CN110436622A - 一种固定化菌藻填料强化生物滤池及其污水处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种固定化菌藻填料强化生物滤池及其污水处理的方法，包括带有第一填料层的DN池与带有第二填料层的CN池，DN池与CN池前后布设；所述DN池中设有上支撑板与下支撑板，第一填料层置于上支撑板与下支撑板之间；所述第一填料层中设有交互布置的固定化菌藻填料挂架与厌氧生物填料挂架，两种挂架上分别布设有固定化菌藻填料与厌氧生物填料；所述CN池中设有承托层，第二填料层置于承托层上；所述第二填料层从下往上分别铺设好氧填料层和固定化菌藻填料包层。本发明采用固定化菌藻填料强化生物滤池，构建固定化菌藻填料耦合系统，优化微生物群落结构，增强微生物降解污染物效果，提高污水处理负荷，增强系统耐负荷冲击及抗抑制性，解决了生物滤池易堵塞的难题。

Description

一种固定化菌藻填料强化生物滤池及其污水处理的方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种固定化菌藻填料强化生物滤池及其污水处理的方法。
背景技术
目前，国内外城市污水处理厂处理工艺大都采用一级处理和二级处理。一级处理是采用物理方法，主要通过格栅拦截、沉淀等手段去除废水中大块悬浮物和砂粒等物质。这一处理工艺国内外都已成熟，差别不大。二级处理则是采用生化方法，主要通过微生物的生命运动等手段来去除废水中的悬浮性、溶解性有机物以及氮、磷等营养盐。目前，生物膜处理工艺有多种方法，归结起来，有代表性的工艺主要有生物滤池(普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池、曝气生物滤池)、生物转盘、生物接触氧化设备和生物流化床等工艺。
生物滤池由于其占地面积小、维护费用低、易操作、运行管理方便灵活等优点，已广泛应用于污水脱氮处理。生物滤池的处理效率受很多因素影响，其中填料是生物滤池最核心也是最基本的组成部分，是污水处理效果的最主要承担者，填料的筛选、改进和合理配置是关系到这一技术能否正常发挥污染治理效能的关键。现有研究表明，每种填料的性能千差万别，但所选用的填料一般应具备以下几个特点：质轻，有足够的机械强度，比表面积大，孔隙率高，属多孔惰性载体，不含有害于人体健康和妨碍工业生产的有害物质，化学稳定性良好，吸附能力强，工作周期长等等。
填料粒径的大小影响生物滤池的水力传导性，直接关系到滤池的孔隙率和污染物在湿地中的停留时间；填料粒径越小处理效果越好，但填料粒径较小时，滤池容易堵塞，运行周期相对较短，需频繁反冲洗，且不易发挥。生物滤池填料的密度大小关系到生物滤池反冲洗强度的大小，密度越大，反冲洗强度越大，则需要的能量消耗越大。填料层的厚度是决定人工湿地处理效果的重要参数，会影响到湿地系统内部的溶氧环境，在一定范围内，增加滤层高度可提高滤池的处理效果保证出水水质，但同时增加的污水提升扬程和反冲洗强度，将导致能耗升高。一般须依据所栽种植物的种类及其根系生长的最大深度确定，以保证湿地床中必要的好氧条件。
基于此，寻找一种可增强微生物去除污染物效果，提高污水处理负荷，缩短水力停留时间，增强系统耐负荷冲击及抗抑制性的填料，重点解决生物滤池易堵塞的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种固定化菌藻填料强化生物滤池及其污水处理的方法，优化微生物菌落结构，增强微生物降解污染物的效果，提高污水处理负荷，缩短水力停留时间，并解决生物滤池易堵塞的问题。
为实现上述技术目的，本申请采取的技术方案为：一种固定化菌藻填料强化生物滤池，包括带有第一填料层的DN池(反硝化池简称DN池)与带有第二填料层的CN池(硝化池简称CN池)，DN池与CN池前后布设；所述DN池中设有上支撑板与下支撑板，第一填料层置于上支撑板与下支撑板之间；所述CN池中设有承托层，第二填料层置于承托层上；其特征在于，所述第一填料层中设有交互布置的固定化菌藻填料挂架与厌氧生物填料挂架，两种挂架上分别布设有固定化菌藻填料与厌氧生物填料，体积比介于1:(1～3)；第二填料层包括从下往上分别装填好氧填料层和固定化菌藻填料包层，两者体积比介于1:(1～4)。
