CN110451643B - 一种提高多级a/o处理低温市政污水效果的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高多级A/O处理低温市政污水效果的方法，属于污水处理领域。本发明在多级A/O好氧段和厌氧段分别添加厌氧氨氧化菌胞外聚合物(LB‑EPS)，促进多级A/O生物膜的形成、更替，提高其对低温市政污水的处理能力。主要创新点在于将絮凝性更好，且含AHLs类信号分子的厌氧氨氧化细菌松散附着型胞外聚合物(LB‑EPS)投加到多级A/O反应器内。此方法既可有效提高其对低温市政污水处理效果，又不会对厌氧氨氧化细菌和多级A/O工艺中微生物种群造成伤害，而且简单易行，效果持久。

Description

一种提高多级A/O处理低温市政污水效果的方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，尤其涉及一种提高多级A/O处理低温市政污水效果的方法
背景技术
我国水污染和水资源短缺问题日益加重，而多级A/O作为一种传统水处理方法，通过将进水负荷分成若干等分，分别进入各级缺氧段，从而有效去除污水中的有机物和含氮污染物。与传统活性污泥工艺相比，多级A/O具有以下优点：
(1)对氧气利用更加合理：多级A/O间断曝气造成的非稳态环境使污泥处于“饥饱”交替状态，有助于提升氧利用率；
(2)有机负荷更均衡：分段进水使有机负荷均匀分布，从而减少供氧速率与耗氧速率差距；
(3)能为脱N提供足够碳源：各级缺氧区均进入部分原水，为反硝化提供碳源，使反硝化菌充分利用污水中易降解碳源进行反硝化脱氮，另外，由于在缺氧区消耗大量COD,使进入好氧区的碳源减少，有利于好氧区自养硝化菌的生长；
(4)抗冲击负荷能力更强：由于分段进水的流量分割作用和较高的污泥浓度，因此在进水水质和环境变化时，可灵活调整运行方式，较好地承载冲击负荷；
(5)节省池容，降低成本：由于采用分段进水，反应器内污泥存在浓度梯度，污泥浓度逐级减少，在最后一级污泥浓度和传统活性污泥工艺污泥浓度相当的条件下，该反应器平均污泥浓度较高，在污泥龄相等的条件下，所需池容较小，降低投资成本。
而我国北方冬季气候寒冷漫长，严酷的气候条件对污水生物净化极为不利，低温条件下微生物活性降低、种群多样性下降、传质速率减缓，因而造成处理能力下降，出水氮、磷含量超标。低温限制了多级A/O在北方地区的实际应用。因此如何进一步提高多级A/O处理低温市政污水能力是目前研究热点。
传统提高多级A/O处理低温市政污水的方法主要有以下几种：通过包埋等技术手段对微生物进行长期驯化培养，筛选所需低温功能菌群；通过物理化学方法(如化学强化混凝等)补偿低温对污水生化处理效果的影响；通过对某个处理单元进行改进来提升污水生化处理效果。但这些方法或多或少存在技术要求高、操作复杂、成本高、效果有限等缺点，因此研发一种易实现且效果良好的技术具有重要意义。
生物膜与活性污泥相比，更能抵抗低温带来的不利影响，生物膜的存在可以保证系统在低温状况下的处理效率。生物膜是生物附着在载体上形成的膜状生物聚集体，它通过为其中的硝化细菌和反硝化细菌等提供各自适合的生存环境，让它们在各自的环境中作为优势菌种各司其职，从而达到更好的处理效果。所以，本发明中通过向多级A/O反应器中投加鲍尔环等填料，作为生物膜附着载体。但在低温状况下，生物膜存在附着性能不好，易大量脱落的问题，导致处理效果仍不理想。因此若能找到一种提高生物膜的附着性能，增加其生物附着量的方法，将可以有效提高多级A/O处理低温市政污水的性能。
