一種高do條件下短程硝化反硝化顆粒汙泥的製備方法
2023-05-21 02:36:11
專利名稱：一種高do條件下短程硝化反硝化顆粒汙泥的製備方法
技術領域：
本發明屬於廢水生物處理技術領域，涉及一種高DO條件下短程硝化反硝化顆粒 汙泥的製備方法。
背景技術：
隨著氮素汙染的加劇和人們環境保護意識的增強，廢水脫氮日益受到人們的重 視，其中生物脫氮技術由於其無可比擬的優勢獲得了長足的發展。在目前眾多的汙水脫氮 新技術中，短程硝化反硝化是應用廣泛和發展較快的新技術之一，它是將傳統的硝化反應 控制在亞硝化階段，然後進行反硝化。與傳統硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有以下優 點可節省供氧量約25%，能耗低；節省反硝化碳源約40%，在C/N比一定的情況下能提高 對TN的去除率；減少汙泥生成量約50%;減少硝化過程鹼的需求量；反應時間短，可減少反 應器容積。因此，短程硝化反硝化成為目前汙水生物脫氮技術研究的熱點。短程脫氮得以 實現和穩定維持的關鍵是將硝化過程終止於NO2--N階段，即短程硝化。利用氨氧化菌(亞 硝酸菌)和亞硝酸鹽氧化菌(硝酸菌)在生理特性上的差異，已經形成了諸多實現短程硝 化的控制策略，主要包括高溫、低溶解氧(DO)、高游離氨抑制、實時控制等。其中，控制DO 濃度，使硝化過程控制在NH3+-N氧化為NO2--N階段，是實現亞硝酸鹽積累的重要因素之一。 因此，DO濃度是人們在短程硝化反硝化工藝中最為關注的指標之一。此外，國內外有關研 究表明在常規條件下通過實時控制D0、pH以及氧化還原電位(ORP)等參數可以實現短程硝 化，但是通常用於處理常規生活汙水，雖然實時控制技術容易操作，但是在厭氧階段硝酸鹽 氮的ORP變化拐點以及硝酸鹽氮的pH變化峰點變化不明顯，低C/N比條件下厭氧階段的操 作存在問題。此外，研究表明Ν02_-Ν的累積通常伴隨著大量N2O的產生，尤其在短程硝化脫氮工 藝中。N2O是一種很重要的溫室氣體，其溫室效應是CO2的300倍左右；同時，它也會破壞臭 氧層，從而對環境產生嚴重影響，導致N2O釋放的最主要因素是低DO濃度和高NO2--N濃度。 而這兩個正是通常用來實現短程硝化過程的最主要特徵，因此控制DO實現短程硝化存在 釋放大量N2O的潛在危害。好氧顆粒汙泥是微生物固定化技術的一種特殊形式，是從上世紀九十年代以來開 始興起的一種新型的廢水生物處理技術，被認為是目前最有前途的汙水處理工藝之一。與 傳統的活性汙泥法相比，好氧顆粒汙泥沉降性能更好，汙泥濃度更高，更加能適應廢水水質 的突然變化；可使反應器中保持較高的容積負荷，並可大大縮小或省去二次沉澱池，減少汙 水處理系統的容積和佔地面積，降低投資和運行成本；好氧顆粒汙泥的分層結構使其具有 微生物菌群的多樣性，在降解有機碳的同時，具有同時脫氮除磷的功能。此外，顆粒汙泥具 有特殊的微生物結構和空間結構，即使在高DO條件下也可以同時具備厭氧區和好氧區，從 而實現異養微生物、硝化細菌和反硝化細菌在不同顆粒層同時存在；而且高DO濃度也有利 於減少N2O的釋放。直接在高濃度NH4+-N條件下製備顆粒汙泥，存在高濃度游離氨的抑制作用，從而影響微生物的活性以及好氧顆粒化的發生。分子態游離NH3對亞硝酸菌和硝酸菌都有抑制 作用，但對硝酸菌更加敏感。已有研究表明，游離氨對硝酸菌和亞硝酸菌的抑制濃度分別 0. 1 1. Omg/L和10 150mg/L。當游離氨的濃度介於兩者之間時，亞硝酸菌能夠正常增 殖和氧化，硝酸菌被抑制，就會發生亞硝酸的積累。因而，通過逐步提高氨氮選擇壓的方法， 可以逐步提高游離氨的選擇作用，從而逐步淘汰硝酸菌，同時可以避免高濃度游離氨的抑 製作用，並能使形成的好氧顆粒汙泥在實現亞硝酸鹽富集的同時具有較高的反硝化能力和 異養菌活性。綜合考慮短程硝化脫氮和N2O的釋放問題，尋找一種高DO濃度條件下製備短程硝 化反硝化顆粒汙泥以去除高濃度氨氮的方法就顯得尤為重要。
