申请日2015.10.22
公开(公告)日2015.12.30
IPC分类号C02F3/12; C02F3/34
摘要
本发明属于生化环保技术领域，提供了一种利用土著微生物构建功能菌群并用于强化处理工业高含酚废水的方法，主要包括如下步骤：(1)采样;(2)构建功能菌群;(3)投加运行，进而建立一套完整的功能菌群“培养-使用”一体化流程，实现含酚废水的达标排放。本发明所述方法对各类工业高含酚废水具有广泛适用性，功能菌群的构建从未脱离原系统水质环境，菌群组成动态变化，适应性强，投加后可快速起效且稳定持久，无需长期持续投加，适用于生化系统异常状态的恢复、提高系统处理效率及停工后的快速启动，本发明工艺合理，成本低廉，易于推广实施，具有良好的环境效益、经济效益和社会效益。
摘要附图
权利要求书
1.一种强化处理工业高含酚废水的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)采样：对工业高含酚废水好氧处理系统进行土著微生物样品采集，静 置并弃去上层清液;
其中所述工业高含酚废水包括石化、焦化、塑料、树脂行业污水处理系统 好氧段进水，进水原水酚含量200-800mg/L，COD为1000-4000mg/L，氨氮 50-300mg/L;
其中所述土著微生物为工业高含酚废水原好氧池泥水混合物，或二沉池回 流污泥，或未经处理的剩余污泥;
(2)构建功能菌群：
A.配制培养液：培养液配方为：0.1-1%w/v基础无机盐培养基、10-50%v/v 待处理工业高含酚废水、0.1-2%w/v无机载体、余量为自来水;将以上成分在布 有曝气设施的培养容器中混合均匀，培养液体积为预计总体积的30-50%，预计 总体积按照好氧系统有效容积的0.2-2‰计算得出;
B.接种：在上述培养液中添加混合酚并混合均匀，使培养液酚浓度达到 300-500mg/L，调节pH至6-8，将上述步骤(1)中采集的土著微生物样品接入 培养容器中，使接种后土著微生物样品浓度以污泥干质量计为2-10g/L;
C.一级培养：对上述接种后的培养液进行曝气培养，控制DO：2-4mg/L，温 度：15-37℃，每24h检测培养液酚含量;酚去除率达到90%以上后，补充混合 酚至500-800mg/L;继续培养至酚去除率达到90%以上后，补充混合酚至 800-1000mg/L;此后酚去除率每达到90%以上，补充混合酚至800-1000mg/L， 连续培养5-7d;
D.二级培养：将上述一级培养液静置，弃去培养液体积10-50%的上层清液， 按步骤A所述配方配制新鲜培养液并补充到培养容器中，使培养液体积达到预 计总体积，补充混合酚至800-1000mg/L，曝气培养，培养条件及检测方式与一 级培养的条件相同，酚去除率每达到90%以上，补充混合酚至800-1000mg/L， 连续培养10-14d且培养液降酚速率不低于800mg/(L.d)，功能菌群构建完成;
(3)投加运行：
A.菌群投加：好氧处理系统停止进出水，将上述步骤(2)构建完成的功能 菌群按照好氧系统有效容积100-1000ppm的投加量投加至工业高含酚废水好氧 处理系统前端，同时按照好氧系统有效容积10-100ppm的投加量投加营养盐;
