一种基于聚糖菌的生物笼污水处理工艺的制作方法

1.本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种高效低能耗的基于聚糖菌的生物笼污水处理工艺。


背景技术：

2.随着社会经济的发展，水污染问题日益严重，污水脱氮是控制水体富营养化等现象发生的优先策略。从脱氮技术来看，生物脱氮技术是目前污水脱氮处理最经济有效的技术。
3.根据传统生物脱氮原理，生物脱氮工艺流程在空间或时间序列上交替形成缺氧区和好氧区，经全程硝化与反硝化作用，实现生物脱氮。
4.活性污泥法脱氮技术是基于缺氧-好氧过程，该技术脱氮效率低，且能耗高、污泥易膨胀。生物膜法是一类微生物附着生长系统的污水处理工艺，包括生物滤池，生物转盘等。生物膜法具有耐冲击、负荷能力强、运行管理方便、剩余污泥量少等特点，近年来基于生物膜法的脱氮工艺逐渐受到人们的关注。
5.生物转盘法相比于其他工艺具有固液分离效率高、占地面积小、结构紧凑等优势。传统的生物转盘主要由盘片、接触反应槽、转轴及驱动装置所组成。盘片是生物转盘的主要构成部分，它与生物转盘的处理效率直接相关，盘片材料比表面积越大，其上生长的微生物就越多；盘片材料表面越粗糙，越容易附着生物膜，而且生物膜厚度也越大；盘片材料越轻，能耗越少，运行费用越低。
6.生物笼反应器的笼体是盘片材料的一种改进，是在生物转盘的基础上，为增加盘片粗糙度而用生物填料代替，使得生物膜更厚、生物量更高，并且生物膜不易脱落。笼体中填料上的生物膜在转动过程中完成好氧和厌氧的交替，使污水得到净化。单一的生物转盘在去除污水中cod的同时，通常难以满足总氮去除的需求，因此需要组合其他工艺（如增设前置反硝化等）、增加内回流设施等方法，这在一定程度上都增加了过多的资金投入，给小规模分散式污水治理的长期运行和管理造成不便。
7.研究发现，聚糖菌（gaos）能够在厌氧和有机碳源存在的条件下吸收溶液中的有机物，进而合成胞内碳源聚羟基脂肪酸酯（phas）储存在体内。而其中反硝化聚糖菌可以利用胞内碳源phas进行反硝化，进而实现了在厌氧条件下去除cod，但是其污水处理功效单一，同时需要进行厌氧-好氧和进水-排水的周期性过程，工艺复杂，投入较高，且无法同时有效去除水体中的氨氮等其他污染物。
8.另有研究发现，聚糖菌与沸石共同作用实现了在厌氧条件下的cod和总氮的共同去除，大大提高了总氮去除率，聚糖菌与沸石共同发挥作用的污水处理工艺被命名为被动曝气同步硝化反硝化（pasnd）工艺。与传统活性污泥工艺相比，基于pasnd工艺的生物膜反应器的曝气能量需求在理论上可以降低约50%。虽然pasnd工艺具有较高的cod去除和脱氮能力，但是黏附在生物膜上的沸石粉末在长期运行过程中容易随着生物膜的脱落而丢失，从而导致氨氮去除效率的下降。同时，pasnd工艺需要通过进水-排水来实现厌氧-好氧过
程，因此实际工程应用中针对高浓度污水难以进行多周期厌氧-好氧处理来达到所需的处理结果。


