申请日2012.04.29
公开(公告)日2015.04.01
IPC分类号C02F3/34; C02F3/30; C02F3/12
摘要
本发明公开了一种同时实现污泥减量的废水生化处理方法，该方法主要是通过向污水生化处理系统投加一种对有机物、氨氮和总氮具有高效降解效率、而在群体中由于对底物的竞争具有较低增长速率的微生物制剂来实现。该微生物菌剂含有沼泽考克氏菌( Kocuria palustris )FSDN-A、节杆菌( Arthrobacter creatinolyticus )FDN-1、水氏黄杆菌( Flavobacterium mizutaii )FDN-2、脱氮副球菌( Paracoccus denitrificans ) DN-3和甲基杆菌( Methylobacterium phyllosphaerae ) SDN-3。该方法可以在废水达标处理的同时实现污泥产量降低的目的，具有安全环保、操作简单、效果明显、对原系统功能影响小、无二次污染等特点。
权利要求书
1.一种同时实现污泥减量的废水生化处理方法，其特征在于：通过向活性污泥法污水生化处理系统投加一种对有机物、氨氮和总氮具有高效降解效率、在群体中由于对底物的竞争具有较低增长速率的微生物菌剂来实现;微生物菌剂含有沼泽考克氏菌(Kocuria palustris)FSDN-A、节杆菌(Arthrobacter creatinolyticus)FDN-1和水氏黄杆菌(Flavobacterium mizutaii)FDN-2中的至少一种、脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans) DN-3和甲基杆菌(Methylobacterium phyllosphaerae) SDN-3中的至少一种，五种菌株分别于2011年7月14日和2010年3月11日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”，FSDN-A的保藏编号为CGMCC NO.5061、FDN-1的保藏编号为CGMCC No.3657，FDN-2的保藏编号为CGMCC No.3659，DN-3的保藏编号为CGMCC No.3658，SDN-3的保藏编号为CGMCC No.3660。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：节杆菌FDN-1、水氏黄杆菌FDN-2按任意比例混合但必须包含其中一种，脱氮副球菌DN-3和甲基杆菌SDN-3按照任意比例进行混合但必须包含其中一种;沼泽考克氏菌FSDN-A，节杆菌FDN-1和/或水氏黄杆菌FDN-2，及脱氮副球菌DN-3和/或甲基杆菌SDN-3，三类菌株的体积比为1：0.1~10：0.1～10。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：微生物菌剂按照0.1%~1.0%的体积比进行投加，体积比为投加的微生物菌剂体积占每小时所处理废水的体积百分比。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：投加微生物菌剂时，调整污水生化处理系统中的活性污泥含量为2000～6000mg/L。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：通过投加微生物菌剂控制污水生化处理系统中的活性污泥含量为3000～6000mg/L。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：活性污泥法污水生化处理系统为间歇式活性污泥法、厌氧-好氧活性污泥法、厌氧缺氧好氧活性污泥法或厌氧两级好氧工艺。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：沼泽考克氏菌FSDN-A菌落颜色为黄色，菌株个体呈球状，无芽孢，能运动;革兰氏染色为阳性，接触酶阳性，氧化酶阴性;节杆菌FDN-1菌落颜色为黄色、菌株个体呈棒状，无芽孢，能运动;革兰氏染色为阳性，接触酶阳性，氧化酶阴性，能利用多种碳源;水氏黄杆菌FDN-2菌落颜色为白色、菌株个体呈杆状，无芽孢;革兰氏染色为阴性，接触酶阳性，氧化酶阳性，能利用多种碳源;脱氮副球菌DN-3菌落呈乳黄色;菌株个体呈椭圆形;革兰氏染色为阴性，接触酶阳性，氧化酶阳性;能利用廉价的碳源;甲基杆菌SDN-3菌落呈橘红色，为革兰氏阴性菌，菌体为杆状，能运动;圆形细小，边缘整齐光滑;接触酶阳性，氧化酶阳性，可利用多种碳源。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：微生物菌剂中各菌体的体积占微生物菌剂总体积的10%～60%。
