CN109607784A - 一种电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法 - Google Patents

一种电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，包括以下步骤：采用厌氧反应器对原污水进行处理；依次采用缺氧反应器和好氧反应器对经过厌氧反应器处理过的污水进行处理得到混合液，并通过沉淀池沉淀，得到上清液和沉淀污泥；上清液通过出水口排出，沉淀污泥分成两部分，一部分作为回流污泥，另一部分作为剩余污泥排出；将回流污泥分为两个部分，对一部分回流污泥进行电磁波加载后回流至厌氧反应器，另一部分回流污泥直接回流至厌氧反应器；在厌氧反应器中进行微生物群落结构调控；重复以上步骤循环运转直至完成所有原污水的处理。实现调控整个系统微生物群落结构，减少系统污泥排放量，提升整个系统运行效率和污水处理效果。

Description

一种电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法
技术领域
本发明涉及污水微生物处理技术领域，具体涉及一种电磁波加载回流污泥调控系统微生 物群落结构的方法。
背景技术
基于活性污泥法的污水生物处理方法一直是城市和工业污水处理的主流技术，在全球水 污染控制和环境保护中发挥巨大作用，具有投资少、处理效果好、维护运行简单方便等优点。 在污水生物处理系统中，微生物是污染物去除的主体，活性污泥系统中功能微生物细菌群落 组成和生物多样性与污水处理厂的运行性能稳定性密切相关。近几年国内外关于生物处理过 程中污泥减量以及脱氮除磷性能的研究分析中多涉及到系统微生物群落结构的改变。
在许多污水生物处理方法中，A/A/O工艺是最为广泛使用的污水处理工艺。该工艺可以通 过不同的反应条件和操作变量，具有稳定的氮和磷去除能力，并且可以根据季节变化、排放 要求和进水水质等实现多模式的灵活切换，实现水质改善及运行成本的降低。污泥回流是 A/A/O工艺中非常重要的环节，其主要功能是保证生物反应池的生物量，维持稳定的污泥浓 度，是提供系统降解污染物质所需微生物的主要来源。因此，需要通过一定条件改变A/A/O 系统回流污泥特性，调控其对系统微生物群落结构的影响，从而提高整个系统运行效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种电磁波加载回 流污泥调控系统微生物群落结构的方法。实现调控整个系统微生物群落结构，减少系统污泥 排放量，提升整个系统运行效率和污水处理效果。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，包括以下步骤：
1)采用厌氧反应器对原污水进行处理；
2)依次采用缺氧反应器和好氧反应器对经过厌氧反应器处理过的污水进行处理，得到混 合液，混合液进入沉淀池进行沉淀，得到出水上清液和沉淀污泥；
3)上清液通过沉淀池的出水口排出，沉淀污泥分成两部分，一部分作为回流污泥，另一 部分作为剩余污泥排出；
4)将回流污泥分为两个部分，对一部分回流污泥进行电磁波加载后回流至厌氧反应器， 同时另一部分回流污泥直接回流至厌氧反应器，同时原污水进入厌氧反应器；
5)在厌氧反应器中进行微生物群落结构调控；
6)重复步骤2)～5)循环运转直至完成所有原污水的处理。
按照上述技术方案，所述的步骤4)中，通过电磁波加载单元对一部分回流污泥进行连 续流电磁波加载。
按照上述技术方案，所述的步骤4)中，加载的电磁波为2450MHz电磁波。
按照上述技术方案，在所述的步骤4)中，回流污泥的污泥浓度为7000～10000mg/L；污 泥浓度是指每升污泥混合液中干污泥的质量。
按照上述技术方案，在所述的步骤4)中，通过电磁波加载单元对一部分回流污泥进行 连续流电磁波加载。
按照上述技术方案，在所述的步骤4)中，通过电磁波加载单元对回流污泥加载电磁波， 电磁波加载单元包括电磁波发生装置、电磁波加载系统电源和加载单元输泥管，电磁波发生 装置与电磁波加载系统电源连接，加载单元输泥管设置于电磁波发生装置的腔体内，加载单 元输泥管的两端通过管道与沉淀池和厌氧反应器连接。
按照上述技术方案，电磁波发生装置的加载功率P为260～270W，电磁波发生装置的对 应输出电压为150V。
按照上述技术方案，在所述步骤4)中，通过加载单元污泥泵将加载过电磁波的回流污 泥回流至厌氧反应器，通过非加载单元污泥泵将未加载过电磁波的回流污泥回流至厌氧反应 器。
