CN113788541B - 一种利用混凝剂促进厌氧氨氧化菌快速颗粒化的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用混凝剂促进厌氧氨氧化菌快速颗粒化的方法，通过在颗粒化形成阶段和成熟阶段采用适合的混凝剂投加量，控制颗粒化不同阶段微生物聚集体胞外聚合物的蛋白比浓度和Zata电位值可以实现快速颗粒化。本发明能够快速实现厌氧氨氧化菌的颗粒化，增强厌氧氨氧化菌沉降性能，不易流失，增强厌氧氨氧化菌抗冲击、抗毒害能力，提高厌氧氨氧化工艺稳定性，增加厌氧氨氧化菌种生物量，负荷高，占地少，投资成本低；且节约了大量时间，流程简单实用，无二次污染。

Description

一种利用混凝剂促进厌氧氨氧化菌快速颗粒化的方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域。
背景技术
近年来，厌氧氨氧化新型脱氮技术作为一种经济、高效、环保的技术，在脱氮处理中得到了广泛的关注。传统的生物脱氮技术存在曝气能耗大、碳源不足、碱度消耗量大、流程复杂、耐氨氮冲击负荷差等局限性。厌氧氨氧化生物脱氮技术相较于传统生物脱氮技术占地面积小、氮负荷高，且能节约62.5％的氧气、50％的碱度和100％的碳源。由于在经济方面的独特优势，成为近年来国内外研究的热点，是未来污水生物脱氮技术发展的前沿。但厌氧氨氧化菌倍增时间长、启动时间长且易受多种不利因素影响导致活性下降，仍是目前制约该技术广泛应用的主要问题。
颗粒污泥的形成机理主要是因为外界选择压作用，如较短的沉淀时间、较高的水力剪切等作用，使得微生物分泌更多的具有絮凝、粘附作用的胞外聚合物，致使微生物细胞间相互紧密聚集、排列，促使絮体污泥结构变得更加致密，并在气水联合冲刷作用下逐渐变成规则的球形颗粒聚集体。颗粒污泥是一种较高密度的球形聚集体，常被看作一种特殊的生物膜，具有生物致密、相对密度大和沉降速度快等特点，可使反应器中保持较高的污泥浓度和容积负荷。而且颗粒污泥能够承受较高浓度的污染物和有毒物质的冲击，结合颗粒污泥的诸多优点，如果将厌氧氨氧化菌培养成颗粒污泥将会大大提高厌氧氨氧化菌的抗冲击能力且能够进一步提高容积负荷。但颗粒污泥形成时间较长且厌氧氨氧化菌增殖速率慢，如何促进厌氧氨氧化菌快速颗粒化就变得至关重要，本发明一种利用混凝剂促进厌氧氨氧化菌快速颗粒化的方法就来解决这一问题。
发明内容
本发明的目的是利用混凝剂促进厌氧氨氧化菌快速颗粒化形成颗粒污泥。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种利用混凝剂促进厌氧氨氧化菌快速颗粒化的方法，具体包括以下步骤：
第一步骤：生物池运行模式为序批式运行，运行过程为进水、搅拌、静置、排水；
配制成30gPAC/L水溶液，测定此时微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度为20mg/gMLVSS，Zata电位值为-21mV，每天按照30gPAC/L混凝剂体积比池容1：80-100投加量向生物池投加，以促进胞外蛋白的分泌，胞外聚合物蛋白比浓度逐渐增加至80mg/gMLVSS，Zata电位值升高至-15mV，使得微生物能够形成聚集体；
生物池缩短沉淀时间至10min则开始排水，排水比为40-60％；
提高生物池水力剪切速率在10s-1；
通过沉淀选择压和水力剪切选择压的淘洗、选择作用后，截留的微生物分泌大量的胞外蛋白，以降低自身的电负性，并在PAC的作用下重新絮凝，形成以PAC为骨架的微生物聚集体，同时大量加入的PAC使得在聚集体内核周围出现类似于“网捕卷扫”的絮凝现象，新形成的微生物聚集体在水力剪切力的冲刷作用下，依靠PAC的粘附作用，逐渐变得紧密，压缩至球状，形成肉眼观察到明显的细小颗粒状态聚集体；
第二步骤：形成肉眼可见颗粒后，每天按照30gPAC/L混凝剂体积比池容1：120-140投加量向生物池投加，维持微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度为140mg/gMLVSS，Zata电位值为-10mV；同时PAC絮凝作用、沉淀选择压、水力剪切选择压多重作用；进水基质浓度限值，使得颗粒污泥稳定在0.45mm以上的粒径形态，成为成熟的颗粒污泥。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：
