CN111172147A - 一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法 - Google Patents

一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法 Download PDF

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李炳堂
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Abstract

一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一，好氧反硝化菌的筛选与驯化；步骤二，固定化好氧反硝化菌颗粒的制备：以具有多孔结构的天然多糖类物质或合成高分子物质作为包埋剂并配制一定浓度的包埋剂溶液，加热搅拌灭菌后静置冷却至常温，加入筛选驯化后的好氧反硝化菌菌液混合均匀后滴入一定浓度的交联剂后制得固定化好氧反硝化菌颗粒；步骤三，反应系统的搭建：将步骤二中制得的固定化好氧反硝化菌颗粒等量分配并装入若干多孔结构容器，每个多孔结构容器作为一个反应单元，将所述多孔结构容器固定于预制框架上；步骤四，搭建人工浮床，将所述反应单元固定于人工浮床底部并放置于黑臭水体中。

Description

一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法。
背景技术
近年来我国城市经济快速发展，城市规模日益膨胀，城市污水排放量不断加大，然而城市污水处理和水体污染治理等的环境基础设施建设未能跟上社会经济和城市建设的步伐，导致大量的工业废水以及生活污水未经妥善处理就直接排入自然水体，水体中COD、氮磷营养物质等污染物严重超标，出现季节性或常年性黑臭现象。
城市黑臭水体的生态系统结构严重失衡，影响景观及居民生产和健康，并因其治理困难，成为目前极其突出的城市水环境问题。基于国家和民众的要求，黑臭水体的治理逐步受到国家层面重视。根据住建部的数据显示，截至2017年2月，黑臭水体存在于全国7成以上的地级城市，认定的黑臭水体的总数超过2014条目次。在个别经济较为发达，水量较为丰富的中东部沿海地区，黑臭水体的数量占到了地表水水体数量的34.10％以上。目前仅有少数地区完成了“水十条”以及相关国家和地方要求的治理目标，还有大量的黑臭水体急需处理和处置。在技术层面上，现有的黑臭水体治理手段单一,缺乏系统性。一些城市在黑臭水体的治理中,过度依赖污水截流、清淤、筑坝等措施，未能考虑到对水生态平衡的维护，使得治理效果稳定性较差。
好氧反硝化技术是将水体中的氮素转化为气态氮以达到脱氮效果的技术。目前的技术都是直接将菌剂投加至受污染水体中或者将菌株固定在生物膜上再投加至水体中，菌体极易流失，难以反复使用，处理效果和效率均不高，挂膜能力易受外界影响等缺点会对原位修复黑臭水体的效果造成不同程度的影响。
发明内容
本发明目的是解决现有技术中直接将菌剂投加至受污染水体中或者将菌株固定在生物膜上再投加至水体中，菌体极易流失，难以反复使用，处理效果和效率均不高的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，好氧反硝化菌的筛选与驯化；
步骤二，固定化好氧反硝化菌颗粒的制备：以具有多孔结构的天然多糖类物质和/或合成高分子物质作为包埋剂并配制一定浓度的包埋剂溶液，加热搅拌灭菌后静置冷却至常温，加入筛选驯化后的好氧反硝化菌菌液混合均匀后滴入一定浓度的交联剂后制得固定化好氧反硝化菌颗粒；
步骤三，反应系统的搭建：将步骤二中制得的固定化好氧反硝化菌颗粒等量分配并装入若干多孔结构容器，每个多孔结构容器作为一个反应单元，将所述多孔结构容器固定于预制框架上；
步骤四，搭建人工浮床，将所述反应单元固定于人工浮床底部并放置于黑臭水体中。
进一步地，所述步骤一的具体步骤为：从黑臭水体的底泥中采集好氧反硝化细菌样本，于含有好氧反硝化细菌富集培养基的无菌锥形瓶中在30℃、150r/min的条件下培养3天-5天后，取少量菌液于新鲜富集培养基中继续培养，重复三次；
挑选脱氮效果好的菌液于筛选分离培养基上划线培养，反复多次挑选出合适的单菌落即为好氧反硝化细菌；
将所得的好氧反硝化细菌接种于纯种扩大培养基中，在30℃、150r/min的条件下培养3天-5天，最终可得特定纯种的好氧反硝化细菌。
进一步地，步骤二中所述天然多糖类物质为海藻酸钠、琼脂，所述合成高分子物质为聚乙烯醇、聚乙烯二醇、聚丙烯酰胺，所述交联剂为氯化钙溶液、饱和硼酸溶液、N，N-亚甲基双丙烯酰胺混合溶液。
进一步地，当采用海藻酸钠作为包埋剂，氯化钙溶液做交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为4％-6％的海藻酸钠溶液，加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为3％-5％的氯化钙交联剂溶液中，形成直径为3-6mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得。
