采用原位生物接触氧化修复微污染水源水的方法

摘要

本发明公开了一种原位生物接触氧化修复微污染水源水的方法。该技术采用自主开发的纤维和海绵组合球型填料作为载体，将筛选获得的高效菌种在培养液“HS富集培养基”富集培养，富集培养后接种于“HSK培养基”中扩大培养制成生物菌剂，将填料置于菌剂中进行生物挂膜，制成生物固定化填料。将制备好的生物固定化填料用绳子连接，将其固定于本实验室专利装置扬水曝气器周围，采用扬水曝气-原位生物接触氧化对微污染水源水中进行生物修复。本发明能够有效降低水源水的COD、N、P等污染物的浓度，特别是能够有效去除微污染水源水中的总氮含量。从源头解决水源水污染的问题，抑制藻类生长，控制水体富营养化。

说明书

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种采用原位生物接触氧化修复微污染水源水的方法，特别适用于发生富营养化的微污染水库和湖泊水。

背景技术

水源水的污染是当今世界范围内普遍面临的问题，我国7大水系和内陆河流110个重点河段，III、IV、V类水质占68％，我国现有河流近1/2河长受到污染，1/10河长受到严重污染，全国城市90％水域受到污染，大河干流占13％，支流55％被污染。水源的污染日益严重，氮、磷等有机物含量超标以及由此造成的水质富营养化是目前我国水污染的主要问题。加强水源保护和改进水处理工艺是提高饮用水质，确保安全供水的两项有效措施。

微污染水源水是指受到有机物污染，部分项目的指标超过卫生标准。这类水中所含的污染物种类较多、性质较复杂，但浓度比较低。湖泊、水库富营养化和蓝藻水华爆发引起的环境问题引起国内外广泛关注，采用生物接触氧化技术是处理微污染水源水的重要方法，但目前国内外的水源水的生物接触氧化技术基本上都属于异位生物修复技术，这样势必要在已建水厂内增建处理构筑物，往往要受到场地等因素的限制，提高水处理成本，并且不能从根本上解决水源地水源污染日益严重的问题。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷或不足，本发明目的在于，提供一种采用原位生物接触氧化修复微污染水源水的方法，以解决水源地水源水污染日益严重，COD、N、P等污染物超标，水体富营养化频繁发生，严重危害饮用水安全及人体健康的问题。该方法能够有效降低水源水的COD、N、P等污染物的浓度，从源头解决水源水污染的问题。同时降低运行成本，抑制藻类生长，控制水体富营养化。

为了实现上述任务，本发明的方法是通过以下技术方案得以实现：

一种用于修复微污染水源水的微生物，其特征在于，所述的微生物是硝化细菌SY1(Pseudomonas sp.SY1)，保藏编号为：CCTCCNO：M 209180和反硝化细菌HY1(Pseudomonas sp.HY1)，保藏编号为：CCTCCNO：M 209181。

一种采用原位生物接触氧化修复微污染水源水的方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)选择生物填料作为微生物的载体；

2)生物菌剂HS的制备：将从黑河水库底泥中筛选得到硝化细菌SY1(Pseudomonas sp.SY1，保藏编号为：CCTCCNO：M 209180)和反硝化细菌HY1(Pseudomonas sp.HY1，保藏编号为：CCTCCNO：M 209181)接种于HS富集培养基上，恒温振荡培育2-3d后，将菌种移植于HSK培养基中扩大培养，恒温振荡培育2d；

所述的HS富集培养基的配方为：NaAc 0.5g，NaNO₃ 0.1g，NH₄Cl 0.1g，MgSO₄ 0.02g，CaCl₂ 0.02g，K₂HPO₄ 0.05g，蒸馏水定容至1L，pH调至7-7.5；

所述的HSK培养基的配方为：NaAc 0.1g，NaNO₃ 0.02g，NH₄Cl 0.02g，K₂HPO₄ 0.01g，灭菌水源水0.3-0.4L，蒸馏水定容至1L，pH调至7-7.5；

3)微生物挂膜：将选择的生物填料置于用“HSK培养基”扩大培养的菌剂中进行生物挂膜，生物挂膜通过曝气装置将DO的浓度控制在2-3mg/L，并且每天30-40％的培养液换为待处理的水源水，逐渐降低营养物质的浓度，使生物填料中的微生物SY1和HY1适应微污染水源水的水质状况，连续曝气挂膜4-5d，待生物填料形成黄色生物膜后挂膜结束，采用连续水流连续冲洗4～5遍，冲掉填料表面的吸附的细菌，制成生物固定化填料；

