CN112960780B - 一种生物膜载体的预处理方法及生物法污水处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种生物膜载体的预处理方法及生物法污水处理工艺，其中，生物膜载体的预处理方法，包含将生物膜载体置于含有激活菌的预处理溶液中浸泡，浸泡条件为10～20℃浸泡1～3d，激活菌为分泌NADH氧化酶的菌种。经过预处理的生物膜载体包被的激活菌分泌的NADH氧化酶可以促进微生物产生多糖多聚物、促进微生物的糖酵解和避免微生物受到过氧化物的抑制。将本发明的生物膜载体预处理方法应用于污水处理，可以促进生物膜的快速启动，甚至在低温条件下也能快速启动；并且不需要对微生物进行筛选、驯化或转基因等操作，形成的生物膜结构稳定，微生物密度高、物种多样性好，在污水处理领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理领域，具体涉及生物膜载体的预处理方法及生物法污水处理工艺。
背景技术
生物法污水处理工艺，即是通过生物作用来处理污染水体，以合适的滤料或填料作为载体，营造适合细菌生长的微环境，富集多种微生物(如细菌、原生动物和后生动物等)形成生物膜，利用微生物作用去除有机物及含氮无机物。根据不同的处理设备及运行方式，生物法污水处理工艺包括生物膜污水处理工艺和活性污泥法处理工艺，生物膜污水处理工艺又可以分为生物滤池法、生物转盘法、生物接触氧化法及生物流化床法等。
根据生物膜中微生物的生长方式，生物膜污水处理工艺又可称为固定模式生物过滤技术，微生物菌体通常会分泌多种胞外多糖类多聚物，而使微生物粘附生长于固定载体(或称填料)的表面，微生物群落及其多糖类等多聚产物与某些种类的原生动物一起成为生物膜的组成部分，成为降解污水的功能单元。
生物膜的挂膜时间决定了污水处理厂的启动时间。自然挂膜法的挂膜时间一般在30天以上，在不适宜的条件下，比如冬季的污水水温10℃以下，生物膜的挂膜时间会进一步延长，使得污水处理厂的启动时间显著延长，并且低温会抑制微生物的活性，影响生物膜对污水的处理效率。专利CN106430528A公开了一种低温条件下移动床生物膜反应器快速启动的方法，其通过对填料表面改性促进微生物贴附以及微生物的驯化以缩短低温条件下生物膜的形成，但是微生物在低温条件下生成的多糖类多聚物的效率较低，因此微生物对载体粘附性能不理想，同时对微生物的低温驯化会降低生物膜上群落的物种多样性。专利CN104973679A公开了一种基于低温环境下生物滤池的快速启动方法，其通过对滤池加热的方法促进生物膜的启动，但是其不能适用于大规模的污水处理，同时需要消耗大量的能源。
现有技术的生物膜快速启动方法工艺复杂、能耗高或产生的生物膜的物种多样性差。
发明内容
本发明第一方面提供了一种生物膜载体的预处理方法，其处理工艺简单，节能环保，可以让生物膜快速启动，并且可以保持生物膜具有较复杂的物种多样性。
本发明的生物膜载体的预处理方法，包含将生物膜载体置于含有激活菌的预处理溶液中浸泡，浸泡条件为10～20℃浸泡1～3d，激活菌为分泌NADH氧化酶的菌种。
相对于现有技术，本发明将生物膜载体浸泡于含有激活菌的预处理溶液中，获得了包被有激活菌的生物膜载体。将经过预处理的生物膜载体投入污水中，激活菌向生物膜载体的表面微环境中分泌NADH氧化酶，污水中的微生物与生物膜载体表面的NADH氧化酶接触后，微生物膜上的信号通路被激活，进而促进微生物产生胞外多糖类多聚物，促进微生物黏附于生物膜载体表面；NADH氧化酶进入微生物细胞内，可以促进微生物细胞内NADH向NAD+转化，从而将NADH氧化途径从大量形成ATP的氧化磷酸化途径转向生成水的NADH氧化酶途径，保证高速糖酵解所需的高NAD+水平和低ATP水平；污水中的微生物容易吸收或产生过氧化物如H2O2等，这些过氧化物会抑制微生物的增值，而NADH氧化酶可以在细胞内将过氧化物氧化还原为水而使得微生物免受过氧化物的抑制。经过预处理的生物膜载体包被的激活菌分泌的NADH氧化酶，可以促进生物膜的快速启动，甚至在低温条件下也能快速启动，并且不需要对微生物进行筛选、驯化或转基因等操作，形成的生物膜结构稳定，微生物密度高、物种多样性好，在污水处理领域具有良好的应用前景，将其应用于污水中，甚至是温度为6℃的污水中，可以快速的产生生物膜，发挥对污水的净化作用，工艺简单，节能环保，节约时间。
