CN107381777B - 一种钙离子调控生物膜法处理低c/n比废水快速挂膜的方法 - Google Patents

一种钙离子调控生物膜法处理低c/n比废水快速挂膜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的方法，属于生物膜法污水处理领域。其技术方案包括：(1)对低C/N比废水的BOD5/TN进行测定；(2)测定低C/N比废水中溶解性物质多糖浓度以及盐度；(3)对生物膜法处理该低C/N比废水所使用填料载体进行接触角的测定；(4)根据相关测定值选择合适的调控方案；(5)运行生物膜反应器，每日投加一定量的鼠李糖脂和氯化钙于低C/N比废水中，直至挂膜完成。本发明利用钙离子与低C/N比废水中污染物质发生络合，加速废水中溶解性物质和微生物在填料上附着和定殖，从而提高挂膜效果。

Description

一种钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的方法
技术领域
本发明属于生物膜法污水处理技术领域，具体涉及一种钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的方法。
背景技术
低C/N比废水具有来源广、污染严重、传统的生物脱氮工艺对其处理效果差等特点，已成为目前水污染治理的重点和难点。在低C/N比废水处理过程中，由于碳源不足，微生物的反硝化过程受到抑制，导致脱氮、除磷效果不理想，从而影响整个工艺的处理效果，因此在处理此类废水时需投加碳源。然而，投加碳源不仅增加了处理费用，且会排出CO2气体污染环境，当C/N比低于完全反硝化所需的最小值时，亚硝态氮将会积累，发生不完全硝化，降低脱氮效果；而实际 C/N比过高时，会抑制硝化过程，导致出水有机物含量升高，影响出水水质。生物膜法因其具有微生物种类多样化，微生物食物链长，污泥产量低，抗冲击负荷能力强等优势，有望成为低C/N比废水处理的有效方法。而在生物膜法处理低 C/N比废水过程中，填料挂膜缓慢导致工艺启动时间长、处理效果难达预期，是限制其高效稳定运行的关键技术难题。因此，针对生物膜法处理低碳氮比废水，开发经济有效、稳定可行而又挂膜迅速的处理方法具有重要的意义。近年来的研究表明，钙离子在一定程度上影响着生物膜的结构、机械性能和所形成的厚度等方面，可作为一种潜在的调控生物膜形成的手段。
中国发明专利《一种移动床生物膜反应器中载体填料的挂膜方法》(公开号05565480A)通过对移动床生物膜反应器同时进行排水和补充离交废水，进行动态培养，并回流活性污泥，该方法需要监控污泥浓度，操作不便。中国发明专利《一种废水生物膜快速挂膜装置及方法》(公开号106430560A)通过在填料上固定红色鞘氨醇单胞菌以加快挂膜，但该方法所固定的菌株在反应器中的适应性受到诸多因素的影响，不易控制。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的方法，可以加速废水中溶解性物质和微生物在填料上附着和定殖，从而提高挂膜效果。
本发明的技术方案如下：
一种钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的方法，包括如下步骤：
步骤一：对低C/N比废水的BOD5/TN进行测定；
步骤二：测定低C/N比废水中溶解性物质多糖浓度以及盐度；
步骤三：对生物膜法处理该低C/N比废水所使用填料载体进行接触角的测定；
步骤四：根据相关测定值选择合适的调控方案；
步骤五：根据相应的调控方案，运行生物膜反应器，每日投加一定量的鼠李糖脂和氯化钙于低C/N比废水中，直至挂膜完成。
其原理在于钙离子作为一种二价阳离子，可通过电中和作用、加强压缩双电层作用、降低静电斥力和减少电子给体数等方式影响生物膜的初期形成过程——即废水中的溶解性物质在载体表面的粘附；同时，二价阳离子作为生物膜的组成成分，占据生物膜的特定位置发生特定的化学作用，从而改变生物膜的粘附性质；此外，钙离子还通过联结不同种类微生物的eDNA从而促进细胞团聚和生物膜的快速形成，并且钙离子通过静电作用加强细胞膜的整体性，从而促进细胞生长和胞间粘附力。
