具柄纤毛虫原位建立和构型演替的好氧颗粒污泥培养方法

本发明属于污水生物处理和好氧颗粒污泥培养调控，尤其涉及具柄纤毛虫原位建立和构型演替的好氧颗粒污泥培养方法。

背景技术：

1、好氧颗粒污泥是由细菌、真核微型生物及其胞外聚合物共同形成的生物聚集体，具有生物量持留能力强、泥水分离性能好和可在同一反应体系内去除多类污染物等优点。

2、部分好氧颗粒污泥培养方法主要通过缩短固液分离时长、增加选择性排泥、提高水力剪切或筛分回流来淘洗慢沉絮体。该类方法能够加快沉降性能筛选，但会降低微聚集体和慢生长生物的保留机会，不适于以超长污泥龄维持高生物量和延长微型食物网的培养情形。

3、另一些培养路径通过外部引入特定生物组分或附着核心促进造粒，需要增加分离培养、定量投加或材料制备环节。对于不投加外源目标具柄纤毛虫的反应体系，具柄纤毛虫并非必须在接种时达到可检出丰度，而是在长污泥龄和弱固体淘洗形成的生态窗口内逐步定殖和增殖。

4、在具柄纤毛虫逐步建立的过程中，不同附着构型与可供附着的聚集体尺度有关。单柄型具柄纤毛虫能够在较小子聚集体上形成局部支架；随着子聚集体尺度和表面积增加，分枝群体型具柄纤毛虫开始与单柄型具柄纤毛虫共同出现在子聚集体接触区。成熟颗粒中两类构型可以共存，而非简单发生完全替代。

5、仅判定系统中存在钟虫、累枝虫或其他具柄纤毛虫，不能直接给出可重复的培养操作；仅按粒径、污泥浓度或沉降性能调节运行，也不能识别两个仍具有独立边界的子聚集体是否已经由生物结构跨界连接。

6、因此，本发明提供一种不依赖外加目标具柄纤毛虫、不依赖强化淘洗且不绑定特定反应阶段顺序的培养方法，将局部支架和跨子聚集体桥联的显微判定分别对应到维持长污泥龄、维持弱固体淘洗和限制搅拌剪切的具体操作，并最终获得具有连续颈状界面的复合好氧颗粒污泥。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于具柄纤毛虫原位建立和附着构型演替的复合好氧颗粒污泥培养调控方法，以解决上述背景技术中提出的在长污泥龄和弱固体淘洗条件下，如何通过可执行的运行调控促使具柄纤毛虫在反应器内逐步建立，并将保留的子聚集体之间容易解离的短暂接触转化为可持续固结的跨界面连接等问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、本发明提出了具柄纤毛虫原位建立和构型演替的好氧颗粒污泥培养方法，包括如下步骤：

4、将活性污泥接种至周期式生物反应器，培养过程中不投加外源培养或收集的目标具柄纤毛虫，所述周期式生物反应器按照包括进水、生物反应、固液分离和排水的周期运行，所述生物反应包括曝气阶段；

5、在不外加目标具柄纤毛虫、控制周期式生物反应器的固体损失、污泥停留时间大于60天、具有机械搅拌的生物反应阶段将搅拌转速控制为不高于180 r/min的运行条件下培养，使目标具柄纤毛虫在周期式反应器内逐步定殖和增殖；

6、周期性对污泥进行显微观察，观察到单柄型具柄纤毛虫在单个子聚集体形成局部支架时，判定为局部支架状态，保持运行条件；

7、继续显微观察，观察到单柄型和/或分枝群体型具柄纤毛虫相关柄状结构跨越至少两个相邻子聚集体之间的间隙时，判定为跨子聚集体桥联状态，控制此后的搅拌转速不高于判定前的搅拌转速并继续采用相同控制固体损失方式；

8、继续培养，由细菌微菌落和胞外聚合物固结相邻子聚集体接触区，获得具有连续颈状界面的复合好氧颗粒污泥。

9、优选地，所述活性污泥为未经过目标具柄纤毛虫专门富集的常规活性污泥，培养过程中无需将接种时目标具柄纤毛虫达到显微可检出的丰度作为启动条件。

10、优选地，所述生物反应包括曝气阶段；本发明不限定厌氧、好氧和缺氧阶段的固定组合或顺序，只要求至少存在一个曝气阶段，可根据不同处理目标调整周期结构。

11、进一步地，所述生物反应还包括一个或多个非曝气反应阶段，所述非曝气反应阶段与曝气阶段的排列次序、段数和持续时间根据进水水质及处理目标设置。

12、优选地，所述控制周期式生物反应器的固体损失具体为采用弱固体淘洗方式，具体为除检测取样和不可避免的固体损失外不设置选择性排泥，不对排出液中的固体进行筛分后回流，并且不采用随培养进程逐步缩短固液分离时长的方式淘洗慢沉污泥。

13、优选地，所述污泥停留时间大于60 d，具体为主体培养期不设置按周期主动排放混合污泥的程序，并根据周期式生物反应器内污泥总量和每日固体损失量计算污泥停留时间，使所述污泥停留时间维持在大于60 d。通过限制主动排泥和固体流失，使污泥停留时间大于60 d；不筛分回流排出固体，也不采用随培养进程逐步缩短固液分离时长的程序淘洗慢沉污泥。上述条件提高微聚集体、慢生长生物和较高营养级微型动物的驻留机会，使具柄纤毛虫逐步定殖和建立种群。

