專利名稱：一種生物活性炭濾池及用其進(jìn)行污水深度處理的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于污水處理、環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種生物活性炭濾池實(shí)現(xiàn)城市污水深度處理的方法。
背景技術(shù)：
目前對于環(huán)境中新興的痕量有機(jī)污染物的有效去除成為了研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，這類污染物具有化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、持久性、難于降解的特點(diǎn)，在環(huán)境中的含量通常在U g/L或更低。其中，代表性的一類物質(zhì)是藥品及個(gè)人護(hù)理品(Pharmaceutical and personal careproducts, PPCPs)，包括各種處方藥和非處方藥(如抗生素、消炎藥、抗癲癇藥、顯影劑、止痛藥、鎮(zhèn)靜劑、雌激素、避孕藥、減肥藥等)、香料、化妝品、染發(fā)劑、香皂、洗發(fā)水等。其種類繁多，在環(huán)境中廣泛存在，其中抗癲癇藥物卡馬西平(Carbamazepine, CBZ)頻繁被檢出，被·作為環(huán)境中PPCPs污染狀況的指示化合物。人們對污水處理工藝(活性污泥法、生物膜法、高級催化氧化法)的出水進(jìn)行檢測，均發(fā)現(xiàn)了卡馬西平的存在。說明常規(guī)的污水處理方法很難將其高效的去除，而這類物質(zhì)在環(huán)境中長期存在會對人類健康及其他生物產(chǎn)生潛在的危害，因此亟待開發(fā)行之有效的解決方法。生物活性炭(Biological activated carbon, BAC)技術(shù)是利用活性炭多孔,具有很大的比表面積，有極強(qiáng)的吸附性能等特點(diǎn)，以其為載體，表面附著微生物，有效的延長了活性炭的吸附能力和再生周期。在水處理工藝中發(fā)揮了活性炭物理吸附和微生物生物降解雙重作用，能夠有效去除水中微量有機(jī)污染物。目前，生物活性炭技術(shù)在飲用水凈化，去除雌激素(170-雌二醇，E2)、吲哚、嘧啶、萘以及苯、乙苯、二甲苯等苯系物(BTEX)的研究中都有成功的應(yīng)用。同時(shí)，生活活性炭工藝相比其他污水深度處理工藝，還具有設(shè)備簡單，占地少，運(yùn)行管理方便等優(yōu)點(diǎn)，不但可以降解目標(biāo)污染物也可以降解生物活性炭本體已吸附的有機(jī)物，提高了污染物的去除效率，具有廣泛的研究、發(fā)展和應(yīng)用價(jià)值。因此,采用實(shí)驗(yàn)室新分離菌株AeytZoffioaas sp. CBZ_4和顆?；钚蕴拷Y(jié)合制備生物活性炭濾池，對城市污水廠二沉池污水進(jìn)行深度處理，去除污水中存留的卡馬西平和其他有機(jī)污染物是可行的，可為后續(xù)的深入研究提供理論支持。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是利用顆?；钚蕴亢蛯?shí)驗(yàn)室篩選出的低溫卡馬西平降解菌
sp. CBZ-4制備生物活性炭濾池，目的是去除城市污水處理廠二沉池出水中殘留的卡馬西平等有機(jī)化合物，為痕量有機(jī)污染物的去除和水質(zhì)凈化奠定理論基礎(chǔ)。一種生物活性炭濾池，包括濾池中的活性炭載體,濾池下部設(shè)有進(jìn)水口，上部設(shè)有出水口，濾池底部置有曝氣器，其特征在于濾池外另設(shè)有菌株水箱，菌株水箱中置有曝氣裝置，所述的菌株水箱管道連接至濾池的進(jìn)水口，濾池的活性炭載體上掛膜有菌株P(guān)seudomonas sp. CBZ-4,所述的菌株sp. CBZ-4 于 2012 年 3 月 27 日保藏于“中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心”(簡稱CGMCC，地址為北京市朝陽區(qū)大屯路)，保藏號CGMCC NO. 5943。本濾池中，水流和氣流同向，均從下向上運(yùn)動(dòng)，保證了氣水混合均勻；在菌株水箱中設(shè)置曝氣裝置，為進(jìn)水提供了足夠的溶解氧。濾池投入使用前的掛膜階段，將濾池出水口連接至菌株水箱，實(shí)現(xiàn)循環(huán)進(jìn)水掛膜。用生物活性炭濾池進(jìn)行污水深度處理的方法，其特征在于用生物活性炭濾池對城市污水廠二沉池出水進(jìn)行深度處理，按以下步驟進(jìn)行