说明书
一种同时实现污泥减量的废水生化处理方法
技术领域
本发明属于环境工程污水生化处理技术领域，具体涉及一种在处理废水的同时控制并消减废水生化处理系统污泥产量的方法。
背景技术
活性污泥法是目前废水生化处理的主要方法之一，作为废水的终端处理技术一直发挥着巨大的作用。该方法最大的缺点是污泥产量高，据统计全国干质污泥产量约为8000t/d，湿污泥约为40000t/d(含水率80%)，随着污水处理量的提高和处理程度的深化，污泥产量还将进一步增加。污泥处理及最终处置都需要大量的基建投资和高昂的费用，一般占到污水处理厂运行费用的40%~60%左右。目前有90%以上的污泥得不到及时有效的处理处置，很多污水处理厂已经没有空间来储放污泥，从而导致污泥的二次污染。因此，无论从提高污水处理效果、减少剩余污泥产量还是从降低成本、减少污泥处理处置费用方面，都需要开发一种在废水达标处理的同时实现污泥减量的技术。
目前关于剩余污泥排放后的末端处理与处置技术研究较多，这些方法成本高，且收效不大。从废水生化处理工艺的源头来控制并消减污泥产量，已经成为各国研究人员关注的热点问题之一。污泥减量的方法按照原理划分为隐性生长、解耦联代谢、维持代谢和生物捕食。
隐性生长是指微生物利用衰亡细菌所形成的二次基质生长。因此，整个过程包括了溶胞和生长两个步骤，其中溶胞是整个过程的限速步骤。基于该原理的废水处理工艺，主要利用各种溶胞技术，对回流污泥进行处理，使细菌迅速死亡并分解成为基质后再回流至曝气池中重新被其他细菌所利用。CN200910057103.0公开了一种基于隐性生长工艺的污泥减量化工艺及装置。该工艺是在传统的污水处理系统中增加一套氧化装置，主要包括一台臭氧发生器和一座气液固三相反应塔，塔内填充了特殊的填料。CN200710179539.8公开了一种溶解污泥中生物细胞的方法及其应用。该溶解污泥中生物细胞的方法，是将臭氧微米气泡通入污泥中，使所述污泥中的生物细胞溶解。目前的溶胞技术还包括热处理、酸碱化学处理、冷冻和融化等。这类技术虽然对污泥产量的消减效果显著，但过程反应强烈、对仪器设备要求高、成本高，在实际过程较少应用。
解耦联代谢是使细菌的分解代谢和合成代谢与ATP的合成和分解反应不再偶联，这样细菌在保持正常分解底物的同时自身合成速度减慢，表观产率系数降低。基于该原理的污泥减量化工艺，主要是向反应器中投加一些化学物质如2,4-二硝基酚(dNP)、对硝基酚(pNP)、五氯酚、3,3’,4’5-四氯水杨酰苯胺(TCS) 来实现解耦联反应。但是这些物质毒性高，投加后对原系统微生物群落结构影响比较大，降低了水处理效果，还可能造成二次污染。
维持代谢主要是通过控制污水处理工艺条件，使系统仅为微生物提供维持基本生存所需要的能量，从而限制微生物合成新的生物体以达到污泥产量消减的目的，如延时曝气的活性污泥法。这种方法一般都需要采用低污泥负荷、长污泥龄和长水力停留时间等条件，因此具有设备占地面积大、处理能力低的缺点。
生物捕食是根据生态原理，利用原生动物对细菌的捕食特性，通过调节原生动物在系统中的数量，控制并消减细菌数量。这种方法具有控制困难、效果不稳定等缺点。
CN200810181192.5公开了一种通过投加特殊菌剂来控制并消减废水生化处理系统污泥产量的方法，该菌剂的特征是对有机物去除效率高、自身生长系数低。但该文献并没有公开菌剂的具体菌株组成。
发明内容
针对目前污泥减量化技术存在的不足，本发明提供一种直接接种生长条件相近的微生物菌剂来实现污泥减量的方法，该方法可以在废水达标处理的同时实现污泥产量降低的目的，具有安全环保、操作简单、效果明显、对原系统功能影响小、无二次污染等特点。
本发明提供一种同时实现污泥减量的废水生化处理方法，通过向活性污泥法污水生化处理系统投加一种对有机物、氨氮和总氮具有高效降解效率、在群体中由于对底物的竞争具有较低增长速率的微生物制剂来实现。
