一种处理城市污水生物营养物用的好氧颗粒污泥培养方法.pdf

本发明涉及一种处理城市污水生物营养物用的好氧颗粒污泥培养方法，其包括两个反应阶段：①向序批式SBR反应器中投加絮状活性污泥作为种泥，将生活污水送入序批式SBR反应器，序批式SBR反应器按进水-曝气-缺氧-二次曝气-沉淀-排水的方式自动运行；在开始培养后的第四天或第五天向生活污水中加入活性碳粉末和Mg2+；该阶段共运行10～20天，30～60个周期后得到具有去除有机物和同步脱氮能力的好氧颗粒污泥；②序批式SBR反应器按进水-厌氧搅拌-曝气-沉淀-排水-静置的方式自动运行；该阶段共运行10～15天，20～45个周期后得到具有高效同步脱氮除磷能力的好氧颗粒污泥。本发明能将同步脱氮除磷好氧颗粒污泥的培养时间缩短至20～35天，而现有技术中通常需要60～120天。

1.  一种处理城市污水生物营养物用的好氧颗粒污泥培养方法，其特征在于包括：
①向序批式SBR反应器中投加絮状活性污泥作为种泥，将生活污水送入序批式SBR反应器，序批式SBR反应器按进水-曝气-缺氧-二次曝气-沉淀-排水的方式自动运行；
在开始培养后的第四天或第五天向生活污水中加入活性碳粉末，活性碳粉末的投料浓度为1g/L；与活性碳粉末同时加入的还有Mg²⁺，控制Mg²⁺的投料浓度为0.5～0.8mmol/L，并且在Mg²⁺加入之后的每个进水周期，均需向生活污水中添加Mg²⁺；
序批式SBR反应器运行周期为6～8小时，每天运行2～3个周期，污泥停留时间为20～30天，该阶段共运行10～20天，30～60个周期后得到具有去除有机物和同步脱氮能力的好氧颗粒污泥；
其中，本步骤中进水的时间为3～5分钟，曝气的时间为180～240分钟，缺氧的时间为120～180分钟，二次曝气的时间为3～5分钟，沉淀的时间为5～30分钟，排水的时间为5～10分钟；
②序批式SBR反应器按进水-厌氧搅拌-曝气-沉淀-排水-静置的方式自动运行；序批式SBR反应器的运行周期为6～7h，每天运行2～3个周期，污泥停留时间为20～25天，该阶段共运行10～15天，20～45个周期后得到具有高效同步脱氮除磷能力的好氧颗粒污泥；
其中，本步骤中进水的时间为3～5分钟，厌氧搅拌的时间为90～120分钟，曝气的时间为180～240分钟，沉淀的时间控制在3～5分钟，排水的时间为5～10分钟，静置的时间为30～60分钟；
上述步骤中，所述生活污水的水质为：COD的含量为200～350mg/L，氨氮的含量为15～25mg/L，磷的含量为6～8mg/L；序批式SBR反应器系统pH值控制在7～8。

2.  根据权利要求1所述的处理城市污水生物营养物用的好氧颗粒污泥培养方法，其特征在于所述的好氧颗粒污泥为橙黄色球形或椭球形颗粒，结构密实，内部有空隙，好氧颗粒污泥的粒径为0.3～1.2mm，密度为1.012～1.018g/mL，沉降速度为19.8～36.7m/h。

一种处理城市污水生物营养物用的好氧颗粒污泥培养方法
技术领域
本发明属于废水生物处理技术领域，特别涉及一种好氧颗粒污泥的快速培养及其去除生物营养物的方法。
背景技术
