申请日2006.10.20
公开(公告)日2008.06.11
IPC分类号C12N1/38; C02F3/12; C01F17/00
摘要
本发明公开了稀土元素在好氧颗粒污泥培养以及控制污泥膨胀中的应用。其应用方法是：从好氧颗粒污泥培养启动开始，每隔三天向生化反应器内投加浓度不超过30mg/L的稀土元素溶液。本发明利用稀土元素培养的好氧颗粒污泥具有形成时间短、颗粒密度大、含水率低、沉降速率高、SVI值低、COD负荷高等优点。
权利要求书
1.稀土元素在好氧颗粒污泥培养以及控制污泥膨胀中的应用，其特征是：所述稀土 元素的应用方法是：从好氧颗粒污泥培养启动开始，每隔三天向生化反应器内投加浓度 不超过30mg/L的稀土元素溶液。
2.如权利要求1所述的应用，其特征是：所述稀土元素的应用方法是：从好氧颗粒 污泥培养启动开始，每隔三天向生化反应器内投加浓度为30mg/L的稀土元素溶液。
3.如权利要求1或2所述的应用，其特征是：所述稀土元素是可溶性盐类稀土元素 化合物。
4.如权利要求3所述的应用，其特征是：所述可溶性盐类稀土元素化合物是硝酸镧、 硝酸铈、硝酸钕中的一种。
说明书
稀土元素在好氧颗粒污泥培养以及控制污泥膨胀中的应用
技术领域
本发明涉及稀土的生物效应及环境微生物等领域，尤其涉及利用稀土元素在微生物 中独特的生物特性，将其应用于好氧颗粒污泥的快速培养以及污泥膨胀的控制。
背景技术
1.稀土
中国是一个稀土资源大国，无论是稀土矿产品，还是资源总量和工业储量都居世界 领先地位。稀土的应用日益广泛，已知稀土在冶金行业，石油化工、农业、医药等领域 都得到应用。稀土元素的生物活性研究是20世纪初开始的，从大量的文献中可知稀土元 素对微生物具有广泛的生物学作用
(1)稀土元素对微生物的生物学影响
适宜浓度的轻稀土元素在生长前期对微生物生长有轻微刺激作用，但随着培养时间 的延长，促进作用减弱。提高稀土元素的浓度，对微生物的生长产生抑制作用表现为菌 落初生时间比对照延迟，菌落直径减小。当浓度大于一定值后，微生物生长基本处于停 止状态，同时对微生物的代谢产物和胞外酶的分泌能力有一定影响。菌体细胞的氨基酸 总量、氨基酸组成也发生了变化。
(2)稀土元素对细胞的生物化学作用机理
稀土对生物膜的影响主要包括以下三方面：第一，稀土与膜上转运蛋白或磷脂相互 作用，使转运蛋白活性或膜通道大小发生变化，从而提高膜主动或被动运输能力;第二， 稀土可与膜代谢蛋白相互作用，影响生物膜的能量代谢;第三，稀土可与膜受体蛋白相 互作用，参与细胞信息传递。
(3)稀土金属离子与酶分子的相互作用机理
当浓度较低时稀土元素对酶具有变构激活作用，而浓度高时对酶具有抑制作用。作 用位点大多在活性以外的变构位点，稀土金属离子与酶的变构位点结合后，使酶的构象 改变而影响酶的活性。
随着稀土元素对微生物生物功能活性，对细胞的跨膜行为机理，对细胞的生物化学 作用机理与酶分子的相互作用机理研究的不断深入，其在环境保护、微生物等领域的应 用研究也越来越活跃。
2.好氧颗粒污泥
好氧颗粒污泥是微生物在好氧环境下的自凝聚现象，自凝聚是生物处理系统中，微 生物在适当环境条件下，相互聚合形成一种密度、体积比较大，活性和传质条件都比较 好的共生体颗粒的现象。国内外学者在好氧颗粒污泥的研究方面做了大量细致的工作， 1991-1998年是研究好氧颗粒污泥的初级阶段，开始认识到在好氧环境下污泥也可以颗 粒化，此阶段只是报道了好氧颗粒污泥的出现的现象，未进行深入的研究。而进入第二 阶段(1999-2000)好氧环境下污泥的颗粒化开始引起人们的关注，在这个期间，好氧污 泥颗粒化被许多学者所报道，研究热点主要是好氧颗粒污泥形成的基本条件。从2001至 今，随着好氧颗粒化技术的发展，各国学者开始对好氧颗粒污泥的培养条件、影响因素 进行了深入的研究。
随着我国人口的增加，土地资源弥显珍贵，普通的活性污泥法及生物膜法等好氧处 理方法占地面积大，制约水处理行业的发展，而好氧颗粒污泥方法依托SBR工艺，具有 占地面积小、沉降性能良好、生物量高和在高容积负荷条件下降解高浓度有机废水的良 好生物活性，因而应用前景诱人而广阔。