按照上述技术方案，在所述的步骤1)中，原污水通过原污水进水泵输送至厌氧反应器；
按照上述技术方案，在所述的步骤2)中，经好氧反应器处理得到的混合液，分成两部 分，一部分进入沉淀池，另一部分回流至缺氧反应器。
按照上述技术方案，好氧反应器上的回流出口通过内循环污泥泵，与缺氧反应器上的回 流进口连接。
按照上述技术方案，在所述的步骤4)中，电磁波的加载时间T为40～45s。
按照上述技术方案，在所述步骤4)中，加载过电磁波的回流污泥与总回流污泥的回流 百分比为30％～35％；通过加载单元污泥泵将加载过电磁波的回流污泥回流至厌氧反应器，通 过非加载单元污泥泵将未加载过电磁波的回流污泥回流至厌氧反应器，通过设定加载单元污 泥泵和非加载单元污泥泵的流量，从而调节加载过电磁波的回流污泥的百分比L。
按照上述技术方案，在所述的步骤5)中，在厌氧反应器中进行微生物群落结构调控之 后还包括以下步骤：调控微生物群落结构验证。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明通过连续流电磁波加载A/A/O工艺回流污泥，用于调控整个系统微生物群落结 构，使得系统活性细菌数目增多，生物降解能力改善和提升；异养反硝化菌属与反硝化除磷 菌属丰度增大，提高了系统脱氮除磷及降解有机物的能力；慢性生长的厌氧菌属丰富度和多 样性增大，系统达到污泥减量效果；本发明所述的反应运行条件温和，在常温常压下就可以 进行，无需特定条件；且无有毒有害物质生成，对环境安全无害，实现调控整个系统微生物 群落结构，减少系统污泥排放量，提升整个系统运行效率和污水处理效果。
2.本发明所述的电磁波为频率为2450MHz的电磁波，具有效能高、反应过程易于控制等 优点，且其加载污泥具有良好的溶出效应和生物效应。
附图说明
图1是本发明实施例中电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的系统的结构示意 图；
图2是本发明实施例中电磁波发生装置的结构示意图；
图3是本发明实施例中回流污泥未进行电磁波加载的传统A/A/O系统与本发明实施的回 流污泥经电磁波加载的A/A/O系统中沿程活菌数量对比图；
图4是本发明实施例中回流污泥未进行电磁波加载的传统A/A/O系统与本发明实施的回 流污泥经电磁波加载的A/A/O系统中沿程微生物群落结构变化情况对比图。
图中，1-厌氧反应器，2-缺氧反应器，3-好氧反应器，4-沉淀池，5-原污水进水泵，6-内 循环污泥泵，7-非加载单元污泥泵，8-电磁波发生装置，9-加载单元污泥泵，10-加载单元输 泥管，11-污泥进料口，12-污泥出料口，13-电磁波加载系统电源。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1～图4所示，本发明提供的一个实施例中的电磁波加载回流污泥调控系统微生物 群落结构的方法，包括以下步骤：
1)采用厌氧反应器1对原污水进行处理；
2)依次采用缺氧反应器2和好氧反应器3对经过厌氧反应器1处理过的污水进行处理， 得到混合液，混合液进入沉淀池4进行沉淀，得到出水上清液和沉淀污泥；
3)上清液通过沉淀池4的出水口排出，沉淀污泥分成两部分，一部分作为回流污泥，另 一部分作为剩余污泥排出；
4)将回流污泥分为两个部分，对一部分回流污泥进行电磁波加载后回流至厌氧反应器1， 同时另一部分回流污泥直接回流至厌氧反应器1，同时原污水持续进入厌氧反应器1；
5)在厌氧反应器1中进行微生物群落结构调控；
6)重复步骤2)～5)循环运转直至完成所有原污水的处理。
进一步地，调节连续流2450MHz电磁波加载装置参数，一定比例的传统A/A/O系统回 流污泥进行连续流2450MHz电磁波加载；回流污泥中未加载部分直接回流至A/A/O系统厌 氧反应器1，加载后的污泥经污泥泵回流至系统，进行微生物群落结构调控。
进一步地，在所述的步骤4)中，通过电磁波加载单元对一部分回流污泥进行连续流电 磁波加载。
进一步地，电磁波发生装置8由磁控管、灯丝变压器、高压变压器和变频稳压电源组成， 同时设置污泥进料口11和出料口。电源产生的电磁波经磁控管无损耗的传送到工作腔装置 中，为设备提供电磁波。
进一步地，电磁波加载单元中，污泥泵连续不断地将回流污泥经过进料口输送到工作腔， 之后将被加载的污泥通过出料口回流至厌氧反应器1。
进一步地，电磁波加载功率、加载装置腔体内部电磁波加载时间和回流污泥加载百分比 为三个影响调控效果的主要因素。
