申请日2012.03.12
公开(公告)日2012.07.18
IPC分类号C02F3/12
摘要
本发明涉及一种用于有机负荷波动性较强废水的好氧颗粒污泥的快速培养方法。该方法通过先对活性污泥中多种微生物进行固定化培养得到初期的种子污泥，再经由外加团聚剂和/或优势菌群的方式促进颗粒的进一步快速长大这样一种特殊的培养工艺，在目标废水中，短期内成功培养得到了活性高、负荷波动耐受力强的好氧颗粒污泥。该好氧颗粒污泥适用于各种有机负荷波动较高的有机污水。
权利要求书
1.一种好氧颗粒污泥的固定化培养方法，包括：
步骤A，将污泥接种到第一反应器中，经空载曝气培养、沉降及 排出上清液获得好氧活性污泥;
步骤B：将好氧活性污泥及培养液放入第二反应器中，加入团聚 剂和/或微粒载体，在曝气条件下，经固定化培养获得好氧活性污泥种 子微粒;
步骤C：对好氧活性污泥进行种子颗粒化培养，获得好氧颗粒污 泥;
其中，所述种子颗粒化培养过程是将好氧活性污泥种子及培养液 加入载有好氧活性污泥的第一反应器中，进行曝气培养;所述好氧活 性污泥种子包括好氧颗粒污泥碎片和/或好氧活性污泥种子微粒，其用 量为反应器内所载有好氧活性污泥的10～50wt%。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤C中所述种 子颗粒化培养过程是将好氧活性污泥种子及培养液加入载有好氧活 性污泥的第一反应器中，加入团聚剂和/或污水处理优势菌群，进行曝 气培养;
其中，污水处理优势菌群是根据目标废水中所需去除的污水基质 对好氧活性污泥进行定向富集培养，再经筛选、优化及组合获得。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：步骤B和C 中所述培养液包括模拟废水和/或营养元素;
所述团聚剂包括絮凝剂和/或交联剂，其用量为0～100mg/L;
所述微粒载体为多孔类材料，其粒径为1～500μm，用量为 0～100mg/L;
所述好氧活性污泥种子微粒的粒径在0.5mm以下。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述模拟废水按照 BOD∶TN∶TP为100∶(5～50)∶(1～5)的比例配制;
所述营养元素包括金属元素和/或非金属元素;
所述絮凝剂为聚合三氯化铁、聚合氯化硫酸铁、聚磷硫酸铁、聚 合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合磷酸铝中的一种或几种;
所述交联剂包括有机交联剂和/或无机交联剂;其中，有机交联剂 选自壳聚糖、聚乙二醇、戊二醛中的一种或多种;无机交联剂选自硫 酸铝、硼砂、氯化铝中的一种或多种;
所述多孔类材料选自聚乙烯醇水凝胶、海藻酸钠水凝胶、聚N- 异丙基丙烯酰胺水凝胶、大孔树脂、活性炭中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤A中所述污 泥接种量为5～15g/L，曝气量为25～2000L/h，曝气时间为3～72h，沉 降时间为30～60min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
步骤B和C中的第一及第二反应器均按照进水-曝气-沉降-出水- 闲置的方式自动运行，反应器的一个运行周期为2～12h，其中，进水 0.5～10min，曝气90～690min，沉降1～30min，出水0.5～5min，闲置 1～10min，每天运行2～12个周期;
在步骤B和C中，模拟废水的初始加入量为反应器有效容积的 30～70%，在之后的运行过程中，每个运行周期按照沉降过程反应器的 容积交换率补充1次模拟废水，所述沉降过程反应器的容积交换率为 30～70%，营养元素的添加是从第一个运行周期开始，按照1～50ml/L 模拟废水的量，每5个运行周期添加一次，以此方式运行5～15天。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对 好氧颗粒污泥进行耐负荷波动性驯化的步骤D，步骤D以与步骤C相 同的方式及条件运行，并采用缩短饥饿期时间的方法对好氧颗粒污泥 进行耐负荷波动性驯化;