技术实现要素：

9.为解决现有聚糖菌污水处理工艺中存在的cod和氨氮不能多周期低能耗高效稳定处理的问题，本发明提供一种基于聚糖菌的生物笼污水处理工艺。
10.所述基于聚糖菌的污水处理工艺利用生物笼反应器和置入其中的氨氮吸附功能填料，待处理污水在生物笼中停留2-12小时进行污水处理，污水处理时生物笼的污水每10分钟至每3小时频率下的交替厌氧-好氧环境；污水在反应器停留过程中，污水中的污染物被生物膜进行有效降解，并最终达标排放。
11.为实现生物笼的污水每10分钟至每3小时频率下的交替厌氧-好氧环境，可设置生物笼的笼体按照各部分每10分钟至每4小时进行一次交替浸没与水中和曝露与空气中。
12.所述基于聚糖菌的污水处理工艺，包括如下步骤：1）设置生物笼反应器和水槽，所述生物笼反应器的结构组成包括水槽、笼体和氨氮吸附功能填料，氨氮吸附功能填料固定在笼体内，笼体悬与水槽上方。所述笼体体积的
½
至
⅔
浸没于水槽的水中，其余部分曝露与空气中；所述笼体各部分每10分钟至每4小时进行一次交替浸没与水中和曝露与空气中，从而实现每10分钟至每3小时频率下的交替厌氧-好氧环境。
13.2）活性污泥置入生物笼反应器笼体的氨氮吸附功能填料中，所述生物笼反应器的笼体通入待处理污水，待处理污水在生物笼中停留2-12小时。
14.3）污水处理过程中，生物笼按照步骤（1）所描述的频率进行转动，使得生物膜处在交替好氧-厌氧环境，同时也为生物膜提供一种饥饿盛宴的环境，这有利于培养出高丰度的聚糖菌生物膜。
15.4）污水在反应器停留过程中，污水中的污染物被生物膜进行有效降解，并最终达标排放。
16.待处理污水的进水模式采用序批式模式或连续模式，序批式的水力停留时间为2-12小时，进水经过一段时间，即水力停留时间的生物处理后，每间隔2-12小时排空反应器，再通入新的污水。
17.进水模式为连续式时，在此模式下污水持续进入反应器，并同时等流速排出反应器，污水在反应器的水力停留时间为2-12小时。
18.进一步的，所述生物笼反应器的结构组成还包括驱动装置和自动控制组件，其中自动控制组件由时控开关和电磁阀组成；所述自动控制组件分别对笼体转动和系统进出水进行控制。
19.所述氨氮吸附功能填料由氨氮吸附材料和亲水性多孔材料复合而成，其中氨氮吸附材料包括：沸石，活性炭，生物炭，粉煤灰，膨润土等；亲水多孔材料包括：聚氨酯泡沫，脲醛泡沫，三聚氰胺泡沫等。
20.所述生物笼反应器的笼体转速为0.125~3转/小时，转速实现方式为通过时控开关控制电机转动，且瞬时转速不宜过快，比如若转速设为0.5转/小时，则实现方式为时控开关控制电机进而控制生物笼反应器的笼体以0.25转/分钟工作2分钟，之后停转58分钟，从而
达到0.5转/小时的目的。
21.通过生物笼的旋转使水中生物膜处于厌氧环境，空气中生物膜处于好氧环境，进一步使得转笼的生物膜在时间上交替经历厌氧和好氧。
22.相较于常规生物笼反应器的笼体，本发明所述的生物笼反应器的笼体由时控开关控制转笼转动。与0.5~1转/小时的转速，即每小时转笼仅转半圈或一圈，是达成驯化高丰度聚糖菌，达到高效污水处理效率和低能耗的关键所在。
23.本发明所述电磁阀控制的进出水过程时间短则利于装置正常运行，宜在30分钟内完成，如果不考虑泵流量及功率，进水时间越短越好。时间过长导致反应器内满水反应的时间较短，厌氧时间缩短，从而降低反硝化效果，阻碍tn去除。
24.本发明所述生物笼反应器的水槽还设置有出水口，出水口排空水的同时能排出老化脱落的生物膜。
25.所述水槽内溶解氧小于0.2mg/l。转笼在超低转速下运行，使水槽中溶解氧持续保持在低水平（小于0.2mg/l），从而满足反硝化和聚糖菌厌氧合成pha这两个过程对溶解氧的要求。
26.本发明所述生物笼反应器的笼体的工作时在空间上为纵向的好氧区和厌氧区，在时间上为交替的好氧区和厌氧区，从而实现同步硝化反硝化：好氧区为暴露在空气中的部分，好氧区的生物膜发生硝化反应使得氨氮吸附饱和的生物填料再生，而生物膜内部发生反硝化反应，同时好氧区生物膜代谢储存的phas；厌氧区生物膜中的聚糖菌吸收bod并以phas形式储存，同时厌氧区生物填料吸附污水中的氨氮污染物。
27.本发明的有益技术效果是：本发明提供一种低能耗高效生物脱氮的污水处理方法；在该方法的作用下，驯化出高丰度聚糖菌生物膜，在高丰度聚糖菌生物膜作用下，氨氮吸附填料能够反复的吸附污水中的氨氮污染物；基于高丰度聚糖菌生物膜能够最大限度利用污水中的bod进行反硝化，从而在低碳氮比污水的处理中获得较高的总氮去除率。本发明所述污水处理工艺所需处理设备占地面积小，能耗小，运行成本低，后期维护简单。
附图说明
28.图1：所述生物笼反应器的结构示意图。
29.图2：实施例1的污水处理周期的污染物浓度变化。
30.图3：实施例1的污水处理周期的污染物去除率变化。
31.图4：实施例1的生物膜进行微生物群落结构分析。
32.图5：实施例2的污水处理周期的污染物去除率变化。
33.图6：实施例3的污水处理周期的污染物去除率变化图7：对比例1的污水处理周期的污染物浓度变化。
