CN102181421A

CN102181421A - 一种利用聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭包埋强化厌氧氨氧化微生物活性的方法

Info

Publication number: CN102181421A
Application number: CN2011100296581A
Authority: CN
Inventors: 贾晓珊; 钟玉鸣; 刘金苓; 张再利
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明属于水处理领域，涉及一种利用利用聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭包埋强化厌氧氨氧化微生物活性的方法，概括来讲是先将活性炭用厌氧氨氧化基础无机盐溶液进行浸泡处理后，将聚乙烯醇、海藻酸钠和活性炭按照比例配制成包埋剂；将经处理的厌氧氨氧化污泥与包埋剂按体积比均匀混合，制得固定化小球，再经过培养获得在稳定耦合于活性炭上的厌氧氨氧化微生物。发明针对低碳氮比的废水，能提供一种以海藻酸钠，聚乙烯醇为载体，活性炭为强化剂包埋厌氧氨氧化污泥的方法，增强厌氧氨氧化微生物活性，抵抗不良环境影响的技术。并能较稳定的长期运行，符合污水厂实际运行管理的条件。

Description

一种利用聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭包埋强化厌氧氨氧化微生物活性的方法

技术领域

本发明属于水处理领域，或环境工程，或环境微生物，是一种强化厌氧氨氧化微生物活性的方法。

背景技术

现代工业与生活污水中存有大量含氮污染物，水中大量的氮元素会导致水中总氮升高，诱发水体富营养化，氮元素的转化需要消耗水中的溶解氧，从而导致水体缺氧，而其它氮素则会毒害人类与其他生物。目前，采用的脱氮工艺是硝化反硝化技术。传统脱氮技术需要投加额外的有机碳源与曝气以满足脱氮的需要，因此脱氮工艺运行成本较高，能耗巨大。

上世纪90年代随着厌氧氨氧化现象的发现，新型高效节能的厌氧氨氧化工艺应运而生。厌氧氨氧化工艺是新型高效节能的脱氮工艺，与传统脱氮工艺相比其优点有：（1）厌氧氨氧化微生物为自养微生物，反应过程不需要添加有机物；（2）厌氧氨氧化过程不需要曝气，大大节省动力消耗；（3）厌氧氨氧化工艺能处理高氨氮类废水，单位负荷较高，能减少反应器的体积；（4）工艺所产生的剩余污泥较少，可节省大量处理污泥的费用。根据最近研究表明：厌氧氨氧化微生物生长缓慢，较难培养，厌氧氨氧化微生物只有在高浓度条件下才会有活性；活性也容易受有机物影响；因此，如何强化其活性与提高其抗性，减少运行中污泥的流失，就成为厌氧氨氧化工艺实用化必须克服的困难。

本发明就是针对该问题而开发的包埋固定化技术。本技术能较稳定的富集厌氧氨氧化污泥，并提供一个缺氧的微环境以保护厌氧氨氧化微生物，增强其抵抗有机物及其他不利因素的能力；同时，通过包埋固定后令微生物与污泥流失率减低，方便污泥回流，可满足日常污水处理厂运行的需要。

目前较新的厌氧氨氧化包埋技术有：

（1）亚硝化-厌氧氨氧化单级生物脱氮方法 - 200710105719.1有权

该发明公开了一种亚硝化-厌氧氨氧化单级生物脱氮方法,所述工艺利用投加粉末状活性炭后所强化形成的以活性炭为核心的亚硝化菌群与厌氧氨氧化菌群两类菌群的共生复合颗粒污泥,以及其发生的亚硝化反应与厌氧氨氧化反应两种反应的耦合。

（2）一种厌氧氨氧化混培物包埋固定化方法 - 200710032531.9审中；本发明提供一种厌氧氨氧化混培物包埋固定化方法,包括包埋剂的获取、包埋剂与污泥混合、固定化厌氧氨氧化小球的获取和固定化厌氧氨氧化小球的活化等步骤,包埋剂的获取是称取聚乙烯醇和海藻酸钠,制成溶液,按照质量百分比计,聚乙烯醇的浓度6%～10WT%,海藻酸钠的浓度为1%～2WT%,搅拌均匀,制成混合包埋剂;该方法工艺简单,操作简便,造价低廉,包埋固定化ANAMMOX混培物成功,可以灵活设计出高效的作用专一的厌氧氨氧化反应器,与前置亚硝化反应器组成高效稳定的生物脱氮系统,适于工业化生产,可取得良好的经济、环境效益。

