CN113754074A - 一种生物滤池处理微污染水的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于饮用水处理技术领域，具体涉及一种生物滤池处理微污染水的方法。该方法中滤池所采用的滤料为锰砂和石英砂组成的复合滤料，在待处理水中加入藻细胞，通入锰氧化菌进行驯化后的滤池中进行处理。利用藻、菌之间的相互作用，锰氧化菌分泌抑藻活性物质，实现对藻类的抑制；藻类产生能够提高生物锰氧化能力的外泌物，强化细菌锰氧化能力，从生物方法角度提高水处理效率；复合滤料又有利于锰氧化基因表达，促进生物锰氧化物的生成，提高滤池出水水质，适用范围广，操作简单，高效，无二次污染，适用于在饮用水处理领域广泛推广。

Description

一种生物滤池处理微污染水的方法
技术领域：
本发明属于饮用水处理技术领域，具体涉及一种生物滤池处理微污染水的方法。
背景技术：
湖泊、水库等常见水体受到人类生产生活的影响，水质不断恶化，大量污水排放，特别是氮、磷等营养物质的流入，造成水体富营养化加剧。在光照、气温、溶解氧等气候条件合适的情况下，水体中的藻类就会爆发生长，形成水华。这对水厂的生产产能和产水水质造成极大的影响，严重威胁饮用水安全。
一般来说，水处理厂在滤池前的处理工艺不能完全去除原水中的藻细胞，尤其是在藻类爆发的时候，由于水体pH上升、藻体带负电等原因，导致混凝、沉淀效果差，许多藻类就会随着出水进入滤池中。而在许多滤池中都发现了具有氧化Mn2+能力的细菌，可以将溶解态的锰离子氧化成高价态的生物氧化锰。因此，藻类与锰氧化细菌在滤池中共存是一种长期存在的状况。
我们研究发现锰氧化菌可以向胞外分泌抑藻物质，从而抑制藻类的生长繁殖，但是该发现没有在滤池中得以应用；另外藻类可以促进菌锰氧化功能的提升，使生物锰氧化对有机物的氧化降解以及对重金属的吸附氧化作用得以提升，从而提高出水水质。
本发明通过采用锰砂与石英砂复合滤料，进行锰氧化菌的驯化，利用锰氧化菌抑制滤池中藻类的繁殖，从而缓解因藻类造成的滤池堵塞的问题；另外，藻类的存在可以提升菌的锰氧化功能，借以提高滤池的净水能力，为饮用水处理提供的一种新思路。
发明内容：
为了解决上述技术问题，本发明将提供一种生物滤池处理微污染水的方法，该方法通过驯化增加滤池中既有的锰氧化菌的丰度，实现对藻类的抑制，缓解滤池中藻类滋生繁殖的问题，同时利用藻细胞对锰氧化功能的强化作用实现出水水质的进一步提升。
本发明提供的技术方案之一，是一种优化生物滤池处理微污染水的方法，具体如下：
(1)滤池所采用的滤料为锰砂和石英砂组成的复合滤料；
进一步地，锰砂：石英砂＝1-5:1-5；
优选地，锰砂：石英砂＝1：1；
(2)滤池中锰氧化菌的驯化：
将锰氧化菌菌液通入滤池后停留6h-24h，再通入添加有1-10mg/L的Mn2+的待处理水，运行6h-24h，循环多次；
优选地，通入添加有2-7mg/L的Mn2+的待处理水；
进一步地，当滤池中的石英砂颗粒变为褐色(表明生物铁锰氧化生成)，其表面锰负载量上升，且出水锰离子浓度显著降低，即完成驯化；
进一步地，所述锰氧化菌菌液是将锰氧化菌在PYG培养基中30℃，170rpm振荡培养至培养液中含有1×108-3×108个/mL细菌细胞；
所述PYG培养基组成为：蛋白胨、葡萄糖、酵母膏各0.25g/L，CaCl2﹒2H2O 8mg/L，MgSO4﹒7H2O 0.5g/L，MnCl2 100μM，添加去离子水至1L灭菌；再加入浓度为10-20mM的HEPES缓冲液调节pH 6.5-8.5，其中HEPES缓冲液采用0.22μm滤膜过滤灭菌添加；
进一步地，HEPES缓冲液调节pH至7.0-7.5；
