CN113104964A - 一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法及装置。包括对潮间带沉积物的预处理，颗粒污泥颗粒化的快速形成及对高盐废水的高效处理。通过接种潮间带沉积物形成的耐盐好氧颗粒污泥解决了普通活性污泥处理高盐废水时生物量流失严重、沉降性差等问题，富集了大量耐盐微生物及硝化细菌，促进了微生物功能菌群的结构优化，提高了系统的整体耐盐水平。通过接种潮间带沉积物，可以在盐度1‑4％条件下实现好氧颗粒污泥系统的迅速启动，并实现对高盐废水的高效处理。

Description

一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的 启动方法及装置

技术领域

本发明属于废水生物处理技术领域，具体涉及一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法及装置，尤其是能直接在特定高盐度条件下实现高盐有机废水好氧颗粒污泥颗粒化的快速形成，并且可以在不同盐度下进行应用。

背景技术

高盐废水的产生可来源于多种工业生产环节，如制药，精细化工，制皮等。我国高盐废水产生量占总废水量的5％，且每年仍以2％的速度增长，高盐工业废水所含盐类主要为Cl^-、SO₄ ^2-、Na⁺、Ca²⁺、K⁺等，含盐量一般以氯化钠计，总含盐质量至少为1％。高盐废水含有较高的总溶解固体以及有机物，若未经有效处理直接排放，会造成严重的环境污染。高盐废水的处理技术，传统上可分为物理法、化学法、生物法等。其中生物法相对其他方法而言，在保证处理效率的同时，投资和运行费用上具有明显的经济优势，因此生物法具有较大的应用潜力。然而，高盐度会对微生物的活性产生抑制作用，原因是高盐环境所产生的高渗透压会造成细胞失水，严重的可导致细胞死亡和裂解，直接影响微生物对污染物的降解速率。

好氧颗粒污泥(Aerobic Granular Sludge,AGS)是一种新型生物处理技术，它是在特定条件下微生物自发凝聚、繁殖形成的结构致密、沉降性能优异、生物量大且协作性强的生物颗粒。它能够实现优势功能菌的富集，充分发挥其降解功能。含盐废水由于密度增大，产生的较大浮力会导致普通絮状污泥沉降性能不佳甚至上浮流失，而好氧颗粒污泥良好的沉降性能恰恰能有效克服这一问题，颗粒污泥密集的生物相、紧凑的结构为各种微生物提供了较好的屏蔽作用，在高盐废水的处理过程中能保持较高的有机物去除效能。而如何实现好氧颗粒污泥的快速颗粒化及维持颗粒稳定性，实现系统的快速启动，维持系统的高效运行，是好氧颗粒污泥工艺高效处理高盐废水的关键所在。

目前，针对如何提高微生物的耐盐性能以实现高盐废水的高效生物处理，研究者提出了不同的解决方法。CN101717153A提出一种高盐废水生物处理系统的快速构建方法，即通过控制进水盐度来调控反应器内盐度梯度的递增幅度实现污泥的高效驯化，并可在较短的时间内构建出目标盐度下的高盐生物处理系统。CN102531196A则提出一种提高淡水活性污泥硝化菌群耐盐能力的方法，即通过加入氯化钾溶液提高溶液中钾离子浓度，进而调节细胞渗透压，提高淡水活性污泥硝化菌群的耐盐能力。CN107828773A提出一种含盐废水处理的活性污泥的驯化剂的制备方法，该研究者是通过从腌肉中分离出筛选出高效功能嗜盐菌，将筛选出的嗜盐菌进行繁殖培养后用于高盐废水的处理。以上提到采用盐度梯度驯化法启动时间较长，菌种丰富度低；添加钾离子改变细胞渗透压提高微生物耐盐能力法抗负荷和盐度冲击能力有限；筛选培养优势嗜盐菌法操作过程繁琐，实验条件要求苛刻。并且，以上方法均无法克服高盐条件下生物处理法常见的污泥流失和沉降不佳等问题，而好氧颗粒污泥技术恰恰很好的解决了这些问题。目前利用好氧颗粒污泥技术处理高盐废水的瓶颈之一在于污泥接种体系。常规用于接种的活性污泥处于淡水(低渗透压)环境，其培养出来的好氧颗粒污泥对高盐环境的耐受能力有限，因而对高盐废水的处理具有一定的局限性。现在急需一种好氧颗粒污泥新型接种体系，使得培养出来的颗粒污泥同时具备良好的耐盐特性以及对污染物质的高效削减能力。