(1)擴(kuò)大培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室篩選的低溫卡馬西平降解菌sp.CBZ-4:向已滅菌的液體卡馬西平富集培養(yǎng)基中以109^15%的接種量接種菌株CBZ-4，于溫度為10°C、轉(zhuǎn)速為150r/min的搖床中培養(yǎng)5d，獲得擴(kuò)大培養(yǎng)的菌液；
(2)掛膜形成活性炭生物濾池采用微生物強(qiáng)化循環(huán)進(jìn)水的人工掛膜方式，濾池外菌株水箱中的擴(kuò)大培養(yǎng)菌液以上向流的方式進(jìn)入生物活性炭濾池，出水回流至菌株水箱中，水體溫度為1(T15°C，并連續(xù)監(jiān)測進(jìn)出水中微生物總量，測定OD66tl，出水OD66tl值逐漸增加，當(dāng)進(jìn)出水OD66tl值相同且連續(xù)幾天運(yùn)行數(shù)值基本無變化，則生物活性炭濾池掛膜成功；
(3)掛膜成功后，將含卡馬西平的城市污水廠二沉池出水通入生物活性炭濾池，濾池中水溫為l(Tl5°C，pH值為6. 8 7. 2，空床接觸時(shí)間(EBCT)O. 5 I. 5h，氣水比為6 10 1 ；
其中，步驟(I)中卡馬西平富集培養(yǎng)基的成分為1. 5 g KH2P04、0. 15 g MgSO4 7H20、0. 5 g (NH4)2SO4^O. 5 g NaCl,3. 5 g K2HP04、2g 蛋白胨、18g 瓊脂、1.0 mL 微量元素溶液溶于IOOOmL的蒸餾水中，調(diào)節(jié)pH到7.0 ;微量元素的成分為0. I g CuSO4 5H20、0.3g MnSO4 4H20、0. 2 g ZnSO4 7H20、2. 0 g NaHCO3 IOH2O, 0. 5 g CoCl2 6H20、0. 05gCaCl2 2H20、0. 5g FeSO4 7H20、0. 02g (NH4)6Mo7O2 4H20 溶于 IOOOmL 的蒸餾水中。本處理方法的步驟(I)中卡馬西平富集培養(yǎng)基的滅菌條件為121°C，高溫蒸汽滅菌20mino步驟(2)中濾池的菌株水箱中注入液體卡馬西平富集培養(yǎng)基，以10°/Tl5%的接種量投加步驟(I)中的擴(kuò)大培養(yǎng)的CBZ-4菌液，每2d排放1/3體積的菌液，并注入1/3體積新鮮的卡馬西平富集培養(yǎng)基進(jìn)行人工掛膜。步驟(2)中在濾池的菌株水箱中進(jìn)行微曝氣，提供足夠的溶解氧。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了城市污水處理廠二沉池出水的深度處理及卡馬西平藥物的生物降解去除。利用顆?；钚蕴亢蛯?shí)驗(yàn)室分離的卡馬西平降解菌AeytZoffioaas sp. CBZ-4制備生物活性炭濾池，活性炭顆粒不均勻、多孔、高比表面積的特性為菌CBZ-4提供了良好的生物膜載體，使其附著在活性炭表面，使活性炭再生。污水中目標(biāo)降解物及其他有機(jī)物被活性炭吸附，借助濃度梯度，水中和活性炭吸附的有機(jī)物向生物膜擴(kuò)散，加速了有機(jī)物的生物降解。另外，菌CBZ-4所分泌的胞外酶經(jīng)擴(kuò)散進(jìn)入活性炭微孔內(nèi)部，發(fā)生解析作用使活性炭吸附的有機(jī)物擴(kuò)散到活性炭空隙外部被表面的微生物降解。因此，在微生物的作用下，生物活性炭濾池的處理效果好于單純使用活性炭的效果。整個(gè)工藝運(yùn)行簡單、穩(wěn)定，占地少，活性炭使用壽命延長，節(jié)省了運(yùn)行成本，無二次污染。本發(fā)明提供的一種生物活性炭濾池實(shí)現(xiàn)城市污水深度處理的方法還適用于飲用水凈化、焦化廢水、石化廢水的深度處理。生物活性炭濾池穩(wěn)定運(yùn)行后，C0D、氨氮、卡馬西平的平均去除率分別達(dá)到25%以上、35%以上、40%以上，均優(yōu)于僅用活性炭處理的效果。


