專利名稱：一種好氧顆粒污泥的固定化培養(yǎng)方法
技術領域：
本發(fā)明屬于廢水生物處理領域，涉及一種用于有機負荷波動性較強廢水的好氧顆粒污泥快速培養(yǎng)方法。
背景技術：
自上世紀以來，隨著全球人口數量的急劇增加以及工業(yè)化生產的飛速發(fā)展，水污染的日益嚴重已經逐漸威脅到了人類的生存與發(fā)展，因此水污染的防控與處理技術應勢而起，應用也日漸廣泛。生物降解法是去除廢水中有機物最經濟、最有效的方法，其中活性污泥法應用最為廣泛，但因存在著以下主要缺點而制約了進一步的發(fā)展1、由于絮狀活性污泥沉降性能差，曝氣池中污泥濃度、容積負荷小，為了維持曝氣池較高濃度的活性污泥，常常需要從二沉池中回流污泥，增加了污水處理的能耗；2、剩余污泥量大、污泥難以沉降，需要額外的沉降池和污泥濃縮池，構筑物占地面積大、基建投資高、運行成本高，其中污泥處理成本占總運行成本的1/3 1/2 ;3、多數生物處理系統(tǒng)同時脫氮除磷效果差，需要采用 SBR、Α/Α/0等工藝，污水處理工藝流程長。近年來，隨著科技水平的提高，污水生物處理領域不斷發(fā)展進步，涌現出大量高效的新興技術。其中，好氧顆粒污泥技術日益成為廢水生物處理方法中的研究熱點。相比傳統(tǒng)的生物處理方法，好氧顆?；勰嗉夹g具有生物致密、比重大、沉降速度快等特點，有利于反應器中固液相分離、可大大縮小或省去用于處理系統(tǒng)中污泥的二沉池，并且可使反應器中保持有較高的污泥濃度和容積負荷，同時保證了出水的水質。另外，好氧顆粒污泥具有微生物種群多樣性的特點，在降解有機碳的同時，具有同步脫氮除磷的功能。與傳統(tǒng)的活性污泥法相比，好氧顆粒污泥技術的應用可簡化工藝流程、減少污水處理系統(tǒng)的容積和占地面積、降低投資和運行成本。好氧顆粒污泥的以上特性和優(yōu)勢引起了污水處理研究者的極大興趣和關注。近20 年來，國內外對好氧顆粒污泥的培養(yǎng)條件、形成機理、結構特性及降解功能等進行了大量研究，取得了許多研究成果。好氧顆粒污泥具有獨特的外形及結構，因此其形成對于外界環(huán)境的要求較為嚴格，各種針對反應器構型的研究也相繼出現。專利CN101941760A培養(yǎng)好氧顆粒污泥的裝置及其專用反應器、專利CN2725285Y用于好氧顆粒污泥培養(yǎng)及其研究的自動化序批式反應裝置、專利CN20192388IU—種好氧顆粒污泥污水處理裝置、專利CN201485326U固定化顆粒污泥好氧反應器和專利CN201520671U基于工程化應用的好氧顆粒污泥培養(yǎng)一體化方形裝置，都是以序批式好氧反應器為雛形改造而成，基本原理大同小異，即均由進水系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、反應器主體、排水排泥系統(tǒng)和控制系統(tǒng)幾部分所組成，利用序批式反應器自身運行特點實現對于沉降性能優(yōu)異的好氧顆粒污泥的篩選富集，然而缺點也是共同存在的，間歇式的操作運行方式使其在實際應用過程中必須配以額外的蓄水池以儲存外界源源不斷產生的大量廢水?；谶@一問題，專利CN101898850A—種用于黃連素制藥廢水處理的連續(xù)流好氧顆粒污泥膜生物反應器則采用了連續(xù)流技術，可以實現對于廢水的不間斷處理，但其單一的處理對象制約了其進一步的發(fā)展。專利CN201386041Y —種好氧顆粒污泥膜生物反應器系統(tǒng)將生物處理方法中的好氧顆粒污泥技術與膜生物反應器技術進行了的結合，兼顧了兩種技術的優(yōu)勢，但在實際運行中仍然存在一定程度的膜污染問題。與此同時，人們還研究了不同的操作運行方式對好氧顆粒污泥形成的影響。