进一步的，激活菌为芽孢杆菌和乳杆菌中的至少一种。芽孢杆菌和乳杆菌分泌NADH氧化酶的效率较高，并且可以在污水环境中正常生长增值，不断分泌NADH氧化酶。
进一步的，激活菌的添加量为10～200mg/L。激活菌的添加量控制在一定范围，可以使得预处理溶液中的激活菌快速增值，并有效吸附于生物膜载体上。
进一步的，生物膜载体经过表面改性处理。通过表面改性处理可以提高激活菌和污水中微生物的吸附效率和吸附总量。进一步的，表面改性处理为液相氧化处理、超声处理、水浴处理和高分子改性剂处理中的至少一种。高分子改性剂可以为丙烯酸树脂。
进一步的，预处理溶液包含污水处理微生物。污水处理微生物指的是在生物法污水处理工艺中产生对有机质和氨氮类化合物的降解作用的硝化菌等或在生物膜潜伏期产生多糖类多聚物的微生物等，可以通过向预处理溶液中添加污水处理微生物溶液、粉末或活性污泥为预处理溶液提供污水处理微生物。活性污泥指来自污水处理厂的污水中的污泥，其富含多种污水处理中所需的微生物。预处理溶液中添加污水处理微生物后，预处理溶液中激活菌分泌的NADH氧化酶可以促进污水处理微生物的生长和粘附于生物膜载体，从而提高生物膜载体中有利于生物膜形成和净化作用的微生物的比例，同时进一步缩短生物膜挂壁时间和提高净化效率。
进一步的，预处理溶液包含生物絮凝剂。生物絮凝剂是一类由微生物产生的，可使液体中不易降解的固体悬浮颗粒凝聚、沉淀的特殊高分子代谢产物。其富含多糖和蛋白类物质，可以结合到生物膜载体上，促进微生物的贴附。
本发明第二方面提供了一种生物法污水处理工艺，包含生物膜载体于污水中的启动，生物膜载体通过前述的生物膜载体的预处理方法进行预处理。
上述生物法污水处理工艺，生物膜启动快，生物膜物种多样性好，净化效率高。
进一步的，污水水温为6～38℃。本发明的生物法污水处理工艺可以在低温环境下快速产生生物膜。
进一步的，上述生物法污水处理工艺可以是生物膜污水处理工艺或活性污泥法污水处理工艺，只要包含本发明的生物膜载体的启动步骤即可。
进一步的，所述污水COD值为100～700mg/L。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和有益效果，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。需说明的是，下述实施所述实施例是对本发明的进一步解释说明，不应当作为对本发明的限制。除特殊说明外，本实施例涉及的原料皆可通过市售而获得。
下述填料A的有效比表面积为500m2/m3，材料为高密度聚乙烯，符合中华人民共和国城镇建设行业标准CJ/T 461-2014中A类填料的标准，当然，也可以使用其它本行业常规的生物膜载体。下述生物絮凝剂为乳酸菌代谢产物的干粉，也可以是其它生物絮凝剂。下述活性污泥来源于龙江环保集团股份有限公司的生物污水处理池，采样时间为12月，来源于同一批活性污泥样品，当然也可以选择其它来源的活性污泥。
实施例1
一种生物法污水处理工艺，包含经预处理的生物膜载体于污水中的启动。
生物膜载体的预处理方法为：
(1)选择生物膜载体：将填料A经过液相氧化、水浴处理和丙烯酸树脂包被处理后作为生物膜载体。
(2)制备预处理溶液：每1L的LB培养基中，添加10mg的芽孢杆菌、200mg活性污泥和5mg生物絮凝剂，混匀后得预处理溶液，并将其转入移动床生物膜反应器中。
(3)预处理：将生物膜载体转入移动床生物膜反应器中，通过闷曝使芽孢杆菌、硝化细菌和填料充分接触，并附着于填料粘附层表面，形成微生物附着层，水温10℃、反应3d后停止曝气，将上清液从反应器排出，即完成生物膜载体的预处理。