发明内容

本技术针对以上未解决的问题，提供一种基于海藻酸钠、聚乙烯醇交联载体，活性炭材料为添加剂的强化活性与固定效果包埋技术，利用活性炭的立体疏松状多孔结构为微环境富集厌氧氨氧化微生物,使固定区域的微生物高浓度化，减少生物量的流失，同时该方法提高了脱氮工艺的效率，增加培养物抵抗不良环境因素的能力，并能较稳定的长期运行。具有广泛推广应用的前景。

发明提供了一种利用聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭包埋强化厌氧氨氧化微生物活性的方法，其特征在于包括以下步骤：①将活性炭用厌氧氨氧化基础无机盐溶液进行浸泡处理；②将聚乙烯醇、海藻酸钠和活性炭混合配制成包埋剂；③在厌氧条件下将厌氧氨氧化污泥与包埋剂均匀混合制成污泥混合液，将污泥混合液加入到CaCl₂ 溶液中，制得固定化小球；④在厌氧氨氧化基础无机盐溶液中培养获得稳定耦合于活性炭上的厌氧氨氧化微生物；所述厌氧氨氧化基础无机盐溶液由以下物质组成： KHCO₃ 0.40-0.6 gL^-1， MgSO₄·7H₂O 0.30-0.35 gL^-1， KH₂PO₄ 0.02-0.03 gL^-1，CaCl₂ 0.1-0.15 gL^-1，NaNO₂ 0.3-0.4 gL^-1，(NH₄)₂SO₄ 0.4-0.5 gL^-1。

步骤①所述活性炭为木质粉状活性炭；步骤③所述的固定化小球直径为3-6mm。

步骤①所述的活性炭在采用厌氧氨氧化基础无机盐溶液进行浸泡处理前先经过酸碱处理：活性炭冲去杂质与粉尘后，用自来水漂洗活性炭，去除粉尘杂质后，用9-10%盐酸溶液浸泡20-30 小时，用水冲洗后再用质量分数1-2%氢氧化钠溶液浸泡20-30小时，然后用水冲洗，放入生理盐水中浸泡20-30小时后烘干。

步骤①所述厌氧氨氧化基础无机盐溶液浸泡处理时间为20-30小时。

步骤③所述的固定化小球由CaCl₂包裹的聚乙烯醇、海藻酸钠和活性炭混合物与厌氧氨氧化污泥的球状固体。

步骤④所进行的培养条件如下：在温度25-30℃的条件下培养1-2周。

步骤③所述厌氧氨氧化污泥先经过以下处理：用pH7.5-8.0的磷酸缓冲溶液冲洗2-3遍，经沉淀或离心后获得。

步骤③所述厌氧氨氧化污泥与包埋剂按体积1：1-1:3比例混合。

步骤③中用 30 ml无针头的注射器或用蠕动泵将混合液逐滴加入到质量分数为4%CaCl₂ 溶液中，交联10-14 小时。

本发明还提供了一种用于包埋强化厌氧氨氧化微生物活性的包埋剂，其特征在于由聚乙烯醇、海藻酸钠和活性炭按照质量百分比10:0.6:1.2的比例配制成。

本发明另外提供了一种应用于强化并固定厌氧氨氧化微生物的溶液，其特征在于由以下物质组成：KHCO₃ 0.40-0.6 gL^-1， MgSO₄·7H₂O 0.30-0.35 gL^-1， KH₂PO₄ 0.02-0.03 gL^-1，CaCl₂ 0.1-0.15 gL^-1，NaNO₂ 0.3-0.4 gL^-1，(NH₄)₂SO₄ 0.4-0.5 gL^-1。

以下通过优选方案进一步阐释本发明方法，该方法包括以下步骤：

（1）固定材料获取：活性炭的选择：可采用木质粉状活性炭。使用前首先进行前处理：先用冲洗去除杂质与粉尘，冲洗至出水澄清。然后用 10%盐酸溶液浸泡24 小时，用自来水冲洗后再用 2%氢氧化钠浸泡24 小时，然后用自来水和蒸馏水冲洗，放入生理盐水中浸泡 24 小时后烘干，放入厌氧氨氧化基础无机盐溶液中浸泡 24 小时，待用。基础无机盐溶液为： KHCO₃ 0.50 gL^-1， MgSO₄·7H₂O 0.34 gL^-1， KH₂PO₄ 0.027gL^-1，CaCl₂ 0.136 gL^-1，NaNO₂ 0.365 gL^-1，(NH₄)₂SO₄ 0.33 gL^-1。

