CN103265145A

CN103265145A - 利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法

Info

Publication number: CN103265145A
Application number: CN2013101837875A
Authority: CN
Inventors: 吴永红; 陆海鹰; 王金花; 刘志彬; 陈建贞; 李运东
Original assignee: Institute of Soil Science of CAS
Current assignee: Institute of Soil Science of CAS
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-05-17
Also published as: CN103265145B

Abstract

本发明属于生态与环境保护领域，涉及农田片区低负荷河水净化领域，尤其涉及一种利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，包括如下步骤：（1）自然生物膜富集和培养：直接用河道水体为“种源”进行藻、菌等微生物的富集和培养；（2）低温自然生物膜驯化：对预培养好的自然生物膜再分阶段降低培养温度，温度降低梯度为每2天降低1度，直到降低到培养温度在0-4℃之间；（3）低温自然生物膜接种至反应器；（4）自然生物膜反应器调试运行：通过调节浮体和反应器重量，调节反应器的水力负荷和停留时间；（5）自然生物膜反应器水质净化。本发明简单易行，对农田片区河道水质净化效果好，便于推广，同时解决了冬季污染物去除效率不高的问题。

Description

利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法

技术领域

本发明属于生态与环境保护领域，涉及农田片区低负荷河水净化领域，尤其涉及一种利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法。

背景技术

目前，水体富营养化问题正严重影响着人类的生存环境。近10年来，我国江河、湖库富营养化非常严重且呈恶化趋势。我国700多条河流（总长10万千米）中，70.6%的河流受到污染。我国农村有3亿多人饮水不安全，其中约6300多万人饮用高氟水，200万人饮用高砷水，3800多万人饮用苦咸水，1.9亿人饮用水有害物质含量超标，血吸虫病区约1100多万人饮水不安全；相当一部分城市水源污染严重，威胁到饮水水质。

农田面源污染是我国入河湖污染负荷的主要形式之一，农田面源污染的排放，给就近河道带来了很多低负荷的污染物。由于这类污染物低负荷的特点，给常规的处理方法带来了很多新的挑战，如传统活性污泥法处理的性价比不高。

目前，针对这类低负荷河水的处理方法分为两类，一类是原位水质净化法，另一类为旁路净化法（又称异位处理法）。旁路净化法即是利用河道两边的空地，建设河水净化***，如湿地处理***、生物塘、土壤渗滤等。例如：为削减滇池的入湖污染负荷，基于旁路净化的思路设计并构建了包括水生植物塘和养殖塘在内的生物稳定塘***，考察了对氮、磷的去除效果。结果表明，该***对TN、TP、NO₃ ^--N和NH₃-N的平均去除率分别为25.3%、50.6%、38.4%和35.6%，在改善水质的同时还具有一定的生态景观效益，可为其它水体的净化提供示范。旁路净化法的特点就是能够结合河道水质特点，建设经济可行的处理***，但这类旁路净化法通常需要动力提水，增加了处理费用，也需增加人力管护。

因此，有研究将这种旁路净化方法进行升级改造，如将旁路***与传统的污水净化***（如脱氮除磷***）相结合建设。发明专利（申请号201110159014.4）针对目前脱氮除磷工艺中经常遇到的进水含沙量高、VSS/MLSS偏低、碳源不足等问题提出一种旁路污泥减量、淤沙分离及脱氮除磷污水处理***及方法，由具有脱氮除磷功能的主体污水处理***和旁路***两部分组成。主体污水处理***包括沉砂池和具有脱氮除磷功能的污水处理***。旁路***由毛发分离器、污泥减量池、污泥淤沙分离器及淤沙脱水***和化学除磷***组成。这种与旁路净化***相结合建设的办法，可以防止淤沙在污水处理***中积累，提升生化反应池中污泥VSS/MISS比值，在嵌入式旁路***中辅以化学除磷，可以实现污水磷的低成本化学去除和回收。

