專利名稱：稀土元素在好氧顆粒污泥培養(yǎng)以及控制污泥膨脹中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及稀土的生物效應(yīng)及環(huán)境微生物等領(lǐng)域，尤其涉及利用稀土元素在微生物中獨特的生物特性，將其應(yīng)用于好氧顆粒污泥的快速培養(yǎng)以及污泥膨脹的控制。
背景技術(shù)：
1.稀土中國是一個稀土資源大國，無論是稀土礦產(chǎn)品，還是資源總量和工業(yè)儲量都居世界領(lǐng)先地位。稀土的應(yīng)用日益廣泛，已知稀土在冶金行業(yè)，石油化工、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域都得到應(yīng)用。稀土元素的生物活性研究是20世紀(jì)初開始的，從大量的文獻中可知稀土元素對微生物具有廣泛的生物學(xué)作用(1)稀土元素對微生物的生物學(xué)影響適宜濃度的輕稀土元素在生長前期對微生物生長有輕微刺激作用，但隨著培養(yǎng)時間的延長，促進作用減弱。提高稀土元素的濃度，對微生物的生長產(chǎn)生抑制作用表現(xiàn)為菌落初生時間比對照延遲，菌落直徑減小。當(dāng)濃度大于一定值后，微生物生長基本處于停止?fàn)顟B(tài)，同時對微生物的代謝產(chǎn)物和胞外酶的分泌能力有一定影響。菌體細胞的氨基酸總量、氨基酸組成也發(fā)生了變化。
(2)稀土元素對細胞的生物化學(xué)作用機理稀土對生物膜的影響主要包括以下三方面第一，稀土與膜上轉(zhuǎn)運蛋白或磷脂相互作用，使轉(zhuǎn)運蛋白活性或膜通道大小發(fā)生變化，從而提高膜主動或被動運輸能力；第二，稀土可與膜代謝蛋白相互作用，影響生物膜的能量代謝；第三，稀土可與膜受體蛋白相互作用，參與細胞信息傳遞。
(3)稀土金屬離子與酶分子的相互作用機理當(dāng)濃度較低時稀土元素對酶具有變構(gòu)激活作用，而濃度高時對酶具有抑制作用。作用位點大多在活性以外的變構(gòu)位點，稀土金屬離子與酶的變構(gòu)位點結(jié)合后，使酶的構(gòu)象改變而影響酶的活性。
隨著稀土元素對微生物生物功能活性，對細胞的跨膜行為機理，對細胞的生物化學(xué)作用機理與酶分子的相互作用機理研究的不斷深入，其在環(huán)境保護、微生物等領(lǐng)域的應(yīng)用研究也越來越活躍。
2.好氧顆粒污泥好氧顆粒污泥是微生物在好氧環(huán)境下的自凝聚現(xiàn)象，自凝聚是生物處理系統(tǒng)中，微生物在適當(dāng)環(huán)境條件下，相互聚合形成一種密度、體積比較大，活性和傳質(zhì)條件都比較好的共生體顆粒的現(xiàn)象。國內(nèi)外學(xué)者在好氧顆粒污泥的研究方面做了大量細致的工作，1991-1998年是研究好氧顆粒污泥的初級階段，開始認識到在好氧環(huán)境下污泥也可以顆?；穗A段只是報道了好氧顆粒污泥的出現(xiàn)的現(xiàn)象，未進行深入的研究。而進入第二階段(1999-2000)好氧環(huán)境下污泥的顆?；_始引起人們的關(guān)注，在這個期間，好氧污泥顆粒化被許多學(xué)者所報道，研究熱點主要是好氧顆粒污泥形成的基本條件。從2001至今，隨著好氧顆?；夹g(shù)的發(fā)展，各國學(xué)者開始對好氧顆粒污泥的培養(yǎng)條件、影響因素進行了深入的研究。