作为本申请改进的技术方案，固定化菌藻填料包括如下物质所形成的含菌藻凝胶：菌类细胞浓缩液、吸附剂与固定剂；
其中，菌类细胞浓缩液包括好氧菌细胞浓缩液或厌氧反硝化菌细胞浓缩液；
吸附剂包括藻粉、二氧化硅或活性炭中的一种或任意质量比的多种；
固定剂包括壳聚糖、聚乙烯醇、海藻酸钠中的一种或任意质量比的多种。
作为本申请改进的技术方案，固定化菌藻的制备包括如下步骤：混合菌类细胞浓缩液、吸附剂与固定剂制备成混合液，吸附剂的质量占据含菌凝胶质量的1％-2％；采用溶液固化混合液，形成菌藻固定化胶球；溶液的用量为1-3mol/L；将菌藻固定化胶球于0-4℃的冰箱中固化交联至少24h得到含菌藻凝胶；在固定剂选用壳聚糖时，溶液选用碱液；在固定剂选用聚乙烯醇时，溶液选用硫酸盐；在固定剂选用海藻酸钠时，溶液选用CaCl2。
作为本申请改进的技术方案，好氧菌浓缩液的培养包括如下步骤：将取自污水处理厂二沉池的活性污泥自然沉降后，得到含水率约为60％的污泥，将其加入培养液中曝气，每12h停止曝气2h，每3d换一次培养液，培养完成后，取活性污泥，曝气后沉淀，过滤去除杂物，然后在3500r/min下离心10min，于4℃下保存备用；其中，培养液组分为：0.5g/L葡萄糖，97.98mg/L NH4Cl，2.19mg/L KH2PO4，0.03mg/L FeCl3·6H2O，3.44mg/L NaCl与2.81mg/L MgSO4·7H2O。
作为本申请改进的技术方案，厌氧反硝化菌浓缩液的培养包括如下步骤：将取自污水处理厂厌氧池的活性污泥自然沉降后，在10℃的低温条件下采用厌氧-缺氧运行方式，富集期间不排泥，厌氧段加入含COD为250mg/L的配水；缺氧段加入含硝酸盐的配水，硝氮浓度控制在60mg/L；连续驯化，水力停留时间为8h，每个周期进水两次排水，注水比0.67，直到脱氮率均达到80％以上；选取10ml实验室驯化好的反硝化污泥加入250ml的三角瓶中，再加入90ml去离子水及3～5颗玻璃珠，充分震荡后取上述混合液10ml加入牛肉膏蛋白胨培养基中进行预培养，培养条件为10℃、140r/min、24h，连续培养三代；以8000r/min的转速离心菌群，用无菌蒸馏水洗涤后，接1ml/L菌体于富磷培养基中；然后装入密闭容器中，30℃下摇床中扩大培养，进行吸磷试验，培养24h时后，各取10ml菌液，离心测定菌群的吸磷率；连续培养直到脱氮率均达到80％以上，菌群驯化完成。
作为本申请改进的技术方案，CN池底铺有粒径25-50mm的鹅卵石承托层，固定化菌藻填料尼龙袋平铺于鹅卵石承托层之上，形成固定化菌藻填料包层，然后从下往上分别装填好氧填料层和固定化菌藻填料包层；好氧填料层采用15-25mm粒径的填料装填，固定化菌藻填料包层205采用每层固定间隔5-10cm和不固定间隔方式轮流摆放固定化菌藻尼龙袋，空隙用15-25mm粒径的好氧填料填充。
作为本申请改进的技术方案，DN池中，固定化菌藻填料挂架和厌氧生物填料挂架，两者间隔6-8cm摆放；兵器固定化菌藻填料挂架每层挂有3-5包，呈三角形、菱形、五角形布置。
本申请的另一目的是提供一种固定化菌藻填料强化生物滤池的污水处理方法，包含以下步骤：
第一步：通过预处理步骤对进水水质处理；
第二步：将进水通入DN池的罐体的底部进水管，污水自下而上上升，经过固定化菌藻填料中大量富集的反硝化厌氧菌的作用，在池体内发生反硝化反应，将硝态氮转换成氮气散于空气中；
第三步：DN池出水进入CN池底部，污水上升经过好氧反应区的生物滤料层，同时曝气管对污水进行曝气，实现气水平行上升；经过固定化菌藻填料中大量富集的好氧菌的氧化作用，有效降解大量有机物，将有机氮和铵态氮转换成硝态氮；
