CN113772811B - 一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥及培养方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥及培养方法。基于零价铁强化的菌藻共生颗粒为深绿色致密且不规则的，直径为0.2‑1.2mm的球形颗粒。藻菌比例0.3‑1，呈闭环状交错于颗粒外层。丝状蓝细菌低于1.5％。适用于城镇生活污水处理，保持长期稳定运行，出水达一级A标准。本发明的基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥培养方法，将接种污泥和零价铁一次性投入光照下的序批式反应器中。泵入营养液并以进水‑曝气‑沉淀‑排水的方式周期运行。运行20‑30天后，获得基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥。本发明提供的基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥，从物理、化学和生物效应三重强化菌藻共生颗粒污泥长期运行稳定性。污水高效净化的同时，实现节能减排绿色可持续。

Description

一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥及培养方法
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种通过添加零价铁强化所得的菌藻共生颗粒污泥及其培养制备方法。
背景技术
随着经济的快速发展和城市化进程的加快，污水排放量逐年增加。传统的活性污泥法通过曝气、利用微生物代谢作用去除污染物，“以能耗能”，温室气体排放量大，不可持续。研发“低能耗、减碳排、资源化”的城市污水处理系统绿色技术事关国计民生、势在必行。
菌藻共生颗粒污泥利用好氧颗粒污泥与微藻耦合协同共生，在去除污水中的碳氮磷营养物质以及重金属、抗生素等的同时，利用“微藻光合作用-细菌有氧呼吸”形成O2-CO2循环以及微藻固氮来减少曝气和碳排放(CO2和N2O)。菌藻颗粒化无需提供载体就能解决藻生物质流失及其造成出水水质不稳定的问题，微藻产生的O2和小分子有机代谢产物有可能解决污泥颗粒内部传质及营养缺乏问题。此外，菌藻颗粒化可降低微藻回收难度，提高剩余污泥资源化价值。近年来研究者们从解决微藻采收难的角度出发开发了菌藻颗粒污泥培养方法；在此基础上，通过低温培养等方式改善菌藻共生颗粒污水处理系统抵抗低温冲击的能力。如中国专利CN201610169039.5公开了一种基于菌藻共生的好氧颗粒污泥的培养方法，通过在光照气提式间歇反应器中投加絮状好氧活性污泥或者颗粒污泥，获得菌藻共生型好氧颗粒污泥。中国专利CN201910880280.2提供了一种低温培养菌藻共生颗粒污泥的方法，通过在气提式间歇反应器中接种驯化的活性污泥或者好氧颗粒污泥并投加藻液，按照慢速循环方式，获得具有抵抗低温环境的菌藻共生颗粒污泥。
然而在处理低浓度城镇生活污水时，菌藻颗粒污泥容易发生丝状菌过度繁殖、微生物活性降低以及传质限制等问题，导致颗粒失稳崩解以及污染物去除性能恶化，从而限制了工程应用。因此，如何开发出一种能够抑制丝状菌过度生长的菌藻颗粒培养方法，制备出能在处理低浓度生活污水时保持运行稳定的高活性菌藻颗粒污泥，是当前亟需解决的问题，对于菌藻共生颗粒在污水处理系统中的实际应用具有重要价值。
发明内容
本发明提供了一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥及培养方法，目的在于通过添加廉价易得的铁基材料零价铁，促进菌藻团聚，抑制丝状蓝细菌过度生长，提高颗粒污泥活性，从而解决菌藻共生颗粒污泥长期运行稳定性问题。获得可工程扩大化应用的菌藻共生颗粒污泥，提高系统氮磷去除能力的同时，实现生物质可回收，降能耗碳中和。
为达到上述目的，本发明是通过以下的产品和技术方案来实现的：
一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥，其形态为深绿色、致密且不规则的球形颗粒。微藻和好氧异养菌交错重叠于颗粒外层空间，呈闭环状。颗粒藻菌比例为0.3-1，其中丝状蓝细菌占比低于1.5％。直径为0.2-1.2mm，污泥沉降速度为15-25m/h，完整性系数为0.5-5.5％。
所述基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥，适用于城镇生活污水处理，保持长期稳定运行，出水水质达GB 18918-2002城镇污水处理厂污染物排放一级A标准。
本发明提供了一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥的培养方法，包括以下步骤：
(1)将接种污泥和零价铁一次性接种到配有外置光源的序批式反应器中。
(2)向反应器中泵入培养液，并按照进水-曝气-沉淀-排水的方式周期运行。
(3)反应器运行20-30天后，获得基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥。
优选的，所述步骤(1)中的接种污泥和零价铁的质量比区间为0.5-1。
优选的，所述步骤(1)中的接种污泥可选择取自污水处理厂的活性污泥或成熟好氧颗粒污泥。
优选的，所述步骤(1)中的零价铁粒径为0.5-1mm。
优选的，所述步骤(1)中的外置光源，可选择太阳光、LED灯、白炽灯及荧光灯，光照强度在5000-10000lux之间，每天光照时间8-12小时。