專利 CN101948168A 一種分步進水運行模式培養(yǎng)好氧顆粒污泥的方法、專利CN101928067A —種好氧反硝化顆粒污泥的培養(yǎng)方法、專利CN101468849A利用負荷調控技術快速培養(yǎng)好氧顆粒污泥的方法和專利CN101648746A —種好氧顆粒污泥的優(yōu)化培養(yǎng)方法，均屬于通過對系統(tǒng)操作工藝的調控以期實現針對污泥馴化過程中不同階段分別進行控制的目的，但由于污泥自身成分復雜多樣，而以上幾種方法都只針對一種接種污泥進行了研究，無法證明其通用可行性。此外，由于目前環(huán)境中存在的廢水種類繁多，而為了得到針對性較強的處理工藝， 人們還進行了由不同基質對于好氧顆粒污泥馴化的相關研究。專利CN101450829A利用好氧顆粒污泥去除水中甲苯的方法、專利CN101935013A—種以2，4-二氯苯氧乙酸為替代碳源的降解氯酚好氧顆粒污泥培養(yǎng)方法和專利CN1834029A —種硝基酚降解好氧污泥顆粒化方法分別對三種普遍存在于工業(yè)廢水中的難降解物質為基質培養(yǎng)好氧顆粒污泥，去除效果較好。但實際的廢水除了成分較為復雜之外還存在著負荷波動難以預料的特點，上述方法均未涉及針對耐負荷波動工藝的研究。Xian-yang Shi 等(Operation of a sequencing batch reactor for cultivating autotrophic nitrifying granules [J]. Bioresource Technology, 2010, 101 (9) :2960-2964.)研究了 SBR中自養(yǎng)硝化顆粒污泥的培養(yǎng)，在以氨氮作為唯一氮源的條件下，經過120天的培養(yǎng)后得到了平均粒徑為0. 32mm的好氧顆粒污泥，邊緣清晰；并得出了 100-250mg/L的氨氮是SBR培養(yǎng)硝化顆粒的最適濃度。Hanmin Zhang等人(Research on characteristics of aerobic granules treating petrochemical wastewater by acclimation and co-metabolism methods[J] · Desalination,2011，279(1-3) :69-74.)考察了好氧顆粒污泥對于在石化廢水中的培養(yǎng)與性質，在培養(yǎng)167天后，反應器內顆粒污泥粒徑逐漸由最初的0. 06mm升至I. 17mm。從好氧顆粒污泥被首次發(fā)現至今，這個領域的研究時間不過20年，對于好氧顆粒污泥培養(yǎng)階段的影響因素和運行條件的研究還不夠深入，很多方面還存在較大的爭議。并且對于耐負荷波動性好氧顆粒污泥快速培養(yǎng)的研究更是罕有報道，對其影響的因素和條件是否與培養(yǎng)啟動時相冋也并不確定。因此，針對目前存在的顆粒污泥培養(yǎng)時間長、有機廢水負荷波動強等問題，需要開發(fā)一種所需培養(yǎng)時間短，且成本低廉的適用于負荷波動性環(huán)境的好氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，提供一種好氧顆粒污泥的固定化培養(yǎng)方法。該方法通過特定的反應器構型以及運行工藝，短期內成功培養(yǎng)得到了活性高、波動耐受力強的好氧顆粒污泥。為實現上述目的，本發(fā)明提供了一種好氧顆粒污泥的固定化培養(yǎng)方法，包括