B.调试运行：投菌后闷曝24-72h，按预期进水流量1/4-1/3连续进水，每 8-12h取样测定出水酚含量，连续72-96h酚去除率达到99%以上后，按预期进 水流量的1/4-1/3增加进水流量，直至达到预期进水流量且出水酚去除率稳定 在99%以上，系统强化处理完成;调试运行期间，每天在好氧池前段按照好氧系 统有效容积10-100ppm的投加量补加功能菌群，按照好氧系统有效容积1-10ppm 的投加量补加营养盐。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述基础无机盐培 养基成分组成按重量份如下：NH4NO38-12份、K2HPO44-6份、KH2PO44-6份、 CaCl20.8-1.2份、NaCl1.5-2.5份、MgSO40.8-1.2份、MnSO40.05-0.15份、 FeSO40.05-0.15份。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)所述无机载体为沸 石粉、硅藻土、活性炭、碳酸钙中的一种或几种的组合。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)加入的混合酚为重 量分数为60-90%苯酚和10-40%其他酚类，所述的其他酚类包括邻甲苯酚、间甲 苯酚、对甲苯酚、萘酚、氯酚中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)投加的营养盐成 分组成按重量份如下：K2HPO44-6份、KH2PO44-6份、CaCl20.8-1.2份、NaCl 1.5-2.5份、MgSO40.8-1.2份、MnSO40.05-0.15份、FeSO40.05-0.15份。
说明书
一种强化处理工业高含酚废水的方法
技术领域
本发明属于生化环保技术领域，提供了一种利用土著微生物构建功能菌群 并用于强化处理工业高含酚废水的方法。
背景技术
随着石化、焦化、树脂等行业的迅速发展，各类工业含酚废水的产生也相 应增多。酚类化合物是一类有毒物质，对几乎所有生物均有毒害作用，因此， 工业高含酚废水的处理刻不容缓。目前，含酚废水的处理方法主要有溶剂萃取、 化学氧化、化学沉淀和生化处理等。其中生化法经济、高效、处理彻底、无二 次污染，成为含酚废水处理的研究重点。
传统的生化处理方法主要有厌氧生化法和好氧生化法，以好氧生化法为 主。但此类废水中的酚类物质毒性较大，对微生物的生长有强烈的抑制作用， 传统生化系统对酚的承受能力有限。加之工业废水具有水质水量波动大的特 点，易于对传统生化系统造成强烈冲击，例如，石油炼化行业原油品质的下降 即可造成出水酚含量急剧升高，使生化系统出现污泥膨胀、出水不达标等问题， 甚至造成生化系统崩溃。
生物强化技术，即生物增强技术(Biologicalaugmentation)，是为了提 高废水处理系统的处理能力而向该系统中投加从自然界中筛选的优势菌种或 通过基因组合技术产生的高效菌种，以去除某一种或某一类有害物质的方法。 生物强化技术产生于20世纪70年代中期，80年代开始在污水处理领域应用， 目前已成为国内外学者的研究热点。据报道，使用生物强化方法降解苯酚、1- 萘酚、邻苯二酚，去除率分别达到100%、98%、70%，对含酚废水的处理具有巨 大的优势和潜力。
目前为止，国内外研究热点在于寻找或构建高效降酚菌种，通过单一菌种 或其相互间的复配制备生物菌剂，向生化系统中投加以提高其耐酚、降酚能力。 例如中国专利CN101348305B公开了一种木屑固定化粪产碱杆菌处理含苯酚废 水的方法，对高浓度苯酚废水处理效果良好。再如目前国外已有较为成熟的生 物菌剂产品在我国投入使用，可用于污水降酚，如美国的利蒙、碧沃丰系列。