随着我国工农业生产的迅猛发展、人民生活水平的日益提高，由氮、磷和有机物等生物营养物污染引起的水体富营养化问题日益严重，因此，污水的处理不仅需要去除COD，而且还要脱氮除磷，这就要求污水处理系统具备多种处理功能。生物脱氮除磷则是目前最广泛采用的减少氮、磷等生物营养物污染的方法之一。传统的生物脱氮除磷工艺一般要涉及硝化、反硝化、微生物释磷和吸磷等过程，而且聚磷菌、反硝化菌、硝化菌等存在于同一活性污泥系统必然带来硝化菌与聚磷菌的不同泥龄之争以及反硝化菌与聚磷菌对碳源的竞争，使脱氮和除磷相互干扰，很难在同一反应器中实现氮、磷的高效同步去除。因此目前生物脱氮除磷工艺尽管其工艺流程各不相同，但都单独设有厌氧区、缺氧区、好氧区，具有严格的厌氧释磷、缺氧反硝化、好氧吸磷和好氧硝化等工况，但这同时也增加了系统的复杂性，提高了基建和运行费用。因此，研发高效低耗的脱氮除磷技术已成为水资源开发利用中亟待解决的一个突出问题。
好氧颗粒污泥技术是20世纪90年代以来开发的极具工程应用潜力的新技术，它属于微生物自固定化的范畴，具有优异的沉降性能、较高的微生物浓度、良好的抗冲击负荷能力、不需要额外增加投资、易于富集强化功能菌群等优点。可用于处理城市生活污水、食品工业废水、含酚废水或其它有毒有害废水等。因此，实现好氧颗粒污泥工艺具有重要意义，将大大改进传统工艺模式。
目前几乎所有的好氧颗粒污泥均在序批式SBR反应器中获得。国内外研究人员围绕着好氧颗粒污泥培养的底物与有机负荷、反应器结构及其操作方式、水力剪切力与沉淀时间、接种污泥与溶解氧等条件对好氧颗粒污泥培养进行了大量研究。但相关的研究报道表明好氧颗粒污泥工艺启动时间普遍较长，至少需要2～4个月的时间，有的甚至更长，启动速度慢成为制约好氧颗粒污泥技术规模化应用的瓶颈。因此，为了好氧颗粒污泥技术的进一步发展，迫切需要探索一种切实可行的快速培养好氧颗粒污泥的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种好氧颗粒污泥生长快且能高效同步脱氮除磷的处理城市污水生物营养物用的好氧颗粒污泥培养方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该处理城市污水生物营养物用的好氧颗粒污泥培养方法，其特征在于包括：
①向序批式SBR反应器中投加絮状活性污泥作为种泥，将生活污水送入序批式SBR反应器，序批式SBR反应器按进水-曝气-缺氧-二次曝气-沉淀-排水的方式自动运行；
在开始培养后的第四天或第五天向生活污水中加入活性碳粉末，活性碳粉末的投料浓度为1g/L；与活性碳粉末同时加入的还有Mg²⁺，控制Mg²⁺的投料浓度为0.5～0.8mmol/L，并且在Mg²⁺加入之后的每个进水周期，均需向生活污水中添加Mg²⁺；
序批式SBR反应器运行周期为6～8小时，序批式SBR反应器每天运行2～3个周期，污泥停留时间为20～30天，该阶段共运行10～20天，30～60个周期后得到具有去除有机物和同步脱氮能力的好氧颗粒污泥；
其中，本步骤中进水的时间为3～5分钟，曝气的时间为180～240分钟，缺氧的时间为120～180分钟，二次曝气的时间为3～5分钟，沉淀的时间为5～30分钟，排水的时间为5～10分钟；
②序批式SBR反应器按进水-厌氧搅拌-曝气-沉淀-排水-静置的方式自动运行；其运行周期为6～7h，每天运行2～3个周期，污泥停留时间为20～25天，该阶段共运行10～15天，20～45个周期后得到具有高效同步脱氮除磷能力的好氧颗粒污泥；