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步驟A，將污泥接種到第一反應器中，經空載曝氣培養(yǎng)、沉降及排出上清液獲得好氧活性污泥；步驟B :將好氧活性污泥及培養(yǎng)液放入第二反應器中，加入團聚劑和/或微粒載體，在曝氣條件下，經固定化培養(yǎng)獲得好氧活性污泥種子微粒；步驟C :對好氧活性污泥進行種子顆粒化培養(yǎng)，獲得好氧顆粒污泥；其中，所述種子顆?；囵B(yǎng)過程是將好氧活性污泥種子及培養(yǎng)液加入載有好氧活性污泥的第一反應器中，進行曝氣培養(yǎng)；所述好氧活性污泥種子包括好氧顆粒污泥碎片和 /或好氧活性污泥種子微粒，其用量為反應器內所載有好氧活性污泥的10 50wt%。在根據本發(fā)明方法的一個優(yōu)選實施例中，步驟C中所述種子顆粒化培養(yǎng)過程是將好氧活性污泥種子及培養(yǎng)液加入載有好氧活性污泥的第一反應器中，加入團聚劑和/或污水處理優(yōu)勢菌群，進行曝氣培養(yǎng)。其中，污水處理優(yōu)勢菌群是根據目標廢水中所需去除的污水基質對好氧活性污泥進行定向富集培養(yǎng)，再經篩選、優(yōu)化及組合獲得。在本發(fā)明的一個實施例中，根據目標廢水中所需去除的污水基質進行優(yōu)勢菌群的選育與培養(yǎng)。所述定向富集培養(yǎng)過程是將好氧活性污泥放入反應器中，加入培養(yǎng)介質，通過曝氣或搖床富集培養(yǎng)，獲得混合菌液；所述培養(yǎng)介質為目標廢水。所述曝氣培養(yǎng)在第三反應器內進行，所述第三反應器的高徑比為I 15 I，所述曝氣過程的曝氣量控制在I 50L/ h之內。所述搖床培養(yǎng)，搖床轉速控制在10 200r/min之內。所述篩選，例如，可以采用稀釋法與平板篩選法分別從混合菌液中分離出純度提高的單個菌株，組合后繼續(xù)培養(yǎng)一定時間，獲得復合優(yōu)勢菌群。所述優(yōu)化，例如，可以采用紫外線照射法實現，如，將混合菌液制備成菌懸液置于紫外燈下照射5 15s，對經紫外線處理后的菌懸液再進一步進行篩選及組合，獲得復合優(yōu)勢菌群。本發(fā)明中所稱污水處理優(yōu)勢菌群是指生物絮凝能力較強或對目標廢水中的污水基質具有較強去除能力的菌群。根據本發(fā)明方法，步驟B和C中所述培養(yǎng)液包括模擬廢水和/或營養(yǎng)元素。所述團聚劑包括絮凝劑和/或交聯劑，其用量為O 100mg/L。所述微粒載體為多孔類材料，其粒徑為I 500 μ m,用量為O 100mg/L。所述好氧活性污泥種子微粒的粒徑在O. 5mm以下。在本發(fā)明的一個實施例中，所述模擬廢水按照BOD TN TP為100 (5 50) (I 5)的比例配制。所述營養(yǎng)元素包括金屬元素和/或非金屬元素。所述絮凝劑為聚合三氯化鐵、聚合氯化硫酸鐵、聚磷硫酸鐵、聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁、聚合磷酸鋁中的一種或幾種。所述交聯劑包括有機交聯劑和/或無機交聯劑；其中，有機交聯劑選自殼聚糖、聚乙二醇、戊二醛中的一種或多種；無機交聯劑選自硫酸鋁、硼砂、氯化鋁中的一種或多種。所述多孔類材料選自聚乙烯醇水凝膠、海藻酸鈉水凝膠、聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠、大孔樹脂、活性炭中的一種或多種。在本發(fā)明的另一個實施例中，所述金屬元素選自以一種或多種價態(tài)存在的Zn、Fe、 Mo、Co、Na、K、Cu、Ni、Mn、Ca、Al、Mg金屬離子中的一種或多種；所述非金屬元素選自氯離子、 醋酸根、硫酸根、磷酸根、銨根中的一種或多種。