然而，针对低污染负荷的河道污水，这种涉及旁路净化***的方法需要大面积的荒地建设净化工程，在土地资源不足的地区或者土地资源昂贵的地区不宜采用。

鉴于此，在实际河道水质净化案例中，原位水质净化法应用比较广泛，也具有比较好的前景。从生态学角度而言，原位改善水质，提高河道水生生态***的自净能力和恢复力，也是河道生态***持续健康发展的必由之路。

原位水质净化法主要利用生物膜法原理净化河道水质。生物膜法是一种重要的废水生物处理方法，它是依靠附着在载体上的微生物群落吸收和降解废水的N、P、COD以及其它污染物质达到净化效果。在厌氧条件下，厌氧微生物可以在较短时间内处理高浓度的废水并将大分子有机物质降解为低分子化合物，进而转化为甲烷、二氧化碳；在曝气条件下，好氧微生物可以降低水中COD并吸收N、P达到净化污水的效果。

由于生物反应器能够很好地固定生物膜，调节生物膜组成结构；可以通过调节反应器的设置，控制生物膜的生物量和活性，因此，生物反应器在原位水质净化中应用比较广泛，也在河水原位净化领域具有很好的前景。通过归纳，这类利用反应器净化污水的典型案例包括如下：

序批式一体化膜生物反应器（发明专利号：03133571.3），在同一个反应池中实现好氧、缺氧、厌氧三种环境，使氮磷污染物充分去除。

序批式膜-生物反应器污水处理工艺及装置（发明专利号：03100398.2）在生物反应池内放入膜组件，并使其出口通过两组控制阀门分别与进气管和出水管连接，整个***在时间上交替经历厌氧、好氧、缺氧状态，可对含碳有机污染物及氮、磷等营养元素进行同步有效去除。

多级生物反应器（发明专利号：201080057245.8）在沉淀池内的多级生物反应器，每个小室包括中空的框架和多个机械地固定到框架的网基底，基底被配置用于其上生长微生物。

含锰废水的升流式微生物反应器处理工艺（发明专利号：201210176953.4）含锰废水首先经潜水泵进入初级沉淀池，经初级沉淀处理后接着经由管道泵连续进入两个串联的好氧生物反应池，进水由进水泵控制，从串联的反应池中排出的水接着进入三层过滤池，从三层过滤池中排出的水即为处理之后的清水。

膜生物反应器中微生物活性的调控方法（发明专利号：201210014485.0）解决了现有膜生物反应器处理微污染地表水时，由于原水有机物浓度较低或低温等原因导致膜生物反应器中的生物活性及生物数量降低，水处理效果变差的问题。

无纺布絮体动态膜生物反应器（发明专利号：201010512396.X）包括反应区、絮体成长区和无纺布膜组件，无纺布膜组件内设有无纺布膜，在无纺布膜表面及内部设有污水中胶体物质凝聚产生的絮体构成的动态膜。

流化床膜生物反应器（发明专利号：201010571203.8）利用生物流化床和膜生物反应器相结合的工艺，即反应器内填充由废橡胶粉、活性炭和粘合剂自制的直径5mm左右的载体颗粒，填充比例是反应器有效容积的10％-30％。依靠载体与污泥的协同作用，完成挂膜，微生物生长在填料上，降低了反应器中污泥浓度、改变反应器环境运行条件和减缓膜污染，从而延长了膜的使用寿命，提高了膜的处理能力。

一种膜生物反应器及其净化污水的方法（发明专利号：201010571203.8）公开了一种将微生物反应器和膜过滤器分开设置的膜生物反应器，延长了膜生物反应器的使用寿命，免去了操作人员对膜过滤器的清洗麻烦，提高了产水效率。

虽然，这些代表性的生物反应器在一定程度上很好地净化了污水，保护了环境。但是温度是影响微生物生理活动的一个重要因素，通常在低温环境下过低的温度可能会延缓或破坏某些微生物的正常生理活动，从而影响污水处理效果。因此，可以在运行前先对载体上的微生物进行筛选，选出耐低温的微生物最后形成生物膜，使其能在低温的条件下净化污水。