优选的，所述步骤(2)中培养液可选择合成废水或者实际废水。碳氮比区间为1-5。氨氮浓度为20-100mg/L。按需添加适当浓度的营养元素及微量元素。
优选的，所述步骤(2)中序批式反应器的运行周期条件为：4-8小时为一个循环周期；进水5-10min，曝气228-459min，沉淀4-6min，出水3-5min；曝气通过反应器底部供应，控制在0.2-0.4L/min；反应器在室温(20-25℃)下运行。
优选的，所述步骤(3)中所得基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥，于光照下自发形成，无需外加藻源。
与现有技术相比，本发明的优点及有益效果是：
1、本发明利用光照下藻类的自发生长培养菌藻共生的颗粒污泥，通过自然选择作用筛选优势菌藻，前期投入少，且可最大程度协同共生，无拮抗作用；
2、本发明获得的基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥中优异的协同反应使得合理设置工艺运行参数时，可实现无曝气污水处理，节能减排；
3、本发明选取的促进剂零价铁，只需于工艺启动时一次性添加。工程造价极低，操作方法简单，运行管理容易；
4、本发明培养的基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥具有更强的长期运行稳定性。零价铁于运行过程中以不同形式的铁离子存在，或作为微量元素为微生物利用，或通过DLVO理论中和细胞表面负电荷促进团聚，或通过Fe-PO4沉淀强化污染物去除，从物理效应、化学效应和生物效应三重强化菌藻共生颗粒污泥的长期运行表现及颗粒稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例中培养获得的基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥图像。比例尺为1mm。
图2为本发明实施例中培养获得的基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥的荧光原位杂交显微结构分布图像。(A)叶绿体自发荧光表征微藻分布；(B)EUB338探针靶向细菌；(C)DAPI染色生物体DNA；(D)(A-C)组合图像。比例尺为0.2mm。
具体实施方式
以下通过具体的实施范例对本发明的上述内容作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅局限于以下的实例。凡基于本发明上述主题所实现的同样方法均应属于本发明的范围。
实施例采用序批式反应器，由有机玻璃制成，有效工作体积为0.36L。反应器直径3.3cm，高42.0cm。在反应器壁的垂直方向设置排取样口，用以取样和进水。进水出水通过硅胶管连接蠕动泵连接水桶。反应器的进水、曝气、沉降及排水时间均由时控开关自动控制。采用4小时为一个循环周期：进水5min，曝气225min，沉淀5min，出水5min；体积交换比保持50％，水力停留时间(HRT)为8小时；反应器在室温(20-25℃)下运行。
采用人工模拟城镇生活污水的合成废水。进水COD，NH4 +-N，PO4 3--P根据不同水质类型调整。无机元素：MgSO4 1.954g/L，CaCl2·2H2O 3g/L，FeCl3 0.96g/L，H3BO4 0.05g/L，ZnCl2 0.05g/L，CuCl2·2H2O 0.063g/L，MnSO4·H2O 0.05g/L，(NH4)6Mo7·4H2O 0.05g/L，AlCl3 0.05g/L，CoCl2·6H2O 0.05g/L，NiCl2 0.05g/L。通过NaHCO3调节pH至7.0-7.5。
使用光照强度为6000±200lux的白色LED灯，时控开关提供12h:12h(明：暗)的恒定光周期。
实施例1
以好氧颗粒污泥为接种污泥，在具有外置光源的序批式反应器中培养基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥。
在反应器中同时接种粒径在0.2-2mm的好氧颗粒污泥2.5g MLSS/L和零价铁5g/L。零价铁纯度大于99％，粒径为1mm，BET比表面积为0.05m2/g。曝气通过反应器底部供应，以黏砂块作为微孔曝气器，压缩空气经转子流量计控制流量在0.2L/min左右。合成废水COD为100mg/L(由葡萄糖和乙酸钠1:1供应)，NH4 +-N为20mg/L，PO4 3--P为1.5mg/L。
经过20-30天的培养，棕色的好氧颗粒污泥外层逐渐呈现黄绿色，乃至深绿色。表现为致密、不规则的球形颗粒，平均直径大于0.2mm。MLSS为0.6-0.9g/L，污泥体积指数SVI5为15-25mL/g，污泥沉降速度为15-25m/h，完整性系数为0.5-5.5％。颗粒藻菌比例为0.33，其中丝状蓝细菌占比为1.15％。
实施例2
无曝气下，基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥的运行。
在反应器投加基于零价铁强化的成熟菌藻共生颗粒污泥，不提供曝气，并使用磁力搅拌器进行传质。合成废水水质COD为100mg/L(由葡萄糖和乙酸钠1:1供应)，NH4 +-N为20mg/L，PO4 3--P为1.5mg/L。出水COD浓度为45-50mg/L，NH4 +-N浓度为0.5-1.5mg/L，TN浓度为4-6mg/L，TP浓度为0.3-0.5mg/L。说明所述工艺无需曝气也可以达到优异的污染物去除能力。
实施例3