根據本發(fā)明方法，步驟A中所述污泥接種量為5 15g/L，曝氣量為25 2000L/ h，曝氣時間為3 72h，沉降時間為30 60min。該過程中，對污泥進行曝氣可以將污泥中氨氣、硫化氫等物質吹脫殆盡，例如，使污泥脫除異味，同時，培養(yǎng)污泥的好氧活性。根據本發(fā)明方法，步驟B和C中的第一及第二反應器均按照進水-曝氣-沉降-出水-閑置的方式自動運行，反應器的一個運行周期為2 12h，其中，進水O. 5 lOmin，曝氣90 690min,沉降I 30min,出水O. 5 5min,閑置I IOmin,每天運行2 12個周期。在步驟B和C中，模擬廢水的初始加入量為反應器有效容積的30 70%，在之后的運行過程中，每個運行周期按照沉降過程反應器的容積交換率補充I次模擬廢水，所述沉降過程反應器的容積交換率為30 70%，營養(yǎng)元素的添加是從第一個運行周期開始，按照I 50ml/L模擬廢水的量，每5個運行周期添加一次，以此方式運行5 15天。根據本發(fā)明方法，所述方法還包括對好氧顆粒污泥進行耐負荷波動性馴化的步驟 D，步驟D以與步驟C相同的方式及條件運行，并采用縮短饑餓期時間的方法對好氧顆粒污泥進行耐負荷波動性馴化。所述縮短饑餓期時間是通過一步、多步或逐步縮短曝氣時間的方式進行的，其初始曝氣時間為90 690min，最終曝氣時間為80 680min。在本發(fā)明的一個實施例中，在采用多步或逐步縮短曝氣時間的方式進行好氧顆粒污泥馴化的過程中，每一個曝氣時間下的馴化期為I 12個運行周期。在采用逐步縮短曝氣時間的方式進行好氧顆粒污泥馴化的過程中，曝氣時間遞減梯度為I 60min/次。好氧顆粒污泥培養(yǎng)過程中，微生物的活動、繁衍在運行周期中從時間上可以分為 “飽食期”和“饑餓期”兩個階段飽食期屬于底物吸附、降解階段，該階段內，在運行周期初始階段加入的底物主要在以下兩個過程的作用下濃度持續(xù)降低，分別是①污泥自身的吸附作用；②污泥中微生物將底物合成中間貯能物質并進一步降解的作用，該階段持續(xù)時間較短。本發(fā)明中所述“饑餓期”屬于營養(yǎng)匱乏階段，該階段內，反應器混合液中已無底物可用，微生物轉而利用在“飽食期”合成的中間貯能物質。在“饑餓期”，一方面細菌疏水性變強，由此可促進細菌間的相互接觸和粘連，有利于形成結構緊湊的顆粒污泥；但是另一方面，耐低營養(yǎng)等特點的絲狀菌群的生成會在反應器內會占據優(yōu)勢，影響顆粒的緊密度、沉降性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，通過一步、多步或逐步縮短曝氣時間的方法將“饑餓期”時間縮短并控制在一個較佳的范圍內，有利于穩(wěn)態(tài)好氧顆粒污泥系統(tǒng)的沉降性能，從而實現好氧顆粒污泥的耐負荷波動性馴化。好氧顆粒污泥的形成對于水力剪切力以及溶氧(DO)濃度具有很高的要求。保持反應器中有較高的剪切力有利于好氧顆粒污泥的形成和穩(wěn)定，剪切力的大小可以通過表面上升氣流速度來表示，并且在一定范圍內氣流速度越高，形成的顆粒外形越規(guī)則，結構更緊湊。溶解氧濃度是顆粒污泥生長的限制因素，溶解氧濃度過低，氧氣傳質受到影響，污泥內部將過早處于缺氧甚至厭氧狀態(tài)而無法形成緊密穩(wěn)定的核心，進而抑制污泥顆粒的進一步增大。因此，在曝氣過程中，所述驟B、C和D中所述曝氣過程的曝氣量為25 2000L/h。 在所述各步驟中，第一及第二反應器內的表面氣速為O. 7 6. Ocm/s，系統(tǒng)的溶氧濃度維持在 I 9mg/L, pH 為 6. 5 7. 5。