發明內容
本發明的目的是在高DO濃度下製備得到一種處理高氨氮廢水的短程硝化反硝化 顆粒汙泥。本發明的技術方案是在高DO濃度下通過逐步提高底物NH4+-N濃度的策略製備亞 硝化細菌和反硝化菌大量富集的好氧短程硝化反硝化顆粒汙泥。具體步驟如下
一種高DO條件下短程硝化反硝化顆粒汙泥的製備方法，在高DO濃度下通過逐步 提高底物nh4+-N濃度，製備出亞硝化細菌和反硝化菌大量富集的好氧短程硝化反硝化顆粒 汙泥。具體步驟如下(1)選取市政廢水處理廠的活性汙泥注入序批式間歇反應器，循環時間為4h 其 中進水6min，出水4min ；厭氧攪拌Ih ；沉降時間隨著顆粒汙泥的形成和沉降性能的改善逐 漸縮短，由16min逐漸遞減至2min ；其餘為曝氣時間；(2)反應器在20 30°C室溫下運行，pH值在7. 5 8. 5之間，曝氣量控制在 0. 3cm/s，保持DO濃度為8mg/L左右；(3)將含有有機物和氨氮的廢水從反應器底部泵入，進水方式為間歇式，進水底物 COD為500mg/L，加入氯化銨，最初底物NH4+_N濃度為50mg/L，經過一個周期，出水由反應器 中部排出，水力停留時間8h;(4)監測出水中的NH4+-N、N02--N以及NO3--N濃度，當NH4+_N去除率達到98%以上 並能穩定三天以上的時間，同時NO2--N濃度下降、NO3--N濃度升高，即可提高底物NH/-N至 下一濃度，每次提高值在50mg/L，按照上述方法，最終將底物NH/-N濃度提高至350mg/L，穩 定運行一段時間後，在反應器內獲得短程硝化反硝化顆粒汙泥。短程硝化反硝化顆粒汙泥為淡黃色球形顆粒，直徑0. 8mm，其中的微生物以球菌和 杆狀菌為主，亞硝酸菌主要分布在顆粒外部，在顆粒內部含有極少的硝酸菌。本發明的效果和益處(1)在序批式反應器(SBR)中，在高DO濃度條件下製備得到一種處理高氨氮廢水 的短程硝化反硝化顆粒汙泥。形成的顆粒汙泥具有較高的亞硝酸鹽累積能力、反硝化能力 和異養菌活性。(2)亞硝酸菌的大量富集抑制了絲狀菌的生長，形成的短程硝化反硝化顆粒汙泥 以桿菌和球菌為主，絲狀菌含量極少，顆粒結構緊湊、穩定性能良好。(3)在SBR反應器中DO濃度較高(曝氣階段達8mg/L左右)，因而並沒有因為NO2--N的累積而提高N2O的釋放量。
四
圖1為本發明採用序批式間歇反應器製備短程硝化反硝化顆粒汙泥方法的示意圖。圖中1為進水箱；2為蠕動泵；3為曝氣頭；4為氣泵；5為氣體流量計；6為電磁閥；7 為雙時間繼電器；8為攪拌器；9為出水箱；10為溢流口。