胞外聚合物(EPS)对生物膜的性能起决定作用。EPS是微生物聚集体内处于细胞外部的由微生物合成的高分子聚合物。EPS成分复杂，主要由蛋白质、多糖组成，约占EPS总量的70％～80％。按提取难易程度，EPS分为溶解型EPS(SEPS)、松散附着EPS(LB-EPS)和紧密粘附EPS(TB-EPS)。EPS包裹着微生物细胞，影响微生物细胞的聚集状态，而厌氧氨氧化菌的LB-EPS相比其他细菌拥有更好的絮凝性能，并且其提取物含有酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子，AHLs可促进活性基因的表达且利于生物膜的形成。
本发明通过提取厌氧氨氧化菌的LB-EPS，将其加入到多级A/O反应器，来加快多级A/O生物膜的形成、更替，刺激生物膜活性基因的表达，从而提升低温市政污水处理效果。
发明内容
针对多级A/O处理低温市政污水效果不佳的问题，本发明在多级A/O好氧段和厌氧段分别添加厌氧氨氧化菌胞外聚合物(LB-EPS)，促进多级A/O生物膜的形成、更替，提高其对低温市政污水的处理能力。主要创新点在于将絮凝性更好，且含AHLs类信号分子的厌氧氨氧化细菌松散附着型胞外聚合物(LB-EPS)投加到多级A/O反应器内。此方法既可有效提高其对低温市政污水处理效果，又不会对厌氧氨氧化细菌和多级A/O工艺中微生物种群造成伤害，而且简单易行，效果持久。
本方法包括以下步骤：
(一)厌氧氨氧化细菌LB-EPS的提取及保存.
(1)厌氧氨氧化细菌的培养
若无厌氧氨氧化细菌，可按下述方法进行厌氧氨氧化细菌的培养：
接种厌氧颗粒污泥至UASB反应器，设置反应器温度为30-35℃，用模拟废水进行驯化培养，模拟废水组成成分如下：NH4Cl:40-70mgNH4 +-N/L，NaNO2:50-100mgNO2 --N/L，NaHCO3:427mg/L，CaCl2:120mg/L，KH2PO4：25mg/L，MgSO4˙7H2O:260mg/L，微量元素Ⅰ溶液：1ml/L，微量元素Ⅱ溶液：1ml/L，其中微量元素Ⅰ溶液组成：FeSO4˙7H2O：5g/L，EDTA:5g/L；微量元素Ⅱ溶液组成：EDTA：15g/L,H3BO3：0.014g/L,MnCl2˙4H2O:0.99g/L,CuSO4˙5H2O:0.25g/L,ZnSO4˙7H2O:0.43g/L,NiCl2˙6H2O:0.19g/L,Na2MoO4˙2H2O:0.22g/L,CoCl2˙6H2O:0.24g/L,NaSeO4˙10H2O:0.21g/L。水力停留时间(HRT)3-8h。反应器启动初期采用相对较低浓度进水，相对较高HRT；反应器启动成功后可采用相对较高浓度进水，相对较低HRT。成熟的厌氧氨氧化颗粒污泥颜色呈红色，粒径在0.5～4mm之间。
(2)厌氧氨氧化细菌LB-EPS的提取
①取10ml厌氧氨氧化颗粒污泥和20ml上清液，将颗粒压碎，用超声预处理5min获得均质溶液；②然后在4℃，2000r/min条件下离心10min，弃去上清液；③加入去离子水定容至30ml，在150r/min下恒温震荡1h；④然后在4℃和4000r/min条件下离心20min，收集上清液；⑤上清液经0.45μm滤膜过滤，即得LB-EPS。提取LB-EPS后的厌氧氨氧化污泥经恢复培养可在短时间内恢复其活性。
(3)厌氧氨氧化菌LB-EPS的保存
提取的LB-EPS溶液如不立即使用，应放在-20℃条件下保存，有效期2年。(二)厌氧氨氧化细菌LB-EPS的投加及多级A/O反应器的运行
