一种提高废水处理生物膜挂膜效率的装置及方法

摘要

本发明公开了一种提高废水处理生物膜挂膜效率的装置及方法，属于污水处理技术领域。针对现有技术中存在的挂膜效率低、成本高、适用性不广泛的问题，本发明提供了一种提高废水处理生物膜挂膜效率的装置及方法。包括磁力搅拌器，磁力搅拌器上设置有三嘴烧瓶，三嘴烧瓶，菌液投加口通过第一蠕动泵管道与将菌液从超滤错流过滤装置的下进样口加入超滤错流过滤装置中，超滤错流过滤装置出样口通过第二蠕动泵与反应器的分泌物投加头连接。通过针对同条件下的高丝氨酸类脂类物质的含量，选不同的快速挂膜的方式，它可以实现挂膜效率高、成本低、适用性广的效果，最大程度上实现有效挂膜，缩短整体挂膜时间，将使用填料技术承担的风险最低化。

说明书

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，更具体地说，涉及一种提高废水处理生物膜挂膜效率的装置及方法。

背景技术

在目前污水处理的二级生化处理系统中，活性污泥法和生物膜法占生物处理的主导地位。生物膜法由于具有水量水质适应性强、对有机物的去除、脱氮除磷及去除重金属效果良好、动力费用省等优点，得到了广泛的关注和应用。生物膜主要由原核生物和其他微生物(例如酵母菌、真菌及原生动物)及其分泌的胞外聚合物(EPSs)组成，一般经历生物膜的初始粘附、生长、成熟和老化的循环过程。废水处理生物膜的载体一般有软性填料、组合填料以及悬浮填料等。软性填料和组合填料由于其具有重量轻、比表面积大、空隙可变、不易堵塞、耐冲击负荷等效果稳定，且造价低、运输方便和组装简易等特点，被率先广泛应用于处理纺织、印染、酿酒、石油化工等工业和生活污水的处理中。但是在实际的废水挂膜过程中，由于实际废水水体复杂，污泥核心菌群演替变化，导致各种填料在水体中挂膜难度较大。直接性的工程尝试有可能会造成较高的时间及经济成本。因此，一般在实际水体挂膜之前会针对具体的水体及污泥开展尝试性挂膜研究，同时针对不同的水体开展具有促进挂膜效率的方法及装置的研发。

中国专利申请号为CN101913710A，授权日期为2011年10月5日公开了一种悬浮填料微生物快速挂膜的方法，该方法其特征是首先将污泥取回后曝气48h，用曝气后的污泥做接种菌，接种于装有悬浮填料的序批式SBR反应器中，曝气6h，静置沉淀6h；然后投加营养基质，曝气l0h，静置沉淀2h作为一个运行周期，每天运行2个周期，期间进行排泥保持污泥悬浮固体浓度保持在2-20g/L范围内的某一浓度值不变；运行7-25d挂膜即完成。但此方法运行时间长，且损耗资源多、成本高。

中国专利申请号为CN105461083A，公开日期为2016年5月4日，该方法公开一种用于微生物快速挂膜的悬浮填料，所述悬浮填料由以下重量份的组分组成：高密度聚乙烯65-75份、熟石灰5-15份、陶氏粉末活性炭5-20份、轻质碳酸钙6-10份、马来酸酐3-5份、过氧化二异丙苯0.2-0.6份、明胶1.5-3份、甲壳素1-2份、四氧化三铁磁粉0.8-2份和锰锌铁氧体0.1-0.3份；所述用于微生物快速挂膜的悬浮填料的密度为0.96-0.98g/cm³。此填料使用范围窄，适用性不广泛。

至此，亟需开展针对实际废水快速挂膜的方法及有效装置，解决实际工程中存在的生物膜在填料表面形成难的问题，促进生物膜法在难挂膜废水水体的高效应用。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的挂膜效率低、成本高、适用性不广泛的问题，本发明提供了一种提高废水处理生物膜挂膜效率的装置及方法。它可以实现挂膜效率高、成本低、适用性广的效果，最大程度上实现有效挂膜，缩短整体挂膜时间，将使用填料技术承担的风险最低化。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种提高废水处理生物膜挂膜效率的装置，包括磁力搅拌器，磁力搅拌器上设置有三嘴烧瓶，三嘴烧瓶，烧瓶一口为菌液投加口，一口为菌液回流口，一口为菌液补给口，菌液投加口通过第一蠕动泵管道与将菌液从超滤错流过滤装置的下进样口加入超滤错流过滤装置中，菌液通过超滤错流过滤装置的上进样口回流至菌液回流口，超滤错流过滤装置出样口通过第二蠕动泵与模拟移动床生物膜反应器的分泌物投加头连接。