发明内容

本发明内容是通过提供一种潮间带沉积物为接种体系的好氧颗粒污泥系统快速颗粒化的启动方法，以潮间带沉积物为接种污泥，提高了系统的整体耐盐水平，并解决了活性污泥对高盐废水生物处理中污泥流失和沉降性差的问题。

术语说明：

潮间带：是指平均最高潮位和最低潮位间的海岸，即海水涨至最高时所淹没的地方开始至潮水退到最低时露出水面的范围。

潮间带沉积物：是指在潮间带湿地挖取的沉积物，作为本发明的接种体，其中包含既能高效降解有机污染物又具有良好的耐盐性能的复合菌群。

VSS/TSS：用于指示潮间带沉积物中微生物含量的比例。

本发明的技术方案如下：

一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法，包括步骤如下：

步骤1：将潮间带沉积物预处理后作为接种污泥加入到反应器中；

步骤2：向水中加入氯化钠调节盐度，并投加乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾提供C、N、P，并投加有利于促进污泥颗粒化的常量及微量元素，得到模拟高盐废水；

步骤3：将步骤2中的模拟高盐废水注入到反应器中；

步骤4：将空气从反应器底部进入，进行曝气；

步骤5：曝气结束后，进行沉淀，随后排出反应器50％高度以上的上清液，经过不断重复步骤2到步骤5后，颗粒化逐渐形成，最终得到成熟好氧颗粒污泥。

根据本发明，优选的，步骤1中所述的潮间带沉积物取自山东青岛市黄岛区潮间湿地表层0-5cm处，所取的潮间带沉积物质感细腻、无明显的沙质感，表面呈黄褐色或深褐色。盐度为2.5％-3.5％，VSS/TSS＝0.08～0.18，由于含有大量无机物质，所以在接种前需进行预处理；

优选的，预处理步骤如下：

将上述所取的潮间带沉积物置于量杯中，用氯化钠调盐度为3％的盐水浸润，充分搅拌，将混合液用16目(孔径为1mm)筛网过滤，反复数次，将无法过筛的物质排除掉，之后用32目(孔径为0.5mm)筛网重复上述步骤，最后用60目(孔径为0.25mm)筛网继续重复上述步骤数次；将过筛处理的沉积物经过500mg/L乙酸钠溶液(含3％氯化钠)预培养后可以用于接种。

根据本发明，优选的，步骤1中控制反应器中初始污泥浓度为5000mg/L。

根据本发明，优选的，步骤2中投加氯化钠调节成盐度为3％；

优选的，按照C：N：P＝100:5:1的质量浓度比添加乙酸钠、氯化铵和磷酸二氢钾，控制进水COD为500-2000mg/L，氨氮为25-100mg/L，磷酸盐浓度为5-20mg/L；

优选的，所述的常量元素和微量元素如表1所示：

表1常量及微量元素

元素	浓度(g/L)	添加比例(废水量：投加量)
			CaCl<sub>2</sub>·H<sub>2</sub>O	30	1000:1
MgSO<sub>4</sub>	25	1000:1
			FeSO<sub>4</sub>·7H<sub>2</sub>O	20	1000:1
H<sub>3</sub>BO<sub>3</sub>	0.05	10000:1
			ZnCl<sub>2</sub>	0.05	10000:1
CuCl<sub>2</sub>	0.05	10000:1
			MnSO<sub>4</sub>·H<sub>2</sub>O	0.05	10000:1
(NH<sub>4</sub>)<sub>6</sub>Mo<sub>7</sub>O<sub>24</sub>	0.05	10000:1
			AlCl<sub>3</sub>	0.05	10000:1
CoCl<sub>2</sub>	0.05	10000:1
			NiCl<sub>2</sub>	0.05	10000:1

