CN113149229A - 一种以土壤为接种体系的纯膜mbbr启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种以土壤为接种体系的纯膜MBBR启动方法，包括：向纯膜MBBR反应器内进行土壤的接种步骤、填料挂膜步骤、生物膜的驯化步骤和工艺参数优化步骤。本发明与菌群结构单一的微生物菌剂相比，土壤具有更高的菌群多样性与物种丰富度，能够适应多种成分复杂的有机废水；与传统活性污泥相比，土壤中具有一些独特的功能微生物，如氨氧化古菌等，可以提高低温条件下氨氮的去除效能。
Description
技术领域
本发明属于废水生化处理技术领域，具体涉及一种以土壤作为新型接种体系的纯膜MBBR系统的快速启动方法。
背景技术
随着社会经济的不断发展，工业水平的不断提高，世界污水排放总量逐年递增，污废水成分也日渐复杂，给污水处理厂的达标排放带来了极大的挑战。物化法因其较高的成本和二次污染等问题而不及生化法，生物处理具有处理效果好，技术简单可行等优势，是污水处理的优选技术。移动床生物膜反应器(Moving Bed Biofilm Reactor，MBBR)是一种革新型生物膜反应器，其兼具活性污泥法和生物膜法优点，如：占地面积小，无需反冲洗，不易堵塞，不易污泥膨胀，耐冲击负荷等。反应器内填料在混合液的回旋翻转作用下自由移动，能够促进微生物在填料表面大量富集，从而实现优势功能菌属的有效固定，并发挥其降解能力，相较于传统活性污泥法具有不可替代的优势，而如何实现特定功能微生物在填料上快速成膜，实现MBBR系统的快速启动，维持系统的高效稳定运行，是MBBR工艺高效处理有机废水的关键所在。
目前，对于纯膜MBBR系统的启动主要是围绕活性污泥的驯化或是接种某一特定的微生物菌剂。通常直接在系统内投加某一浓度的活性污泥或微生物菌剂进行驯化，这种方法驯化出来的生物膜群落结构较为单一，无法避免活性污泥或是微生物菌剂菌群多样性和物种丰富度低的局限性，抗冲击能力有限；无法适应成分日渐复杂的废水；并且微生物菌剂的分离纯化，培养操作步骤繁琐，条件严苛，普通单位和个人难以实现，使的工业化的推广受到一定的限制。例如：中国专利文件CN111233148A公开了一种高效的生物膜同步硝化反硝化低碳污水脱氮工艺，该工艺通过向MBBR反应器内投加固体碳源填料，及浓度为3.0-6.0g/L的活性污泥进行挂膜启动，维持水力停留时间35-45h，溶解氧浓度为2.5-5.0mg/L，使污水下进上出，保持连续进水，保持反应器内活性污泥浓度为2.0-3.5g/L，待出水氨氮、总氮、COD浓度误差在5％以内，调整HRT为12-18h，并向反应器内投加HN-AD菌剂和液态富集培养基组成的混合液，强化系统的同步硝化反硝化功能。所投加的HN-AD菌剂为耐高氨氮异样硝化-好氧反硝化的苍白杆菌，或者为可低温去除高氨氮的异养硝化-好氧反硝化的HN-AD复合菌剂。该方法虽然能够获得较高的脱氮效率，但是需要额外的投加HN-AD复合菌剂，才能实现系统的深度脱氮，一定程度上延长了系统的启动周期和增加了运行成本和操作难度，应用受到一定的限制。
因此，急需一种菌群多样性和物种丰富度高的新型接种体系，使得纯膜MBBR系统的启动变得简单迅速、功能多样、高效稳定。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种以土壤为接种体系的纯膜MBBR启动方法。本发明在MBBR系统中以土壤作为接种体，提高系统整体的菌群多样性和物种丰富度，缩短启动周期，维持系统的高效稳定运行，实现纯膜MBBR系统的功能多样化。
术语说明：
VSS：挥发性悬浮固体，指微生物的含量。
TSS：总悬浮固体含量。
VSS/TSS：是指土壤中微生物含量的比例。
MLSS：混合液悬浮固体浓度。
本发明的技术方案如下：
一种以土壤为接种体系的纯膜MBBR启动方法，包括：向纯膜MBBR反应器内进行土壤的接种步骤、填料挂膜步骤、生物膜的驯化步骤和工艺参数优化步骤。
根据本发明，优选的，所述的土壤是指在自然环境中获取的结构疏松、颗粒细腻的黏质土或壤土作为新型接种体，其中包含既能高效降解有机污染物又具有较高丰度的复合菌群。
优选的，挖取林间、草地等植被丰富地区表层0-5cm处，表面呈棕色或是深褐色的土壤作为新型接种体，这种新型的接种体结构疏松，质感细腻，无明显的沙质感，含水率较高，VSS/TSS＝0.24～0.34。
根据本发明，优选的，所述的土壤的接种步骤按如下方法：