1.能够快速实现厌氧氨氧化菌的颗粒化，增强厌氧氨氧化菌沉降性能，不易流失。增强厌氧氨氧化菌抗冲击、抗毒害能力，提高厌氧氨氧化工艺稳定性。增加厌氧氨氧化菌种生物量，负荷高，占地少，投资成本低。
2.厌氧氨氧化菌依靠自身分泌胞外蛋白形成颗粒化污泥至少需要3-6个月时间，混凝剂的加入实现了厌氧氨氧化菌的快速颗粒化，2周-1个月就可以形成肉眼可见的、密实的、沉降性能良好的颗粒污泥，节约了大量时间。
3.混凝剂价格便宜，简单易得，颗粒化启动过程成本低。
4.本方法实用，流程简单，无二次污染，颗粒化启动过程运行简便可靠。
附图说明
图1是厌氧氨氧化菌依靠自身分泌胞外蛋白颗粒化机理
图2是混凝剂促进厌氧氨氧化快速颗粒化机理
图3厌氧氨氧化细小颗粒污泥图片
图4厌氧氨氧化成熟颗粒污泥图片
具体实施方式
一种利用混凝剂促进厌氧氨氧化菌快速颗粒化的方法，具体包括以下步骤：
第一步骤是生物池运行模式为序批式运行，运行过程为进水、搅拌、静置、排水。本发明混凝剂促进厌氧氨氧化快速颗粒化技术在于颗粒化不同阶段采用适合的混凝剂投加量，控制颗粒化不同阶段微生物聚集体胞外聚合物的蛋白比浓度和Zata电位值来实现快速颗粒化。混凝剂的投加一方面促进了胞外蛋白的分泌速度，还有一些混凝剂本身即含有胞外蛋白，例如微生物混凝剂等，胞外蛋白的增加使得微生物凝聚性增强，微生物就会聚集粘附。另一方面是混凝剂和胞外蛋白能够升高Zata电位，根据DLVO理论，Zeta电位是决定颗粒间能否发生有效碰撞而相互聚集的决定性因素之一，通常微生物表面带有大量的负电荷，由于静电斥力的作用，细胞之间很难聚集形成更大的聚集体，带正电的胞外蛋白可以降低微生物表面电荷，从而使微生物间能够相互聚集。
从市面采购常见的混凝剂，例如聚合氯化铝(PAC)，配制成30gPAC/L水溶液，测定此时微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度为20mg/gMLVSS，Zata电位值为-21mV，每天按照30gPAC/L混凝剂体积比池容1：80-100投加量向生物池投加，混凝剂PAC的投加促进胞外蛋白的分泌，胞外聚合物蛋白比浓度逐渐增加至80mg/gMLVSS左右，并且PAC带正电荷，抵消了微生物表面的负电荷，Zata电位值升高至-15mV左右，使得微生物能够形成聚集体。
同时生物池缩短沉淀时间至10min则开始排水，排水比为40-60％，提高沉淀选择压作用，微生物为了抵抗沉淀选择压，通过分泌更多的胞外蛋白用于降低自身表面电荷Zeta电位，同时外加的混凝剂促进微生物分泌胞外蛋白从而也起到降低Zeta电位的作用。当Zeta电位降低后，较小的微生物聚集体间可以发生有效碰撞而絮凝，形成更大的聚集体。微生物形态会逐渐发生变化，微生物由小的聚集体不断絮凝粘附变大，同时会有一些失活的絮体无法沉淀随着出水排出。
虽然微生物聚集体在胞外聚合物的作用下形成了较大的絮体，能够抵抗沉淀选择压，但聚集体的结构依旧疏松不够致密，提高生物池水力剪切速率在10s-1，为了抵抗反应器中水力剪切力的冲刷，混凝剂的粘附作用能够将松散的微生物聚集体收拢、拉紧，逐渐形成致密的类似于球状的微生物聚集体。
通过沉淀选择压和水力剪切选择压的淘洗、选择作用后，截留的微生物同样分泌大量的胞外蛋白，以降低自身的电负性，并在PAC的作用下重新絮凝，形成以PAC为骨架的微生物聚集体，同时大量加入的PAC使得在聚集体内核周围出现类似于“网捕卷扫”的絮凝现象，新形成的微生物聚集体在水力剪切力的冲刷作用下，依靠PAC的粘附作用，逐渐变得紧密，压缩至球状，在2周左右时间，就可以肉眼观察到明显的细小颗粒状态聚集体，此时厌氧氨氧化颗粒菌粒径均值为0.15mm(效果图参见实施例1中图3)。
