CN109019876A - 一种用于污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料及其应用 - Google Patents
一种用于污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料及其应用，所述填料由炭化污泥、聚乙烯醇、海藻酸钠、卡拉胶浓缩粉进行优化配比，与卡拉胶浓缩粉混合，以活性污泥生物炭为吸附载体，将3株低温菌与其混合后，以聚乙烯醇、海藻酸钠和卡拉胶浓缩粉为包埋载体，氯化钙为交联剂，生产出富集固定低温微生物的炭化污泥载体填料。将本发明的微生物填料应用到冬季污水的强化处理，可使水中氨氮、TN、TP和COD的去除率达到80.09~85.27%、76.24~83.67%、79.72~85.05%和85.01~90.52%之间，本发明的方法是一种节能、高效的生物强化修复技术。
Description
技术领域
本发明属于市政和环保工程技术领域，涉及一种优化污水处理的固定微生物炭化污泥载体填料及其应用，本固定化菌剂制备方法简单，再生利用污水处理厂污泥，进行低温微生物固定化，提高污水冬季处理效果，广泛适用冬季污水处理厂和河道水体的低温污水处理。
背景技术
我国城市污水处理以生物法为主，在常温下具有较高活性和降解能力的中温菌在污水处理中起主要作用。在北方地区冬季水温偏低，导致污水生物处理效果较差，出水难以达标。为使出水能达标排放，通常要采取一些措施，如加大生物量或保温，从而会导致工程投资大大增加。低温微生物作为极端微生物之一，他们利用其独特的生理功能来适应环境，所以对这类微生物的研究既具有重要的理论意义又能够产生明显的经济效益和环境效益。大量研究结果表明，投加低温菌是解决人工湿地冬季污水处理效率低的一种非常可靠有效的方法，而且具有良好的应用前景和很大的发展空间。但是，在废水处理过程中，单一菌株的生存能力较差、净化效果不稳定，水力停留时间过长。而且，由于直接投放菌体，游离微生物进入实际污染环境中后，其生存繁殖和降解能力易受外界因素干扰，降解作用难以充分发挥，还会造成大量菌体流失，难以控制它长期的处理效果。因此，多株低温微生物之间的协同作用形成一个较稳定的微生态系统，并将其固定在独立微环境中，从而有效屏蔽土著菌的竞争及外界不利因素对菌体的侵害，提高细胞生物稳定性，提高冬季污水处理能力和持续净化效果。
微生物固定化技术是20世纪60年代后期迅速发展起来的一种新型技术，它是指用物理或化学方法将游离微生物细胞、细胞器、酶或动植物细胞固定在某一特定空间范围内，使其高度聚集，并使其保留固有的活性，能在环境中连续和重复使用的技术。这种技术具有实验速度快；便于培养优势微生物种群；微生物密度高、流失量少；处理过程的稳定性高；对环境耐受力强(如pH、温度、有毒物质等)；固液分离效果好；处理过程便于控制等优点，因而在诸多废水处理中体现出了非常大的优势，并逐渐成为国内外生物科学及相关学科研究的热点。污泥缺氧加热发生热解反应，反应后固体残渣即为污泥基生物炭。污泥基生物炭作为污泥热解能量回收的副产物，由于其丰富的表面官能团和发达的孔隙结构，是一种很有潜质的廉价吸附剂。本发明以低温菌混合菌群为研究对象，利用炭化污泥为载体，研究载体对低温混合菌群的吸附包埋固定化，探索其强化冬季污水处理的可行性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种优化污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料及其应用方法，改善现有冬季低温时污水处理效率低、微生物浓度低、生物载体稳定性差的缺点。
为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：
一种用于污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料，其特征在于该载体填料为球体，由下述重量份数的原料组成：
炭化污泥25-35份，低温混合菌15-20份，6.0%的聚乙烯醇溶液25-35份，
2.0%的海藻酸钠溶液10-20份，卡拉胶浓缩粉0.5-1.0份；
所述炭化污泥指的：把污水处理厂污泥经风干破碎后过80目筛，并在氮气保护下经700℃高温炭化处理而成；
所述的低温混合菌指的是：Psychrobacter TM-1、Sphingobacterium TM-2、Pseudomonas TM-3三种低温菌，其体积比为1：1：1；
所述的6.0%的聚乙烯醇溶液指的是：6 g聚乙烯醇加入到100 mL温热去离子水中，充分搅拌溶解，配制成6.0%的聚乙烯醇溶液；
2.0%的海藻酸钠溶液指的是：2 g海藻酸钠加入到100 mL去离子水中，充分搅拌溶解，配制成2.0%的海藻酸钠溶液。
