CN111470625B

CN111470625B - 一种厌氧水解酸化复合细菌包埋生物活性填料制备及应用

Info

Publication number: CN111470625B
Application number: CN202010375336.1A
Authority: CN
Inventors: 杨宏
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Tianchao Environmental Technology Beijing Co ltd; Yang Hong; Beijing University of Technology
Priority date: 2020-05-06
Filing date: 2020-05-06
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2040-05-06
Also published as: CN111470625A

Abstract

一种厌氧水解酸化复合细菌包埋生物活性填料制备及应用，属于污、废水处理领域。利用先进的控制手段，优化强化培养水解酸化复合细菌，然后，利用细菌包埋技术制作强化水解酸化复合细菌包埋生物活性填料，利用该填料实现污、废水生物处理，所带来的结果是工艺过程简洁、高效率，无需复杂的控制过程。

Description

一种厌氧水解酸化复合细菌包埋生物活性填料制备及应用

技术领域：

本发明属于污、废水处理领域，特别涉及一种厌氧水解酸化复合细菌包埋生物活性填料制备及应用。

背景技术：

含氮污、废水处理中，有机物尤其是蛋白质中含有大量的有机氮，这些有机氮必须通过较为完全的厌氧生化过程，核心是水解酸化过程将有机氮转化成氨氮，才能够在后续的处理中使这部分氮得以脱除。传统活性污泥法单泥系统的活性污泥，通过污泥回流方式保持整个系统的污泥(细菌)的保持，回流至厌氧区域的活性污泥是经过缺氧、好氧和沉淀池三个不同工艺环境的污泥，到达厌氧区以后要立刻适应厌氧环境，完成其所应承担任务，这样环境的不断改变，使得系统中厌氧段生化效率的发挥受到极大的影响，同时厌氧段的生化环境又对污泥中的硝化细菌、反硝化细菌的正常生理活性的保持也产生很大的影响。如果通过一定的技术手段使厌氧细菌一直能够保持在这个厌氧环境中，那么对于这些细菌的生化效能发挥会起到很好地促进作用。

在处理工艺上，专业人士考虑应用生物膜法来弥补活性污泥法体系存在的这一缺点，但是生物膜法同样存在问题，对于水解酸化细菌来说，自然挂膜对其无选择性，难以形成高密度的菌群优势。种种原因表明，传统生化法无法实现更高的水解酸化效率。

微生物细胞固定化技术可以大幅度提高微生物浓度，针对微生物细胞常用的固定化方法有吸附法、交联法和包埋法。其中，以包埋法最为常用，已用于微生物细胞包埋的材料有:聚乙烯醇(PVA)、琼脂、K-卡拉胶、明胶、海藻酸钠、聚丙烯酰胺、聚氨酯等。在上述包埋材料中PVA具有对微生物无毒性、传质性能好、胶联后不易被生物分解、性质稳定、机械强度高、寿命长、价格低等特点。通过包埋方法实施的细菌固定化技术，可以实现水解酸化细菌的定性定量投加。

在包埋技术方法中，目前利用载体成型技术而制作的包埋生物活性填料成为生物填料产品和应用的标注性产品和具有一定先进性的技术(ZL201410137270.7)。该种形式的包埋生物活性填料，在实验和应用中表现出了优异的性能。但是，由于网状载体制作技术要求较高、单机产量很难实现高效率，致使生产制作成本和生产效率一直存在问题。

近几年我们采用(ZL201410137270.7)中的包埋技术方法，制作了水解酸化生物活性填料，利用网状直筒形水解酸化包埋生物活性填料，我们进行了中试和生产性应用试验，在填料制作和使用过程中发现该填料，在制备工艺过程、制作成本和填料结构形式的复杂程度上存在着较大的提升空间。为了更加适应应用市场需求和增强制作过程中质量的可控性，以及能够有效提高生产效率，通过不断地摸索、研究、实验和总结，形成了本次水解酸化包埋生物活性填料的制作技术。该技术方法的形成为包埋生物活性填料的生产和应用带来了更为有利的技术基础条件。