但类似产品及技术多为单一菌种或其相互间的复配，且多为外源菌种，对 水质变化适应性差，在系统中难以成为优势菌种，需长期持续投加，加之高效 菌种的分离、构建难度大，研发周期长，因此菌剂产品大多价格昂贵，运行成 本高，多数企业难以承受，并且外源菌种的投加有可能因与土著菌种生态位重 叠而对系统造成不良影响。另外，依靠目前生物技术仅能分离自然界1%左右的 菌种，多数菌种无法分离，因此生态环境中土著微生物对污染物降解的巨大潜 力尚未充分发掘。从已有的研究成果来看，在含酚废水污水处理厂现场，利用 现有资源，通过建立一套简单高效的功能菌群“培养-使用”一体化流程，来 强化生化系统对含酚废水处理能力的技术方法和工程实例尚不多见。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，将生物强化技术与传统活性污泥法 相结合，充分利用含酚废水污水处理厂现有资源，提供了一种利用土著微生物 构建功能菌群并用于强化处理工业高含酚废水的方法，在生产现场建立一套完 整的功能菌群“培养-使用”一体化流程，实现含酚废水的达标排放。本发明 所述方法对各类工业高含酚废水具有广泛适用性，所构建的功能菌群克服了上 述单一菌种和外源菌种存在的不足，功能菌群的构建从未脱离原系统水质环 境，菌群组成动态变化，适应性强，投加后可快速起效且稳定持久，无需长期 持续投加，适用于生化系统异常状态的恢复、提高系统处理效率及停工后的快 速启动。另外，菌群的构建在开放环境中进行，培养容器采用废旧试剂桶、闲 置的小型曝气池、加药池、中试试验池等污水处理厂常见设施利旧即可，培养 周期短，特别适合在各种规模污水处理厂现场实施。功能菌群的投加可全面强 化系统处理效果，对挥发酚、COD、氨氮、色度等指标均有良好去除效果。本 发明工艺合理，成本低廉，易于推广实施，具有良好的环境效益和社会效益。
本发明的主要内容就是提供了一套完整的功能菌群构建方法和具体应用 方法，针对于不同环境下的土著微生物具有极佳的效果，不需对微生物的菌种 等条件进行限定，具有广泛的应用价值。
本发明所涉及的方法，可以广泛应用于工业高含酚废水的强化处理，步骤 如下：
(1)采样：对工业高含酚废水好氧处理系统进行土著微生物样品采集，静 置并弃去上层清液;
其中所述工业高含酚废水包括石化、焦化、塑料、树脂等行业污水处理系 统好氧段进水，进水原水酚含量200-800mg/L，COD为1000-4000mg/L，氨氮 50-300mg/L;
其中所述土著微生物样品为工业高含酚废水原好氧池泥水混合物，或二沉 池回流污泥，或未经处理的剩余污泥;其中所述未经处理指的是没有经过任何 可能影响污泥菌种活性的处理，例如污泥消化、污泥脱水、石灰稳定等工序;
(2)构建功能菌群：
A.配制培养液：培养液配方为：0.1-1%(w/v)基础无机盐培养基、10-50% (v/v)待处理工业高含酚废水、0.1-2%(w/v)无机载体、余量为自来水;将以 上成分在布有曝气设施的培养容器中混合均匀，培养液体积为预计总体积的 30-50%，预计总体积按照好氧系统有效容积的0.2-2‰计算得出;其中预计总体 积指的是预计构建的功能菌群的总体积;好氧系统有效容积指的是功能菌群构 建完毕后，投加运行的原工业高含酚废水好氧处理系统的有效容积;
由于菌种培养过程是逐级放大的，所以初始培养液体积占预计总体积的比 例不能过高，定在30-50%，而预计总体积按好氧系统有效容积的0.2-2‰是根据 菌群投加的用量确定的，太少不够投加，太多会造成浪费;
B.接种：在上述培养液中添加混合酚并混合均匀，使培养液酚浓度达到 300-500mg/L，调节pH至6-8，将上述步骤(1)中采集的土著微生物样品接入 培养容器中，使接种后土著微生物样品浓度以污泥干质量计为2-10g/L;
C.一级培养：对上述接种后的培养液进行曝气培养，控制DO：2-4mg/L，温 度：15-37℃，每24h检测培养液酚含量;酚去除率达到90%以上后，补充混合 酚至500-800mg/L;继续培养至酚去除率达到90%以上后，补充混合酚至 800-1000mg/L;此后酚去除率每达到90%以上，补充混合酚至800-1000mg/L， 连续培养5-7d;