进一步的，在上述方案中，步骤一中所述BOD5采用五日培养法进行测定， TN采用紫外分光光度法进行测定。
进一步的，在上述方案中，步骤二中所述多糖为低C/N比废水中溶解性有机物所含多糖，采用硫酚法进行测定。
进一步的，在上述方案中，步骤二中所述盐度采用盐度计或电导率测定后进行转换。
进一步的，在上述方案中，步骤三中所述纯水在填料表面接触角采用接触角仪于室温(25±1℃)下测定，每个样品至少在填料表面5个不同的地方测定，结果取平均值。
进一步的，在上述方案中，步骤四中所述的调控方案为：当废水BOD5/TN<2.5，废水中溶解性物质多糖含量较高(即浓度不低于50mg/L)，盐度较高(即浓度不低于10g/L)，且填料为疏水性填料(即纯水接触角值大于90°)时，向低C/N 比废水中投加钙离子浓度应不小于300mg/L，同时每日需投加20-50mg/L的鼠李糖脂；当废水BOD5/TN>2.5，废水中溶解性物质多糖含量浓度低于30mg/L，盐度低于10g/L，且填料为疏水性填料的纯水接触角小于90°时，向低C/N比废水中投加钙离子浓度应为100-300mg/L，同时每日需投加20-50mg/L的鼠李糖脂。
进一步的，在上述方案中，步骤五中所述的生物膜反应器为应用于市政污水、工业废水、微污染水源水等污废水处理的连续流生物膜法处理单元，其类型包括好氧和缺氧。
更进一步的，所述的生物膜反应器主要包括内筒、外筒、S形搅拌叶片、阳极棒、齿板电极和石墨毡，所述内筒和外筒为一体结构，内筒的内部为好氧反应区，所述好氧反应区内设有好氧生物填料球，内筒的底部设有好氧排泥口，外筒与内筒之间的区域为缺氧反应区，所述缺氧反应区内设有兼性厌氧生物填料球，外筒的底部设有缺氧排泥口，所述S形搅拌叶片共-组，并通过中空转轴串为一体，所述中空转轴连接在内筒的纵轴中心位置，中空转轴的顶端连有电机，中空转轴的侧壁上设有曝气孔，中空转轴的上端侧壁通过导气管连有空压机，所述阳极棒有两个，分别位于S形搅拌叶片的圆弧中心位置，两个所述阳极棒的顶端通过导电构件连接，所述导电构件与中空转轴固定连接，导电构件与外接电源的正极相连，所述齿板电极为倒U形结构，若干个齿板电极从上至下插套在内筒壁上并等间距围成一圈，齿板电极的顶端通过防水导线串联，所述防水导线与外接电源的负极相连，所述石墨毡固定在外筒的内壁上，石墨毡通过导线与外接电源的阳极相连，低C/N比的废水一般通过简单的生物膜法处理效果欠佳，通过电极- 生物膜法能显著提高污水的处理效率，其中，本生物膜反应器好氧和缺氧一体化且都具有电极和生物处理的功能，可提高废水挂膜速率和COD、NH4 +-N的去除率。
更进一步的，所述外筒的左下方设有原水进水口，右上方设有处理出水口，所述内筒的右侧的下部设有处理进水口，中部设有取样出水口，上部设有净水出水口，所述处理出水口与处理进水口用过软管相连，所述软管上设有水泵，外筒的上方设有密封盖，所述密封盖的顶端设有排气孔。
进一步的，在上述方案中，步骤五中所述的鼠李糖脂为单鼠李糖脂和双鼠李糖脂的混合结构，工业级，浓度25％左右。
进一步的，步骤五中所述挂膜启动完成的标志为COD和NH4 +-N的去除率分别稳定达到80-90％和60-70％，填料表面形成土黄色生物膜，主要以原生动物以及后生动物为主，此时停止反应器的运行，完成挂膜。
与现有技术相比，本发明具有如下显著效果：
(1)本发明通过调控钙离子的投加量，促进了废水中溶解性物质在填料表面的初始粘附，为后续微生物的沉积与聚集创造更为有利的条件，同时钙离子通过静电作用加强细胞膜的整体性，从而促进细胞生长和胞间粘附力而增强了微生物的附着和定殖作用，因此提高了微生物挂膜效率；
(2)与现有技术相比，本发明通过对低C/N比废水相关水质指标进行测定，并对所采用的生物膜填料的亲疏水性做出判断，提出了钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的选择性方案，便于对不同低C/N比废水采取相应的处理方案；
(3)本发明与常规挂膜方法相比启动时间可缩短5-8天，操作简便，实用性强，是一种适用于调控连续流生物膜反应器处理低C/N比废水快速成膜的方法，其中，本发明的生物膜反应器好氧和缺氧一体化，且都具有电极和生物处理的功能，可提高废水挂膜速率和COD、NH4 +-N的去除率。