进一步地，当采用聚乙烯醇作为包埋剂，氯化钙溶液做交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为8％-12％的聚乙烯醇溶液，加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为2％-6％的氯化钙交联剂溶液中，形成直径为4-7mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得。
进一步地，当采用琼脂做包埋剂，饱和硼酸溶液做交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为2％-3％的琼脂和0.8％-0.9％的氯化钠的混合溶液，在包埋时，通过加入质量浓度0.8％-0.9％的氯化钠溶液有利于维持细菌活性，水浴加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至40℃左右后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为3％-4％的饱和硼酸溶液中，形成直径为3-6mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得。
进一步地，当采用聚乙烯醇和海藻酸钠作为包埋剂，氯化钙溶液和饱和硼酸溶液作为交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为6％-8％的聚乙烯醇和2％-3％的海藻酸钠的混合溶液，加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为2％-4％的氯化钙和3％-4％的饱和硼酸的混合溶液中，形成直径为3-6mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得；通过实验测得通过将聚乙烯醇与海藻酸钠混合作为包埋剂可以更好地结合单一海藻酸钠和聚乙烯醇的有点，机械性能优于纯海藻酸钠包埋法，成球性和传质能力优于纯聚乙烯醇包埋法。
进一步地，当采用聚乙烯二醇和海藻酸钠作为包埋剂，氯化钙溶液作为交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为4％-8％的聚乙二醇和2％-4％的海藻酸钠的混合溶液，加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为2％-4％的氯化钙交联剂溶液中，形成直径为3-6mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得。
进一步地，当采用聚丙烯酰胺作为包埋剂，N，N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为14％-16％的丙烯酰胺单体和的2％-3％N，N-亚甲基双丙烯酰胺的混合溶液，此处，N，N-亚甲基双丙烯酰胺用以做聚丙烯酰胺的交联剂，用来制备聚丙烯酰胺凝胶，水浴加热并不断搅拌至溶解后，加入0.1mL四甲基乙二胺，此处四甲基乙二胺用作交联催化剂，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为2％-4％的氯化钙和4％-6％的过硫酸钾的混合溶液中，此处混合溶是作为丙烯酰胺单体聚合成聚丙烯酰胺反应的引发剂，最后形成直径为4-7mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得。
进一步地，所述人工浮床上还设置有曝气泵以及控制曝气泵的启控装置，所述反应系统的预制框架上设置有若干微孔曝气头，所述曝气泵通过气管与微孔曝气头相连；
所述人工浮床上还设置有太阳能发电装置为所述启控装置以及曝气泵提供电力；
所述人工浮床上还栽种有水生修复植物。
本发明有益效果：
本发明通过利用包埋剂与交联剂的作用将好氧反硝化菌制作成载体颗粒状并装入若干反应单元中置于黑臭水体对其进行处理，该处理方法具有占地面积小、效果好、污泥量少、抗冲击能力强、寿命长且能重复利用等优势。解决了传统好氧反硝化技术菌体极易流失，难以反复使用，处理效果和效率不高，挂膜能力易受外界影响等问题。
附图说明
图1是海藻酸钠固定化载体颗粒；
图2是聚乙烯醇固定化载体颗粒；
图3是反应系统示意图；
图4是固定化好氧反硝化菌脱氮效果图；
图5是固定化好氧反硝化菌重复利用情况图。
图中：1太阳能发电装置，2启控装置、曝气泵及储电池安装部，3人工浮床，4，预制框架，5反应单元，6微孔曝气头。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步阐述。这些实施例仅是出于解释说明的目的，而不限制本发明的范围和实质。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例是用来原位修复黑臭水体的，其中包括好氧反硝化菌的驯化与筛选、固定化载体的制备、反应单元以及反应系统的搭建，包括以下步骤：