4)原位生物接触氧化修复微污染水源水：将制备好的生物固定化填料用绳子连接固定于扬水曝气器周围，采用扬水曝气-原位生物接触氧化对微污染水源水中进行生物修复。

本发明的原位生物接触氧化修复微污染水源水的技术与现有的技术相比具有处理水量大，处理时间短，出水水质稳定，运行成本低，避免了增建处理构筑物。能够有效降低水源水的COD、N、P等污染物的浓度，特别是能够有效去除微污染水源水中的总氮含量。从源头解决水源水污染的问题，抑制藻类生长，控制水体富营养化。

附图说明

图1是本发明检测实验的COD_MN浓度的变化图；

图2是本发明检测实验的NH₄⁺-N浓度的变化图；

图3是本发明检测实验的NO₃^--N浓度的变化图；

图4是本发明检测实验的NO₂^--N浓度的变化图；

图5是本发明检测实验的TN浓度的变化图；

图6是本发明检测实验的浊度变化图；

图7为本发明检测实验填料上的部分微生物照片，各图的放大倍数均为40×10倍。其中图(a)为轮虫，图(b)为钟虫，图(c)为线虫。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明涉及筛选的高效菌种为从黑河水库底泥中筛选得到硝化细菌SY1和反硝化细菌HY1，该两项菌种于2009年8月24日保藏于中国典型培养物保藏中心，简称CCTCC，并登记入册，该生物菌种于2009年8月24日起保存30年。其中硝化细菌SY1(Pseudomonas sp.SY1)保藏号为：CCTCCNO：M 209180；反硝化细菌HY1(Pseudomonas sp.HY1)保藏号为：CCTCCNO：M 209181。

具体实施方式

本发明的原位生物接触氧化修复微污染水源水技术，其设计思路是将生物接触氧化技术与与申请人自主研发的扬水曝气器(专利号为：ZL200410073541.3)相结合，不仅满足了原位生物接触氧化修复微污染水源水技术所需要的曝气系统设计要求，并且能够实现在混合上、下水层的同时能有效降低水中的N、P含量，控制水体富营养化，避免了增建处理构筑物，降低运行成本的目的。

目前在实验研究和国内大型实际工程中应用的主要是异位生物接触氧化技术，对于微污染水源水中的氨氮去除基本都可达到70％以上，有机物去除可达到20-30％，但是异位处理势必增加由于兴建水厂构筑物而产生的成本，并且对总氮的去除效率较低。

如何能够在水源水体中，采用综合的方法改善原水水质，阻止富营养化和内源污染释放等问题的发生，从而取代或减少原水后期处理程序，目前研究的重点为水质原位修复改善技术。原位修复无需输送污染水体，该技术具有见效快、投资省、无副作用的特点。扬水曝气与生物接触氧化组合技术充分发挥各自的功能，起到充氧、混合、氧化分解、抑制底泥释放及藻类生长等一系列作用，从而达到改善水质、控制水体富营养化的作用。

遵循上述工作原理本发明采取如下技术方案予以实现：

一种采用原位生物接触氧化修复微污染水源水的方法，包括下列步骤：

1)选择生物填料作为微生物的载体。

本发明选择本领域常规的生物填料，例如宜兴市裕隆环保有限公司(地址：江苏宜兴高賸外商投资工业园)生产的一种新型微生物膜载体，该生物填料比表面积大，易挂膜，不易脱落，亲水性好。挂膜后的比重接近于1，在曝气条件下可获得完全的流态化，在水中自由通畅的旋转，增加对水中气泡的撞击和切割，提高氧的利用率。生物填料的具体理化性能指标如表1所示：

表1生物填料的物理性能

2)生物菌剂HS的制备：将从黑河水库底泥中筛选获得的高效菌种硝化细菌SY1(Pseudomonas sp.SY1，保藏编号为：CCTCCNO：M 209180)和反硝化细菌HY1(Pseudomonas sp.HY1，保藏编号为：CCTCCNO：M 209181)接种于HS富集培养基，在25-30℃、120rpm条件下恒温振荡培育2-3d，见有明显生长，即菌悬液在600nm处的吸光度值，一般当OD600＞0.5时停止培养。然后接种于HSK培养基中扩大培养，在25-30℃、120rpm条件下恒温振荡培育2d。