（2）厌氧氨氧化污泥的处理：将厌氧氨氧化污泥取出，经过pH7.5-8.0的磷酸缓冲溶液冲洗3遍，经沉淀或离心后待用。

（3）包埋剂的获取：聚乙烯醇（PVA）-海藻酸钠（SA）-活性炭包埋固定化方法。分别按质量百分比PVA 10%、SA 0.6% 和活性炭 1.2 %的比例配制成混合溶液，制成包埋剂。

（4）固定污泥过程：在厌氧条件下将污泥与混合液按体积1：2比例均匀混合，然后用 30 ml 注射器（无针头）或用蠕动泵将混合液逐滴加入到 4% CaCl₂ 溶液中，交联 12 小时，可得到固定化小球，其直径为3-6mm。然后将其放入厌氧氨氧化基础无机盐溶液培养，待用。

（5）包埋小球的活化阶段：固定化厌氧氨氧化微生物需要通过活化，才能使用。在温度为25-30℃条件下，利用厌氧氨氧化基础无机盐溶液培养1周，使微生物完全附着在活性炭的表面与内部，稳定耦合。固定后可放入反应器中，直接使用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）发明针对低碳氮比的废水（氨氮高于50mg/L,且COD低于80mg/L污水），本技术能较稳定的富集厌氧氨氧化污泥，并提供一个缺氧的微环境以保护厌氧氨氧化微生物，增强其抵抗有机物及其他不利因素的能力；同时，通过包埋固定后令微生物与污泥流失率减低，可满足日常污水处理厂运行的需要。活性炭具有一定的吸附有机物能力，能减轻有机物及其他毒物对厌氧氨氧化污泥的影响，强化厌氧氨氧化反应的进行。

（2）固定材料应用成本便宜，在容易的获得的聚乙烯醇（PVA）-海藻酸钠（SA）为固定材料，辅以粉末活性炭为强化添加剂。厌氧氨氧化微生物容易在立体网状疏松型多孔材料中生长，并能稳定附着在孔道内侧，孔隙与孔道中。聚乙烯醇（PVA）-海藻酸钠（SA）与活性炭对生物毒性极低，广泛应用于水处理与生物吸附工艺中，具有良好的经济性与实用性，长期运转无发胀，解体，造成二次污染等问题，具有较好的抗冲击能力，物理稳定性与机械强度。

（3）发明固定化过操作程简单，可灵活应用于专一性厌氧氨氧化填料反应器与小型反应器中，可大规模推广应用，活性炭能有效的被厌氧生长的微生物附着，并具有一定的吸附降解性能。

（4）加入活性炭后，让包埋小球具有一定的吸附有机物能力，能减轻有机物及其他毒物对厌氧氨氧化污泥的影响，强化厌氧氨氧化反应的进行。同时，活性炭能增加包埋小球吸附厌氧氨氧化微生物的量，增加比表面积，强化厌氧氨氧化活性。

附图说明

图1为一定时间内对照组、海藻酸钠（SA）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯醇-海藻酸钠（PVA-SA）和聚乙烯醇（PVA）-海藻酸钠（SA）-活性炭NH₄ ⁺-N 去除量关系表。

图2为一定时间内对照组、海藻酸钠（SA）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯醇-海藻酸钠（PVA-SA）和聚乙烯醇（PVA）-海藻酸钠（SA）-活性炭NO₃ ^--N 去除量关系表。

具体实施方式

实施例1

利用木质粉状活性炭为强化剂强化厌氧氨氧化微生物活性。木质粉状活性炭以果壳和木屑为原料精制而成，外观为黑色细微粉末状，无毒、无味、具有比表面积大、吸附能力强。适用于制糖、制药、饮料、酒类、食品、印染、造纸、化工、工业废水等水质的净化行业，对有机物溶剂的脱色、除臭、精制、提纯和污水处理方面也广泛使用。木质粉状活性炭物理、化学性能分析，分析结果如表1所示：

