用于废水处理的好氧生物质颗粒

摘要

本发明公开了一种生成用于废水处理的好氧生物粒的方法，包括如下步骤：a)将废水引入反应器中；b)将活性生物质材料种入所述反应器；c)将含氧气体供给反应器，以进行所述废水中的生物质材料的混合，含氧气体的供给可提供大于0.25cm/s的表观上流气体速度；d)继续供应含氧气体的同时，开始一段生物质材料的营养饥饿期；e)允许形成的好氧颗粒在所述反应器内的沉淀区沉淀；f)排放至少一部分废水；g)重复步骤(a)至(f)，直至在所述沉淀区中的至少一部分生物粒具有预定物理性质；以及h)回收那些预定性质范围内的所述生物质颗粒。

说明书

技术领域

本发明涉及用于废水处理的好氧颗粒生物质的生成。

背景技术

在好氧颗粒污泥床(AGSB)反应器中通过氧化生物净化进行废水处理时，废水向上流动穿过其中存在微生物的氧化室。含氧气体的引入使得废水和微生物的悬浮液在废水室内运动，并且还起混合废水和生物材料悬浮物的作用。反应器内有内部调节沉淀区，这些区域协同完成特定尺寸范围的颗粒的去除或积聚。

依赖于在氧化室的底部含氧气体的引入、且所述气体急转向上通过待处理废水的其他类型的氧化反应器，一般被称之为上升式反应器。这些反应器一般种有(seed)活性生物污泥，这种污泥消耗废水内的污染物，从而减少了那些污染物的含量，并生成生物质；随后可将所生成的生物质移出反应器，以便回收使用、或用作其他用途或处理掉。

在转让给Biothane Systems International B.V.的美国专利No.5,985,150中公开了一种这样的反应器。在这篇专利中公开了一种其中使用非固定式颗粒污泥来处理废水的上升式反应器。在这篇文献中，将污泥作为固定式污泥或非固定式污泥引进反应器内，并通过反应器底部供给废水和含氧气体。向上流动的气体携着颗粒污泥进入沉淀区，在这里，一部分废水与污泥分离，余下的悬浮液返回氧化室。

这种类型的反应器中氧化废水处理的一个问题在于未固定的生物质之间缺少结合力，从而使得一般难以处理所述生物质。尤其是，已证实较难将生物质从处理过的废水中移出，也较难生成适于作为其他反应器的种子使用的足够坚固的生物质。

但是，尽管未固定的好氧生物质颗粒的处理中存在这些困难，但人们认为相对于固定的生物质颗粒而言，使用这种颗粒能够潜在地提高反应器的净化率，从而可以使用更小型的反应器装置。如果好氧颗粒生物质的生产还能达到商业上可接受的水平，可以预期这种使用将降低对悬浮和混合能量的要求，对设备的腐蚀也会更小。但是，生成可有效地用在好氧上升式反应器中、物理性质合适、尺寸适当的好氧颗粒生物质或生物粒(biogranule)，也是比较困难的。

本发明的目的之一就是提供一种可用于废水处理的好氧生物粒的生成方法。

发明内容

本发明涉及一种在受控条件下生成用于废水处理的好氧颗粒的方法。本方法包括如下步骤：

a)将废水引入包含活性生物质的反应器中；

b)将含氧气体供给反应器，以进行混合并使溶解氧转移到废水中的污泥内，含氧气体的供给提供大于0.25cm/s的表观上流气体速度；

c)继续供应含氧气体的同时，在反应器中开始一段营养饥饿期；

d)允许形成的好氧颗粒沉淀；

e)排放并替换至少一部分废水；

f)重复步骤(a)、(b)、(c)、(d)和(e)，直至颗粒具有预定的物理性质；以及

g)回收那些预定性质范围内的生物质颗粒。

申请人发现无需使用载体材料、在上述条件下可形成适用于上升式反应器、特别是AGSB反应器的好氧颗粒。

并认为在剪切条件下的反应器中的饥饿期引起生物质聚结，从而形成更加坚固的颗粒。

另一方面，本发明提供了具有适用于上升式反应器中的物理性质、用于废水处理的好氧生物粒。优选地，这些物理性质包括0.0-3.0之间的圆度(roundness aspect)，1.004-1.85g/cm³之间的密度，以及100-10,000μm之间的平均颗粒尺寸。

