一種利用生物炭加速好氧污泥顆粒化的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于廢水生物處理技術領域，具體涉及一種利用生物炭加速好氧污泥顆粒化的方法。
【背景技術】
[0002]好氧顆粒污泥是生物膜生長的一種特殊形式，是微生物“自絮凝”的一種新方式。在這種微生物自身絮凝增殖的體系中，眾多微生物被胞外聚合物包裹于網絡框架內，由于在各種微生物間存在有較強的代謝互補關系，因而能夠實現復雜有機物的降解，具有承受高有機負荷、耐受有毒物質等特點。同時好氧顆粒污泥技術作為一種在活性污泥技術基礎上發展起來的新興的廢水處理技術，能夠克服傳統活性污泥工藝中存在的諸多問題，如反應器體積龐大、且需要后續的二沉池用以污泥沉淀和回流、容積負荷低、抗沖擊能力弱、剩余污泥量大、易于出現污泥膨脹等。然而，好氧顆粒污泥的形成機制仍存在爭議，其中“晶核假說”認為污泥顆粒化過程類似于結晶，在晶核基礎上微生物富集，形成顆粒污泥。晶核一般來源于反應器運行過程中析出的無機鹽沉淀或是惰性有機物。目前多數學者認同“晶核假說”，但是目前對于好氧顆粒污泥的研究大多局限于實驗室階段，難以投入工程實用，主要原因是好氧顆粒污泥的培養周期過長，且成熟顆粒在長期運行中容易出現解體現象，其限制了好氧顆粒污泥在實際應用中的推廣和產業化。尤其以難降解工業廢水為基質時，好氧顆粒污泥的培養尤為困難，培養時間通常需要3個月以上。
[0003]利用人為投加外部載體或晶核實現好氧污泥顆粒化的快速培養是目前一種有效解決方法。已有研究表明，投加活性炭顆粒有利于好氧污泥的顆粒化。近年來，生物炭在環境修復領域的應用潛力已引起了廣泛關注。生物炭是指生物質，如農作物秸桿、木材、動物糞便、污泥、樹葉等在厭氧或缺氧的情況下，經過高溫慢熱熱解形成的碳含量豐富的固體物質。相比焦炭、活性炭等其他類型的黑炭，主要應用于生態環境修復、氣候變化和農業土壤改良等方面。生物炭因為具有豐富的孔隙結構和較大的比表面積，呈多孔性，且孔隙大小不一，有利于微生物的棲息和繁殖，有利于污泥附著固定。如能采用生物炭為“晶核”，加速好氧顆粒污泥的培養過程，并將之應用于難降解工業廢水的處理，將對難降解工業廢水好氧顆粒污泥處理技術的發展起積極的推動作用。然而，關于利用生物炭加速吡啶降解好氧污泥顆粒化的研究尚未見文獻報道。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對目前對于難生物降解廢水處理系統中好氧顆粒污泥培養周期過長、易發生解體等問題，提供一種利用生物炭作為載體，快速培養具有難降解污染物降解功能的好氧顆粒污泥的新方法。
[0005]實現本發明目的的技術方案是:一種利用生物炭加速好氧污泥顆粒化的方法，包括如下步驟:
[0006](I) Rhizobium sp.NJUST18 接種物的制備:將 Rhizobium sp.NJUST18 接種至添加了 0.5-2g/L吡啶的無機鹽培養基MSM中，搖床培養96小時后，將菌液在8000 X g條件下離心分離10分鐘，將得到干重約為2g的菌體沉積物作為SBR反應器的接種物；
[0007](2)反應器的啟動:向SBR反應器加入含500mg/L吡啶和500mg/L作為輔助碳源的乙酸鈉的模擬廢水，將Rhizobium sp.NJUST18和城市生活污水處理廠好氧池的活性污泥混合，作為混合接種物加入SBR反應器中，SBR反應器啟動初期時加入4g/L生物炭，SBR反應器容積交換率為50%，SBR反應器的運行方式為:進水一曝氣一沉降一出水；