进一步地，在所述的步骤4)中，加载的电磁波为2450MHz电磁波。
进一步地，在所述的步骤4)中，回流污泥的污泥浓度为7000～10000mg/L；污泥浓度是 指每升污泥混合液中干污泥的质量。
进一步地，在所述的步骤4)中，通过电磁波加载单元对一部分回流污泥进行连续流电 磁波加载。
进一步地，在所述的步骤4)中，通过电磁波加载单元对回流污泥加载电磁波，电磁波 加载单元包括电磁波发生装置8、电磁波加载系统电源13和加载单元输泥管10，电磁波发生 装置8与电磁波加载系统电源13连接，加载单元输泥管10设置于电磁波发生装置8的腔体 内，加载单元输泥管10的两端通过管道与沉淀池4和厌氧反应器1连接；通过控制调节电磁 波加载系统电源13的输出电压来改变电磁波发生装置8的输入电压，从而改变了电磁波发生 装置8的加载功率。
进一步地，电磁波发生装置8的加载功率P为265W，电磁波发生装置8的对应输出电压为150V。
进一步地，在所述的步骤1)中，原污水通过原污水进水泵5输送至厌氧反应器1。
进一步地，在所述的步骤2)中，经好氧反应器3处理得到的混合液，分成两部分，一部分进入沉淀池4，另一部分回流至缺氧反应器2。
进一步地，好氧反应器3上的回流出口通过内循环污泥泵6，与缺氧反应器2上的回流 进口连接。
进一步地，在所述的步骤4)中，电磁波的加载时间T为40～45s。
进一步地，通过改变加载单元污泥泵9流量调节电磁波的加载时间T。加载时间T的调 节满足如下公式：
式中，T为污泥加载时间，单位为s；V为污泥加载量，单位为mL；QL为回流污泥加 载段流量，单位为mL/min。
进一步地，所述步骤4)中，加载过电磁波的回流污泥与总回流污泥的回流百分比为 30％～35％；通过加载单元污泥泵9将加载过电磁波的回流污泥回流至厌氧反应器1，通过非 加载单元污泥泵7将未加载过电磁波的回流污泥回流至厌氧反应器1，通过设定加载单元污 泥泵9和非加载单元污泥泵7的流量，从而调节加载过电磁波的回流污泥的百分比L。
其中，加载百分比L的调节满足如下公式：
式中，L为回流污泥加载百分比，单位为％；
QL为回流污泥加载段流量，单位为mL/min；
Qn为非加载段回流污泥流量，单位为mL/min；
Q为总回流污泥流量，单位为mL/min。
进一步地，在所述的步骤4)中，经过电磁波加载后的回流污泥产生溶胞现象为系统异 养菌提供良好的碳源供其代谢活动。
进一步地，在所述的步骤4)中，将经过电磁波加载后的回流污泥通过污泥泵回流至A/A/O 系统厌氧反应器1，形成“连续流”；未加载部分直接回流至厌氧反应器1，维持加载前系统 运行方式，稳定运行100天左右。
进一步地，在所述的步骤5)中，在厌氧反应器1中进行微生物群落结构调控之后还包 括以下步骤：调控微生物群落结构验证。
进一步地，对调控微生物群落结构验证步骤为：系统运行稳定后，活菌计数分析基于最 大或然数(MPN)计数法，微生物群落结构分析基于Illumina-Miseq测序平台的16SrRNA高 通量测序技术。
进一步地，实现以上所述的电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法的装置 为电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构，包括电磁波发生装置8、厌氧反应器1、缺 氧反应器2、好氧反应器3和沉淀池4，厌氧反应器1的原污水进口连接有原污水源，厌氧反 应器1的出口与缺氧反应器2的进口连接，缺氧反应器2的出口与好氧反应器3的进口连接， 好氧反应器3的出口与沉淀池4的进口连接，沉淀池4的污泥出口分别与厌氧反应器1的回 流进口和电磁波发生装置8的进口连接，电磁波发生装置8的出口与厌氧反应器1的回流进 口连接。
进一步地，沉淀池4的污泥出口与厌氧反应器1的回流进口之间设有非加载单元污泥泵 7；电磁波发生装置8的出口与厌氧反应器1的回流进口之间设有加载单元污泥泵9；厌氧反 应器1的原污水进口设有内循环污泥泵6。
进一步地，好氧反应器3的回流出口与缺氧反应器2的回流进口连接；好氧反应器3的 回流出口与缺氧反应器2的回流进口之间连接有内循环污泥泵6。
进一步地，好氧反应器3的底部设有曝气装置。
