CN113428975B - 一种快速培养好氧颗粒污泥的工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种快速培养好氧颗粒污泥的工艺，包括依次执行的以下步骤：S1：往反应腔中依次加入第一水、诱导核、预处理污泥和第一未处理絮状污泥，得到反应体系；S2：对反应体系进行曝气作用315‑325mi n，沉淀分层，排水后加入第二水；S3：重复步骤S2，直至形成好氧颗粒污泥；第一水中钙离子浓度为20‑50mg/L，第一水的添加量为反应腔有效体积的80‑90％；诱导核的添加量为反应腔有效体积的1‑5％；预处理污泥为将所含的微生物进行破壁处理后所得的污泥，其在反应体系中的浓度为1200‑1500mg/L；第一未处理絮状污泥在反应体系中的浓度为6000‑15000mg/L。水中引入钙离子、对污泥中部分微生物进行破壁处理，均能加速微生物分泌EPS，有利于污泥颗粒化以及颗粒化后保持其结构的稳定，且颗粒化时间加快30‑50％。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其是指一种快速培养好氧颗粒污泥的工艺。
背景技术
好氧颗粒污泥是近20年快速发展起来的活性污泥法污水处理技术，已被国际上公认为“下一代污水处理技术”。与传统活性污泥法比较，好氧颗粒污泥法具有沉降性优良、生物量高、对有毒物质以及有机负荷波动的耐受能力更强等优势。
目前，影响好氧颗粒污泥形成的因素主要为：水力剪切力、碳源有机负荷、pH值、游离氨浓度、反应温度、金属阳离子浓度以及污泥沉降时间等。综合以上因素，国内学者对于好氧颗粒污泥的形成过程提出四阶段说，其模型包括：(1)在重力、扩散力、热力学作用力(如布朗运动)、细菌自身运动和水力剪切力等作用下，发生细菌间的相互碰撞以及细菌与固体表面的黏附，得到最初的颗粒晶核；(2)在生物作用力(如离子键、氢键、细胞膜粘连溶融等)、物理作用力(如疏水作用、表面张力、范德华力、吸附架桥等)和化学作用力等的作用下，细胞间或细胞与固体悬浮物之间的连接会更加稳定，因而使碰撞得到的微生物聚集颗粒晶核保持稳定并进一步形成微生物聚集体；(3)在微生物、微生物分泌胞外多聚物(EPS)、菌群的生长与优势竞争等作用下，生物聚集体内的微生物持续重复生长、繁殖、聚集，逐渐形成初生颗粒污泥；(4)在水力剪切力的强化作用下，初生颗粒污泥形成稳定的三维空间结构。
但由于好氧颗粒污泥技术具有一定的技术壁垒，对工艺运行有较高的技术要求，且国内对于好氧颗粒污泥的形成原理研究相对起步较晚，缺乏在其形成过程中关键步骤的理论知识，导致国内对于好氧颗粒污泥快速启动方法还不成熟。目前，国内好氧颗粒污泥的启动周期较长，且好氧颗粒污泥形成工艺不成熟、稳定性不高；对于好氧颗粒污泥快速启动的方法，直接投放信号分子成本较高，在实际工程项目中经济效益较低；好氧颗粒污泥快速启动易导致其结构松散，长期运行过程中会导致颗粒化解体。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：设计一种培养时间缩短且结构稳定的好氧颗粒污泥。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种快速培养好氧颗粒污泥的工艺，包括依次执行的以下步骤：
S1：往反应腔中依次加入第一水、诱导核、预处理污泥和第一未处理絮状污泥，得到反应体系；
S2：对所述反应体系进行曝气作用315-325min，沉淀分层，排水后加入第二水；
S3：重复步骤S2，直至形成好氧颗粒污泥；
在所述步骤S1中，所述第一水中钙离子浓度为20-50mg/L，所述第一水的添加量为反应腔有效体积的80-90％；所述诱导核的添加量为反应腔有效体积的1-5％；所述预处理污泥为将所含的微生物进行破壁处理后所得的污泥，其在所述反应体系中的浓度为1200-1500mg/L；所述第一未处理絮状污泥在所述反应体系中的浓度为6000-15000mg/L。
进一步地，还往所述第二水中添加钙离子，直至所述步骤S3中的所添加的第一未处理絮状污泥开始颗粒化；当添加钙离子时，所述第二水中钙离子浓度为20-50mg/L。
进一步地，在执行步骤S1至步骤S3过程中，清水和污水交替使用，其中，所述第一水为污水，所述第二水为污水或清水。
进一步地，所述污水的碳氮比大于5，pH值为6.0-7.5。