所述缩短饥饿期时间是通过一步、多步或逐步缩短曝气时间的方 式进行的，其初始曝气时间为90～690min，最终曝气时间为80～680min。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在采用多步或逐步 缩短曝气时间的方式进行好氧颗粒污泥驯化的过程中，每一个曝气时 间下的驯化期为1～12个运行周期;
在采用逐步缩短曝气时间的方式进行好氧颗粒污泥驯化的过程 中，曝气时间递减梯度为1～60min/次。
9.根据权利要求1、2、5～8中任意一项所述的方法，其特征在于：
所述骤B、C和D中所述曝气过程的曝气量为25～2000L/h;
在所述各步骤中，第一及第二反应器内的表面气速为 0.7～6.0cm/s，系统的溶氧浓度维持在1～9mg/L，pH为6.5～7.5。
10.根据权利要求1或7所述的方法，其特征在于：所述第一及 第二反应器高径比为1～15∶1。
说明书
一种好氧颗粒污泥的固定化培养方法
技术领域
本发明属于废水生物处理领域，涉及一种用于有机负荷波动性较 强废水的好氧颗粒污泥快速培养方法。
背景技术
自上世纪以来，随着全球人口数量的急剧增加以及工业化生产的 飞速发展，水污染的日益严重已经逐渐威胁到了人类的生存与发展， 因此水污染的防控与处理技术应势而起，应用也日渐广泛。生物降解 法是去除废水中有机物最经济、最有效的方法，其中活性污泥法应用 最为广泛，但因存在着以下主要缺点而制约了进一步的发展：1、由 于絮状活性污泥沉降性能差，曝气池中污泥浓度、容积负荷小，为了 维持曝气池较高浓度的活性污泥，常常需要从二沉池中回流污泥，增 加了污水处理的能耗;2、剩余污泥量大、污泥难以沉降，需要额外 的沉降池和污泥浓缩池，构筑物占地面积大、基建投资高、运行成本 高，其中污泥处理成本占总运行成本的1/3～1/2;3、多数生物处理系 统同时脱氮除磷效果差，需要采用SBR、A/A/O等工艺，污水处理工 艺流程长。
近年来，随着科技水平的提高，污水生物处理领域不断发展进步， 涌现出大量高效的新兴技术。其中，好氧颗粒污泥技术日益成为废水 生物处理方法中的研究热点。相比传统的生物处理方法，好氧颗粒化 污泥技术具有生物致密、比重大、沉降速度快等特点，有利于反应器 中固液相分离、可大大缩小或省去用于处理系统中污泥的二沉池，并 且可使反应器中保持有较高的污泥浓度和容积负荷，同时保证了出水 的水质。另外，好氧颗粒污泥具有微生物种群多样性的特点，在降解 有机碳的同时，具有同步脱氮除磷的功能。与传统的活性污泥法相比， 好氧颗粒污泥技术的应用可简化工艺流程、减少污水处理系统的容积 和占地面积、降低投资和运行成本。
好氧颗粒污泥的以上特性和优势引起了污水处理研究者的极大 兴趣和关注。近20年来，国内外对好氧颗粒污泥的培养条件、形成 机理、结构特性及降解功能等进行了大量研究，取得了许多研究成果。
好氧颗粒污泥具有独特的外形及结构，因此其形成对于外界环境 的要求较为严格，各种针对反应器构型的研究也相继出现。专利 CN101941760A培养好氧颗粒污泥的装置及其专用反应器、专利 CN2725285Y用于好氧颗粒污泥培养及其研究的自动化序批式反应装 置、专利CN201923881U一种好氧颗粒污泥污水处理装置、专利 CN201485326U固定化颗粒污泥好氧反应器和专利CN201520671U基 于工程化应用的好氧颗粒污泥培养一体化方形装置，都是以序批式好 氧反应器为雏形改造而成，基本原理大同小异，即均由进水系统、曝 气系统、反应器主体、排水排泥系统和控制系统几部分所组成，利用 序批式反应器自身运行特点实现对于沉降性能优异的好氧颗粒污泥 的筛选富集，然而缺点也是共同存在的，间歇式的操作运行方式使其 在实际应用过程中必须配以额外的蓄水池以储存外界源源不断产生 的大量废水。基于这一问题，专利CN101898850A一种用于黄连素制 药废水处理的连续流好氧颗粒污泥膜生物反应器则采用了连续流技 术，可以实现对于废水的不间断处理，但其单一的处理对象制约了其 进一步的发展。专利CN201386041Y一种好氧颗粒污泥膜生物反应器 系统将生物处理方法中的好氧颗粒污泥技术与膜生物反应器技术进 行了的结合，兼顾了两种技术的优势，但在实际运行中仍然存在一定 程度的膜污染问题。