更进一步地，所述锰氧化菌为恶臭假单胞菌QJX-1，保藏号为CGMCC No.6630；
(3)水处理过程
在待处理水中加入100-1000万个/L藻细胞后，向滤池中通入待处理水；
生物滤池运行的条件为：滤速为0.1-0.3m/h，10-35℃，pH 6.5-8.5；
进一步地，运行温度为15-35℃；
进一步地，所述藻细胞为铜绿微囊藻。
有益效果：
本发明提出一种抑制生物滤池中藻类生长协同提升锰氧化功能的方法，利用藻、菌之间的相互作用，锰氧化菌分泌抑藻活性物质，实现对藻类的抑制；藻类产生能够提高生物锰氧化能力的外泌物，强化细菌锰氧化能力，从生物方法角度提高水处理效率；复合滤料又有利于锰氧化基因表达，促进生物锰氧化物的生成，提高滤池出水水质，适用范围广，操作简单，高效，无二次污染，适用于在饮用水处理领域广泛推广。
附图说明：
图1多铜氧化酶CumA基因进行定量分析；
图2藻对滤池内锰氧化细菌生物量的影响。
具体实施方式：
为了使本专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利，并不用于限定本发明。
本发明实施例所采用的锰氧化细菌为恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)QJX-1，保藏号为CGMCC No.6630；本发明实施例所采用的藻细胞为铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa)，编号FACHB-905。
以下将结合具体实施例对本发明做进一步的解释说明。
实施例1一种优化生物慢滤处理微污染含藻水的方法
滤料：复合滤料(锰砂、石英砂比例1:3)。
锰氧化菌：恶臭假单胞菌QJX-1。
锰氧化菌菌液：将锰氧化菌接种至PYG培养基，放入培养箱30℃，170rpm，振荡培养48h所得菌液，其中菌密度为3×108个/mL；
所述PYG培养基组成为：蛋白胨、葡萄糖、酵母膏各0.25g/L，CaCl2﹒2H2O 8mg/L，MgSO4﹒7H2O 0.5g/L，MnCl2 100μM，添加去离子水至1L灭菌；再加入浓度为10-20mM的HEPES缓冲液调节pH7.0-7.5，其中HEPES缓冲液采用0.22μm滤膜过滤灭菌添加；
待处理水：向地表水中投加氯化铵、磷酸氢二钾，氯化锰，所配置的待处理水氨氮为1.5mg/L，总磷为0.25mg/L，Mn2+浓度为5.5mg/L，并投加有机污染物(阿替洛尔)浓度为8ppb。
滤池中锰氧化菌的驯化：将锰氧化菌菌液通入滤池后停留12h，再通入待处理水，运行12h，循环多次，直到观察到滤料表面生物锰氧化物的生成，且出水锰离子浓度显著降低，即完成驯化；
生物滤池运行的条件为：滤速为0.15m/h，25℃，pH 8.0；
共设三组滤池，均采用复合滤料：
第一组滤池进行锰氧化菌的驯化，运行阶段向待处理水中投加铜绿微囊藻藻细胞，使其中藻密度在400万个/L；
第二组滤池也进行锰氧化菌的驯化，但运行阶段不投加藻细胞；
第三组滤池驯化阶段不通入菌液，其他运行条件与第一组滤池一致，运行阶段也向待处理水中投加藻细胞。
在滤池稳定运行后，定期在出水口取样，测定出水有机污染物浓度、氨氮，总磷，运行结束后在滤柱的不同深度采集滤料，通过流式细胞仪对附着在滤料表面的藻细胞进行计数。
由表1可知，对比第一组与第三组滤池的运行情况，发现锰氧化菌的加入并不会影响水中氨氧化细菌对于氨氮的降解，并且由表2可知，由于锰氧化菌的加入，滤池内生成的锰氧化物提高了滤池对于总磷的吸附去除。