34.图8：对比例1的溶解氧浓度变化。
35.图9：对比例1的污水处理周期的污染物去除率变化。
36.图1中：1-电机，2-传动轴，3-水槽，4-进料口，5-转笼栅格，6-转笼隔板，7-溢流管，8-进水管，9-出水管，10-进水电磁阀，11-出水电磁阀，12-时控开关1，13-时控开关2，14-时控开关3。
具体实施方式
37.在本发明所体现的实施例中，所用装置均如图1示，生物笼装置尺寸为，半圆柱水箱φ24cm
×
25cm，水箱有效容积为4l，转笼φ20cm
×
20cm，格板和滤网孔径为φ1.3cm，使用栅格将转笼内部分为4个空腔，转笼内填料尺寸为1.5cm
×
1.5cm
×
1.5cm，填料填充体积为4l。所有运行的生物笼浸没比均为40%。
38.所用活性污泥均取自市政污水厂曝气生化池。实验室模拟生活污水水质，所配置进水水质均如表1示，乙酸钠作碳源反映污水的cod指标。
39.表1进水水质去除率计算方法：去除率q= 总氮表示方法：总氮=氨氮 硝酸盐氮 亚硝酸盐氮实施例1：（1）在本实施例中，所用氨氮吸附材料为经沸石粉（200目）附载的聚氨酯泡沫（孔径25ppi），该材料具有较高的生物膜附载量，同时还具有氨氮吸附的能力。
40.（2）在本实施例中，转笼转速为0.5转/小时，水力停留时间为6小时。间歇进出水运行，即控制泵以流量0.8升/分钟，工作5分钟完成进水；在当前转速下运行5小时50分钟后，控制出水电磁阀门打开进行出水，5分钟后出水完成，之后以此为运行周期并立即进入下一周期的运行。
41.（3）在本实施例中，进行了两个阶段的运行，区别为阶段ⅰ运行的转笼转速为0.5转/小时，阶段ⅱ运行的转笼转速为1转/小时。
42.由图2知，本实施例在低转速下运行，在运行周期内污染物浓度逐步降低。在极低溶解氧的污水中（厌氧区），氨氮浓度仍在不断降低，反映了生物填料对氨氮具有的吸附能力；而周期内每小时/每0.5小时氨氮都在降低，表明经过前1小时/前0.5小时好氧区的生物膜硝化反应使得沸石吸附氨氮的能力得到再生。cod在厌氧区的降低主要由聚糖菌（gaos）厌氧吸收所导致，同时为后续好氧区生物膜提供膜内部的反硝化所需碳源。
43.表2实施例1不同转速运行的平均处理能力
由表2和图3知，两阶段的cod和总氮的去除率后期都能稳定在80%和70%以上，并且阶段ⅱ的cod去除率达到95%，总氮去除率达到90%，这体现了本发明在低转速下运行的生物笼所具有的高cod和高总氮的去除能力，且处理成本较低。
44.（6）生物笼运行稳定后的微生物丰度变化如图4示，生物笼在低转速下运行稳定后，取生物膜进行微生物群落结构分析，并且与初始活性污泥的微生物群落作对比，以candidatus competibacter菌为代表的聚糖菌群丰度得到显著提升，阶段ⅰ运行后生物膜中聚糖菌丰度提升了45倍，阶段ⅱ运行后生物膜中聚糖菌丰度提升了35倍。这表明，在本发明所述运行的低转速的生物笼具有的高cod和高总氮去除能力，与生物膜中高丰度的聚糖菌有关。
45.实施例2：运行转速为0.5转/小时，其他运行参数同施例1，在不同的水力停留时间下进行阶段实验，阶段1以水力留时间4小时运行，阶段2以水力停留时间2小时运行。
46.（1）生物笼在不同水力停留时间下去除污染物的能力表3 实施例2不同水力停留时间运行的平均处理能力由图5和表3知降低水力停留时间使得污染物去除能力有所下降，但对cod的去除能力影响不大，这正是本发明所基于聚糖菌的生物笼降解污染物能力的体现，在超低转速下运行的生物笼，对cod能够有高效去除能力。出水总氮以氨氮形式存在，这可以通过提高生物膜厌氧-好氧交替频率来降低出水氨氮浓度，从而使总氮去除率提升。
47.实施例3：本实施例在基于实施例1运行基础上，以1转/小时运行，水力停留时间6小时，连续进出水模式运行（即对于有效容积为4l的反应器，进水流量为11.1ml/分钟）。
48.表4 连续进出水模式的生物笼运行的平均处理能力图6和表4显示了本发明在连续进出水模式的去除污染物能力，结合实施例1比较可知，相同运行条件下，本发明在间歇进出水模式运行的处理能力相对优于连续进出水的模式。连续进出水模式运行的基于聚糖菌生物笼工艺也属于本发明范围。
49.对比例1：为了更好地体现本发明所带来的技术优势，同时进行对比实验。在本对比例中，进水水质、水力停留时间、浸没比、填料均与实施例1相同，所不同之处在于，运行转速为3转/
分钟（现有技术中生物转盘工艺一般转速为2~4转/分钟）。
50.由图7可知，在高转速下运行的生物笼，污水中的溶解氧较高，使得cod快速的被消耗，在进水后1小时cod基本降至最低值。cod降解和氨氮硝化都需要消耗氧气，运行周期内进水后cod和氨氮瞬时增加，之后浓度逐步降低，溶解氧浓度也随之降低逐步升高，溶解氧的浓度变化如图8所示。
51.表5 对比例1的一般高转速运行处理前后的平均水质如图9和表5所示，高转速运行的生物笼对cod的去除能力表现较好，而总氮的去除能力只有62.1%，出水总氮以较高浓度的硝酸盐氮形式存在。