附图说明
图1是本发明的流程框图；
图2是本发明实施例2的生物膜反应器的整体结构示意图。
其中，1-内筒、10-好氧生物填料球、11-好氧排泥口、12-处理进水口、13- 取样出水口、14-净水出水口、15-软管、16-水泵、17-密封盖、18-排气孔、2- 外筒、20-兼性厌氧生物填料球、21-缺氧排泥口、22-原水进水口、23-处理出水口、3-S形搅拌叶片、4-阳极棒、41-导电构件、5-齿板电极、6-石墨毡、7-中空转轴、70-电机、71-曝气孔、72-空压机、8-外接电源。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
本实施例是关于连续流移动床生物膜反应器法(MBBR)处理BOD5/TN比值为 1-2.5的高盐度废水处理中有机填料的快速成膜方法。
废水水质：BOD5浓度为200mg/L、TN浓度为100mg/L、盐度为12g/L、废水中溶解性多糖浓度为60mg/L。悬浮填料采用聚苯乙烯材质，其纯水接触角为99.8 ±2.23°，表现出疏水性的特点，其形状为空心圆柱，内部为支架支撑结构，外部有齿轮。填料的外径和高度分别为25mm和10mm，密度约为0.95g/cm3，其有效比表面积约为460m2/m3。
根据水质及填料材质条件，选定添加高浓度钙离子(800mg/L)并辅以一定浓度的鼠李糖脂(50mg/L)的处理方案，同时以不添加钙离子和添加低浓度钙离子(200mg/L)的处理方案作为对照。
其快速成膜方法是：
(1)将取自市政污水处理厂好氧池浓度为3g/L的污泥加入MBBR反应器，曝气24h后将接种污泥全部排出，进原水开始挂膜；
(2)在控制组反应器中投加一定浓度的氯化钙于低C/N比模拟废水中以控制钙离子浓度，所述钙离子浓度控制为800mg/L，氯化钙投加量为2220mg/L，投加方式是随废水每日直接投加；在对照组中不投加氯化钙或控制钙离子浓度为 200mg/L；
(3)在控制组和对照组中均投加一定浓度的鼠李糖脂于低C/N比模拟废水中，鼠李糖脂的投加量为50mg/L，投加方式是随废水每日直接投加；
(4)控制体系内pH7.0-8.0、水温18-22℃，水力停留时间(HRT)为12h，溶解氧浓度(DO)控制在3-5mg/L，填料的填充比为30％；
(5)待投加高浓度钙离子的反应器COD、NH4 +-N的去除率分别达到85％和72％并保持稳定时，表明挂膜成熟，即停止反应器的运行。同时对照组不加钙离子的反应器COD、NH4 +-N的去除率分别达到77％和65％，投加低浓度钙离子的反应器 COD、NH4 +-N的去除率分别达到82％和68％并均保持稳定时，表明挂膜成熟，即停止反应器的运行。
结果表明，投加高浓度钙离子的反应器不仅在COD、NH4 +-N的去除率上优于对照组，且其挂膜启动时间较对照组分别缩短了5天和4天。
实施例2
本实施例是关于连续流生物膜反应器法处理BOD5/TN比值为2.5-5的低盐度废水处理中有机填料的快速成膜方法。
废水水质：BOD5浓度为500mg/L、TN浓度为150mg/L、盐度为500mg/L、废水中溶解性多糖浓度为10mg/L。悬浮填料采用聚丙烯材质，其纯水接触角为68.5 ±1.52°，表现出亲水性的特点，其形状为球形，分内外双层球体，外部为中空鱼网状球体，内部为旋转球体。
根据水质及填料材质条件，选定添加低浓度钙离子(100mg/L)并辅以一定浓度的鼠李糖脂(20mg/L)的处理方案，同时以不添加钙离子和添加高浓度钙离子(800mg/L)的处理方案作为对照，其中，控制组反应器使用所述生物膜反应器，对照组使用传统MBBR反应器。