隨著我國人口的增加，土地資源彌顯珍貴，普通的活性污泥法及生物膜法等好氧處理方法占地面積大，制約水處理行業(yè)的發(fā)展，而好氧顆粒污泥方法依托SBR工藝，具有占地面積小、沉降性能良好、生物量高和在高容積負荷條件下降解高濃度有機廢水的良好生物活性，因而應(yīng)用前景誘人而廣闊。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于將稀土元素應(yīng)用于好氧顆粒污泥，提供一種安全、有效的可促進好氧顆粒污泥形成以及控制污泥膨脹現(xiàn)象出現(xiàn)的新方法，即稀土元素在好氧顆粒污泥培養(yǎng)以及控制污泥膨脹中的應(yīng)用。該方法將有助于氧顆粒污泥工藝的工業(yè)化及污泥膨脹防治技術(shù)的發(fā)展。
稀土元素在好氧顆粒污泥培養(yǎng)以及控制污泥膨脹中的應(yīng)用。
其中所述稀土元素是可溶性鹽類稀土元素化合物。
其中所述可溶性鹽類稀土元素化合物優(yōu)選是硝酸鑭、硝酸鈰、硝酸釹中的一種。
上述稀土元素的應(yīng)用方法是從好氧顆粒污泥培養(yǎng)啟動開始，每隔三天向生化反應(yīng)器內(nèi)投加濃度不超過30mg/L的稀土元素溶液。
其中優(yōu)選的稀土元素的應(yīng)用方法是從好氧顆粒污泥培養(yǎng)啟動開始，每隔三天向生化反應(yīng)器內(nèi)投加濃度為30mg/L的稀土元素溶液。
下面通過具體試驗來對本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)效果作進一步說明分為兩部分進行1.在六個250ml的錐形瓶中分別加入活性污泥及人工污水共100ml，然后加入適量稀土貯備液，使稀土元素濃度分別為0.0、10.0、20.0、30.0、50.0、70.0mg/L；將錐形瓶放入恒溫(25℃)搖床培養(yǎng)24h后，觀察污泥表觀征狀并記錄，取樣后用顯微鏡觀察、拍照，并測定各個錐形瓶中的污泥總量及耗氧速率。
通過以上實驗數(shù)據(jù)可知不同濃度的稀土對活性污泥的活性都具有不同程度的抑制，但同時發(fā)現(xiàn)在30mg/L左右的濃度下稀土可促進微生物分泌胞外多聚物，使微生物聚集生長，且可以較為快速的促進微生物的生長，所以選取30mg/L左右濃度的稀土作為微生物促進劑是可行的。
2.在第一部分研究的基礎(chǔ)上以普通絮狀活性污泥為接種污泥，利用兩個SBR反應(yīng)器(分別為SBR I和SBR II)中在好氧曝氣條件下運行三階段培養(yǎng)好氧顆粒污泥，同時觀察污泥顆粒形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化，監(jiān)測MLSS、VSS、VSS/MLSS、SVI、COD和胞外多聚物組分的變化。從反應(yīng)器啟動開始，每隔三天向SBR I投加預(yù)先配制好的稀土元素溶液，使SBR I反應(yīng)器內(nèi)稀土元素濃度為30mg/L，SBR II作為對比反應(yīng)柱不投加稀土元素。
從研究數(shù)據(jù)可知在好氧顆粒污泥形成時期，SBR I反應(yīng)器的MLSS值在大部分時間是大于SBRII反應(yīng)器的(見圖1)，說明添加稀土元素對污泥量的增加有明顯的效果；圖2是顆粒污泥形成過程中VSS/MLSS值的變化曲線圖，由圖可見，接種污泥的VSS/MLSS值為0.82，經(jīng)過28天的培養(yǎng)，兩個SBR反應(yīng)器的VSS/MLSS值分別為0.86和0.84，可以看出稀土元素對改善活性污泥中有機物質(zhì)的含量有較為顯著的作用；從圖3可知SBR