採用原位生物接觸氧化修復微汙染水源水的方法
2023-04-23 04:37:46 2
專利名稱：：採用原位生物接觸氧化修復微汙染水源水的方法
技術領域：
：本發明屬於水處理
技術領域：
，具體涉及一種採用原位生物接觸氧化修復微汙染水源水的方法，特別適用於發生富營養化的微汙染水庫和湖泊水。
背景技術：
：水源水的汙染是當今世界範圍內普遍面臨的問題，我國7大水系和內陸河流110個重點河段，III、IV、V類水質佔68X，我國現有河流近1/2河長受到汙染，1/10河長受到嚴重汙染，全國城市90%水域受到汙染，大河幹流佔13%，支流55%被汙染。水源的汙染日益嚴重，氮、磷等有機物含量超標以及由此造成的水質富營養化是目前我國水汙染的主要問題。加強水源保護和改進水處理工藝是提高飲用水質，確保安全供水的兩項有效措施。微汙染水源水是指受到有機物汙染，部分項目的指標超過衛生標準。這類水中所含的汙染物種類較多、性質較複雜，但濃度比較低。湖泊、水庫富營養化和藍藻水華爆發引起的環境問題引起國內外廣泛關注，採用生物接觸氧化技術是處理微汙染水源水的重要方法，但目前國內外的水源水的生物接觸氧化技術基本上都屬於異位生物修復技術，這樣勢必要在已建水廠內增建處理構築物，往往要受到場地等因素的限制，提高水處理成本，並且不能從根本上解決水源地水源汙染日益嚴重的問題。
發明內容針對現有技術存在的缺陷或不足，本發明目的在於，提供一種採用原位生物接觸氧化修復微汙染水源水的方法，以解決水源地水源水汙染日益嚴重，COD、N、P等汙染物超標，水體富營養化頻繁發生，嚴重危害飲用水安全及人體健康的問題。該方法能夠有效降低水源水的COD、N、P等汙染物的濃度，從源頭解決水源水汙染的問題。同時降低運行成本，抑制藻類生長，控制水體富營養化。為了實現上述任務，本發明的方法是通過以下技術方案得以實現—種用於修復微汙染水源水的微生物，其特徵在於，所述的微生物是硝化細菌SYl(Pseudomonassp.SYl)，保藏編號為CCTCCNO:M209180和反硝化細菌HYl(Pseudomonassp.HYl)，保藏編號為CCTCCNO:M209181。—種採用原位生物接觸氧化修復微汙染水源水的方法，其特徵在於，包括下列步驟1)選擇生物填料作為微生物的載體；2)生物菌劑HS的製備將從黑河水庫底泥中篩選得到硝化細菌SYl(Pseudomonassp.SYl，保藏編號為CCTCCNO:M209180)禾P反石肖化細菌HYl(Pseudomonassp.HYl，保藏編號為CCTCCNO:M209181)接種於HS富集培養基上，恆溫振蕩培育2-3d後，將菌種移植於HSK培養基中擴大培養，恆溫振蕩培育2d;所述的HS富集培養基的配方為NaAc0.5g，NaNO30.1g，NH4C1O.lg，MgS040.02g，CaCl20.02g，K2HP040.05g，蒸餾水定容至1L，pH調至7-7.5;所述的HSK培養基的配方為NaAcO.lg，NaN030.02g，NH4C10.02g，K2HP04O.Olg，滅菌水源水0.3-0.4L，蒸餾水定容至1L，pH調至7-7.5;3)微生物掛膜將選擇的生物填料置於用"HSK培養基"擴大培養的菌劑中進行生物掛膜，生物掛膜通過曝氣裝置將DO的濃度控制在2-3mg/L，並且每天30-40%的培養液換為待處理的水源水，逐漸降低營養物質的濃度，使生物填料中的微生物SYl和HY1適應微汙染水源水的水質狀況，連續曝氣掛膜4-5d，待生物填料形成黃色生物膜後掛膜結束，採用連續水流連續衝洗45遍，衝掉填料表面的吸附的細菌，製成生物固定化填料；4)原位生物接觸氧化修復微汙染水源水將製備好的生物固定化填料用繩子連接固定於揚水曝氣器周圍，採用揚水曝氣-原位生物接觸氧化對微汙染水源水中進行生物修復。