本发明的一个实施例中，本发明是在传统的A/A/O工艺基础上增加了加载过电磁波的回 流污泥工艺，形成的电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的系统，本发明中A/A/O 工艺，是指英文Anaerobic-Anoxic-Oxic首字母的简称，即厌氧-缺氧-好氧法。根据本发明的 电磁波加载回流污泥调控A/A/O系统微生物群落结构的方法，在进行电磁波加载步骤前首先 运行传统A/A/O工艺，用厌氧反应器1、缺氧反应器2和好氧反应器3对污水进行处理得到 传统A/A/O工艺的回流污泥。本发明中反应器的运行条件为：反应器进水采用人工模拟中国 南方生活污水，所述人工模拟废水COD：240～250mg/L、TN：35～40mg/L、TP：3.5～4mg/L、 pH：6～8；厌氧反应器1、缺氧反应器2、好氧反应器3和二沉池由有机玻璃制成，有效容积 分别为10L、15L、40L和29L；反应器温度控制在25℃，好氧反应器3的溶解氧浓度约为 4mg/L；水力停留时间和污泥停留时间分别为12h和15d；回流污泥和硝化液回流比分别为 100％和200％；回流污泥浓度为7000～10000mg/L。
进一步地，原污水进水泵5、内循环污泥泵6、非加载单元污泥泵7和加载单元污泥泵9 均为蠕动泵。
原污水输送、混合液回流以及污泥回流的实现依靠蠕动泵。蠕动泵购自保定雷弗流体科 技有限公司，型号为BT600S；泵头为YZ15型，所连橡胶软管型号为18#，内径7.9mm；原 污水输送、混合液回流与污泥回流蠕动泵转速分别调为23.6r/min、47.2r/min、23.6r/min。
经传统A/A/O系统稳定运行50天后得到的回流污泥，进行连续流2450MHz电磁波加载， 加载后的污泥回流至系统厌氧反应器1，由于电磁波的溶出效应和生物效应，达到对系统微 生物群落结构进行调控的目的。
通过调节电源的输出电压为150V，将电磁波发生装置8加载功率P设置为265W；通过 改变加载单元输泥管10的长度(27.8cm)和加载单元蠕动泵转速(7.1r/min)将腔体内部电 磁波的加载时间调节为45s；通过调节加载单元蠕动泵转速(7.1r/min)与非加载单元蠕动泵 转速(16.5r/min)将回流污泥加载的百分比L设置为30％。
其中，加载时间T的调节满足如下公式：
式中，T为污泥加载时间，单位为s；V为污泥加载量，单位为mL；d为输泥管内径， 单位为mm；为位于电磁波工作腔内的输泥管长度，单位为cm；QL为回流污泥加载段流量， 单位为mL/min；nL为加载单元蠕动泵转速，单位为r/min；q为蠕动泵转速单位转速对应流 量值，单位为mL/r，取3.83。
其中，加载百分比L的调节满足如下公式：
式中，L为回流污泥加载百分比，单位为％；QL为回流污泥加载段流量，单位为mL/min； Q为总回流污泥流量，单位为mL/min；nL为加载单元蠕动泵转速，单位为r/min；n为非加 载单元蠕动泵转速，单位为r/min；q为蠕动泵转速单位转速对应流量值，单位为mL/r，取3.83。
经过电磁波加载后的回流污泥产生溶胞现象明显，SCOD含量最大由80.39mg/L增至 752.50mg/L，为系统异养菌提供良好的碳源供其代谢活动。将经过电磁波加载后的回流污泥 通过蠕动泵回流至A/A/O系统厌氧反应器1，形成“连续流”。维持加载前系统运行方式，稳 定运行100天左右。
每3天测定一次出水水质指标及剩余污泥产量，据此评价反应器运行状态；运行第40天 取污泥样，分别命名为Y0(厌氧)、Q0(缺氧)、H0(好氧)、L0(回流污泥)；运行第125 天取污泥样，分别命名为Y2(厌氧)、Q2(缺氧)、H2(好氧)、L2(回流污泥)、J2(加载 后回流污泥)。活菌计数分析基于最大或然数(MPN)计数法，微生物群落结构分析基于 IlluminaMiseq测序平台的16S rRNA高通量测序技术，据此评价反应器内微生物群落结构的 变化。
根据本发明的电磁波加载回流污泥调控A/A/O系统微生物群落结构的方法，系统活性细 菌数目增多，生物降解能力改善和提升；调控后的系统中脱氮除磷细菌及污泥减量相关细菌 群落结构发生改变。动胶菌属Zoogloea等异养反硝化菌属、脱氯单胞菌属Dechloromonas等 反硝化聚磷菌属、甲苯单胞菌属Tolumonas等厌氧发酵菌属占比增大；同时，回流污泥经电 磁波加载后系统与污泥减量相关的梭菌属Clostridium-sensu-stricto丰富度显著提高。结果如图3、图4和表1所示，表1是本发明实施例中回流污泥未进行电磁波加载的传统A/A/O系统 与本发明实施的回流污泥经电磁波加载的A/A/O系统中沿程主要优势菌属丰度变化情况对比 表。
表1