根据本发明，优选的，步骤4中，将空气从反应器底部进入反应器，气体流速控制在2-3L/min，目的为了足够大的气体剪切力，使颗粒污泥的结构更加圆润致密。溶解氧在6-7mg/L之间，初始曝气时间为3h30min，之后根据沉淀时间的变化进行改动；

优选的，用温度计调控反应器内温度为25-30℃，用便携式pH计测的反应器内pH并投加1:10的硫酸或碳酸氢钠(30g/L)来调控pH为7.0-7.8。

根据本发明，步骤3到步骤5为一个循环周期，共4h，每日设置6个循环周期。

根据本发明，优选的，步骤5中，曝气结束后，初始沉淀时间设置为20min，之后随着颗粒化的形成，污泥的沉降性能变好，沉淀时间会逐步缩短，最终稳定在3min，减少的沉淀时间会加到曝气时间上，整个循环的总时间不变(4h)。沉淀时间达到后排出上清液，排水比为50％。

根据本发明，还提供一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动装置，包括反应器本体，所述的反应器本体底部设置有底部曝气装置(3)，反应器本体的进水口(8)通过进水蠕动泵(2)与进水桶(1)连接，反应器本体的出水口(9)通过电磁阀(7)与出水桶(6)连接，所述的底部曝气装置(3)通过气体流量计(5)、曝气泵(4)与数字计时器(11)连接，所述的时间控制器(11)还与进水蠕动泵(2)和电磁阀(7)连接。

根据本发明，优选的，所述的反应器本体还设置有溢流口(10)。

根据本发明，优选的，所述的反应器本体为圆筒容器。

根据本发明，优选的，所述的反应器本体高125cm，内径宽6cm，高径比>20。反应器本体内有效体积为3.3L，有效高度为100cm，出水口设置在距底部50cm处，水力停留时间设置为8h。

根据本发明，对pH、DO和温度的测定，可采用便携式pH计、DO测定仪和温度计。

根据本发明，利用上述装置，以潮间带沉积物为接种体系进行高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法，一种优选的实施方案，包括步骤如下：

步骤1：将潮间带沉积物预处理后作为接种污泥加入到反应器本体中，保证反应器本体中初始污泥浓度为5000mg/L；

步骤2：在进水桶(1)中加入自来水，并投加氯化钠调节成盐度为3％的模拟高盐废水，并投加乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾提供C、N、P，并投加MgSO₄、CaCl₂、FeCl₃等提供有利于促进污泥颗粒化的常量及微量元素；

步骤3：进水阶段，由进水蠕动泵(2)控制，将步骤2中的模拟高盐废水从反应器本体底部注入，进水时间设置为5min，进水量为320mL/min；

步骤4：曝气阶段，曝气泵(4)通过气体流量计(5)将空气从反应器本体的底部曝气盘(3)进入反应器本体，进行气升式好氧颗粒污泥培养，气体流速控制在2-3L/min，目的为了足够大的气体剪切力，使颗粒污泥的结构更加圆润致密；溶解氧在6-7mg/L之间，初始曝气时间为3h30min，之后会根据沉淀时间的变化进行改动；

步骤5：沉淀阶段，曝气结束后，初始沉淀时间设置为20min，之后随着颗粒化的形成，污泥的沉降性能变好，沉淀时间会逐步缩短，最终稳定在3min，减少的沉淀时间会加到曝气时间上，整个循环的总时间不变(4h)；沉淀时间达到后出水电磁阀(7)开启，排出上清液，设置的排水比为50％。