圖I為生物活性炭濾池進(jìn)、出水中COD含量隨時(shí)間變化情況，〇曲線表示進(jìn)水中COD含量，V曲線表示單純使用活性炭柱的出水中COD含量，O曲線表示生物活性炭柱的出水中COD含量。圖2生物活性炭濾池進(jìn)、出水中氨氮含量隨時(shí)間變化情況，〇曲線表示進(jìn)水中氨氮含量，V曲線表示單純使用活性炭柱的出水中氨氮含量，O曲線表示生物活性炭柱的出水中氨氮含量。圖3生物活性炭濾池進(jìn)、出水中卡馬西平含量隨時(shí)間變化情況，〇曲線表示進(jìn)水中卡馬西平含量，V曲線表示單純使用活性炭柱的出水中卡馬西平含量，O曲線表示生物活性炭柱的出水中卡馬西平含量。圖4為生物活性炭濾池的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1，一種生物活性炭濾池，包括濾池中的活性炭載體1，濾池下部設(shè)有進(jìn)水口 2，上部設(shè)有出水口 3，濾池底部置有曝氣器4，濾池外另設(shè)有菌株水箱5，菌株水箱5中置有曝氣裝置6，所述的菌株水箱5管道連接至濾池的進(jìn)水口 2，濾池的活性炭載體I上掛膜有儀取Pseudomonas sp. CBZ-4,所述的菌株sp. CBZ-4 于 2012 年 3 月 27 日保藏于“中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心”，保藏號CGMCC NO. 5943。實(shí)施例2，一種用生物活性炭濾池實(shí)現(xiàn)城市污水深度處理的方法，按如下步驟進(jìn)行(1)擴(kuò)大培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室篩選的低溫卡馬西平降解菌sp. CBZ-4 (菌種保藏號為CGMCC NO. 5943)。向已滅菌的液體卡馬西平富集培養(yǎng)基(3L)中接種13%的菌CBZ-4，于溫度為10°C、轉(zhuǎn)速為150r/min的搖床中培養(yǎng)5d，獲得擴(kuò)大培養(yǎng)的菌液；(2)掛膜形成活性炭生物濾池采用微生物強(qiáng)化循環(huán)進(jìn)水的人工掛膜方式，擴(kuò)大培養(yǎng)菌液經(jīng)生物活性炭濾池進(jìn)水口以I. 5L/h的進(jìn)水量，上向流的方式回流至菌株水箱中，水體溫度為1(T15°C，并連續(xù)監(jiān)測進(jìn)出水中微生物總量，測定OD66tl,出水OD66tl值逐漸增加，當(dāng)進(jìn)出水OD66tl值相同且連續(xù)幾天運(yùn)行數(shù)值基本無變化，則生物活性炭濾池掛膜成功；(3)掛膜成功后以某城市污水廠二沉池出水為原水，連續(xù)進(jìn)水，額定處理水量為1.8L/h，水力負(fù)荷(HLR)O. 12 m3/(m2 -h),空床接觸時(shí)間(EBCT) 0. 5h，氣水比為6 :1，曝氣量llL/h。步驟(I)中卡馬西平富集培養(yǎng)基的滅菌條件為121°C，高溫蒸汽滅菌20min。步驟(2)中菌株水箱中注入15L液體卡馬西平富集培養(yǎng)基，以10%_15%的接種量投加步驟(I)中擴(kuò)大培養(yǎng)的CBZ-4菌液。每2d排放1/3體積的菌液，并注入1/3體積新鮮的卡馬西平富集培養(yǎng)基進(jìn)行人工掛膜。步驟(2)中在濾池的菌株水箱中進(jìn)行微曝氣，曝氣量為8L/h，提供足夠的溶解氧。本實(shí)施方式步驟(2)中每天取樣測定進(jìn)水、出水中微生物量，用OD66tl進(jìn)行表征。接種量為10%時(shí)，掛膜初期出水OD66tl值低于進(jìn)水OD66tl值，掛膜后期進(jìn)、出水OD66tl值相同，維持在0. 037無明顯變化。