更进一步的，超滤错流过滤装置采用的滤膜为中空纤维滤膜。

一种提高废水处理生物膜挂膜效率的方法，包括以下步骤：

(1)对挂膜泥水混合物进行采样，在高速旋转离心机中离心脱水，去除上清液，取泥样；

(2)在泥样中加入乙酸乙酯萃取高丝氨酸类脂类物质；为(C4～C14-HSL)。

(3)采样高效液相色谱-质谱联用的方式检测高丝氨酸内酯类物质的含量；

(4)针对高丝氨酸类脂类物质的含量，选不同的快速挂膜的方式；

(5)高丝氨酸类脂类物质的含量大于等于1mol/L，选择方案A；如果高丝氨酸内酯类物质的含量低于1mol/L，选择方案B，进行挂膜。

更进一步的，步骤5)中，方案A步骤如下：

①将红色鞘氨醇单胞菌纯菌进行扩大培养得到红色鞘氨醇单胞菌菌液，扩大培养条件为：培养基，胰蛋白胨大豆肉汤；pH＝7.0～7.2；温度：28～30℃；培养时间：24～48h；转速：150～200r/min；

②将扩大培养的菌液投加到三嘴烧瓶中，开启磁力搅拌器；

③连续投加24h后停止投加，完成单次投加过程；

④根据实际挂膜情况，重复过程①～③1～2次，直到获得需求的生物膜。

更进一步的，步骤5)中，方案B步骤如下：

①将红色鞘氨醇单胞菌纯菌进行扩大培养得到红色鞘氨醇单胞菌菌液，扩大培养条件为：培养基，胰蛋白胨大豆肉汤；pH＝7.0～7.2；温度：28～30℃；培养时间：24～48h；转速：150～200r/min；

②将大肠杆菌K12扩大培养得到菌液，扩大培养条件为：培养基，水，其中还包括质量比例为牛肉膏0.4～0.8％，蛋白胨0.8～1.2％，氯化钠0.4～0.6％的营养物质，pH 7.0～7.3；温度：28～30℃；培养时间：18～36h；转速：150～200r/min；

③将扩大培养的菌液①和②投加到不同的烧瓶中，开启两套菌株投加设备，同时向移动床生物膜反应器中投加菌液。两套设备操作条件均为：磁力搅拌器；

④连续投加24h后停止投加，完成单次投加过程；

⑤根据实际挂膜情况，重复过程①～③1～2次，直到获得需求的生物膜。

更进一步的，步骤1)中高速离心机的转速12000×g～14000×g；离心时间为10～20min；

更进一步的，步骤2)中萃取方式为超声萃取，萃取条件为：超声功率150～200w，萃取时间60～90min，萃取温度25～30℃，萃取溶液体积为10～30mL，萃取3～5次；

更进一步的，步骤3)中液相-质谱仪器，选择三重四级杆设备，测定条件为：色谱条件为流速：0.2mL/min，进样量：10μL，分析时间：12min，柱温：35℃，流动相A为甲醇，含有摩尔数为2mmoI/L乙酸铵及质量数0.1％甲酸；B为水，含2mmoI/L乙酸铵及质量数0.1％甲酸；

质谱条件：采用电喷雾离子源(ESI)，离子源温度120℃，脱溶剂温度350℃；脱溶剂气和锥孔气N₂，脱溶剂气流速500L/h，锥孔气流速50L/h，碰撞气体为氩气；毛细管电压为3.50kV；扫描方式为正离子扫描，驻留时间50ms；监测模式为MRM模式。

更进一步的，磁力搅拌器的转速为60～120r/min；流量设置为0.6～1.2mL/min；

更进一步的，最后一步重复过程优选为2次。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)通过超滤装置进行投加菌体分泌物质来促进挂膜，挂膜速度快、效率高、可以有效减少投加菌液的成本及操作时间；

(2)本装置采用超滤装置投加菌体可以避免投加菌株与土著菌株之间的竞争关系，最大程度上降低投加菌株所承担的风险；

(3)采用提供高丝氨酸类脂类物质判断促进挂膜的方式，可以有效的促进废水处理填料有效挂膜，大幅度减少有效挂膜的时间和操作难度；

(4)针对同条件下的高丝氨酸类脂类物质的含量，选不同的快速挂膜的方式，挂膜针对性强，可以选用不同的培养和挂膜方式进行，达到综合最优化的效果，挂膜操作难度低，时间降低；

(5)采用前期的小试进行预检测与判断，可以最大程度上降低工程实施过程中所承担的风险，为工程中填料生物膜的形成提供有力的保障与指导。

附图说明

图1为本发明的一种提高废水处理生物膜挂膜效率的装置图；

图2为实施例1挂膜填料生物膜形成情况；

图3为实施例1挂膜填料生物膜形成情况。

图中标号说明：

1、磁力搅拌器；2、三嘴烧瓶；3、第一蠕动泵；4、超滤错流过滤装置；5、第二蠕动泵；6、模拟移动床生物膜反应器；a、菌液回流口；b、菌液投加口；c.菌液补给口；e、上进样口；f、下进样口；g、分泌物投加头。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例1