D.二级培养：将上述一级培养液静置，弃去培养液体积10-50%的上层清液， 按步骤A所述配方配制新鲜培养液并补充到培养容器中，使培养液体积达到预 计总体积，补充混合酚至800-1000mg/L，曝气培养，培养条件及检测方式与一 级培养的条件相同，酚去除率每达到90%以上，补充混合酚至800-1000mg/L， 连续培养10-14d且培养液降酚速率不低于800mg/(L.d)(即每天降解浓度为 800mg/L的酚)，功能菌群构建完成;
也可将二级培养中培养液体积增加幅度减小，不必一次性达到预计总体积， 而是细化为三级及以上的多级培养，每一级持续时间为5-7d，其他操作与二级 培养相同，直至培养液体积递增至预计总体积，且降酚速率不低于800mg/(L.d)， 功能菌群构建完成;
在上述过程中之所以选择上述的取样点，主要原因在于以上采样点均含有 大量原系统土著微生物，种类丰富，菌种浓度高，活性强，且已具备一定的耐 酚降酚能力，易于强化培养;功能菌群构建完毕后再投加回原系统，适应能力 强，可快速起效并形成优势菌种，无需长期持续投加，且不会因生态位重叠造 成不良影响;
在构建功能菌群时采用的基础无机盐培养基成分组成按重量份计为：NH4NO38-12份、K2HPO44-6份、KH2PO44-6份、CaCl20.8-1.2份、NaCl1.5-2.5份、 MgSO40.8-1.2份、MnSO40.05-0.15份、FeSO40.05-0.15份;
采用这种组成的基础无机盐培养基可以解决工业废水成分单一的问题，为 土著菌群的强化培养提供必要的营养物质，加快功能菌群的构建，且可提供高 氮环境，利于强化菌群脱氮能力;
而同时添加的无机载体采用沸石粉、硅藻土、活性炭、碳酸钙等常用无机 载体中的一种或几种的组合;这样可为微生物附着生长提供场所，从而提高菌 群浓度，另外，所选择的无机载体具有一定的水处理功能，功能菌群构建完毕 后，随菌群一起加入生化系统，一方面可吸附污染物，供其表面附着生长的功 能菌群降解，另一方面，还可吸附重金属、氨氮等特定污染物，达到处理目的， 并可增强系统沉降性能，改善污泥状态;
而且在构建功能菌群时待处理工业高含酚废水的投加为关键步骤，可使功 能菌群的构建过程始终处于原系统水质环境中，并使其菌种组成随培养过程和 原系统水质环境变化保持优胜劣汰的动态平衡状态，使功能菌群对待处理废水 保持良好的适应性，另外，待处理废水中含有部分原系统运行条件下难以降解 的物质，功能菌群构建的过程相当于延长了水力停留时间，使菌群逐步驯化， 提高了对此类物质的降解能力;因此对于各种功能菌群都有很好的适用性和针 对性，可使其分别适应其所对应的应用环境。
上述为配置营养液的过程，而该过程以及整个功能菌群的构建在开放环境 中进行，不需灭菌等操作，因此无需特殊设备，培养容器采用废旧试剂桶、闲 置的小型曝气池、加药池、中试试验池等污水处理厂常见设施配以曝气设施利 旧即可，设备成本低廉;
而在B.接种过程中，需要向培养液中添加混合酚，而所述的混合酚为重量 百分比60-90%苯酚、10-40%其他酚类，包括邻甲苯酚、间甲苯酚、对甲苯酚、 萘酚、氯酚等常见酚类污染物中的一种或几种的组合，而之所以采用混合酚而 非单一酚来调节培养液酚含量，原因在于对任何一种工业高含酚废水而言，所 含酚类物质均不止一种，但多以苯酚为主，有文献报道，对苯酚有良好降解能 力的菌种均可降解绝大多数其他酚类物质，因此，所采用的混合酚以苯酚为主， 但为使菌群的构建更有针对性，还应根据具体水质特点和当地的使用情况适量 添加其他生物毒性较大的酚类物质，包含但不仅限于上述列出的物质以提高本 发明所述方法的通用性，使之针对不同性质的高含酚水都有很好的处理效果。