本发明进一步公开了用于污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料的制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）制备炭化污泥：将污水处理厂的活性污泥经过风干和破碎后，过80目筛，将过筛后的污泥在氮气保护下经700℃高温炭化3 h，经冷却至室温后，用1:4盐酸处理去除碳酸钙灰分物质制成炭化污泥；
（2）制备微生物菌悬液：将3种低温菌PsychrobacterTM-1、SphingobacteriumTM-2、Pseudomonas TM-3在震荡器，温度调至6℃中培养至对数生长期，吸光度为1.2~1.6，细菌个数大为4.575 × 108个•mL-1后，于离心机1200 r·min-1下离心10 min，弃去上清液，用生理盐水稀释后再离心，如此反复三次，以去除培养基成分，最后用生理盐水调节3种菌株的吸光度为1.2，按体积比为1:1:1比例混合，备用；
（3）制备球体载体填料：将步骤（2）制备的微生物菌悬液与乳化剂浓缩粉和卡拉胶浓缩粉混合，并以聚乙烯醇和海藻酸钠共同作用为包埋载体，全部溶解后加入炭化污泥载体，搅拌均匀至充分混合，并用交联剂将炭化污泥球体与菌悬液通过交联剂交联24 h，生产出富集固定低温微生物的炭化污泥载体填料球体；
所述的交联剂指的是：5.0% CaCl2饱和硼酸溶液，即5.74g 硼酸溶于100ml 去离子水，再加5g 氯化钙，充分搅拌混匀。
本发明更进一步公开了用于污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料在用于冬季生活污水和河道水体的强化处理方面的应用。其中所述的冬季生活污水和河道水体的强化处理指的是：低温水体中氨氮、TN、TP和COD的去除率。实验结果显示：所述的污泥载体填料（球体）应用到冬季低温生活污水和河道水体治理中，可以使低温水体（水温6 ~ 8℃）中氨氮去除率达到80.09 ~ 85.27%，TN去除率达到76.24 ~ 83.67%，TP去除率维持在79.72 ~ 85.05%，COD去除率维持在85.01 ~ 90.52%之间。
本发明微生物炭化污泥载体填料更加详细的描述如下：
微生物炭化污泥载体填料采用的基本配方如下：
本低温微生物炭化污泥载体填料的炭化污泥载体是由污水处理厂的活性污泥经过风干和破碎后，过80目筛，在氮气保护下经700℃高温炭化3 h，经冷却至室温后，用1:4盐酸处理去除碳酸钙等灰分物质，过滤，用蒸馏水洗涤至洗液呈中性后放入110℃的烘箱中烘干24h备用（见图1）。
低温微生物菌悬液为3株低温菌PsychrobacterTM-1，其16S rDNA特异序列为1498bp (GenBank接受号为KR083014)、SphingobacteriumTM-2，其16S rDNA特异序列为1489bp (GenBank接受号为KR083015)、Pseudomonas TM-3，其16S rDNA特异序列为1469bp(GenBank接受号为KR083016)。该3株低温菌为本实验室分离筛选出来，并委托上海生工生物工程有限公司鉴定。将3种低温菌在震荡器（温度调至6℃）中培养至对数生长期（吸光度为1.2~1.6，细菌个数大约为4.575 × 108个•mL-1）后，于离心机中离心，弃去上清液，用生理盐水稀释后再离心，如此反复三次，以去除培养基成分，最后用生理盐水调节3种菌株的吸光度为1.2，按体积比为1:1:1比例混合，备用。
低温微生物炭化污泥载体填料的制备方法如下：
将低温微生物菌悬液与炭化污泥混合，以聚乙烯醇、海藻酸钠和卡拉胶浓缩粉共同作用为包埋载体，加入去离子水加热全部溶解后，全部混合搅拌至充分均匀。用注射器滴加（控制小球直径约为3mm）于5.0% CaCl2饱和硼酸溶液中，交联一定时间后用去离子水洗涤3遍，备用。制备出的污泥炭固定化微生物菌剂（见图2）。
本发明的污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料的作用原理如下：
微生物固定化技术是将游离的微生物富集固定在特殊的材料内，降低微生物随水流流失的风险，提高系统内微生物浓度和新陈代谢活力。其中生物炭固定化技术是将微生物固定在生物炭内，利用生物炭自身的净化能力和富集微生物的净化效果，有效提高微生物净化污水的效率。本载体填料利用污水处理厂污泥进行炭化，节约了资源，并且由于其疏松多孔的特性，能够有效为微生物提供生存空间，将低温微生物固定富集于污泥生物炭中对于提高污水冬季处理效率和资源化利用具有重要的意义。
