一种利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于废水生物处理技术领域，具体涉及一种利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法。
【背景技术】
[0002]好氧颗粒污泥是生物膜生长的一种特殊形式，是微生物“自絮凝”的一种新方式。在这种微生物自身絮凝增殖的体系中，众多微生物被胞外聚合物包裹于网络框架内，由于在各种微生物间存在有较强的代谢互补关系，因而能够实现复杂有机物的降解，具有承受高有机负荷、耐受有毒物质等特点。同时好氧颗粒污泥技术作为一种在活性污泥技术基础上发展起来的新兴的废水处理技术，能够克服传统活性污泥工艺中存在的诸多问题，如反应器体积庞大、且需要后续的二沉池用以污泥沉淀和回流、容积负荷低、抗冲击能力弱、剩余污泥量大、易于出现污泥膨胀等。然而，好氧颗粒污泥的形成机制仍存在争议，其中“晶核假说”认为污泥颗粒化过程类似于结晶，在晶核基础上微生物富集，形成颗粒污泥。晶核一般来源于反应器运行过程中析出的无机盐沉淀或是惰性有机物。目前多数学者认同“晶核假说”，但是目前对于好氧颗粒污泥的研究大多局限于实验室阶段，难以投入工程实用，主要原因是好氧颗粒污泥的培养周期过长，且成熟颗粒在长期运行中容易出现解体现象，其限制了好氧颗粒污泥在实际应用中的推广和产业化。尤其以难降解工业废水为基质时，好氧颗粒污泥的培养尤为困难，培养时间通常需要3个月以上。
[0003]利用人为投加外部载体或晶核实现好氧污泥颗粒化的快速培养是目前一种有效解决方法。已有研究表明，投加活性炭颗粒有利于好氧污泥的颗粒化。近年来，生物炭在环境修复领域的应用潜力已引起了广泛关注。生物炭是指生物质，如农作物秸杆、木材、动物粪便、污泥、树叶等在厌氧或缺氧的情况下，经过高温慢热热解形成的碳含量丰富的固体物质。相比焦炭、活性炭等其他类型的黑炭，主要应用于生态环境修复、气候变化和农业土壤改良等方面。生物炭因为具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，呈多孔性，且孔隙大小不一，有利于微生物的栖息和繁殖，有利于污泥附着固定。如能采用生物炭为“晶核”，加速好氧颗粒污泥的培养过程，并将之应用于难降解工业废水的处理，将对难降解工业废水好氧颗粒污泥处理技术的发展起积极的推动作用。然而，关于利用生物炭加速吡啶降解好氧污泥颗粒化的研究尚未见文献报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对目前对于难生物降解废水处理系统中好氧颗粒污泥培养周期过长、易发生解体等问题，提供一种利用生物炭作为载体，快速培养具有难降解污染物降解功能的好氧颗粒污泥的新方法。
[0005]实现本发明目的的技术方案是:一种利用生物炭加速好氧污泥颗粒化的方法，包括如下步骤:
[0006](I) Rhizobium sp.NJUST18 接种物的制备:将 Rhizobium sp.NJUST18 接种至添加了 0.5-2g/L吡啶的无机盐培养基MSM中，摇床培养96小时后，将菌液在8000 X g条件下离心分离10分钟，将得到干重约为2g的菌体沉积物作为SBR反应器的接种物；
[0007](2)反应器的启动:向SBR反应器加入含500mg/L吡啶和500mg/L作为辅助碳源的乙酸钠的模拟废水，将Rhizobium sp.NJUST18和城市生活污水处理厂好氧池的活性污泥混合，作为混合接种物加入SBR反应器中，SBR反应器启动初期时加入4g/L生物炭，SBR反应器容积交换率为50%，SBR反应器的运行方式为:进水一曝气一沉降一出水；
[0008](3)颗粒污泥的培养:反应器启动运行过程中，通过定期观察好氧颗粒污泥形态，测定吡啶浓度参数，分析判断反应器运行状况，并对其操作参数做相应调整，具体为:随着模拟废水中吡啶降解性能提高，逐步减少模拟废水中乙酸钠含量，逐步增加模拟废水中吡啶含量至3000mg/L，实现颗粒污泥的增殖，逐步将运行周期由24小时逐步调整至8小时以增加进水负荷，从而提高污泥产量，逐步将污泥的沉降时间由10分钟降低至2分钟，以促进悬浮污泥的排出，直至模拟废水中吡啶为唯一碳源和氮源。
[0009]步骤(I)中，所述的Rhizobium sp.NJUST18于2013年3月28日在中国典型培养物保藏中心CCTCC保藏，保藏单位地址为中国湖北省武汉市武汉大学，保藏编号为CCTCCΝ0:Μ 2013110，命名为根瘤杆菌NJUST18，其分类命名为Rhizobium sp.，GenBank登陆号为JN106368。
