CN110655183B - 一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法，采用圆柱体序批式反应器(SBR)，材料为有机玻璃，在定时等量曝气、室温条件和短沉降时间的条件下，以人工配置的模拟生活污废水为进水水源，通过向加载弱磁场的反应器中接种污泥，以厌氧/好氧/缺氧(A/O/A)方式运行SBR反应器，连续培养到第41天，各反应器已培养出结构致密、形状规则的成熟的好氧污泥颗粒。本发明所述的弱磁场最佳强度为10mT，可增强功能细菌的活性，抑制丝状细菌的生长，强化好氧污泥颗粒化；可促进好氧颗粒污泥同步硝化反硝化与短程硝化反硝化作用，强化***除污性能。

Description

一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法
技术领域
本发明属于生物工程、环境工程技术领域，具体涉及一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法。
背景技术
我国水污染严重，并且随着城市化的进程，废水的排放量也在逐年增加，城市的污水处理已然成为热门的研究领域。好氧颗粒污泥的研究技术与应用也一直是国内外学者研究的热点问题，好氧颗粒污泥由于具有生物量大、结构稳定、沉降性能好、耐冲击负荷、污泥活性高等优点，对生活污水有较好的处理效果。弱磁体的磁场强度持续性较高，运行成本低，是一种可持续发展的绿色新技术，且有学者研究表明由于磁场具有物理、化学、生物效应，可以缩短好氧颗粒污泥***的启动时间，对于污水处理也具有显著效果，可以增强生物降解和除污性能，因此将磁场应用于好氧颗粒污泥的处理技术有重要意义，可以在稳定除污的同时降低能耗，提高脱氮除磷效率。
现有的好氧颗粒污泥***的启动时间较长，颗粒化速度较慢，通常需要几个月的时间，且有研究表明，好氧颗粒污泥***在运行过程中对运行条件的要求较高，由于生活污水水质水量变化较大，颗粒很容易受到环境的影响而膨胀解体。面对这些问题，好氧颗粒污泥的颗粒化的速度和长期稳定性是该技术应用的制约因素。
种泥特性、磁场强度、进水底物、温度等因素对好氧颗粒污泥***的启动与处理效果均有不同程度的影响，因此如何选择控制影响因素以实现好氧颗粒污泥***的快速启动以及稳定运行是一大难点和热点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法。本发明在SBR反应器外捆绑永磁体，在实验室中模拟生活污水配置进水水源，在自然条件下进行好氧颗粒污泥***的快速启动，并在运行过程中富集特定细菌，增强污泥结构稳定性和除污性能。
本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、设置SBR反应器
序批式反应器(SBR)有进水，曝气，沉淀，出水四个运行阶段，采用厌氧/好氧/缺氧(A/O/A)模式运行，每天运行4个周期，每周期运行6h，进水2min，厌氧120min，好氧90min，缺氧128min，沉降10min，排水10min。
所述反应器包括圆柱状的结构主体，圆柱体采用有机玻璃材质制成，圆柱体内设有机械搅拌器3，圆柱体上端外设有进水泵1，圆柱体中段外设有出水泵4，圆柱体内底部设有曝气器5，曝气器5与外部气泵连接，由空气阀控制进气量，所述反应器外部设有控制面板2，各泵体和搅拌器均与控制面板通过线路连接，反应器外侧对称绑扎永磁体，永磁体加载不同数量以达到不同的磁场强度，反应器高度H＝300mm，内径D＝120mm，高径比(H/D)为2.5，有效容积大约为3L。
所述反应器由时间程序控制器以及配套电路进行自动控制，进水泵将配置好的进水由反应器顶端泵入，并由液位计控制水位；在好氧段的曝气量为200mL/min；使用机械搅拌器使污泥与污水充分接触，转速为200r/min；出水由电磁阀控制，每个周期排水量为整个装置的二分之一；反应器底部中心位置曝气器与气泵连接为装置进行曝气，并提供水力剪切力；培养温度为19-23℃。
步骤2、配制进水水源
进水水源为实验室配置的模拟生活污水，人工配置进水溶液，其中以NaAc为进水的碳源，NH4Cl为氮源，KH2PO4为磷源，并加入一定量的CaCl2和MgSO4·7H2O。
所述进水水源体积为45L，使进水浓度保持化学需氧量(COD)约为230mg/L、氨氮含量(NH4 +-N)约为20mg/L、总磷含量(TP)约为3.5mg/L，进水调节pH在7.5左右。
步骤3、接种絮状污泥
