CN110683659A - 一种农田退水的原位处理方法 - Google Patents

Abstract

一种农田退水的原位处理方法属于生态与环境保护领域，具体涉及一种利用周丛生物附着复合菌群多层固定化材料去除农田退水中氮、磷和有机物的方法。本发明选取普通厌氧颗粒污泥和好氧活性污泥，培养驯化得到厌氧氨氧化颗粒污泥和好氧硝化颗粒污泥，经分离筛选和保活干燥步骤得到复合菌群多层固定化材料的内核，利用球体成型模具实施造粒步骤，得到复合菌群多层固定化材料。将所述复合菌群多层固定化材料应用于农田退水岸边带，附着生长周丛生物，使得农田退水自然渗流经过阳光充足的岸边带，构建农田退水污染防控的周丛生物强化脱氮系统。本发明利用固定化微生物技术生物浓度高、环境适应性强的特点，实现固定化微生物技术在农村水环境治理中的成功运用。

Description

一种农田退水的原位处理方法

技术领域

本发明属于生态与环境保护领域，涉及一种农田退水的原位处理方法，具体涉及一种利用周丛生物附着复合菌群多层固定化材料去除农田退水中氮、磷和有机物的方法。

背景技术

我国是农业大国，农村面积广大、农民人口众多。中国又是世界上农药、化肥和农膜使用大国，农药的单位面积用量为世界平均用量水平的3倍，大量氮肥、磷肥、抗生素和农药进入地表水体后，造成“水体富营养化”或“藻灾”爆发、藻毒素释放等严重后果。

农田退水，又称稻田排水、农田排水，指的是在农业生产过程中，因降水或农田灌概产生的农田弃水，通过地表径流或土壤下渗等形式进入其他水体，部分地区存在人畜类便还田的习惯，加剧了农田退水的污染。农田退水直接导致农田面源污染，是产生农业面源污染的主要原因。目前，农业面源污染已经成为水环境污染最重要的来源之一。农业生产活动中过量使用化肥、畜禽粪便等农家肥及抗生素等农药，远超过土壤消纳能力，富含氮、磷、农药以及其他有机或无机污染物质的农田退水，通过地表径流及地下渗透等途径流入河流湖泊，制约了农业的可持续发展，影响整体水环境的安全。

当前，针对农村环境问题的研究颇多，主要存在生活垃圾和污水处理、畜禽粪便无害化处理、面源污染、饮水安全等问题；而对于农业面源污染的研究相对较少，缺乏对面源污染基本理念的教育，致使我国面源污染治理技术人员极度缺乏。农业面源污染源涉及面广，污染源多样，单一防控办法收效甚微。随着工业和城市污染治理的逐步完善，农业环境污染问题成为制约环境改善的瓶颈，而工业和城市污染治理技术及配套的管理体系对农村极不适应，存在建设费用高、运行费用高、管理复杂、难以达到地表排放控制指标要求。特别是由于化肥、农药长期不合理、过量使用，畜禽粪便资源化利用程度低、废弃农用薄膜未能有效回收等问题，导致了日益严重的农业面源污染。农业面源污染的多源性、广泛性，均成为农业面源污染防治的难点所在。面对不断变化的水文和水质条件，常规技术不能够解决实际问题，在一定程度上对水环境保护和修复共性技术提炼和研究不足。

为了解决上述问题，本发明采用污泥培养驯化技术、固定化微生物技术、球体成型模具造粒技术制得所述复合菌群多层固定化材料。利用所述复合菌群多层固定化材料为基底，均匀填充于农田退水岸边带，附着生长周丛生物，构建农田退水污染防控的周丛生物强化脱氮系统，大量去除农田退水中氮、磷和有机物。包埋固定化微生物具有生物量浓度高、可反复利用、环境适应性强等优点，它能够延长所述厌氧氨氧化颗粒污泥和所述好氧硝化颗粒污泥在系统内的固体停留时间和维持较高的微生物浓度，使得两种颗粒污泥的生物效能协调发挥，从而提高系统的厌氧氨氧化速率和好氧硝化速率。在农田退水进入湖泊或河流之前，利用周丛生物附着所述复合菌群多层固定化材料来去除农田退水中氮、磷和有机物的方法具有低成本、高效率、生态化等优点。

