CN109942091B

CN109942091B - 菌藻附着型生物纤维床及其制备方法及其强化处理猪废水脱氮除磷的方法

Info

Publication number: CN109942091B
Application number: CN201910281366.3A
Authority: CN
Inventors: 刘嘉; 丛东来; 于少鹏; 陈睿曦; 杨春雪; 史传奇; 梁雄伟
Original assignee: Harbin University
Current assignee: Harbin University
Priority date: 2019-04-09
Filing date: 2019-04-09
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2039-04-09
Also published as: CN109942091A

Abstract

本发明公开了菌藻附着型生物纤维床及其制备方法及其强化处理猪废水脱氮除磷的方法，属于利用生物技术处理高氮养殖废水的技术领域。本发明要解决现有SBBR技术存在填料成本高，菌藻生物群附着效果不理想的缺陷。本发明中菌藻附着型生物纤维床是以玉米秸秆芯作为载体，在光照下，向猪废水接种藻类进行生化处理后，再接种二沉池活性污泥进行梯度浓度驯化而成的。所述处理猪废水脱氮除磷的方法是在反应器内依次进行进水、曝气、沉降和排水处理。本发明用于高氮养殖废水处理领域。

Description

菌藻附着型生物纤维床及其制备方法及其强化处理猪废水脱氮除磷的方法

技术领域

本发明属于利用生物技术处理高氮养殖废水的技术领域；具体涉及菌藻附着型生物纤维床及其制备方法及其强化处理猪废水脱氮除磷的方法。

背景技术

发展中国家经济增长迅速，城镇化进程加快导致对养猪业的需求增涨，根据中国2016年数据年度报告，中国年均生猪产量超过45亿头。猪废水是农业废水的主要类型，富含氮和磷，大量集约化畜牧场的出现导致猪废水中氮、磷排放量急剧增加。一方面，高浓度氮、磷的养猪废水具有巨大的营养物质回收潜能，回收产物可作为缓释肥料直接利用在农业生产中。另一方面，富含氮、磷的养猪废水直接排入自然水体中也会引起环境污染，影响人类生活安全。因此，有必要对养猪废水进行恰当处理，满足严格的养殖废水排放标准。

目前，养殖废水的处理方法主要集中在利用生物法去除有机物、氮和磷等营养物质。厌氧消化是一种普遍应用的废水处理方法，它可有效地减少有机物浓度，回收沼气作为生物能源。但厌氧消化工艺的出水中有机物、氮和磷浓度仍然较高，水质难以达到排放标准且无法实现营养物质的回收利用。好氧工艺通过强氧化作用可有效去除养殖废水中的有机物和氨态氮，然而对总氮(TN)和总磷(TP)的去除作用不明显。序批间歇式(SBR)活性污泥法长期应用于低、中规模市政、工业或农业废水处理，具有适应性强、控制污泥膨胀和脱氮除磷效果好等特点。SBR活性污泥法技术的操作优势便于与具有更大资源回收潜力的微生物相结合，从而拥有更广阔的应用前景。近年，SBR活性污泥法将藻类引入反应器，与功能菌群相结合形成了菌藻增效生物群，提高生物多样性和丰度，强化COD、氮和磷的去除效果。然而，SBR菌藻协同尚存在以下缺陷：(1)污泥颜色与浑浊度影响藻的光合作用；(2)污水处理过程中由于菌藻增长率不同导致相同的停留时间对菌藻的积累效果不一致；(3)藻类流失严重，出水中固体悬浮物浓度增加。序批间歇式生物膜反应器(SBBR)作为一体式固定化膜活性污泥法工艺，有利于生物多样性和生物量富集，然而填料成本高，菌藻生物群附着效果不理想成为限制SBBR工艺发展的主要因素。

发明内容

本发明要解决现有SBBR技术存在填料成本高，菌藻生物群附着效果不理想，从而限制SBBR发展的缺陷，提供了菌藻附着型生物纤维床及其制备方法及其强化处理猪废水脱氮除磷的方法。