进一步地，在所述步骤S3中，当所添加的第一未处理絮状污泥开始颗粒化时，曝气作用时间调节为319-321min，沉淀时间调节为9-11min；当所添加的第一未处理絮状污泥的颗粒化程度大于50％时，曝气作用时间调节为324-325min，沉淀时间调节为4-6min；曝气上升流速为1-2cm/s。
进一步地，在所述步骤S2中，初始的曝气时间为315-316min，初始的沉淀时间为14-16min。
进一步地，在所述步骤S2中，初始的曝气上升流速为1-1.2cm/s；待在所述步骤S3中，所添加的第一未处理絮状污泥开始颗粒化时，曝气上升流速调节为1.7-2cm/s。
进一步地，所述预处理污泥由第二未处理絮状污泥经过预处理得到；所述预处理方法为：在20-25kHz的超声波作用下处理20-30min；所述第一未处理絮状污泥和所述第二未处理絮状污泥均为絮状好氧活性污泥。
进一步地，在所述步骤S1中，所述预处理污泥添加完毕后，至少间隔1min后再添加所述第一未处理絮状污泥。
进一步地，所述诱导核为活性碳颗粒或钢渣，粒径为0.3-0.6mm；所述第一未处理絮状污泥在所述反应体系中的浓度为12000-15000mg/L；所述反应腔为序批式反应器中的反应腔；所述序批式反应器的高径比为10-15：1，在温度为20-25℃条件下运行，所述第二水的换水时间为4-8min，沉淀完成后的排水时间为20-25min。
本发明的有益效果在于：在水中引入钙离子，促进第二信使c-di-GMP的形成，从而刺激微生物分泌EPS；预处理污泥中，由于将微生物的细胞壁打破，并释放出已经合成的信号分子，提高环境中信号分子的浓度，进而加速微生物分泌EPS。微生物分泌的EPS有利于污泥颗粒化以及颗粒化后保持其结构的稳定。与传统工艺比较，好氧颗粒污泥的形成时间加快了30-50％，且其结构稳定性更好。
具体实施方式
本发明最关键的构思在于：以信号分子和诱导核为理论核心，通过促进微生物分泌EPS，快速启动形成结构稳定的好氧颗粒污泥。
为了进一步论述本发明构思的可行性，根据本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果的具体实施方式详予说明。
实施例1
一种快速培养好氧颗粒污泥的工艺，包括依次执行的以下步骤：
S1：往反应腔中依次加入第一水、诱导核、预处理污泥和第一未处理絮状污泥，得到反应体系；
S2：在室温下，对所述反应体系进行曝气作用315-325min，沉淀分层，排水后加入第二水；
S3：重复步骤S2，直至形成好氧颗粒污泥；
在所述步骤S1中，所述第一水中钙离子浓度为20-50mg/L，所述第一水的添加量为反应腔有效体积的80-90％；所述诱导核的添加量为反应腔有效体积的1-5％；所述预处理污泥为将所含的微生物进行破壁处理后所得的污泥，其在所述反应体系中的浓度为1200-1500mg/L；所述第一未处理絮状污泥在所述反应体系中的浓度为6000-15000mg/L。优选地，所述第一未处理絮状污泥在所述反应体系中的浓度为12000-15000mg/L。
在水中引入钙离子，促进第二信使c-di-GMP的形成，从而刺激微生物分泌EPS；预处理污泥中，由于将微生物的细胞壁打破，并释放出已经合成的信号分子，提高环境中信号分子的浓度，进而加速微生物分泌EPS。微生物分泌的EPS有利于污泥颗粒化以及颗粒化后保持其结构的稳定。与传统工艺比较，好氧颗粒污泥的形成时间加快了30-50％，且其结构稳定性更好。
实施例2
在上述方案基础上，还往所述第二水中添加钙离子，直至所述步骤S3中的所添加的第一未处理絮状污泥开始颗粒化，避免由于过多的信号分子释放而导致胞外聚合物分泌过剩，避免影响好氧颗粒污泥的沉降性能和处理能力；当添加钙离子时，所述第二水中钙离子浓度为20-50mg/L。
实施例3
在上述方案基础上，在执行步骤S1至步骤S3过程中，清水和污水交替使用，其中，所述第一水为污水，所述第二水为污水或清水。所述污水的碳氮比大于5，pH值为6.0-7.5。
交替进水的方式有利于为微生物创造饥饿环境，刺激微生物产生对恶劣环境的应激反应，释放信号分子AI-2，进而促进其分泌胞外聚合物(EPS)。
实施例4
一种快速培养好氧颗粒污泥的工艺，包括依次执行的以下步骤：
S1：往序批式反应器的反应腔中依次加入第一水、诱导核和预处理污泥，至少间隔1min后，继续加入第一未处理絮状污泥得到反应体系；
S2：在温度为20-25℃条件下，对所述反应体系进行曝气作用315-325min，沉淀分层，排水20-25min后加入第二水，加水时间为4-8min；
S3：重复步骤S2，直至形成好氧颗粒污泥；