ICOD去除率基本穩(wěn)定在85-95之間，SBR II的去除率基本穩(wěn)定在80-90之間，SBR I比SBR II的COD去除率要高；從圖4在好氧顆粒污泥形成過程中SVI變化曲線可知在SBR I反應(yīng)器的SVI值在大部分時間是小于SBR II反應(yīng)器的，基本保持在30-80之間，甚至當(dāng)SBRII反應(yīng)器中SVI達到166ml/g，發(fā)生輕微污泥膨脹時，SBR I反應(yīng)器內(nèi)SVI值也只在80左右，說明稀土可控制絲狀菌的增殖，保持絲狀菌與菌膠團細菌平衡，對改善并保持活性污泥沉降性能有明顯的效果。從圖5表示的兩個反應(yīng)器中顆粒污泥形成過程中胞外多聚物組分含量的變化可知，兩個反應(yīng)器在顆粒的形成過程中蛋白質(zhì)的含量均有增加的趨勢；多糖在顆粒形成初期有所降低后略有增加，總體變化幅度較小。SBR I反應(yīng)器中蛋白質(zhì)與多糖比值從2.29增加到4.88，SBR II反應(yīng)器從2.29增加到4.15。隨著蛋白質(zhì)與多糖比值增加，則污泥表面負電荷降低、疏水性增加，有利于好氧顆粒污泥的形成和穩(wěn)定，可見稀土將通過對胞外多聚物的影響而影響好氧顆粒污泥的形成。對比采用稀土元素培養(yǎng)的好氧顆粒污泥與普通法培養(yǎng)的好氧顆粒污泥，可發(fā)現(xiàn)前者在顆粒的密度、含水率、沉降速率、SVI、COD污泥負荷方面都較后者優(yōu)越。


圖1在好氧顆粒污泥形成過程中兩個SBR反應(yīng)器的MLSS變化曲線圖，圖2是在好氧顆粒污泥形成過程中VSS/MLSS值的變化曲線圖，圖3是在好氧顆粒污泥形成過程中COD變化曲線，圖4在好氧顆粒污泥形成過程中SVI變化曲線，圖5是胞外多聚物組分含量變化曲線圖。
具體實施例方式
下面以具體實施實例對本發(fā)明的應(yīng)用作進一步介紹本實例是利用稀土元素培養(yǎng)好氧顆粒污泥的具體應(yīng)用，從反應(yīng)器啟動開始，到反應(yīng)器內(nèi)好氧顆粒污泥形成為止共28d。兩個反應(yīng)器同時運行，其中SBR I反應(yīng)器啟動開始每3天添加一次稀土元素(硝酸鑭)溶液，使反應(yīng)器內(nèi)稀土元素的濃度為30mg/L。整個過程分為三個運行階段。
運行階段一接種前活性絮狀污泥用稀釋的啤酒廢水持續(xù)曝氣4天，使污泥得到初步的馴化，活性絮狀污泥為典型的絲狀結(jié)構(gòu)連接，顏色為黃褐色，結(jié)構(gòu)松散，比重較小。反應(yīng)器接種污泥后，在如下運行階段1的條件下運行，COD負荷為1.01-1.48kg/(m3·d)，上升氣體表面流速0.0132m/s，運行周期為3h。第一階段運行時間為7d，調(diào)整反應(yīng)器參數(shù)以逐漸減少沉降時間，在此階段的第四天沉降時間由10min逐漸降為8min，從而將大量沉降性能較差的污泥洗出，使反應(yīng)器中活性污泥的沉降性能逐漸提高。
在此階段的第四天時，在SBR反應(yīng)器中觀察到少量白色團狀物質(zhì)，說明活性絮狀污泥已經(jīng)有自聚趨勢。由數(shù)據(jù)分析可見，SBR反應(yīng)器中MLSS上升到了5335mg/L，VSS數(shù)值由3472mg/L增加至4552mg/L，而VSS/MLSS的數(shù)值波動比較大。