将提取的LB-EPS直接添加至多级A/O反应器的各级好氧区和缺氧区，LB-EPS添加比为0.1ml/L，反应器为连续流，控制pH为7.0～8.0，温度12℃，回流比为50％，以鲍尔环为填料，填充比为35％，反应器进水为实际生活污水或模拟生活污水，模拟生活污水成分为：NH4Cl:50mgNH4 +-N/L，CH3COONa：125mgCOD/L，NaHCO3:427mg/L，CaCl2:120mg/L，KH2PO4：25mg/L，MgSO4˙7H2O:260mg/L。连续一个月外源投加厌氧氨氧化LB-EPS后，反应器效果可稳定维持约12个月。待反应器处理效果下降，可重新外源投加厌氧氨氧化细菌LB-EPS。
所述的多级A/O反应器为多个A/O反应器串联，按水流方向为每个A/O反应器依次为缺氧区、好氧区、好氧区；本发明所述的多级A/O反应器为多端进水，每个缺氧区均设有进水管，同时进水。
本发明通过分离厌氧氨氧化菌LB-EPS，并将其投加入多级A/O好氧和缺氧区，来提升多级A/O处理低温市政污水能力。厌氧氨氧化菌的LB-EPS相比其他细菌，有更好的絮凝性，可以有效促进多级A/O生物膜形成、更替并显著增加生物膜量，从而抵抗低温不利影响，实现低温条件下更好处理效果；而且，提取的厌氧氨氧化细菌LB-EPS含有酰基高丝氨酸内酯(AHLs)类信号分子，可以促进多级A/O系统内革兰氏阴性菌体内生物膜活性基因的表达，进一步促进生物膜形成；此外，由于提取LB-EPS并不会对厌氧氨氧化细菌造成伤害，厌氧氨氧化细菌在短期内即可恢复LB-EPS含量及活性，因此，可以反复提取厌氧氨氧化细菌LB-EPS，降低了对厌氧氨氧化细菌生物量的要求。
本发明具有以下优势：
1.可有效提升多级A/O低温下生物膜的形成、更替，增加生物膜的生物量，从而提升多级A/O低温处理性能；
2.效果具有持续性，投加一个月可稳定提升处理效果约12个月；
3.不会对厌氧氨氧化细菌及多级A/O工艺中微生物种群造成损害；
4.方法简单，容易实施。
附图说明
图1为厌氧氨氧化反应器；
图2为多级A/O反应器；
图3为荧光光谱；(a)反应器1LB-EPS 3D-EEM荧光光谱；(b)反应器2LB-EPS 3D-EEM荧光光谱；
图4为去除效果和效率；(a)多级A/O反应器1去除效果；(b)多级A/O反应器1效率图；(c)多级A/O反应器2去除效果；(d)多级A/O反应器2效率图。
图5 AHLs类型及含量图(第30d)。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。
(1)厌氧氨氧化细菌的培养
厌氧氨氧化反应器一个(图1)，有效容积12L，采用人工模拟生活污水培养细菌，所述配水成分为NH4Cl:40-70mg NH4 +-N/L，NaNO2:50-100mg NO2 --N/L，NaHCO3:427mg/L，CaCl2:120mg/L，KH2PO4：25mg/L，MgSO4˙7H2O:260mg/L，微量元素Ⅰ溶液：1ml/L，微量元素Ⅱ溶液：1ml/L，其中微量元素Ⅰ溶液组成：FeSO4˙7H2O：5g/L，EDTA:5g/L；微量元素Ⅱ溶液组成：EDTA：15g/L,H3BO3：0.014g/L,MnCl2˙4H2O:0.99g/L,CuSO4˙5H2O:0.25g/L,ZnSO4˙7H2O:0.43g/L,NiCl2˙6H2O:0.19g/L,Na2MoO4˙2H2O:0.22g/L,CoCl2˙6H2O:0.24g/L,NaSeO4˙10H2O:0.21g/L。水力停留时间(HRT)3h。
(2)厌氧氨氧化LB-EPS的提取