本发明方法中，所述的微生物菌剂按照0.1%~1.0%的体积比进行投加，体积比为投加的微生物菌剂体积占每小时所处理废水的体积百分比。通过投加微生物菌剂控制污水生化处理系统中的活性污泥含量为3000～6000mg/L。
本发明方法中，可以根据所处理的实际废水水质适当调整投加比例，还可以根据废水处理系统中的污泥浓度适当调整投加比例。在投加菌体之前需调整系统内的污泥浓度低于6000mg/L，一般为2000～6000 mg/L。如果污水生化处理系统内含有大量的剩余活性污泥需要先排泥后再投加微生物菌剂。投加方式可以采用一次性投加，也可以采用分批投加。
本发明提出的同时实现污泥减量的废水生化处理方法，适用于一切活性污泥法废水生化处理工艺及其变形工艺，如间歇式活性污泥法(SBR)、厌氧-好氧活性污泥法(AO)、厌氧缺氧好氧活性污泥法(A2O)、厌氧两级好氧工艺(AO2)等。本发明方法适用于一切含有COD和氨氮的废水活性污泥法生化处理过程中。
本发明方法中，添加微生物制剂后的操作条件不需改变，按污水生化处理系统的正常操作条件操作即可，上述操作条件是本领域技术人员熟知的。一般情况下，好氧工艺的操作条件为pH: 6.5~9，溶解氧:1~5mg/L，温度:20~35℃， 厌氧工艺的操作条件为pH: 7~9，溶解氧:0~1mg/L，温度:20~35℃。
本发明方法中，可以实现污泥减量的微生物菌剂含有沼泽考克氏菌(Kocuria palustris)FSDN-A、Arthrobacter creatinolyticus FDN-1和Flavobacterium mizutaii FDN-2中的至少一种、脱氮副球菌(Paracoccus denitrificans) DN-3和Methylobacterium phyllosphaerae SDN-3中的至少一种，五种菌株分别于2011年7月14日和2010年3月11日保藏于“中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心”，保藏单位地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号(邮编100101)。FSDN-A的保藏编号为CGMCC NO.5061，保藏日期为2011年7月14日;FDN-1的保藏编号为CGMCC No.3657，保藏日期为2010年3月11日;FDN-2的保藏编号为CGMCC No.3659保藏日期为2010年3月11日;DN-3的保藏编号为CGMCC No.3658，保藏日期为2010年3月11日;SDN-3的保藏编号为CGMCC No.3660，保藏日期为2010年3月11日。
本发明方法使用的可以实现污泥减量的微生物菌剂中，沼泽考克氏菌FSDN-A菌落颜色为黄色，菌株个体呈球状，无芽孢，能运动;革兰氏染色为阳性，接触酶阳性，氧化酶阴性。节杆菌FDN-1菌落颜色为黄色、菌株个体呈棒状，无芽孢，能运动;革兰氏染色为阳性，接触酶阳性，氧化酶阴性，能利用多种碳源。水氏黄杆菌FDN-2菌落颜色为白色、菌株个体呈杆状，无芽孢;革兰氏染色为阴性，接触酶阳性，氧化酶阳性，能利用多种碳源。脱氮副球菌DN-3菌落呈乳黄色;菌株个体呈椭圆形;革兰氏染色为阴性，接触酶阳性，氧化酶阳性;能利用廉价的碳源。甲基杆菌SDN-3菌落呈橘红色，为革兰氏阴性菌，菌体为杆状，能运动;圆形细小，边缘整齐光滑;接触酶阳性，氧化酶阳性，可利用多种碳源。
本发明方法使用的可以实现污泥减量的微生物菌剂中，沼泽考克氏菌FSDN-A优先利用亚硝氮还可以利用硝氮为氮源进行反硝化脱氮，在脱氮同时能去除大量COD;节杆菌FDN-1和水氏黄杆菌FDN-2能以亚硝氮为氮源进行反硝化脱氮，在脱氮的同时能去除COD;脱氮副球菌DN-3和甲基杆菌SDN-3均能以氨氮或者硝氮为氮源，在脱氮的同时能去除COD。