其中，本步骤中进水的时间为3～5分钟，厌氧搅拌的时间为90～120分钟，曝气的时间为180～240分钟，沉淀的时间控制在3～5分钟，排水的时间为5～10分钟，静置的时间为30～60分钟；
上述步骤中，所述生活污水的水质为：COD的含量为200～350mg/L，氨氮的含量为15～25mg/L，磷的总含量为6～8mg/L；序批式SBR反应器系统pH值控制在7～8。
所述的好氧颗粒污泥呈橙黄色球形或椭球形颗粒，结构密实，内部有空隙，好氧颗粒污泥的粒径为0.3～1.2mm，密度为1.012～1.018g/mL，沉降速度为19.8～36.7m/h。
本发明中所采用的序批式SBR反应器系统由主反应器、进水系统、排水系统、搅拌曝气系统和相应的自动控制系统组成；反应器按进水、厌氧搅拌、好氧曝气、沉淀、排水工序依次运行，达到污水中氮、磷及有机物的同步去除。较好的，反应器的高径比可以为3～12，容积交换率为50～100％；序批式SBR反应器的底部设置有微孔曝气头，采用ACO电磁式空气压缩机供气，曝气量由转子流量计调节，系统pH值控制在7～8。
采用上述方法得到的好氧颗粒污泥电镜扫描和显微镜观察结果表明初始形成的颗粒污泥表面有很多丝状细菌，它们交织在一起形成颗粒的框架，一些球菌和杆菌分布于其中；随着反应器的运行，颗粒表面的丝状菌数量明显变少，成熟的颗粒污泥形成后几乎观察不到丝状菌，其中的微生物以球菌和杆菌为主；同时颗粒污泥表面附着有大量原生动物和微型后生动物。
本发明所培养的同步脱氮除磷好氧颗粒污泥为粒径为0.3～1.2mm的球形或椭球形颗粒，而传统活性污泥的粒径仅为0.05～0.2mm，且呈分散结构，本发明中好氧颗粒污泥的沉降性能远优于传统活性污泥。扫描电镜观察结果表明颗粒污泥存在明显的好氧/厌(缺)氧分层结构，外层菌体密度较大，而内层菌体密度逐渐减小，同时颗粒内部有各种沟迴和褶皱，孔隙率较大，便于颗粒内部物质与液相基质之间进行物质交流。荧光显微镜观察结果表明本发明中好氧颗粒污泥的硝化菌位于颗粒的最外层，好氧聚磷菌、反硝化菌以及反硝化聚磷菌位于颗粒的内层，各种细菌的生物量均远高于传统活性污泥，颗粒污泥中反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的比例达到70％以上，而普通活性污泥体系仅有11.2％。同步脱氮除磷效果是以碳循环为中心，围绕胞内储存物质聚-β-羟基丁酸酯(PHB)的代谢完成的，即好氧颗粒污泥在厌氧阶段完成有机物的吸收、储存和磷的释放，好氧阶段发生了基于胞内储存物质PHB的同步硝化反硝化除磷，PHB一方面用于颗粒污泥中好氧聚磷菌以氧分子为电子受体的吸磷，另一方面作为有效碳源为颗粒污泥内部的反硝化菌以及反硝化聚磷菌利用，以硝态氮为电子受体，分别进行反硝化脱氮和反硝化聚磷，实现了好氧颗粒污泥对氮磷的同步去除，极大地简化了工艺流程，节省了大量碳源和能源，减少了剩余污泥量，提高了反应效率。
本发明在培养同步脱氮除磷好氧颗粒污泥的操作过程中向实际生活污水中特别投加了活性碳粉末和Mg²⁺以促进颗粒污泥的形成。结果表明，通过投加这两种物质的调控手段，大大加速了好氧颗粒污泥在SBR中的形成，从开始接种到培养完成的时间仅需20～35天左右，而现有技术中通常需要60～120天。加入活性碳粉末促进颗粒污泥形成的主要原因是为颗粒污泥的形成提供了合适的初始晶核，特别是省去了小颗粒形成的时间。进水中Mg²⁺的添加促进颗粒污泥形成的主要原因是适量Mg²⁺的添加刺激了污泥中胞外聚合物(EPS)的分泌，特别是作为其主要成分之一的多糖的产生量，大量产生的多糖能够形成一种粘性、稳定的三维立体结构，改变了污泥的表面性质，加快了污泥絮体的团聚，有利于结构紧凑的好氧颗粒污泥的快速形成。