同时，针对低污染负荷的河道水质，虽然发明专利（公开号201210014485.0）提出了微污染地表水处理的膜生物反应器中微生物活性的调控方法，但其净化水质的效果有待检验。另外，低污染负荷水质，可能不能提供足够的养分为活性微生物生存，因此，培养能够自我生存和自我循环利用的生物膜群落是实现低污染负荷污水处理的前提。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺点，提供一种利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法。该发明生产可以自我生存和自我循环利用的自然生物膜，这种生物膜能够耐受低温，处理低温低负荷污水。这是一种新的设计与建设模式，它将达到培养由自养和异养微生物构成的自然生物膜、净化农田片区低污染负荷低温河水的双重目的。本发明以冬季处理低污染负荷河道污水为目标，采用“分区、分级、多段”和“先驯化自然生物膜，再固定化自然生物膜，生物反应器构建”的工作思路，依据“进水-初沉-好氧（光照）-厌氧（光照）-溢流-出水”的工艺路线进行设计。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）自然生物膜富集与培养：将购置的人工水草用0.1M盐酸浸泡2小时后，晾干，放置在富营养化水体中，在光照强度大于3600 Lux、温度为20-40℃条件下富集、培养自然生物膜；

（2）低温自然生物膜驯化：将在温度20-40℃富集预培养的自然生物膜继续培养，分阶段降低培养温度，直到降低到培养温度在0-4℃之间；在0-4℃的温度范围内，继续培养一段时间，低温自然生物膜即视作驯化成功，以备后用；

（3）低温自然生物膜接种至反应器：反应器包括厌氧反应池、好氧反应池、沉淀池、填料、光源、曝气装置；

（4）自然生物膜反应器调试运行：将自然生物膜反应器固定于浮体上，使得反应器入水口刚好至于水面，在曝气情况下河水流入反应器中，反应器好氧段为负压，河水与自然生物膜产生反应，污染物质被转化、降解、吸附和吸收；

（5）自然生物膜反应器水质净化：将多个自然生物膜反应器布设在河道水体中，对河水进行原位净化。

进一步的技术方案包括：

步骤（1）中富营养化水体的富营养化指数大于50，人工水草和富营养化水体体积比小于1:2。

步骤(1)所述的自然生物膜富集与培养，用于富集和培养自然生物膜的富营养化水需要含有藻类、细菌等微生物，因此，在富集的自然生物膜其“种源”实际上来源于所取的富营养水。不同地点采集的富营养化水，其培养的自然生物膜微生物群落组成可能不同，其对污染物的去除效果也存在差异，不过对有机物、氮、磷等基本污染物的去除效率相差不大。

步骤（2）中分阶段降低培养温度具体方式如下：温度降低梯度为每两天降低1度，直到降低到培养温度在0-4℃之间，在0-4℃的温度范围内，继续培养一周。

步骤(3)所述的低温自然生物膜接种至反应器，反应器中的厌氧反应池水体中溶解氧含量保持在0.2 mg/L以下；好氧反应池水体中溶解氧含量保持在6.0 mg/L以上；填料由活性炭、泥炭、海绵、纤维、无纺布组成，构成重量比例为0.1~0.5：0.5~2.0：0.1~1.0：0.2~0.8：0.1~0.5；光源布设在水面以下，由普通白炽防水灯具构成，光照强度大于3600 Lux；曝气装置由养鱼泵（即小型曝气泵）构成。

进一步地，步骤（3）中自然生物膜接种到反应器具体步骤为：将富集了自然生物膜的载体（即前述的人工水草）用剪刀剪短至0.1-0.5 cm长后，放入反应器的填料中，富集了自然生物膜的载体的接入量为总填料量的0.5-5%。

步骤（4）中，通过调节浮体和反应器重量，调节反应器的水力负荷和停留时间。

进一步地，步骤(4)所述的自然生物膜反应器调试运行，当河水富营养化程度较低时，即富营养化指数界于30与50之间时，水力停留时间一般设置在12-24小时；当河水富营养化程度较高时，即富营养化指数界于50与70之间时，水力停留时间一般设置在24-48小时；当河水富营养化程度很高时，即富营养化指数大于70时，水力停留时间一般设置在48-72小时。