为解决上述问题，本发明中菌藻附着型生物纤维床是以玉米秸秆芯作为载体，在光照条件下，向猪废水接种藻类进行生化处理后，再接种二沉池活性污泥进行梯度浓度驯化而成。其中，所述藻类来自养猪场周边静水塘，或者是由绿藻门和甲藻门组成。具体是通过下述步骤完成的：

步骤一、取新鲜的玉米秸秆，去皮取芯穰，切段，自然干燥至恒重，得到载体；

步骤二、将步骤一得到的载体固定在反应器内；

步骤三、通入猪废水，接种藻类，光照下曝气驯化；

步骤四、接种二沉池污泥，梯度浓度驯化，滗淅；即得到生物纤维床。

进一步地限定，所述绿藻门是由小球藻属(Chlorella sorokiniana)、链带藻属(Desmodesmus sp.)和栅藻属(Scenedesmus armatus)组成；甲藻门是由海洋原甲藻属(Prorocentrum micans)、微小卡罗藻属(Karlodinium micrum)和血红哈卡藻属(Akashiwosanguinea)组成。其中，小球藻属占藻类相对含量的43.4％，链带藻属占藻类相对含量的30.7％，栅藻属占藻类相对含量的20.8％，海洋原甲藻占藻类相对含量的1.8％，微小卡罗藻占藻类相对含量的2.8％、血红哈卡藻占藻类相对含量的0.5％。

进一步地限定，所述生化处理是在SBBR进行的。

进一步地限定，所述的SBBR内设有孔状折流板，载体固定在孔状折流板上且相邻的载体之间不接触。

进一步地限定，步骤一中将芯穰切成0.8cm～1.2cm长的段。

进一步地限定，所述的载体是经过下述步骤进行的：47g玉米秸秆芯段于高压蒸汽灭菌锅中121℃预处理50min，按1g：15ml的料液比加入浓度为0.15mol/L混合溶液A，搅拌15min；然后去离子水洗涤至洗液呈中性，过滤，弃去上清液，保留固体，晾干后备用；其中，所述混合溶液A是由MgO、MgCl₂和蒸馏水配置的，MgO和MgCl₂的质量浓度分别为7.2％和2.4％。处理后发现秸秆芯结构中部分纤维素键断裂，纤维孔隙和比表面积增大，秸秆芯内形成0.3mm-0.5mm孔或缝隙，有利于菌株负载。

进一步地限定，步骤二中曝气驯化过程中藻类的量控制在800mg/m³～1400mg/m³。

进一步地限定，步骤二中猪废水进水的COD控制在5000mg/L～5500mg/L、NH₄+-N控制在2000mg/L～2500mg/L、TN控制在2500～3000mg/L且TP控制在100mg/L～150mg/L。

进一步地限定，步骤二中曝气驯化时间为7d～10d。

进一步地限定，步骤二中每天在光强度为3000lux～3500lux条件进行光照12h。

进一步地限定，步骤二中空气的曝气量为0.04m³/h～0.10m³/h。

进一步地限定，步骤二中步骤三中接种二沉池污泥，接种污泥的混合液悬浮固体(MLSS)浓度依次为2000mg/L～3000mg/L，4000mg/L～5000mg/L和6000mg/L～7000mg/L，每个浓度梯度驯化15d～20d。

进一步地限定，上述的生物纤维床强化处理猪废水脱氮除磷的方法是在反应器内依次进行进水、曝气、沉降和排水处理。处理过程的反应参数：循环周期为6h～12h，污泥停留时间(SRT)为18d～22d，水利停留时间(HRT)为3d～5d，进水时间为15min～30min，空气的曝气量为0.04m³/h～0.10m³/h，曝气时间为9h/d～12h/d，沉降时间为0.25h～0.5h，排水时间15min～30min。

本发明纤维床制备过程中所用的装置包括容器、多块秸秆芯、孔状折流板和曝气装置，多块玉米芯载体使进入容器内的流体折流流出，立体的玉米芯载体之间以及玉米芯载体与容器侧壁之间为过流通道，玉米秸秆芯的主要成分为纤维素和半纤维素。