优选地，生物粒内任意位置与生物粒的外表面之间的距离小于800μm。因而对于完全球形的生物粒，最大直径为1600μm。

附图说明

图1是用来实施本发明方法的柱型反应器的示意图；

图2是本发明方法的工艺流程图；

图3是废水处理过程中COD去除曲线；

图4是细胞表面疏水率随操作时间的变化曲线；以及

图5是表示作为饥饿时间函数的疏水率的变化曲线。

具体实施方式

现在将参照特定介质中好氧生物粒的生成来描述本发明，但本领域的技术人员容易认识到本发明适用于任意废水体系中好氧生物粒的生成。

由于废水中细菌降解的特性，那些最适应这种具体介质的细菌将增殖，而那些没有能力使介质中的材料新陈代谢的细菌将不占主导地位。因此用于本方法的接种物只需包括一定范围内的细菌。

在根据本发明的典型方法中，向类似图1的反应器中供入废水和活性生物质污泥。如图2中所示的优选方法包括初始步骤1，即在不提供含氧气体的条件下供入废水和污泥的悬浮液。

第二步骤包括供给含氧气体，引起生物质在由气体供给所提供的剪切条件下进行氧化呼吸。

图2中所示的第三步骤包括停止供给气体，并允许生物质沉淀，然后继续第四步骤，排出上层清液，将生物质回收至步骤1。

使用两个工作容积为2.4升的柱型反应器10(1.2m高)作为连续式好氧污泥床装置(两个反应器具有相同的几何结构，如图1中所示的，反应器的内直径为5cm)。向反应器供入废水，通过加入活性生物质污泥来开动反应器。在实例中，加入了800ml的城市活化污泥(3000个悬浮固体/升)。反应器1(R1)中加入了作为唯一碳源的葡萄糖，反应器2(R2)中加入了作为唯一碳源的乙酸酯(盐)。两个反应器的其他操作条件保持相同。流出物从柱体10的中间口12引出。每个周期反应器运行4个小时，水力滞留时间(HRT)是8个小时，并且采用每天每立方米6.0kg化学耗氧量(6.0kg COD/m³·天)的底物负荷速率。进料时间和出料时间均是5分钟，沉淀时间在20-1分钟之间变化，剩下的就是反应时间。本研究中没有采用空时间(idling time)。平均污泥滞留时间在R1中为7天，在R2中为9天。通过流出物的排放进行污泥的消耗。在实例的情况下，在柱体底部由空气泵通过空气扩散器11引入含氧气体，并且由质量流量控制仪控制其流速。这里采用了3.0l/min的空气流速。这样表观气体速度为0.025m/s。

介质

合成废水的组成如下：葡萄糖，1400mg/l；胨，400mg/l；肉提取物(Laboratory-Lemco，Oxoid Ltd，Basingstoke，UK)，250mg/l；NH₄Cl，200mg/l；K₂HPO₄，45mg/l；CaCl₂2H₂O，30mg/l；MgSO₄7H₂O，25mg/l；FeSO₄7H₂O，20mg/l以及微量元素溶液，1.0ml/l。R2中碳源替换为乙酸(1875mg/l)。这样COD为2000mg/l。微量元素溶液含有(g/l)：H₃8O₃，0.05；ZnCl₂，0.05；CuCl₂，0.03；MnSO₄H₂O，0.05；(NH₄)₆Mo₇O₂₄4H₂O，0.05；AlCl₃，0.05；CoCl₂6H₂O，0.05和NiCl₂，0.05(Tay和Yan，1996)。通过加入NaHCO₃和H₂SO₄，将流入物的pH值调节到7.0。