在所述步骤S1中，所述第一水中钙离子浓度为20-50mg/L，所述第一水的添加量为反应腔有效体积的80-90％；所述诱导核的添加量为反应腔有效体积的1-5％；所述预处理污泥为将所含的微生物进行破壁处理后所得的污泥，其在所述反应体系中的浓度为1200-1500mg/L；所述第一未处理絮状污泥在所述反应体系中的浓度为12000-15000mg/L。
在执行步骤S1至步骤S3过程中，清水和污水交替使用，其中，所述第一水为污水，所述第二水为污水或清水。所述污水的碳氮比大于5，pH值为6.0-7.5。还往所述第二水中添加钙离子，直至所述步骤S3中的所添加的第一未处理絮状污泥开始颗粒化；当添加钙离子时，所述第二水中钙离子浓度为20-50mg/L。
在所述步骤S2中，初始的曝气时间为315-316min，初始的沉淀时间为14-16min；初始的曝气上升流速为1-1.2cm/s。
在所述步骤S3中，当所添加的第一未处理絮状污泥开始颗粒化时，曝气作用时间调节为319-321min，沉淀时间调节为9-11min，曝气上升流速调节为1.7-2cm/s；当所添加的第一未处理絮状污泥的颗粒化程度大于50％时，曝气作用时间调节为324-325min，沉淀时间调节为4-6min。
所述预处理污泥由第二未处理絮状污泥经过预处理得到；所述预处理方法为：在20-25kHz的超声波作用下处理20-30min；所述第一未处理絮状污泥和所述第二未处理絮状污泥均为絮状好氧活性污泥。
所述诱导核为活性碳颗粒或钢渣，粒径为0.3-0.6mm；所述序批式反应器的高径比为10-15：1。
为了进一步说明本发明的有益效果，结合以下试验例进行说明：
在进行试验例1至3前，先做以下准备：
污水准备：污水的COD浓度为1200mg/L，TN浓度为82mg/L，NH4-N浓度为72mg/L。
清水准备：采用污水处理系统中二次沉淀时从沉淀池中分离出来的上清液。
第一水准备：往上述污水中加入Ca2+，Ca2+浓度为50mg/L，调节pH值至6-7.5。
第二水(1)准备：往上述污水中加入Ca2+，Ca2+浓度为50mg/L，调节pH值至6-7.5。
第二水(2)准备：将上述污水调节pH值至6-7.5。
第二水(3)准备：往上述清水中加入Ca2+，Ca2+浓度为50mg/L，调节pH值至6-7.5。
第二水(4)准备：将上述清水调节pH值至6-7.5。
第一未处理絮状污泥准备：絮状活性污泥。
第二未处理絮状污泥准备：絮状活性污泥。
预处理污泥准备：将上述的第二未处理絮状污泥，在功率为100W、频率为20kHz的条件下进行超声处理，处理时间为20min。
试验例1至3采用的反应条件如下：
曝气条件(1)：曝气时间为315min，沉淀时间为15min；曝气上升流速为1.2cm/s。
曝气条件(2)：曝气时间为320min，沉淀时间为10min，曝气上升流速为1.7cm/s。
曝气条件(3)：曝气时间为325min，沉淀时间为5min，曝气上升流速为1.7cm/s。
其他条件：在序批式反应器的反应腔内反应，高径比为10：1，温度设置为25℃，加水时间为5min，排水时间为22min。
试验例1
一种快速培养好氧颗粒污泥的工艺，包括依次执行的以下步骤：
S1：往反应腔中依次加入第一水、活性碳颗粒和预处理污泥，间隔1min后，继续加入第一未处理絮状污泥得到反应体系；
S20：所述反应体系在曝气条件(1)下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水(1)或第二水(3)；
S21：重复步骤S20，直至反应体系中所述第一未处理絮状污泥开始出现颗粒化；
S22：当反应体系中所述第一未处理絮状污泥开始出现颗粒化时，在曝气条件(2)下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水(2)或第二水(4)；
S23：重复步骤S22，直至反应体系中絮状活性污泥的颗粒化程度大于50％；
S24：当反应体系中所述第一未处理絮状污泥的颗粒化程度大于50％，在曝气条件(3)下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水(2)或第二水(4)；
S3：重复步骤S24，直至形成好氧颗粒污泥；
所述第一水的添加量为反应腔有效体积的80％；所述活性碳颗粒的粒径为0.3mm，其添加量为反应腔有效体积的1％；所述预处理污泥在反应体系中的浓度为1200mg/L；所述第一未处理絮状污泥在反应体系中的浓度为6000mg/L。