所以本次发明，对于水解酸化包埋生物活性填料的制作技术方法和结构形式进行了总结，取得了实质性的进步和提高，新材料的出现为处理工艺的应用带来了更为有利的条件。

发明内容：

本发明的目的是利用先进的控制手段，优化强化培养水解酸化复合细菌，然后，利用细菌包埋技术制作强化水解酸化复合细菌包埋生物活性填料，利用该填料实现污、废水生物处理，所带来的结果是工艺过程简洁、高效率，无需复杂的控制过程。

一种强化水解酸化复合细菌包埋生物活性填料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)水解酸化细菌的定向强化培养：取现有污水处理厂的浓缩剩余污泥(含水率为97％)，在80r/min的低强度搅拌条件下，投加豆制品加工废水沉淀物，根据蛋白剩余量进行投加量调节，以维持剩余蛋白含量0.2mg/L为标准进行沉淀物投加，然后投加微量元素溶液5mL/L，微量元素溶液组成：ZnSO₄·7H₂O：0.50mg/L；NaMoO₄·2H₂O：0.12mg/L；CoCl₂·6H₂O：0.20mg/L；MnSO₄·H₂O：0.50mg/L；NiCl₂·6H₂O：0.70mg/L；CuSO₄·5H₂O：0.60mg/L；FeSO₄·7H₂O：0.80mg/L，检测pH变化，控制pH在6.5-7.0范围，此培养过程实际是一个驯化培养过程，连续运行7天，将培养物进行脱水浓缩至含水率80-85％，最终形成水解酸化菌培养物；

(2)包埋材料的质量百分比组成及准备：PVA20-30％，水解酸化菌培养物50％，硅藻土15-20％，100目的木质活性炭4-6％，碳酸钙4-5％，其余1％为无机混合物，无机混合物的组成及质量比：磷酸钠、硫酸镁、硫酸亚铁、ZnSO₄·7H₂O、NaMoO₄·2H₂O、CoCl₂·6H₂O、NiCl₂·6H₂O、CuSO₄·5H₂O组成的混合物，质量比为：18：21：60：0.4：0.15：0.15：0.15：0.15；

(3)制作过程：利用90℃水溶解PVA制备成40-50％质量浓度的PVA溶液；按照上述各组分比例添加材料，通过高强度机械搅拌混匀制备成胶状包埋料；利用具有孔径为10-12mm、内嵌6-10mm(不同时为10mm)柱芯挤出头的强力挤出机进行挤出，形成管条状挤出物(优选壁厚1.5-2.5mm)；将该挤出物放置在饱和硼酸溶液中进行胶联4小时，胶联成型后用清水清洗完成基础和胶联成型过程；将成型后的长管条利用切割机进行切割，长度为3-5mm；将切割完成的填料，置于5％硫酸钠溶液中进行浸泡4小时，取出后清水清洗，形成最终包埋填料产品。

所述包埋生物活性填料的应用，将该填料装填入直径为80-150mm的网状悬浮球中，每个球中装填40-60％体积的填料，建立水解酸化反应器，将装有填料的网状悬浮球置于水解酸化反应器中，对含有蛋白质的废水或市政污水进行处理，每天连续运行。

本发明的优点：

1.不利用网状载体，保持填料(1)壁厚1.5-2.5mm，使单个填料包埋体量增加了近20％，使形成的填料细菌包埋量更大；

2.通过包埋主材料PVA投加比例的增大(20-30％)，使填料整体结构更加稳定，同时，由于PVA投加量的增大，结合其他辅助材料添加的改变，使填料包埋体内部的形成了更为紧密的微米级空穴，使细菌固定能力更为稳定；

3.通过辅助材料种类和添加比例的改变使填料本身的韧性有了极大的提高，结合由于PVA添加量的增加使填料在水中的稳定性也得到更大的提高；

4.在填料圆筒长度上，采用3-5mm形成圆环结构，使填料内部水力条件更为优良，由于短环状形式的形成，使填料单个重量减小，填料在水中形成流态化状态更好，同时在使用中减小了对水力搅拌强度条件的要求；

5.由于填料韧性增大和个体体积的减小，使填料在水中相互碰撞、摩擦产生的破损得到了很好的控制，填料本身由于没有了原有硬性的网状载体，使填料本身由原有的硬性结构变成了弹性结构，实现了填料自身结构更好地保护。