在C.一级培养中，采用了酚含量梯度增加的方式进行，目的在于逐步将培 养环境转变为高含酚环境，淘汰无法适应高酚环境的杂菌，使能够耐受并降解 高含量酚类物质的菌种逐步适应高酚环境，并成为优势菌群，提高适应能力和 处理能力;
而D.二级或多级培养的目的在于大量富集能够耐受并降解高含量酚类物质 的菌群，同时进一步淘汰无法适应该环境的杂菌，提高培养液菌种浓度并放大 培养至总需求体积;
对于某一种特定废水而言，菌群构建的过程其菌种组成随培养时间和原系 统水质环境变化保持优胜劣汰的动态平衡状态，最终形成相对稳定的对原系统 具有良好适应性的高效功能菌群，上述方法的优势还在于，对于传统生物技术 无法分离培养的功能菌种，也可随菌群的培养过程优势生长，从而最大程度发 挥土著微生物的处理能力，降低菌种培养的成本;
通过上述方法构建的功能菌群，其菌种组成随培养过程和原系统水质环境 变化保持优胜劣汰的动态平衡状态，因此不限制其具体菌种种类及组成比例， 可应用于各种工况下的高含酚废水处理;
在通过上述方法获得了适合于对应高含酚废水的功能菌群后，即可利用功 能菌群对废水进行处理，具体步骤如下
A.菌群投加：好氧处理系统停止进出水，将上述步骤(2)构建完成的功能 菌群按照好氧系统有效容积100-1000ppm的投加量投加至工业高含酚废水好氧 处理系统前端，同时按照好氧系统有效容积10-100ppm的投加量投加营养盐;
上述营养盐成分组成按重量份如下：K2HPO44-6份、KH2PO44-6份、CaCl20.8-1.2份、NaCl1.5-2.5份、MgSO40.8-1.2份、MnSO40.05-0.15份、FeSO40.05-0.15份;
与基础无机盐培养基成分相比，该营养盐减少了NH4NO3组分，这是由于NH4NO3 的作用在于增加菌种生长所需的氨氮作为氮源，而一般工业废水中均含有足量 氨氮，因此向系统中投加时不必再添加氨氮，而基础无机盐培养基用于菌群构 建，该过程工业废水比例较低，且菌群培养对氮的需求大于投加运行，因此需 要外加氨氮;
营养盐投加的原因为：工业废水成分单一，功能菌群接入系统初期需经历 富集生长的过程，营养盐的投加可提供必要的营养物质，加快功能菌群在系统 中的定殖;
B.调试运行：投菌后闷曝24-72h，按预期进水流量1/4-1/3连续进水，每 8-12h取样测定出水酚含量，连续72-96h酚去除率达到99%以上后，按预期进 水流量的1/4-1/3增加进水流量，直至达到预期进水流量且出水酚去除率稳定 在99%以上，系统强化处理完成;调试运行期间，每天在好氧池前段按照好氧系 统有效容积10-100ppm的投加量补加功能菌群，按照好氧系统有效容积1-10ppm 的投加量补加营养盐。
上述调试运行过程中，闷曝的目的在于使投加的功能菌群在系统中定殖， 避免随出水过早流失;梯度增加进水流量的目的在于逐步稳定提升系统处理能 力，最终达到预期进水流量并保持稳定的处理效果，避免因急剧提高进水量而 对系统造成冲击;调试运行期间功能菌群和营养盐的补加可有效维持系统中功 能菌群的优势地位，保证系统强化处理成功完成;
采用上述利用土著微生物构建功能菌群并用于强化处理工业高含酚废水的 方法，系统强化完成后无需继续投加菌群及营养盐，正常运行期间好氧池出水 挥发酚去除率可达到99%以上，COD去除率为90%以上，氨氮去除率为85%以上， 色度、浊度、气味等感官指标明显改善，可恢复生化系统异常状态、提高系统 处理效率及完成停工后的快速启动，保证好氧系统达标运行，每立方米好氧池 仅需一次性增加投资0.2-2元，特别适合在各种规模含酚污水处理厂现场实施。
发明人进一步提供了更为具体步骤如下：
(1)采样：对工业高含酚废水好氧处理系统进行土著微生物样品采集，采 样点为原好氧池泥水混合物，或二沉池回流污泥，或未经处理的剩余污泥，根 据不同采样点污泥浓度计算采样量，采样方式为使用潜水泵抽取样品至合适大 小的容器中，静置0.5-1h并用潜水泵抽去上层清液;