第四步：处理后出水通过CN池顶部排水管排出罐体，部分出水通过回流管汇入DN池进水管；CN池的回流比为100％-300％；CN池曝气的气水比为3:1-5:1。
作为本申请改进的技术方案，还包括反冲洗步骤，以气/水联合方法，自下而上对CN池生物滤料进行反冲洗，然后通过顶部的反冲洗排水管排出反冲洗水；采用排放剩余污泥方法来反洗DN池的厌氧生物填料；DN池反冲洗强度不大于5L/(s·m2)，持续时间5-8min；CN池反冲洗水强度为12-15L/(s·m2)，气强度为14-17L/(s·m2)，反冲洗持续时间8-10min。
本发明有益的技术效果在于：
1、本发明采用固定化菌藻强化生物滤池性能的必要性：
本工艺将固定化技术和废水处理技术有机结合，利用藻类来源广泛且易获取的优势，将菌类强大的污染物降解能力与藻粉对污水中氮、磷营养物和有机物的吸附去除功效有效结合。采用固定化菌藻，代替传统生物滤池中的部分填料，构建固定化菌藻填料耦合系统，改变细胞游离的存在形式，优化微生物群落结构，增强微生物降解污染物效果，提高污水处理负荷，缩短水力停留时间，增强系统耐负荷冲击及抗抑制性，重点解决生物滤池易堵塞的难题。
2、固定化菌藻填料耦合系统具有以下几点创新：
(1)本项目采用藻粉与菌类进行固定化处理，其原因是藻细胞经过固定化后，其生长、形态、新陈代谢等都可能发生变化，而藻粉可以不受高浓度毒物的影响，因此在实际废水处理中具有一定的优势。
(2)将固定化菌藻应用于生物滤池填料系统，能纯化和保护高效细菌种类，处理负荷高，水力停留时间进一步缩短，体系耐负荷冲击及抗抑制性大为增强；在碳源不足的情况下，藻粉及其吸附的有机物可提供一部分碳源，减少外加碳源量，保证了整个工艺的稳定持续运行。
(3)相较于其他工艺的二级处理，本工艺生物滤池因固定化菌藻中存在高生物活性的菌种，在污水处理前期便具有较高的污染物去除效率，且由于高效菌种的存在能促进周围填料生物膜的形成和生长，相对缩短了生物膜的成长时间。
(4)固定化菌藻的高分子材料外壳，具有较强的吸水性和透水性，在传统填料发生堵塞时，污水仍然能通过固定化小球流出，延长反冲洗时间；另外，固定化外壳将菌藻限制在一定范围内，避免了生物膜任意生长，也缓解了生物滤池的堵塞程度。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，在附图中：
图1前置反硝化生物滤池工艺图；
图2本文中涉及的DN池系统剖面图；
图3DN池进水管(进水口)侧剖面图；
图4传统DN池系统剖面图；
图5传统DN池进水管(进水口)侧剖面图；
图6本文中涉及的CN池系统剖面图；
图7本文中涉及的CN池进水管(进水口)侧剖面图；
图8传统CN池系统剖面图；
图9传统CN池进水管(进水口)侧剖面图。
附图中附图标记如下：
DN池系统：101、配水槽；102、上滤料支撑板；103下滤料支撑板；104、进水管；105、固定化菌藻填料挂架；106、厌氧生物填料挂架；107、长柄滤头；108、反冲洗进水管；109、反冲洗排水口；110、正常排水口；净化池111；
CN池系统：201、配水槽；202、承托层；203、滤料支撑板；204、进水管；205、固定化菌藻填料包层；206、好氧填料层；207、曝气管；208、长柄滤头；209、反冲洗进水管；210、反冲洗进气管；211、反冲洗排水口；212、正常排水口。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
一种固定化菌藻填料强化生物滤池，包括带有第一填料层的DN池与带有第二填料层的CN池；DN池与CN池前后布设；所述DN池中设有上支撑板与下支撑板，第一填料层置于上支撑板与下支撑板之间；所述CN池中设有承托层，第二填料层置于承托层上；其特征在于，所述第一填料层中设有交互布置的固定化菌藻填料挂架与厌氧生物填料挂架，两种挂架上分别布设有固定化菌藻填料与厌氧生物填料，体积比介于1:(1～3)；第二填料层包括从下往上分别装填好氧填料层和固定化菌藻填料包层，两者体积比介于1:(1～4)。