且由表3可知，第一组出水阿替洛尔浓度显著低于第二组，且低于第三组，说明在阿替洛尔的去除上，锰氧化菌起到了主要作用，并且藻的存在强化了锰氧化菌对污染物的去除效果。同时由表4所示，对长期运行后滤料表面截留的藻细胞数目，用流式细胞仪对其中活细胞数量进行统计，结果也表明，锰氧化菌的存在抑制了藻类在滤池中的繁殖，使得不同深度滤池中的活藻细胞数量都有了显著的降低。
表1锰氧化菌对复合滤料除氨氮(mg/L)的影响
天数 40 43 46 49 52 55 58 62
第一组 0.08 0.10 0.10 0.08 0.08 0.08 0.09 0.08
第三组 0.10 0.09 0.09 0.11 0.09 0.08 0.07 0.11
表2锰氧化菌的存在对复合滤料除磷(mg/L)的影响
天数 40 43 46 49 52 55 58 62
第一组 0.10 0.12 0.15 0.14 0.13 0.13 0.14 0.13
第三组 0.22 0.23 0.21 0.18 0.19 0.20 0.19 0.17
表3铜绿微囊藻的存在对锰氧化菌去除阿替洛尔(ppb)的影响
天数 40 43 46 49 52 55 58 62
第一组 1.45 1.63 1.12 0.75 0.78 0.85 1.24 1.06
第二组 4.83 4.07 5.25 5.45 5.23 4.42 4.95 4.67
第三组 7.49 7.65 7.57 7.83 7.25 7.43 7.54 7.44
表4不同深度滤料活藻细胞数量
滤层深度(cm) 0 20 40
第一组(万个/克滤料) 10 0.5 0.2
第三组(万个/克滤料) 85 63 42
实施例2复合滤料对滤池中锰氧化菌的富集作用
滤料：石英砂，复合滤料(锰砂、石英砂比例1:5、1:3、1:1)。
锰氧化菌：恶臭假单胞菌QJX-1。
待处理水：向地表水中投加氯化铵、磷酸氢二钾、氯化锰，所配置的待处理水氨氮为1.2mg/L，总磷为0.2mg/L，Mn2+浓度为5.5mg/L，并投加有机污染物阿替洛尔，浓度为20ppb。
滤池中锰氧化菌的驯化同实施例1。
生物滤池运行的条件为：滤速为0.15m/h，25℃，pH 8.0。
共设五组滤池，第一组滤池采用石英砂滤料，第二组、第三组、第四组分别采用锰砂、石英砂比例为1：5、1：3、1：1的复合滤料，第一、二、三、四组在运行阶段，向待处理水中投加铜绿微囊藻藻细胞，使其中藻密度在400万个/L。第五组采用石英砂滤料，但运行阶段不投加藻细胞，其余条件均相同。
在驯化阶段结束后，取各滤池中的石英砂滤料3g，放入100ml烧杯，向每个烧杯加入50ml浓度为0.1mol/L的柠檬酸溶液，待石英砂表面生物锰氧化物完全溶解，露出石英砂的本色后，移取1ml溶液至10ml容量瓶，用超纯水定容，利用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES)，测定锰离子溶度。按稀释倍数换算出原液的溶解锰浓度，计算不同滤料上表面负载锰的含量(mg/g)。
如表5所示，锰砂的存在有利于锰氧化菌的富集和提高锰氧化能力，使得石英砂表面生成了更多的生物锰氧化物。
表5不同滤料表面负载锰的含量
滤料 第一组 第二组 第三组 第四组
表面锰含含量(mg/g) 0.11 0.54 0.73 1.12
并且研究表明锰氧化菌的锰氧化能力主要跟多铜氧化酶CumA基因有关，故在驯化结束后对第一组与第三组滤池中的滤料进行RNA的提取，利用Real-time PCR对滤池中的多铜氧化酶CumA基因进行定量分析，如图1所示，结果表明与纯石英砂相比，复合滤料表面多铜氧化酶基因的表达量是纯石英砂的10倍以上。