一、好氧反硝化菌的驯化培养和筛选：从黑臭水体中驯化培养和筛选得到好氧反硝化菌。
所述的好氧反硝化细菌的驯化培养和筛选的步骤是：从黑臭水体的底泥中采样，于含有驯化培养基的无菌锥形瓶中在30℃、150r/min的条件下培养3天～5天，取少量菌液于新鲜驯化培养基中继续培养，重复三次，所述培养基可以参照现有技术的配方，例如：磷酸氢二钠10.5g、磷酸二氢钾1.5g、丁二酸钠4.7g、硝酸钾1g、硫酸镁0.1g、微量元素2mL。其中微量元素溶液：乙二胺四乙酸二钠5.7g、氯化锰5.1g、硫酸亚铁5.0g、硫酸锌3.9g、氯化钙5.3g、硫酸铜1.0g、氯化钴1.6g、钼酸铵1.1g。以上药品均溶于蒸馏水并定容于1L容量瓶中；挑选脱氮效果好的菌液于筛选分离培养基划线培养，挑选呈蓝色或在其周围有蓝色晕圈出现的单菌落，此种即为好氧反硝化细菌，其中筛选分离培养基可以参照现有技术的配方，例如：在上述富集培养基中加入1mL/L的溴麝香草酚蓝溶液和2.0％的琼脂，其中溴麝香草酚蓝溶液是称取1g溴麝香草酚蓝溶于100mL无水乙醇中制得；将所得的好氧反硝化细菌接种于纯种扩大培养基，在30℃、150r/min的条件下培养3-5d，纯种扩大培养基可以参照现有技术的配方，例如：蛋白胨10g、氯化钠10g、酵母浸膏5g，将以上药品溶于蒸馏水并定容于1L容量瓶中；最终可得纯种的好氧反硝化细菌。
二、固定化好氧反硝化菌载体颗粒的制备。
所述的固定化好氧反硝化菌载体颗粒的制备步骤是：选择天然多糖类物质作为包埋剂，优选海藻酸钠作为包埋剂，配制质量浓度为4％-6％的海藻酸钠溶液，加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入交联剂溶液，优选质量浓度为3％-5％的氯化钙溶液作为交联剂，其中氯化钙溶液为通过蒸馏水配制的溶液，形成直径为3-6mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得该固定化载体。如附图1所示，为海藻酸钠固定化载体颗粒。
三、反应系统的搭建。
由多孔网状材料尼龙网将固定化载体包装形成反应单元。优选孔径为1-3mm的，将尼龙网剪成长10-20cm，宽6-8cm的片状，然后将其折叠成矩形口袋状并取80-100粒固定化载体装入其中，用线、网丝等对其进行封口，另外还可以利用多孔结构的不锈钢盒子或多孔玻璃盒子或多孔塑料盒子作为容器盛装，它们的孔径应当小于固定化好氧反硝化菌载体颗粒的直径。
优选地，利用不锈钢管搭制立方体框架，其管径为2.0～3.0mm，框架长为0.4m，宽0.4m，高为0.25m，上层均匀分割为16格，在框架交汇处用绳索共悬挂9个固定化反应，在下层框架铺设曝气管和与反应单元上下对应的曝气头。
利用聚苯乙烯发泡板搭建人工浮床，这种发泡板抗冲击能力强、浮力大，发泡板优选为圆形直径为1.0～1.2m。发泡板中部承载蓄电池、曝气泵和启控装置，利用PVC板材将四周和顶部封闭，封闭区间直径为0.5～0.6m，高度为0.3～0.4m，其中曝气泵要求功率10～15w，启控装置根据实际应用的水体情况调节曝气泵流量和时间，使得反应系统中DO浓度为2.0mg/L～4.0mg/L，其中所述启控装置为曝气泵的控制装置，采用现有技术方案。顶部安装太阳能电池板，其直径为0.5～0.6m，充电装置功率为15～35w。发泡板四周种植孔栽种水生修复植物，按1:1:1栽种菖蒲、鸢尾、美人蕉共18～24棵。
根据水体面积，合理布置反应系统位置和数量，将水下框架连接固定锚，固定整个反应系统的位置。
实施例2
本实施例中仅步骤二中所用包埋剂与实施例1不同，其他均与实施例1同。
步骤二所述的包埋步骤是：选择合成高分子物质作为包埋剂，优选聚乙烯醇作为包埋剂，配制质量浓度为8％-12％的聚乙烯醇溶液，加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入的交联剂，形成直径为4-7mm的小球，优选质量浓度为2％-6％的氯化钙溶液作为交联剂，其中氯化钙为通过蒸馏水配制的溶液，在4℃条件下交联1天即制得该固定化载体。
通过以下实验可以验证本发明的处理效果以及重复利用性能。
试验一：考察固定化好氧反硝化菌脱氮效果。
以华中科技大学东校区湖溪河的水体进行试验，该黑臭水体的主要水质指标为CODCr浓度为52.0-85.0mg/L、TN浓度为18.2-23.4mg/L、NH4+-N浓度为8.3-12.7mg/L。在25-30℃的条件下反应5天，每隔2h监测CODCr、TN、NH4+-N，去除效果见附图4。
试验二：考察所述反应系统的可重复利用性能。
待第一次反应去除效果稳定后将盛装固定化载体的口袋取出，进行清洗，将清洗后的口袋重新等量投加至新鲜黑臭水体中进行实验，监测CODCr、TN、NH4+-N。该新鲜黑臭水体同试验一中所述，重复操作多次，去除效果见附图5。
图4显示，本发明对氨氮的去除率接近80％，对总氮的去除率达到50％，并且对COD的去除率达到77％。
图5显示，本发明对COD、总氮、氨氮的吸收性能随着重复利用次数的增加只有小幅度的减少，可见重复利用率较高，将极大的节省处理成本。