本发明主要解决了冬季低温条件下，污水处理效果差，甚至是不达标排放的问题，重点考察了固定低温微生物炭化污泥载体填料的制作方法，主要的难点在于炭化污泥、聚乙烯醇、海藻酸钠进行优化配比，为此先后考察了填料各组成成分的配比，交联时间等条件，最后确定的方案是将聚乙烯醇质量分数、海藻酸钠质量分数、炭化污泥载体质量分数、交联时间等因素，设计一个四因素四水平的正交试验来进行优化。特别是当聚乙烯醇（PVA）质量分数为6.0%，海藻酸钠（SA） 质量分数为2.0%，生物炭载体的质量分数为1.4%，交联时间为24 h时去除效率最好，对低温（6 ~ 8℃）模拟废水中的总磷、总氮、氨氮、COD的去除率分别达到了69.72%、65.24%、62.09%、75.01%。综合固定化小球的成球效果及物理特性，此组合是最优组合。
本发明公开的优化污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料及其应用方法与现有技术相比所具有的积极效果在于：
（1）利用污水处理厂污泥进行炭化成疏松多孔的炭化污泥，将固体废弃物资源化，节约了资源。
（2）将多株低温菌固定化制成炭化污泥载体填料，既克服了单一菌株的生存能力差、净化效果不稳定的缺点，又能提高微生物密度、减少微生物流失量，提高微生物对环境(如pH、温度、有毒物质等)的耐受力，进而提高低温污水处理过程中的稳定性，从而保证冬季污水的处理效果。
（3）固定低温微生物炭化污泥载体填料主要是利用低温微生物的特殊性能来提高冬季污水处理效果，相比较采用各种保温措施，可以大大的减少工程投资。
附图说明
图1为 700℃下灼烧的炭化污泥颗粒；
图2为污泥炭固定化低温微生物菌剂。
具体实施方式
下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。本发明所用原料及试剂均有市售。本发明所用原料聚乙烯醇，海藻酸、卡拉胶均有市售。
Psychrobacter TM-1、Sphingobacterium TM-2、Pseudomonas TM-3三种低温菌的生理、生化介绍参见Tang M, Li Z, Yang Y, Chen J, Jiang J. 2018. Effects of theinclusion of a mixed Psychrotrophicbacteria strain for sewage treatment inconstructed wetland in winter
seasons. R. Soc. open sci. 5: 172360. http://dx.doi.org/10.1098/rsos.172360。三种低温菌保存在曲阜师范大学实验室，当公众用于科学研究时，可以免费提供。
实施例1
一种用于污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料，其特征在于该载体填料为球体，由下述重量份数的原料组成：
炭化污泥30份，低温混合菌20份，6.0%的聚乙烯醇溶液30份，
2.0%的海藻酸钠溶液19份，卡拉胶浓缩粉1份；
所述炭化污泥指的：把污水处理厂污泥经风干破碎后过80目筛，并在氮气保护下经700℃高温炭化处理而成；
所述的低温混合菌指的是：Psychrobacter TM-1、Sphingobacterium TM-2、Pseudomonas TM-3三种低温菌，其体积比为1：1：1；
所述的6.0%的聚乙烯醇溶液指的是：6 g聚乙烯醇加入到100 mL温热去离子水中，充分搅拌溶解，配制成6.0%的聚乙烯醇溶液；
2.0%的海藻酸钠溶液指的是：2 g海藻酸钠加入到100 mL去离子水中，充分搅拌溶解，配制成2.0%的海藻酸钠溶液。
（1）制备炭化污泥：将污水处理厂的活性污泥经过风干和破碎后，过80目筛，将过筛后的污泥在氮气保护下经700℃高温炭化3 h，经冷却至室温后，用1:4盐酸处理去除碳酸钙灰分物质制成炭化污泥；
（2）制备微生物菌悬液：将3种低温菌PsychrobacterTM-1、SphingobacteriumTM-2、Pseudomonas TM-3在震荡器，温度调至6℃中培养至对数生长期，吸光度为1.2~1.6，细菌个数大为4.575 × 108个•mL-1后，于离心机1200 r·min-1下离心10 min，弃去上清液，用生理盐水稀释后再离心，如此反复三次，以去除培养基成分，最后用生理盐水调节3种菌株的吸光度为1.2，按体积比为1:1:1比例混合，备用；
（3）制备球体载体填料：将步骤（2）制备的微生物菌悬液与乳化剂浓缩粉和卡拉胶浓缩粉混合，并以聚乙烯醇和海藻酸钠共同作用为包埋载体，全部溶解后加入炭化污泥载体，搅拌均匀至充分混合，并用交联剂将炭化污泥球体与菌悬液通过交联剂交联24 h，生产出富集固定低温微生物的炭化污泥载体填料球体；所述的交联剂指的是：5.0% CaCl2饱和硼酸溶液，即5.74g 硼酸溶于100ml 去离子水，再加5g 氯化钙，充分搅拌混匀。
实施例2