(2)构建功能菌群：
A.配制培养液：培养液配方为：0.1-1%(w/v)基础无机盐培养基、10-50% (v/v)待处理工业高含酚废水、0.1-2%(w/v)无机载体、余量为自来水;
培养液体积为预计总体积的30-50%，预计总体积按照好氧系统有效容积的 0.2-2‰计算得出，据此计算各成分投加量;
B.接种：在上述培养液中添加混合酚并开启曝气混合均匀，使培养液酚浓 度达到300-500mg/L，调节pH至6-8，将上述步骤(1)中采集的土著微生物样 品用潜水泵抽入培养容器中，使接种后样品浓度以污泥干质量计为2-10g/L;
C.一级培养：对上述接种后的培养液进行曝气培养，控制DO：2-4mg/L，温 度：15-37℃，春、夏、秋三季室外常温培养即可，冬季可根据培养容器具体情 况采取转移到室内或通蒸汽加热等方式提高水温;每24h取样检测培养液酚含 量;酚去除率达到90%以上后，补充混合酚至500-800mg/L;继续培养至酚去除 率达到90%以上后，补充混合酚至800-1000mg/L;此后酚去除率每达到90%以上， 补充混合酚至800-1000mg/L，连续培养5-7d;
D.二级培养：将上述一级培养液停止曝气，静置0.5-1h，用潜水泵抽离弃 去培养液体积10-50%的上层清液，按步骤A所述配方配制新鲜培养液并补充到 培养容器中，使培养液体积达到预计总体积，补充混合酚至800-1000mg/L，曝 气培养，培养条件及检测方式不变，酚去除率每达到90%以上，补充混合酚至 800-1000mg/L，连续培养10-14d且培养液降酚速率不低于800mg/(L.d)，功能 菌群构建完成;
(3)投加运行：
A.菌群投加：好氧处理系统停止进出水，上述步骤(2)构建完成的功能菌 群按照好氧系统有效容积100-1000ppm的投加浓度计算总投加量，用水泵抽入 工业高含酚废水好氧处理系统前端，同时按照好氧系统有效容积10-100ppm的 投加浓度计算营养盐投加量，称取并在同一位置投加营养盐;
B.调试运行：投菌后闷曝24-72h，按预期进水流量1/4-1/3连续进水，每 8-12h取样测定出水酚含量，连续72-96h酚去除率达到99%以上后，按预期进 水流量的1/4-1/3增加进水流量，直至达到预期进水流量且出水酚去除率稳定 在99%以上，系统强化处理完成;调试运行期间，每天在好氧池前段按照好氧系 统有效容积10-100ppm的投加量补加功能菌群，按照好氧系统有效容积1-10ppm 的投加量补加营养盐。
与现有技术相比，利用本发明构建功能菌群并强化处理高含酚废水有以下 优点：
1、利用本发明强化处理工业高含酚废水，挥发酚去除率可达到99%以上， COD去除率为90%以上，氨氮去除率为85%以上，色度、浊度、气味等感官指标 明显改善，可快速恢复生化系统异常状态、全面提高系统处理效率及完成停工 后的快速启动，保证好氧系统达标运行;
2、本发明利用土著微生物构建功能菌群，有效菌种浓度高，适应性强，投 加后可快速起效且稳定持久，无需长期持续投加，运行成本低廉;
3、本发明菌群的构建在开放环境中进行，无需增加特殊设备，培养容器采 用废旧试剂桶、闲置的小型曝气池、加药池、中试试验池等污水处理厂常见设 施利旧即可，既能进行废旧资源的利用，又能节约设备成本;
4、本发明将生物强化技术与传统活性污泥法相结合，充分运用微生物固定 化理论、驯化理论、原位强化理论，创造性地提出一套完整的功能菌群“培养- 使用”一体化流程，各工艺步骤设计合理，操作简单，成本低廉，运行周期短， 每立方米好氧池仅需一次性增加投资0.2-2元，特别适合在各种规模含酚污水 处理厂现场实施。