本发明方法获得纤维床的微生物附着量大、种群稳定、效率高、抗水流冲击能力强。

本发明将绿藻门和甲藻门引入SBBR工艺，形成菌藻协同作用生物群，同时将玉米秸杆芯作为生物载体，更有利于菌藻附着、生长、发展，极大改善了菌藻生物群的生存条件，增加生物多样性和生物量，强化养殖废水脱氮除磷效果。东北玉米秸秆产量巨大，秸秆芯的主要成分为纤维素、半纤维素，具有孔隙多且均匀、亲水性强和稳定性高等特点。采用玉米秸秆芯作为生物载体，实现菌藻有效挂膜，强化养殖废水脱氮除磷，同时使农业副产物玉米秸秆得到充分利用。中国是农业大国，秸秆资源丰富，年产量超过8亿t，秸秆中富含氮、磷、钾及微量元素，直接还田可培肥地力、改善土壤，减少化肥投入，解决其焚烧带来的大气污染。SBBR工艺废弃的挂膜载体玉米秸杆芯可进一步还田，对减少氮肥施用，增加作物产量具有积极意义。

具体实施方式

实施例1：本实施例中菌藻附着型生物纤维床制备方法是通过下述步骤完成的：

步骤一、取新鲜的玉米秸秆，去皮取芯穰，切0.8cm长的小段，47g玉米秸秆芯段于高压蒸汽灭菌锅中121℃预处理50min，按1g：15ml的料液比加入浓度为0.15mol/L混合溶液A，搅拌15min；然后去离子水洗涤至洗液呈中性，过滤，弃去上清液，保留固体，待晾干后，自然干燥至恒重，得到载体；

其中，步骤一中混合溶液A是由MgO、MgCl₂和蒸馏水配置的，所述MgO的质量浓度为7.2％，所述MgCl₂的质量浓度为2.4％。

步骤二、将步骤一处理后芯穰通过折流板固定在SBBR(所述反应器的高：20cm，直径：18.5cm，有效体积：4L，液面高：15cm)内，共布设两层，每层布设2个折流板，第一层距离反应器顶部5cm，第二层距离反应器顶部9cm；

步骤三、通入猪废水(COD 5225mg/L；NH₄+-N 2117mg/L；TN 2625mg/L；TP 127mg/L)，接种藻类(接种量1000mg/m³)，光照(光强度3000lux，光照时间12h)，曝气(曝气量0.04m³/h)驯化一周，反应器运行过程中藻类总量控制在1000mg/m³；其中，所述藻类是由绿藻门和甲藻门组成；所述绿藻门是由小球藻属(Chlorella sorokiniana)、链带藻属(Desmodesmus sp.)和栅藻属(Scenedesmus armatus)组成，甲藻门是由海洋原甲藻(Prorocentrum micans)、微小卡罗藻(Karlodinium micrum)、血红哈卡藻(Akashiwosanguinea)组成。其中，小球藻属的相对含量为43.4％，链带藻属的相对含量为30.7％，栅藻属的相对含量为20.8％，海洋原甲藻的相对含量为1.8％，微小卡罗藻的相对含量为2.8％、血红哈卡藻的相对含量为0.5％。步骤四、接种污泥，污泥取自太平污水处理厂二沉池，接种污泥的MLSS浓度为渐进式，分别为2000mg/L,4000mg/L和6000mg/L。每个浓度梯度分别驯化15d，滗淅，即得到生物纤维床。

实施例2：本实施例与实施例1不同是：所述混藻取自养猪场周边静水塘的藻类。其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

采用下述实验验证发明效果：

分别平行运行三组反应器：#1SBR(未添加实施例1的所述载体填料和藻类)、#2SBBR(添加实施例1的所述载体填料，未添加藻类)、#3A-SBBR(添加实施例1所述载体填料，且添加1的所述藻类)，按实施例1方法进行驯化，然后强化处理猪废水脱氮除磷的方法是在上述反应器内依次进行进水、曝气、沉降和排水处理，处理过程的反应参数：循环周期为12h，SRT为20d，HRT为3d，进水时间为30min，空气的曝气量为0.04m³/h，曝气时间为10.5h/d，沉降时间为0.5h，排水时间30min，反应器运行过程中MLSS控制在6000mg/L。