其中硝化细菌SY1和反硝化细菌HY1菌株均属于假单胞菌属，其各自具有如下特征：

(a)菌落形态特征和菌体形态特征参见表2。

    菌株编号  菌落特征    培养4D时菌    落直径(MM)  菌体形状    HY1  乳白色，圆形边缘整齐    3  短杆菌    SY1  中间乳黄，周围透明，圆形，边  缘整齐    2.5×1.  短杆菌

表2

(b)主要生理、生化特征，参见表3：

  淀粉  水解    产氨    显阳性糖醇发酵产酸未产气牛奶石蕊显碱性凝乳酶凝固  甲基红阳  性SY1  √    √+√√√  √HY1  √    √+√√√  √

表3

(注：√表示支持，+表示生长或反应为阳性)

(c)NH₄⁺-N、NO₃^--N去除率

氨氮初始浓度为1.26mg/L，经过48h的培养后氨氮最终浓度为0.0112mg/L，对氨氮去除率为99.11％。

硝酸盐初始浓度为2.3mg/L，经过48h的培养后硝酸盐最终浓度为0.041mg/L，对硝酸盐去除率为98.52％。参见表4：

可菌株初始浓度(mg/L)最终浓度(mg/L)去除率(％)SY11.260.011299.11HY12.30.04198.52

表4

所述的HS富集培养基的配方为：NaAc 0.5g，NaNO₃ 0.1g，NH₄Cl 0.1g，MgSO₄ 0.02，CaCl₂ 0.02g，K₂HPO₄ 0.05g，蒸馏水定容至1L，pH调至7-7.5。

所述的HSK培养基的配方为：NaAc 0.1g，NaNO₃ 0.02g，NH₄Cl 0.02g，K₂HPO₄ 0.01g，灭菌水源水0.3-0.4L，蒸馏水定容至1L，pH调至7-7.5。

3)微生物挂膜：将制备的填料置于用“HSK培养基”扩大培养的菌剂中进行生物挂膜，挂膜通过曝气装置将DO的浓度控制在2-3mg/L以加速挂膜进程，每天将将HSK培养基总量30-40％培养液换为待处理的水源水，逐渐降低营养物质的浓度，使微生物适应微污染水源水的水质状况，连续曝气挂膜4-5d，生物填料形成黄色生物膜后挂膜结束，采用连续水流连续冲洗4～5遍，冲掉填料表面的吸附的细菌，制成生物固定化填料。

4)原位生物接触氧化修复微污染水源水：将制备好的生物固定化填料用绳子连接，将其固定于本实验室专利装置扬水曝气器周围，采用扬水曝气-原位生物接触氧化对微污染水源水中进行生物修复。

实验验证：

遵照本发明的上述步骤以及技术要点，本发明以西安市某水源水作为实验用水，对其进行脱氮处理，具体实验情况如下：

1、原水水质

西安市某水源其水质指标符合微污染水范围，水质各项指标具体参数见表5：

表5原水水质状况

2、实验装置

试验装置为2个圆柱形有机玻璃容器，直径直径300mm，高800mm，有效容积为50L。其中1个为空白对照，即不装有任何生物填料；另一个装有高效生物填料。容器顶部开有取样孔、放气孔和曝气孔，压缩空气从上部经曝气扩散器进入，用空气流量计调节曝气量，使系统的DO值控制在2.5～3.0mg/L之间，温度为27.5℃，，PH值为7.58。空白对照装置无需曝气。

3、生物填料

选用宜兴市裕隆环保有限公司生产的Φ25裕隆悬浮填料，填充率为2％。

4、实验操作、及结果

遵循本发明的技术步骤，采用国家标准方法测定CODMn、NH4+-N、NO3--N、NO2--N和TN。采用PHS-3C型精密酸度计测量PH值，采用HQ-30d型溶解氧测定仪测定DO，采用WGZ-1S浊度仪测定浊度。经过43天的运行，其试验结果表明如下：

4.1COD去除效果的变化

参见图1，经过一段时间适应后，CODMn的去除率在8.7％-25.3％之间，浓度最低可降至4.75mg/L。这主要是由于原位生物接触氧化通过微生物自身生命代谢活动——氧化、还原、合成等过程，微生物的生物絮凝、吸附、氧化和硝化等综合作用来去除水中的有机污染物质[4]。去除有机物的菌类主要是异氧菌，它们使可生物降解的有机物发生氧化反应，从而使有机物中的碳被氧化为二氧化碳，有机氨氮氧化为氨态的氮。另外原水中的大部分藻类在白天会利用太阳光进行光合作用，消耗水体中部分有机物，起到净化水体的作用。填料上附着的原生动物和微型后生动物主要以藻类残屑、菌类及有机碎屑为食，对有机物质的去除也有一定的贡献。菌类、藻类、微型动物等共同构成填料上的膜结构和功能。