在滤池稳定运行后，定期在出水口取样，测定出水锰离子及微量污染物浓度，其中锰离子(表6)及微量污染物阿替洛尔的去除效果(表7)显示出复合滤料相较于石英砂滤料，更有利于锰氧化菌对锰离子及微量污染物的降解，且与生成的锰氧化物成正比，混合滤料滤池出水锰离子浓度小于国标要求0.1mg/L，对锰离子的去除率能达到98％以上，对阿替洛尔的去除率能达到51％以上。并且对比第一组与第五组，可以看出藻的存在提高了石英砂滤池中锰氧化菌的锰氧化能力，出水的锰离子浓度及微量有机物浓度都得以降低。
表6不同滤料对锰离子(mg/L)的去除
运行天数 40 45 50 55 60
第一组 2.71 2.73 2.64 2.57 2.62
第二组 0.1 0.09 0.08 0.07 0.04
第三组 0.07 0.02 0.06 0.03 0.06
第四组 0.04 0.03 0.02 0.01 0.02
第五组 3.52 3.44 3.58 3.64 3.62
表7不同滤料对阿替洛尔(ppb)的降解
运行天数 40 45 50 55 60
第一组 15.28 14.47 14.75 12.56 13.67
第二组 9.86 7.89 8.32 7.69 8.24
第三组 6.45 5.16 5.37 5.69 5.27
第四组 4.28 4.75 3.87 4.35 3.45
第五组 17.32 16.53 16.27 16.80 16.34
实施例3藻细胞对滤池内锰氧化菌生物量的影响
滤料：复合滤料(锰砂、石英砂比例1：3)
锰氧化菌：恶臭假单胞菌QJX-1。
待处理水：向地表水中投加氯化铵、磷酸氢二钾，氯化锰，所配置的待处理水氨氮为1.2mg/L，总磷为0.25mg/L，Mn2+浓度为5.5mg/L。
滤池中锰氧化菌的驯化同实施例1；
生物滤池运行的条件：滤速为0.15m/h，30℃，pH 7.5；
共设两组滤池，第一组滤池在驯化阶段结束后，通入含铜绿微囊藻藻细胞密度为400万个/L的待处理水，第二组滤池在驯化阶段结束后，不投加藻细胞，只通入待处理水。
并在运行40天后对各组滤池中的滤料进行取样，利用ATP生物发光法测定附着在滤料表面的微生物的量，结果如图2所示，藻类的加入并未影响滤池内的生物量，且驯化结束后滤池内的生物量基本不变。
实施例4一种优化生物慢滤处理微污染含藻水的方法
滤料：复合滤料(锰砂、石英砂比例1:1)。
锰氧化菌：恶臭假单胞菌QJX-1。
锰氧化菌菌液：将锰氧化菌接种至PYG培养基，放入培养箱30℃，170rpm，振荡培养40h所得菌液，其中菌密度为1×108个/mL；
所述PYG培养基组成为：蛋白胨、葡萄糖、酵母膏各0.25g/L，CaCl2﹒2H2O 8mg/L，MgSO4﹒7H2O 0.5g/L，MnCl2 100μM，添加去离子水至1L灭菌；再加入浓度为10-20mM的HEPES缓冲液调节pH7.0-7.5，其中HEPES缓冲液采用0.22μm滤膜过滤灭菌添加；
待处理水：向地表水中投加氯化铵、磷酸氢二钾，氯化锰，所配置的待处理水氨氮为1.5mg/L，总磷为0.25mg/L，Mn2+浓度为2.5mg/L，并投加有机污染物(阿替洛尔)浓度为8ppb。
滤池中锰氧化菌的驯化：将锰氧化菌菌液通入滤池后停留6h，再通入待处理水，运行24h，循环多次，直到观察到滤料表面生物锰氧化物的生成，且出水锰离子浓度显著降低，即完成驯化；
生物滤池运行的条件为：在待处理水中加入100万个/L藻细胞后，向滤池中通入待处理水；滤速为0.1m/h，30℃，pH 7.0。
运行62天后，出水氨氮浓度0.09mg/L，出水总磷浓度0.11mg/L，出水锰离子浓度0.03mg/L，阿替洛尔浓度0.98ppb。
实施例5一种优化生物慢滤处理微污染含藻水的方法
滤料：复合滤料(锰砂、石英砂比例1:2)。
锰氧化菌：恶臭假单胞菌QJX-1。