实验结果表明COD去除率从#1的72.0％增加到#2的81.3％和#3的97.5％，TN去除率从#1的37.4％增加到#2的41.7％和#3的52.7％，TP去除率从#1的32.4％增加到#2的41.7％和#3的87.3％。

在反应器未接种污泥和未投加实施例1所述载体填料，其他条件一致时，考察混藻(混藻即实施例1所述藻类)和纯藻(链带藻属、小球藻属和栅藻属)对养猪废水的COD、TN和TP去除效果影响，如表1所示。

表1.未投加实施例1所述载体填料时，不同藻类对养猪废水中COD、TN和TP去除效果的影响

藻类	COD(％)	TN(％)	TP(％)
				混藻	89.5±5.1	22.7±3.1	62.7±5.2
链带藻属	83.5±3.9	15.4±4.2	49.8±4.3
				小球藻属	81.5±4.6	14.4±3.7	54.3±3.9
栅藻属	78.1±3.2	18.1±2.3	44.1±2.9

由表1可知，混藻更有利于去除养猪废水的COD、TN、和TP。

在反应器未接种污泥，投加实施例1所述载体填料和藻类，其他条件一致时，考察混藻(混藻即实施例1所述藻类)和纯藻(链带藻属、小球藻属和栅藻属)对养猪废水的COD、TN和TP去除效果影响，如表2所示。

表2.投加实施例1所述载体填料时，不同藻类对养猪废水中COD、TN和TP去除率的影响

藻类	COD(％)	TN(％)	TP(％)
				混藻	92.5±4.1	39.7±6.1	77.3±4.1
链带藻属	87.7±3.3	23.8±2.8	57.3±2.9
				小球藻	86.2±5.3	24.5±4.2	62.3±3.4
栅藻属	84.7±4.1	27.5±3.2	52.3±4.4

由表2可知，混藻的废水处理效果最好，与表1结论相比，表2结论证明实施例1所述载体填料的投加可有效强化废水中COD、TN和TP的去除效果。

表3为不同接种方式对COD、TN和TP去除率的影响，污泥取自污水处理厂二沉池，藻类取自养猪场周边静水塘(主要由绿藻门和少量的甲藻门组合)。接种方式分为：①首先采用BG11培养基富集藻类，随着藻类生物量的增加，养猪废水逐渐以一定比例加入至培养基中驯化藻类，直至养猪废水完全替代BG11培养基，藻类浓度达到1000mg/m³时，投加实施例1所述载体填料，接种污泥启动反应器；②利用实际养猪废水进行污泥驯化培养，直至COD和NH₄+-N去除率分别达到90％和80％时，接种1000mg/m³的藻类，投加实施例1所述载体填料启动反应器。

表3.反应器启动30天时，COD、TN和TP的去除率(％)

	COD	TN	TP
				①	94.5±4.1	45.7±6.1	80.3±4.1
②	90.7±3.7	40.5±5.2	71.1±3.8

由表3可知，采用方法①更有利于反应器的快速启动，菌藻共生体系的形成，COD、TP、TN的去除效果更好。

表4.藻类不同浓度对COD、TN和TP去除率的影响

	COD(％)	TN(％)	TP(％)
				800mg/m<sup>3</sup>	87.1±4.2	17.4±5.3	53.1±4.3
1000mg/m<sup>3</sup>	89.5±5.1	22.7±3.1	62.7±5.2
				1200mg/m<sup>3</sup>	90.2±3.6	20.8±4.7	61.3±5.6

由表4可知，混藻(混藻取自养猪场周边静水塘的藻类)浓度为1000mg/m³时，COD、TN和TP的去除效果最好。

造孔前后的数据(COD、TN和TP效果对比如表5所示)即秸秆芯改性前后，COD、TN和TP的去除效果，投加混藻，混藻(混藻取自养猪场周边静水塘的藻类)浓度为1000mg/m³。

表5.秸秆芯改性前后COD、TN和TP的去除率变化(％)

	COD	TN	TP
				秸秆芯改性前	91.2±3.2	37.1±4.9	71.5±3.8
秸秆芯改性后	97.5±4.1	52.7±6.1	87.3±4.1