在执行步骤S1至步骤S3过程中，清水和污水交替使用，其中，在步骤S20中，第二水(1)和第二水(3)交替使用；在步骤S22和S24中，第二水(2)和第二水(4)交替使用。
在试验例1中，絮状活性污泥在第5天开始出现颗粒化，粒径范围在0.2mm-0.5mm之间，平均粒径为0.37mm。11天后，絮状活性污泥实现完全颗粒化，粒径范围在0.6-0.8mm之间，平均粒径为0.68mm。形成的好氧颗粒污泥的外观轮廓清晰；SVI30/SVI5＝1.07，即沉降性能良好；完整性系数99.3％，即强度较高。COD去除率达到99.4％，氨氮去除率达到98.6％，总氮去除率达到96.7％。
试验例2
一种快速培养好氧颗粒污泥的工艺，包括依次执行的以下步骤：
S1：往反应腔中依次加入第一水、活性碳颗粒和第一未处理絮状污泥得到反应体系；
S20：所述反应体系在曝气条件(1)下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水(1)或第二水(3)；
S21：重复步骤S20，直至反应体系中所述第一未处理絮状污泥开始出现颗粒化；
S22：当反应体系中所述第一未处理絮状污泥开始出现颗粒化时，在曝气条件(2)下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水(2)或第二水(4)；
S23：重复步骤S22，直至反应体系中絮状活性污泥的颗粒化程度大于50％；
S24：当反应体系中所述第一未处理絮状污泥的颗粒化程度大于50％，在曝气条件(3)下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水(2)或第二水(4)；
S3：重复步骤S24，直至形成好氧颗粒污泥；
所述第一水的添加量为反应腔有效体积的80％；所述活性碳颗粒的粒径为0.3mm，其添加量为反应腔有效体积的1％；所述第一未处理絮状污泥在反应体系中的浓度为6000mg/L。
在执行步骤S1至步骤S3过程中，清水和污水交替使用，其中，在步骤S20中，第二水(1)和第二水(3)交替使用；在步骤S22和S24中，第二水(2)和第二水(4)交替使用。
在试验2中，絮状活性污泥在第9天开始出现颗粒化，粒径范围在0.1mm-0.3mm之间，平均粒径为0.21mm。17天后，絮状活性污泥实现完全颗粒化，粒径范围在0.4-0.8mm之间，平均粒径为0.52mm。形成的好氧颗粒污泥，外观轮廓清晰；SVI30/SVI5＝1.23，即沉降性能良好；完整性系数98.7％，即强度较高。COD去除率达到98.3％，氨氮去除率达到96.9％，总氮去除率达到95.2％。
试验例3
一种快速培养好氧颗粒污泥的工艺，包括依次执行的以下步骤：
S1：往反应腔中依次加入第二水(2)、活性碳颗粒和预处理污泥，间隔1min后，继续加入第一未处理絮状污泥得到反应体系；
S20：所述反应体系在曝气条件(1)下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水(2)或第二水(4)；
S21：重复步骤S20，直至反应体系中所述第一未处理絮状污泥开始出现颗粒化；
S22：当反应体系中所述第一未处理絮状污泥开始出现颗粒化时，在曝气条件(2)下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水(2)或第二水(4)；
S23：重复步骤S22，直至反应体系中絮状活性污泥的颗粒化程度大于50％；
S24：当反应体系中所述第一未处理絮状污泥的颗粒化程度大于50％，在曝气条件(3)下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水(2)或第二水(4)；
S3：重复步骤S24，直至形成好氧颗粒污泥；
在所述步骤S1中，所述第二水(2)的添加量为反应腔有效体积的80％；所述活性碳颗粒的粒径为0.3mm，其添加量为反应腔有效体积的1％；所述预处理污泥在反应体系中的浓度为1200mg/L；所述第一未处理絮状污泥在反应体系中的浓度为6000mg/L。
在执行步骤S1至步骤S3过程中，第二水(2)和第二水(4)交替使用。
在试验例3中，絮状活性污泥在第7天开始出现颗粒化，粒径范围在0.2mm-0.4mm之间，平均粒径为0.33mm。15天后，絮状活性污泥实现完全颗粒化，粒径范围在0.7-1.1mm之间，平均粒径为0.84mm。形成的好氧颗粒污泥，外观轮廓清晰；SVI30/SVI5＝1.01，即沉降性能良好；完整性系数98.9％，即强度较高。COD去除率达到99.3％，氨氮去除率达到97.5％，总氮去除率达到95.8％。