接種量為15%時(shí)，進(jìn)出水OD66tl值維持在0. 041無明顯變化?；钚蕴勘韺幽芸吹絼兟涞纳锬ぃ锘钚蕴恐谟猩锬埩?，則證明掛膜成功，整個(gè)掛膜過程持續(xù)15d。水體溫度為10 15oC。本實(shí)施例采用的活性炭濾柱有效高度為0. 25m,活性炭層高度為0. 12m,空塔水流速度0. 12m/h，活性炭柱內(nèi)徑0. 14m，處理面積0. 015m2。生物活性炭濾柱中水溫為l(Tl5 0C,pH 值為 6. 8^7. 2。生物活性炭濾池穩(wěn)定運(yùn)行后，C0D、氨氮、卡馬西平的平均去除率分別達(dá)到26. 7%、35. 3%, 39. 3%o實(shí)施例3，參考實(shí)施例2，改變空床接觸時(shí)間(EBCT) I. 5h，生物活性炭濾池穩(wěn)定運(yùn)行后，C0D、氨氮、卡馬西平的平均去除率分別達(dá)到28. 5%,38. 1%、41. 7%。實(shí)施例4，參考實(shí)施例2，空床接觸時(shí)間(EBCT)O. 5h，改變氣水比10:1，曝氣量18L/h, C0D、氨氮、卡馬西平的平均去除率分別達(dá)到27. 8%,36. 1%、40. 6%。實(shí)施例5，參考實(shí)施例2，空床接觸時(shí)間(EBCT) lh，改變氣水比8:1，曝氣量18L/h，COD、氨氮、卡馬西平的平均去除率分別達(dá)到29. 2%,40. 5%,42. 0%。對比例本實(shí)施方式與具體實(shí)施例2-4不同的是步驟(2)中單純僅使用活性炭柱，不投加菌液CBZ-4，與生物活性炭柱進(jìn)行對比，在相同的運(yùn)行條件下監(jiān)測C0D、氨氮、卡馬西平的去除效果。本實(shí)施方式中C0D、氨氮、卡馬西平的平均去除率分別為22. 8%,24. 5%、21. 9%。本發(fā)明實(shí)施例和比較例中采用固相萃取-高效液相色譜法測定進(jìn)、出水中卡馬西平含量。固相萃取法采用ProElut C18固相萃取小柱，先后用IOmL甲醇、IOmL超純水以15mL/min流量活化固相萃取小柱；取500mL水樣以4mL/min流量注入固相萃取小柱，完成上樣；用2 mL超純水以20mL/min的流量淋洗小柱，重復(fù)淋洗一次；用85%的甲醇以5mL/min的流量洗脫目標(biāo)化合物卡馬西平，接收流出液，氮?dú)獯蹈?，用一定量甲醇回溶，待液相色譜分析。液相色譜條件是采用LC-IOAt vp SHIMADIU (島津)高效液相色譜儀，流動(dòng)相為乙腈水=40 :60 (V/V);色譜柱為 Venusil MP-C18 色譜柱(4. 5 X 150 _，5 Pm);柱溫35°C ;檢測波長285nm ;進(jìn)樣量10 u L ;流速I. OmL/min ;保留時(shí)間8min。
由上可見，本發(fā)明的生物活性炭濾池穩(wěn)定運(yùn)行后，對COD、氨氮、卡馬西平的平均去除率分別達(dá)到25%以上、35%以上、40%以上，均高于比較例中僅使用活性炭柱處理達(dá)到的去除率。證明微生物附著到顆?；钚蕴勘砻?，在有機(jī)物的生物降解中發(fā)揮了重要的作用。
權(quán)利要求
1.一種生物活性炭濾池，包括濾池中的活性炭載體，濾池下部設(shè)有進(jìn)水口，上部設(shè)有出水口，濾池底部置有曝氣器，其特征在于濾池外另設(shè)有菌株水箱，菌株水箱中置有曝氣裝置，所述的菌株水箱管道連接至濾池的進(jìn)水口，濾池的活性炭載體上掛膜有菌株P(guān)seudomonas sp. CBZ-4,所述的菌株sp. CBZ-4 于 2012 年 3 月 27 日保藏于“中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心”，保藏號CGMCC NO. 5943。