由表5可知，秸秆芯改性更有利于藻附着，催化促进菌藻共生系统形成，提高养猪废水中COD、TN和TP的去除率。

Claims

1.菌藻附着型生物纤维床，其特征在于菌藻附着型生物纤维床是以玉米秸秆芯作为载体，在光照条件下，向猪废水接种藻类进行生化处理后，再接种二沉池活性污泥进行梯度浓度驯化而成；其中，所述藻类来自养猪场周边静水塘，或者是由绿藻门和甲藻门组成；

所述生化处理是在序批间歇式生物膜反应器（SBBR）内进行；

载体通过折流板固定在SBBR内，共布设两层，每层布设2个折流板，第一层距离反应器顶部5 cm，第二层距离反应器顶部9 cm；

所述的载体是经过下述步骤进行改性的：47 g玉米秸秆芯段于高压蒸汽灭菌锅中121℃预处理50 min，按1 g :15 ml的料液比加入浓度为0.15 mol/L混合溶液A，搅拌15 min；然后去离子水洗涤至洗液呈中性，过滤，弃去上清液，保留固体残渣，待晾干后备用；其中，所述混合溶液A是由MgO、MgCl₂和蒸馏水配置的，MgO 和MgCl₂的质量比为3:1。

2.根据权利要求1所述的菌藻附着型生物纤维床，其特征在于所述绿藻门是由小球藻属（Chlorella sorokiniana）、链带藻属（Desmodesmus sp.）和栅藻属（Scenedesmus armatus）组成，甲藻门是由海洋原甲藻（Prorocentrum micans）、微小卡罗藻（Karlodinium micrum）和血红哈卡藻（Akashiwo sanguinea）组成，其中，小球藻属的相对含量为43.4%，链带藻属的相对含量为30.7%，栅藻属的相对含量为20.8%，海洋原甲藻属的相对含量为1.8%，微小卡罗藻属的相对含量为2.8%、血红哈卡藻属的相对含量为0.5%。

3.权利要求1-2中任意一项所述的菌藻附着型生物纤维床的制备方法，其特征在于所述制备方法是通过下述步骤完成的：

步骤二、将步骤一得到的载体固定在反应器内；

步骤三、通入猪废水，接种藻类，光照条件下曝气驯化；

步骤四、然后接种二沉池污泥，梯度浓度驯化，滗淅；即得到生物纤维床。

4.根据权利要求3所述的菌藻附着型生物纤维床的制备方法，其特征在于步骤一中将芯穰切成0.8 cm～1 cm长的段。

5.根据权利要求3所述的菌藻附着型生物纤维床的制备方法，其特征在于步骤二中曝气驯化过程中藻类的量控制在800 mg/m³～1400 mg/m³；步骤二中猪废水进水的COD 控制在5000 mg/L～5500 mg/L、NH₄ ⁺-N控制在 2000 mg/L～2500 mg/L、总氮（TN）控制在 2500～3000 mg/L且总磷（TP）控制在 100 mg/L～150 mg/L；步骤二中曝气驯化时间为7 d～10 d；步骤二中每天在光强度为3000 lux～3500 lux条件进行光照12 h；步骤二中空气的曝气量为0.04 m³/h～0.10 m³/h。

6.根据权利要求3所述的菌藻附着型生物纤维床的制备方法，其特征在于步骤二中步骤三中接种二沉池污泥，接种污泥的混合液悬浮固体（MLSS）浓度依次为2000 mg/L～3000mg/L，4000 mg/L～5000 mg/L和6000 mg/L～7000 mg/L，每个浓度梯度驯化15 d～20 d。

7.如权利要求1或2所述的菌藻附着型生物纤维床强化处理猪废水脱氮除磷的方法，其特征在于所述处理猪废水脱氮除磷的方法是在反应器内依次进行进水、曝气、沉降和排水处理，处理过程的反应参数：循环周期为6 h～12 h，污泥停留时间（SRT ）为18 d～22 d，水利停留时间（HRT）为3 d～5 d，进水时间为15 min～30 min，空气的曝气量为0.04 m³/h～0.10 m³/h，曝气时间为9 h/d～12 h/d，沉降时间为0.25 h～0.5 h，排水时间15 min～30min。