发明内容
本发明的目的在于将稀土元素应用于好氧颗粒污泥，提供一种安全、有效的可促进 好氧颗粒污泥形成以及控制污泥膨胀现象出现的新方法，即稀土元素在好氧颗粒污泥培 养以及控制污泥膨胀中的应用。该方法将有助于氧颗粒污泥工艺的工业化及污泥膨胀防 治技术的发展。
稀土元素在好氧颗粒污泥培养以及控制污泥膨胀中的应用，其特征是：所述稀土元 素的应用方法是：从好氧颗粒污泥培养启动开始，每隔三天向生化反应器内投加浓度不 超过30mg/L的稀土元素溶液。
其中：所述稀土元素的应用方法优选是：从好氧颗粒污泥培养启动开始，每隔三天 向生化反应器内投加浓度为30mg/L的稀土元素溶液。
上述应用中：所述稀土元素是可溶性盐类稀土元素化合物。
其中：所述可溶性盐类稀土元素化合物优选是硝酸镧、硝酸铈、硝酸钕中的一种。
下面通过具体试验来对本发明的技术方案和技术效果作进一步说明：
分为两部分进行：
1.在六个250ml的锥形瓶中分别加入活性污泥及人工污水共100ml，然后加入适量稀 土贮备液，使稀土元素浓度分别为0.0、10.0、20.0、30.0、50.0、70.0mg/L;将锥形 瓶放入恒温(25℃)摇床培养24h后，观察污泥表观征状并记录，取样后用显微镜观察、 拍照，并测定各个锥形瓶中的污泥总量及耗氧速率。
通过以上实验数据可知不同浓度的稀土对活性污泥的活性都具有不同程度的抑制， 但同时发现在30mg/L左右的浓度下稀土可促进微生物分泌胞外多聚物，使微生物聚集生 长，且可以较为快速的促进微生物的生长，所以选取30mg/L左右浓度的稀土作为微生物 促进剂是可行的。
2.在第一部分研究的基础上以普通絮状活性污泥为接种污泥，利用两个SBR反应器 (分别为SBR I和SBR II)中在好氧曝气条件下运行三阶段培养好氧颗粒污泥，同时观察污 泥颗粒形态和结构的变化，监测MLSS、VSS、VSS/MLSS、SVI、COD和胞外多聚物组分的 变化。从反应器启动开始，每隔三天向SBR I投加预先配制好的稀土元素溶液，使SBR I 反应器内稀土元素浓度为30mg/L，SBR II作为对比反应柱不投加稀土元素。
从研究数据可知在好氧颗粒污泥形成时期，SBR I反应器的MLSS值在大部分时间是 大于SBR II反应器的(见图1)，说明添加稀土元素对污泥量的增加有明显的效果;图2 是颗粒污泥形成过程中VSS/MLSS值的变化曲线图，由图可见，接种污泥的VSS/MLSS值 为0.82，经过28天的培养，两个SBR反应器的VSS/MLSS值分别为0.86和0.84，可以 看出稀土元素对改善活性污泥中有机物质的含量有较为显著的作用;从图3可知SBR I COD去除率基本稳定在85-95之间，SBR II的去除率基本稳定在80-90之间，SBR I比SBR II 的COD去除率要高;从图4在好氧颗粒污泥形成过程中SVI变化曲线可知在SBR I反应 器的SVI值在大部分时间是小于SBR II反应器的，基本保持在30-80之间，甚至当SBR II反应器中SVI达到166ml/g，发生轻微污泥膨胀时，SBR I反应器内SVI值也只在80 左右，说明稀土可控制丝状菌的增殖，保持丝状菌与菌胶团细菌平衡，对改善并保持活 性污泥沉降性能有明显的效果。从图5表示的两个反应器中颗粒污泥形成过程中胞外多 聚物组分含量的变化可知，两个反应器在颗粒的形成过程中蛋白质的含量均有增加的趋 势;多糖在颗粒形成初期有所降低后略有增加，总体变化幅度较小。SBR I反应器中蛋白 质与多糖比值从2.29增加到4.88，SBR II反应器从2.29增加到4.15。随着蛋白质与多 糖比值增加，则污泥表面负电荷降低、疏水性增加，有利于好氧颗粒污泥的形成和稳定， 可见稀土将通过对胞外多聚物的影响而影响好氧颗粒污泥的形成。对比采用稀土元素培 养的好氧颗粒污泥与普通法培养的好氧颗粒污泥，可发现前者在颗粒的密度、含水率、 沉降速率、SVI、COD污泥负荷方面都较后者优越。