CN113845236A - 一种固定化填料及其制备方法及基于该填料光合细菌-原生动物污水处理装置及方法 - Google Patents

一种固定化填料及其制备方法及基于该填料光合细菌-原生动物污水处理装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固定化填料及其制备方法及基于该填料光合细菌‑原生动物污水处理装置及方法，属于废水处理技术领域；本发明的固定化填料通过采用淀粉填充及淀粉酶刻蚀的方法，确保固定化材料具有一定的机械强度和物质交换功能，且内部孔径足够大，为原生动物提供了良好的定植空间，可大量繁殖；本发明的污水处理方法使得原生动物可捕食消化处理区内的大量剩余污泥，降低处理区中剩余污泥的产量，降低固废产生量。

Description

一种固定化填料及其制备方法及基于该填料光合细菌-原生 动物污水处理装置及方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，更具体地说，涉及一种固定化填料及其制备方法及基于该填料光合细菌-原生动物污水处理装置及方法。
背景技术
生活污水是在人类活动中产生的富含大量有机物、氮、磷等营养物质的废水，如未经妥善处理排放至环境中，易引起自然水体的发黑发臭，造成环境污染。传统处理生活污水的方法为好氧生物法，该方法具有处理工艺简单、运行成本低等特点，但是该方法会产生大量的剩余污泥，形成新的固体废弃物。本发明提供一种利用光合细菌-原生动物处理区处理污染河水的方法，可通过构建光合细菌-原生动物的生物系统，实现对生活污水的高负荷运行处理，提高处理区对生活污水的处理效果，且大幅削减剩余污泥的产生量，降低有机固废的产生。
经检索，公开号为CN111847657A的专利中公开了一种以光合细菌作为生化核心的污水处理工艺，该方案中，污水经过前处理/预处理工艺，接入以光合细菌作为生化核心的处理方法，通过光合细菌生化装置特殊的设计构型及运行控制，利用光合细菌的光能代谢与氧化代谢两套代谢途径来实现细菌自身生长与增值，其在一定程度上可以将污水中的有机污染物吸收、转化、降解，但是该方案中单纯的利用光合细菌的方式在处理污水后仍然会存留大量的污泥，并且污水处理效率难以得到有效提高。
而现有技术中，也有公开将光合细菌与原生动物结合处理污水的方式，如公开号为 CN207943925U的专利中，其方案中在好氧光照藻菌共生流化池中，投放有鞭毛虫、纤毛虫、肉足虫、哲水蚤、剑水蚤、轮虫、钟虫等浮游动物中的一种或几种，其水处理效率相比较而言得到提高。
但是现有技术中，一般光合细菌和原生动物一般都以游离的方式存在于活性污泥中，其极易随水被排出系统，导致处理区内生物浓度降低。但是现有技术中常规的固定化方式为海藻酸钠与氯化钙反应形成海藻酸钙，该方法仅适用于细菌的固定化，由于原生动物的体积较细菌的十分巨大，而传统的固定化技术形成的致密的交联空间不足以保证原生动物的生存，因此如何实现原生动物的有效固定化是目前亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明针对现有技术中利用原生动物水处理过程中难以有效固定进而导致水处理效率下降的技术问题，提供了一种固定化填料及其制备方法及基于该填料光合细菌-原生动物污水处理方法，通过固定化填料淀粉酶刻蚀技术，有效盖上上述技术问题。
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种固定化填料的制备方法，将海藻酸钠和淀粉溶液混合，然后添加氯化钙溶液制成凝胶颗粒；然后将制备得到的凝胶颗粒置于淀粉酶溶液中进行刻蚀，凝胶颗粒刻蚀后制得表面含孔隙的凝胶颗粒；最后向上述含孔隙的凝胶颗粒投加原生生物，制得原生生物的固定化填料，所述原生生物的固定化填料的孔隙率为55％～85％；通过采用淀粉填充及淀粉酶刻蚀的方法，确保固定化材料具有一定的机械强度和物质交换功能，且内部孔径足够大，可适合于原生动物生存，从而促使原生动物消耗剩余污泥，降低剩余污泥产生量，通过控制控制孔隙率为55％～85％，可保持较好的机械强度、物质交换能力，且为原生动物提供良好的定植的物理空间。
