CN110723871B - 一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法，包括生物接触氧化法协同培养土著微生物膜的预处理工艺：将黑臭水通过接触氧化法进行预处理，同时培养土著微生物，在丰富的微生物的作用下，通过亚硝化、硝化和反硝化等一系列生化反应，最终形成氮气脱离水体，从而降低水体中的氨氮含量提升水体质量；微藻强化处理：将预处理后的出水进行微藻强化处理，可以实现黑臭水的净化与再利用；先经过接触氧化协同培养土著微生物膜对黑臭水进行预处理，然后接种紫外诱导的雨生红球藻M1进一步净化水质；雨生红球藻在胁迫条件（强光、缺氮）下可以由绿色营养细胞转化为红色硬壳芽孢的特性使其作为验证黑臭水处理程度的指示生物。

Description

一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法
技术领域
本发明涉及水环境治理技术领域，具体涉及一种对黑臭水中氮磷及有机物生物降解的利用土著微生物膜与微藻联合治理工艺。
背景技术
随着经济社会的不断发展，大量工业废水、生活污水流入河流，虽经处理排放，但仍会造成水体氮、磷等营养物质含量剧增，导致水体富营养化。溶解氧浓度变低致有机物降解不完全，缺氧厌氧环境使得水体趋于黑臭。黑臭水已经成为威胁水环境安全的主要问题。而且自然环境中营养物质、高浓度的可生物降解有机物、沉积物和病原体都可能随降雨及径流的冲刷作用汇入黑臭水中。这个过程不仅损害河流的生态与景观功能，而且对居民身心健康也会产生危害。因此，开发一种可持续的黑臭水处理工艺非常必要。
目前黑臭水修复的主要技术包括：物理修复、化学修复和生物修复。物理方法包括环境引水、沉积物疏浚和人工曝气等方法，这些方法可以稀释黑臭水并提高水中溶解氧含量，但是操作耗电，处理效率低，且难以保持处理后水质的稳定；化学方法包括絮凝沉淀法、化学灭藻和添加铁/铝盐等方法，这些方法可以有效去除黑臭水中的氮、磷，但是药品昂贵且容易造成二次污染。与传统的物理和化学方法相比，生物修复方法能更有效地去除有机物，对人和环境的影响较小，操作灵活，成本低，管理方便。因此，生物修复技术正逐渐发展并应用于河流治理中。
黑臭水处理常用以微藻为主体的生物修复体系，它们既能够降解污水，又可降低生物燃料与肥料的生物质成本。需要进一步寻找及研究一种更加有效的微藻培养与处理技术。以生物接触氧化法协同培养土著微生物作为预处理，采用微藻-细菌共生体系实现有机迁移的效果。藻类-细菌系统中藻类的生长速度快于单独生长的藻类，进行生命活动所吸收的营养物质更多，去除氮、磷的效果更显著。藻类与细菌存在共生关系，相互依存，相互促进，既可以降解污水，又增加了藻类的生物量积累，在去除营养物质和提高溶解氧含量促进硝化方面发挥协同作用。
发明内容
本发明的目的是提出一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法，以生物接触氧化法协同培养土著微生物膜作为前处理工艺，初步降解氮、磷等营养物质。进而研究藻类对前处理出水的脱氮除磷，同时提高水中的溶解氧含量，使其满足城市河流景观水的功能。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法，包括以下步骤：
1）采集黑臭水，采用重铬酸钾法测试黑臭水中的COD含量；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测试黑臭水中的TN含量；采用钼酸铵分光光度法测试黑臭水中的TP含量；采用纳氏试剂分光光度法测试黑臭水中的NH3-N含量，以确定黑臭水的污染情况；
2）将经过步骤1）测试后的黑臭水放入到调节池中进行沉淀，然后经过进水泵抽入放置有底泥的接触氧化池中，在生物接触氧化池中进行生物接触氧化法协同培养土著微生物膜预处理，以便将黑臭水中的氮、磷和有机物去除，使COD、NH3-N、TP、TN含量降低，得到浓度较低的黑臭水；