附图说明
图1为本发明实施例中使用的序批式SBR反应器示意图；
图2为本发明实施例1得到的好氧颗粒污泥的电镜扫描照片。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，采用高径比为3～12、容积交换率为80％的序批式SBR反应器，反应器主体为有机玻璃圆筒，圆筒有效高度0.3～1.1m，圆筒内径为0.09m，有效体积为7L；反应器的底部设置一组微孔曝气头4，采用ACO电磁式空气压缩机2供气，曝气量由转子流量计3调节，反应器通过水泵9进水，进水、厌氧搅拌、曝气、沉淀、排水等各阶段的时间根据试验需要设定，并通过时间控制器7实现自动控制；进水通过蓄水池6加入；搅拌器10的作用是使颗粒污泥在厌氧阶段通过搅拌处于悬浮状态；污水处理后通过排水口12排入排水槽8；根据需要定期从取样口11取水样进行分析监测；反应器夏季在室温下运行，冬季通过恒温水浴1控制反应器温度在25℃左右，恒温水浴通过水泵5打入循环水13进行控制；系统pH值控制在7～8。
①向SBR反应器中加入普通絮状活性污泥作为种泥，污水取自某生活小区排放的实际生活污水，污水水质为：COD，200～350mg/L；氨氮，15～25mg/L；总磷，6～8mg/L；
将生活污水加入SBR反应器，在时间控制器控制下，序批式SBR反应器按进水～曝气-缺氧-二次曝气-沉淀-排水的方式自动运行，序批式SBR反应器运行周期为7～8小时，进水时间为5分钟，曝气时间为240分钟，缺氧时间为120～180分钟，二次曝气时间为5分钟，沉淀时间控制在5～30分钟，并根据污泥沉淀性能的变化按梯度逐渐降低沉降时间，排水时间为5～10分钟，每天运行3个周期。
在SBR反应器运行后的第4天，向欲投入反应器的生活污水中加入活性碳粉末和Mg²⁺；其中活性碳粉末过30目筛，投料浓度为1g/L，活性碳粉末只在第4天加入一次；Mg²⁺的投料浓度为0.6mmol/L；Mg²⁺在第4天及之后的每个周期都需要加入到生活污水中；
本步骤中，污泥停留时间为30d，该阶段共运行20d，60个周期；通过本阶段的培养驯化形成具有去除有机物和同步脱氮能力的第一阶段的好氧颗粒污泥。
②调节时间控制器7，使序批式SBR反应器按进水-厌氧搅拌-曝气-沉淀-排水-静置的方式自动运行。进水时间为5分钟，厌氧搅拌时间为120分钟，曝气时间为240分钟，沉淀时间控制在5分钟，排水时间为5分钟，静置时间为30分钟，序批式SBR反应器运行周期为6.75h，每天运行3个周期，污泥停留时间为20天，该阶段共运行15天，45个周期；通过本阶段的培养驯化得到的好氧污泥颗粒提高了聚磷菌和反硝化聚磷菌在颗粒污泥中的数量，且实现了多种群、多功能、不同世代周期的微生物共存，同步脱氮除磷能力好。经过两阶段培养驯化后，形成同步脱氮除磷好氧颗粒污泥体系。