发明内容

本发明提供了一种农田退水的原位处理方法。

本发明用于农田退水污染防控的周丛生物强化脱氮系统，其特征在于，包括：周丛生物、复合菌群多层固定化材料、农田退水岸边带。

为达到上述目的，本发明采用以下方案来实现。

其特征在于，利用复合菌群多层固定化材料(1-9)为基底，均匀填充于农田退水岸边带，附着生长周丛生物，构建农田退水污染防控的周丛生物强化脱氮系统；所述复合菌群多层固定化材料(1-9)由内核和外层包埋物组成，其中内核由厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)制得，外层包埋物由好氧硝化颗粒污泥(1-4)制得；所述复合菌群多层固定化材料(1-9)的制备步骤，包括：

1)取普通厌氧颗粒污泥(1-1)，装填至上流式厌氧污泥床反应器(1)内，并在反应器底部输送培养基质，加入微量元素物质，控制反应条件，稳定运行200～300天，得到所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)；按照接种后混合液悬浮固体浓度为4000～10000mg/L将好氧活性污泥(1-2)接入序批式活性污泥反应器(2)中，输入培养液A，待其驯化稳定后投加颗粒活性炭，连续运行100～150天，得到所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)；

2)对所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)，经分离筛选和保活干燥步骤(3)，得到所述复合菌群多层固定化材料的内核(1-6)；

3)对所述复合菌群多层固定化材料的内核(1-6)和所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)，利用球体成型模具实施造粒步骤(1-8)，得到所述复合菌群多层固定化材料(1-9)；

4)将所述复合菌群多层固定化材料(1-9)在30～35℃条件下用培养液B活化培养6～8天。

所述上流式厌氧污泥床反应器内温度为30～35℃，投加NaHCO₃，NaHCO₃作为缓冲剂，调节pH值在7.5～8.5之间，水力停留时间为8～12h；所述序批式活性污泥反应器内温度为25～35℃，投加NaHCO₃，NaHCO₃作为碳源，同时调节pH值在7.0～8.0之间，水力停留时间6～8h。

其特征在于，所述复合菌群多层固定化材料(1-9)应用于农田退水岸边带，按照0.3～0.5kg/m²比例均匀填充于水面以下0.5～2m位置，使得农田退水自然渗流经过阳光充足的岸边带，维持农田退水通过过流断面的流速为0.2～2m/s，并每隔3～6个月按照0.3～0.5kg/m²比例补充一次所述复合菌群多层固定化材料(1-9)。

其特征在于，所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)，颗粒尺寸为0.5～8.0mm，呈鲜红或棕红色，形状为球形，孔隙率为0.7～0.9；所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)，粒径分布为0.2～2.0mm，呈棕黄色，形状为球形或椭球形。

其特征在于，所述培养液A含有NH₄Cl 300～500mg/L，NaNO₂300～500mg/L，NaHCO₃300～500mg/L；所述培养液B为实际农田退水。

其特征在于，所述分离筛选和保活干燥步骤(3)，具体包括：

1)分离筛选颗粒尺寸为4～8mm的所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)，用无氧水清洗2～3次；

2)经分离筛选得到的所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)置于0～4度的真空氛围中干燥至含水率为80％～90％。

其特征在于，所述造粒步骤，具体为：先将所述复合菌群多层固定化材料的内核(1-6)置于球体成型模具内，再按照质量比5～15：2～3制得聚乙烯醇-海藻酸钠混合液(1-5)，按照质量-体积百分浓度硝酸钠(NaNO₃)50％和氯化钙(CaCl₂)2％制得交联剂(4)，将所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)与所述聚乙烯醇-海藻酸钠混合液(1-5)按照质量比2～3：2～3混合制得菌胶混合液(1-7)，将所述菌胶混合液(1-7)注入所述球体成型模具，同步注入所述交联剂(4)并滚转所述球体成型模具，放置1～2h后再注入所述交联剂(4)并滚转所述球体成型模具，放置6～12h后取出，用去无氧水清洗3～5次，经活化即得所述复合菌群多层固定化材料(1-9)。