与此同时，人们还研究了不同的操作运行方式对好氧颗粒污泥形 成的影响。专利CN101948168A一种分步进水运行模式培养好氧颗粒 污泥的方法、专利CN101928067A一种好氧反硝化颗粒污泥的培养方 法、专利CN101468849A利用负荷调控技术快速培养好氧颗粒污泥的 方法和专利CN101648746A一种好氧颗粒污泥的优化培养方法，均属 于通过对系统操作工艺的调控以期实现针对污泥驯化过程中不同阶 段分别进行控制的目的，但由于污泥自身成分复杂多样，而以上几种 方法都只针对一种接种污泥进行了研究，无法证明其通用可行性。
此外，由于目前环境中存在的废水种类繁多，而为了得到针对性 较强的处理工艺，人们还进行了由不同基质对于好氧颗粒污泥驯化的 相关研究。专利CN101450829A利用好氧颗粒污泥去除水中甲苯的方 法、专利CN101935013A一种以2，4-二氯苯氧乙酸为替代碳源的降解 氯酚好氧颗粒污泥培养方法和专利CN1834029A一种硝基酚降解好氧 污泥颗粒化方法分别对三种普遍存在于工业废水中的难降解物质为 基质培养好氧颗粒污泥，去除效果较好。但实际的废水除了成分较为 复杂之外还存在着负荷波动难以预料的特点，上述方法均未涉及针对 耐负荷波动工艺的研究。
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中自养硝化颗粒污泥的培养，在 以氨氮作为唯一氮源的条件下，经过120天的培养后得到了平均粒径 为0.32mm的好氧颗粒污泥，边缘清晰;并得出了100-250mg/L的氨 氮是SBR培养硝化颗粒的最适浓度。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.)考察了好氧颗粒污泥对于在石化废水中的培养与性质，在培养 167天后，反应器内颗粒污泥粒径逐渐由最初的0.06mm升至1.17mm。
从好氧颗粒污泥被首次发现至今，这个领域的研究时间不过20 年，对于好氧颗粒污泥培养阶段的影响因素和运行条件的研究还不够 深入，很多方面还存在较大的争议。并且对于耐负荷波动性好氧颗粒 污泥快速培养的研究更是罕有报道，对其影响的因素和条件是否与培 养启动时相同也并不确定。
因此，针对目前存在的颗粒污泥培养时间长、有机废水负荷波动 强等问题，需要开发一种所需培养时间短，且成本低廉的适用于负荷 波动性环境的好氧颗粒污泥的快速培养方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一 种好氧颗粒污泥的固定化培养方法。该方法通过特定的反应器构型以 及运行工艺，短期内成功培养得到了活性高、波动耐受力强的好氧颗 粒污泥。
为实现上述目的，本发明提供了一种好氧颗粒污泥的固定化培养 方法，包括：
步骤A，将污泥接种到第一反应器中，经空载曝气培养、沉降及 排出上清液获得好氧活性污泥;
步骤B：将好氧活性污泥及培养液放入第二反应器中，加入团聚 剂和/或微粒载体，在曝气条件下，经固定化培养获得好氧活性污泥种 子微粒;
步骤C：对好氧活性污泥进行种子颗粒化培养，获得好氧颗粒污 泥;
其中，所述种子颗粒化培养过程是将好氧活性污泥种子及培养液 加入载有好氧活性污泥的第一反应器中，进行曝气培养;所述好氧活 性污泥种子包括好氧颗粒污泥碎片和/或好氧活性污泥种子微粒，其用 量为反应器内所载有好氧活性污泥的10～50wt%。