土壤取回后，因其中含有大量的无机颗粒，需在接种前进行预处理；将土壤置于容器中用淡水浸润，按C：N：P＝100:5:1的质量浓度比例添加乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾，控制进水COD为500mg/L，氨氮为25mg/L，磷酸盐浓度为5mg/L，控制其污泥浓度MLSS为10000mg/L，作为模拟废水，进行三次曝气；持续观察COD在反应过程中的浓度变化，当COD去除率大于50％时，更换新的模拟废水，第一轮曝气结束；重复上述操作进行第二次曝气，当COD去除率大于80％时，再次更换新的模拟废水，第二次曝气结束；重复上述操作进行第三次曝气，当容器中土壤的VSS/TSS为0.68-0.72时第三次曝气结束；然后向纯膜MBBR反应器内投加预处理后的土壤，进行接种。
根据本发明，优选的，所述的土壤的接种步骤中土壤的接种浓度为80-120mg/L，优选100mg/L。
根据本发明，优选的，所述的填料挂膜步骤按如下方法：
接种后，使纯膜MBBR反应器内的填料完全浸没在含有土壤的混合液中，充分曝气，使得填料刚好流化，采取间断流的方式，保证纯膜MBBR反应器内具有充足的悬浮态生物量，促进生物膜的形成，进而实现纯膜MBBR反应器的挂膜。
根据本发明，优选的，所述的填料挂膜步骤中对纯膜MBBR反应器内添加营养及微生物生长所需的常量元素和微量元素；进一步优选的，所述的营养为模拟含盐废水，其中按C：N：P＝100:5:1的比例(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。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> | 30 | 1000:1 |
| MgSO<sub>4</sub> | 25 | 1000:1 |
| FeSO<sub>4</sub> | 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> | 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，所述的生物膜的驯化步骤按如下方法：
填料挂膜后，待纯膜MBBR反应器内COD去除率大于80％时，改间断流为连续流，更换新的模拟废水，仅留下填料(含填料内部附着的生物膜)，以有机物去除率和混合液浊度(游离微生物细胞密度)来调整进水速率，加速生物膜的形成并促进菌群结构优化。
根据本发明，优选的，所述的工艺参数优化步骤按如下方法：
在纯膜MBBR反应器连续流处理有机废水的过程中，结合出水水质、生物膜表观变化及镜检结果优化核心运行参数以缩短系统启动期，并提高污染物削减效率；
所述的核心运行参数控制为：有机负荷2.0-4.0kgCOD/(m3.d)、水力停留时间12-24h，生物填料填充率为25％-45％，优选35％；溶解氧浓度为2.0-7.0mg/L，优选3.0-5.0mg/L，pH为6.0-9.0，优选7.0-7.5，水温为15-45℃。
根据本发明，还提供一种纯膜MBBR反应器，包括生物反应装置、流化装置、筛网拦截装置、曝气泵和进料泵；
所述的生物反应装置为圆柱容器，用于盛放MBBR填料，生物反应装置设置有进水口和出水口；所述的流化装置包括铺满生物反应装置底部的圆形曝气盘和竖直设置在生物反应装置内的机械搅拌装置，流化装置便于均匀曝气以及辅助流化；所述的筛网拦截装置为内嵌式的栅栏结构，设置在生物反应装置的出水口处，防止填料对出水口堵塞；
所述的曝气泵通过管道与曝气盘连接，所述的进料泵通过管道与进水口连接。
根据本发明，优选的，所述的进水口位于出水口另一侧下方。
根据本发明，优选的，所述的生物反应装置为透明圆柱容器，高径比为(16-18)：(48-52)，进一步优选17：50。
根据本发明，优选的，所述的填料采用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯或上述物质利用酶促剂、亲水基团进行改性的材质；
优选的，填料的形状为中空圆柱体，包括内中外三层结构，内层为正六边形，正六边形的每个角向外延伸一尾翘，与中间第二层同心圆相连，内层和中间第二层向不同方向延伸出一条条竖棱；最外层为圆形，与第二层同心圆由12条尾翘相连，且其横截面由多个圆弧首尾相连而成。
根据本发明，优选的，所述的纯膜MBBR反应器的运行参数为：
填料填充率为25％-45％，优选35％；
溶解氧浓度为2.0-7.0mg/L，优选3.0-5.0mg/L；