14、优选地，在需要机械搅拌的生物反应阶段，将搅拌转速控制为大于0且不高于180r/min；所述搅拌转速以能够维持污泥悬浮的最低转速为下限、以180 r/min为上限，上限用于限制未固结柄状结构和颈状界面承受的机械剪切；转速范围应结合桨型、叶轮直径和反应器尺度使用；在实验室实施方式中采用130 r/min。

15、优选地，所述局部支架状态的判定条件包括：单柄型具柄纤毛虫附着于单个子聚集体，且虫体、柄部及其周围生物质形成局部支架构型；保持污泥停留时间、固体损失方式和当前搅拌转速继续培养。

16、进一步地，所述局部支架状态的判定条件还包括：单柄型具柄纤毛虫的柄部附着于子聚集体表面或凹陷处，所述柄部周围具有细菌微菌落和胞外聚合物，且未跨越两个边界可辨识的子聚集体之间的间隙；该状态出现后继续保持长污泥龄、弱固体淘洗和当前受限搅拌条件。

17、优选地，所述跨子聚集体桥联状态的判定条件包括：单柄型具柄纤毛虫和/或分枝群体型具柄纤毛虫相关的柄状结构跨越至少两个相邻子聚集体之间的间隙时，所述相邻子聚集体分别具有可辨识边界，并形成跨接、缠绕或锚定构型；使后续搅拌不升高并继续弱固体淘洗。

18、优选地，所述分枝群体型具柄纤毛虫包括累枝虫属原生动物；随子聚集体尺度和可供附着面积增加，分枝群体型具柄纤毛虫可在较大基质和子聚集体接触区建立群体，并与单柄型具柄纤毛虫共同参与连接。优势附着构型由单体钟虫参与的局部支架状态扩展为钟虫与分枝累枝虫共同参与的跨子聚集体桥联状态。

19、优选地，响应于所述跨子聚集体桥联状态，在不提高机械搅拌转速的同时，控制低剪切环境、不缩短固液分离时长且不增加选择性排泥量，直至形成所述连续颈状界面。

20、进一步地，响应于所述跨子聚集体桥联状态，将搅拌转速降低至维持污泥悬浮且周期式反应器底部不出现持续性污泥沉积的最低转速（60-120 r/min），维持该搅拌转速直至相邻子聚集体之间形成连续颈状界面。

21、进一步地，响应于所述跨子聚集体桥联状态，在曝气阶段将周期式反应器内的表观气速控制为3.0×10-4～1.0×10-3m/s，利用低曝气减弱气泡对接触区的扰动配合搅拌转速所限制的机械剪切，共同形成低剪切环境。

22、优选地，所述跨子聚集体桥联状态包括小尺寸子聚集体之间的桥联、小尺寸子聚集体（30-100微米）与较大尺寸子聚集体（100-500微米）之间的桥联以及三个以上子聚集体之间的桥联中的至少一种。

23、优选地，至少两个子聚集体通过连续颈状界面结合，细菌微菌落和胞外聚合物包覆、填充并固结所述柄状结构，所述连续颈状界面中含有被细菌微菌落和胞外聚合物包埋的原生动物相关柄状结构；获得由至少两个仍具有可辨识边界的子聚集体构成的复合好氧颗粒污泥，所述复合好氧颗粒污泥呈椭圆形、多叶形或花生形；所得到的复合好氧颗粒污泥中粒径不小于200 μm的颗粒质量占比不低于30%。

24、本发明中方法用于含有机物和氮污染物的废水生物处理，或者用于含有机物、氮污染物和磷污染物的废水生物处理。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、（1）本发明中方法通过长污泥龄、弱固体淘洗和受限机械搅拌促使具柄纤毛虫在反应器内原位建立，并依据其附着构型由局部支架向跨子聚集体桥联扩展来培养复合好氧颗粒污泥；

27、本发明依据附着构型变化作为阶段判据，相应调整反应器运行条件从而调控复合好氧颗粒污泥的培养，分为不同阶段：

28、局部支架阶段维持原转速，保持污泥悬浮和子聚集体之间的碰撞接触。跨子聚集体桥联阶段降低转速，检测到跨子聚集体桥联后降低转速，减少作用于原生动物柄状结构和接触区的水动力剪切，降低柄状结构断裂及相邻子聚集体再次分离的概率。该阶段具体采用保留最低悬浮转速及同期保持低剪切环境、不主动排泥和弱淘洗的运行条件。

29、（2）本发明不要求在接种时专门富集或外加目标具柄纤毛虫，而是由长污泥龄、弱固体淘洗和受限剪切共同建立适合其定殖和增殖的生态窗口，减少额外培养与投加环节。

30、（3）本发明将单体钟虫参与的小子聚集体局部支架与钟虫、分枝累枝虫共同参与的跨子聚集体桥联区分开，能够反映附着构型随聚集体尺度和附着面积增加而扩展的过程。

31、（4）本发明在识别局部支架后维持高保留条件，在识别跨子聚集体桥联后限制后续搅拌不升高且继续维持弱固体淘洗，使阶段判定均具有对应运行操作。

32、（5）本发明将钟虫和累枝虫随附着基质尺度变化形成的构型扩展转化为阶段判据，并明确限定最终所得颗粒由多个子聚集体复合组装，而不是仅以原生动物存在、平均粒径增大或单一光谱峰作为造粒判据。

33、（6）本发明把最终颗粒限定为由两个以上边界可辨识子聚集体经连续颈状界面结合的复合好氧颗粒污泥，明确了由子聚集体组装、桥联和界面固结构成的结构终点。