本发明通过以潮间带沉积物为接种体系培养的好氧颗粒污泥，可较快使污泥达到颗粒化状态，促进颗粒内部菌群的结构优化，沉降性能更加良好，提高系统整体的耐盐水平，拓宽好氧颗粒污泥技术在高盐废水处理中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明以潮间带沉积物为接种污泥，解决了普通活性污泥在处理高盐废水过程中生物量流失严重、菌群丰富度低并且菌群结构单一等问题，富集了大量耐盐微生物及硝化细菌，促进了生物膜菌群的结构优化，提高了系统的整体耐盐水平。通过接种潮间带沉积物，可以实现在盐度1％-4％条件下颗粒污泥颗粒化的快速形成。

2、本发明运用高径比>20的SBR反应器即可实现实验的成功运行，操作简单，成本较低，利于以后的工业化应用。

3、本发明采用潮间带沉积物为接种体系培养出的好氧颗粒污泥不仅具有一些独特的耐盐功能微生物，而且硝化和反硝化菌种类也较为丰富，可以实现一体化生物脱氮、短程硝化反硝化等过程，可用于高盐废水中有机污染物及含氮污染物的高效同步生物处理。

附图说明：

图1为本发明实施例1中反应器的主体结构示意图。

图2为本发明实施例2颗粒化形成的过程示意图。

图3为实施例2中反应器稳定运行期间，在进水TOC为800mg/L的条件下，TOC去除效果图。

图4为实施例2中反应器稳定运行期间，在进水氨氮浓度为25-50mg/L条件下，氨氮去除效果图。

其中：1、进水桶，2、进水蠕动泵，3、底部曝气装置，4、曝气泵，5、气体流量计，6、出水桶，7、电磁阀，8、进水口，9、出水口，10、溢流口，11、数显式计时器。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，本发明并不限于以下实施例。

实施例中所述的潮间带沉积物取自山东青岛市黄岛区潮间湿地表层0-5cm处，所取的潮间带沉积物质感细腻，表面呈黄褐色或深褐色。盐度为2.5％-3.5％，VSS/TSS＝0.08～0.18，由于含有大量无机物质，所以在接种前需进行预处理；

预处理步骤如下：

将上述所取的潮间带沉积物置于量杯中，用氯化钠调盐度为3％的盐水浸润，充分搅拌，将混合液用16目(孔径为1mm)筛网过滤，反复数次，将无法过筛的物质排除掉，之后用32目(孔径为0.5mm)筛网重复上述步骤，最后用60目(孔径为0.25mm)筛网继续重复上述步骤数次；将过筛处理的沉积物经过500mg/L乙酸钠溶液(含3％氯化钠)预培养后可以用于接种。

实施例1

如图1所示，一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动装置，包括反应器本体，所述的反应器本体底部设置有底部曝气装置(3)，反应器本体的进水口(8)通过进水蠕动泵(2)与进水桶(1)连接，反应器本体的出水口(9)通过电磁阀(7)与出水桶(6)连接，所述的底部曝气装置(3)通过气体流量计(5)、曝气泵(4)与数显式计时器(11)连接，所述的时间控制器(11)还与进水蠕动泵(2)和电磁阀(7)连接；

所述的反应器本体还设置有溢流口(10)，所述的反应器本体为圆筒容器，所述的反应器本体高125cm，内径宽6cm，高径比>20。反应器本体内有效体积为3.3L，有效高度为100cm，出水口设置在距底部50cm处，水力停留时间设置为8h。通过便携式pH计、DO测定仪和温度计进行pH、DO和温度的监测。

实施例2

利用实施例1所述装置作为反应器，以潮间带沉积物为接种体系进行高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法，包括步骤如下：

步骤1：取青岛市黄岛区潮间带沉积物作为接种污泥，经过预处理后接种到反应器中，调节初始污泥浓度为5000mg/L。

步骤2：在进水桶(1)中加入自来水12L，加入360g氯化钠，充分混合后获得3％盐度的模拟高盐废水，并加入乙酸钠12.76g，氯化铵1.15g，磷酸二氢钾0.2628g，按C：N：P＝100:5:1的比例(质量浓度比)提供初始浓度为500mg/L的COD和25mg/L的氨氮。