(4)生物膜载体启动：向移动床生物膜反应器中通入水温为6℃、pH为7±0.5、COD值为700mg/L的污水，直至挂膜完成，评定完成生物膜载体启动的标准为，反应器出水COD值保持稳定，填料表面形成黄色生物膜，能镜检出原生和后生动物，记录挂膜完成的时间和最终出水COD值。
实施例2
一种生物法污水处理工艺，包含经预处理的生物膜载体于污水中的启动。
生物膜载体的预处理方法为：
(1)选择生物膜载体：将填料A经过液相氧化、水浴处理和丙烯酸树脂包被处理后作为生物膜载体。
(2)制备预处理溶液：每1L的LB培养基中，添加10mg的芽孢杆菌、200mg活性污泥和5mg生物絮凝剂，混匀后得预处理溶液，并将其转入移动床生物膜反应器中。
(3)预处理：将生物膜载体转入移动床生物膜反应器中，通过闷曝使芽孢杆菌、硝化细菌和填料充分接触，并附着于填料粘附层表面，形成微生物附着层，水温20℃、反应1d后停止曝气，将上清液从反应器排出，即完成生物膜载体的预处理。
(4)生物膜载体启动：向移动床生物膜反应器中通入水温为20℃、pH为7±0.5、COD值为700mg/L的污水，直至挂膜完成，评定完成生物膜载体启动的标准为，反应器出水COD值保持稳定，填料表面形成黄色生物膜，能镜检出原生和后生动物，记录挂膜完成的时间和最终出水COD值。
实施例3
一种生物法污水处理工艺，包含经预处理的生物膜载体于污水中的启动。
生物膜载体的预处理方法为：
(1)选择生物膜载体：将填料A经过液相氧化、水浴处理和丙烯酸树脂包被处理后作为生物膜载体。
(2)制备预处理溶液：每1L的LB培养基中，添加200mg的乳杆菌、200mg的活性污泥和5mg生物絮凝剂，混匀后得预处理溶液，并将其转入移动床生物膜反应器中。
(3)预处理：将生物膜载体转入移动床生物膜反应器中，通过闷曝使乳杆菌、硝化细菌和填料充分接触，并附着于填料粘附层表面，形成微生物附着层，水温10℃、反应3d后停止曝气，将上清液从反应器排出，即完成生物膜载体的预处理。
(4)生物膜载体启动：向移动床生物膜反应器中通入水温为6℃、pH为7±0.5、COD值为700mg/L的污水，直至挂膜完成，评定完成生物膜载体启动的标准为，反应器出水COD值保持稳定，填料表面形成黄色生物膜，能镜检出原生和后生动物，记录挂膜完成的时间和最终出水COD值。
实施例4
一种生物法污水处理工艺，包含经预处理的生物膜载体于污水中的启动。
生物膜载体的预处理方法为：
(1)选择生物膜载体：选择填料A作为生物膜载体。
(2)制备预处理溶液：每1L的LB培养基中，添加10mg的芽孢杆菌、200mg活性污泥和5mg生物絮凝剂，混匀后得预处理溶液，并将其转入移动床生物膜反应器中。
(3)预处理：将生物膜载体转入移动床生物膜反应器中，通过闷曝使芽孢杆菌、硝化细菌和填料充分接触，并附着于填料粘附层表面，形成微生物附着层，水温10℃、反应3d后停止曝气，将上清液从反应器排出，即完成生物膜载体的预处理。
(4)生物膜载体启动：向移动床生物膜反应器中通入水温为6℃、pH为7±0.5、COD值为700mg/L的污水，直至挂膜完成，评定完成生物膜载体启动的标准为，反应器出水COD值保持稳定，填料表面形成黄色生物膜，能镜检出原生和后生动物，记录挂膜完成的时间和最终出水COD值。
实施例5
一种生物法污水处理工艺，包含经预处理的生物膜载体于污水中的启动。
生物膜载体的预处理方法为：
(1)选择生物膜载体：将填料A经过液相氧化、水浴处理和丙烯酸树脂包被处理后作为生物膜载体。
(2)制备预处理溶液：每1L的LB培养基中，添加10mg的芽孢杆菌和5mg生物絮凝剂，混匀后得预处理溶液，并将其转入移动床生物膜反应器中。
(3)预处理：将生物膜载体转入移动床生物膜反应器中，通过闷曝使芽孢杆菌和填料充分接触，并附着于填料粘附层表面，形成微生物附着层，水温10℃、反应3d后停止曝气，将上清液从反应器排出，即完成生物膜载体的预处理。