2.用權(quán)利要求I所述的生物活性炭濾池進(jìn)行污水深度處理的方法，其特征在于用生物活性炭濾池對城市污水廠二沉池出水進(jìn)行深度處理，按以下步驟進(jìn)行 (1)擴(kuò)大培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室篩選的低溫卡馬西平降解菌sp.CBZ-4:向已滅菌的液體卡馬西平富集培養(yǎng)基中以109^15%的接種量接種菌株CBZ-4，于溫度為10°C、轉(zhuǎn)速為150r/min的搖床中培養(yǎng)5d，獲得擴(kuò)大培養(yǎng)的菌液； (2)掛膜形成活性炭生物濾池采用微生物強(qiáng)化循環(huán)進(jìn)水的人工掛膜方式，濾池外菌株水箱中的擴(kuò)大培養(yǎng)菌液以上向流的方式進(jìn)入生物活性炭濾池，出水回流至菌株水箱中，水體溫度為1(T15°C，并連續(xù)監(jiān)測進(jìn)出水中微生物總量，測定OD66tl，出水OD66tl值逐漸增加，當(dāng)進(jìn)出水OD66tl值相同且連續(xù)幾天運(yùn)行數(shù)值基本無變化，則生物活性炭濾池掛膜成功； (3)掛膜成功后，將含卡馬西平的城市污水廠二沉池出水通入生物活性炭濾池，濾池中水溫為l(Tl5°C，pH值為6. 8 7. 2，空床接觸時(shí)間(EBCT)O. 5 I. 5h，氣水比為6 10 1 ； 其中，步驟(I)中卡馬西平富集培養(yǎng)基的成分為1. 5 g KH2P04、0. 15 g MgSO4 7H20、0. 5 g (NH4)2SO4^O. 5 g NaCl,3. 5 g K2HP04、2g 蛋白胨、18g 瓊脂、1.0 mL 微量元素溶液溶于IOOOmL的蒸餾水中，調(diào)節(jié)pH到7.0 ;微量元素的成分為0. I g CuSO4 5H20、0.3g MnSO4 4H20、0. 2 g ZnSO4 7H20、2. 0 g NaHCO3 IOH2O, 0. 5 g CoCl2 6H20、0. 05gCaCl2 2H20、0. 5g FeSO4 7H20、0. 02g (NH4)6Mo7O2 4H20 溶于 IOOOmL 的蒸餾水中。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(I)中卡馬西平富集培養(yǎng)基的滅菌條件為121°C，高溫蒸汽滅菌20min。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于步驟(2)中濾池的菌株水箱中注入液體卡馬西平富集培養(yǎng)基，以109^15%的接種量投加步驟(I)中的擴(kuò)大培養(yǎng)的CBZ-4菌液，每2d排放1/3體積的菌液，并注入1/3體積新鮮的卡馬西平富集培養(yǎng)基進(jìn)行人工掛膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于步驟(2)中在濾池的菌株水箱中進(jìn)行微曝氣。
全文摘要
一種生物活性炭濾池，屬于污水處理、環(huán)境生物技術(shù)領(lǐng)域，包括濾池中的活性炭載體，濾池下部設(shè)有進(jìn)水口，上部設(shè)有出水口，濾池底部置有曝氣器，濾池外另設(shè)有菌株水箱，菌株水箱中置有曝氣裝置，所述的菌株水箱管道連接至濾池的進(jìn)水口，濾池的活性炭載體上掛膜有菌株P(guān)seudomonassp.CBZ-4，用其對城市污水進(jìn)行深度處理，尤其是對城市污水處理廠二沉池出水中藥品及個(gè)人護(hù)理品(PPCPs)類污染物之一—卡馬西平藥物的吸附、生物降解去除，解決了城市污水處理廠中傳統(tǒng)的污水處理工藝難以有效去除環(huán)境中痕量污染物，尤其在冬季處理效果差等問題。生物活性炭濾池低溫下穩(wěn)定運(yùn)行后，COD、氨氮、卡馬西平的平均去除率分別達(dá)到25%以上、35%以上、40%以上，均優(yōu)于僅用活性炭處理的效果。
文檔編號C02F3/02GK102701436SQ201210193850
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月13日
發(fā)明者崔迪, 龐長瀧, 張斯 , 李昂, 蔡蕊, 邱天, 馬放 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)宜興環(huán)保研究院