本发明方法使用的可以实现污泥减量的微生物菌剂中，节杆菌FDN-1、水氏黄杆菌FDN-2可以按任意比例混合但必须包含其中一种，脱氮副球菌DN-3和甲基杆菌SDN-3也可以按照任意比例进行混合但必须包含其中一种。沼泽考克氏菌FSDN-A，节杆菌FDN-1和/或水氏黄杆菌FDN-2，及脱氮副球菌DN-3和/或甲基杆菌SDN-3，三类菌株的体积比为1：0.1~10：0.1～10，优选五种菌株通常按照1:1:1:1:1的体积比配置比例进行混合。体积比指按菌体体积计的配比，菌体体积为培养后菌体在1万转条件下离心分离5分钟后的体积，本申请中的菌体体积均按此方法确定。应用时可以根据实际废水水质调整某一类菌株的配置比例，还可以按照废水的处理效果调整某一菌株的配置比例。当COD浓度较高时，沼泽考克氏菌FSDN-A所占的比例大于其它菌株的比例;当硝化效果比反硝化效果差时，脱氮副球菌DN-3和甲基杆菌SDN-3所占的比例大于节杆菌FDN-1和水氏黄杆菌FDN-2;当反硝化效果比硝化效果不足时，脱氮副球菌DN-3和甲基杆菌SDN-3所占的比例小于节杆菌FDN-1和水氏黄杆菌FDN-2。菌剂中可以含有适宜的添加剂，如营养物液、保藏助剂等，具体的添加剂种类及用量是本领域技术人员熟知的。微生物菌剂中各菌体的体积之和占脱氮菌剂总体积的10%～60%。
本发明方法使用的菌剂是由生长条件相近的微生物组成，所述微生物在生物合成过程中利用不同底物，在生物降解过程中可以互相配合、互相竞争底物，达到氨氮、总氮和COD的高效去除，由于底物浓度的变化可以改变微生物的好氧速率，增强生物维持代谢消耗的能量部分，减少生物合成需要的能量，最终在废水达标处理的同时实现污泥减量。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但是本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
该微生物制剂主要是在废水处理的过程中，通过底物浓度的变化来影响呼吸速率，增强生物维持代谢消耗的能量部分，从而达到污泥减量。所以在实施过程中一定根据具体水质、水量及负荷来选择适当比例的微生物制剂，具体投加量也要根据水质中的污染物浓度来调整。
本发明中使用的微生物菌剂可以采用相应的菌种放大培养后混合得到，也可以菌种混合后放大培养得到，这是本领域技术人员熟知的内容。一种具体方法如下：
1、将沼泽考克氏菌FSDN-A、节杆菌FDN-1、水氏黄杆菌FDN-2、氮副球菌DN-3和甲基杆菌SDN-3分别接种于固体培养基上进行活化;
2、用接菌环取平板上的菌落分别接种于相应的液体培养液中，在温度25~35℃、150~240rpm好氧条件下震荡培养1~3天至对数生长期，获得液体菌剂种子液;
3、将上述种子液放大培养后收集菌体，离心分离浓缩后按所需的比例混合即为微生物菌剂。每种菌的种子液可以单独放大培养，也可以FDN-1种子液和FDN-2种子液按比例混合共同放大培养，DN-3种子液和SDN-3种子液按比例混合共同放大培养，也可以是五种菌的种子液混合进行放大培养。
本发明微生物菌剂所涉及的沼泽考克氏菌FSDN-A的菌体活化和种子液培养所用的培养基配方为：牛肉膏：5~10g/L，蛋白胨：8~15g/L，NaNO2：0.4~1.0g/L，KNO3:0.4~0.8g/L。本发明微生物菌剂所涉及的节杆菌FDN-1和水氏黄杆菌FDN-2的菌体活化和种子液培养所用的培养基配方为：牛肉膏：3~7g/L，蛋白胨：7~13g/L，NaNO2：0.8~1.5g/L，固体培养基加入1.5~2.5%的琼脂。本发明微生物菌剂所涉及的脱氮副球菌DN-3和甲基杆菌SDN-3的菌体活化和种子液培养所用的培养基配方为：硫酸铵：0.1~0.5g/L，KNO3:0.5~1.0g/L，丁二酸钠2~8g/L，甲醇：0.25~1.0mL/L，固体培养基加入2%的琼脂;此外培养液中还含有少量的铁离子和镁离子等。培养条件均为：温度为20~35℃、150~240rpm震荡培养至对数期即可收获菌体用于制备微生物菌剂。
本发明微生物菌剂放大培养所用的培养液可以是自配或者实际废水，培养液中的总氮和氨氮浓度为100mg/L~1000mg/L，碳氮质量比5：1~15:1;培养条件为温度15℃～35℃;pH6.5～10.0;溶解氧低于3.0mg/L。本发明所用的放大培养反应器可以是各种适宜结构，具有良好的曝气和搅拌系统。培养过程中pH值不需要调节。
实施例1 微生物菌剂的制备方法
1、菌体活化：沼泽考克氏菌FSDN-A的菌体活化培养基配方为：牛肉膏：8g/L，蛋白胨：12g/L，NaNO2：0.5g/L，KNO3:0.5g/L;节杆菌FDN-1和水氏黄杆菌FDN-2的活化培养基配方为：牛肉膏:5g/L，蛋白胨:10g/L，NaNO2:1g/L，加入2.0%的琼脂;脱氮副球菌DN-3 的活化培养基配方为：KNO3:1g/L，丁二酸钠:8g/L，KH2PO4:1g/L，FeCL2:0.5g/L，加入2.0%的琼脂;甲基杆菌SDN-3的活化培养基配方为：硫酸铵:0.5g/L，甲醇:0.75mL/L，KH2PO4:1g/L，FeCL2:0.5g/L，加入2%琼脂。在平板上涂布均匀后放置在温度为30℃恒温培养箱中进行活化。