第二步骤是形成肉眼可见颗粒后，每天按照30gPAC/L混凝剂体积比池容1：120-140投加量向生物池投加，维持微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度为140mg/gMLVSS左右，Zata电位值为-10mV左右，由于进水基质不断加入，使得微生物不断繁殖增多，同时在PAC絮凝作用、沉淀选择压、水力剪切选择压多重作用下，颗粒粒径逐渐变大，颗粒形态球度系数逐渐提高，颗粒越来越密实，沉降性能越来越好。最后由于进水基质浓度限值，使得颗粒污泥稳定在0.45mm以上的粒径形态，成为成熟的颗粒污泥(效果图参见实施例1中图4)。
传统颗粒化污泥培养方式，仅仅依靠微生物自身分泌胞外蛋白的混凝作用来形成颗粒化，一般需要3-6个月以上。相比之下，本发明提出的利用外源混凝剂控制不同阶段微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度和Zata电位值促进颗粒化方法，可以有效缩短颗粒化过程所需要的时间，控制在2周-1个月之内。
下面结合图1、图2、图3和图4对本发明实施例进一步说明。
某污泥处理厂采用两段式亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理污泥沼液，一个亚硝化池搭配两个厌氧氨氧化池，亚硝化生物池池容为1100m3，厌氧氨氧化生物池A(简称“厌氨A池”)池容400m3，厌氧氨氧化生物池B(简称“厌氨B池”)池容400m3，运行模式均为序批式运行。为了提高工艺处理量，增强厌氧氨氧化工艺运行稳定性，需要将厌氧氨氧化菌培养成为颗粒菌。
将厌氨A池作为空白组，不投加混凝剂观察颗粒化效果。厌氨B池作为实验组投加聚合氯化铝(PAC)促进厌氧氨氧化菌快速颗粒化，加快厌氧氨氧化菌颗粒化进程。从市面上采购有效铝含量30％(M/M)的聚合氯化铝淡黄色粉末，配制成30gPAC/L水溶液。
实施例1
颗粒化初期厌氨A池微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度为21mg/gMLVSS，Zata电位值为-20mV，厌氨A池沉淀时间均缩短为10min，水力剪切速率维持在10s-1，调整沉淀时间和水力剪切速率后，在沉淀选择压和水力剪切选择压作用下，轻质的分散体被淘洗出反应器，较重的厌氧氨氧化菌被选择性截留。经过沉淀选择压和水力剪切选择压的淘洗、选择作用后，截留的厌氧氨氧化菌分泌大量的胞外蛋白，以降低自身的电负性，厌氨A池微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度升高至42mg/gMLVSS，Zata电位值升高至-17mV。在第96天，肉眼观察到明显的细小颗粒状态聚集体(如图3)，颗粒平均粒径为0.15mm。
厌氨A池形成肉眼可见颗粒后，继续保持运行，此时厌氨A池微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度升高至85mg/gMLVSS，Zata电位值升高至-13mV。由于进水基质不断加入，使得厌氧氨氧化菌不断繁殖增多，同时在沉淀选择压、水力剪切选择压多重作用下，颗粒粒径逐渐变大，颗粒形态球度系数逐渐提高，颗粒越来越密实，沉降性能越来越好。经过168天稳定运行，使得颗粒污泥平均粒径为0.45mm，成为成熟的颗粒污泥(如图4)。
实施例2
颗粒化初期厌氨B池微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度为20mg/gMLVSS，Zata电位值为-21mV，厌氨B池每天按照30gPAC/L混凝剂体积比池容1：80的投加量即5m3混凝剂向厌氨B池投加，同样将沉淀时间缩短为10min，水力剪切速率维持在10s-1。厌氨B池投加混凝剂后，生物池内的絮体立即解体，出现了明显的类似于胶体“脱稳”的现象，打破原本的絮体结构，呈现更小的分散体。调整沉淀时间和水力剪切速率后，在沉淀选择压和水力剪切选择压作用下，轻质的分散体被淘洗出反应器，较重的厌氧氨氧化菌被选择性截留。经过沉淀选择压和水力剪切选择压的淘洗、选择作用后，截留的厌氧氨氧化菌分泌大量的胞外蛋白，以降低自身的电负性。厌氨B池微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度升高至83mg/gMLVSS，Zata电位值升高至-14mV，并在PAC的作用下重新絮凝，形成以PAC为骨架的厌氧氨氧化菌聚集体。同时大量加入的PAC使得在聚集体内核周围出现类似于“网捕卷扫”的絮凝现象。新出现的粘性絮体能够截留、粘附更多的厌氧氨氧化菌，新形成的厌氧氨氧化菌聚集体在水力剪切力的作用下，依靠PAC的粘附作用，逐渐变得紧密，压缩至球状。在第15天，就可以肉眼观察到明显的细小颗粒状态聚集体，颗粒平均粒径达到0.15mm(效果图参见实施例1中图3)。