本發明的原位生物接觸氧化修復微汙染水源水的技術與現有的技術相比具有處理水量大，處理時間短，出水水質穩定，運行成本低，避免了增建處理構築物。能夠有效降低水源水的COD、N、P等汙染物的濃度，特別是能夠有效去除微汙染水源水中的總氮含量。從源頭解決水源水汙染的問題，抑制藻類生長，控制水體富營養化。圖l是本發明檢領圖2是本發明檢領圖3是本發明檢領圖4是本發明檢領圖5是本發明檢領圖6是本發明檢領圖7為本發明檢領實驗的COD,濃度的變化圖；實驗的NH4+-N濃度的變化圖；實驗的N03—-N濃度的變化圖；實驗的N02—-N濃度的變化圖；實驗的TN濃度的變化圖；實驗的濁度變化實驗填料上的部分微生物照片，各圖的放大倍數均為40X10倍。其中圖(a)為輪蟲，圖(b)為鍾蟲，圖(c)為線蟲。以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。本發明涉及篩選的高效菌種為從黑河水庫底泥中篩選得到硝化細菌SY1和反硝化細菌HY1，該兩項菌種於2009年8月24日保藏於中國典型培養物保藏中心，簡稱CCTCC，並登記入冊，該生物菌種於2009年8月24日起保存30年。其中硝化細菌SYl(Pseudomonassp.SYl)保藏號為CCTCCNO:M209180;反硝化細菌HYl(Pseudomonassp.HYl)保藏號為CCTCCNO:M209181。具體實施例方式本發明的原位生物接觸氧化修復微汙染水源水技術，其設計思路是將生物接觸氧化技術與與申請人自主研發的揚水曝氣器(專利號為ZL200410073541.3)相結合，不僅滿足了原位生物接觸氧化修復微汙染水源水技術所需要的曝氣系統設計要求，並且能夠實現在混合上、下水層的同時能有效降低水中的N、P含量，控制水體富營養化，避免了增建處理構築物，降低運行成本的目的。4目前在實驗研究和國內大型實際工程中應用的主要是異位生物接觸氧化技術，對於微汙染水源水中的氨氮去除基本都可達到70%以上，有機物去除可達到20-30%，但是異位處理勢必增加由於興建水廠構築物而產生的成本，並且對總氮的去除效率較低。如何能夠在水源水體中，採用綜合的方法改善原水水質，阻止富營養化和內源汙染釋放等問題的發生，從而取代或減少原水後期處理程序，目前研究的重點為水質原位修復改善技術。原位修復無需輸送汙染水體，該技術具有見效快、投資省、無副作用的特點。揚水曝氣與生物接觸氧化組合技術充分發揮各自的功能，起到充氧、混合、氧化分解、抑制底泥釋放及藻類生長等一系列作用，從而達到改善水質、控制水體富營養化的作用。遵循上述工作原理本發明採取如下技術方案予以實現—種採用原位生物接觸氧化修復微汙染水源水的方法，包括下列步驟1)選擇生物填料作為微生物的載體。本發明選擇本領域常規的生物填料，例如宜興市裕隆環保有限公司(地址江蘇宜興高賸外商投資工業園)生產的一種新型微生物膜載體，該生物填料比表面積大，易掛膜，不易脫落，親水性好。掛膜後的比重接近於l，在曝氣條件下可獲得完全的流態化，在水中自由通暢的旋轉，增加對水中氣泡的撞擊和切割，提高氧的利用率。