根据本发明的电磁波加载回流污泥调控A/A/O系统微生物群落结构的方法，系统的出水 水质为COD：42.46mg/L、NH4 +-N：3.22mg/L、TN：12.69mg/L、TP：1.06mg/L、SS：4.1mg/L， 剩余污泥量为9.23g/d，污泥减量率为28.30％。
综上所述，电磁波作用于污泥具有溶出效应和生物效应，且相互关联；研究表明，电磁 波的加载可破坏污泥絮体结构，将复杂的有机物质分解成更小、更易生物降解的物质，而且 可以直接分解部分细胞膜和细胞壁，促进细胞物质如蛋白质等的释放，从而提高被加载污泥 的可降解性；同时，电磁波的加载能够改变细胞DNA、蛋白质、酶的组成构象，使细胞中生 物酶活性改变，最终影响微生物的代谢过程；溶出效应与生物效应交互作用，对系统微生物 群落结构的改变产生深远影响。考虑到电磁波溶出效应与生物效应的积极作用，将A/A/O工 艺回流污泥进行连续流电磁波加载，调控系统微生物群落结构，对探究A/A/O系统运行效果 的提升具有重要意义。
以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依 本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用厌氧反应器对原污水进行处理；
2)依次采用缺氧反应器和好氧反应器对经过厌氧反应器处理过的污水进行处理，得到混合液，混合液进入沉淀池进行沉淀，得到出水上清液和沉淀污泥；
3)上清液通过沉淀池的出水口排出，沉淀污泥分成两部分，一部分作为回流污泥，另一部分作为剩余污泥排出；
4)将回流污泥分为两个部分，对一部分回流污泥进行电磁波加载后回流至厌氧反应器，同时另一部分回流污泥直接回流至厌氧反应器，同时原污水进入厌氧反应器；
5)在厌氧反应器中进行微生物群落结构调控；
6)重复步骤2)～5)循环运转直至完成所有原污水的处理。
2.根据权利要求1所述的电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，其特征在于，所述的步骤4)中，加载的电磁波为2450MHz电磁波。
3.根据权利要求1所述的电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，其特征在于，在所述的步骤4)中，回流污泥的污泥浓度为7000～10000mg/L。
4.根据权利要求1所述的电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，其特征在于，在所述的步骤4)中，通过电磁波加载单元对一部分回流污泥进行连续流电磁波加载。
5.根据权利要求1所述的电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，其特征在于，在所述的步骤4)中，通过电磁波加载单元对回流污泥加载电磁波，电磁波加载单元包括电磁波发生装置、电磁波加载系统电源和加载单元输泥管，电磁波发生装置与电磁波加载系统电源连接，加载单元输泥管设置于电磁波发生装置的腔体内，加载单元输泥管的两端通过管道与沉淀池和厌氧反应器连接。
6.根据权利要求5所述的电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，其特征在于，电磁波发生装置的加载功率P为260～270W，电磁波发生装置的对应输出电压为150V。
7.根据权利要求1所述的电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，其特征在于，在所述的步骤2)中，经好氧反应器处理得到的混合液，分成两部分，一部分进入沉淀池，另一部分回流至缺氧反应器。
8.根据权利要求1所述的电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，其特征在于，在所述的步骤4)中，电磁波的加载时间T为40～45s。
9.根据权利要求1所述的电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，其特征在于，在所述步骤4)中，加载过电磁波的回流污泥与总回流污泥的回流百分比为30％～35％。
10.根据权利要求1所述的电磁波加载回流污泥调控系统微生物群落结构的方法，其特征在于，在所述的步骤5)中，在厌氧反应器中进行微生物群落结构调控之后还包括以下步骤：调控微生物群落结构验证。
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