2、用接菌环刮取平板上的菌体分别接种于相应的液体培养液中，在温度25~35℃、150~240rpm好氧条件下震荡培养1~3天至对数生长期，获得液体菌剂种子液;培养基配方同活化培养基配方，不用加琼脂。
3、将上述种子液分别在具有良好搅拌系统的反应器中进行放大培养至对数生长期，培养液中的氨氮浓度为200mg/L~800mg/L，碳氮质量比5：1~10：1;培养条件为温度25℃～35℃;pH6.5～10.0;溶解氧低于3.0mg/L，然后收集、离心分离得到相应的菌体。然后加入菌体两倍体积的营养液得到微生物菌剂备用，其中菌体的体积约占菌剂的30%，使用时按对应的菌体所需比例混合即可得到所需的微生物菌剂。每升营养液中NH4+-N、Fe2+、Mg2+、K+、Ca2+这五种阳离子的摩尔配置比例为2000:5:20:20:15，营养液中NH4+-N质量浓度为50~500mg/L。
实施例2 在某废水处理系统中的应用
某废水处理系统采用SBR工艺运行，进水NH3-N浓度平均为447mg/L、总氮(TN)浓度平均为492mg/L、CODCr浓度平均为161mg/L，运行操作主要条件为pH: 7~9、温度:20~38℃、曝气过程溶解氧浓度为1~3mg/L、停气搅拌过程溶解氧浓度控制在0.2~1mg/L之间。运行过程中氨氮和总氮去除率分别为70%和78%，正常操作过程中需要大量外排活性污泥。 排出部分活性污泥，系统中活性污泥含量为4000mg/时，取一定量微生物菌剂(沼泽考克氏菌FSDN-A、节杆菌FDN-1和、水氏黄杆菌FDN-2、脱氮副球菌DN-3和甲基杆菌SDN-3的配置菌体的体积比例为1:2:2:5:3)按照4%(占处理污水体积)的投加量一次性投加到曝气池内，操作条件不变，运行15天后，氨氮和总氮去除率均达到了87%，污泥浓度比未投加菌剂前降低2%。再次按照4%(体积)的投加量投加该菌剂(沼泽考克氏菌FSDN-A、节杆菌FDN-1和、水氏黄杆菌FDN-2、脱氮副球菌DN-3和甲基杆菌SDN-3的配置菌体的体积比例为1:1:1:1:1)，操作条件不变，运行30天后，氨氮和总氮去除率均达到了95%以上，污泥浓度降低了20%，正常操作时可以不外排污泥，在提高废水处理效率的同时实现了污泥减量。
实施例3 在某催化剂生产废水生化系统中的应用
某催化剂生产过程中产生的废水水质为：COD浓度800~1000mg/L、氨氮浓度150~300mg/L，pH为7~8。采用A/O系统长期运行时系统内污泥浓度为6300mg/L，其主要操作条件为pH: 7~8、温度:20~30℃、O池溶解氧浓度为2~4mg/L、A池溶解氧浓度控制在0.1~0.5mg/L之间。氨氮去除率达80%，总氮和COD去除率低于50%，正常运行过程中需要外排大量污泥。排出一定量的污泥后，在系统内污泥浓度为5000mg/L时按照体积比2%的投加量一次性向反硝化池中投加微生物菌剂(沼泽考克氏菌FSDN-A、节杆菌FDN-1和、脱氮副球菌DN-3和甲基杆菌SDN-3的配置比例为2:1:1:1)，操作条件不变，投加20天后分析水样中的COD和总氮去除率分别达到了79%和80%，系统内污泥浓度稳定为4750mg/L左右，正常运行时不需外排污泥。该方法在提高废水处理效率的同时实现了污泥减量。
实施例4本发明菌剂在某污水处理厂脱氮过程中的应用
某污水处理厂的SBR处理系统长期运行时氨氮去除率达90%，总氮去除率只有10%。系统内污泥浓度达到10000mg/L，正常运转时需要外排大量污泥。排出大量的污泥后在系统内污泥浓度达到5200mg/L时，采取批次投加的方式向系统内投加微生物菌剂(沼泽考克氏菌FSDN-A、节杆菌FDN-1和、水氏黄杆菌FDN-2、脱氮副球菌DN-3的配置比例为1:2:2:1)。首次投加量为5%，一周后投加量为3%，两周后系统内污泥浓度为5000mg/L，继续投加2%，运行10天后分析水样中氨氮去除率达95%，总氮去除率达到了65%，污泥浓度为4500 mg/L、降低了13%，正常操作不需外排污泥。该方法在提高废水脱氮效率的同时实现了污泥减量。