生物填料的具體理化性能指標如表1所示表1生物填料的物理性能tableseeoriginaldocumentpage52)生物菌劑HS的製備將從黑河水庫底泥中篩選獲得的高效菌種硝化細菌SYl(Pseudomonassp.SYl，保藏編號為CCTCCNO:M209180)和反硝化細菌HYl(Pseudomonassp.HYl，保藏編號為CCTCCNO:M209181)接種於HS富集培養基，在25-3(TC、120rpm條件下恆溫振蕩培育2-3d，見有明顯生長，即菌懸液在600nm處的吸光度值，一般當OD600X).5時停止培養。然後接種於HSK培養基中擴大培養，在25-3(TC、120rpm條件下恆溫振蕩培育2d。其中硝化細菌SY1和反硝化細菌HY1菌株均屬於假單胞菌屬，其各自具有如下特徵(a)菌落形態特徵和菌體形態特徵參見表2。tableseeoriginaldocumentpage6表3(注V表示支持，+表示生長或反應為陽性)(c)NH4+-N、N03--N去除率氨氮初始濃度為1.26mg/L，經過48h的培養後氨氮最終濃度為0.0112mg/L，對氨氮去除率為99.11%。硝酸鹽初始濃度為2.3mg/L，經過48h的培養後硝酸鹽最終濃度為0.041mg/L，對硝酸鹽去除率為98.52%。參見表4:tableseeoriginaldocumentpage6表4所述的HS富集培養基的配方為NaAc0.5g，NaNO30.1g，NH4C1O.lg，MgS040.02，CaCl20.02g，K2HP040.05g，蒸餾水定容至1L，pH調至7-7.5。所述的HSK培養基的配方為NaAcO.lg，NaN030.02g，NH4C10.02g，K2HP04O.Olg，滅菌水源水0.3-0.4L，蒸餾水定容至1L，pH調至7-7.5。3)微生物掛膜將製備的填料置於用"HSK培養基"擴大培養的菌劑中進行生物掛膜，掛膜通過曝氣裝置將DO的濃度控制在2-3mg/L以加速掛膜進程，每天將將HSK培養基總量30-40X培養液換為待處理的水源水，逐漸降低營養物質的濃度，使微生物適應微汙染水源水的水質狀況，連續曝氣掛膜4-5d，生物填料形成黃色生物膜後掛膜結束，採用連續水流連續衝洗45遍，衝掉填料表面的吸附的細菌，製成生物固定化填料。4)原位生物接觸氧化修復微汙染水源水將製備好的生物固定化填料用繩子連接，將其固定於本實驗室專利裝置揚水曝氣器周圍，採用揚水曝氣-原位生物接觸氧化對微汙染水源水中進行生物修復。實驗驗證遵照本發明的上述步驟以及技術要點，本發明以西安市某水源水作為實驗用水，對其進行脫氮處理，具體實驗情況如下1、原水水質西安市某水源其水質指標符合微汙染水範圍，水質各項指標具體參數見表5:表5原水水質狀況PH值COD、,'L:V2M濁度楷標(mg■L")(mgL力(mgL")(mgL力(NTU)數值7.386.300,2460扁1.7301.9S9細40扁'8.52、實驗裝置試驗裝置為2個圓柱形有機玻璃容器，直徑直徑300mm，高800mm，有效容積為50L。其中l個為空白對照，即不裝有任何生物填料；另一個裝有高效生物填料。容器頂部開有取樣孔、放氣孔和曝氣孔，壓縮空氣從上部經曝氣擴散器進入，用空氣流量計調節曝氣量，使系統的DO值控制在2.53.0mg/L之間，溫度為27.5。C，，PH值為7.58。空白對照裝置無需曝氣。3、生物填料選用宜興市裕隆環保有限公司生產的①25裕隆懸浮填料，填充率為2%。4、實驗操作、及結果遵循本發明的技術步驟，採用國家標準方法測定CODMn、NH4+-N、N03-N、N02-N和TN。採用PHS-3C型精密酸度計測量PH值，採用HQ-30d型溶解氧測定儀測定DO，採用WGZ-1S濁度儀測定濁度。經過43天的運行，其試驗結果表明如下4.1C0D去除效果的變化參見圖l，經過一段時間適應後，CODMn的去除率在8.7%-25.3%之間，濃度最低可降至4.75mg/L。