步骤①中得到的好氧污泥颗粒外观上是一种橙黄色球形或椭球形颗粒，结构密实，内部有空隙，粒径为0.3～1.2mm，且大小具有较好的均一性，密度为1.015g/mL，沉降速度为19.8～36.7m/h；如图2所示的电镜扫描和显微镜观察结果表明初始形成的颗粒污泥表面有很多丝状细菌，它们交织在一起形成颗粒框架，一些球菌和杆菌分布于其中；随着反应器的运行，颗粒表面的丝状菌数量明显变少，成熟的颗粒污泥形成后几乎观察不到丝状菌，其中的微生物以球菌和杆菌为主；同时颗粒污泥表面附着有大量原生动物和微型后生动物。
本实施例中未涉及的内容与现有技术相同。
实施例2
本实施例采用实施例1得到的好氧颗粒污泥为接种污泥，在图1所示的序批式SBR反应器中处理低碳源、高浓度氮、磷废水，考察上述好氧颗粒污泥的同步脱氮除磷能力。反应器主体为有机玻璃圆筒，圆筒有效高度1.1m，圆筒内径为0.09m，有效体积为7L；反应器的底部设置一组微孔曝气头4，采用ACO电磁式空气压缩机2供气，曝气量由转子流量计3调节，反应器通过进水泵9进水，进水、曝气、沉淀、排水等各阶段的时间根据试验需要设定，并通过时间控制器7实现自动控制；反应器夏季在室温下运行，冬季通过恒温水浴控制反应器温度在25℃左右，系统pH值控制在7～8。
本实施例以实施例1中培养的同步脱氮除磷好氧颗粒污泥序批式SBR反应器在时间控制器和电磁阀控制下，按进水-厌氧搅拌-曝气-沉淀-排水-静置的方式自动运行。
检测某小区生活污水，根据水质检测结果，往生活污水中加入乙酸钠、NH₄Cl和KH₂PO₄，调节污水中的总氮、氨氮和总磷的浓度，调节后的低碳源、高氮磷污水储存在蓄水池。添加药剂调节后的生活污水水质为：COD，250～500mg/L；氨氮，25～50mg/L；总磷，8～15mg/L；序批式SBR反应器运行周期为6.75h，进水时间为5分钟，厌氧时间为120分钟，曝气时间为240分钟，曝气过程中溶解氧的浓度控制在1mg/L左右，沉淀时间控制在5分钟，排水时间为5分钟，静置时间为30分钟，每周期定量排泥，维持反应器内污泥浓度为7～8g/L，污泥停留时间为20d，每天运行3个周期。
本实施例中未涉及的内容与现有技术相同。
实验结果表明，反应器处理城市污水生物营养物的效果稳定，出水水质良好；颗粒污泥中挥发性组分所占污泥浓度的百分比达到90％左右，颗粒污泥中反硝化聚磷菌占全部聚磷菌的比例达到70％以上，而普通活性污泥体系仅为11.2％，说明颗粒污泥中微生物种群丰富且微生物的量远高于普通活性污泥，这使得反应器具有更高的处理效能；而且同步脱氮除磷效果以碳循环为中心，围绕胞内储存物质聚-β-羟基丁酸酯(PHB)的代谢完成的，即好氧颗粒污泥在厌氧阶段完成有机物的吸收、储存和磷的释放，好氧阶段发生了基于胞内储存物质PHB的同步硝化反硝化除磷，PHB一方面用于颗粒污泥中好氧聚磷菌以氧分子为电子受体的吸磷，另一方面作为有效碳源为颗粒污泥内部的反硝化菌以及反硝化聚磷菌利用，以硝态氮为电子受体，分别进行反硝化脱氮和反硝化聚磷，实现了好氧颗粒污泥对氮磷的同步去除，极大地简化了工艺流程，节省了大量碳源和能源，减少了剩余污泥量，提高了反应效率，反应器对氨氮、总无机氮、磷、COD的平均去除率分别达到99.5％、83.9％、95.9％、97.3％，出水平均值分别为0.25mg/L、8.1mg/L、0.45mg/L和13.5mg/L，出水各项指标均优于《污水综合排放标准》一级标准。