在反应器中接种沙湖污水处理厂的絮状污泥，混合液悬浮固体浓度(MLSS)约为5600mg/L，混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)约为3200mg/L，MLVSS/MLSS约为0.57，污泥容积指数(SVI30)约为127mL/g，其活性较低，含较多疏水性细菌，外观颜色偏黑色，结构较为松散，沉降性能较差。
步骤4、弱磁强化好氧污泥颗粒化
培养前期通过不断调整降低沉降时间，增加水力选择压，筛选沉降性能好的污泥，以此促进絮状污泥的颗粒化。在相同时间下，磁场可以促进特定微生物的生长，有助于好氧污泥中的微生物团聚，使好氧污泥颗粒的粒径更大，结构更致密规则，沉降性也更好。
步骤5、弱磁强化好氧颗粒污泥***的除污性能
在***稳定运行之后，进行水质监测和微生物种群结构分析，磁场对于好氧颗粒污泥***的除污性能也有显著的提高。
本发明所采用的弱磁场最佳强度为10mT，可增强功能细菌的活性，抑制丝状细菌的生长，强化好氧污泥颗粒化；可促进好氧颗粒污泥同步硝化反硝化与短程硝化反硝化作用，强化***除污性能。沉降时间为2min，曝气量为200mL/min，反应器排水比为50％。
本发明方法可以高效低耗地处理生活污水，永磁体可以重复利用，排出的剩余污泥也可以制成生物有机肥、建筑材料、生产沼气等。
本发明具有如下优点：
本发明采用圆柱形序批式反应器(SBR)，附加永磁体，通过接种絮状污泥，以乙酸钠为碳源的模拟生活污水为进水水源，快速得到好氧污泥颗粒并强化脱氮除磷效果。在自然条件下，以厌氧/好氧/缺氧(A/O/A)方式运行的SBR反应器在第41d可获得成熟稳定的好氧污泥颗粒。本发明通过加载弱磁场，缩短了好氧污泥颗粒培养的时间，并增强其稳定性；弱磁场也有助于同步硝化反硝化作用和短程硝化反硝化作用，进一步增强脱氮除磷效果。弱磁场的加载与利用为好氧颗粒污泥***的快速启动、稳定运行以及强化除污性能提供了新的思路。
附图说明
图1是本发明SBR反应装置结构示意图；
图2是通过光学显微镜对种泥的形态进行监测所得视图；
图3是通过光学显微镜对成熟好氧颗粒污泥的形态进行监测所得视图；
图4是使用扫描电镜对10mT磁场下成熟好氧颗粒污泥形态进行监测所得视图；
其中：1-进水泵，2-控制面板，3-机械搅拌器，4-出水泵，5-曝气器，6-空气阀，7-永磁体。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：
一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法，包括以下步骤：
步骤1、设置SBR反应器
序批式反应器(SBR)有进水，曝气，沉淀，出水四个运行阶段，本发明采用厌氧/好氧/缺氧(A/O/A)模式运行，每天运行4个周期，每周期运行6h，进水2min，厌氧120min，好氧90min，缺氧128min，沉降10min，排水10min。
反应装置的材料为有机玻璃，形态为圆柱形，外侧对称绑扎永磁体，加载不同数量以达到不同的磁场强度。反应装置高度H＝300mm，内径D＝120mm，高径比(H/D)为2.5，有效容积大约为3L。反应器由时间程序控制器以及配套电路进行自动控制。进水泵将配置好的进水由反应器顶端泵入，并由液位计控制水位；在好氧段的曝气量为200mL/min；使用精密搅拌仪器使污泥与污水充分接触，转速为200r/min；出水由电磁阀控制，每个周期排水量为整个装置的二分之一；反应器底部中心位置装有一个曝气头，与气泵连接为装置进行曝气，并提供水力剪切力；培养温度为19-23℃。
步骤2、配制进水水源
进水水源为实验室配置的模拟生活污水，人工配置进水溶液，其中以NaAc为进水的碳源，NH4Cl为氮源，KH2PO4为磷源，并加入一定量的CaCl2和MgSO4·7H2O。进水体积45L，使进水浓度保持化学需氧量(COD)约为230mg/L、氨氮含量(NH4 +-N)约为20mg/L、总磷含量(TP)约为3.5mg/L，进水调节pH在7.5左右。
步骤3、接种絮状污泥
在反应器中接种沙湖污水处理厂的絮状污泥，混合液悬浮固体浓度(MLSS)约为5600mg/L，混合液挥发性悬浮固体浓度(MLVSS)约为3200mg/L，MLVSS/MLSS约为0.57，污泥容积指数(SVI30)约为127mL/g。其活性较低，含较多疏水性细菌，外观颜色偏黑色，结构较为松散，沉降性能较差。
步骤4、弱磁强化好氧污泥颗粒化
