一種基於藻菌共生生物膜的光養強化生物除磷方法
2023-04-25 00:41:12 2
1.本發明屬於汙水生物處理領域，特別涉及一種基於藻菌共生生物膜的光養強化生物除磷方法。
背景技術：
2.強化生物除磷(ebpr)是一種經濟、有效的磷去除工藝，已廣泛應用於全世界的汙水處理廠。該工藝主要依賴聚磷菌(paos)在厭氧階段釋磷，好氧階段過量吸磷，將磷濃縮在汙泥中，通過剩餘汙泥排放，實現磷從水體中去除。epbr在好氧階段需要機械曝氣，能耗佔汙水處理總能耗的45％-75％。因此，迫切需要探索創新的汙水生物除磷工藝，從而減少曝氣能耗，降低處理成本。
3.目前，已有研究通過藻類光合作用產氧代替機械曝氣，並實現了paos的富集，此系統被命名為光養ebpr系統，可在連續的暗-光循環中實現磷的去除。在黑暗階段，paos利用多聚磷酸鹽和糖原水解產生的能量將汙水中的vfa吸收轉化為pha，同時釋放磷；在光照階段，藻類通過光合作用產生氧氣，paos利用氧氣氧化pha並過量吸磷。該系統具有除磷效果好、能耗低等優點。但上述研究均採用藻菌共生懸浮汙泥系統，存在生物量低、佔地面積大；出水汙泥濃度高、微藻難收集；汙泥易膨脹，運行不穩定；光能利用率低等問題。同時光養ebpr懸浮汙泥系統中的paos生長速率慢、難富集，且受光照直射影響導致生長及活性受到光抑制。
技術實現要素：
4.為解決上述技術問題，本發明提供了一種基於藻菌共生生物膜的光養強化生物除磷方法，以發揮藻菌共生及強化生物除磷優勢並避免懸浮系統的缺點，從而達到穩定除磷的目的。
5.為達到上述目的，本發明的技術方案如下：
6.一種基於藻菌共生生物膜的光養強化生物除磷方法，包括如下過程：
7.步驟一，掛膜階段：向反應器內投加填料，並接種活性汙泥，悶曝3-7天，期間每4-8h向反應器中投加濃縮營養液，直至填料孔隙被黃褐色生物膜覆蓋，完成掛膜；
8.步驟二，paos富集階段：利用待處理含磷汙水按進水-厭氧-好氧-沉降-排水-閒置的方式周期運行在生物膜內部馴化富集paos；其中，厭氧期在避光攪拌條件下運行，好氧期在曝氣條件下運行，直至厭氧期末期有明顯的釋磷現象且總磷去除率達到90％以上，完成paos的富集；
9.步驟三，光合微生物富集階段：利用待處理含磷汙水按進水-厭氧-好氧-沉降-排水-閒置的方式周期運行在生物膜外部原位馴化富集光合微生物；其中，厭氧期在避光攪拌條件下運行，好氧期在光照攪拌和逐步縮短曝氣時長的曝氣條件下運行，直至填料內生物膜表面被微藻覆蓋且好氧期無曝氣運行時總磷去除率達到90％以上，完成藻菌共生生物膜的培養；
10.步驟四，光養強化生物除磷階段：將待處理含磷汙水按進水-厭氧-好氧-沉降-排水-閒置的方式周期運行以除去廢水中的磷，其中，厭氧期在避光攪拌條件下運行，好氧期在光照攪拌條件下運行。
11.上述方案中，所述填料為聚乙烯k3填料，填料尺寸為φ25
×
12mm，填充比為30％。
12.上述方案中，所述反應器中初始活性汙泥濃度為3-4g/l。
13.上述方案中，所述濃縮營養液採用質量比為3:1的乙酸鈉和丙酸鈉作為混合碳源、氯化銨作為氮源、磷酸二氫鉀作為磷源配置而成，其中，碳、氮、磷三者的質量比為300:50:10。
14.上述方案中，步驟二至步驟四中，每個周期為12h，進水期為20min，厭氧期為150min，好氧期為540min，沉降期為1min，排水期為5min，閒置期為4min.