如图2所示，生物膜反应器主要包括内筒1、外筒2、S形搅拌叶片3、阳极棒4、齿板电极5和石墨毡6，所述内筒1和外筒2为一体结构，内筒1的内部为好氧反应区，所述好氧反应区内设有好氧生物填料球10，内筒1的底部设有好氧排泥口11，所述内筒1的右侧的下部设有处理进水口12，中部设有取样出水口13，上部设有净水出水口14，所述处理出水口22与处理进水口12用过软管15相连，所述软管15上设有水泵16，外筒1的上方设有密封盖17，所述密封盖17的顶端设有排气孔18。外筒2与内筒1之间的区域为缺氧反应区，所述缺氧反应区内设有兼性厌氧生物填料球20，外筒2的底部设有缺氧排泥口21，所述外筒2的左下方设有原水进水口22，右上方设有处理出水口23，所述S形搅拌叶片3共5组，并通过中空转轴7串为一体，所述中空转轴7连接在内筒1 的纵轴中心位置，中空转轴7的顶端连有电机70，中空转轴7的侧壁上设有曝气孔71，中空转轴7的上端侧壁通过导气管连有空压机72，所述阳极棒4有两个，分别位于S形搅拌叶片3的圆弧中心位置，两个所述阳极棒4的顶端通过导电构件41连接，所述导电构件41与中空转轴7固定连接，导电构件41与外接电源8的正极相连，所述齿板电极5为倒U形结构，15个齿板电极5从上至下插套在内筒1壁上并等间距围成一圈，齿板电极5的顶端通过防水导线串联，所述防水导线与外接电源8的负极相连，所述石墨毡6固定在外筒2的内壁上，石墨毡6通过导线与外接电源8的阳极相连。
其快速成膜方法是：
(1)将取自市政污水处理厂好氧池浓度为3g/L的污泥分别加入生物膜反应器和MBBR反应器，曝气24h后将接种污泥全部排出，进原水开始挂膜；
(2)在控制组生物膜反应器中投加一定浓度的氯化钙于低C/N比模拟废水中以控制钙离子浓度，所述钙离子浓度控制为100mg/L，氯化钙投加量为 277.5mg/L，投加方式是随废水每日直接投加；在对照组中不投加氯化钙或控制钙离子浓度为800mg/L；
(3)在控制组和对照组中均投加一定浓度的鼠李糖脂于低C/N比模拟废水中，鼠李糖脂的投加量为20mg/L，投加方式是随废水每日直接投加；
(4)控制体系内pH7.0-8.0、水温18-22℃，水力停留时间(HRT)为12h，溶解氧浓度(DO)控制在3-5mg/L，填料的填充比为30％；
(5)待COD、、NH4 +-N的去除率达到88％和76％并保持稳定时，表明挂膜成熟，即停止反应器的运行。同时对照组不加钙离子的反应器COD、NH4 +-N的去除率分别达到78％和69％，投加高浓度钙离子的反应器COD、NH4 +-N的去除率分别达到 75％和68％并均保持稳定时，表明挂膜成熟，即停止反应器的运行。
结果表明，投加低浓度钙离子的反应器不仅在COD、NH4 +-N的去除率上优于对照组，且其挂膜启动时间较对照组分别缩短了6天和7天。
实施例3
本实施例是关于曝气生物滤池(BAF)处理BOD5/TN比值为2.5-5的低盐度废水处理中有机填料的快速成膜方法。
废水水质：BOD5浓度为500mg/L、TN浓度为150mg/L、盐度为400mg/L、废水中溶解性多糖浓度为20mg/L。载体填料采用粘土陶瓷颗粒。
根据相关条件，选定添加低浓度钙离子(100mg/L)并辅以一定浓度的鼠李糖脂(30mg/L)的处理方案，同时以不添加钙离子和添加高浓度钙离子(800mg/L) 的处理方案作为对照。
其快速成膜方法是：
(1)将取自市政污水处理厂好氧池浓度为3g/L的污泥加入BAF反应器，曝气24h后将接种污泥全部排出，进原水开始挂膜；
(2)在控制组反应器中投加一定浓度的氯化钙于低C/N比模拟废水中以控制钙离子浓度，所述钙离子浓度控制为200mg/L，氯化钙投加量为555mg/L，投加方式是随废水每日直接投加；在对照组中不投加氯化钙或控制钙离子浓度为 600mg/L；
(3)在控制组和对照组中均投加一定浓度的鼠李糖脂于低C/N比模拟废水中，鼠李糖脂的投加量为30mg/L，投加方式是随废水每日直接投加；
(4)控制体系内pH7.0-8.0、水温18-22℃，水力停留时间(HRT)为12h，溶解氧浓度(DO)控制在3-5mg/L；
(5)待COD、NH4 +-N的去除率达到82％和71％并保持稳定时，表明挂膜成熟，即停止反应器的运行。同时对照组不加钙离子的反应器COD、NH4 +-N的去除率分别达到77％和66％，投加高浓度钙离子的反应器COD、NH4 +-N的去除率分别达到 76％和69％并均保持稳定时，表明挂膜成熟，即停止反应器的运行。
结果表明，投加低浓度钙离子的反应器不仅在COD、NH4 +-N的去除率上优于对照组，且其挂膜启动时间较对照组分别缩短了4天和5天。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：测定低C/N比废水的BOD5/TN；