①取10ml厌氧氨氧化颗粒污泥和20ml上清液，将颗粒压碎，超声预处理5min获得均质溶液；②然后在4℃，2000r/min条件下离心10min，弃去上清液；③加入去离子水定容至30ml，在150r/min下恒温震荡1h；④然后在4℃和4000r/min条件下离心20min，收集上清液；⑤上清液经0.45μm滤膜过滤，即得LB-EPS。厌氧氨氧化细菌LB-EPS中AHLs类型和含量分析见图5。
(3)多级A/O反应器的运行
1.反应器参数：
两个多级A/O反应器(图2，为多个A/O反应器串联，按水流方向为每个A/O反应器依次为缺氧区、好氧区、好氧区；本发明所述的多级A/O反应器为多端进水，每个缺氧区均设有进水管，同时进水)，多级A/O反应器1和多级A/O反应器2完全相同，均为3段进水，有效容积270L，水力停留时间为8h，鲍尔环填充比为35％，曝气区与非曝气区体积比为2:1，进水流量分配比为：4:3:2。反应器温度控制为12℃，pH为7.3～7.8，污泥回流比为50％，模拟生活污水成分为：NH4Cl:50mgNH4 +-N/L，CH3COONa：125mgCOD/L，NaHCO3:427mg/L，CaCl2:120mg/L，KH2PO4：25mg/L，MgSO4˙7H2O:260mg/L。
2.反应器启动
向多级A/O反应器好氧段和缺氧段注入回流活性污泥50L，污泥浓度约为5000mg/L，并在缺氧区和好氧区进行持续曝气，控制溶解氧在1.5～2.5mg/L，温度12℃，反应器以SBR形式运行，每8h换水一次。约3d后出现灰黄色污泥絮体。此时反应器以多级A/O方式运行，并按35％投加比投加生物填料，进水量逐渐增加从40％起逐渐增加至100％，回流比为50％，控制好氧区溶解氧浓度在1.5～2.5mg/L(这一步缺氧区不再曝气)。16天后生物膜初步长成，反应器内污泥浓度稳定，出水达COD、TN到一定效果，标志着反应器启动成功。
3.反应器运行条件控制：
设置多级A/O反应器1为对照组，多级A/O反应器2为实验组，两个反应器稳定运行时COD、NH4+-N、TN去除能力基本相同。在稳定运行时期向多级A/O反应器2投加厌氧氨氧化细菌LB-EPS，投加比为0.1ml/L，多级A/O反应器1运行条件不变。30d后停止向多级A/O反应器2投加厌氧氨氧化细菌LB-EPS，比较两个反应器的COD、NH4+-N、TN去除效果。
4.反应器运行结果
多级A/O反应器2在投加厌氧氨氧化菌LB-EPS 4天后COD、NH4+-N、TN去除率均开始上升，其中，氨氮去除率从74.1％上升至92.2％，总氮去除率由65.2％上升至79.4％，COD去除率由72.5％上升至76.6％，稳定后出水氨氮，总氮，COD均达到一级A标准；当停止向多级A/O反应器2投加厌氧氨氧化细菌LB-EPS后，其效果仍能保持约12个月。污染物去除效果见图4。
在第30天对两个多级A/O反应器生物膜进行三位荧光光谱(3D-EEM)分析，结果如图5，实验组色氨酸类峰A(Ex/Em＝275/306)荧光强度更大，且附近出现了C峰(Ex/Em＝270/300)，说明实验组微生物群体数量增加，代谢加强；细胞外蛋白峰B(Ex/Em＝225/336)具有较高值，意味着有更多的EPS产生,可能是酰基高丝氨酸内酯类信号分子(AHLs)促进了生物膜活性基因的表达，从而促进EPS合成；腐殖酸会影响污泥絮凝能力，而腐殖酸峰D(Ex/Em＝270/450)在实验组中明显减弱，进一步证明实验组污泥絮凝能力增加，从而加速生物膜形成，提高污染物去除率。