采用标准方法(APHA 1995)——Standard Methods for the examinationof water and waste water，第19版，华盛顿，American Public HealthAssociation，来分析流出物的COD以及污泥样品的混合液悬浮固体(MLSS)、混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)、污泥体积指数(SVI)和比耗氧速率(SOUR)。如果颗粒尺寸小于1880μm，则用激光颗粒尺寸分析装置(MasterSizer Series 2600；Malvern Instruments Ltd，Malvern，Worcestershire，UK)测量其尺寸；如果颗粒尺寸大于1880μm，则用图像分析装置(Quantimer 500 Image Analyser；Leica Cambridge InstrumentsGmbH，Nubloch，Germany)进行测量。利用显微术或图像分析(IA)进行微生物观察。利用扫描电子显微镜(SEM)(Steriosan 420；LeicaCambridge Instruments)定性地观察颗粒的微生物组成。用磷酸盐缓冲液轻轻洗涤颗粒样品，并允许其自然沉淀。然后用4％多聚甲醛使颗粒固定，并保留4个小时。固定后的颗粒连续通过40％、60％、80％和100％的乙醇，从而被脱水，然后用冷冻干燥器(Edwards，Crawley，WestSussex，UK)或临界点干燥器(E3000)(VG Microtech，Crawley，WestSussex，UK)使其干燥，最后用SEM进行观察。按照Beun等人(1999)的“Aerobic granulation in a sequencing bath reator”，Water Research 33，2283-2290中的方法测量生物质的密度。用Rosenberg等人(1980)的“Adherence of bacteria to hydrocarbons；a simple method for measuring cell-surface hydrophobicity”，FEMS Microbiology Letters 9，29-33中描述的方法来确定细胞的疏水率。用十六烷(0.25ml)作为疏水相。疏水率被表示为15分钟的分配后附于十六烷上的细胞的百分比。按照Ghangrekar等人(1996)的Experience with UASB reactor start-up under different operatingconditions，Water Science and Technology 34，421-428中的方法测量颗粒强度，并用完整系数(％)表示，这个系数定义为一段时间振荡后，残余的颗粒状的挥发性悬浮固体(VSS)与总VSS之间的比例。

在两个连续的分别加入了葡萄糖和乙酸酯的好氧污泥床反应器运行过程中，通过光学显微术、IA技术和SEM监测好氧颗粒化的进展。实验过程中也能确定污泥的物理性质和微生物活性，如SVI、沉淀速度、尺寸、疏水率、SOUR、强度和圆度。

种子污泥 

对取自本地城市废水处理厂的种子污泥进行的显微检测显示了常规活化污泥的典型形态结构，其中观察到了丝状体。SEM显微照片进一步揭示了种子污泥具有非常松散且不规则的三维结构。种子污泥的平均絮凝物尺寸约为70μm，其SVI值为280ml/g。由于SVI值约为150ml/g的活化污泥通常与丝状体的生长有关，所以所用的种子污泥似乎以丝状细菌为主。

好氧颗粒的特性

这里确定了不同阶段的好氧颗粒以及种子污泥的特性。种子污泥的平均直径为70μm，其SVI值为280ml/g。种子污泥中存在许多丝状细菌。开车一周后，R1中SVI已降至190ml/g，R2中SVI已降至178ml/g，并且在两个反应器中都观察到紧密的聚集体(图2)。又一周后，R1中SVI已进一步降至125ml/g，R2中SVI降至114ml/g，并且R2中丝状细菌已消失。此阶段的颗粒状污泥的结构比种子污泥和开车一周后形成的聚集体要紧密、密集得多。反应器继续运行，到第三周为止，反应器中主要是边界清晰的成熟的圆形颗粒，并且不存在明显的悬浮的生物质。沉降1分钟后，所有成熟颗粒都已沉淀，反应器中余下非常清澈的上层清液。R1中成熟颗粒的SVI值为51-85ml/g，R2中SVI值为50-80ml/g。这些结果清楚地表明：随着颗粒形成，污泥的可沉降性显著提高。