具体分解为：一种用于生物滤池的固定化菌藻填料，包括如下物质所形成的含菌藻凝胶：菌类细胞浓缩液、吸附剂与固定剂；其中，菌类细胞浓缩液包括好氧菌细胞浓缩液和厌氧反硝化菌细胞浓缩液；吸附剂包括藻粉、二氧化硅或活性炭中的一种或任意质量比的多种；固定剂包括壳聚糖、聚乙烯醇、海藻酸钠中的一种或任意质量比的多种。
本申请的固定化菌藻填料制备方式分别取一定体积的菌类细胞浓缩液(好氧菌或者厌氧反硝化菌)和一定质量的藻粉、二氧化硅或活性炭进行混合，然后加入到壳聚糖(CTS)、聚乙烯醇(PVA)、海藻酸钠单独溶液中或者混合溶液中搅拌均匀，形成含菌藻的凝胶。
具体的含菌藻凝胶的制备包括如下步骤：混合菌类细胞浓缩液、吸附剂与固定剂制备成混合液；采用溶液固化混合液，形成菌藻固定化胶球；溶液的用量为1-3mol/L，本实施例选用2mol/L；将菌藻固定化胶球于0-4℃的冰箱中固化交联至少24h得到含菌藻凝胶；在固定剂选用壳聚糖时，溶液选用碱液；在固定剂选用聚乙烯醇时，溶液选用硫酸盐；在固定剂选用海藻酸钠时，溶液选用CaCl2。吸附剂的质量占据含菌凝胶质量的1％-2％。固定剂溶液的浓度一般是(2g～5g)/100mL，固定剂溶液体积：菌类细胞浓缩液体积＝3:1～5:1。
下面给出一个具体制备方法的示例：一种固定化菌藻，制备方式为称取一定量的海藻酸钠，配置成5％的海藻酸钠载体溶液300mL，将1％的活性炭和2％的藻粉(凝胶的质量百分比)加入到100mL的菌类细胞浓缩液(好氧菌或者厌氧反硝化菌)中进行吸附10min，然后加入到海藻酸钠溶液中搅拌均匀，形成含菌藻的凝胶，静止释放出气泡。用5-10ml注射器吸取一定量的上述混合液，套上12号针头，滴入距离20cm处预冷的CaCl2溶液，即形成一定数量的3-5mm菌藻固定化胶球，然后放在0-4℃的冰箱中固化交联24h后备用。
好氧菌的培养按如下步骤进行：将取自污水处理厂二沉池的活性污泥自然沉降后，得到含水率约为60％的污泥，将其加入自配的培养液中曝气，每12h停止曝气2h，每3d换一次培养液。培养液组分为：0.5g/L葡萄糖，97.98mg/L NH4Cl，2.19mg/L KH2PO4，0.03mg/LFeCl3·6H2O，3.44mg/L NaCl，2.81mg/L Mg SO4·7H2O。培养完成后，取活性污泥，曝气后沉淀，过滤去除杂物，然后在3500r/min下离心10min，于4℃下保存备用。
厌氧反硝化菌的培养按如下步骤进行：将取自污水处理厂厌氧池的活性污泥自然沉降后，在低温条件下(10℃)采用厌氧-缺氧运行方式，水力停留时间为8h，每个周期两次进水两次排水，注水比0.67。富集期间不排泥，厌氧段加入只含COD为250mg/L的配水，缺氧段加入含硝酸盐的配水，硝氮浓度控制在60mg/L。连续驯化，直到脱氮率均达到80％以上。选取10ml实验室驯化好的反硝化污泥加入250ml的三角瓶中，再加入90ml去离子水及3～5颗玻璃珠。在摇床中充分震荡以打碎活性污泥。充分震荡后取上述混合液10ml加入牛肉膏蛋白胨培养基中进行预培养，培养条件为10℃，140r/min，24h，连续培养三代。以8000r/min的条件离心菌群，用无菌蒸馏水洗涤后，接1ml/L菌体于富磷培养基中；然后装入密闭容器中，30℃下摇床中扩大培养，进行吸磷试验，培养24h时后，各取10ml菌液，离心测定菌群的吸磷率。连续培养直到脱氮率均达到80％以上，菌群驯化完成。
实验所用蛋白核小球藻粉和微绿球藻粉均购自中国科学院武汉水生生物研究所。
进一步地，固定化菌藻采用正交试验，比较不同组合方式形成的菌藻固定化小球(固定化菌藻填料/固定化小球)传质性、稳定性及对废水处理效果：
(1)取等量经稀释的惰性红墨水于干净烧杯中，加入一定质量菌藻固定化小球，室温条件下，在150r/min的磁力搅拌器上搅拌，进行吸附实验，每隔2min取球菌藻固定化小球切片，观察红墨水渗透到菌藻固定化小球内部的情况，考察菌藻固定化小球的传质效果。