(4)生物膜载体启动：向移动床生物膜反应器中通入水温为6℃、pH为7±0.5、COD值为700mg/L的污水，直至挂膜完成，评定完成生物膜载体启动的标准为，反应器出水COD值保持稳定，填料表面形成黄色生物膜，能镜检出原生和后生动物，记录挂膜完成的时间和最终出水COD值。
实施例6
一种生物法污水处理工艺，包含经预处理的生物膜载体于污水中的启动。
生物膜载体的预处理方法为：
(1)选择生物膜载体：将填料A经过液相氧化、水浴处理和丙烯酸树脂包被处理后作为生物膜载体。
(2)制备预处理溶液：每1L的LB培养基中，添加10mg的芽孢杆菌和200mg活性污泥，混匀后得预处理溶液，并将其转入移动床生物膜反应器中。
(3)预处理：将生物膜载体转入移动床生物膜反应器中，通过闷曝使芽孢杆菌、硝化细菌和填料充分接触，并附着于填料粘附层表面，形成微生物附着层，水温10℃、反应3d后停止曝气，将上清液从反应器排出，即完成生物膜载体的预处理。
(4)生物膜载体启动：向移动床生物膜反应器中通入水温为6℃、pH为7±0.5、COD值为700mg/L的污水，直至挂膜完成，评定完成生物膜载体启动的标准为，反应器出水COD值保持稳定，填料表面形成黄色生物膜，能镜检出原生和后生动物，记录挂膜完成的时间和最终出水COD值。
实施例7
一种生物法污水处理工艺，包含经预处理的生物膜载体于污水中的启动。
生物膜载体的预处理方法为：
(1)选择生物膜载体：将填料A经过液相氧化、水浴处理和丙烯酸树脂包被处理后作为生物膜载体。
(2)制备预处理溶液：每1L的LB培养基中，添加10mg的芽孢杆菌、200mg活性污泥和5mg生物絮凝剂，混匀后得预处理溶液，并将其转入移动床生物膜反应器中。
(3)预处理：将生物膜载体转入移动床生物膜反应器中，通过闷曝使芽孢杆菌、硝化细菌和填料充分接触，并附着于填料粘附层表面，形成微生物附着层，水温10℃、反应3d后停止曝气，将上清液从反应器排出，即完成生物膜载体的预处理。
(4)生物膜载体启动：向移动床生物膜反应器中通入水温为6℃、pH为7±0.5、COD值为100mg/L的污水，直至挂膜完成，评定完成生物膜载体启动的标准为，反应器出水COD值保持稳定，填料表面形成黄色生物膜，能镜检出原生和后生动物，记录挂膜完成的时间和最终出水COD值。
对比例1
一种生物法污水处理工艺，包含生物膜载体的启动。
(1)选择生物膜载体：以填料A作为生物膜载体。
(2)生物膜载体启动：将上述生物膜载体加入移动床生物膜反应器中，然后通入水温为6℃、pH为7±0.5、COD值为700mg/L的污水，直至挂膜完成，评定完成生物膜载体启动的标准为，反应器出水COD值保持稳定，填料表面形成黄色生物膜，能镜检出原生和后生动物，记录挂膜完成的时间和最终出水COD值。
对比例2
一种生物法污水处理工艺，包含生物膜载体的启动。
(1)选择生物膜载体：将填料A经过液相氧化、水浴处理和丙烯酸树脂包被处理后作为生物膜载体。
(2)制备预处理溶液：每1L的LB培养基中，添加200mg活性污泥和5mg生物絮凝剂，混匀后将预处理溶液转入移动床生物膜反应器中。
(3)预处理：将生物膜载体转入移动床生物膜反应器中，通过闷曝使硝化细菌和填料充分接触，并附着于填料粘附层表面，形成微生物附着层，水温10℃、反应3d后停止曝气，将上清液从反应器排出，即完成生物膜载体的预处理。
(4)生物膜载体启动：向移动床生物膜反应器中通入水温为6℃、pH为7±0.5、COD值为700mg/L的污水，直至挂膜完成，评定完成生物膜载体启动的标准为，反应器出水COD值保持稳定，填料表面形成黄色生物膜，能镜检出原生和后生动物，记录挂膜完成的时间和最终出水COD值。
净化率反映了上述生物法污水处理工艺的生物膜对有机物的处理性能，可以由以下公式计算：
净化率＝(1-最终出水COD值/进水COD值)*100％
