CN202717625U

CN202717625U - 一种生物活性炭滤池

Info

Publication number: CN202717625U
Application number: CN2012202774592U
Authority: CN
Inventors: 马放; 蔡蕊; 李昂; 邱天; 崔迪; 张斯�; 庞长泷
Original assignee: HIT YIXING ACADEMY OF ENVIRONMENTAL PROTECTION
Current assignee: JIANGSU HIT YIXING ACADEMY OF ENVIRONMENTAL PROTECTION CO Ltd
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2022-06-13

Abstract

一种生物活性炭滤池，属于污水处理、环境生物技术领域，包括滤池中的活性炭载体，滤池下部设有进水口，上部设有出水口，滤池底部置有曝气器，滤池外另设有菌株水箱，菌株水箱中置有曝气装置，所述的菌株水箱管道连接至滤池的进水口，滤池的活性炭载体上挂膜有菌株Pseudomonas sp. CBZ-4，用其对城市污水进行深度处理，尤其是对城市污水处理厂二沉池出水中药品及个人护理品（PPCPs）类污染物之一—卡马西平药物的吸附、生物降解去除，解决了城市污水处理厂中传统的污水处理工艺难以有效去除环境中痕量污染物，尤其在冬季处理效果差等问题。生物活性炭滤池低温下稳定运行后，COD、氨氮、卡马西平的平均去除率分别达到25%以上、35%以上、40%以上，均优于仅用活性炭处理的效果。

Description

一种生物活性炭滤池

技术领域

本实用新型属于污水处理、环境生物技术领域，涉及一种生物活性炭滤池，用于实现城市污水深度处理。

背景技术

目前对于环境中新兴的痕量有机污染物的有效去除成为了研究的热点和难点，这类污染物具有化学结构复杂、持久性、难于降解的特点，在环境中的含量通常在μg/L或更低。其中，代表性的一类物质是药品及个人护理品(Pharmaceutical and personal care products，PPCPs)，包括各种处方药和非处方药（如抗生素、消炎药、抗癫痫药、显影剂、止痛药、镇静剂、雌激素、避孕药、减肥药等）、香料、化妆品、染发剂、香皂、洗发水等。其种类繁多，在环境中广泛存在，其中抗癫痫药物卡马西平（Carbamazepine, CBZ）频繁被检出，被作为环境中PPCPs污染状况的指示化合物。人们对污水处理工艺（活性污泥法、生物膜法、高级催化氧化法）的出水进行检测，均发现了卡马西平的存在。说明常规的污水处理方法很难将其高效的去除，而这类物质在环境中长期存在会对人类健康及其他生物产生潜在的危害，因此亟待开发行之有效的解决方法。

生物活性炭（Biological activated carbon, BAC）技术是利用活性炭多孔，具有很大的比表面积，有极强的吸附性能等特点，以其为载体，表面附着微生物，有效的延长了活性炭的吸附能力和再生周期。在水处理工艺中发挥了活性炭物理吸附和微生物生物降解双重作用，能够有效去除水中微量有机污染物。目前，生物活性炭技术在饮用水净化，去除雌激素（17β-雌二醇，E2）、吲哚、嘧啶、萘以及苯、乙苯、二甲苯等苯系物（BTEX）的研究中都有成功的应用。同时，生活活性炭工艺相比其他污水深度处理工艺，还具有设备简单，占地少，运行管理方便等优点，不但可以降解目标污染物也可以降解生物活性炭本体已吸附的有机物，提高了污染物的去除效率，具有广泛的研究、发展和应用价值。

因此，采用实验室新分离菌株Pseudomonas sp. CBZ-4和颗粒活性炭结合制备生物活性炭滤池，对城市污水厂二沉池污水进行深度处理，去除污水中存留的卡马西平和其他有机污染物是可行的，可为后续的深入研究提供理论支持。