(2)将固定化小球置于无菌水中，在温度37℃，振荡频率150r/min，振幅30mm条件下连续振荡24h，观察固定化小球的包埋效果以及颗粒的破损，变形程度等，用分光光度计测定溶液吸光度，以考察溶液中藻的浓度，考察固定化小球的稳定性。
(3)用固定化菌藻小球处理模拟废水。每4h取水样测定COD、NH3-N、PO43--P浓度，各浓度值均测量3次，取其平均值。每12h为1个周期，每周期末将模拟废水全部排出，重新加入新的模拟废水，分别进行4个周期。使用高锰酸铬标准法测定COD，纳氏试剂比色法测定氨氮的浓度，HI83200多参数光度计(HANNA，意大利)测定磷的浓度，考察固定化小球对废水的处理效果。
优化后的固定化菌藻具有耐酸、耐腐、耐温和耐老化的特性，能保证在污水处理过程中稳定、高效地去除污染物。
具体应用时，如图1所示的传统的前置反硝化生物滤池工艺包括依次设置的水解池、生物滤池(包括反硝化段(DN池1)与硝化段(CN池2))以及清水池，其中，水解池提供待处理废水、生物滤池中硝化段经过曝气处理后流至清水池；清水池的清水回流向上冲击能够洗涤生物滤池；清水池中处理残留的混合液回流至生物滤池的入口。
其中传统的DN池1剖面图如图4-5所示，包括依次设置的配水槽101、净化池111、正常排水口110、反冲洗排水口109、反冲洗进水管108；配水槽101通过管道连通于净化池111的下端进水管104，用于为净化池供水；反冲洗进水管108连接于净化池111底部的进水口，用于净化池111的反冲洗；反冲洗排水口109与正常排水口110依次设于净化池111顶部的一端，并低于净化池111正常水位；净化池底部位于进水管104上方设有下滤料支撑板103，下滤料支撑板103上设有长柄滤头107；净化池111中竖向布设有若干个厌氧生物填料挂架106(内置有用于净化水的有机高分子材料)，位于净化池正常水位的下方设有上滤料支撑板102，厌氧生物填料挂架悬挂于上滤料支撑板102与下滤料支撑板103之间。
如图2-3本文中，改进了填料结构，装有固定化菌藻填料尼龙袋与厌氧生物填料分别悬挂于DN池1中，即厌氧生物填料挂架106和固定化菌藻填料挂架105，两者体积比可为1:1～3:1，间隔6-8cm摆放，固定化菌藻填料挂架每层挂有3-5包，呈三角形、菱形和五角形布置。
图8-9为传统结构的CN池2，从下至上依次设置滤料支撑板203、承托层202、好氧填料层206；滤料支撑板203下方为CN池2进水区；配水槽201通过进水管204连通于CN池2的进水区；进水区还设有反冲洗进水管209，反冲洗进气管210；承托层202铺设于滤料支撑板203上，为粒径25-50mm的鹅卵石；承托层202中嵌有长柄滤头208与曝气管207；好氧填料层206铺设于承托层202上；好氧填料层206上方为出水区，设有反冲洗排水口211与正常排水口212。
图6-7绘示的为本申请中的CN池2，改进了填料结构，装有固定化菌藻填料的尼龙袋平铺于CN池池底鹅卵石承托层202之上，形成固定化菌藻填料包层，然后从下往上分别装填好氧填料层206和固定化菌藻填料包层205，两者体积比可为1:1～1:4；好氧填料206采用15-25mm粒径的填料装填，固定化菌藻填料包层205采用每层固定间隔5-10cm和不固定间隔方式轮流摆放固定化菌藻尼龙袋，空隙用15-25mm粒径的好氧填料填充。
一种固定化菌藻填料强化生物滤池的污水处理方法，包含以下步骤：
第一步：通过预处理步骤对进水水质进行调整；
第二步：将进水通入DN池1(厌氧反硝化生物滤池)的罐体的底部进水管104，污水自下而上上升，经过固定化菌藻填料中大量富集的反硝化厌氧菌的作用，在池体内发生反硝化反应，将硝态氮转换成氮气散于空气中，实现脱氮；。
第三步：DN池1出水进入CN池2(好氧硝化生物滤池)底部，污水上升经过好氧反应区的生物滤料层，同时曝气管207对污水进行曝气，实现气体水平行上升；经过固定化菌藻填料中大量富集的好氧菌的氧化作用，有效降解大量有机物，将有机氮和铵态氮转换成硝态氮；