优选地，所述原生生物的固定化填料的孔隙率为65～75％。
优选地，所述添加的海藻酸钠与添加的淀粉质量比为k1，所述30≤k1≤50。
优选地，所述淀粉酶溶液的淀粉酶浓度为0.75％～1.20％。
优选地，凝胶颗粒置于淀粉酶溶液中进行刻蚀的时间为3.5h～6.0h。
上述方案通过控制淀粉投加的量和淀粉酶的刻蚀时间，如果淀粉用量过多或淀粉酶刻蚀时间太久，容易导致填料内部孔隙过大，机械强度降低，易破碎。如果淀粉用量过少或者淀粉酶刻蚀时间太短，容易导致填料内部孔隙太小，无法给原生动物提供充足的物理空间进行定植。并且通过控制淀粉的量及淀粉酶的浓度、酶解时间，利用淀粉的刻蚀，在填料内部形成适合于原生动物生长定植的物理空间。
优选地，所述投加的原生生物包括钟虫和纤毛虫，所述钟虫和纤毛虫的添加量分别为 95/mL～115/mL和96/mL～116/mL；通过调控原生动物的种类和数量，在填料内部形成稳定的原生动物群落，以利于剩余污泥的减量。
具体的，本发明的一种固定化填料的制备方法可以具体为：
将30～40g海藻酸钠投入1L纯化水中，加热至50℃完全溶解，加入8～10mL浓度为100g/L的可溶性淀粉溶液，充分搅拌混合均匀。将混合后的溶液滴加至5～8％氯化钙溶液中，形成颗粒凝胶颗粒，静置浸泡2h，然后将凝胶颗粒过滤，用纯化水充分清洗，转移至 1％淀粉酶溶液中，静置浸泡5h后取出。将处理后的凝胶颗粒按照600～800g/L量投加至 0.5％的LB培养基中，按照109/mL、105/mL、106/mL的量分别投加光合细菌、钟虫和纤毛虫，曝气培养2周，可完成制备光合细菌-原生动物固定化填料。
本发明的一种固定化填料，其采用上述的固定化填料制备方法制得。
本发明的一种光合细菌-原生动物污水处理装置，包括处理区、沉淀区和回流管；
所述处理区的处理出水口与沉淀区内相连；
所述处理区内设置有固定化填料、光源和处理区底部的曝气单元，所述光源可对固定化填料进行照射；所述固定化填料为权利要求6中的固定化填料，且所述固定化填料中固定有光合细菌和原生动物；
所述回流管的两端分别为污泥回流出口和污泥回流入口，所述污泥回流出口连通于沉淀区的底部，污泥回流入口连通于处理区内。
本发明的一种光合细菌-原生动物污水处理方法，使用上污水处理装置，光源向处理区内提供光照，且将沉淀区底部的污泥通过回流管回流至处理区内。通过固定化处理后，细菌和原生动物被大量固定与颗粒填料中，而颗粒填料具备物质较换功能，可有效保证细菌和原生动物的物质交换，确保其正常存活，且颗粒填料比重远高于活性污泥，不易被水冲走流失，确保了处理区内可维持较高的生物浓度。并且固定化填料的沉降性更好，在回流的条件下，物质反应效率提高，处理区内部水流活动加剧，固定化填料不易被冲洗出处理区；另外处理过程中固定化填料为原生动物提供了良好的定植空间，可大量繁殖。原生动物可捕食消化处理区内的大量剩余污泥，降低处理区中剩余污泥的产量，降低固废产生量。
优选地，所述光照强度为3000～5000勒克斯，且光照为周期性光照，单次光照时间为 t1，相邻光照之间停止光照时间为t2，所述6.5h≤t1≤9.5h，t1/t2＝k2，所述1.5≤k2≤2.5。
优选地，所述回流管中污泥的回流流量为处理区的污水入口处进水流量的50～80％。
具体的，本发明的一种一种光合细菌-原生动物污水处理方法，具体可以为：
将光合细菌-原生动物固定化填料按照1/5～1/6体积比投加至处理区中，处理区底部进行曝气，控制水中溶解氧浓度为2～2.5mg/L。处理区中按照3～5只/m2的分布密度设置光源，其可以红光LED灯管，控制光照强度为3000～5000勒克斯，按照光照8h、黑暗4h进行周期性光照反应。处理区运行温度控制为25～30℃，pH为7.5～8.0。生活污水在处理区中的水力停留时间为30h，沉淀区底部的污泥通过回流管回流至处理区前端，回流流量为进水流量的 50～80％，所述回流管由回流泵提供回流动力。