這主要是由於原位生物接觸氧化通過微生物自身生命代謝活動——氧化、還原、合成等過程，微生物的生物絮凝、吸附、氧化和硝化等綜合作用來去除水中的有機汙染物質[4]。去除有機物的菌類主要是異氧菌，它們使可生物降解的有機物發生氧化反應，從而使有機物中的碳被氧化為二氧化碳，有機氨氮氧化為氨態的氮。另外原水中的大部分藻類在白天會利用太陽光進行光合作用，消耗水體中部分有機物，起到淨化水體的作用。填料上附著的原生動物和微型後生動物主要以藻類殘屑、菌類及有機碎屑為食，對有機物質的去除也有一定的貢獻。菌類、藻類、微型動物等共同構成填料上的膜結構和功能。4.2NH4+-N去除效果的變化參見圖2，在適量曝氣及貧營養條件下，氨氮仍然具有比較穩定的去除效果。第1天裝有填料反應器的氨氮濃度高於空白對照值，這是由於懸浮填料表層未固定的細菌進入水體所致。第3天氨氮濃度值降低可能是由於填料表面的吸附作用，第5天時，氨氮濃度上升，主要是原水中大量微生物對有機物的快速分解，導致大量有機氮迅速轉化為氨氮進入原水中造成，而氨氮到硝態氮的轉化主要依靠硝化細菌的作用，由於原水中的硝化細菌是嚴格的自養型微生物，其對環境的適應和生長代謝速率都比較慢，硝化作用此時尚未發揮出來，表現為初始期氨氮值較高。到第15天，各反應器的氨氮濃度值降到最低，對氨氮的去處率達到75%左右。第17天以後氨氮的濃度基本保持在0.1mg/L左右，說明水體中的營養物質已經耗盡。到第37天左右，氨氮濃度值驟然增加，分析其原因可能是由於填料上部分老化的生物膜脫落到原水中所致。4.3N03—-N去除效果的變化由圖3可知，由於高效微生物的反硝化脫氮作用，使得Kaldnes懸浮填料對原水中的硝酸鹽氮具有很好的降解作用。硝氮的最大去除率發生在第31天，達到80%左右。試驗第1天，填料反應器的硝酸鹽氮濃度高於空白對照值，這是由於懸浮填料表層未固定的細菌進入水體所致。第3天硝酸鹽氮濃度降低可能是由於填料表面的吸附作用，隨著時間的增加，由於硝化細菌的作用，使原水中的氨氮轉化為硝酸鹽氮，因此第15天左右出現硝酸鹽氮值的增加，而此時氨氮的去除率也達到最大值。在此後的12天裡，硝氮濃度保持穩定，生物降解作用不明顯，這是因為微生物的生長都有一定的規律和周期，在貧營養狀態或營養受到限制的情況下，微生物有一個長期適應的過程，在這個變化過程中，生物的形態和生理都將發生顯著變化，並達到穩定的飢餓——生存狀態，此時細胞的大小基本穩定。經過飢餓生存的細胞，由於能量缺乏，代謝機制的效率得到提高，因此對基質的利用效率提高，可以達到更好的脫氮效果。本試驗採用的高效生物菌劑均為貧營養反硝化細菌，世代周期比較長，因此對環境的適應性更好，在生物脫氮過程中將硝酸鹽轉化為無害的氮氣、少量的亞硝氮和氮氧化物得以去除。31天以後，硝氮濃度略有升高，原因可能是由於填料上部分老化的生物膜脫落至原水中造成的；39天以後，硝氮濃度基本趨於穩定，生物膜的脫落和生長達到動態平衡狀態。4.4N02—-N去除效果的變化參見圖4在系統運行的前27天裡，亞硝氮濃度變化不大，這是由於原水中氨氮濃度很低，在亞硝化菌的作用下NH4+-N被氧化成N02—-N，然後再由硝化菌利用水中的氧將N02—-N迅速氧化成N03—-N。第29天亞硝氮濃度突然增加，由圖3可以看出此時硝氮去除率較高，反硝化作用顯著，因此這部分亞硝氮是由硝氮在反硝化過程中產生的。第31天的亞硝氮濃度值接近於零，此後迅速升高，到41天達到最大值，這是由於此時原水氨氮驟然增加，而硝化菌生長速度比亞硝化菌慢，此時還不能將亞硝化菌由NH4+-N氧化成的那部分N02—-N及時地氧化成N03—-N，因此造成N02—-N的累積。