在根据本发明方法的一个优选实施例中，步骤C中所述种子颗粒 化培养过程是将好氧活性污泥种子及培养液加入载有好氧活性污泥 的第一反应器中，加入团聚剂和/或污水处理优势菌群，进行曝气培养。 其中，污水处理优势菌群是根据目标废水中所需去除的污水基质对好 氧活性污泥进行定向富集培养，再经筛选、优化及组合获得。
在本发明的一个实施例中，根据目标废水中所需去除的污水基质 进行优势菌群的选育与培养。所述定向富集培养过程是将好氧活性污 泥放入反应器中，加入培养介质，通过曝气或摇床富集培养，获得混 合菌液;所述培养介质为目标废水。所述曝气培养在第三反应器内进 行，所述第三反应器的高径比为1～15∶1，所述曝气过程的曝气量控制 在1～50L/h之内。所述摇床培养，摇床转速控制在10～200r/min之内。
所述筛选，例如，可以采用稀释法与平板筛选法分别从混合菌液 中分离出纯度提高的单个菌株，组合后继续培养一定时间，获得复合 优势菌群。
所述优化，例如，可以采用紫外线照射法实现，如，将混合菌液 制备成菌悬液置于紫外灯下照射5～15s，对经紫外线处理后的菌悬液 再进一步进行筛选及组合，获得复合优势菌群。
本发明中所称污水处理优势菌群是指生物絮凝能力较强或对目 标废水中的污水基质具有较强去除能力的菌群。
根据本发明方法，步骤B和C中所述培养液包括模拟废水和/或 营养元素。所述团聚剂包括絮凝剂和/或交联剂，其用量为0～100mg/L。 所述微粒载体为多孔类材料，其粒径为1～500μm，用量为0～100mg/L。 所述好氧活性污泥种子微粒的粒径在0.5mm以下。
在本发明的一个实施例中，所述模拟废水按照BOD∶TN∶TP为 100∶(5～50)∶(1～5)的比例配制。所述营养元素包括金属元素和/或非金属 元素。
所述絮凝剂为聚合三氯化铁、聚合氯化硫酸铁、聚磷硫酸铁、聚 合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合磷酸铝中的一种或几种。
所述交联剂包括有机交联剂和/或无机交联剂;其中，有机交联剂 选自壳聚糖、聚乙二醇、戊二醛中的一种或多种;无机交联剂选自硫 酸铝、硼砂、氯化铝中的一种或多种。
所述多孔类材料选自聚乙烯醇水凝胶、海藻酸钠水凝胶、聚N- 异丙基丙烯酰胺水凝胶、大孔树脂、活性炭中的一种或多种。
在本发明的另一个实施例中，所述金属元素选自以一种或多种价 态存在的Zn、Fe、Mo、Co、Na、K、Cu、Ni、Mn、Ca、Al、Mg金 属离子中的一种或多种;所述非金属元素选自氯离子、醋酸根、硫酸 根、磷酸根、铵根中的一种或多种。
根据本发明方法，步骤A中所述污泥接种量为5～15g/L，曝气量 为25～2000L/h，曝气时间为3～72h，沉降时间为30～60min。该过程中， 对污泥进行曝气可以将污泥中氨气、硫化氢等物质吹脱殆尽，例如， 使污泥脱除异味，同时，培养污泥的好氧活性。
根据本发明方法，步骤B和C中的第一及第二反应器均按照进水 -曝气-沉降-出水-闲置的方式自动运行，反应器的一个运行周期为 2～12h，其中，进水0.5～10min，曝气90～690min，沉降1～30min，出 水0.5～5min，闲置1～10min，每天运行2～12个周期。
在步骤B和C中，模拟废水的初始加入量为反应器有效容积的 30～70%，在之后的运行过程中，每个运行周期按照沉降过程反应器的 容积交换率补充1次模拟废水，所述沉降过程反应器的容积交换率为 30～70%，营养元素的添加是从第一个运行周期开始，按照1～50ml/L 模拟废水的量，每5个运行周期添加一次，以此方式运行5～15天。
根据本发明方法，所述方法还包括对好氧颗粒污泥进行耐负荷波 动性驯化的步骤D，步骤D以与步骤C相同的方式及条件运行，并采 用缩短饥饿期时间的方法对好氧颗粒污泥进行耐负荷波动性驯化。所 述缩短饥饿期时间是通过一步、多步或逐步缩短曝气时间的方式进行 的，其初始曝气时间为90～690min，最终曝气时间为80～680min。
在本发明的一个实施例中，在采用多步或逐步缩短曝气时间的方 式进行好氧颗粒污泥驯化的过程中，每一个曝气时间下的驯化期为 1～12个运行周期。在采用逐步缩短曝气时间的方式进行好氧颗粒污泥 驯化的过程中，曝气时间递减梯度为1～60min/次。