基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥的长期运行。
在反应器投加基于零价铁强化的成熟菌藻共生颗粒污泥，曝气量为0.2L/min。合成废水水质COD为100mg/L(由葡萄糖和乙酸钠1:1供应)，NH4 +-N为100mg/L，PO4 3--P为1.5mg/L。运行周期30天，颗粒结构保持稳定。
实施例4
在反应器投加基于零价铁强化的成熟菌藻共生颗粒污泥，曝气量为0.2L/min。合成废水水质COD为100mg/L(由葡萄糖和乙酸钠1:1供应)，NH4 +-N为80mg/L，PO4 3--P为1.5mg/L。运行周期30天，颗粒结构保持稳定。
实施例5
在反应器投加基于零价铁强化的成熟菌藻共生颗粒污泥，曝气量为0.2L/min。合成废水水质COD为100mg/L(由葡萄糖和乙酸钠1:1供应)，NH4 +-N为60mg/L，PO4 3--P为1.5mg/L。运行周期30天，颗粒结构保持稳定。
实施例6
在反应器投加基于零价铁强化的成熟菌藻共生颗粒污泥，曝气量为0.2L/min。合成废水水质COD为100mg/L(由葡萄糖和乙酸钠1:1供应)，NH4 +-N为40mg/L，PO4 3--P为1.5mg/L。运行周期30天，颗粒结构保持稳定。
对比例1
对比例1的菌藻共生颗粒污泥培养运行方式与实施例3-6的基本相同，区别仅在于未投加零价铁。
光照下培养30天后，对比例中的颗粒外层已呈现明显绿色。但在运行至2个月时，颗粒失稳崩解。系统中以蓬松的、树枝状的、结构松散的绿色微藻-细菌共生絮凝体为主。藻菌比例为6.71，其中丝状蓝细菌占比为3.53％。继续运行，絮凝体完全分解，并通过水力冲刷损失了大量生物质。
实施例3-6出水COD浓度为30-45mg/L，NH4 +-N浓度为0.2-1mg/L，TN浓度为10-12mg/L，TP浓度为0.1-0.3mg/L。运行120天期间，颗粒结构稳定保持。综上，本发明提供的基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥可在不同水质中保持长期稳定运行的同时具有优异的污水处理性能。

Claims (9)

1.一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥，其特征在于：于光照下自发形成，无需外加藻源；其形态为深绿色、致密且不规则的球形颗粒；微藻和好氧异养菌交错重叠于颗粒外层空间，呈闭环状；颗粒藻菌比例为0.3-1，其中丝状蓝细菌占比低于1.5％；所述球形颗粒直径为0.2-1.2mm，污泥沉降速度为15-25m/h，完整性系数为0.5-5.5％。
2.根据权利要求1所述的一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥，其特征在于：适用于城镇生活污水处理，保持长期稳定运行，出水水质达GB 18918-2002城镇污水处理厂污染物排放一级A标准。
3.一种培养如权利要求1所述的基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥的培养方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将接种污泥和零价铁一次性接种到配有外置光源的序批式反应器中；
(2)向反应器中泵入培养液，并按照进水-曝气-沉淀-排水的方式周期运行；
(3)反应器运行20-30天后，获得基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥。
4.根据权利要求3所述的一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥的培养方法，其特征在于：步骤(1)中，所述接种污泥和零价铁的投加质量比区间0.5-1。
5.根据权利要求3所述的一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥的培养方法，其特征在于：步骤(1)中，所述接种污泥选择取自污水处理厂的活性污泥或成熟好氧颗粒污泥。
6.根据权利要求3所述的一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥的培养方法，其特征在于：步骤(1)中，所述零价铁粒径为0.5-1mm。
7.根据权利要求3所述的一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥的培养方法，其特征在于：步骤(1)中，所述外置光源，选择太阳光、LED灯、白炽灯或荧光灯，光照强度在5000-10000lux之间，每天光照时间8-12小时。
8.根据权利要求3所述的一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥的培养方法，其特征在于：步骤(2)中，所述培养液选择合成废水或者实际废水，碳氮比区间为1-5，氨氮浓度为20-100mg/L，按需添加适当浓度的营养元素及微量元素。
9.根据权利要求3所述的一种基于零价铁强化的菌藻共生颗粒污泥的培养方法，其特征在于：步骤(2)中，所述反应器为序批式反应器，所述序批式反应器的运行周期条件为：4-8小时为一个循环周期；进水5-10min，曝气228-459min，沉淀4-6min，出水3-5min；曝气通过反应器底部供应，控制在0.2-0.4L/min左右；反应器在室温20-25℃下运行。
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