步骤3：进水阶段，由进水蠕动泵(2)控制，将步骤2中的模拟高盐废水从反应器本体底部注入，进水时间设置为5min，进水量为320mL/min，共注入1.6L进水。

步骤4：在曝气阶段通过曝气泵(4)将空气传送至反应器底部曝气盘(3)，调节气体流量计(5)控制气体流速2-3L/min，溶解氧在6-7mg/L之间。曝气阶段持续3h30min。

步骤5:在沉淀阶段，曝气泵(4)停止曝气，沉淀时间到达20min后，电磁阀(7)打开，开始排除上清液，排水比为50％。

上述步骤4中，pH控制在7.5，温度控制在25℃。

上述方法中，步骤3到步骤5为一个循环周期，每个循环周期为4h，一天设置6个循环周期，通过数显式计时器(11)来控制自动运行。

运行15d后，通过荧光倒置显微镜可以看到明显的颗粒化，大约0.1mm，运行30d后，形成了平均粒径0.6-0.7mm左右的成熟好氧颗粒污泥(见图2)。

对比例1

利用实施例1所述装置作为反应器，以市政污水处理厂曝气池活性污泥为接种体系进行高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法，包括步骤如下：

步骤1：取青岛市某市政污水处理站曝气池活性污泥作为接种污泥，经过预处理后接种到反应器中，使初始污泥浓度为5000mg/L。

步骤2：在进水桶(1)中加入自来水12L，加入360g氯化钠，充分混合后获得3％盐度的模拟高盐废水，加入乙酸钠12.76g，氯化铵1.15g，磷酸二氢钾0.2628g，按C：N：P＝100:5:1的比例(质量浓度比)提供初始浓度为500mg/L的COD和25mg/L的氨氮。

步骤3：进水阶段，由进水蠕动泵(2)控制，将步骤2中的模拟高盐废水从反应器本体底部注入，进水时间设置为5min，进水量为320mL/min，共注入1.6L进水。

步骤4：在曝气阶段通过曝气泵(4)将空气传送至反应器底部曝气盘(3)，调节气体流量计(5)控制气体流速2-3L/min，溶解氧在6-7mg/L之间。曝气阶段持续3h30min。

步骤5:在沉淀阶段，曝气泵(4)停止曝气，沉淀时间到达20min后，电磁阀(7)打开，开始排除上清液，排水比为50％。

上述步骤4中，pH控制在7.5，温度控制在25℃。

上述方法中，步骤3到步骤5为一个循环周期，每个循环周期为4h，一天设置6个循环周期，通过数显式计时器(11)来控制自动运行。

试验例

测试实施例2和对比例1对高盐废水的处理效果差异。

通过实施例2可看的高盐废水的处理效果随着颗粒污泥的形成得到了高效处理，反应器稳定运行期间，在进水TOC为800mg/L的条件下，TOC去除率超过95％(图3)：同时在进水氨氮浓度为25-50mg/L条件下，能实现氨氮去除率>99％(图4)。

实施例2和对比例1对高盐废水的处理效果对比如表2：

表2实施例2与对比例1对高盐废水的处理效果

试验中TOC采用总有机碳分析仪；氨氮测定采用纳氏试剂光度法；VSS和SS采用标准烘干法(水和废水监测分析方法(第四版))；颗粒直径图片采用荧光倒置显微镜观察。

由图1-4和表2可知，本发明对高盐废水的处理取得了稳定优异处理效果，对TOC和氨氮的去除均超过了90％以上，而且反应器的启动期时间也较短，两周即可初步完成颗粒化。稳定后的好氧颗粒污泥中VSS/TSS比率在0.95左右，比活性污泥培养出的颗粒污泥的VSS/TSS比率高出一倍。因而，以潮间带沉积物为接种体系的好氧颗粒污泥中微生物含量较高，富集了大量耐盐微生物及硝化细菌，促进了微生物功能菌群的结构优化，并提高了系统的整体耐盐水平。获得的污泥颗粒结构紧密光滑，沉降性能良好，是一种非常有潜力的高盐废水生物处理方法。