在厌氨B池形成肉眼可见颗粒后，维持微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度为140mg/gMLVSS，Zata电位为-10mV，每天按照30gPAC/L混凝剂体积比池容1：120投加量向生物池投加，由于进水基质不断加入，使得厌氧氨氧化菌不断繁殖增多，同时在PAC絮凝作用、沉淀选择压、水力剪切选择压多重作用下。颗粒粒径逐渐变大，颗粒形态球度系数逐渐提高，颗粒越来越密实，沉降性能越来越好。经过32天稳定运行，使得颗粒污泥平均粒径达到0.45mm，成为成熟的颗粒污泥(效果图参见实施例1中图4)。
对比分析
实施例1和实施例2，对比可以发现：
在颗粒化形成阶段，厌氨B池按照30gPAC/L混凝剂体积比池容1：80的投加量，提高厌氨B池微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度至83mg/gMLVSS，Zata电位值至-14mV，仅用时15天就可以肉眼观察到明显的细小颗粒状态聚集体，颗粒平均粒径达到0.15mm，而厌氨A池则用时96天才达到，可知混凝剂的投加大大加快了颗粒菌形成的过程。在颗粒化成熟阶段，厌氨B池按照30gPAC/L混凝剂体积比池容1：120的投加量，提高厌氨B池微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度至140mg/gMLVSS，Zata电位至-10mV，仅用时32天，颗粒污泥平均粒径达到0.45mm，成为成熟的颗粒污泥，而厌氨A池则用时168天才达到，可知混凝剂的投加大大加快了颗粒菌成熟的过程。通过以上实施例可知在颗粒化不同阶段采用适合的混凝剂投加量，控制颗粒化不同阶段微生物聚集体胞外聚合物的蛋白比浓度和Zata电位值可以实现快速颗粒化。

Claims (1)

1.一种利用混凝剂促进厌氧氨氧化菌快速颗粒化的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
第一步骤：生物池运行模式为序批式运行，运行过程为进水、搅拌、静置、排水；
配制成30gPAC/L水溶液，测定此时微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度为20mg/gMLVSS，Zata电位值为-21mV，每天按照30gPAC/L混凝剂体积比池容1：80-100投加量向生物池投加，以促进胞外蛋白的分泌，胞外聚合物蛋白比浓度逐渐增加至80mg/gMLVSS，Zata电位值升高至-15mV，使得微生物能够形成聚集体；
生物池缩短沉淀时间至10min则开始排水，排水比为40-60％；
提高生物池水力剪切速率在10s-1；
通过沉淀选择压和水力剪切选择压的淘洗、选择作用后，截留的微生物分泌大量的胞外蛋白，以降低自身的电负性，并在PAC的作用下重新絮凝，形成以PAC为骨架的微生物聚集体，同时大量加入的PAC使得在聚集体内核周围出现类似于“网捕卷扫”的絮凝现象，新形成的微生物聚集体在水力剪切力的冲刷作用下，依靠PAC的粘附作用，逐渐变得紧密，压缩至球状，形成肉眼观察到明显的细小颗粒状态聚集体；
第二步骤：形成肉眼可见颗粒后，每天按照30gPAC/L混凝剂体积比池容1：120-140投加量向生物池投加，维持微生物聚集体胞外聚合物蛋白比浓度为140mg/gMLVSS，Zata电位值为-10mV；同时PAC絮凝作用、沉淀选择压、水力剪切选择压多重作用；进水基质浓度限值，使得颗粒污泥稳定在0.45mm以上的粒径形态，成为成熟的颗粒污泥。
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