3）步骤2）处理后的黑臭水经过过滤装置进入光生物反应器，进行微藻强化实验，实现黑臭水的再利用。
优选的，所述步骤2）中的生物接触氧化法协同培养土著微生物膜预处理过程中每两天向生物接触氧化池加入一次淘米水来提供碳源以维持土著微生物的生长，同时，采用异位修复技术向生物接触氧化池中投加0.8mg/L~1.2mg/L的葡萄糖以增强土著微生物的分解能力，温度控制在18~25℃，通过气体泵和曝气头a间歇曝气保持溶解氧浓度为2.0~4.0mg/L。
优选的，在维持土著微生物的生长的同时进行在生物绳上生物填料挂膜，待生物膜变成黄褐色，可通过COD、NH3-N、TP、TN指标的分析测试以及镜检和扫描电镜的辅助分析来判断水质情况。
优选的，所述光生物反应器内溶液中接种雨生红球藻，所述雨生红球藻接入量为7.5~12.5万个细胞/mL，在微藻强化实验过程中通过气体泵和曝气头b间歇曝气控制光生物反应器内溶液溶解氧浓度为3~8mg/L，LED灯的光照强度为1000~3000Lx，可根据雨生红球藻由绿色营养细胞转化为红色硬壳芽孢的特性来验证黑臭水中氮磷的降解情况。
本发明的有益效果是：先经过接触氧化协同培养土著微生物膜对黑臭水进行预处理，然后接种紫外诱导的雨生红球藻M1进一步净化水质。定向筛选的藻株虾青素积累量更高，对黑臭水的处理能力更强。通过改变曝气强度来控制不同的溶解氧浓度，针对微藻的生存条件，如溶解氧浓度，光照强度，接种量等进行单因素比较试验和动力学验证。实验得出结论，在溶解氧浓度5mg/L，光照强度3000Lx，接种量12.5万个细胞/mL的条件下，采用联合工艺处理黑臭水可以使综合水质达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中地表水环境质量Ⅴ类标准，符合城市河流景观水功能，达到了生态净化河流的目的。出水COD达到Ⅳ类标准，这表明联合工艺有效地去除了有机物。由于氨氮 (94%)、总氮(79%)、总磷(79%)去除率的提高，黑臭水净化效果显著。其优点在于：在藻菌共生系统中，细菌呼吸作用产生的二氧化碳用于微藻的生命活动，同时微藻又为细菌生长提供氧气，二者互利共生，工艺总体实用性强，节省了人力、物力和财力。
附图说明
图1是本发明一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法所利用的设备的结构示意图。
图2是本发明一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法中填料挂膜前后的扫描电镜图。
图3是本发明一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法中实施例1黑臭水TP、TN的去除率示意图。
图4是本发明一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法中实施例2黑臭水TP、TN的去除率示意图。
图5是本发明一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法中实施例3黑臭水TP、TN的去除率示意图。
图中：1、调节池；2、进水泵；3、接触氧化池；4、气体泵；5、曝气头a；6、生物绳；7、曝气头b；8、过滤装置；9、光生物反应器；10、LED灯。
具体实施方式
为了更好理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明，本发明保护方案并不局限于文中的特定实施案例。
实施例1：
一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法，包括以下步骤：