开车后，反应器中生物质浓度逐渐升高。运行3周后，R1中MLSS的浓度稳定在5.9g/l，R2中MLSS的浓度稳定在8.6g/l。R1的成熟颗粒仍有伸出颗粒表面的丝状细菌。但是，R2的成熟颗粒表面光滑，几乎观察不到丝状体。葡萄糖饲喂颗粒(glucose-fed granules)的平均直径为2.4mm，一般在1.0-3.0mm的范围内，而在乙酸酯上生长的颗粒的平均直径为1.1mm，一般在0.5-1.5mm的范围内。葡萄糖饲喂颗粒与乙酸酯饲喂颗粒的微生物多样性不同，并且葡萄糖饲喂颗粒的内部主要由球菌组成，而表面由一些杆状菌组成，这些杆状菌与丝状体缠在一起；但是，整个乙酸酯饲喂颗粒中主要是杆状菌。

已发现R1和R2中培养的成熟颗粒具有非常好的可沉降性。葡萄糖饲喂颗粒的沉淀速度为35m/h，乙酸酯饲喂颗粒的沉淀速度为30m/h。好氧颗粒的这个沉淀速度与上升式厌氧污泥床反应器(UASB)中培养的厌氧颗粒的沉淀速度相当。结果还表明，R1中成熟颗粒的干生物质密度为41.1g/l，R2中则为32.2g/l。相对于序批式(sequencing batch)气升反应器中所获得颗粒的生物质密度(48g/l)，R1和R2中颗粒达到的生物质密度相对较低。更密集的微生物结构会导致好氧颗粒的更高的沉淀速度和更高的生物质密度。在生物装置中，生物质是降解有机物质的生物催化剂。显然，反应器中可保留生物质越多，越能保证更快速、更有效地去除有机污染物，而优异的沉淀颗粒是确保废水处理生物装置的优良功效所必需的。

就SOUR而言，葡萄糖饲喂的好氧颗粒和乙酸酯饲喂的好氧颗粒的微生物活性与传统的活化污泥相当，葡萄糖饲喂的成熟颗粒为69.4mg O₂/(gMLVSS·h)，乙酸酯饲喂的成熟颗粒为55.9mg O₂/(g MLVSS·h)。另外，两个反应器中培养的成熟颗粒具有较高的物理强度和圆度。颗粒圆度按4π面积/周长2计算，其中周长是颗粒轮廓的长度。高宽比是颗粒的等同椭圆的长轴与短轴之间的比例(0＝直线，1＝圆)。表1中归纳了葡萄糖饲喂的成熟颗粒和乙酸酯饲喂的成熟颗粒的特性数据。在停止实验之前，该装置非常稳定地运行了3个多月，如果采用6.0kg COD/(m³·d)的负荷率，则稳态下COD去除率约为97％。所得好氧生物粒特别适合用作AGSB反应器的种子。

                  表1

葡萄糖饲喂和乙酸酯饲喂的成熟好氧颗粒的特性

葡萄糖 乙酸酯平均直径(mm)2.4 1.1SVI(ml/g)51-85 50-80沉淀速度(m/h)35 30反应器中生物质浓度(g/l)5.9 8.6颗粒密度(g/l)41.1 32.2颗粒强度(％)98.2 97.1平均高宽比^*0.79 0.73SOUR(mg O₂g^-1h^-1)69.4 55.9COD去除率(％)97 98

^*微粒的圆度(0＝直线，1＝圆)