发明内容

本实用新型是利用颗粒活性炭和实验室筛选出的低温卡马西平降解菌Pseudomonas sp. CBZ-4制备生物活性炭滤池，目的是去除城市污水处理厂二沉池出水中残留的卡马西平等有机化合物，为痕量有机污染物的去除和水质净化奠定理论基础。

一种生物活性炭滤池，包括滤池中的活性炭载体，滤池下部设有进水口，上部设有出水口，滤池底部置有曝气器，其特征在于滤池外另设有菌株水箱，菌株水箱中置有曝气装置，所述的菌株水箱管道连接至滤池的进水口，滤池的活性炭载体上挂膜有菌株Pseudomonas sp. CBZ-4，所述的菌株Pseudomonas sp. CBZ-4于2012年3月27日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”（简称CGMCC，地址为：北京市朝阳区大屯路），保藏号CGMCC NO. 5943。本滤池中，水流和气流同向，均从下向上运动，保证了气水混合均匀；在菌株水箱中设置曝气装置，为进水提供了足够的溶解氧。滤池投入使用前的挂膜阶段，将滤池出水口连接至菌株水箱，实现循环进水挂膜。

用生物活性炭滤池进行污水深度处理的方法，用生物活性炭滤池对城市污水厂二沉池出水进行深度处理，按以下步骤进行：

（1）扩大培养实验室筛选的低温卡马西平降解菌Pseudomonas sp. CBZ-4：向已灭菌的液体卡马西平富集培养基中以10%~15%的接种量接种菌株CBZ-4，于温度为10^oC、转速为150r/min的摇床中培养5d，获得扩大培养的菌液；

（2）挂膜形成活性炭生物滤池：采用微生物强化循环进水的人工挂膜方式，滤池外菌株水箱中的扩大培养菌液以上向流的方式进入生物活性炭滤池，出水回流至菌株水箱中，水体温度为10~15^oC，并连续监测进出水中微生物总量，测定OD₆₆₀，出水OD₆₆₀值逐渐增加，当进出水OD₆₆₀值相同且连续几天运行数值基本无变化，则生物活性炭滤池挂膜成功；

（3）挂膜成功后，将含卡马西平的城市污水厂二沉池出水通入生物活性炭滤池，滤池中水温为10~15^oC，pH值为6.8~7.2，空床接触时间（EBCT）0.5~1.5h，气水比为6~10：1；

其中，步骤（1）中卡马西平富集培养基的成分为：1.5 g KH₂PO₄、0.15 g MgSO₄·7H₂O、0.5 g (NH₄)₂SO₄、0.5 g NaCl、3.5 g K₂HPO₄、2g蛋白胨、18g 琼脂、1.0 mL微量元素溶液溶于1000mL的蒸馏水中，调节pH到7.0；微量元素的成分为：0.1 g CuSO₄·5H₂O、 0.3 g MnSO₄·4H₂O、0.2 g ZnSO₄·7H₂O、 2.0 g NaHCO₃·10H₂O、 0.5 g CoCl₂·6H₂O、 0.05g CaCl₂·2H₂O、0.5g FeSO₄·7H₂O、 0.02g (NH₄)₆Mo₇O₂·4H₂O溶于1000mL的蒸馏水中。

本处理方法的步骤（1）中卡马西平富集培养基的灭菌条件为121^oC，高温蒸汽灭菌20min。

步骤（2）中滤池的菌株水箱中注入液体卡马西平富集培养基，以10%~15%的接种量投加步骤（1）中的扩大培养的CBZ-4菌液，每2d排放1/3体积的菌液，并注入1/3体积新鲜的卡马西平富集培养基进行人工挂膜。