相比较于现有技术，本发明的技术方案的优点在于：
(1)本技术利用光合细菌处理生活污水中的污染物，并利用原生动物对过度繁殖的光合细菌进行捕食，控制光合细菌在处理区中的总量，从而避免处理区产生大量剩余污泥，减少了有机固废的产生。
(2)本技术通过对光合细菌和原生动物混合系统的固定化处理，可大幅提高处理区中的生物量浓度，避免微生物和原生动物的流失，从而显著提高处理区对生活污水的处理效率；固定化填料为原生动物提供了良好的定植空间，可大量繁殖。原生动物可捕食消化处理区内的大量剩余污泥，降低处理区中剩余污泥的产量，降低固废产生量。
附图说明
图1为本发明一种光合细菌-原生动物污水处理装置的结构示意图；
标号说明
100、固定化填料；110、处理区；111、污水入口；112、光源；113、曝气单元；114、处理出水口；
120、沉淀区；121、出水口；
200、回流管；201、污泥回流出口；202、污泥回流入口。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴；除此之外，本发明的各个实施例之间并不是相互独立的，而是可以进行组合的。
实施例1
将40g海藻酸钠投入1L纯化水中，加热至50℃完全溶解，加入10mL浓度为100g/L的可溶性淀粉溶液，充分搅拌混合均匀。将混合后的溶液滴加至5％氯化钙溶液中，形成颗粒凝胶颗粒，静置浸泡2h，然后将凝胶颗粒过滤，用纯化水充分清洗，转移至1％淀粉酶溶液中，静置浸泡5h后取出。将处理后的凝胶颗粒按照800g/L量投加至0.5％的LB培养基中，按照109/mL、105/mL、106/mL的量分别投加光合细菌、钟虫和纤毛虫，曝气培养2周，制备获得光合细菌-原生动物固定化填料。
将光合细菌-原生动物固定化填料按照1/5体积比投加至处理区110中，处理区110底部进行曝气，控制水中溶解氧浓度为2mg/L。处理区110中按照4只/m2的分布密度设置红光 LED灯管，控制光照强度为4000勒克斯，按照光照8h、黑暗4h进行周期性光照反应。处理区110运行温度控制为28℃，pH为7.5。生活污水在处理区110中的水力停留时间为 25～30h，沉淀区底部的污泥通过回流管200回流至处理区110前端，回流流量为进水流量的50％。
光合细菌-原生动物处理区110连续运行1个月，生活污水进水COD为380mg/L，氨氮为18mg/L，总磷为8mg/L，经处理区110处理后，出水COD为43mg/L，氨氮为2.3mg/L，总磷为1.1mg/L。运行期间剩余污泥总产生量为12kg干重。
对比例1
将10g海藻酸钠投入1L纯化水中，加热至50℃完全溶解，加入10mL浓度为100g/L的可溶性淀粉溶液，充分搅拌混合均匀。将混合后的溶液滴加至2％氯化钙溶液中，形成颗粒凝胶颗粒，静置浸泡2h，然后将凝胶颗粒过滤，用纯化水充分清洗，转移至1％淀粉酶溶液中，静置浸泡5h后取出。将处理后的凝胶颗粒按照400g/L量投加至0.5％的LB培养基中，按照106/mL、1010/mL、108/mL的量分别投加光合细菌、钟虫和纤毛虫，曝气培养2周，制备获得光合细菌-原生动物固定化填料。
将光合细菌-原生动物固定化填料按照1/5体积比投加至处理区110中，处理区110底部进行曝气，控制水中溶解氧浓度为2mg/L。处理区110中按照4只/m2的分布密度设置红光 LED灯管，控制光照强度为4000勒克斯，按照光照6～8h、黑暗3～4h进行周期性光照反应。处理区110运行温度控制为28℃，pH为7.5。生活污水在处理区110中的水力停留时间为30h，沉淀区底部的污泥通过回流管200回流至处理区110前端，回流流量为进水流量的50％。
光合细菌-原生动物处理区110连续运行1个月，生活污水进水COD为380mg/L，氨氮为18mg/L，总磷为8mg/L，经处理区110处理后，出水COD为87mg/L，氨氮为5.3mg/L，总磷为4.9mg/L。运行期间剩余污泥总产生量为21kg干重。