2017年12月18日-2018年1月17日，按照接种量g菌剂/V污水设定为5.0 g/L投入低温微生物炭化污泥载体填料于SBR反应器中，控制水温的变化范围为5～9℃。通过连续1个月的监测，采用该技术可以使SBR工艺中氨氮去除率平均达到80.09%，TN去除率达到76.24%，TP去除率维持在79.72%，COD去除率维持在88.62%。
实施例3
2017年12月18日-2018年1月17日，按照接种量5.0 g/L（g菌剂/V污水）投入低温微生物炭化污泥载体填料于AAO反应器中，水温的变化范围为5～9℃。通过连续1个月的监测，采用该技术可以使AAO工艺中氨氮去除率平均达到85.27%，TN去除率达到83.67%，TP去除率维持在83.49%，COD去除率维持在85.01%。
实施例4
2017年11月-2018年3月份，利用该发明制造的低温微生物炭化污泥载体填料应用到人工湿地净化河道水体的中试试验，该人工湿地为长方形体，长×宽×高为3×2×1.2 m，池体内下方填充40cm厚的直径为40-50mm砾石，中间填充30cm厚的粗砂，在粗砂层中混合填入10%的低温微生物炭化污泥载体填料，湿地池体上方填充20cm厚的种植土，种植植物为香蒲（Typha orientalis Presl）。试验进水为城市河道污水，试验期间水温的变化范围为5～10℃，通过5个月的连续监测，采用该技术可以使河道水体中氨氮去除率平均达到85.16%，TN去除率达到83.29%，TP去除率维持在85.05%，COD去除率维持在90.52%。
本低温微生物炭化污泥载体填料所采用的各组成分均为市场易购材料，制作成本较低，同时利用污水处理厂污泥进行炭化，推动了污泥的资源化利用，同时采用微生物固定法将低温微生物更好地应用于污水处理中，提高了冬季污水净化效率，必将产生较大的经济效益和较好的社会效益。
Claims (4)
1.一种用于污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料，其特征在于该载体填料为球体，由下述重量份数的原料组成：
炭化污泥25-35份，低温混合菌15-20份，6.0%的聚乙烯醇溶液25-35份，
2.0%的海藻酸钠溶液10-20份，卡拉胶浓缩粉0.5-1.0份；
所述炭化污泥指的：把污水处理厂污泥经风干破碎后过80目筛，并在氮气保护下经700℃高温炭化处理而成；
所述的低温混合菌指的是：Psychrobacter TM-1、Sphingobacterium TM-2、Pseudomonas TM-3三种低温菌，其体积比为1：1：1；
所述的6.0%的聚乙烯醇溶液指的是：6 g聚乙烯醇加入到100 mL温热去离子水中，充分搅拌溶解，配制成6.0%的聚乙烯醇溶液；
2.0%的海藻酸钠溶液指的是：2 g海藻酸钠加入到100 mL去离子水中，充分搅拌溶解，配制成2.0%的海藻酸钠溶液。
2.权利要求1所述的用于污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料的制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）制备炭化污泥：将污水处理厂的活性污泥经过风干和破碎后，过80目筛，将过筛后的污泥在氮气保护下经700℃高温炭化3 h，经冷却至室温后，用1:4盐酸处理去除碳酸钙灰分物质制成炭化污泥；
（2）制备微生物菌悬液：将3种低温菌PsychrobacterTM-1、SphingobacteriumTM-2、Pseudomonas TM-3在震荡器，温度调至6℃中培养至对数生长期，吸光度为1.2~1.6，细菌个数大为4.575 × 108个•mL-1后，于离心机1200 r·min-1下离心10 min，弃去上清液，用生理盐水稀释后再离心，如此反复三次，以去除培养基成分，最后用生理盐水调节3种菌株的吸光度为1.2，按体积比为1:1:1比例混合，备用；
（3）制备球体载体填料：将步骤（2）制备的微生物菌悬液与乳化剂浓缩粉和卡拉胶浓缩粉混合，并以聚乙烯醇和海藻酸钠共同作用为包埋载体，全部溶解后加入炭化污泥载体，搅拌均匀至充分混合，并用交联剂将炭化污泥球体与菌悬液通过交联剂交联24 h，生产出富集固定低温微生物的炭化污泥载体填料球体；所述的交联剂指的是：5.0% CaCl2饱和硼酸溶液，即5.74g 硼酸溶于100ml 去离子水，再加5g 氯化钙，充分搅拌混匀。
3.权利要求1所述的用于污水处理的固定低温微生物炭化污泥载体填料在用于冬季生活污水和河道水体的强化处理方面的应用。
4.权利要求3所述的应用；其中所述的冬季生活污水和河道水体的强化处理指的是：低温水体中氨氮去除率、TN去除率、TP去除率、COD去除率。
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