pH为6.0-9.0，优选7.0-7.5；
水力停留时间为12-24h；
水温为15-45℃。
采用本发明方法，通过接种土壤，可以加速微生物在生物填料内部附着并成膜，缩短MBBR工艺的挂膜周期，促进生物膜菌群结构优化。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明接种土壤，可实现纯膜MBBR系统的快速启动，维持系统的高效稳定运行。
2、本发明与菌群结构单一的微生物菌剂相比，土壤具有更高的菌群多样性与物种丰富度(如图3所示)，能够适应多种成分复杂的有机废水；与传统活性污泥相比，土壤中具有一些独特的功能微生物(氨氧化古菌等)，特别是可以提高低温条件下氨氮的去除效能[1]-[3]。
3、本发明接种土壤进行MBBR填料的挂膜，步骤简单，便于操作，可以跳过微生物菌剂的制备工作，便于工业化推广应用。
附图说明：
图1为本发明实施例1中纯膜MBBR反应器的主体结构示意图。
图2为本发明实施例1中纯膜MBBR反应器中空白填料(A)及挂膜填料(B)的照片。
图3为土壤、活性污泥微生物群落多样性分析图。
图4为本发明实施例5中以土壤作为接种体的纯膜MBBR系统的处理效果图。
图5为本发明实施例5中以好氧活性污泥为接种体的纯膜MBBR系统的处理效果图。
图6为以土壤、活性污泥为接种体MBBR系统生物膜属水平细菌群落分析图。
其中：1、生物反应装置，2、筛网拦截装置，3、曝气泵，4、进料泵，5、填料，6、机械搅拌装置，7、曝气盘，8、进水口，9、出水口。
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，但不限于此。
实施例中采用的土壤采集地点为青岛市市北区林间土地，土壤挖取林间植被丰富地区表层0-5cm处，表面呈棕色或是深褐色的土壤作为新型接种体，这种新型的接种体结构疏松，质感细腻，无明显的沙质感，含水率较高，VSS/TSS＝0.24～0.34。
土壤、活性污泥微生物群落多样性分析结果如图3所示。
实施例1
如图1所示，一种纯膜MBBR反应器，包括生物反应装置1、流化装置、筛网拦截装置2、曝气泵3和进料泵4；
所述的生物反应装置1为透明圆柱容器，用于盛放MBBR填料5，生物反应装置1设置有进水口8和出水口9；所述的流化装置包括铺满生物反应装置1底部的圆形曝气盘7和竖直设置在生物反应装置1内的机械搅拌装置6，流化装置便于均匀曝气以及辅助流化；所述的筛网拦截装置2为内嵌式的栅栏结构，设置在生物反应装置1的出水口9处，防止填料5对出水口9堵塞；
所述的曝气泵3通过管道与曝气盘7连接，所述的进料泵4通过管道与进水口8连接；
所述的进水口8位于出水口9的下方，所述的生物反应装置1的高径比为16:50；
所述的填料5采用聚乙烯材质，填料5的形状为中空圆柱体，包括内中外三层结构，内层为正六边形，正六边形的每个角向外延伸一尾翘，与中间第二层同心圆相连，内层和中间第二层向不同方向延伸出一条条竖棱；最外层为圆形，与第二层同心圆由12条尾翘相连，且其横截面由多个圆弧首尾相连而成。
所述的纯膜MBBR反应器的运行参数为：
填料填充率为25％-45％，优选35％；
溶解氧浓度为2.0-7.0mg/L，优选3.0-5.0mg/L；
pH为6.0-9.0，优选7.0-7.5；
水力停留时间为12-24h；
水温为15-25℃。
实施例2
如实施例1所述的一种纯膜MBBR反应器，不同的是：
所述的生物反应装置1的高径比为17:50，所述的填料5采用聚丙烯材质。
实施例3
如实施例1所述的一种纯膜MBBR反应器，不同的是：
所述的生物反应装置1的高径比为18：49，所述的填料5采用聚氨酯材质。
实施例4
如实施例1所述的一种纯膜MBBR反应器，不同的是：
所述的生物反应装置1的高径比为16：52，所述的填料5采用酶促剂改性的聚氨酯材质。
实施例5
一种以土壤为接种体系的纯膜MBBR启动方法，包括使用实施例1所述的纯膜MBBR反应器，包括：土壤预处理和接种步骤，向MBBR反应器内投加经过预处理的土壤进行挂膜步骤，生物膜的驯化步骤和工艺参数优化步骤。MBBR反应器内有机物浓度与废水浓度保持一致，具体的启动方法按如下步骤实现：