表1 活性炭物化性能分析结果

分析项目	测试数据	分析项目	测试数据
				碘值	＞900mg/g	亚甲基蓝吸附值	≥8ml
比表面积	＞1000m²/g	水份	≤8%
				PH值	中性

（1）固定材料获取：对木质粉状活性炭进行前处理：先用自来水冲洗去除杂质与粉尘，冲洗至出水较澄清。然后用 8%-10%盐酸溶液浸泡24 小时，用自来水冲洗后再用 2-4%氢氧化钠浸泡24 小时，然后用自来水和蒸馏水冲洗，放入生理盐水中浸泡 24 小时后烘干，放入厌氧氨氧化基础无机盐溶液中浸泡 24 小时，待用。

基础无机盐溶液为： KHCO₃ 0.50 gL^-1， MgSO₄·7H₂O 0.34 gL^-1， KH₂PO₄ 0.027gL^-1，CaCl₂ 0.136 gL^-1，NaNO₂ 0.365 gL^-1，(NH₄)₂SO₄ 0.33 gL^-1。

（2）将厌氧氨氧化污泥取出，经过pH7.5-8.0的磷酸缓冲溶液冲洗3遍，经沉淀或离心后待用。

（3）将聚乙烯醇（PVA）-海藻酸钠（SA）-活性炭分别按质量百分比PVA 10%、SA 0.6% 和活性炭 1.2 %的比例配制成混合溶液，制成包埋剂。

（4）固定污泥过程：在厌氧条件下将污泥与混合液按体积1：2比例均匀混合，然后用 30 ml 注射器（无针头）将混合液逐滴加入到 4% CaCl₂ 溶液中，交联 12 小时，得到固定化小球，直径为3-6mm。然后将其放入厌氧氨氧化基础无机盐溶液培养，待用。用基础无机盐溶液冲洗三遍，然后浸泡 24 小时，最后收集至 1升玻璃瓶中，加0.5升基础无机盐溶液，整个过程均在厌氧条件下进行。

（5）包埋小球的活化阶段：在温度为25-30℃条件下，利用厌氧氨氧化基础无机盐溶液培养7天，固定后可放入反应器中，直接使用。

在厌氧条件下，将经过活化的小球加入目标污水，序批式反应，其中污水COD小于50mg/L,氨氮负荷为0.07kg/m³,亚硝酸盐负荷为0.09kg/m³，反应时间为15天，沉沉淀6小时，出水检测COD去除率90%（主要为活性炭吸附），氨氮去除率100%，亚硝酸盐去除率为100%。计算各处理 NO₂ ^--N 去除量/NH₄ ⁺-N 去除量比值在 1.24～1.40 范围内，均值1.28，NO₃ ^--N生成量/ NH₄ ⁺-N去除量比值在 0.17～0.24 范围内，均值为 0.22。总氮去除率90%以上，。固定化材料经过 6 次序批反应过程，氨氮与亚硝酸盐去除率基本不变，总氮去除率维持85%以上，效果良好。此外在对比试验中，取等量的悬浮污泥与海藻酸钠（SA）、聚乙烯醇（PVA）、聚乙烯醇-海藻酸钠（PVA-SA）等进行包埋、对聚乙烯醇（PVA）-海藻酸钠（SA）-活性炭包埋组进行对照，结果如图1、图2，显示聚乙烯醇（PVA）-海藻酸钠（SA）-活性炭包埋组效果最好。

实施例2

（1）固定材料获取：对木质粉状活性炭进行前处理：先用自来水冲洗去除杂质与粉尘，冲洗至出水较澄清。然后用 8%盐酸溶液浸泡24 小时，用自来水冲洗后再用 2%氢氧化钠浸泡24 小时，然后用自来水和蒸馏水冲洗，放入生理盐水中浸泡 24 小时后烘干，放入厌氧氨氧化基础无机盐溶液中浸泡 24 小时，待用。

基础无机盐溶液为： KHCO₃ 0.50 gL^-1， MgSO₄·7H₂O 0.30 gL^-1， KH₂PO₄ 0.027gL^-1，CaCl₂ 0.136 gL^-1，NaNO₂ 0.4 gL^-1，(NH₄)₂SO₄ 0.35 gL^-1。