根據本發(fā)明方法，所述第一及第二反應器高徑比為I 15 I。本發(fā)明中所述第一、第二和第三反應器可以是獨立的若干個相同或不同反應器， 也可以是同一個反應器。本發(fā)明中，各種水質指標檢測方法均依照國家標準進行。其中，BOD (生化需氧量) 的測定采用稀釋與接種法；C0D (化學需氧量)檢測方法為快速消解分光光度法，所用儀器為哈希DRB200快速消解器和哈希RD1010比色儀；氨氮檢測方法為納氏試劑分光光度法，所用儀器為Spectrum752型紫外分光光度計；總磷檢測方法采用鑰酸銨分光光度法；顆粒粒徑采用國家統(tǒng)一標準篩按照篩分法測定；污泥體積指數(SVI)根據其定義進行測定，即SVI =混合液30min靜沉后污泥容積(mL)/污泥干重(g)。本發(fā)明在研究了好氧顆粒污泥培養(yǎng)和穩(wěn)定運行的影響因素和運行條件的基礎上， 分析了不同條件下好氧顆粒污泥系統(tǒng)的運行效果，以及顆粒污泥的物化性質等方面的差異，通過特定的反應器構型以及運行工藝，采用固定化及種子顆?；囵B(yǎng)方法在短期內成功培養(yǎng)得到了高活性好氧顆粒污泥，并進一步通過耐負荷波動性馴化獲得波動耐受力強的好氧顆粒污泥。本發(fā)明屬于好氧顆粒污泥技術，占地面積小、處理能力強、剩余污泥少。采用其他工藝馴化得到好氧顆粒污泥通常需要2 4個月，而根據本發(fā)明方法可將普通活性污泥在一個月之內培養(yǎng)馴化成好氧顆粒污泥，大幅縮短了整個工藝的啟動時間；培養(yǎng)出的好氧顆粒污泥具有良好的沉降性，污泥體積指數(SVI)穩(wěn)定在70以下，最低可以達到25，顆粒粒徑較大，在O. 5 3mm之間,可長時間處理不同COD的廢水。本發(fā)明方法的處理對象主要為發(fā)酵廢水，如淀粉廢水、檸檬酸廢水、釀酒廢水、味精廢水等；市政廢水，如餐廚廢水、生活污水等。此外，還有醫(yī)藥廢水、皮革廢水、印染廢水、 高鹽氨氮廢水，以及石化企業(yè)生產廢水等，其主要水質情況見表I。表I廢水主要水質情況
權利要求
1.一種好氧顆粒污泥的固定化培養(yǎng)方法，包括步驟A，將污泥接種到第一反應器中，經空載曝氣培養(yǎng)、沉降及排出上清液獲得好氧活性污泥；步驟B :將好氧活性污泥及培養(yǎng)液放入第二反應器中，加入團聚劑和/或微粒載體，在曝氣條件下，經固定化培養(yǎng)獲得好氧活性污泥種子微粒；步驟C :對好氧活性污泥進行種子顆?；囵B(yǎng)，獲得好氧顆粒污泥；其中，所述種子顆?；囵B(yǎng)過程是將好氧活性污泥種子及培養(yǎng)液加入載有好氧活性污泥的第一反應器中，進行曝氣培養(yǎng)；所述好氧活性污泥種子包括好氧顆粒污泥碎片和/或好氧活性污泥種子微粒，其用量為反應器內所載有好氧活性污泥的10 50wt%。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于步驟C中所述種子顆?；囵B(yǎng)過程是將好氧活性污泥種子及培養(yǎng)液加入載有好氧活性污泥的第一反應器中，加入團聚劑和/或污水處理優(yōu)勢菌群,進行曝氣培養(yǎng)；其中，污水處理優(yōu)勢菌群是根據目標廢水中所需去除的污水基質對好氧活性污泥進行定向富集培養(yǎng)，再經篩選、優(yōu)化及組合獲得。