好氧颗粒污泥培养过程中，微生物的活动、繁衍在运行周期中从 时间上可以分为“饱食期”和“饥饿期”两个阶段：饱食期属于底物吸附、 降解阶段，该阶段内，在运行周期初始阶段加入的底物主要在以下两个 过程的作用下浓度持续降低，分别是①污泥自身的吸附作用;②污泥 中微生物将底物合成中间贮能物质并进一步降解的作用，该阶段持续 时间较短。
本发明中所述“饥饿期”属于营养匮乏阶段，该阶段内，反应器混 合液中已无底物可用，微生物转而利用在“饱食期”合成的中间贮能物 质。在“饥饿期”，一方面细菌疏水性变强，由此可促进细菌间的相互 接触和粘连，有利于形成结构紧凑的颗粒污泥;但是另一方面，耐低 营养等特点的丝状菌群的生成会在反应器内会占据优势，影响颗粒的 紧密度、沉降性能和系统的稳定性。因此，通过一步、多步或逐步缩 短曝气时间的方法将“饥饿期”时间缩短并控制在一个较佳的范围内， 有利于稳态好氧颗粒污泥系统的沉降性能，从而实现好氧颗粒污泥的 耐负荷波动性驯化。
好氧颗粒污泥的形成对于水力剪切力以及溶氧(DO)浓度具有很 高的要求。保持反应器中有较高的剪切力有利于好氧颗粒污泥的形成 和稳定，剪切力的大小可以通过表面上升气流速度来表示，并且在一 定范围内气流速度越高，形成的颗粒外形越规则，结构更紧凑。溶解 氧浓度是颗粒污泥生长的限制因素，溶解氧浓度过低，氧气传质受到 影响，污泥内部将过早处于缺氧甚至厌氧状态而无法形成紧密稳定的 核心，进而抑制污泥颗粒的进一步增大。
因此，在曝气过程中，所述骤B、C和D中所述曝气过程的曝气 量为25～2000L/h。在所述各步骤中，第一及第二反应器内的表面气速 为0.7～6.0cm/s，系统的溶氧浓度维持在1～9mg/L，pH为6.5～7.5。
根据本发明方法，所述第一及第二反应器高径比为1～15∶1。
本发明中所述第一、第二和第三反应器可以是独立的若干个相同 或不同反应器，也可以是同一个反应器。
本发明中，各种水质指标检测方法均依照国家标准进行。其中， BOD(生化需氧量)的测定采用稀释与接种法;COD(化学需氧量) 检测方法为快速消解分光光度法，所用仪器为哈希DRB200快速消解 器和哈希RD1010比色仪;氨氮检测方法为纳氏试剂分光光度法，所 用仪器为Spectrum752型紫外分光光度计;总磷检测方法采用钼酸铵 分光光度法;颗粒粒径采用国家统一标准筛按照筛分法测定;污泥体 积指数(SVI)根据其定义进行测定，即SVI=混合液30min静沉后污泥 容积(mL)/污泥干重(g)。
本发明在研究了好氧颗粒污泥培养和稳定运行的影响因素和运 行条件的基础上，分析了不同条件下好氧颗粒污泥系统的运行效果， 以及颗粒污泥的物化性质等方面的差异，通过特定的反应器构型以及 运行工艺，采用固定化及种子颗粒化培养方法在短期内成功培养得到 了高活性好氧颗粒污泥，并进一步通过耐负荷波动性驯化获得波动耐 受力强的好氧颗粒污泥。
本发明属于好氧颗粒污泥技术，占地面积小、处理能力强、剩余 污泥少。采用其他工艺驯化得到好氧颗粒污泥通常需要2～4个月，而 根据本发明方法可将普通活性污泥在一个月之内培养驯化成好氧颗 粒污泥，大幅缩短了整个工艺的启动时间;培养出的好氧颗粒污泥具 有良好的沉降性，污泥体积指数(SVI)稳定在70以下，最低可以达 到25，颗粒粒径较大，在0.5～3mm之间，可长时间处理不同COD的 废水。
本发明方法的处理对象主要为发酵废水，如淀粉废水、柠檬酸废 水、酿酒废水、味精废水等;市政废水，如餐厨废水、生活污水等。 此外，还有医药废水、皮革废水、印染废水、高盐氨氮废水，以及石 化企业生产废水等，其主要水质情况见表1。
表1废水主要水质情况
上述水质的废水，采用根据本发明方法培养获得的好氧颗粒污泥 处理，COD和氨氮去除率均可达到80%以上，出水COD及氨氮浓度 分别可以稳定在100mg/L和5mg/L以下，且耐负荷波动能力强，系统 运行稳定，出水水质基本符合国家一级排放标准。