由于我国需要对水厂出水水质进行提标，进而大量水厂面临升级改造的难题。生物膜法为水厂升级改造提供新的思路，但是在某些水体中生物膜很难在填料表面形成，需要针对特殊的水体专门研发促进挂膜的方法及装置。

如图1所示，一种提高废水处理生物膜挂膜效率的装置，包括磁力搅拌器1，磁力搅拌器1上设置有三嘴烧瓶2，三嘴烧瓶2烧瓶一口为菌液投加口b，一口为菌液回流口a，一口为菌液补给口c，菌液投加口b通过第一蠕动泵3管道与将菌液从超滤错流过滤装置4的下进样口f加入超滤错流过滤装置4中，菌液通过超滤错流过滤装置4的上进样口e回流至菌液回流口a，超滤错流过滤装置4出样口通过第二蠕动泵5与模拟移动床生物膜反应器6(MBBR)的分泌物投加头g连接。超滤错流过滤装置4采用的滤膜为中空纤维滤膜。

通过第一蠕动泵3向超滤错流过滤装置4下进样口f投加菌液，上进样口e回收菌液，通过第二蠕动泵5将出样口的溶液泵入投加头g中，均匀投加到挂膜的模拟移动床生物膜反应器反应器6中。通过本装置可以快速有效进行挂膜，效率高、成本低、操作方便。

实施例2

一种提高废水处理生物膜挂膜效率的方法，包括以下步骤：

(1)对挂膜泥水混合物进行采样，在高速旋转离心机中离心脱水，去除上清液，取泥样；高速离心机的转速12000×g～14000×g；离心时间为10～20min；

(2)在泥样中加入乙酸乙酯萃取高丝氨酸类脂类物质；为(C4～C14-HSL)萃取方式为超声萃取，萃取条件为：超声功率150～200w，萃取时间60～90min，萃取温度25～30℃，萃取溶液体积为10～30mL，萃取3～5次；

(3)采样高效液相色谱-质谱联用的方式检测高丝氨酸内酯类物质的含量；液相-质谱仪器，选择三重四级杆设备，测定条件为：色谱条件为流速：0.2mL/min，进样量：10μL，分析时间：12min，柱温：35℃，流动相A为甲醇，含有摩尔数为2mmoI/L乙酸铵及质量数0.1％甲酸；B为水，含2mmoI/L乙酸铵及质量数0.1％甲酸；

质谱条件：采用电喷雾离子源(ESI)，离子源温度120℃，脱溶剂温度350℃；脱溶剂气和锥孔气N₂，脱溶剂气流速500L/h，锥孔气流速50L/h，碰撞气体为氩气；毛细管电压为3.50kV；扫描方式为正离子扫描，驻留时间50ms；监测模式为MRM模式。

(4)针对高丝氨酸类脂类物质的含量，选不同的快速挂膜的方式；

(5)高丝氨酸类脂类物质的含量大于等于1mol/L，选择方案A；如果高丝氨酸内酯类物质的含量低于1mol/L，选择方案B，进行挂膜。

步骤5)中，方案A步骤如下：

①将红色鞘氨醇单胞菌纯菌进行扩大培养得到红色鞘氨醇单胞菌菌液，红色鞘氨醇单胞菌纯菌可以从中国普通微生物保藏管理中心获得，具体保藏号为红色鞘氨醇单胞菌纯菌sphingomonas rubra CGMCC No.1.9113。扩大培养条件为：培养基，胰蛋白胨大豆肉汤；pH＝7.0～7.2；温度：28～30℃；培养时间：24～48h；转速：150～200r/min；

②将扩大培养的菌液投加到三嘴烧瓶2中，开启磁力搅拌器1，设置转速为60～80r/min，启动蠕动泵，流量设置在0.6～1.2mL/min；

③连续投加24h后停止投加，完成单次投加过程；

④根据实际挂膜情况，重复过程①～③1～2次，直到获得需求的生物膜。

步骤5)中，方案B步骤如下：

①将红色鞘氨醇单胞菌纯菌进行扩大培养得到红色鞘氨醇单胞菌菌液，扩大培养条件为：培养基，胰蛋白胨大豆肉汤；pH＝7.0～7.2；温度：28～30℃；培养时间：24～48h；转速：150～200r/min；

②将大肠杆菌K12扩大培养得到菌液，扩大培养条件为:培养基，水，其中还包括质量比例为牛肉膏0.4～0.8％，蛋白胨0.8～1.2％，氯化钠0.4～0.6％的营养物质，pH 7.0～7.3；温度：28～30℃；培养时间：18～36h；转速：150～200r/min；