3.根據權利要求I或2所述的方法，其特征在于步驟B和C中所述培養(yǎng)液包括模擬廢水和/或營養(yǎng)元素；所述團聚劑包括絮凝劑和/或交聯劑，其用量為0 100mg/L ；所述微粒載體為多孔類材料，其粒徑為I 500 ii m，用量為0 100mg/L ；所述好氧活性污泥種子微粒的粒徑在0. 5mm以下。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于所述模擬廢水按照BOD: TN : TP為 100 (5 50) (I 5)的比例配制；所述營養(yǎng)元素包括金屬元素和/或非金屬元素；所述絮凝劑為聚合三氯化鐵、聚合氯化硫酸鐵、聚磷硫酸鐵、聚合氯化鋁、聚合硫酸鋁、 聚合磷酸鋁中的一種或幾種；所述交聯劑包括有機交聯劑和/或無機交聯劑；其中，有機交聯劑選自殼聚糖、聚乙二醇、戊二醛中的一種或多種；無機交聯劑選自硫酸鋁、硼砂、氯化鋁中的一種或多種；所述多孔類材料選自聚乙烯醇水凝膠、海藻酸鈉水凝膠、聚N-異丙基丙烯酰胺水凝膠、大孔樹脂、活性炭中的一種或多種。
5.根據權利要求I所述的方法，其特征在于步驟A中所述污泥接種量為5 15g/L， 曝氣量為25 2000L/h，曝氣時間為3 72h，沉降時間為30 60min。
6.根據權利要求I所述的方法，其特征在于步驟B和C中的第一及第二反應器均按照進水-曝氣-沉降-出水-閑置的方式自動運行，反應器的一個運行周期為2 12h，其中，進水0. 5 lOmin，曝氣90 690min，沉降 I 30min,出水0. 5 5min,閑置I IOmin,每天運行2 12個周期；在步驟B和C中，模擬廢水的初始加入量為反應器有效容積的30 70%，在之后的運行過程中，每個運行周期按照沉降過程反應器的容積交換率補充I次模擬廢水，所述沉降過程反應器的容積交換率為30 70%，營養(yǎng)元素的添加是從第一個運行周期開始，按照 I 50ml/L模擬廢水的量，每5個運行周期添加一次，以此方式運行5 15天。
7.根據權利要求I所述的方法，其特征在于所述方法還包括對好氧顆粒污泥進行耐負荷波動性馴化的步驟D，步驟D以與步驟C相同的方式及條件運行，并采用縮短饑餓期時間的方法對好氧顆粒污泥進行耐負荷波動性馴化；所述縮短饑餓期時間是通過一步、多步或逐步縮短曝氣時間的方式進行的，其初始曝氣時間為90 690min，最終曝氣時間為80 680min。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于在采用多步或逐步縮短曝氣時間的方式進行好氧顆粒污泥馴化的過程中，每一個曝氣時間下的馴化期為I 12個運行周期；在采用逐步縮短曝氣時間的方式進行好氧顆粒污泥馴化的過程中，曝氣時間遞減梯度為I 60min/次。
9.根據權利要求1、2、5 8中任意一項所述的方法,其特征在于所述驟B、C和D中所述曝氣過程的曝氣量為25 2000L/h ；在所述各步驟中，第一及第二反應器內的表面氣速為0. 7 6. Ocm/s，系統(tǒng)的溶氧濃度維持在I 9mg/L，pH為6. 5 7. 5。
10.根據權利要求I或7所述的方法，其特征在于所述第一及第二反應器高徑比為I 15 I。全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于有機負荷波動性較強廢水的好氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)方法。該方法通過先對活性污泥中多種微生物進行固定化培養(yǎng)得到初期的種子污泥，再經由外加團聚劑和/或優(yōu)勢菌群的方式促進顆粒的進一步快速長大這樣一種特殊的培養(yǎng)工藝，在目標廢水中，短期內成功培養(yǎng)得到了活性高、負荷波動耐受力強的好氧顆粒污泥。該好氧顆粒污泥適用于各種有機負荷波動較高的有機污水。
文檔編號C02F3/12GK102583722SQ201210063708
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月12日 優(yōu)先權日2012年3月12日
發(fā)明者代雅潔, 劉鑫, 蘇海佳, 譚天偉 申請人:北京化工大學