步骤（2）中在滤池的菌株水箱中进行微曝气，提供足够的溶解氧。

本滤池实现了城市污水处理厂二沉池出水的深度处理及卡马西平药物的生物降解去除。利用颗粒活性炭和实验室分离的卡马西平降解菌Pseudomonas sp. CBZ-4制备生物活性炭滤池，活性炭颗粒不均匀、多孔、高比表面积的特性为菌CBZ-4提供了良好的生物膜载体，使其附着在活性炭表面，使活性炭再生。污水中目标降解物及其他有机物被活性炭吸附，借助浓度梯度，水中和活性炭吸附的有机物向生物膜扩散，加速了有机物的生物降解。另外，菌CBZ-4所分泌的胞外酶经扩散进入活性炭微孔内部，发生解析作用使活性炭吸附的有机物扩散到活性炭空隙外部被表面的微生物降解。因此，在微生物的作用下，生物活性炭滤池的处理效果好于单纯使用活性炭的效果。整个工艺运行简单、稳定，占地少，活性炭使用寿命延长，节省了运行成本，无二次污染。本生物活性炭滤池实现城市污水深度处理的方法还适用于饮用水净化、焦化废水、石化废水的深度处理。

生物活性炭滤池稳定运行后，COD、氨氮、卡马西平的平均去除率分别达到25%以上、35%以上、40%以上，均优于仅用活性炭处理的效果。

附图说明

图1为生物活性炭滤池进、出水中COD含量随时间变化情况，○曲线表示进水中COD含量，▽曲线表示单纯使用活性炭柱的出水中COD含量，◇曲线表示生物活性炭柱的出水中COD含量。

图2生物活性炭滤池进、出水中氨氮含量随时间变化情况，○曲线表示进水中氨氮含量，▽曲线表示单纯使用活性炭柱的出水中氨氮含量，◇曲线表示生物活性炭柱的出水中氨氮含量。

图3生物活性炭滤池进、出水中卡马西平含量随时间变化情况，○曲线表示进水中卡马西平含量，▽曲线表示单纯使用活性炭柱的出水中卡马西平含量，◇曲线表示生物活性炭柱的出水中卡马西平含量。

图4为生物活性炭滤池的结构示意图。

具体实施方式

实施例1，一种生物活性炭滤池，包括滤池中的活性炭载体1，滤池下部设有进水口2，上部设有出水口3，滤池底部置有曝气器4，滤池外另设有菌株水箱5，菌株水箱5中置有曝气装置6，所述的菌株水箱5管道连接至滤池的进水口2，滤池的活性炭载体1上挂膜有菌株Pseudomonas sp. CBZ-4，所述的菌株Pseudomonas sp. CBZ-4于2012年3月27日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”，保藏号CGMCC NO. 5943。

实施例2，一种用生物活性炭滤池实现城市污水深度处理的方法，按如下步骤进行：（1）扩大培养实验室筛选的低温卡马西平降解菌Pseudomonas sp. CBZ-4（菌种保藏号为CGMCC NO. 5943）。向已灭菌的液体卡马西平富集培养基(3L)中接种13%的菌CBZ-4，于温度为10^oC、转速为150r/min的摇床中培养5d，获得扩大培养的菌液；（2）挂膜形成活性炭生物滤池：采用微生物强化循环进水的人工挂膜方式，扩大培养菌液经生物活性炭滤池进水口以1.5L/h的进水量，上向流的方式回流至菌株水箱中，水体温度为10~15^oC，并连续监测进出水中微生物总量，测定OD₆₆₀，出水OD₆₆₀值逐渐增加，当进出水OD₆₆₀值相同且连续几天运行数值基本无变化，则生物活性炭滤池挂膜成功；（3）挂膜成功后以某城市污水厂二沉池出水为原水，连续进水，额定处理水量为1.8L/h，水力负荷（HLR）0.12 m³/(m²·h)，空床接触时间（EBCT）0.5h，气水比为6：1，曝气量11L/h。

步骤（1）中卡马西平富集培养基的灭菌条件为121^oC，高温蒸汽灭菌20min。

步骤（2）中菌株水箱中注入15L液体卡马西平富集培养基，以10%-15%的接种量投加步骤（1）中扩大培养的CBZ-4菌液。每2d排放1/3体积的菌液，并注入1/3体积新鲜的卡马西平富集培养基进行人工挂膜。