综上所述，本发明提供的一种快速培养好氧颗粒污泥的工艺，在水中引入钙离子，促进第二信使c-di-GMP的形成，从而刺激微生物分泌EPS；预处理污泥中，由于将微生物的细胞壁打破，并释放出已经合成的信号分子，提高环境中信号分子的浓度，进而加速微生物分泌EPS；交替进水的方式有利于为微生物创造饥饿环境，刺激微生物产生对恶劣环境的应激反应，释放信号分子AI-2，进而促进其分泌胞外聚合物(EPS)。微生物分泌的EPS有利于污泥颗粒化以及颗粒化后保持其结构的稳定。与传统工艺比较，好氧颗粒污泥的形成时间加快了30-50％，且其结构稳定性更好。
此处第一、第二……只代表其名称的区分，不代表它们的重要程度和位置有什么不同。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种快速培养好氧颗粒污泥的工艺，其特征在于，包括依次执行的以下步骤：
S1：往反应腔中依次加入第一水、诱导核、预处理污泥和第一未处理絮状污泥，得到反应体系；
S20：所述反应体系在曝气条件（1）下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水（1）或第二水（3）；
S21：重复步骤S20，直至反应体系中所述第一未处理絮状污泥开始出现颗粒化；
S22：当反应体系中所述第一未处理絮状污泥开始出现颗粒化时，在曝气条件（2）下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水（2）或第二水（4）；
S23：重复步骤S22，直至反应体系中絮状活性污泥的颗粒化程度大于50%；
S24：当反应体系中所述第一未处理絮状污泥的颗粒化程度大于50%，在曝气条件（3）下进行曝气作用，沉淀分层，排水后加入第二水（2）或第二水（4）；
S3：重复步骤S24，直至形成好氧颗粒污泥；
在所述步骤S1中，所述第一水中钙离子浓度为50mg/L，所述第一水的添加量为反应腔有效体积的80-90%；所述诱导核的添加量为反应腔有效体积的1-5%；所述预处理污泥为将所含的微生物进行破壁处理后所得的污泥，其在所述反应体系中的浓度为1200-1500mg/L；所述第一未处理絮状污泥在所述反应体系中的浓度为6000-15000mg/L；
所述诱导核为活性碳颗粒或钢渣，粒径为0.3-0.6mm；
其中，
污水为：污水的COD浓度为1200mg/L，TN浓度为82mg/L，NH4-N浓度为72mg/L；
清水为：采用污水处理系统中二次沉淀时从沉淀池中分离出来的上清液；
第一水为：往上述污水中加入Ca2+，Ca2+浓度为50mg/L，调节pH值至6-7.5；
第二水（1）为：往上述污水中加入Ca2+，Ca2+浓度为50mg/L，调节pH值至6-7.5；
第二水（2）为：将上述污水调节pH值至6-7.5；
第二水（3）为：往上述清水中加入Ca2+，Ca2+浓度为50mg/L，调节pH值至6-7.5；
第二水（4）为：将上述清水调节pH值至6-7.5；
第一未处理絮状污泥为：絮状活性污泥；
所述预处理污泥由第二未处理絮状污泥经过预处理得到；所述预处理方法为：在20-25kHz的超声波作用下处理20-30min；
第二未处理絮状污泥为：絮状活性污泥；
曝气条件（1）为：曝气时间为315min，沉淀时间为15min；曝气上升流速为1.2cm/s；
曝气条件（2）为：曝气时间为320min，沉淀时间为10min，曝气上升流速为1.7cm/s；
曝气条件（3）为：曝气时间为325min，沉淀时间为5min，曝气上升流速为1.7cm/s。
2.如权利要求1所述的快速培养好氧颗粒污泥的工艺，其特征在于，在所述步骤S1中，所述预处理污泥添加完毕后，至少间隔1min后再添加所述第一未处理絮状污泥。
3.如权利要求2所述的快速培养好氧颗粒污泥的工艺，其特征在于，所述第一未处理絮状污泥在所述反应体系中的浓度为12000-15000mg/L；所述反应腔为序批式反应器中的反应腔；所述序批式反应器的高径比为10-15：1，在温度为20-25℃条件下运行，所述第二水的换水时间为4-8min，沉淀完成后的排水时间为20-25min，第二水包括第二水（1）、第二水（2）、第二水（3）和第二水（4）。
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