SVI：污泥体积指数；SOUR：比耗氧速率；COD：化学耗氧量。

SBR装置按进料、曝气(aeration)、沉淀和排出上层清液的顺序周期性地运行。结果，SBR装置中生长的微生物经历周期性的操作循环。

在SBR运行期间确定使底物浓度降至最低所需的降解时间。降解时间随运行周期的增加而呈现显著下降的趋势。在供有乙酸酯的R2中，图3表明COD由1000mg/l降至100mg/l的时间从第8天的3个小时减少到第20天的1个小时。对于给定的曝气时段，SBR运行期间似乎存在饥饿期。因而，曝气时段实际包括两个连续阶段，即其中底物被消耗到最少的降解期，以及随后的好氧饥饿期(aerobic starvation phase)，在好氧饥饿期中外底物对于微生物不再可用。申请人认为曝气时段的80％都处在好氧饥饿的状态。

申请人认为在饥饿条件下，细菌变得更加疏水，从而有助于微生物的粘附和聚集。聚集可视为是细胞抵抗饥饿的有效策略。图4示出了供有乙酸酯的R2中所观察到的细胞表面的疏水率的变化。如图4中所示的，种子污泥的疏水率为39％，而在第三周形成好氧颗粒后，细胞表面的疏水率升至73％。在供有葡萄糖的R1中也观察到类似趋势。我们认为细胞表面的疏水率是细胞自固定和附着的重要亲和力。

虽然不希望受限于理论，但从热力学角度来说，增加细胞表面的疏水率引起表面附加吉布斯能(Gibbs energy)下降，并进一步导致细胞与细胞间的相互作用力更高，以及密集且稳定的结构。结果，细胞表面特性与形态结构的饥饿诱导变化似乎有助于形成坚固的微生物聚集体。

如上所述，本申请人认为序批式反应器(SBR)装置中周期性饥饿起到触发活化污泥中微生物颗粒化的作用。但是，优选地，应该控制其他操作条件的影响，特别是反应器中水力剪切和流动模式。上流空气曝气所引起的湍流可以作为柱型SBR装置中主要的水力剪切，并可用表观空气流速来近似地描述。

为了证实水力剪切力对好氧颗粒化的影响，分别以0.008m/s和0.025m/s这两个不同的表观空气流速来开动图1中供有葡萄糖的SBR装置。我们发现，当SBR以0.008m/s的较低表观空气流速运行时，在装置中没有观察到颗粒，而只有绒毛状的絮凝物。但是，以0.025m/s(优选大于0.03m/s)的较高表观空气流速运行的SBR中成功地培养出规则形状的颗粒。但是，以0.041m/s的相对高的表观空气流速运行，会发生颗粒化，并且由于剪切强度高，会形成平滑、密集并且稳定的好氧颗粒。根据热力学定律，SBR中上流式曝气所引起的水力剪切力能迫使那些周期性饥饿触发的更密集的聚集体成型为具有最小表面自由能的规则颗粒。

如前所述，使用含有作为主要碳源的葡萄糖的介质，在序批反应器中培养出微生物颗粒。平均直径为2.4mm。沉淀时间为2min。通过FISH法，用三种以16S rRNA为靶标的低聚核苷酸探针来研究颗粒结构。具有序列5′-GCTGCCTCCCGTAGGAGT-3′的Eub338探针被荧光素CY2标记，并用来检测细菌。具有序列5′-GCACTTAAGCCGACACCT-3′的Bacto1080探针专用于通过低聚核苷酸探针杂交的人类排泄物区系内的细菌群的拟杆菌(如Sghir等所描述的，2000)量化(Applied andEnvironmental Microbiology 66：2263-2266)，并用荧光素CY5标记。Nsm156探针包含序列5′-TATTAGCACATCTTTCGAT-3′，并常用于检测亚硝基菌类的铵基氧化细菌。这种探针用四氯荧光素(TET)标记。所有探针都从新加坡Research Biolabs购买。用低温切片机(Leica CM3050)切割颗粒，并用200μl杂交溶液覆盖其中50μm部分以进行FISH(Kim和Ivanov，2000)。将10μl的探针液加进井(well)中。杂交缓冲液中探针的最终浓度如下：Eub 338，110pmol/ml；Bacto 1080，305pmol/ml；Nsm156，130pmol/ml。将样品在50℃下培养4个小时，并且杂交溶液含有50％甲酰胺。这些条件对于Eub 338探针和Nsm 156探针的特定组合已被优化(Kim和Ivanov，2000)。由于Eub 338和Bacto 1080探针的熔化温度相近，可以同时用这两种探针进行FISH。杂交后，在50℃下用1ml洗涤缓冲液(不含甲酰胺的杂交溶液)冲洗探针2个小时，这是因为Eub 338探针、Bacto 1080探针和Nsm 156探针的推荐洗涤温度分别为54℃、50℃和48℃。    