[0008](3)顆粒污泥的培養:反應器啟動運行過程中，通過定期觀察好氧顆粒污泥形態，測定吡啶濃度參數，分析判斷反應器運行狀況，并對其操作參數做相應調整，具體為:隨著模擬廢水中吡啶降解性能提高，逐步減少模擬廢水中乙酸鈉含量，逐步增加模擬廢水中吡啶含量至3000mg/L，實現顆粒污泥的增殖，逐步將運行周期由24小時逐步調整至8小時以增加進水負荷，從而提高污泥產量，逐步將污泥的沉降時間由10分鐘降低至2分鐘，以促進懸浮污泥的排出，直至模擬廢水中吡啶為唯一碳源和氮源。
[0009]步驟(I)中，所述的Rhizobium sp.NJUST18于2013年3月28日在中國典型培養物保藏中心CCTCC保藏，保藏單位地址為中國湖北省武漢市武漢大學，保藏編號為CCTCCΝ0:Μ 2013110，命名為根瘤桿菌NJUST18，其分類命名為Rhizobium sp.，GenBank登陸號為JN106368。
[0010]步驟(I)中，所述的無機鹽培養基MSM的組分組成為:Na2HP04.12H20 1.529g/L，KH2PO4 0.372g/L，MgSO4.7H20 0.lg/L, CaCl2 0.05g/L，微量元素 W1 10ml/L，其中 W1 組成:EDTA 0.5g/L，FeSO4.7H20 0.2g/L，ZnSO4.7H20 0.001g/L，MnCl2.4H20 0.003g/L，H3BO40.03g/L，CoCl2.6Η20 0.02g/L，CuCl2.2H20 0.001g/L，NiCl2.6Η20 0.002g/L，Na2MoO4.2H200.003g/Lo
[0011]步驟(2)中，所述的生物炭通過以下步驟制備:通過30目標準篩對米糠進行篩選，置于流速為100mL/min的氮氣氣氛下熱解，升溫至500-800 °C后保持該溫度3h，升溫速率為10°C /min ;熱解結束后，繼續保持爐內氮氣氣氛冷卻至室溫，用稀鹽酸浸泡12h后洗去灰分，去離子水沖洗至pH值恒定，于105°C下烘干，得到尺寸范圍為1-2_的生物炭；取生物炭固體進行研磨，控制生物炭粒徑范圍在0.01-0.5mm范圍內。
[0012]步驟(2)中，所述的SBR反應器在啟動初期時，初始運行周期設定為24小時，其中進水時間設定為5分鐘，曝氣時間為1410分鐘，沉降時間定為10分鐘，排水時間設定為5分鐘，閑置期為10分鐘。
[0013]步驟(2)中，所述的模擬廢水還包括如下組分:Na2HP04.12Η20 1.504g/L，ΚΗ2Ρ04
0.285g/L，MgS04.7H20 0.8873g/L，KCl 0.35g/L，CaC12 0.20g/L，FeC13 0.03g/L，微量元素 Wl 10mL/Lo
[0014]與現有技術相比，本發明的優點是:
[0015](I)本發明所提供的利用生物炭為載體培養的具有吡啶降解功能的好氧顆粒污泥，可以有效縮短污泥顆粒化的時間、提高容積負荷、縮小反應器占地面積及提高污泥的沉降性能。
[0016](2)解決了高濃度難生物降解廢水中好氧顆粒污泥培養周期過長問題，避免了因基質擴散造成內部菌種死亡而導致顆粒污泥解體，顆粒內部微生物豐富，市場應用前景廣闊。
[0017](3)實現了具有吡啶降解功能的好氧顆粒污泥在含高濃度吡啶廢水處理中的同步短程硝化反硝化的目標。
[0018](4)所利用的生物炭原料米糠價格低廉、來源廣泛、預處理操作簡單。
【附圖說明】