15.上述方案中，步驟三中，初始曝氣時長為530min，經過6個周期後，每隔2個周期調低106min的曝氣量，再經過10個周期，逐步縮短至0min。
16.上述方案中，步驟三和步驟四中，光照強度為5000-15000lux。
17.上述方案中，步驟三和步驟四中，光照強度為13000lux。
18.上述方案中，所述反應器為移動床生物膜反應器，外部均勻設置led燈帶，通過led燈帶提供光照。
19.通過上述技術方案，本發明提供的一種基於藻菌共生生物膜的光養強化生物除磷方法具有如下有益效果：
20.1、本發明採用分階段逐步培養的方法，先進行生物膜掛膜，這有助於在生物膜內部截留生長速度慢的paos，並且為paos的生長富集提供有利的厭氧/缺氧/好氧微環境，從而得到內部富集paos的具備ebpr功能的生物膜；再進行光照並逐步縮短曝氣時長，從而在生物膜外部原位馴化富集具備產氧能力的光合微生物(微藻)，最終實現無外部機械曝氣條件下光養強化生物除磷。
21.2、本發明選擇性的促進paos和光合微生物(微藻)分別在生物膜內部和外部的定殖，充分發揮藻菌共生生物膜在paos富集生長和保護其免受光抑制方面的優勢，從而加速系統啟動、確保穩定運行。
22.3、本發明的光養生物膜系統生物量高、出水ss濃度低，解決了懸浮汙泥系統出水ss高、微藻難收集、佔地面積大、易發生汙泥膨脹等問題。
23.4、相較於普通的固定床藻菌共生生物膜，本發明反應器內填料以移動懸浮形式存在，填料上的生物膜與光和汙水中的汙染物可充分接觸，光能利用效率高、汙染物去除速率快。
24.5、本發明方法簡單，成本低廉，去除效果好，穩定可靠。
附圖說明
25.為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹。
26.圖1為本發明實施例所公開的一種移動床生物膜反應器示意圖；
27.圖2為步驟一中初始添加的聚乙烯k3填料照片；
28.圖3為步驟一中填料上經過悶曝形成的汙泥生物膜照片；
29.圖4為步驟二中反應器內水質的周期變化；
30.圖5為步驟三中填料上形成的藻菌共生生物膜照片；
31.圖6為步驟四中反應器內水質的周期變化。
32.圖中，1、進水桶；2、蠕動泵；3、進水口；4、空氣壓縮機；5、氣體流量計；6、曝氣頭；7、led燈帶；8、攪拌葉片；9、出水口；10、電磁閥；11、繼電器；12、反應器。
具體實施方式
33.下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。
34.本發明提供了一種基於藻菌共生生物膜的光養強化生物除磷方法，採用的反應器12為現有的移動床生物膜反應器12(mbbr)，如圖1所示，該反應器12有效體積為9l，管徑11cm，高96cm，反應器12底部設有進水口3和曝氣頭6，側部下側設有出水口9，進水口3通過進水管連接進水桶1，進水管上設置蠕動泵3，曝氣口6通過曝氣管連接空氣壓縮機4，曝氣管上設置氣體流量計5，空氣由曝氣管通過反應器12底部中央安裝的曝氣頭6進入反應器12，為富集paos提供氧氣。出水口9連接出水管，出水管由繼電器11和電磁閥10控制，出水口在反應器12高32cm的位置，控制電磁閥10的通斷，每次進水和排水的體積交換率為66.67％。反應器12的進水、曝氣、光照等均由繼電器11控制。
35.本實施例中，在反應器12其外部均勻設置led燈帶7，通過led燈帶7提供光照，在遮光運行時，在反應器12外部遮蓋遮光布，反應器12內部設置攪拌葉片8。
36.一種基於藻菌共生生物膜的光養強化生物除磷方法，包括如下過程：
37.步驟一，掛膜階段：向圖1所示的反應器12內投加填料，填料為聚乙烯k3填料，圖2所示，填料尺寸為φ25