培养前期通过不断调整降低沉降时间，增加水力选择压，筛选沉降性能好的污泥，以此促进絮状污泥的颗粒化。获得成熟的好氧污泥颗粒之后调整沉降时间，促进颗粒污泥继续生长成熟。好氧颗粒污泥的外形与大小采用光学显微镜和扫描电镜观察，具体粒径分布采用英国马尔文生产的Mastersizer 2000激光粒度仪进行检测与分析。
不同磁场强度下的好氧污泥颗粒均在第41d左右培养成熟，缩短了传统好氧污泥颗粒化的时间。之后调增沉降时间，促进颗粒污泥继续生长成熟。磁场可以促进特定微生物的生长，分泌大量胞外聚合物(EPS)，有助于好氧污泥中的微生物团聚，促进污泥颗粒化。在相同时间下，加载弱磁场的好氧污泥颗粒的粒径更大，结构更致密规则，同时沉降性与种泥相比也有所提高。如图4所示，颗粒表面也可以观察到大量的丝状细菌，丝状细菌将球菌、杆菌等微生物包裹在一起，促进了颗粒污泥微生物的凝聚，进而使颗粒污泥结构更加稳定。
通过对单样本多样性(Alpha多样性)的分析可以看出，成熟的好氧颗粒污泥***中微生物丰度和多样性降低，如表1。磁场抑制易导致污泥膨胀的丝状细菌Chloroflexia(绿弯菌门)的生长；促进Candidatus_Competibacter(竞争性念珠菌属)的大量富集，分泌特殊的胶状胞外EPS，促进污泥颗粒化。
表1微生物Alpha多样性指数表
Figure GDA0002287281930000061
Figure GDA0002287281930000071
步骤5、弱磁强化好氧颗粒污泥***的除污性能
在***稳定运行之后，进行水质监测和微生物种群结构分析。
水质指标的检测方法依据国家环保总局编制的《水与废水监测分析方法(第四版)》以及美国公共卫生协会编写的《Standard Methods for the Examination of Waterand Wastewater》(第十九版)这两本书的标准方法。各水质指标的检测分析方法具体见表2。收集各阶段的好氧颗粒污泥样品进行高通量测序，分析颗粒污泥中微生物种群结构。在上海美吉生物医药科技有限公司进行测序，采用Miseq平台分析，以338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’)与806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)作为引物进行PCR扩增与焦磷酸测序。
表2水质指标检测方法表
Figure GDA0002287281930000072
基于本发明进行的实验表明：
COD去除率高，不同磁场强度对稳定时的COD去除效果影响较小。进水COD的浓度为230mg/L左右，出水浓度基本稳定在25mg/L以下，去除率维持在95％左右。10mT时有助于聚糖菌GAOs的聚集，其对反应***中有机物质的降解起重要作用，也是COD去除效率较高的原因。
较高的磁场强度对颗粒化前期TP的去除有一定的促进作用，***稳定后TP去除效果好且不同磁场强度对TP的去除效果影响较小。进水TP的浓度约为3.5mg/L，颗粒化前期0mT、10mT、20mT、40mT***的TP的平均出水浓度分别为0.43、0.56、0.23、0.26mg/L，去除率分别为88.7％、86.7％、93.4％、93.9％，在不断运行中磁场促进聚磷菌PAOs大幅增长，提高除磷效果，因此***稳定后出水浓度基本稳定在0.24mg/L，去除率维持在93.5％。
颗粒化后期有磁场的***中NH+4-N去除效果波动较大，***稳定后NH+4-N去除效果好且不同磁场强度对NH+4-N的去除效果影响较小。在磁场作用下好氧污泥颗粒粒径较大，因此溶解氧进入稍难，对硝化作用影响较大，使去除率发生波动，但随着颗粒污泥中氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌大量富集，NH+ 4-N的去除效果持续变好。进水的NH+ 4-N浓度为20mg/L，***稳定后去除效果高效且稳定，平均出水浓度均低于0.3mg/L，去除率达到98％以上。
磁场对NO-3-N的去除效果有明显的促进作用且10mT的效果最为显著。稳定的10mT***中NO-3-N出水平均浓度约为0.15mg/L，0mT、20mT、40mT***的出水平均浓度为3.39、2.46、2.02mg/L。磁场的加载对反硝化细菌的生长与活性有一定的促进作用，同时磁场对颗粒化的促进作用使颗粒粒径增大，氧气受传质阻力的影响，颗粒内部厌氧区范围更大，反硝化作用更强，因此NO-3-N被还原生成NO-2-N，进一步被还原为N2去除。添加磁场的***中氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌的相对含量虽然稍低于无磁场***，但脱氮功能微生物活性较高，因此反应器的硝化作用与反硝化作用依然很好。