对比例2
将40g海藻酸钠投入1L纯化水中，加热至50℃完全溶解，加入10mL浓度为100g/L的可溶性淀粉溶液，充分搅拌混合均匀。将混合后的溶液滴加至5％氯化钙溶液中，形成颗粒凝胶颗粒，静置浸泡2h，然后将凝胶颗粒过滤，用纯化水充分清洗，转移至1％淀粉酶溶液中，静置浸泡5h后取出。将处理后的凝胶颗粒直接按照109/mL、105/mL、106/mL的量分别投加光合细菌、钟虫和纤毛虫，未经混合孵育培养，直接获得光合细菌-原生动物固定化填料。
将光合细菌-原生动物固定化填料按照1/5体积比投加至处理区110中，处理区110底部进行曝气，控制水中溶解氧浓度为2mg/L。处理区110中按照4只/m2的分布密度设置红光LED灯管，控制光照强度为4000勒克斯，按照光照8h、黑暗4h进行周期性光照反应。处理区110运行温度控制为28℃，pH为7.5。生活污水在处理区110中的水力停留时间为 25～30h，沉淀区底部的污泥通过回流管200回流至处理区110前端，回流流量为进水流量的 50％。
光合细菌-原生动物处理区110连续运行1个月，生活污水进水COD为380mg/L，氨氮为18mg/L，总磷为8mg/L，经处理区110处理后，出水COD为223mg/L，氨氮为 10.4mg/L，总磷为7.7mg/L。运行期间剩余污泥总产生量为19kg干重。
对比例3
将40g海藻酸钠投入1L纯化水中，加热至50℃完全溶解，加入10mL浓度为100g/L的可溶性淀粉溶液，充分搅拌混合均匀。将混合后的溶液滴加至5％氯化钙溶液中，形成颗粒凝胶颗粒，静置浸泡2h，然后将凝胶颗粒过滤，用纯化水充分清洗，转移至1％淀粉酶溶液中，静置浸泡5h后取出。将处理后的凝胶颗粒按照800g/L量投加至0.5％的LB培养基中，按照109/mL、105/mL、106/mL的量分别投加光合细菌、钟虫和纤毛虫，曝气培养2周，制备获得光合细菌-原生动物固定化填料。
将光合细菌-原生动物固定化填料按照1/5体积比投加至处理区110中，处理区110底部进行曝气，控制水中溶解氧浓度为2mg/L。处理区110内部黑暗无光照。处理区110运行温度控制为28℃，pH为7.5。生活污水在处理区110中的水力停留时间为40h，沉淀区底部的污泥通过回流管200回流至处理区110前端，回流流量为进水流量的150％。
光合细菌-原生动物处理区110连续运行1个月，生活污水进水COD为380mg/L，氨氮为18mg/L，总磷为8mg/L，经处理区110处理后，出水呈现浑浊状态，出水COD为 134mg/L，氨氮为5.8mg/L，总磷为6.2mg/L。运行期间剩余污泥总产生量为29kg干重。
对比例4
将40g海藻酸钠投入1L纯化水中，加热至50℃完全溶解，加入10mL浓度为100g/L的可溶性淀粉溶液，充分搅拌混合均匀。将混合后的溶液滴加至5％氯化钙溶液中，形成颗粒凝胶颗粒，静置浸泡2h，然后将凝胶颗粒过滤，用纯化水充分清洗，转移至1％淀粉酶溶液中，静置浸泡5h后取出。将处理后的凝胶颗粒按照800g/L量投加至0.5％的LB培养基中，按照109/mL、105/mL、106/mL的量分别投加光合细菌、钟虫和纤毛虫，曝气培养2周，制备获得光合细菌-原生动物固定化填料。
将光合细菌-原生动物固定化填料按照1/5体积比投加至处理区110中，处理区110底部进行曝气，控制水中溶解氧浓度为2mg/L。处理区110中按照1只/m2的分布密度设置白炽灯灯管，控制光照强度为1000勒克斯，按照光照4h、黑暗8h进行周期性光照反应。处理区110运行温度控制为28℃，pH为7.5。生活污水在处理区110中的水力停留时间为25～30h，沉淀区底部的污泥通过回流管200回流至处理区110前端，回流流量为进水流量的50％。
光合细菌-原生动物处理区110连续运行1个月，生活污水进水COD为380mg/L，氨氮为18mg/L，总磷为8mg/L，经处理区110处理后，出水COD为79mg/L，氨氮为8.5mg/L，总磷为5.2mg/L。运行期间剩余污泥总产生量为20kg干重。