6.结合强化优化培养的水解酸化复合细菌的特点，在准备包埋材料无机物组分时，调整组成如采用硫酸亚铁，改变包埋材料的环境，使得更符合强化优化培养的水解酸化复合细菌反应时的特点，进一步强化反应过程。

附图说明

图1为本发明形成的填料的整体外观结构图。

1、单个填料；2、填料壁厚；3、填料内部。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

1.水解酸化培养物培养制备

取现有污水处理厂的浓缩剩余污泥(含水率为97％)，在80r/min的低强度搅拌条件下，投加豆制品加工废水沉淀物(根据蛋白剩余量进行投加量调节，以维持蛋白剩余含量0.2mg/L为标准进行沉淀物投加)，投加微量元素溶液5mL/L(微量元素组成：ZnSO₄·7H₂O：0.50mg/L；NaMoO₄·2H₂O：0.12mg/L；CoCl₂·6H₂O：0.20mg/L；MnSO₄·H₂O：0.50mg/L；NiCl₂·6H₂O：0.70mg/L；CuSO₄·5H₂O：0.60mg/L；FeCl₃·6H₂O：0.80mg/L)，检测pH变化，控制pH在6.5-7.0范围，连续运行7天，将培养物进行脱水浓缩至含水率80％，最终形成水解酸化菌培养物。

2.填料(1)的制备

利用90℃水溶解PVA制备成40％质量浓度的PVA溶液；PVA添加量为20％；水解酸化细菌培养物50％；硅藻土20％；100目的木质活性炭5％；碳酸钙4％；其余1％为磷酸钠、硫酸镁、硫酸亚铁、ZnSO₄·7H₂O、NaMoO₄·2H₂O、CoCl₂·6H₂O、NiCl₂·6H₂O、CuSO₄·5H₂O组成的混合物(质量百分比为：18：21：60：0.4：0.15：0.15：0.15：0.15)比例混合；将上述混合物利用高强度机械搅拌混匀制备成胶状水解酸化包埋料；利用具有孔径为10mm，内嵌8mm柱芯挤出头的强力挤出机进行挤出，形成管条状挤出物；将该挤出物放置在饱和硼酸溶液中进行胶联4小时，胶联成型后用清水清洗，完成硼酸胶联成型过程；将成型后的长管条进行切割，长度为5mm；将切割完成的填料(1)置于5％硫酸钠溶液中进行浸泡4小时，取出后清水清洗，形成最终水解酸化细菌包埋填料。

将该填料装填入直径为100mm的悬浮球中，每个球中装填一半的填料。

3.水解酸化活性填料的实验(人工配水蛋白质含量80mg/L)

建立水解酸化反应器，向有效体积为100L的水解酸化反应器中投加2.中制备好的装有填料(1)的悬浮球100个，最终形成水解酸化细菌包埋生物活性填料填充率为20％，水温25±2℃，HRT＝2h，pH为7.0±0.5；利用人工配水(蛋白质含量80mg/L)为原水，反应器每天24小时连续运行，每天测定反应器的氨氮产出效果。出水检测结果表明，反应器在培养恢复15天后氨氮释放浓度最高达到12.5mg/L，有机氮转化量达到97.6％，

生物活性填料反应池连续运行近6个月，生化效果稳定。

实施例2

1.水解酸化培养物培养制备(同实例1相同)

2.填料的制备(同实例1相同)

3.水解酸化活性填料的应用(市政污水)

向有效体积为100L的水解酸化反应器中投加2.中制备好的装有填料(1)的悬浮球100个，最终形成水解酸化包埋生物活性填料填充率为20％，水温22±3℃，HRT＝2h，pH为6.8-7.3，原水为市政污水，反应器每天24小时连续运行，每天测定反应器的氨氮转化产出效果。出水检测结果表明，反应器在培养恢复13天后氨氮释放浓度稳定在7.0mg/L左右，有机氮得到了充分转化释放，生物活性填料反应池连续运行近4个月，生化效果稳定。