(1)土壤的预培养和接种：土壤取回后，因其中含有大量的无机颗粒，需在接种前进行预处理。将土壤用淡水浸润，按C：N：P＝100:5:1的质量浓度比例添加乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾，控制进水COD为500mg/L，氨氮为25mg/L，磷酸盐浓度为5mg/L，控制其污泥浓度MLSS为10000mg/L，作为模拟废水，进行三次曝气；持续观察COD在反应过程中的浓度变化，当COD去除率大于50％时，更换新的废水，第一轮烧杯曝气实验结束；第二轮烧杯实验重复上述操作，当COD去除率大于80％时，再次更换新的废水；以烧杯实验中土壤的VSS/TSS约为0.7时作为第三轮烧杯曝气实验的终点。然后向纯膜MBBR反应器内投加预处理后的土壤，进行接种，接种浓度为100mg/L。
(2)填料挂膜：结合具体的废水水质特征并根据需要补充营养及微量元素，所述的营养为模拟含盐废水，其中COD为500-2000mg/L，氨氮浓度为25-100mg/L，磷酸盐浓度为5-20mg/L，所述的常量及微量元素如表1所示；向MBBR反应器内投加经过预培养的土壤进行挂膜，使填料完全浸没在含有新型接种体的混合液中，充分曝气，使得填料刚好流化，挂膜初期采取间断流的方式，保证系统内具有充足的悬浮态生物量，促进生物膜的形成，进而实现MBBR系统的初步挂膜。
(3)生物膜驯化：待系统内COD去除率大于80％时，改间断流为连续流，更换新的废水，仅留下填料(含填料内部附着的生物膜)，以有机物去除率和混合液浊度(游离微生物细胞密度)来调整进水速率，逐步提高有机负荷，加速生物膜的形成并促进菌群结构优化。
(4)工艺参数优化：在纯膜MBBR反应器连续流处理有机废水的过程中，结合出水水质、生物膜表观变化及镜检结果优化核心运行参数以缩短系统启动期，并提高污染物削减效率；
所述的核心运行参数控制为：有机负荷2.0-4.0kgCOD/(m3.d)、水力停留时间12-24h，生物填料填充率为35％；溶解氧浓度为3.0-5.0mg/L，pH为7.0-7.5，水温为20-30℃。
按照本实施例的方法对有机废水进行处理，由接种活性污泥的MBBR工艺稳定运行后SCOD去除率可以达到95％以上，氨氮去除率可以达到99％以上(图4)，而以土壤作为接种体的纯膜MBBR系统对有机物和氮的去除效能和接种活性污泥的MBBR系统相似(图5)。
为了深入探究土壤作为新型接种体在纯膜MBBR系统中处理有机废水的应用潜力，对土壤、好氧活性污泥(取自青岛市某污水处理厂)及其生物膜4个样品做高通量测序分析，细菌群落分析结果显示，土壤较活性污泥具有更高的物种丰富度和遗传多样性(图3)，Nannocystis(48.21％)、Kofleria(13.07％)、Rubrivivax(2.88％)、Bdellovibrio(2.66％)等异养菌优势生长，且Bdellovibrio属具有降解苯胺的潜力(图6)。在古菌群落分析中，土壤和土壤生物膜样品中均检测到优势生长的氨氧化古菌(AOA)，而活性污泥样品中并未检出。有研究表明，在低温条件下，生物膜中氨氧化古菌(AOA)在氨氧化过程中可以贡献94.9％的去除效能，远高于氨氧化菌(AOB)[1]。以土壤作为纯膜MBBR系统的新型接种体，可以有效的拓宽纯膜MBBR系统的应用范畴，实现MBBR系统的功能多样化。
参考文献：
[1]Ziyuan Lin,Wei Huang,Jiong Zhou,et al.The variation on nitrogenremoval mechanisms and the succession of ammonia oxidizing archaea andammonia oxidizing bacteria with temperature in biofilm reactors treatingsaline wastewater.2020,314
[2]Tao Rui,Li Jun,Hu Baowei,et al.Ammonia-oxidizing bacteria aresensitive and not resilient to organic amendment and nitrapyrin disturbances,but ammonia-oxidizing archaea are resistant.2021,384
[3]A.Aigle,C.Gubry-Rangin,C.Thion,et al.Experimental testing ofhypotheses for temperature-and pH-based niche specialization of ammoniaoxidizing archaea and bacteria.2020,22(9):4032-4045.