参考文献[1]、汪善全，原媛，孔云华，等.好氧颗粒污泥处理高含盐废水研究[J].环境科学，2008(01)：145-151；[2]、李志华，王立东，王晓昌，等.好氧颗粒污泥处理含盐有机废水[J].工业水处理，2008,28(11)：18-20。

Claims (10)

1.一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法，包括步骤如下：

步骤1：将潮间带沉积物预处理后作为接种污泥加入到反应器中；

步骤2：向水中加入氯化钠调节盐度，并投加乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾提供C、N、P，并投加有利于促进污泥颗粒化的常量及微量元素，得到模拟高盐废水；

步骤3：将步骤2中的模拟高盐废水注入到反应器中；

步骤4：将空气从反应器底部进入，进行曝气；

步骤5：曝气结束后，进行沉淀，颗粒化形成，进而获得成熟好氧颗粒污泥。

2.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法，其特征在于，步骤1中所述的潮间带沉积物盐度为2.5％-3.5％，VSS/TSS＝0.08～0.18。

3.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法，其特征在于，步骤1中所述的潮间带沉积物的预处理步骤如下：

将潮间带沉积物置于量杯中，用氯化钠配置盐度为3％的盐水浸润，充分搅拌，将混合液用16目筛网过滤，反复数次，将无法过筛的物质排除掉，之后用32目筛网重复上述步骤，最后用60目筛网继续重复上述步骤数次；将过筛处理的沉积物经过乙酸钠溶液预培养后可用于接种。

4.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法，其特征在于，步骤1中控制反应器中初始污泥浓度为5000mg/L。

5.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法，其特征在于，步骤2中投加氯化钠调节成盐度为3％；

优选的，按照C：N：P＝100:5:1的质量浓度比添加乙酸钠、氯化铵和磷酸二氢钾，控制进水COD为500-2000mg/L，氨氮为25-100mg/L，磷酸盐浓度为5-20mg/L；

优选的，所述的常量元素和微量元素如下：

6.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法，其特征在于，步骤4中，将空气从反应器底部进入反应器，气体流速控制在2-3L/min，溶解氧在6-7mg/L之间，初始曝气时间为3h30min；

优选的，用温度计调控反应器内温度为25-30℃，用便携式pH计测的反应器内pH并投加1:10的硫酸或碳酸氢钠来调控pH为7-7.8。

7.根据权利要求1所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动方法，其特征在于，步骤3到步骤5为一个循环周期，共4h，每日设置6个循环周期；

优选的，步骤5中，曝气结束后，初始沉淀时间设置为20min，之后随着颗粒化的形成，污泥的沉降性能变好，沉淀时间会逐步缩短，最终稳定在3min，减少的沉淀时间会加到曝气时间上，整个循环的总时间4h不变。

8.一种以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动装置，其特征在于，包括反应器本体，所述的反应器本体底部设置有底部曝气装置(3)，反应器本体的进水口(8)通过进水蠕动泵(2)与进水桶(1)连接，反应器本体的出水口(9)通过电磁阀(7)与出水桶(6)连接，所述的底部曝气装置(3)通过气体流量计(5)、曝气泵(4)与数显式计时器(11)连接，所述的数显式计时器(11)还与进水蠕动泵(2)和电磁阀(7)连接。

9.根据权利要求8所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动装置，其特征在于，所述的反应器本体还设置有溢流口(10)。

10.根据权利要求8所述的以潮间带沉积物为接种体系的高盐废水好氧颗粒污泥的启动装置，其特征在于，所述的反应器本体为圆筒容器；

优选的，所述的反应器本体高125cm，内径宽6cm，高径比>20；反应器本体内有效体积为3.3L，有效高度为100cm，出水口设置在距底部50cm处，水力停留时间设置为8h。

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