其特征在于，所述复合菌群多层固定化材料的内核(1-6)的外径为0.4～0.8cm，所述复合菌群多层固定材料(1-9)的外径为0.6～1.5cm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明实现了所述厌氧氨氧化颗粒污泥和所述好氧硝化颗粒污泥在包埋载体中的共固定化培养，使得两种颗粒污泥的生物效能协调发挥，实现好氧硝化反应和厌氧氨氧化反应的协调运行；

(2)制备所述复合菌群多层固定化材料的方法简便，制作过程易于控制，得到的复合菌群多层固定化材料含水率高、机械强度高、可重复利用，包埋载体聚乙烯醇-海藻酸钠对细菌细胞损害作用小；

(3)本发明利用固定化微生物技术生物浓度高、环境适应性强的特点，具有低成本、高效率、生态化等优点。

附图说明

图1是一种农田退水的原位处理方法技术路线示意图。

图2是一种复合菌群多层固定化材料结构示意图。

图例说明

(1)、上流式厌氧污泥床反应器 (2)、序批式活性污泥反应器

(3)、分离筛选和保活干燥步骤 (4)、交联剂

(1-1)、普通厌氧颗粒污泥 (1-2)、好氧活性污泥

(1-3)、厌氧氨氧化颗粒污泥 (1-4)、好氧硝化颗粒污泥

(1-5)、聚乙烯醇-海藻酸钠混合溶液 (1-6)、复合菌群多层固定化材料的内核

(1-7)、菌胶混合液 (1-8)、球体成型模具实施造粒步骤

(1-9)、复合菌群多层固定化材料 (1-10)、农田退水的原位处理

(2-1)、聚乙烯醇-海藻酸钠包埋固定化载体

具体实施方式

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

图1是根据本发明实施例的一种农田退水的原位处理(1-10)方法技术路线示意图，如图1所示，该流程包括，普通厌氧颗粒污泥(1-1)培养驯化得到所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)、好氧活性污泥(1-2)培养驯化得到所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)、所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)经分离筛选和保活干燥步骤(3)得到所述复合菌群多层固定化材料的内核(1-6)、利用球体成型模具实施造粒步骤(1-8)得到所述复合菌群多层固定化材料(1-9)等。

所述复合菌群多层固定化材料(1-9)应用于农田退水的原位处理。

实施例1复合菌群多层固定化材料(1-9)的制备

图2所示，一种可选的复合菌群多层固定化材料(1-9)，其制备包括以下步骤：

步骤一：a.选取所述普通厌氧颗粒污泥(1-1)和所述好氧活性污泥(1-2)，按照质量比2：1混合均匀后装填至所述上流式厌氧污泥床反应器(1)内，并在反应器底部输送培养基质，加入微量元素物质，控制所述上流式厌氧污泥床反应器(1)内温度为30～35℃，投加NaHCO₃，NaHCO₃作为碳源，同时调节pH值在7.5～8.5之间，水力停留时间为10h，稳定运行220天，得到所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)；所述培养基质中NH₄ ⁺-N浓度为50mg/L，NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N浓度按1：1.2配制，NaHCO₃浓度为500mg/L，其他元素为H₂PO₄ ^-、Fe²⁺、Mg²⁺，微量元素投量为1mL/L。其中，微量元素由Ca²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、K⁺、I^-、Zn²⁺、Na⁺、BO₃ ^3-组成，使用的药剂均为分析纯；b.以所述好氧活性污泥(1-2)为接种污泥，按照接种后混合液悬浮固体浓度为4000mg/L将接种污泥接入序批式活性污泥反应器(2)中，输入所述培养液A，待其驯化稳定后投加颗粒活性炭，控制反应器内温度为25～35℃，投加NaHCO₃，NaHCO₃作为碳源，同时调节pH值在7.0～8.0之间，水力停留时间为6h，连续运行120天，得到所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)；所述培养液A为无机含氮废水，以NH₄Cl为氮源、NaHCO₃为碳源，还包括KH₂PO₄、K₂HPO₄、MgSO₄、CaCl₂及微量元素，微量元素投量为1mL/L，实验所用药品均为分析纯；