磁场对好氧颗粒污泥的种群影响较大，10mT的磁场可以促进微生物生长，使有机物质增多，但磁场强度过强，会起到一定程度的抑制作用。10mT磁场下的颗粒污泥中Candidatus_Competibacter(竞争性念珠菌属)大幅增多，含量高达73.18％，，10mT的磁场也促进Proteobacteria(变形杆菌门)的大量繁殖，占比由23.09％增长为81.37％，这两种细菌与脱氮除磷效果关系紧密；同时磁场促进好氧反硝化细菌Pseudomonas富集，有助于同步硝化反硝化作用；抑制Nitrospira属生长，有助于短程硝化反硝化作用，因此可以保持好氧颗粒污泥***高效且稳定的脱氮除磷效果。
将属水平上典型的聚糖菌(GAOs)、氨氧化细菌(AOBs)、亚硝酸盐氧化细菌(NOBs)、反硝化细菌(DNBs)、聚磷菌(PAOs)相对含量列表3。
表3功能微生物表
Figure GDA0002287281930000091
本发明方法可以高效低耗地处理生活污水，永磁体可以重复利用，排出的剩余污泥也可以制成生物有机肥、建筑材料、生产沼气等。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (6)

1.一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、设置SBR反应器：
序批式反应器有进水，曝气，沉淀，出水四个运行阶段，采用厌氧/好氧/缺氧模式运行，每天运行4个周期，每周期运行6h；
步骤2、配制进水水源：
进水水源为实验室配置的模拟生活污水，人工配置进水溶液，其中以NaAc为进水的碳源，NH4Cl为氮源，KH2PO4为磷源，并加入一定量的CaCl2和MgSO4·7H2O；
所述步骤2中进水水源体积为45L，使进水浓度保持化学需氧量为230mg/L、氨氮含量为20mg/L、总磷含量为3.5mg/L，进水调节pH为7.5；
步骤3、接种絮状污泥：
在反应器中接种污水处理厂的絮状污泥；
步骤4、弱磁强化好氧污泥颗粒化：
在培养前期通过不断调整降低沉降时间，增加水力选择压，筛选沉降性能好的污泥，以促进絮状污泥的颗粒化；所述弱磁场最佳强度为10mT；
步骤5、弱磁强化好氧颗粒污泥***的除污性能；
在***稳定运行之后，进行水质监测和微生物种群结构分析。
2.如权利要求1所述的一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法，其特征在于：所述步骤1中每周期内各阶段运行时间分配为：进水2min，厌氧120min，好氧90min，缺氧128min，沉降10min，排水10min。
3.如权利要求1所述的一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法，其特征在于：所述步骤1中反应器包括圆柱状的结构主体，圆柱体采用有机玻璃材质制成，圆柱体内设有机械搅拌器，圆柱体上端外设有进水泵，圆柱体中段外设有出水泵，圆柱体内底部设有曝气器，曝气器与外部气泵连接，由空气阀控制进气量，所述反应器外部设有控制面板，各泵体和搅拌器均与控制面板通过线路连接，反应器外侧对称绑扎永磁体，永磁体加载不同数量以达到不同的磁场强度，反应器高度H＝300mm，内径D＝120mm。
4.如权利要求3所述的一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法，其特征在于：所述反应器由时间程序控制器以及配套电路进行自动控制，进水泵将配置好的进水由反应器顶端泵入，并由液位计控制水位；在好氧段的曝气量为200mL/min；使用机械搅拌器使污泥与污水充分接触，转速为200r/min；出水由电磁阀控制，每个周期排水量为整个装置的二分之一；反应器底部中心位置曝气器与气泵连接为装置进行曝气，并提供水力剪切力。
5.如权利要求1所述的一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法，其特征在于：所述步骤1中反应器中培养温度为19-23℃。
6.如权利要求1所述的一种弱磁场强化好氧污泥颗粒化及除污性能的方法，其特征在于：所述步骤3中絮状污泥的混合液悬浮固体浓度为5600mg/L，混合液挥发性悬浮固体浓度为3200mg/L，污泥容积指数为127mL/g。
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