在上文中结合具体的示例性实施例详细描述了本发明。但是，应当理解，可在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下进行各种修改和变型。详细的描述和附图应仅被认为是说明性的，而不是限制性的，如果存在任何这样的修改和变型，那么它们都将落入在此描述的本发明的范围内。此外，背景技术旨在为了说明本技术的研发现状和意义，并不旨在限制本发明或本申请和本发明的应用领域。
更具体地，尽管在此已经描述了本发明的示例性实施例，但是本发明并不局限于这些实施例，而是包括本领域技术人员根据前面的详细描述可认识到的经过修改、省略、例如各个实施例之间的组合、适应性改变和/或替换的任何和全部实施例。权利要求中的限定可根据权利要求中使用的语言而进行广泛的解释，且不限于在前述详细描述中或在实施该申请期间描述的示例，这些示例应被认为是非排他性的。在任何方法或过程权利要求中列举的任何步骤可以以任何顺序执行并且不限于权利要求中提出的顺序。因此，本发明的范围应当仅由所附权利要求及其合法等同物来确定，而不是由上文给出的说明和示例来确定。

Claims (10)

1.一种固定化填料的制备方法，其特征在于，将海藻酸钠和淀粉溶液混合，然后添加氯化钙溶液制成凝胶颗粒；然后将制备得到的凝胶颗粒置于淀粉酶溶液中进行刻蚀，凝胶颗粒刻蚀后制得表面含孔隙的凝胶颗粒；最后向上述含孔隙的凝胶颗粒投加原生生物，制得原生生物的固定化填料，所述原生生物的固定化填料的孔隙率为55％～85％。
2.根据权利要求1所述的一种固定化填料的制备方法，其特征在于，所述添加的海藻酸钠与添加的淀粉质量比为k1，所述30≤k1≤50。
3.根据权利要求1所述的一种固定化填料的制备方法，其特征在于，所述淀粉酶溶液的淀粉酶浓度为0.75％～1.20％。
4.根据权利要求3所述的一种固定化填料的制备方法，其特征在于，凝胶颗粒置于淀粉酶溶液中进行刻蚀的时间为3.5h～6.0h。
5.根据权利要求1所述的一种固定化填料的制备方法，其特征在于，所述投加的原生生物包括钟虫和纤毛虫，所述钟虫和纤毛虫的添加量分别为95/mL～115/mL和96/mL～116/mL。
6.一种固定化填料，其特征在于，其采用权利要求1～5任一项所述的固定化填料制备方法制得。
7.一种光合细菌-原生动物污水处理装置，其特征在于，包括处理区(110)、沉淀区(120)和回流管(200)；
所述处理区(110)的处理出水口(114)与沉淀区(120)内相连；
所述处理区(110)内设置有固定化填料(100)、光源(112)和处理区(110)底部的曝气单元(113)，所述光源(112)可对固定化填料(100)进行照射；所述固定化填料(100)为权利要求6中的固定化填料(100)，且所述固定化填料(100)中固定有光合细菌和原生动物；
所述回流管(200)的两端分别为污泥回流出口(201)和污泥回流入口(202)，所述污泥回流出口(201)连通于沉淀区(120)的底部，污泥回流入口(202)连通于处理区(110)内。
8.一种光合细菌-原生动物污水处理方法，其特征在于，使用如权利要求7中的污水处理装置，光源(112)向处理区(110)内提供光照，且将沉淀区(120)底部的污泥通过回流管(200)回流至处理区(110)内。
9.根据权利要求8所述的一种光合细菌-原生动物污水处理方法，其特征在于，所述光照强度为3000～5000勒克斯，且光照为周期性光照，单次光照时间为t1，相邻光照之间停止光照时间为t2，所述6.5h≤t1≤9.5h，t1/t2＝k2，所述1.5≤k2≤2.5。
10.根据权利要求8所述的一种光合细菌-原生动物污水处理方法，其特征在于，所述回流管(200)中污泥的回流流量为处理区(110)的污水入口(111)处进水流量的50～80％。
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