步骤（2）中在滤池的菌株水箱中进行微曝气，曝气量为8L/h，提供足够的溶解氧。

本实施方式步骤（2）中每天取样测定进水、出水中微生物量，用OD₆₆₀进行表征。接种量为10%时，挂膜初期出水OD₆₆₀值低于进水OD₆₆₀值，挂膜后期进、出水OD₆₆₀值相同，维持在0.037无明显变化。接种量为15%时，进出水OD₆₆₀值维持在0.041无明显变化。活性炭表层能看到剥落的生物膜，生物活性炭柱壁有生物膜残留，则证明挂膜成功，整个挂膜过程持续15d。水体温度为10~15^oC。

本实施例采用的活性炭滤柱有效高度为0.25m，活性炭层高度为0.12m，空塔水流速度0.12m/h，活性炭柱内径0.14m，处理面积0.015m²。生物活性炭滤柱中水温为10~15^oC，pH值为6.8~7.2。

生物活性炭滤池稳定运行后，COD、氨氮、卡马西平的平均去除率分别达到26.7%、35.3%、39.3%。

实施例3，参考实施例2，改变空床接触时间（EBCT）1.5h，生物活性炭滤池稳定运行后，COD、氨氮、卡马西平的平均去除率分别达到28.5%、38.1%、41.7%。

实施例4，参考实施例2，空床接触时间（EBCT）0.5h，改变气水比10:1，曝气量18L/h，COD、氨氮、卡马西平的平均去除率分别达到27.8%、36.1%、40.6%。

实施例5，参考实施例2，空床接触时间（EBCT）1h，改变气水比8:1，曝气量18L/h，COD、氨氮、卡马西平的平均去除率分别达到29.2%、40.5%、42.0%。

对比例：本实施方式与具体实施例2-4不同的是步骤（2）中单纯仅使用活性炭柱，不投加菌液CBZ-4，与生物活性炭柱进行对比，在相同的运行条件下监测COD、氨氮、卡马西平的去除效果。

本实施方式中COD、氨氮、卡马西平的平均去除率分别为22.8%、24.5%、21.9%。

本实用新型实施例和比较例中采用固相萃取-高效液相色谱法测定进、出水中卡马西平含量。固相萃取法采用ProElut C18固相萃取小柱，先后用10mL甲醇、10mL超纯水以15mL/min流量活化固相萃取小柱；取500mL水样以4mL/min流量注入固相萃取小柱，完成上样；用2 mL 超纯水以20mL/min的流量淋洗小柱，重复淋洗一次；用85%的甲醇以5mL/min的流量洗脱目标化合物卡马西平，接收流出液，氮气吹干，用一定量甲醇回溶，待液相色谱分析。液相色谱条件是采用LC-10At vp SHIMADIU（岛津）高效液相色谱仪，流动相为乙腈：水=40：60（V/V）；色谱柱为Venusil MP-C18色谱柱(4.5×150 mm, 5 μm)；柱温35^oC；检测波长285nm；进样量10μL；流速1.0mL/min；保留时间8min。

由上可见，生物活性炭滤池稳定运行后，对COD、氨氮、卡马西平的平均去除率分别达到25%以上、35%以上、40%以上，均高于比较例中仅使用活性炭柱处理达到的去除率。证明微生物附着到颗粒活性炭表面，在有机物的生物降解中发挥了重要的作用。

Claims

1.一种生物活性炭滤池，包括滤池中的活性炭载体，滤池下部设有进水口，上部设有出水口，滤池底部置有曝气器，其特征在于滤池外另设有菌株水箱，菌株水箱中置有曝气装置，所述的菌株水箱管道连接至滤池的进水口，滤池的活性炭载体用于挂膜菌株。