4.2NH₄⁺-N去除效果的变化

参见图2，在适量曝气及贫营养条件下，氨氮仍然具有比较稳定的去除效果。第1天装有填料反应器的氨氮浓度高于空白对照值，这是由于悬浮填料表层未固定的细菌进入水体所致。第3天氨氮浓度值降低可能是由于填料表面的吸附作用，第5天时，氨氮浓度上升，主要是原水中大量微生物对有机物的快速分解，导致大量有机氮迅速转化为氨氮进入原水中造成，而氨氮到硝态氮的转化主要依靠硝化细菌的作用，由于原水中的硝化细菌是严格的自养型微生物，其对环境的适应和生长代谢速率都比较慢，硝化作用此时尚未发挥出来，表现为初始期氨氮值较高。到第15天，各反应器的氨氮浓度值降到最低，对氨氮的去处率达到75％左右。第17天以后氨氮的浓度基本保持在0.1mg/L左右，说明水体中的营养物质已经耗尽。到第37天左右，氨氮浓度值骤然增加，分析其原因可能是由于填料上部分老化的生物膜脱落到原水中所致。

4.3NO₃^--N去除效果的变化

由图3可知，由于高效微生物的反硝化脱氮作用，使得Kaldnes悬浮填料对原水中的硝酸盐氮具有很好的降解作用。硝氮的最大去除率发生在第31天，达到80％左右。试验第1天，填料反应器的硝酸盐氮浓度高于空白对照值，这是由于悬浮填料表层未固定的细菌进入水体所致。第3天硝酸盐氮浓度降低可能是由于填料表面的吸附作用，随着时间的增加，由于硝化细菌的作用，使原水中的氨氮转化为硝酸盐氮，因此第15天左右出现硝酸盐氮值的增加，而此时氨氮的去除率也达到最大值。在此后的12天里，硝氮浓度保持稳定，生物降解作用不明显，这是因为微生物的生长都有一定的规律和周期，在贫营养状态或营养受到限制的情况下，微生物有一个长期适应的过程，在这个变化过程中，生物的形态和生理都将发生显著变化，并达到稳定的饥饿——生存状态，此时细胞的大小基本稳定。经过饥饿生存的细胞，由于能量缺乏，代谢机制的效率得到提高，因此对基质的利用效率提高，可以达到更好的脱氮效果。本试验采用的高效生物菌剂均为贫营养反硝化细菌，世代周期比较长，因此对环境的适应性更好，在生物脱氮过程中将硝酸盐转化为无害的氮气、少量的亚硝氮和氮氧化物得以去除。31天以后，硝氮浓度略有升高，原因可能是由于填料上部分老化的生物膜脱落至原水中造成的；39天以后，硝氮浓度基本趋于稳定，生物膜的脱落和生长达到动态平衡状态。

4.4NO₂^--N去除效果的变化

参见图4在系统运行的前27天里，亚硝氮浓度变化不大，这是由于原水中氨氮浓度很低，在亚硝化菌的作用下NH₄⁺-N被氧化成NO₂^--N，然后再由硝化菌利用水中的氧将NO₂^--N迅速氧化成NO₃^--N。第29天亚硝氮浓度突然增加，由图3可以看出此时硝氮去除率较高，反硝化作用显著，因此这部分亚硝氮是由硝氮在反硝化过程中产生的。第31天的亚硝氮浓度值接近于零，此后迅速升高，到4 1天达到最大值，这是由于此时原水氨氮骤然增加，而硝化菌生长速度比亚硝化菌慢，此时还不能将亚硝化菌由NH₄⁺-N氧化成的那部分NO₂^--N及时地氧化成NO₃^--N，因此造成NO₂^--N的累积。