步骤二：分离筛选颗粒尺寸为4～8mm的所述厌氧氨氧化颗粒污泥，用无氧水清洗2～3次，置于0～4度的真空氛围中干燥至含水率为80％～90％，得到所述复合菌群多层固定化材料的内核(1-6)；

步骤三：确定所述复合菌群多层固定化材料(1-9)的结构，利用球体成型模具实施造粒步骤(1-8)，制得所述复合菌群多层固定化材料(1-9)，所述复合菌群多层固定化材料(1-9)由内核和外层包埋物组成，其中内核由所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)制得，外层包埋物由所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)制得；

步骤四：称取聚乙烯醇和海藻酸钠，以质量-体积百分浓度计，聚乙烯醇的质量百分比浓度为15％，海藻酸钠的质量百分比浓度为3％，制得500ml聚乙烯醇-海藻酸钠混合溶液(1-5)，在120℃加热20～30min使其加速溶解；按照质量-体积百分浓度硝酸钠(NaNO₃)50％和氯化钙(CaCl₂)2％制得交联剂(4)；将所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)与所述聚乙烯醇-海藻酸钠混合液(1-5)按照质量比3：2混合制得菌胶混合液(1-7)；

步骤五：将所述复合菌群多层固定化材料的内核(1-6)置于所述球体成型模具内，注入所述菌胶混合液(1-7)，同步注入所述交联剂(4)并滚转所述球体成型模具，放置1～2h后再注入所述交联剂(4)并滚转所述球体成型模具，放置6～12h后取出，用无氧水清洗3～5次，在30～35℃条件下用所述培养液B活化培养6～8天，得到所述复合菌群多层固定化材料(1-9)。所述培养液B初始COD(化学需氧量，Cr法)浓度为200mg/L，TN浓度为40mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为20mg/L，硝态氮浓度为10mg/L，TP浓度为2mg/L，其他元素为H₂PO₄ ^-、Fe²⁺、Mg²⁺,微量元素1mL/L，微量元素由Ca²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Co²⁺、K⁺、I^-、Zn²⁺、Na⁺、BO₃ ^3-组成，使用的药剂均为分析纯。

实施例2农田退水的原位处理

图1所示，一种可选的农田退水原位处理方法，包括以下步骤。

步骤一：原位投加

将所述复合菌群多层固定化材料(1-9)应用于农田退水岸边带，按照0.5kg/m²比例均匀填充于水面以下0.5～2m位置，使得农田退水自然渗流经过阳光充足的岸边带，维持农田退水通过过流断面的流速为0.2～2m/s，并每隔3～6个月按照0.5kg/m²比例补充一次所述复合菌群多层固定化材料(1-9)。

步骤二：水质监测

在农田退水岸边带沿水流往下每10m设置一个采样点，每隔5天采样1次，每次采样时间在上午十点左右。水质监测项目包括：温度、pH、DO、TP、TN、COD_Cr、NH₄ ⁺-N，温度、pH和DO为现场直接测定，其余指标为现场取样后带回实验室，按照《水和废水监测分析方法》进行测定。

步骤三：数据分析

对比所述复合菌群多层固定化材料(1-9)投加前后，农田退水岸边带中DO、TP、TN、COD_Cr、NH₄ ⁺-N的浓度变化情况，分析各项水质指标去除效果，以确定最佳投加量、最适投加时间等。

Claims (7)