③将扩大培养的菌液①和②投加到不同的烧瓶中，开启两套菌株投加设备，同时向移动床生物膜反应器(MBBR)中投加菌液。两套设备操作条件均为：磁力搅拌器1，设置转速为60～80r/min；蠕动泵，流量设置在0.6～1.2mL/min；

④连续投加24h后停止投加，完成单次投加过程；

⑤根据实际挂膜情况，重复过程①～③1～2次，直到获得需求的生物膜，综合实验获得重复过程优选为2次。

实施例3

某工业废水存在出水水质不能满足一级(A)的要求，拟采用生物膜法对原有的好氧池进行升级改造。

本实例的具体实施过程为：

1、对挂膜泥水混合物进行采样，在高速旋转离心机12000×g；离心时间为10min，弃上清液，取泥样；

2、加乙酸乙酯萃取高丝氨酸类脂类物质，此处为C4-HCL，超声功率150w，萃取时间60min，萃取温度30℃；

3、采样高效液相色谱-质谱联用的方式检测高丝氨酸内酯类物质的含量；测定条件为：色谱条件：流速:0.2mL/min；进样量:10μL；分析时间：12min；柱温:35℃；流动相A为甲醇，含有摩尔数为2mmoI/L乙酸铵及质量数0.1％甲酸；B为水，含2mmoI/L乙酸铵及质量数0.1％甲酸；

质谱条件：采用电喷雾离子源(ESI)，离子源温度120℃，脱溶剂温度350℃；脱溶剂气和锥孔气N₂，脱溶剂气流速500L/h，锥孔气流速50L/h，碰撞气体为氩气；毛细管电压为3.50kV；扫描方式为正离子扫描，驻留时间50ms；监测模式为MRM模式。

高丝氨酸内酯类物质的含量低于1mol/L，选择方案B；

①将红色鞘氨醇单胞菌纯菌进行扩大培养得到红色鞘氨醇单胞菌菌液，扩大培养条件为：培养基，胰蛋白胨大豆肉汤；pH，7.0-7.2；温度：28℃；培养时间：24h；转速：150r/min；

②将大肠杆菌K12扩大培养得到菌液，扩大培养条件为：培养基，水，牛肉膏0.5％，蛋白胨1.0％，氯化钠0.5％，pH 7.2；温度：28℃；培养时间：18h；转速：150r/min；

③将扩大培养的菌液①和②投加到不同的烧瓶中，开启两套菌株投加设备，设备操作条件为：磁力搅拌器1，设置转速为80r/min；蠕动泵5，流量设置在0.8mL/min；

④连续投加24h后停止投加，完成单次投加过程。

结果如图2(b)所示，相对于2(a)可以观察到填料表面形成了明显的生物膜，其厚度超过2微米。

实施例4

某工业废水存在出水水质不能满足一级(A)的要求，拟采用生物膜法对原有的好氧池进行升级改造。

本实例的具体实施过程为：

1、对挂膜泥水混合物进行采样，在高速旋转离心机14000×g；离心时间为20min，弃上清液，取泥样；

2、加乙酸乙酯萃取高丝氨酸类脂类物质，此处为C14-HCL，超声功率150w，萃取时间60min，萃取温度30℃；

3、采样高效液相色谱-质谱联用的方式检测高丝氨酸内酯类物质的含量；测定条件为：色谱条件：流速：0.2mL/min；进样量：10μL；分析时间：12min；柱温：35℃；流动相A为甲醇，含有摩尔数为2mmoI/L乙酸铵及质量数0.1％甲酸；B为水，含2mmoI/L乙酸铵及质量数0.1％甲酸；

质谱条件：采用电喷雾离子源(ESI)，离子源温度120℃，脱溶剂温度350℃；脱溶剂气和锥孔气N₂，脱溶剂气流速500L/h，锥孔气流速50L/h，碰撞气体为氩气；毛细管电压为3.50kV；扫描方式为正离子扫描，驻留时间50ms；监测模式为MRM模式。

4)对高丝氨酸类脂类物质的含量，选不同的快速挂膜的方式；

5)高丝氨酸类脂类物质的含量高于1mol/L，选择方案A；即

①将红色鞘氨醇单胞菌纯菌进行扩大培养得到红色鞘氨醇单胞菌菌液，扩大培养条件为：培养基，胰蛋白胨大豆肉汤；pH，7.0-7.2；温度：28℃；培养时间：24h；转速：150r/min；

②将扩大培养的菌液投加到烧瓶中，开启磁力搅拌器，设置转速为80r/min，启动蠕动泵，流量设置在0.8mL/min；

③连续投加24h后停止投加，完成单次投加过程。

结果如图3(b)所示，相对于3(a)可以观察到填料表面形成了明显的生物膜，生物膜厚度超过2微米。

生物膜形成速度快，效果好，成本比现有生成速度大大降低。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。