（4）固定污泥过程：在厌氧条件下将污泥与混合液按体积1：3比例均匀混合，然后用 30 ml 注射器（无针头）将混合液逐滴加入到 4% CaCl₂ 溶液中，交联 10 小时，得到固定化小球，直径为4-6mm。然后将其放入厌氧氨氧化基础无机盐溶液培养，待用。用基础无机盐溶液冲洗三遍，然后浸泡 24 小时，最后收集至 2.5升玻璃瓶中，加1.2升基础无机盐溶液，整个过程均在厌氧条件下进行。

（5）包埋小球的活化阶段：在温度为25℃条件下，利用厌氧氨氧化基础无机盐溶液培养6天，固定后可放入反应器中，直接使用。

将经过活化的小球加入目标污水，序批式反应，其中污水COD小于45mg/L,氨氮负荷为0.09kg/m³,亚硝酸盐负荷为0.12kg/m³，反应时间为15天，沉沉淀6小时，出水检测COD去除率95%（主要为活性炭吸附），氨氮去除率99%，亚硝酸盐去除率为100%。总氮去除率92%以上。固定化材料经过 6 次序批反应过程，氨氮去除率为95%-99%,亚硝酸盐去除率为98%-100%,总氮去除率80%-89%,小球无破碎，处理效果良好。

Claims

1.一种利用聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭包埋强化厌氧氨氧化微生物活性的方法，其特征在于包括以下步骤：①将活性炭用厌氧氨氧化基础无机盐溶液进行浸泡处理；②将聚乙烯醇、海藻酸钠和活性炭混合配制成包埋剂；③在厌氧条件下将厌氧氨氧化污泥与包埋剂均匀混合制成污泥混合液，将污泥混合液加入到CaCl₂ 溶液中，制得固定化小球；④在厌氧氨氧化基础无机盐溶液中培养获得稳定耦合于活性炭上的厌氧氨氧化微生物；所述厌氧氨氧化基础无机盐溶液由以下物质组成： KHCO₃ 0.40-0.6 g·L^-1， MgSO₄·7H₂O 0.30-0.35 g·L^-1， KH₂PO₄ 0.02-0.03 g·L^-1，CaCl₂ 0.1-0.15 g·L^-1，NaNO₂ 0.3-0.4 g·L^-1，(NH₄)₂SO₄ 0.4-0.5 g·L^-1。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤①所述的活性炭为木质粉状活性炭；步骤③所述的固定化小球直径为3-6mm。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤①所述的活性炭在采用厌氧氨氧化基础无机盐溶液进行浸泡处理前先经过酸碱处理：活性炭冲去杂质与粉尘后，用自来水漂洗活性炭，去除粉尘杂质后，用9-10%盐酸溶液浸泡20-30 小时，用水冲洗后再用质量分数1-2%氢氧化钠溶液浸泡20-30小时，然后用水冲洗，放入生理盐水中浸泡20-30小时后烘干。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤①所述的厌氧氨氧化基础无机盐溶液浸泡处理时间为20－30小时。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤④所述的培养为：在温度25-30℃的条件下培养1－2周。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤③所述的厌氧氨氧化污泥先经过以下处理：用pH7.5-8.0的磷酸缓冲溶液冲洗2-3遍，经沉淀或离心后获得。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤③所述厌氧氨氧化污泥与包埋剂按体积1：1～1：3比例混合。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于在步骤③中用 30 ml无针头的注射器或用蠕动泵将混合液逐滴加入到质量分数为4%CaCl₂ 溶液中，交联 10－14 小时。

9.一种如权利要求1所述用于包埋强化厌氧氨氧化微生物活性的包埋剂，其特征在于由聚乙烯醇、海藻酸钠和活性炭按照质量百分比10:0.6:1.2的比例配制成。

10.一种应用于强化并固定厌氧氨氧化微生物的溶液，其特征在于由以下物质组成：KHCO₃ 0.40-0.6 g·L^-1， MgSO₄·7H₂O 0.30-0.35 g·L^-1， KH₂PO₄ 0.02-0.03 g·L^-1，CaCl₂ 0.1-0.15 g·L^-1，NaNO₂ 0.3-0.4 g·L^-1，(NH₄)₂SO₄ 0.4-0.5 g·L^-1。