1.一种农田退水的原位处理方法，其特征在于，利用复合菌群多层固定化材料(1-9)为基底，均匀填充于农田退水岸边带，附着生长周丛生物，构建农田退水污染防控的周丛生物强化脱氮系统；所述复合菌群多层固定化材料(1-9)由内核和外层包埋物组成，其中内核由厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)制得，外层包埋物由好氧硝化颗粒污泥(1-4)制得；所述复合菌群多层固定化材料(1-9)的制备步骤，包括：

1)取普通厌氧颗粒污泥(1-1)，装填至上流式厌氧污泥床反应器(1)内，并在反应器底部输送培养基质，加入微量元素物质，控制反应条件，稳定运行200～300天，得到所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)；按照接种后混合液悬浮固体浓度为4000～10000mg/L将好氧活性污泥(1-2)接入序批式活性污泥反应器(2)中，输入培养液A，待其驯化稳定后投加颗粒活性炭，连续运行100～150天，得到所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)；

2)对所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)，经分离筛选和保活干燥步骤(3)，得到所述复合菌群多层固定化材料的内核(1-6)；

3)对所述复合菌群多层固定化材料的内核(1-6)和所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)，利用球体成型模具实施造粒步骤(1-8)，得到所述复合菌群多层固定化材料(1-9)；

4)将所述复合菌群多层固定化材料(1-9)在30～35℃条件下用培养液B活化培养6～8天。

2.根据权利要求1所述一种农田退水的原位处理方法，其特征在于，所述复合菌群多层固定化材料(1-9)应用于农田退水岸边带，按照0.3～0.5kg/m²比例均匀填充于水面以下0.5～2m位置，使得农田退水自然渗流经过阳光充足的岸边带，维持农田退水通过过流断面的流速为0.2～2m/s，并每隔3～6个月按照0.3～0.5kg/m²比例补充一次所述复合菌群多层固定化材料(1-9)。

3.根据权利要求1所述一种农田退水的原位处理方法，其特征在于，所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)，颗粒尺寸为0.5～8.0mm，呈鲜红或棕红色，形状为球形，孔隙率为0.7～0.9；所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)，粒径分布为0.2～2.0mm，呈棕黄色，形状为球形或椭球形。

4.根据权利要求1所述一种农田退水的原位处理方法，其特征在于，所述培养液A含有NH₄Cl 300～500mg/L，NaNO₂ 300～500mg/L，NaHCO₃ 300～500mg/L；所述培养液B为实际农田退水。

5.根据权利要求1所述一种农田退水的原位处理方法，其特征在于，所述分离筛选和保活干燥步骤(3)，具体包括：

1)分离筛选颗粒尺寸为4～8mm的所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)，用无氧水清洗2～3次；

2)经分离筛选得到的所述厌氧氨氧化颗粒污泥(1-3)置于0～4度的真空氛围中干燥至含水率为80％～90％。

6.根据权利要求1所述一种农田退水的原位处理方法，其特征在于，所述造粒步骤，具体为：先将所述复合菌群多层固定化材料的内核(1-6)置于球体成型模具内，再按照质量比5～15：2～3制得聚乙烯醇-海藻酸钠混合液(1-5)，按照质量-体积百分浓度硝酸钠(NaNO₃)50％和氯化钙(CaCl₂)2％制得交联剂(4)，将所述好氧硝化颗粒污泥(1-4)与所述聚乙烯醇-海藻酸钠混合液(1-5)按照质量比2～3：2～3混合制得菌胶混合液(1-7)，将所述菌胶混合液(1-7)注入所述球体成型模具，同步注入所述交联剂(4)并滚转所述球体成型模具，放置1～2h后再注入所述交联剂(4)并滚转所述球体成型模具，放置6～12h后取出，用去无氧水清洗3～5次，经活化即得所述复合菌群多层固定化材料(1-9)。

7.根据权利要求1所述一种农田退水的原位处理方法，其特征在于，所述复合菌群多层固定化材料的内核(1-6)的外径为0.4～0.8cm，所述复合菌群多层固定材料(1-9)的外径为0.6～1.5cm。

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