4.5TN去除效果的變化圖5可以看出，在貧營養脫氮細菌的作用下，強化原位生物接觸氧化法對總氮具有較顯著的降解作用。高效生物菌劑中的貧營養微生物在營養物的競爭中具有較大的優勢，對低濃度基質具有相對較高的親和力，吸附能力強，速度快，吸收容量大。水中低濃度的可生物降解的有機物、氨氮、硝氮、亞硝氮等首先很快被填料上的生物膜所吸附，然後迅速被膜上的好氧和兼性貧營養細菌所吸收，通過生物降解、硝化和反硝化等綜合作用去除水中的氮源汙染物。對比圖5和圖3的濃度變化曲線可以看出，總氮和硝氮濃度變化趨勢比較相近，這是由於原水中的有機氮、氨氮和亞硝氮濃度很低，而硝氮濃度相對較高，因此硝氮的降解效果對總氮去除率有很大影響。第1天，填料反應器總氮值高於空白對照值是由於懸浮填料表層未固定的細菌進入水體所致。由於高效菌種對貧營養環境的適應，在反應器運行的前27天裡，總氮濃度變化不大，到第31天時總氮的去除率為77.6%，總氮濃度在0.5mg/L左右，41天以後總氮去除率保持穩定。4.6濁度去除效果的變化由圖6可見，原位生物接觸氧化系統對原水濁度有較好的去除效果，在系統運行期間，原水濁度由18.50NTU降低到1.80NTU，去除率達到90.3%。原水濁度的去除主要是填料上生物膜的吸附作用、微生物絮凝作用、生物降解及直接沉澱作用。原水中一部分形成濁度的有機物被填料上的生物膜所吸附，通過微生物的生命代謝活動，將有機物降解合成自身的有機細胞物質，使原水濁度降低。而原水中的膠體物質、懸浮物顆粒等由於生物膜的吸附作用，在填料的生物膜表面形成生物絮凝體，產生顆粒間的相互凝聚，形成較大的顆粒，使水中細小懸浮顆粒數目大大降低，較大的凝聚顆粒在氣水衝刷作用下脫附，沉到底部。由於懸浮物在生物膜表面被吸附，隨著時間增加膜表面會逐漸形成緻密層，妨礙生物膜與水中汙染物及DO的傳質，降低了填料的總有效面積，從而影響系統的脫氮效果。因此當原水懸浮物較多、濁度較大時有必要適時對填料進行衝洗。5、生物膜特徵及作用分析新購置的裕隆懸浮載體為白色半透明材料；反應器運行前2周由於高效菌種對貧營養環境有一個較長時間的適應過程，因此生物膜厚度變化不明顯，填料表面為淡黃色，鏡檢時發現有大量細菌，並開始以菌膠團的形式存在；隨著時間的增加，微生物逐漸適應環境並不斷增長和繁殖，因此在反應器運行第3周左右，生物膜厚度明顯增加，填料外觀逐漸轉變為淺褐色，並出現了原生動物及少量的後生動物，佔優勢的是固著性的鐘蟲、遊泳性的纖毛蟲等；到第4周，填料外觀顏色轉變為褐色，此時取填料表面的生物膜進行鏡檢，發現填料上的生物相十分豐富，主要有鍾蟲、累枝蟲、輪蟲、太陽蟲、纖毛蟲、線蟲等，群落結構組成趨於穩定，說明原位生物接觸氧化系統運行狀況良好。由生物相觀察可知，生物膜上的生物由低級向高級逐漸演化。在系統運行過程中，貧營養好氧反硝化菌HY1群逐漸適應環境，在生物填料上得以生長繁殖並保持一定的數量。細菌、菌膠團、原生動物和後生動物組成了一個相對穩定的群落結構，並發揮著各自的作用。活性細菌起生命代謝的主體作用，菌膠團具有很強的吸附能力和分解能力，為原生動物和微型後生動物提供了良好的生存環境和附著場所，鍾蟲等原生動物以吞噬細菌為生，促使細菌不斷繁殖，線蟲等微型後生動物主要以食死肉為主動物，起到軟化生物膜、促使生物膜脫落的作用，從而使生物膜保持良好的活性及淨化功能。圖7所示為填料上的部分微生物照片，各圖的放大倍數均為40X10倍。其中圖(a)為輪蟲，圖(b)為鍾蟲，圖(c)為線蟲。