Claims (4)

1.一种提高多级A/O处理低温市政污水效果的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(一) 厌氧氨氧化细菌LB-EPS的提取及保存
（1）厌氧氨氧化细菌的培养
若无厌氧氨氧化细菌，按下述方法进行厌氧氨氧化细菌的培养：
接种厌氧颗粒污泥至UASB反应器，设置反应器温度为30-35℃，用模拟废水进行驯化培养，模拟废水组成成分如下：NH4Cl:40-70mgNH4 +-N/L，NaNO2:50-100mgNO2 --N/L，NaHCO3:427mg/L，CaCl2:120mg/L，KH2PO4：25mg/L，MgSO4˙7H2O:260mg/L，微量元素Ⅰ溶液：1ml/L，微量元素Ⅱ溶液：1ml/L，其中微量元素Ⅰ溶液组成：FeSO4˙7H2O：5g/L，EDTA:5g/L；微量元素Ⅱ溶液组成：EDTA：15g/L,H3BO3：0.014g/L,MnCl2˙4H2O:0.99g/L,CuSO4˙5H2O:0.25g/L,ZnSO4˙7H2O: 0.43g/L, NiCl2˙6H2O:0.19g/L,Na2MoO4˙2H2O:0.22g/L,CoCl2˙6H2O:0.24g/L,NaSeO4˙10H2O:0.21g/L；水力停留时间（HRT）3-8h；反应器启动初期采用相对较低浓度进水，相对较高HRT；反应器启动成功后可采用相对较高浓度进水，相对较低HRT；成熟的厌氧氨氧化颗粒污泥颜色呈红色，粒径在0.5～4mm之间；
（2）厌氧氨氧化细菌LB-EPS的提取
① 取10ml厌氧氨氧化颗粒污泥和20ml上清液，将颗粒压碎，用超声预处理5min获得均质溶液；②然后在4℃，离心，弃去上清液；③ 加入去离子水定容至30ml，在150r/min下恒温震荡1h；④ 然后在4℃条件下离心，收集上清液；⑤ 上清液经0.45μm滤膜过滤，即得LB-EPS；提取LB-EPS后的厌氧氨氧化污泥经恢复培养可在短时间内恢复其活性；
（3）厌氧氨氧化菌LB-EPS的保存
提取的LB-EPS溶液如不立即使用，应放在-20℃条件下保存；
（二）厌氧氨氧化细菌LB-EPS的投加及多级A/O反应器的运行
将提取的LB-EPS直接添加至多级A/O反应器的各级好氧区和缺氧区，LB-EPS添加比为0.1ml/L，反应器为连续流，控制pH为7.0～8.0，温度12℃，回流比为50%，以鲍尔环为填料，填充比为35%，反应器进水为实际生活污水或模拟生活污水。
2.按照权利要求1所述的一种提高多级A/O处理低温市政污水效果的方法，其特征在于，步骤（二）模拟生活污水成分为：NH4Cl:50mgNH4 +-N/L，CH3COONa：125mgCOD/L，NaHCO3:427mg/L，CaCl2: 120 mg/L，KH2PO4：25mg/L，MgSO4˙7H2O:260mg/L。
3.按照权利要求1所述的一种提高多级A/O处理低温市政污水效果的方法，其特征在于，步骤（二）连续一个月外源投加厌氧氨氧化LB-EPS后，反应器效果稳定维持12个月；待反应器处理效果下降，重新外源投加厌氧氨氧化细菌LB-EPS。
4.按照权利要求1所述的一种提高多级A/O处理低温市政污水效果的方法，其特征在于，所述的多级A/O反应器为多个A/O反应器串联，按水流方向每个A/O反应器依次为缺氧区、好氧区、好氧区；多级A/O反应器为多端进水，每个缺氧区均设有进水管，同时进水。
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