1）采集黑臭水，采用重铬酸钾法测试黑臭水中的COD含量为210mg/L；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测试黑臭水中的TN含量为149mg/L；采用钼酸铵分光光度法测试黑臭水中的TP含量为5.8mg/L；采用纳氏试剂分光光度法测试黑臭水中的NH3-N含量为143.2mg/L；
2）将经过步骤1）测试后的黑臭水放入到调节池1中进行沉淀，然后经过进水泵2抽入放置有底泥的接触氧化池3中，在生物接触氧化池3中进行生物接触氧化法协同培养土著微生物膜预处理，在生物接触氧化法协同培养土著微生物膜预处理过程中每两天向生物接触氧化池3加入一次淘米水来提供碳源以维持土著微生物的生长，在维持土著微生物的生长的同时进行在生物绳6上生物填料挂膜，待生物膜变成黄褐色，可通过COD、NH3-N、TP、TN指标的分析测试以及镜检和扫描电镜的辅助分析来判断水质情况，得到如图2的结果，其中（a）是挂膜前的填料，（b）是添加了葡萄糖后接触氧化池（3）内挂膜的填料。由图（a）可以看出，原始填料表面不光滑，有利于微生物附着；图（b）形成的生物膜结构紧密，厚度适中，具有较大的比表面积和传质条件，微生物对有机物的代谢速度比较快。同时，采用异位修复技术向生物接触氧化池3中投加0.8mg/L~1.2mg/L的葡萄糖以增强土著微生物的分解能力，温度控制在18~25℃，通过气体泵4和曝气头a5间歇曝气保持溶解氧浓度为2.0~4.0 mg/L。以便将黑臭水中的氮、磷和有机物去除，使COD、NH3-N、TP、TN含量降低，得到浓度较低的黑臭水；
3）步骤2）处理后的黑臭水经过过滤装置8进入光生物反应器，进行微藻强化实验，在光生物反应器9内溶液中接种雨生红球藻，所述雨生红球藻接入量为12.5万个细胞/mL，在微藻强化实验过程中通过气体泵4和曝气头b7间歇曝气控制光生物反应器内溶液溶解氧浓度为5mg/L，LED灯10的光照强度为1000~3000Lx，分析不同光照强度下紫外诱导的雨生红球藻对TN、TP的去除率。
微藻生长通常对光强、温度、pH和营养等环境参数进行非线性反应，培养地点不同也会对其产生影响。前期COD去除率低，主要是因为水中有机碳释放量高，生物利用度差，微藻细胞同化能力差，氮、磷化合物释放量大；后期COD去除率在80%左右平稳波动主要是由于微生物代谢释放细胞外大分子化合物所致。
如图3所示，微藻利用氮、磷进行细胞合成和能量生产，并在此过程中进行光合作用，使氮、磷的浓度降低。在较低的光照强度下，微藻细胞利用铵盐的速度比硝酸盐快，氮的含量降解速率缓慢。随光照强度的增强，微藻生物量和产氧量增多。超过饱和光照强度时，微藻生长受到抑制，光合产氧量也趋向稳定。
以上实施例中处理后的黑臭水中各物质含量如表1。
表1 各实施例处理后黑臭水中各物质含量
Figure 279030DEST_PATH_IMAGE001
。
实施例2：除以下区别外，其他同实施例1。
在光生物反应器内溶液中接种雨生红球藻，所述雨生红球藻接入量为12.5万个细胞/mL，在微藻强化实验过程中通过气体泵和曝气头b间歇曝气控制光生物反应器内溶液溶解氧浓度为3mg/L、5mg/L、8mg/L，LED灯的光照强度为3000Lx，分析不同溶解氧浓度下紫外诱导的雨生红球藻对TN、TP的去除率。
经检测，在光照强度3000Lx，接种量12.5万个细胞/mL的情况下，高溶解氧浓度促进水中好氧微生物的生长。大量好氧细菌进行有氧呼吸，以分子氧作为生物氧化过程的电子受体，因此，细菌生长和繁殖致使COD去除率增高。如图4所示，培养初期，溶解氧浓度越高，生长速率越大。然而，细菌与微藻不仅存在共生关系，也存在竞争作用，这制约了微藻生长。另外，抑制微藻脱氮除磷研究的因素也可能是一部分进入衰亡期的微藻细胞裂解所致。同时，胞外聚合物提高了微环境周围的营养浓度，加快微藻的蛋白质合成，促进微藻生长和生物量的增加，细菌数量增多和活性增强，ATP含量逐渐升高。在溶解氧浓度为5mg/L的条件下，微藻去除有机物和营养盐的能力更高。