[0010]步骤(I)中，所述的无机盐培养基MSM的组分组成为: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 组成: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]步骤(2)中，所述的生物炭通过以下步骤制备:通过30目标准筛对米糠进行筛选，置于流速为100mL/min的氮气气氛下热解，升温至500-800 °C后保持该温度3h，升温速率为10°C /min ;热解结束后，继续保持炉内氮气气氛冷却至室温，用稀盐酸浸泡12h后洗去灰分，去离子水冲洗至pH值恒定，于105°C下烘干，得到尺寸范围为1-2_的生物炭；取生物炭固体进行研磨，控制生物炭粒径范围在0.01-0.5mm范围内。
[0012]步骤(2)中，所述的SBR反应器在启动初期时，初始运行周期设定为24小时，其中进水时间设定为5分钟，曝气时间为1410分钟，沉降时间定为10分钟，排水时间设定为5分钟，闲置期为10分钟。
[0013]步骤(2)中，所述的模拟废水还包括如下组分: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]与现有技术相比，本发明的优点是:
[0015](I)本发明所提供的利用生物炭为载体培养的具有吡啶降解功能的好氧颗粒污泥，可以有效缩短污泥颗粒化的时间、提高容积负荷、缩小反应器占地面积及提高污泥的沉降性能。
[0016](2)解决了高浓度难生物降解废水中好氧颗粒污泥培养周期过长问题，避免了因基质扩散造成内部菌种死亡而导致颗粒污泥解体，颗粒内部微生物丰富，市场应用前景广阔。
[0017](3)实现了具有吡啶降解功能的好氧颗粒污泥在含高浓度吡啶废水处理中的同步短程硝化反硝化的目标。
[0018](4)所利用的生物炭原料米糠价格低廉、来源广泛、预处理操作简单。
【附图说明】
[0019]图1是生物炭载体和好养颗粒污泥照片，a.生物炭载体照片；b.生物炭显微镜照片40x;c.培养初期污泥显微镜照片40x ;d.培养初期投加生物炭的污泥显微镜照片40x ;e.成熟好氧颗粒污泥照片；f.成熟好氧颗粒污泥显微镜照片ΙΟΟχ。
[0020]图2是运行过程中SBR反应器中MLSS、SVI变化图，RO为未投加生物炭的SBR反应器，Rl为投加生物炭的SBR反应器。
[0021]图3是投加生物炭的SBR反应器的一个典型运行周期内吡啶降解效果及NH/-N、NO2 -N、NO3 -N浓度变化。
【具体实施方式】
[0022]下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，结合附图详细说明本发明的具体实例，但不以任何方式限制本发明。
[0023]实施例1:SBR反应器中吡啶降解好氧颗粒污泥的培养
[0024]本发明利用吡啶降解高效菌Rhizobium sp.NJUST18作为生物强化菌剂，生物炭为晶核，快速培养好氧颗粒活性污泥。本实施例设置对照实验，RO反应器未投加生物炭，Rl反应器投加生物炭，其余运行条件均相同，旨在通过对照实验说明投加生物炭可加快含高浓度吡啶废水中好氧颗粒污泥的形成。
[0025](I) Rhizobium sp.NJUST18 接种物的制备:将 Rhizobium sp.NJUST18 接种至添加了 lg/L吡啶的无机盐培养基MSM中，摇床培养96小时后，将菌液在8000 X g条件下离心分离10分钟，将得到干重约为2g的菌体沉积物作为SBR反应器的接种物。
[0026](2)生物炭制备:通过30目标准筛对米糠进行筛选，置于流速为lOOmL/min的氮气气氛下热解，升温至500-800°C后保持该温度3h，升温速率为10°C /min ;热解结束后，继续保持炉内氮气气氛冷却至室温，用稀盐酸浸泡12h后洗去灰分，去离子水冲洗至pH值恒定，于105°C下烘干，得到尺寸范围为0.5-lmm的生物炭；取生物炭固体进行研磨，控制生物炭粒径范围在0.01-0.2mm范围内。
[0027](3) SBR反应器运行参数条件:反应器由有机玻璃制成的圆柱形SBR序批式反应器，SBR反应器内部为完全好氧，装置有效容积2.2L，高100cm，内径6cm外径8cm，水浴夹层2cm。根据SBR反应器结构，其内部上升空气使废水及颗粒污泥处于均匀的水力剪切力中。实验中，通过蠕动栗将含吡啶模拟废水从底部注入反应器，排水口在反应器中部40cm处，体积交换率约为50%。进出水通过自动时间控制器控制。SBR反应器内置曝气设备，由空气栗提供100L/h的曝气量从SBR反应器底部曝气。并配有夹套循环水浴保温，温度调节为30±1°C。通过时间控制器严格控制各周期进水、曝气、沉降、排水时间，确保周期运行无误。
[0028]无机盐培养基的组成为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]除吡啶和乙酸钠外，模拟废水其余组分组成为: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 组成:EDTA 0.5g/L，FeS04.7H20 0.2g/L，ZnS04.7H20 0.001g/L，MnCl2.4H20 0.0