Claims (10)

1.一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一，好氧反硝化菌的筛选与驯化；
步骤二，固定化好氧反硝化菌颗粒的制备：以具有多孔结构的天然多糖类物质和/或合成高分子物质作为包埋剂并配制一定浓度的包埋剂溶液，加热搅拌灭菌后静置冷却至常温，加入筛选驯化后的好氧反硝化菌菌液混合均匀后滴入一定浓度的交联剂后制得固定化好氧反硝化菌颗粒；
步骤三，反应系统的搭建：将步骤二中制得的固定化好氧反硝化菌颗粒等量分配并装入若干多孔结构容器，每个多孔结构容器作为一个反应单元，将所述多孔结构容器固定于预制框架上；
步骤四，搭建人工浮床，将所述反应单元固定于人工浮床底部并放置于黑臭水体中。
2.根据权利要求1所述的一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：所述步骤一的具体步骤为：从黑臭水体的底泥中采集好氧反硝化细菌样本，于含有好氧反硝化细菌富集培养基的无菌锥形瓶中在30℃、150r/min的条件下培养3天-5天后，取少量菌液于新鲜富集培养基中继续培养，重复三次；
挑选脱氮效果好的菌液于筛选分离培养基上划线培养，反复多次挑选出合适的单菌落即为好氧反硝化细菌；
将所得的好氧反硝化细菌接种于纯种扩大培养基中，在30℃、150r/min的条件下培养3天-5天，最终可得特定纯种的好氧反硝化细菌。
3.根据权利要求1所述的一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：步骤二中所述天然多糖类物质为海藻酸钠、琼脂，所述合成高分子物质为聚乙烯醇、聚乙烯二醇、聚丙烯酰胺，所述交联剂为氯化钙溶液、饱和硼酸溶液、N，N-亚甲基双丙烯酰胺混合溶液。
4.根据权利要求3所述的一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：当采用海藻酸钠作为包埋剂，氯化钙溶液做交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为4％-6％的海藻酸钠溶液，加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为3％-5％的氯化钙交联剂溶液中，形成直径为3-6mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得。
5.根据权利要求3所述的一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：当采用聚乙烯醇作为包埋剂，氯化钙溶液做交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为8％-12％的聚乙烯醇溶液，加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为2％-6％的氯化钙交联剂溶液中，形成直径为4-7mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得。
6.根据权利要求3所述的一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：当采用琼脂做包埋剂，饱和硼酸溶液做交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为2％-3％的琼脂和0.8％-0.9％的氯化钠的混合溶液，水浴加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至40℃左右后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为3％-4％的饱和硼酸溶液中，形成直径为3-6mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得。
7.根据权利要求3所述的一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：当采用聚乙烯醇和海藻酸钠作为包埋剂，氯化钙溶液和饱和硼酸溶液作为交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为6％-8％的聚乙烯醇和2％-3％的海藻酸钠的混合溶液，加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为2％-4％的氯化钙和3％-4％的饱和硼酸的混合溶液中，形成直径为3-6mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得。
8.根据权利要求3所述的一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：当采用聚乙烯二醇和海藻酸钠作为包埋剂，氯化钙溶液作为交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为4％-8％的聚乙二醇和2％-4％的海藻酸钠的混合溶液，加热并不断搅拌至溶解，在121℃的条件下灭菌20分钟，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为2％-4％的氯化钙交联剂溶液中，形成直径为3-6mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得。
9.根据权利要求3所述的一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：当采用聚丙烯酰胺作为包埋剂，N，N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂时，固定化好氧反硝化菌颗粒具体制备步骤为：配制质量浓度为14％-16％的丙烯酰胺单体和的2％-3％N，N-亚甲基双丙烯酰胺的混合溶液，水浴加热并不断搅拌至溶解后，加入0.1mL四甲基乙二胺，待溶液静置冷却至常温后，加入适量离心后的好氧反硝化菌株，混合均匀后用滴入质量浓度为2％-4％的氯化钙和4％-6％的过硫酸钾的混合溶液中，形成直径为4-7mm的小球，在4℃条件下交联1天即制得。
10.根据权利要求1所述的一种固定化好氧反硝化菌原位修复黑臭水体的处理方法，其特征在于：所述人工浮床上还设置有曝气泵以及控制曝气泵的启控装置，所述反应系统的预制框架上设置有若干微孔曝气头，所述曝气泵通过气管与微孔曝气头相连；
所述人工浮床上还设置有太阳能发电装置为所述启控装置以及曝气泵提供电力；
所述人工浮床上还栽种有水生修复植物。
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