以上实施例中处理后的黑臭水中各物质含量如表2。
表2 各实施例处理后黑臭水中各物质含量
Figure 289843DEST_PATH_IMAGE002
。
实施例3：除以下区别外，其他同实施例1。
在光生物反应器内溶液中接种雨生红球藻，所述雨生红球藻接入量为7.5万个细胞/mL、10万个细胞/mL、12.5万个细胞/mL，在微藻强化实验过程中通过气体泵和曝气头b间歇曝气控制光生物反应器内溶液溶解氧浓度为5mg/L，LED灯的光照强度为3000Lx，分析不同光照强度下紫外诱导的雨生红球藻对TN、TP的去除率。
如图5所示，接种量大，过高的细胞密度会使培养基中的营养物质浓度变低，导致细菌和微藻由共生关系转变为竞争关系。同时，过多的菌毒素使微藻大量死亡，被同化的氮、磷和有机物等大分子化合物又被释放。相对细胞密度过小的微藻来说，高浓度的培养基抑制微藻的生长。接种量大时，前期微藻生长速率和生物量都显著增大。然而，到了后期生物膜周围的营养物质不足以继续支撑微藻大量生长，COD去除率也不再增加。
以上实施例中处理后的黑臭水中各物质含量如表3。
表3 各实施例处理后黑臭水中各物质含量
Figure 788564DEST_PATH_IMAGE003
。
经检测，在光照强度3000Lx，溶解氧浓度为5mg/L的情况下，接种量为12.5万个细胞/mL时能达到最佳去除率，氨氮去除率为94%，总氮去除率79%和总磷去除率79%，达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中地表水环境质量Ⅴ类标准。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）采集黑臭水，采用重铬酸钾法测试黑臭水中的COD含量；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测试黑臭水中的TN含量；采用钼酸铵分光光度法测试黑臭水中的TP含量；采用纳氏试剂分光光度法测试黑臭水中的NH3-N含量，以确定黑臭水的污染情况；
2）将经过步骤1）测试后的黑臭水放入到调节池中进行沉淀，然后经过进水泵抽入放置有底泥的接触氧化池中，在生物接触氧化池中进行生物接触氧化法协同培养土著微生物膜预处理，以便将黑臭水中的氮、磷和有机物去除，使COD、NH3-N、TP、TN含量降低，得到浓度较低的黑臭水；
3）步骤2）处理后的黑臭水经过过滤装置进入光生物反应器，进行微藻强化实验，实现黑臭水的再利用；
所述光生物反应器内溶液中接种雨生红球藻，所述雨生红球藻接入量为7.5~12.5万个细胞/mL，在微藻强化实验过程中通过气体泵和曝气头b间歇曝气控制光生物反应器内溶液溶解氧浓度为3~8mg/L，LED灯的光照强度为1000~3000Lx，根据雨生红球藻由绿色营养细胞转化为红色硬壳芽孢的特性来验证黑臭水中氮磷的降解情况。
2.根据权利要求1所述的一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法，其特征在于：所述步骤2）中的生物接触氧化法协同培养土著微生物膜预处理过程中每两天向生物接触氧化池加入一次淘米水来提供碳源以维持土著微生物的生长，同时，采用异位修复技术向生物接触氧化池中投加0.8mg/L~1.2mg/L的葡萄糖以增强土著微生物的分解能力，温度控制在18~25℃，通过气体泵和曝气头a间歇曝气保持溶解氧浓度为2.0~4.0 mg/L。
3.根据权利要求2所述的一种利用土著微生物膜与微藻联合处理黑臭水的方法，其特征在于：在维持土著微生物的生长的同时进行生物绳上生物填料挂膜，待生物膜变成黄褐色，通过COD、NH3-N、TP、TN指标的分析测试以及镜检和扫描电镜的辅助分析来判断水质情况。
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