第四步：处理后出水通过CN池2顶部排水管排出罐体，部分出水通过回流管汇入DN池1进水管104；CN池2的回流比为100％-300％，CN池2曝气的气水比为3:1-5:1。
第五步：反冲洗工艺：以气/水联合方法，自下而上对CN池2生物滤料进行反冲洗，然后通过顶部的反冲洗排水管排出反冲洗水；采用排放剩余污泥方法来反洗DN池1的厌氧生物填料挂架106。
进一步地，一般情况下DN池1反冲洗强度不大于5L/(s·m2)，持续时间5-8min；CN池2反冲洗水强度为12-15L/(s·m2)，气强度为14-17L/(s·m2)，反冲洗持续时间8-10min。
CN池2和DN池1均采用上向流，其原因有：
(1)能避免悬浮物集中在填料层中，加大填料纳污率，延长反冲洗间隔时间；
(2)与下向流过滤相反，上向流过滤维持在整个滤池高度上提供正压条件，可以更好的避免形成沟流或短流，从而避免通过形成的沟流影响过滤工艺而形成的气阱。
CN池2同时采用气水平行上升，好处如下：
(1)可使气水进行极好均分，防止气泡在滤料层中凝结核气堵现象，氧的利用率高，能耗低；
(2)使空间过滤能被更好的运用，空气能将固体物质带入滤床深处，在滤池中能得到高负荷、均匀的固体物质，从而延长了反冲洗周期，减少清洗时间和清洗时用的气水量；
(3)滤料层对气泡的切割作用使气泡在滤池中的停留时间延长，提高了氧的利用。
实施例：
以某前置反硝化生物滤池为例，污水经过预处理后，由进水管104进入DN池1底部，污水自下而上上升，在缺氧区填料层内发生前置反硝化反应；DN池1出水进入CN池2底部，污水上升经过好氧反应区的生物滤料层，同时曝气管207对上部好氧区进行曝气，实现气水平行上升。处理后出水通过顶部排水管排出滤池，部分出水通过回流管汇入DN池底部进水管104，回流比为100％，这样做一可避免堵塞，二可对污水进行稀释和加大水力表面负荷。
固定化菌藻填料生物滤池采用传统填料(如轻质陶粒、有机高分子填料)和100mm×50mm固定化菌藻尼龙袋(DN池使用厌氧反硝化菌，CN池使用好氧菌)组合装填。由于CN池2与DN池1污染物的去除功效不同，填料的装填方式也有差异。CN池2采用依靠填料自身重力的方式将填料平铺在池底，而DN池1采用悬挂有机高分子材料和固定化菌藻尼龙袋的方式将填料固定在池中。
DN池1内部悬挂多组厌氧生物填料挂架106和固定化菌藻填料挂架105，两者体积比为2:1，且间隔6-8cm摆放。厌氧生物填料挂架106采用耐腐、耐温、耐老化的有机高分子材料聚烯烃类和聚酰胺，混合以亲水、吸附、抗热氧等助剂，采用特殊的拉丝、丝条制毛工艺，将丝条穿插固着在耐腐、高强度的中心绳上，由于选材和工艺配方精良，刚柔适度，使丝条呈立体均匀排列辐射状态，制成了悬挂式立体弹性填料的单体。固定化菌藻填料挂架105由若干个固定化菌藻尼龙袋自上而下依次悬挂在中心绳上，每层挂有3包，呈三角形布置。两种填料在有效区域内均匀分布，使气、水、生物膜得到充分混渗接触交换。污水在经过此部分时，反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出分子态氮(N2)或一氧化二氮(N2O)。
CN池2承托层203由鹅卵石组成，鹅卵石粒径2-6cm，密度2.65g/cm3，从下往上分别装填一定厚度的好氧填料层206(以轻质陶粒为例)和固定化菌藻填料包层205，两者体积比为1:2。固定化菌藻填料包层205采用每层固定间隔5-10cm和不固定间隔方式轮流摆放固定化菌藻尼龙袋，空隙用15-25mm粒径的好氧填料填充。轻质陶粒主要成份为硅酸盐，物化性能强，特别适合于微生物在其表面生长、繁殖，形成生物膜，轻质陶粒层采用15-25mm粒径的轻质陶粒装填，装填厚度为30mm。CN池2曝气的气水比为5:1，能将污水DO最高提高到3.22mg/L。污水经过此部分时，好氧菌在好氧条件下，高效氧化降解有机物，将氨氮转化成亚硝态氮和硝态氮。