[0019]圖1是生物炭載體和好養顆粒污泥照片，a.生物炭載體照片；b.生物炭顯微鏡照片40x;c.培養初期污泥顯微鏡照片40x ;d.培養初期投加生物炭的污泥顯微鏡照片40x ;e.成熟好氧顆粒污泥照片；f.成熟好氧顆粒污泥顯微鏡照片ΙΟΟχ。
[0020]圖2是運行過程中SBR反應器中MLSS、SVI變化圖，RO為未投加生物炭的SBR反應器，Rl為投加生物炭的SBR反應器。
[0021]圖3是投加生物炭的SBR反應器的一個典型運行周期內吡啶降解效果及NH/-N、NO2 -N、NO3 -N濃度變化。
【具體實施方式】
[0022]下面的實施例可以使本專業技術人員更全面地理解本發明，結合附圖詳細說明本發明的具體實例，但不以任何方式限制本發明。
[0023]實施例1:SBR反應器中吡啶降解好氧顆粒污泥的培養
[0024]本發明利用吡啶降解高效菌Rhizobium sp.NJUST18作為生物強化菌劑，生物炭為晶核，快速培養好氧顆粒活性污泥。本實施例設置對照實驗，RO反應器未投加生物炭，Rl反應器投加生物炭，其余運行條件均相同，旨在通過對照實驗說明投加生物炭可加快含高濃度吡啶廢水中好氧顆粒污泥的形成。
[0025](I) Rhizobium sp.NJUST18 接種物的制備:將 Rhizobium sp.NJUST18 接種至添加了 lg/L吡啶的無機鹽培養基MSM中，搖床培養96小時后，將菌液在8000 X g條件下離心分離10分鐘，將得到干重約為2g的菌體沉積物作為SBR反應器的接種物。
[0026](2)生物炭制備:通過30目標準篩對米糠進行篩選，置于流速為lOOmL/min的氮氣氣氛下熱解，升溫至500-800°C后保持該溫度3h，升溫速率為10°C /min ;熱解結束后，繼續保持爐內氮氣氣氛冷卻至室溫，用稀鹽酸浸泡12h后洗去灰分，去離子水沖洗至pH值恒定，于105°C下烘干，得到尺寸范圍為0.5-lmm的生物炭；取生物炭固體進行研磨，控制生物炭粒徑范圍在0.01-0.2mm范圍內。
[0027](3) SBR反應器運行參數條件:反應器由有機玻璃制成的圓柱形SBR序批式反應器，SBR反應器內部為完全好氧，裝置有效容積2.2L，高100cm，內徑6cm外徑8cm，水浴夾層2cm。根據SBR反應器結構，其內部上升空氣使廢水及顆粒污泥處于均勻的水力剪切力中。實驗中，通過蠕動栗將含吡啶模擬廢水從底部注入反應器，排水口在反應器中部40cm處，體積交換率約為50%。進出水通過自動時間控制器控制。SBR反應器內置曝氣設備，由空氣栗提供100L/h的曝氣量從SBR反應器底部曝氣。并配有夾套循環水浴保溫，溫度調節為30±1°C。通過時間控制器嚴格控制各周期進水、曝氣、沉降、排水時間，確保周期運行無誤。
[0028]無機鹽培養基的組成為Na2HP04.12H20 1.529g/L，KH2P04 0.372g/L，MgS04.7H20 0.lg/L, CaCl2 0.05g/L，微量元素 Wl 10mL/L。
[0029]除吡啶和乙酸鈉外，模擬廢水其余組分組成為:Na2HP04.12H20 1.504g/L，KH2P04 0.285g/L，MgS04.7H20 0.8873g/L，KCl 0.35g/L，CaCl2 0.20g/L，FeC13 0.03g/L，微量元素Wl 10mL/L。
[0030]其中Wl 組成:EDTA 0.5g/L，FeS04.7H20 0.2g/L，ZnS04.7H20 0.001g/L，MnCl2.4H20 0.0