×
12mm，填充比為30％；並接種活性汙泥，反應器12中初始活性汙泥濃度為3-4g/l。悶曝3-7天，期間每4-8h向反應器12中投加濃縮營養液，直至填料孔隙被黃褐色生物膜覆蓋，如圖3所示，完成掛膜。濃縮營養液採用質量比為3:1的乙酸鈉和丙酸鈉作為混合碳源、氯化銨作為氮源、磷酸二氫鉀作為磷源配置而成，其中，碳、氮、磷三者的質量比為300:50:10。
38.步驟二，paos富集階段：利用待處理含磷汙水按進水-厭氧-好氧-沉降-排水-閒置的方式周期運行在生物膜內部馴化富集paos，每個周期為12h；進水期為20min，厭氧期為150min，好氧期為540min，沉降期為1min，排水期為5min，閒置期為4min，其中，進水期進水量為0.3l/min；出水期出水量為1.2l/min。其中，厭氧期在避光攪拌條件下運行，好氧期在曝氣條件下運行，直至厭氧期末期有明顯的釋磷現象且總磷去除率達到90％以上，完成paos的富集。
39.反應器內周期水質變化如圖4所示，厭氧期磷濃度由5mg/l增加到20mg/l，好氧期又被消耗至0mg/l，存在明顯的釋磷及富磷現象，且除磷率達到90％以上，說明實現了paos的富集，完成了paos的富集。每個周期的進水均為待處理含磷汙水，不重複使用。
40.步驟三，光合微生物富集階段：利用待處理含磷汙水按進水-厭氧-好氧-沉降-排水-閒置的方式周期運行在生物膜外部原位馴化富集光合微生物，每個周期為12h；進水期為20min，厭氧期為150min，好氧期為540min，沉降期為1min，排水期為5min，閒置期為4min，其中，進水期進水量為0.3l/min；出水期出水量為1.2l/min。其中，厭氧期在避光攪拌條件
下運行，好氧期在光照攪拌和逐步縮短曝氣時長的曝氣條件下運行，光照強度為13000lux。初始曝氣時長為530min，經過6個周期後，每隔2個周期調低106min的曝氣，再經過10個周期，逐步縮短至0min。直至填料內生物膜表面被微藻覆蓋且好氧期無曝氣運行時總磷去除率達到90％以上，完成藻菌共生生物膜的培養，如圖5所示。
41.反應器內周期水質變化如圖6所示，在光照三小時後反應器內溶解氧(do)水平逐漸上升，光合生物產氧可供paos使用，整個周期內磷(tp)濃度在厭氧期由5mg/l富集到10mg/l，後又在好氧期被消耗至0mg/l，存在釋磷及富磷現象，且除磷率達到90％以上，完成藻菌共生生物膜的培養。每個周期的進水均為待處理含磷汙水，不重複使用。
42.步驟四，光養強化生物除磷階段：將待處理含磷汙水按進水-厭氧-好氧-沉降-排水-閒置的方式周期運行以除去廢水中的磷，每個周期為12h進水期為20min，厭氧期為150min，好氧期為540min，沉降期為1min，排水期為5min，閒置期為4min。其中，厭氧期在避光攪拌條件下運行，好氧期在光照攪拌條件下運行，光照強度為13000lux。此階段為穩定運行階段，利用前面階段培養好的藻菌共生生物膜進行穩定除磷。每個周期的進水為待處理含磷汙水，每個周期從出水口9排出的水即為經過除磷後的合格的水。
43.從而在無曝氣條件下實現藻類光合產氧供paos使用，paos通過過量吸磷使反應器達到較優的除磷效果，能耗較小。
44.經測試，本實施例在步驟四的生物量達6.89g/l，高於常規懸浮系統生物量水平(3-4g/l)；出水ss水平較低，在僅需1min的沉降時間內可使出水ss保持在85mg/l以內；總磷(初始值為10mg/l)的去除率達98.43％，且去除效果穩定。
45.對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。