由于生物滤池采用的是固定床滤料，不仅滤料的表面附着生物膜起到接触氧化作用，而且滤料自身的大量微孔起到了过滤作用，经一定时间的运行，死亡的生物膜脱落、滤料底层由于过滤作用，微孔被堵塞，此时应采取反冲洗措施，提高生物滤料的活性。由于DN池1与CN池2填料材质、密度的区别，为达到最佳生物活性，采取一定强度的反洗水力负荷十分重要，强度小则留存污泥，造成运行阻塞，强度大则造成微生物被冲刷过度生物量降低。DN池1反洗可采用剩余污泥排泥时水冲洗方法，反冲洗强度为4L/(s·m2)，持续时间5min。CN池2反洗采用气/水联合方法，反冲洗水强度为12L/(s·m2)，气强度为14L/(s·m2)，反冲洗持续时间8min。
当二段生物滤池分别采用传统填料和固定化菌藻填料耦合系统(本申请固定化菌藻填料强化生物滤池)时，保持主要构筑物规模不变，考察污水处理效果。两者实施效果见表1(括号中的数值为采用本申请固定化技术后生物滤池的处理效果)。
表1污水处理效果
从表中可以看出，进水水质较差，各项指标均较高。由于生物滤池本身具有截流固体颗粒的作用，因此水中的SS去除效果较高。生物滤池采用固定化菌藻填料系统时，污水处理效果较传统填料均提高，尤其COD、SS和NH3-N的去除率达到90％左右。同理，若要取得同样的处理效果，采用固定化微生物技术的生物滤池可处理更大的污水量，提高生物滤池表面负荷，缩短水力停留时间，减少时间成本；或者可缩小生物滤池的构造规模，减少建设成本和运营成本；亦或者降低深度处理设施的建设和运营成本。
相较于其他工艺的二级处理，本工艺生物滤池因固定化菌藻中存在高生物活性的菌种，在污水处理前期具有较高的污染物去除效率，且由于高效菌种的存在能促进周围填料生物膜的形成和生长，相对缩短了生物膜的成长时间。另外，固定化菌藻的高分子材料外壳，具有较强的吸水性和透水性，在传统填料发生堵塞时，污水仍然能通过固定化小球流出，延长反冲洗时间；且固定化外壳将菌藻限制在一定范围内，避免了生物膜任意生长，也缓解了生物滤池的堵塞程度。
本工艺将固定化技术和废水处理技术有机结合，将固定化微生物填料耦合系统应用于二级处理生物滤池，改变细胞游离的存在形式，纯化和保护高效菌种，优化微生物群落结构，利用菌类强大的污染物降解能力和对污水中氮、磷营养物的吸附去除功效，以及结合固定化小球的传质性和柔韧性，增强微生物降解污染物效果，提高污水处理负荷，缩短水力停留时间，增强系统耐负荷冲击及抗抑制性，重点解决生物滤池易堵塞的难题。

Claims (9)

1.一种固定化菌藻填料强化生物滤池，包括带有第一填料层的DN池与带有第二填料层的CN池，DN池与CN池前后布设；所述DN池中设有上支撑板与下支撑板，第一填料层置于上支撑板与下支撑板之间；所述CN池中设有承托层，第二填料层置于承托层上；其特征在于，所述第一填料层中设有交互布置的固定化菌藻填料挂架与厌氧生物填料挂架，两种挂架上分别布设有固定化菌藻填料与厌氧生物填料，体积比介于1:(1～3)；第二填料层包括从下往上分别装填好氧填料层和固定化菌藻填料包层，两者体积比介于1:(1～4)。
2.根据权利要求1所述的一种固定化菌藻填料强化生物滤池，其特征在于，固定化菌藻填料包括如下物质所形成的含菌藻凝胶：菌类细胞浓缩液、吸附剂与固定剂；
其中，菌类细胞浓缩液包括好氧菌细胞浓缩液或厌氧反硝化菌细胞浓缩液；
吸附剂包括藻粉、二氧化硅或活性炭中的一种或任意质量比的多种；
固定剂包括壳聚糖、聚乙烯醇、海藻酸钠中的一种或任意质量比的多种。
3.根据权利要求1或2所述的一种固定化菌藻填料强化生物滤池，其特征在于，固定化菌藻的制备包括如下步骤：混合菌类细胞浓缩液、吸附剂与固定剂制备成混合液，吸附剂的质量占据含菌凝胶质量的1％-2％；采用溶液固化混合液，形成菌藻固定化胶球；溶液的用量为1-3mol/L；将菌藻固定化胶球于0-4℃的冰箱中固化交联至少24h得到含菌藻凝胶；在固定剂选用壳聚糖时，溶液选用碱液；在固定剂选用聚乙烯醇时，溶液选用硫酸盐；在固定剂选用海藻酸钠时，溶液选用CaCl2。