Claims (10)
1.一种以土壤为接种体系的纯膜MBBR启动方法，包括：向纯膜MBBR反应器内进行土壤的接种步骤、填料挂膜步骤、生物膜的驯化步骤和工艺参数优化步骤。
2.根据权利要求1所述的以土壤为接种体系的纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的土壤为挖取林间或草地植被丰富地区表层0-5cm处，优选的，土壤的VSS/TSS＝0.24～0.34。
3.根据权利要求1所述的以土壤为接种体系的纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的土壤的接种步骤按如下方法：
土壤取回后，因其中含有大量的无机颗粒，需在接种前进行预处理；将土壤置于容器中用淡水浸润，按C：N：P＝100:5:1的质量浓度比例添加乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾，控制进水COD为500mg/L，氨氮为25mg/L，磷酸盐浓度为5mg/L，控制其污泥浓度MLSS为10000mg/L，作为模拟废水，进行三次曝气；持续观察COD在反应过程中的浓度变化，当COD去除率大于50％时，更换新的模拟废水，第一轮曝气结束；重复上述操作进行第二次曝气，当COD去除率大于80％时，再次更换新的模拟废水，第二次曝气结束；重复上述操作进行第三次曝气，当容器中土壤的VSS/TSS为0.68-0.72时第三次曝气结束；然后向纯膜MBBR反应器内投加预处理后的土壤，进行接种。
4.根据权利要求1所述的以土壤为接种体系的纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的土壤的接种步骤中土壤的接种浓度为80-120mg/L，优选100mg/L。
5.根据权利要求1所述的以土壤为接种体系的纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的填料挂膜步骤按如下方法：
接种后，使纯膜MBBR反应器内的填料完全浸没在含有土壤的混合液中，充分曝气，使得填料刚好流化，采取间断流的方式，保证纯膜MBBR反应器内具有充足的悬浮态生物量，促进生物膜的形成，进而实现纯膜MBBR反应器的挂膜。
6.根据权利要求1所述的以土壤为接种体系的纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的填料挂膜步骤中对纯膜MBBR反应器内添加营养及微生物生长所需的常量元素和微量元素；进一步优选的，所述的营养为模拟含盐废水，其中按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；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
7.根据权利要求1所述的以土壤为接种体系的纯膜MBBR启动方法，其特征在于，所述的生物膜的驯化步骤按如下方法：
填料挂膜后，待纯膜MBBR反应器内COD去除率大于80％时，改间断流为连续流，更换新的模拟废水，仅留下填料，含填料内部附着的生物膜，以有机物去除率和混合液浊度(游离微生物细胞密度)来调整进水速率，加速生物膜的形成并促进菌群结构优化；
优选的，所述的工艺参数优化步骤按如下方法：
在纯膜MBBR反应器连续流处理有机废水的过程中，结合出水水质、生物膜表观变化及镜检结果优化核心运行参数以缩短系统启动期，并提高污染物削减效率；
所述的核心运行参数控制为：有机负荷2.0-4.0kgCOD/(m3.d)、水力停留时间12-24h，生物填料填充率为25％-45％；溶解氧浓度为2.0-7.0mg/L，pH为6.0-9.0，水温为15-45℃。
8.一种纯膜MBBR反应器，其特征在于，包括生物反应装置、流化装置、筛网拦截装置、曝气泵和进料泵；
所述的生物反应装置为圆柱容器，用于盛放MBBR填料，生物反应装置设置有进水口和出水口；所述的流化装置包括铺满生物反应装置底部的圆形曝气盘和竖直设置在生物反应装置内的机械搅拌装置，流化装置便于均匀曝气以及辅助流化；所述的筛网拦截装置为内嵌式的栅栏结构，设置在生物反应装置的出水口处，防止填料对出水口堵塞；
所述的曝气泵通过管道与曝气盘连接，所述的进料泵通过管道与进水口连接；
所述的进水口位于出水口另一侧下方，所述的生物反应装置为透明圆柱容器，高径比为(16-18)：(48-52)。
9.根据权利要求8所述的纯膜MBBR反应器，其特征在于，所述的填料采用聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯或上述物质利用酶促剂、亲水基团进行改性的材质。
10.根据权利要求8所述的纯膜MBBR反应器，其特征在于，填料的形状为中空圆柱体，包括内中外三层结构，内层为正六边形，正六边形的每个角向外延伸一尾翘，与中间第二层同心圆相连，内层和中间第二层向不同方向延伸出一条条竖棱；最外层为圆形，与第二层同心圆由12条尾翘相连，且其横截面由多个圆弧首尾相连而成。
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