg/L，进行排泥，使SRT(污泥停留时间)控制在8～12d。运行至30～40d后，当好氧阶段总磷去除率达到70％～80％，并经过厌氧释磷过程，驯化完成，将污泥排入污染水域中。
实施例1
驯化方法如下：
试验时控制驯化装置温度为10℃，驯化装置内厌氧条件控制溶解氧浓度小于0.1mg/L；好氧条件控制溶解氧浓度大于2.0mg/L。
具体处理如下：
抽取污染水域底泥作为驯化底料，进入驯化箱中。
(1)硝化菌驯化：加入改性沸石填料和NH4Cl终浓度为30mg/LNH4Cl溶液，反应器启动后进行进水30min，曝气20h，静置1h，排泥30min，每天运行1周期；重复驯化7d后，改为每天2周期运行，进水30min，曝气10h，静置1h，排泥30min。每天测定硝酸盐氮浓度，当硝酸盐氮占去除氨氮的80％及以上时，驯化结束，将填料投放入污染水域。
(2)反硝化菌驯化：以腐木作为载体填料，同时作为缓释碳源，加入KNO3终浓度为30mg/L的KNO3溶液，反应器启动以后，进水30min，厌氧反应19h，静置1h，排泥30min；运行5d后，进水30min，厌氧反应9h，静置1h，排泥30min。每天测定NO3--N浓度，并计算硝氮去除率，当硝氮去除率在70％及以上时，驯化结束，将填料投放入污染水域。
(3)聚磷菌驯化：反应器启动以后，进水30min，厌氧反应3h，好氧反应7h，静置1h，排泥30min。第一阶段进水中添加终浓度为40mg/L的PO4 3-，COD300mg/L强化驯化，此阶段不排泥；当驯化至30d后，第二阶段进水中PO4 3--P终浓度为20mg/L，每周期进行排泥。每天在好氧阶段结束后采集出水水样1次，测定TP浓度，并计算总磷去除率，当TP去除率在65％及以上时，挂膜成功，再厌氧反应3h后，驯化结束，将填料投放入污染水域。
以上所述仅为本发明专利的具体实施案例，但本发明专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (10)

1.一种用于河道修复的功能菌剂强化富集装置，其特征在于，包括：
箱体，所述箱体内分隔为相互独立的硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱；
分别连接至所述硝化菌驯化箱和聚磷菌驯化箱内的曝气装置；
所述硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱独立配置的进、出水系统；
以及与所述箱体连接用于控制所述硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱内温度的冷却控温装置。
2.根据权利要求1所述功能菌剂强化富集装置，其特征在于，所述曝气装置包括顺次连接的曝气机控制器、曝气机和曝气头，所述曝气头设于对应驯化箱内。
3.根据权利要求1所述功能菌剂强化富集装置，其特征在于，所述硝化菌驯化箱填充改性沸石填料，填料的填充比为30～50％；所述反硝化菌驯化箱内均填充腐木填料，填料的填充比为30～50％。
4.根据权利要求1所述功能菌剂强化富集装置，其特征在于，所述硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱的体积比为(6～8):(25～30):(2～4)。
5.一种用于河道修复的功能菌剂强化富集方法，其特征在于，包括如下步骤：
将待处理河道底泥抽入箱体内对应的驯化箱内，所述驯化箱包括相互独立的硝化菌驯化箱、聚磷菌驯化箱和反硝化菌驯化箱，向硝化菌驯化箱和反硝化菌驯化箱内投加不同的填料；
通过各自独立的进、出水系统将待处理河道内水体循环送入对应的驯化箱内，向不同驯化箱的每次进水中投加不同药剂，进行定向驯化；
驯化过程中控制各驯化箱内驯化温度模拟待处理河道内河水的温度；通过曝气装置调节硝化菌驯化箱和聚磷菌驯化箱内的溶氧浓度。
6.根据权利要求5所述功能菌剂强化富集方法，其特征在于，所述硝化菌驯化箱内的定向驯化过程为：底泥和填料混合加入驯化箱后，装置启动进行进水—曝气—静置—排水过程，每天运行1周期；重复驯化3～5d后，再每天运行2周期运行至10～15d，驯化完成将填料投放入待处理河道内。
7.根据权利要求5所述功能菌剂强化富集方法，其特征在于，所述硝化菌驯化箱内的载体为密度为0.80～1.10g/cm3、吸附氨氮的改性沸石填料，所述药剂为NH4Cl溶液，驯化过程中所述硝化菌驯化箱内温度为10～15℃，采用间歇式曝气。
8.根据权利要求5所述功能菌剂强化富集方法，其特征在于，所述反硝化菌驯化箱内的定向驯化过程为：底泥和填料加入驯化箱后，装置启动，控制驯化箱内的水力停留时间为14～20h运行5～7d，再控制驯化箱内的水力停留时间为7～10h，运行至出口硝氮去除率达到70％～80％时，驯化结束将填料投入待处理河道内。
9.根据权利要求5所述功能菌剂强化富集方法，其特征在于，所述反硝化菌驯化箱内载体为密度为0.50～0.89g/cm3的腐木填料，药剂为KNO3溶液，驯化过程中温度为10～15℃，采用序批式厌氧驯化，溶解氧浓度0～0.1mg/L。
10.根据权利要求5所述功能菌剂强化富集方法，其特征在于，所述聚磷菌驯化箱内，底泥投加至驯化箱后，装置启动进行进水—厌氧—好氧—沉淀—排水过程，每个周期运行总时间为10～12h，聚磷菌驯化箱内驯化分为两个阶段：第一阶段进水中添加终浓度为30～50mg/L的PO4 3--P和终浓度为200～300mg/L的COD强化驯化，此阶段不排泥；当驯化至15～20d后，第二阶段进水中添加终浓度为10～20mg/L的PO4 3--P，进行排泥，使污泥停留时间控制在8～12d，运行至30～40d后，当好氧阶段总磷去除率达到70％～80％，并经过厌氧释磷过程，驯化完成，将污泥排入待处理河道内，驯化过程中温度控制为10～15℃。
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