運行階段二SBR反應(yīng)器運行7d后控制反應(yīng)器在運行階段2條件下運行。即COD負荷為3.20～4.78kg/(m3·d)，氣體表面流速由0.0132m/s逐步提高到0.0172m/s以增加剪切力及克服傳質(zhì)阻力，并增加供氧能力。第二階段運行時間為14d。
運行開始幾天SBR反應(yīng)器中就明顯出現(xiàn)大量白色顆粒，但顆粒結(jié)構(gòu)較為蓬松，直徑大約2-5mm。具有規(guī)則圓形外部結(jié)構(gòu)。第二階段運行6天后，SBR中白色顆粒逐漸解體并消失，污泥又成為絮狀污泥。第二階段運行8天后，SBR反應(yīng)器中出現(xiàn)米黃色小顆粒，其顆粒直徑都很小，為小米粒狀，且顆粒間出現(xiàn)絲狀連接。
在運行階段二中，由于減少了沉淀時間，使沉降性能差的污泥及顆粒污泥碎片被洗出，所以這個階段初期反應(yīng)器中污泥總量下降。但是幾天后，污泥總量又開始趨于上升，到末期時污泥量明顯增多，并且基本都是結(jié)構(gòu)蓬松的顆粒污泥，絮狀污泥很少，出水水質(zhì)變清，說明污泥沉降性能較好。
運行階段三SBR反應(yīng)器運行21d后反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥粒徑很大但結(jié)構(gòu)松散，為進一步得到結(jié)構(gòu)密實的顆粒污泥，逐漸調(diào)整氣體表面流速由0.0172m/s到0.0218m/s，增大COD負荷至5.97～9.07kg/(m3·d)。沉淀時間由4min減少至2min，再一次將一部分相對沉淀性能差的顆粒洗出。在第三階段，SBR反應(yīng)器顆粒逐漸變大，后期反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥形態(tài)基本保持不變，標(biāo)志著好氧顆粒污泥培養(yǎng)成功。
權(quán)利要求
1.稀土元素在好氧顆粒污泥培養(yǎng)以及控制污泥膨脹中的應(yīng)用。
2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征是所述稀土元素是可溶性鹽類稀土元素化合物。
3.如權(quán)利要求2所述的應(yīng)用，其特征是所述可溶性鹽類稀土元素化合物是硝酸鑭、硝酸鈰、硝酸釹中的一種。
4.如權(quán)利要求1～3之一所述的應(yīng)用，其特征是所述稀土元素的應(yīng)用方法是從好氧顆粒污泥培養(yǎng)啟動開始，每隔三天向生化反應(yīng)器內(nèi)投加濃度不超過30mg/L的稀土元素溶液。
5.如權(quán)利要求4所述的應(yīng)用，其特征是所述稀土元素的應(yīng)用方法是從好氧顆粒污泥培養(yǎng)啟動開始，每隔三天向生化反應(yīng)器內(nèi)投加濃度為30mg/L的稀土元素溶液。
全文摘要
本發(fā)明公開了稀土元素在好氧顆粒污泥培養(yǎng)以及控制污泥膨脹中的應(yīng)用。其應(yīng)用方法是從好氧顆粒污泥培養(yǎng)啟動開始，每隔三天向生化反應(yīng)器內(nèi)投加濃度不超過30mg/L的稀土元素溶液。本發(fā)明利用稀土元素培養(yǎng)的好氧顆粒污泥具有形成時間短、顆粒密度大、含水率低、沉降速率高、SVI值低、COD負荷高等優(yōu)點。
文檔編號C02F3/12GK1944285SQ20061006950
公開日2007年4月11日 申請日期2006年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月20日
發(fā)明者李善評, 喬鵬, 趙玉曉 申請人:山東大學(xué)