表1实施例1～7和对比例1～2的挂膜时间和净化率对比
如表1数据所示，实施例1～7的平均挂膜时间相对于对比例1～2明显降低，且净化率明显提高，这是因为本发明将生物膜载体浸泡于含有激活菌的预处理溶液中，获得了包被有激活菌的生物膜载体。将经过预处理的生物膜载体投入污水中，激活菌向生物膜载体的表面微环境中分泌NADH氧化酶，污水中的微生物与生物膜载体表面的NADH氧化酶接触后，微生物膜上的信号通路被激活，进而促进微生物产生胞外多糖类多聚物，促进微生物黏附于生物膜载体表面；NADH氧化酶进入微生物细胞内，可以促进微生物细胞内NADH向NAD+转化，从而将NADH氧化途径从大量形成ATP的氧化磷酸化途径转向生成水的NADH氧化酶途径，保证高速糖酵解所需的高NAD+水平和低ATP水平；污水中的微生物容易吸收或产生过氧化物如H2O2等，这些过氧化物会抑制微生物的增值，而NADH氧化酶可以在细胞内将过氧化物氧化还原为水而使得微生物免受过氧化物的抑制。经过预处理的生物膜载体包被的激活菌分泌的NADH氧化酶，可以促进生物膜的快速启动，甚至在低温条件下也能快速启动。
继续如表1的数据所示，实施例2的挂膜时间相对于实施例1进一步缩短，这是因为实施例2中的生物膜载体预处理步骤的水温跟污水的水温为微生物生长的较适温度，且温差较小，微生物可以很好的适应和生长。实施例3采用了高浓度的激活菌，可以分泌更多的NADH氧化酶，因此挂膜时间较实施例1更短。实施例4未对生物膜载体进行表面处理，微生物不易贴附，因此其挂膜时间较实施例1长。实施例1相对于实施例5，实施例1中的预处理溶液中添加了活性污泥，从而提高生物膜载体中有利于生物膜形成和净化作用的微生物的比例，同时进一步缩短生物膜挂壁时间和提高净化效率。实施例1相对于实施例6，实施例1的预处理溶液中加入了生物絮凝剂，促进了微生物贴附于生物膜载体，缩短了挂膜时间。实施例7使用COD值为100mg/L的污水进行生物膜载体的启动，因为污水中COD值较低，导致实施例7的挂膜时间较其它实施例长，但是因为其使用了上述的预处理步骤，因此仍然优于对比例1～2的挂膜效率。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，但是也并不仅限于实施例中所列，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (9)
1.一种生物膜载体的预处理方法，其特征在于，包含将生物膜载体置于含有激活菌的预处理溶液中浸泡，浸泡条件为10～20℃浸泡1～3d，所述激活菌为分泌NADH氧化酶的菌种，所述激活菌为芽孢杆菌和乳杆菌中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的生物膜载体的预处理方法，其特征在于，所述激活菌的添加量为10～200mg/L。
3.根据权利要求1所述的生物膜载体的预处理方法，其特征在于，所述生物膜载体经过表面改性处理。
4.根据权利要求3所述的生物膜载体的预处理方法，其特征在于，所述表面改性处理为液相氧化处理、超声处理、水浴处理和高分子改性剂处理中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的生物膜载体的预处理方法，其特征在于，所述预处理溶液中包含污水处理微生物。
6.根据权利要求1所述的生物膜载体的预处理方法，其特征在于，所述预处理溶液中包含生物絮凝剂。
7.一种生物法污水处理工艺，其特征在于，包含生物膜载体于污水中的启动，所述生物膜载体通过权利要求1～6任一项所述的生物膜载体的预处理方法进行预处理。
8.根据权利要求7所述的生物法污水处理工艺，其特征在于，所述污水的水温为6～38℃。
9.根据权利要求7所述的生物法污水处理工艺，其特征在于，所述污水的COD值为100～700mg/L。
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