锰氧化菌菌液：将锰氧化菌接种至PYG培养基，放入培养箱30℃，170rpm，振荡培养45h所得菌液，其中菌密度为2×108个/mL；
所述PYG培养基组成为：蛋白胨、葡萄糖、酵母膏各0.25g/L，CaCl2﹒2H2O 8mg/L，MgSO4﹒7H2O 0.5g/L，MnCl2 100μM，添加去离子水至1L灭菌；再加入浓度为10-20mM的HEPES缓冲液调节pH7.0-7.5，其中HEPES缓冲液采用0.22μm滤膜过滤灭菌添加；
待处理水：向地表水中投加氯化铵、磷酸氢二钾，氯化锰，所配置的待处理水氨氮为1.5mg/L，总磷为0.25mg/L，Mn2+浓度为7.5mg/L，并投加有机污染物(阿替洛尔)浓度为8ppb。
滤池中锰氧化菌的驯化：将锰氧化菌菌液通入滤池后停留18h，再通入待处理水，运行18h，循环多次，直到观察到滤料表面生物锰氧化物的生成，且出水锰离子浓度显著降低，即完成驯化；
生物滤池运行的条件为：在待处理水中加入1000万个/L藻细胞后，向滤池中通入待处理水；滤速为0.3m/h，30℃，pH 7.5。
运行62天后，出水氨氮浓度0.05mg/L，出水总磷浓度0.08mg/L，出水锰离子浓度0.02mg/L，阿替洛尔浓度0.1ppb。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利构思的前提下，上述各实施方式还可以做出若干变形、组合和改进，这些都属于本专利的保护范围。因此，本专利的保护范围应以权利要求为准。

Claims (9)

1.一种生物滤池处理微污染水的方法，其特征在于，具体如下：
(1)滤池所采用的滤料为锰砂和石英砂组成的复合滤料；
(2)滤池中锰氧化菌的驯化：
将锰氧化菌菌液通入滤池后停留6h-24h，再通入添加有1-10mg/L的Mn2+的待处理水，运行6h-24h，循环多次；
(3)水处理过程
在待处理水中加入100-1000万个/L藻细胞后，向滤池中通入待处理水；
生物滤池运行的条件为：滤速为0.1-0.3m/h，10-35℃，pH 6.5-8.5。
2.如权利要求1所述的一种生物滤池处理微污染水的方法，其特征在于，复合滤料中锰砂和石英砂的比例为1-5:1-5。
3.如权利要求1所述的一种生物滤池处理微污染水的方法，其特征在于，通入添加有2-7mg/L的Mn2+的待处理水；
生物滤池运行的条件为：滤速为0.1-0.3m/h，15-35℃，pH 6.5-8.5。
4.如权利要求1所述的一种生物滤池处理微污染水的方法，其特征在于，当滤池中的石英砂颗粒变为褐色，其表面锰负载量上升，且出水锰离子浓度显著降低，即完成驯化。
5.如权利要求1所述的一种生物滤池处理微污染水的方法，其特征在于，所述锰氧化菌菌液是将锰氧化菌在PYG培养基中培养至培养液中含有1×108-3×108个/mL细菌细胞所得。
6.如权利要求5所述的一种生物滤池处理微污染水的方法，其特征在于，所述PYG培养基组成为：蛋白胨、葡萄糖、酵母膏各0.25g/L，CaCl2﹒2H2O 8mg/L，MgSO4﹒7H2O 0.5g/L，MnCl2100μM，添加去离子水至1L灭菌；再加入浓度为10-20mM的HEPES缓冲液调节pH6.5-8.5。
7.如权利要求6所述的一种生物滤池处理微污染水的方法，其特征在于，加入浓度为10-20mM的HEPES缓冲液调节pH7.0-7.5。
8.如权利要求1所述的一种生物滤池处理微污染水的方法，其特征在于，所述锰氧化菌为恶臭假单胞菌QJX-1，保藏号为CGMCC No.6630。
9.如权利要求1所述的一种生物滤池处理微污染水的方法，其特征在于，所述藻细胞为铜绿微囊藻。
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