本次发明特点：1.包埋填料壁(2)厚1.5-2.5mm，在保持了良好通透性前提下，单个填料(1)包埋细菌量更大，单位体积细菌量增大20％；2.通过包埋主材料聚乙烯醇(PVA)投加比例的增大(30％)，结合其他辅助材料添加的改变，使填料包埋体内部形成了更为紧密的微米级空穴，使细菌固定能力更为稳定；3.通过辅助材料种类和添加比例的改变使填料(1)本身的韧性有了极大的提高，使填料(1)在水中的稳定性得到更大的提高；4.在填料(1)圆筒长度上全部采用3-5mm，使填料内部(3)水力条件更为优良，填料(1)单个重量减小，填料(1)在水中形成流态化状态更好，在使用中减小了对水力搅拌强度条件的要求；5.由于填料(1)韧性增大和个体体积的减小，使填料(1)本身成为了弹性体在水中相互碰撞、摩擦产生的磨损小，实现了填料(1)自身的结构保护。6.结合强化优化培养的水解酸化复合细菌的特点，在准备包埋材料无机物组分时，调整组成如采用硫酸亚铁，改变包埋材料的环境，使得更符合强化优化培养的水解酸化复合细菌反应时的特点，进一步强化反应过程。

Claims

1.一种厌氧水解酸化复合细菌包埋生物活性填料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）水解酸化细菌的定向强化培养：取现有污水处理厂的浓缩剩余污泥，在80r/min的低强度搅拌条件下，投加豆制品加工废水沉淀物，根据蛋白剩余量进行投加量调节，以维持剩余蛋白含量0.2mg/L为标准进行沉淀物投加，然后投加微量元素溶液5mL/L，微量元素溶液组成：ZnSO₄•7H₂O：0.50mg/L；NaMoO₄•2H₂O：0.12 mg/L；CoCl₂•6H₂O：0.20 mg/L；MnSO₄•H₂O：0.50 mg/L；NiCl₂•6H₂O：0.70 mg/L；CuSO₄•5H₂O：0.60 mg/L；FeSO₄•7H₂O：0.80 mg/L，检测pH变化，控制pH在6.5-7.0范围，此培养过程实际是一个驯化培养过程，连续运行7天，将培养物进行脱水浓缩至含水率80-85%，最终形成水解酸化菌培养物；

（2）包埋材料的质量百分比组成及准备：PVA 20-30%，水解酸化菌培养物50%，硅藻土15-20%，100目的木质活性炭4-6%，碳酸钙4-5%，其余1%为无机混合物，无机混合物的组成及质量比：磷酸钠、硫酸镁、硫酸亚铁、ZnSO₄·7H₂O、NaMoO₄·2H₂O、CoCl₂·6H₂O、NiCl₂·6H₂O、CuSO₄·5H₂O组成的混合物，质量比为18：21：60：0.4：0.15：0.15：0.15：0.15；

（3）制作过程：利用90℃水溶解PVA制备成40-50%质量浓度的PVA溶液；按照上述各组分比例添加材料，通过高强度机械搅拌混匀制备成胶状包埋料；利用具有孔径为10-12mm、内嵌6-10mm，不同时为10mm，柱芯挤出头的强力挤出机进行挤出，形成管条状挤出物；将挤出物放置在饱和硼酸溶液中进行胶联4小时，胶联成型后用清水清洗完成基础和胶联成型过程；将成型后的长管条利用切割机进行切割，长度为3-5mm；将切割完成的填料，置于5%硫酸钠溶液中进行浸泡4小时，取出后清水清洗，形成最终包埋填料产品。

2.按照权利要求1所述的一种厌氧水解酸化复合细菌包埋生物活性填料制备方法，其特征在于，包埋填料产品壁厚1.5-2.5mm。

3.按照权利要求1或2所述的方法制备得到的厌氧水解酸化复合细菌包埋生物活性填料。

4.按照权利要求1或2所述的方法制备得到的厌氧水解酸化复合细菌包埋生物活性填料的应用，将该填料装填入直径为80-150mm的网状悬浮球中，每个球中装填40-60%体积的填料，建立水解酸化反应器，将装有填料的网状悬浮球置于水解酸化反应器中，对含有蛋白质的废水或市政污水进行处理，每天连续运行。