因此，在系統運行過程中，填料上的生物膜外觀呈現出白色半透明一淡黃色一淺褐色一褐色的變化過程，填料上的生物也發生一系列變化，優勢動物種類如有鍾蟲、累枝蟲、輪蟲、太陽蟲、纖毛蟲、線蟲等，標誌著生物膜的成熟。綜上所述，本發明的原位生物接觸氧化修復微汙染水源水的方法，是改善微汙染水源水水質的有效途徑，対水中的CODm。、氨氮、硝氮、總氮及濁度均有較好的處理效果，最大去除率分別為25.3%、75%、80%、77.6%和90.3%。系統穩定運行時的氨氮和總氮濃度均可以達到地表水環境III類水體的質量標準要求。作為一種原位處理與其他生物預處理相比，無需新建構築物，又能夠有效去除水中汙染物質，具有廣闊的發展前旦足。權利要求一種用於修復微汙染水源水的微生物，其特徵在於，所述的微生物是硝化細菌SY1(Pseudomonassp.SY1)，保藏編號為CCTCCNOM209180和反硝化細菌HY1(Pseudomonassp.HY1)，保藏編號為CCTCCNOM209181。2.—種採用原位生物接觸氧化修復微汙染水源水的方法，其特徵在於，該方法包括下列步驟1)選擇生物填料作為微生物的載體；2)生物菌劑HS的製備將篩選獲得的權利要求1所述的硝化細菌SYl(Pseudomonassp.SYl，保藏編號為CCTCCNO:M209180)和反硝化細菌HYl(Pseudomonassp.HYl，保藏編號為CCTCCNO:M209181)接種於HS富集培養基，恆溫振蕩培育2-3d後，將菌種移植於HSK培養基中擴大培養，恆溫振蕩培育2d;所述的HS富集培養基的配方為NaAc0.5g，NaN03O.lg，NH4C1O.lg，MgS040.02g，CaCl20.02g，K2HP040.05g，蒸餾水1L，pH調至7-7.5;所述的HSK培養基的配方為NaAcO.lg，NaN030.02g，NH4C10.02g，K2HP04O.Olg，滅菌水源水0.3-0.4L，蒸餾水定容至1L，pH調至7-7.5;3)微生物掛膜將選擇的生物填料置於用"HSK培養基"擴大培養的菌劑中進行生物掛膜，生物掛膜通過曝氣裝置將DO的濃度控制在2-3mg/L，並且每天將30-40%的培養液換為待處理的水源水，逐漸降低營養物質的濃度，使生物填料中的微生物硝化細菌SY1和反硝化細菌HY1適應微汙染水源水的水質狀況，連續曝氣掛膜4-5d，待生物填料形成黃色生物膜後掛膜結束，採用連續水流連續衝洗45遍，衝掉填料表面的吸附的細菌，製成生物固定化填料；4)原位生物接觸氧化修復微汙染水源水將製備好的生物固定化填料用繩子連接固定於揚水曝氣器周圍，採用揚水曝氣-原位生物接觸氧化對微汙染水源水中進行生物修復。全文摘要本發明公開了一種原位生物接觸氧化修復微汙染水源水的方法。該技術採用自主開發的纖維和海綿組合球型填料作為載體，將篩選獲得的高效菌種在培養液「HS富集培養基」富集培養，富集培養後接種於「HSK培養基」中擴大培養製成生物菌劑，將填料置於菌劑中進行生物掛膜，製成生物固定化填料。將製備好的生物固定化填料用繩子連接，將其固定於本實驗室專利裝置揚水曝氣器周圍，採用揚水曝氣-原位生物接觸氧化對微汙染水源水中進行生物修復。本發明能夠有效降低水源水的COD、N、P等汙染物的濃度，特別是能夠有效去除微汙染水源水中的總氮含量。從源頭解決水源水汙染的問題，抑制藻類生長，控制水體富營養化。文檔編號C02F3/30GK101691547SQ20091002413公開日2010年4月7日申請日期2009年9月29日優先權日2009年9月29日發明者劉燕,智利,蘇俊峰,魏巍,黃廷林申請人:西安建築科技大學