步骤二：测定低C/N比废水中溶解性物质多糖浓度以及盐度；
步骤三：对生物膜法处理该低C/N比废水所使用填料载体进行接触角的测定；
步骤四：根据相关测定值选择合适的调控方案；
步骤五：根据相应的调控方案，运行连续流生物膜反应器，每日投加一定量的鼠李糖脂和氯化钙于低C/N比废水中，直至挂膜完成；
所述的调控方案为：
(1)当废水BOD5/TN<2.5，废水中溶解性物质多糖含量浓度不低于30mg/L，盐度不低于10g/L，且填料为疏水性填料的纯水接触角值大于90°时，向低C/N比废水中投加钙离子浓度应为500-800mg/L，同时每日需投加20-50mg/L的鼠李糖脂；
(2)当废水BOD5/TN>2.5，废水中溶解性物质多糖含量浓度低于30mg/L，盐度低于10g/L，且填料为疏水性填料的纯水接触角小于90°时，向低C/N比废水中投加钙离子浓度应为100-300mg/L，同时每日需投加20-50mg/L的鼠李糖脂。
2.如权利要求1所述的一种钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的方法，其特征在于，步骤五中所述的生物膜反应器为应用于污废水处理的连续流生物膜法处理单元，其类型包括好氧和缺氧。
3.如权利要求1-2任意一项所述的一种钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的方法，其特征在于，所述的生物膜反应器主要包括内筒(1)、外筒(2)、S形搅拌叶片(3)、阳极棒(4)、齿板电极(5)和石墨毡(6)，所述内筒(1)和外筒(2)为一体结构，内筒(1)的内部为好氧反应区，所述好氧反应区内设有好氧生物填料球(10)，内筒(1)的底部设有好氧排泥口(11)，外筒(2)与内筒(1)之间的区域为缺氧反应区，所述缺氧反应区内设有兼性厌氧生物填料球(20)，外筒(2)的底部设有缺氧排泥口(21)，所述S形搅拌叶片(3)共1-5组，并通过中空转轴(7)串为一体，所述中空转轴(7)连接在内筒(1)的纵轴中心位置，中空转轴(7)的顶端连有电机(70)，中空转轴(7)的侧壁上设有曝气孔(71)，中空转轴(7)的上端侧壁通过导气管连有空压机(72)，所述阳极棒(4)有两个，分别位于S形搅拌叶片(3)的圆弧中心位置，两个所述阳极棒(4)的顶端通过导电构件(41)连接，所述导电构件(41)与中空转轴(7)固定连接，导电构件(41)与外接电源(8)的正极相连，所述齿板电极(5)为倒U形结构，若干个齿板电极(5)从上至下插套在内筒(1)壁上并等间距围成一圈，齿板电极(5)的顶端通过防水导线串联，所述防水导线与外接电源(8)的负极相连，所述石墨毡(6)固定在外筒(2)的内壁上，石墨毡(6)通过导线与外接电源(8)的阳极相连。
4.如权利要求3所述的一种钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的方法，其特征在于，所述外筒(2)的左下方设有原水进水口(22)，右上方设有处理出水口(23)，所述内筒(1)的右侧的下部设有处理进水口(12)，中部设有取样出水口(13)，上部设有净水出水口(14)，所述处理出水口(22)与处理进水口(12)用过软管(15)相连，所述软管(15)上设有水泵(16)，外筒(2)的上方设有密封盖(17)，所述密封盖(17)的顶端设有排气孔(18)。
5.如权利要求1所述的一种钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的方法，其特征在于，步骤五中所述的鼠李糖脂为单鼠李糖脂和双鼠李糖脂的混合结构，工业级，浓度为25±1％。
6.如权利要求1所述的一种钙离子调控生物膜法处理低C/N比废水快速挂膜的方法，其特征在于，步骤五中所述挂膜启动完成的标志为COD和NH4 +-N的去除率分别稳定达到80-90％和60-70％，填料表面形成土黄色生物膜，主要以原生动物以及后生动物为主，此时停止所述生物膜反应器的运行，完成挂膜。
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