4.5TN去除效果的变化

图5可以看出，在贫营养脱氮细菌的作用下，强化原位生物接触氧化法对总氮具有较显著的降解作用。高效生物菌剂中的贫营养微生物在营养物的竞争中具有较大的优势，对低浓度基质具有相对较高的亲和力，吸附能力强，速度快，吸收容量大。水中低浓度的可生物降解的有机物、氨氮、硝氮、亚硝氮等首先很快被填料上的生物膜所吸附，然后迅速被膜上的好氧和兼性贫营养细菌所吸收，通过生物降解、硝化和反硝化等综合作用去除水中的氮源污染物。对比图5和图3的浓度变化曲线可以看出，总氮和硝氮浓度变化趋势比较相近，这是由于原水中的有机氮、氨氮和亚硝氮浓度很低，而硝氮浓度相对较高，因此硝氮的降解效果对总氮去除率有很大影响。第1天，填料反应器总氮值高于空白对照值是由于悬浮填料表层未固定的细菌进入水体所致。由于高效菌种对贫营养环境的适应，在反应器运行的前27天里，总氮浓度变化不大，到第31天时总氮的去除率为77.6％，总氮浓度在0.5mg/L左右，41天以后总氮去除率保持稳定。

4.6浊度去除效果的变化

由图6可见，原位生物接触氧化系统对原水浊度有较好的去除效果，在系统运行期间，原水浊度由18.50NTU降低到1.80NTU，去除率达到90.3％。

原水浊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、生物降解及直接沉淀作用。原水中一部分形成浊度的有机物被填料上的生物膜所吸附，通过微生物的生命代谢活动，将有机物降解合成自身的有机细胞物质，使原水浊度降低。而原水中的胶体物质、悬浮物颗粒等由于生物膜的吸附作用，在填料的生物膜表面形成生物絮凝体，产生颗粒间的相互凝聚，形成较大的颗粒，使水中细小悬浮颗粒数目大大降低，较大的凝聚颗粒在气水冲刷作用下脱附，沉到底部。由于悬浮物在生物膜表面被吸附，随着时间增加膜表面会逐渐形成致密层，妨碍生物膜与水中污染物及DO的传质，降低了填料的总有效面积，从而影响系统的脱氮效果。因此当原水悬浮物较多、浊度较大时有必要适时对填料进行冲洗。

5、生物膜特征及作用分析

新购置的裕隆悬浮载体为白色半透明材料；反应器运行前2周由于高效菌种对贫营养环境有一个较长时间的适应过程，因此生物膜厚度变化不明显，填料表面为淡黄色，镜检时发现有大量细菌，并开始以菌胶团的形式存在；随着时间的增加，微生物逐渐适应环境并不断增长和繁殖，因此在反应器运行第3周左右，生物膜厚度明显增加，填料外观逐渐转变为浅褐色，并出现了原生动物及少量的后生动物，占优势的是固着性的钟虫、游泳性的纤毛虫等；到第4周，填料外观颜色转变为褐色，此时取填料表面的生物膜进行镜检，发现填料上的生物相十分丰富，主要有钟虫、累枝虫、轮虫、太阳虫、纤毛虫、线虫等，群落结构组成趋于稳定，说明原位生物接触氧化系统运行状况良好。

由生物相观察可知，生物膜上的生物由低级向高级逐渐演化。在系统运行过程中，贫营养好氧反硝化菌HY1群逐渐适应环境，在生物填料上得以生长繁殖并保持一定的数量。细菌、菌胶团、原生动物和后生动物组成了一个相对稳定的群落结构，并发挥着各自的作用。活性细菌起生命代谢的主体作用，菌胶团具有很强的吸附能力和分解能力，为原生动物和微型后生动物提供了良好的生存环境和附着场所，钟虫等原生动物以吞噬细菌为生，促使细菌不断繁殖，线虫等微型后生动物主要以食死肉为主动物，起到软化生物膜、促使生物膜脱落的作用，从而使生物膜保持良好的活性及净化功能。图7所示为填料上的部分微生物照片，各图的放大倍数均为40×10倍。其中图(a)为轮虫，图(b)为钟虫，图(c)为线虫。

因此，在系统运行过程中，填料上的生物膜外观呈现出白色半透明→淡黄色→浅褐色→褐色的变化过程，填料上的生物也发生一系列变化，优势动物种类如有钟虫、累枝虫、轮虫、太阳虫、纤毛虫、线虫等，标志着生物膜的成熟。

综上所述，本发明的原位生物接触氧化修复微污染水源水的方法，是改善微污染水源水水质的有效途径，对水中的COD_Mn、氨氮、硝氮、总氮及浊度均有较好的处理效果，最大去除率分别为25.3％、75％、80％、77.6％和90.3％。系统稳定运行时的氨氮和总氮浓度均可以达到地表水环境III类水体的质量标准要求。作为一种原位处理与其他生物预处理相比，无需新建构筑物，又能够有效去除水中污染物质，具有广阔的发展前景。