为检测颗粒中胞外多糖(EPS)基质，采用了来自Canavaliaensiformis(Sigma，USA)的FITC标记的外源凝集素(ConA-FITC)。LIVE/DEAD^BacLight细菌活力工具(分子探针，OR，USA)用来检测死细胞。为检测直径大于0.1μm的通道和孔隙，用0.1μm TetraSpec荧光微球标准物的悬浮液(分子探针，OR，USA)培养颗粒4个小时。微球的最终浓度为2×10⁸粒/ml。

通过Fluoview300共焦激光扫描显微镜(CLSM)(Olympus，Japan)获得颗粒图像。10mW氩激光在488nm下激发了绿色荧光和红色荧光，再用570nm分割滤波器将它们分开，并在通道1中用510nm长通滤波器，在通道2中用580nm-640nm带通滤波器进行检测。氦氖激光在633nm下从CY5激发出红色荧光，并在通道2中用660nm长通滤波器进行测量。

通过分析穿过颗粒的光强度来检测颗粒边缘。在出现专性好氧铵基-氧化细菌亚硝化单胞菌的条件下检测颗粒中的好氧层。这层位于距离颗粒边缘70-100μm的深度处。颗粒内部的有氧环境可能是由于氧气通过通道和孔隙而得以维持的。检测颗粒中的通道和孔隙，在距离颗粒表面300-500μm的深度处孔隙率最大。

在出现专性厌氧细菌拟杆菌的条件下检测好氧生长的颗粒中的厌氧层。这层位于距离颗粒表面800-900μm的深度处。紧挨着厌氧细菌层的是距离颗粒表面800-1000μm的死微生物细胞层。由于通道和孔隙中多糖堵塞物的形成，可能会促进颗粒内部的缺氧以及细胞死亡。这些堵塞物降低了营养物和代谢物之间的传质速率。在距离颗粒表面400μm的深度处形成的多糖最多。

通过形成使表面和内部互连的通道和孔隙，可以克服微生物聚集体中的这种扩散限制。这些实例中好氧颗粒也包含刺入距离颗粒表面900μm深度处的通道和孔隙。当颗粒内部的孔隙和通道减少时，厌氧层形成。一般地，厌氧层的深度取决于微生物代谢活性以及通过通道和孔隙的氧气传输。由多糖造成的对这些通道和孔隙的堵塞可能会促进厌氧层的形成。颗粒的中央核心由死细胞组成。细胞死亡很可能是扩散受限造成的，而多糖对通道的堵塞又促进了细胞死亡。

检测好氧生成的颗粒中的厌氧层可以应用于这些颗粒的尺寸优化。大颗粒可能包含大量的厌氧细菌，并且在厌氧发酵过程中生成的伴生气和有机酸可能导致这些颗粒的破坏。因此，建议好氧颗粒的最佳直径小于1600μm。这个尺寸是颗粒表面与厌氧层之间距离的2倍。

虽然这里已参考特定介质说明了本发明，但任何液态介质都能被处理来减少其中化学地和生物地可氧化的物质。