4.根据权利要求2所述的一种固定化菌藻填料强化生物滤池，其特征在于，好氧菌浓缩液的培养包括如下步骤：将取自污水处理厂二沉池的活性污泥自然沉降后，得到含水率约为60％的污泥，将其加入培养液中曝气，每12h停止曝气2h，每3d换一次培养液，培养完成后，取活性污泥，曝气后沉淀，过滤去除杂物，然后在3500r/min下离心10min，于4℃下保存备用；其中，培养液组分为：0.5g/L葡萄糖，97.98mg/L NH4Cl，2.19mg/L KH2PO4，0.03mg/LFeCl3·6H2O，3.44mg/L NaCl与2.81mg/L Mg SO4·7H2O。
5.根据权利要求2所述的一种固定化菌藻填料强化生物滤池，其特征在于，厌氧反硝化菌浓缩液的培养包括如下步骤：将取自污水处理厂厌氧池的活性污泥自然沉降后，在10℃的低温条件下采用厌氧-缺氧运行方式，富集期间不排泥，厌氧段加入含COD为250mg/L的配水；缺氧段加入含硝酸盐的配水，硝氮浓度控制在60mg/L；连续驯化，水力停留时间为8h，每个周期进水两次排水，注水比0.67，直到脱氮率均达到80％以上；选取10ml实验室驯化好的反硝化污泥加入250ml的三角瓶中，再加入90ml去离子水及3～5颗玻璃珠，充分震荡后取上述混合液10ml加入牛肉膏蛋白胨培养基中进行预培养，培养条件为10℃、140r/min、24h，连续培养三代；以8000r/min的转速离心菌群，用无菌蒸馏水洗涤后，接1ml/L菌体于富磷培养基中；然后装入密闭容器中，30℃下摇床中扩大培养，进行吸磷试验，培养24h时后，各取10ml菌液，离心测定菌群的吸磷率；连续培养直到脱氮率均达到80％以上，菌群驯化完成。
6.根据权利要求1所述的一种固定化菌藻填料强化生物滤池，其特征在于，CN池池底铺有粒径25-50mm的鹅卵石承托层，固定化菌藻填料尼龙袋平铺于鹅卵石承托层之上，形成固定化菌藻填料包层，然后从下往上分别装填好氧填料层和固定化菌藻填料包层；好氧填料层采用15-25mm粒径的填料装填，固定化菌藻填料包层205采用每层固定间隔5-10cm和不固定间隔方式轮流摆放固定化菌藻尼龙袋，空隙用15-25mm粒径的好氧填料填充。
7.根据权利要求1所述的一种固定化菌藻填料强化生物滤池，其特征在于，DN池中的固定化菌藻填料挂架和厌氧生物填料挂架，两者间隔6-8cm摆放；固定化菌藻填料挂架每层挂有3-5包，呈三角形、菱形、五角形布置。
8.一种如权利要求1-7任一所述的固定化菌藻填料强化生物滤池的污水处理方法，其特征在于，包含以下步骤：
第一步：通过预处理步骤对进水水质处理；
第二步：将进水通入DN池的罐体的底部进水管，污水自下而上上升，经过固定化菌藻填料中大量富集的反硝化厌氧菌的作用，在池体内发生反硝化反应，将硝态氮转换成氮气散于空气中；
第三步：DN池出水进入CN池底部，污水上升经过好氧反应区的生物滤料层，同时曝气管对污水进行曝气，实现气水平行上升；经过固定化菌藻填料中大量富集的好氧菌的氧化作用，有效降解大量有机物，将有机氮和铵态氮转换成硝态氮；
第四步：处理后出水通过CN池顶部排水管排出罐体，部分出水通过回流管汇入DN池进水管；CN池的回流比为100％-300％；CN池曝气的气水比为3:1-5:1。
9.根据权利要求8所述的一种基于固定化菌藻填料的污水处理方法，其特征在于，还包括反冲洗步骤，以气/水联合方法，自下而上对CN池生物滤料进行反冲洗，然后通过顶部的反冲洗排水管排出反冲洗水；采用排放剩余污泥方法来反洗DN池的厌氧生物填料；DN池反冲洗强度不大于5L/(s·m2)，持续时间5-8min；CN池反冲洗水强度为12-15L/(s·m2)，气强度为14-17L/(s·m2)，反冲洗持续时间8-10min。
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