步骤(5)所述的自然生物膜反应器水质净化，在雨季时（一般为夏季）将自然生物膜反应器从河道中取出，放置在室内阴凉之处（温度低于15℃），以保证自然生物膜微生物活性，避免下一冬季使用自然生物膜反应器净化河水时需要再次驯化微生物。同时，雨季将自然生物膜取出，也利于河道泄洪、排灌。

进一步地，步骤（5）中每100平米河水布设一个自然生物膜反应器。

冬季河水在自然生物膜反应器原位净化下，河道水体中的营养物质不断减少，有机污染负荷达到不断分解、降解，部分低污染负荷的重金属污染物也得到去除或者转化，最后达到了冬季低温河道水质净化的目的。

本发明实施前后技术效果如下（冬季采样6次的平均结果）：实施前，河道水体中含有大量的总悬浮物（TSS）、有机物（用COD和UV₂₅₄nm-matter紫外吸光度表示）、氮磷含量以及少量重金属如Hg, Cr, Cu, Cd，本发明的自然生物膜反应器应用后，这些污染物质基本得到净化，污染物削减率达75％以上（见图2）。

本发明方法简单、易行，在冬季净化河道水质效果好。与传统的河道水质净化技术（如人工浮床、添加化学药剂等）相比，本发明的方法具有效果稳定、处理效率不受低温影响、建设成本低、运行成本低的特点。发明的自然生物膜具有一次投入、多年使用的特点，驯化的自然生物膜可以长期使用，并可繁衍性质类似的微生物种群，进一步减低运行成本。另外，自然生物膜反应器应用期间，不会影响河道的正常泄洪和排灌，便于推广。

附图说明

图1为自然生物膜反应器的结构图；

图2为本发明的自然生物膜冬季净化河道污水效果图；

其中，1沉淀池、2厌氧反应池、3好氧反应池、4沉淀池、5出水口、6填料、7光源、8曝气装置。

具体实施方式

下面结合图1和图2详述本发明的技术方案。

利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（3）低温自然生物膜接种至反应器：反应器包括沉淀池1、厌氧反应池2、好氧反应池3、沉淀池4、出水口5、填料6、光源7、曝气装置8；

实施例1：南京油坊桥附近一湖泊是一个典型的富营养化湖泊，以其入湖河流中采集回来的河水富集和培养自然生物膜，以人工水草为自然生物膜的载体。自然生物膜富集和培养35天后，开始以每2天降低1度的梯度降低培养温度，直到培养温度为4℃后，在此温度下继续培养7天。生物反应器包括沉淀池、厌氧反应池、好氧反应池、沉淀池、人工填料，以上各部分所占的反应器总体积比为10%，30%，30%，10%，20%。人工填料由活性炭、泥炭、海绵、纤维、无纺布组成，构成重量比例为0.1：0.5：0.1：0.2：0.1。利用普通的LED防水灯为光源，利用普通的养鱼泵为充气泵（功率3.2W）。用剪刀将附着了自然生物膜的载体剪切，接种入生物反应器的填料中，接种量约为总填料量的1%。由于实验期间河道富营养化指数界于30和50之间，因此，通过调节浮体的大小，设定自然生物膜反应器水力停留时间为24小时。

通过为期两个月的冬季实验，结果显示在自然生物膜反应器的应用，可以较好地净化河道污水，去除低负荷污染物质。TSS，COD， UV254nm-matter, TN, TP, Hg, Cr, Cu和Cd的平均去除率分别为89.3%，75.4%，80.3%，81.2%，79.6%，84.4%， 80.6%，83.2%和89.3%。

实施例2：昆明大清河是滇池的主要入湖河流，河道两边是韭菜和鲜花种植农区，河道水质处于严重富营养化状态，富营养化指数大于70，含有少量低负荷的重金属污染物。为净化这种污水，在室内进行了试验研究，将采集回来的河水放置在1.2立方米的水缸中，实施例1的自然生物膜反应器进行净化，各污染物的去除效率分别为TSS 87.2%，COD 82.5%，UV254nm-matter 79.1%, TN 67.4%, TP 71.2%, Hg 80.6%, Cr 79.4%, Cu83.3%和Cd 85.2%。总之，本发明的自然生物膜反应器实施后，冬季河道污水得到显著净化，解决了低温污染物去除效率低下的问题。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围。

Claims

1.利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，其特征在于，包括如下步骤：

自然生物膜富集与培养：将购置的人工水草用0.1M盐酸浸泡2小时后，晾干，放置在富营养化水体中，在光照强度大于3600 Lux、温度为20-40℃条件下富集、培养自然生物膜；

低温自然生物膜驯化：将在温度20-40℃富集预培养的自然生物膜继续培养，分阶段降低培养温度，直到降低到培养温度在0-4℃之间；在0-4℃的温度范围内，继续培养一段时间，低温自然生物膜即视作驯化成功，以备后用；

低温自然生物膜接种至反应器：反应器包括厌氧反应池、好氧反应池、沉淀池、填料、光源、曝气装置；

自然生物膜反应器调试运行：将自然生物膜反应器固定于浮体上，使得反应器入水口刚好至于水面，在曝气情况下河水流入反应器中，反应器好氧段为负压，河水与自然生物膜产生反应，污染物质被转化、降解、吸附和吸收；

自然生物膜反应器水质净化：将多个自然生物膜反应器布设在河道水体中，对河水进行原位净化。

2.根据权利要求1所述的利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，其特征在于，

步骤(3)所述的低温自然生物膜接种至反应器，反应器中的厌氧反应池水体中溶解氧含量保持在0.2 mg/L以下；好氧反应池水体中溶解氧含量保持在6.0 mg/L以上；填料由活性炭、泥炭、海绵、纤维、无纺布组成，构成重量比例为0.1~0.5：0.5~2.0：0.1~1.0：0.2~0.8：0.1~0.5；光源布设在水面以下，光照强度大于3600 Lux；曝气装置由养鱼泵构成。

3.根据权利要求1或2所述的利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，其特征在于，步骤（3）中自然生物膜接种到反应器具体步骤为：将富集了自然生物膜的载体剪短至0.1-0.5 cm长后，放入反应器的填料中，接入量为总填料量的0.5-5%。

4.根据权利要求1所述的利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，其特征在于，步骤（4）中，通过调节浮体和反应器重量，调节反应器的水力负荷和停留时间。

5.根据权利要求4所述的利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，其特征在于，步骤(4)的自然生物膜反应器调试运行具体步骤为：当河水富营养化指数界于30与50之间时，水力停留时间设置为12-24小时；当河水富营养化指数界于50与70之间时，水力停留时间设置为24-48小时；当河水富营养化指数大于70时，水力停留时间设置为48-72小时。

6.根据权利要求1所述的利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，其特征在于，步骤(5)所述的自然生物膜反应器水质净化具体步骤为：在雨季或夏季时将自然生物膜反应器从河道中取出，放置在温度低于15℃的室内阴凉之处，以保证自然生物膜微生物活性，避免下一冬季使用自然生物膜反应器净化河水时需要再次驯化微生物。

7.根据权利要求1所述的利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，其特征在于，步骤（1）中富营养化水体的富营养化指数大于50，人工水草和富营养化水体体积比小于1:2，富营养化水体含有藻类和细菌。

8.根据权利要求1所述的利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，其特征在于，步骤（2）中分阶段降低培养温度具体方式如下：温度降低梯度为每两天降低1度，直到降低到培养温度在0-4℃之间，在0-4℃的温度范围内，继续培养一周。

9.根据权利要求1所述的利用自然生物膜反应器净化低负荷低温河水的方法，其特征在于，步骤（5）中每100平米河水布设一个自然生物膜反应器。