五具體實施例方式以下通過實施例對本發明的內容進一步詳細地加以說明。實施例1 具體步驟如下(1)將未經馴化的市政廢水處理廠的活性汙泥接種注入序批式間歇反應器中。序 批式間歇反應器有效容積3. 5L，外管直徑10. 0cm，高55cm，如圖1所示。(2)空氣由氣泵4通過反應器底部中央安裝的一個微孔曝氣頭3進入反應器，形 成的氣流使反應器內液體和顆粒汙泥混合均勻。通過蠕動泵2在反應器底部進水，由電磁 閥6控制出水，排水口在反應器底部高25cm處，體積交換率為50%，反應器在室溫(20 30 0C )下運行。(3)反應器的進水、攪拌、曝氣、沉降和排水時間均由雙時間繼電器7自動控制。循 環時間為4h，其中進水6min，出水4min，厭氧攪拌lh，沉降時間從16min逐漸減到2min，待 顆粒汙泥成熟後由於其具有出色的沉降性能，將沉降時間保持在2min，其餘為曝氣時間。反 應器的曝氣量為0. 3m3/h,使DO濃度維持在8mg/L左右。(4)進水COD濃度(由葡萄糖、乙酸鈉提供)為500mg/L，初始NH4+_N濃度(由氯 化銨提供)為50mg/L，pH值保持在7. 5 8. 5範圍內。監測出水中的ΝΗ4+_Ν、Ν02__Ν以及 NO3--N濃度，當NH4+-N去除率達到98%以上並能穩定三天以上的時間，同時NO2--N濃度下 降、Ν03_-Ν濃度升高，即可提高底物NH/-N至下一濃度，每次提高值在50mg/L。按照此方法， 最終將底物NH4+-N濃度提高至350mg/L。反應器於第40天開始出現細小的顆粒汙泥；第60天時反應器中基本由顆粒汙泥 組成，絮狀汙泥極少；反應器運行穩定。形成的顆粒粒徑在0.8mm左右，顆粒汙泥以桿菌和 球菌為主，絲狀菌含量極少，顆粒結構緊湊、穩定性能良好。其中，氨氧化細菌(亞硝酸菌) 佔總菌的60%，分布在顆粒表層；亞硝酸鹽氧化菌(硝酸菌)只佔總菌的3%，分布在顆粒 內部。實施例2 具體步驟如下(1)將培養得到的短程硝化反硝化顆粒汙泥注入序批式間歇反應器中。序批式間 歇反應器有效容積3. 5L，外管直徑10cm，高55cm。(2)空氣由氣泵4通過反應器底部中央安裝的一個微孔曝氣頭3進入反應器，通過 蠕動泵2在反應器底部進水，由電磁閥6控制出水，排水口在反應器底部高25cm處，體積交 換率為50%。(3)反應器的進水、攪拌、曝氣、沉降和排水時間均由雙時間繼電器7自動控制。循環時間為4h，其中進水6min，出水4min，厭氧攪拌lh，曝氣2h48min，沉降2min。反應器曝 氣量為0. 3m3/h,使DO濃度維持在8mg/L左右。(4)進水 COD 濃度為 400mg/L，NH4+_N 為 200mg/L，NO2^-N 為 80mg/L，pH 值保持在 7. 5 8. 5範圍內，反應器在室溫下運行。於不同時間間隔取樣，取水樣測NH4+-N、NO2--N, NO3--N以及C0D，取氣體測N2O釋放量。厭氧階段COD由410mg/L降至170mg/L，而79. 4mg/L亞硝氮在厭氧攪拌30min後即降至1.5mg/L，說明顆粒具有很好的反硝化能力(ΔΝ/At = 156mg N L-l·1)。曝氣結束 時NH4+-N去除率高達98%，N02_-N累積達到128. 3mg/L，而Ν03__Ν僅為10. 6mg/L，表明顆粒 具有很好的短程硝化能力。此外，N2O總釋放量為13. 19mg/L,佔進水總氮的4. 71%，同時， 出水COD濃度低於40mg/L，去除率高於90%。結果表明，本發明製得的顆粒汙泥具有良好 的短程硝化反硝化和去除COD的能力，同時亞硝酸鹽累積過程並未增加N2O的釋放。
權利要求
一種高DO條件下短程硝化反硝化顆粒汙泥的製備方法，其特徵在於在高DO濃度下通過逐步提高底物NH4+-N濃度，製備出亞硝化細菌和反硝化菌大量富集的好氧短程硝化反硝化顆粒汙泥。具體步驟如下(1)選取市政廢水處理廠的活性汙泥注入序批式間歇反應器，循環時間為4h其中進水6min，出水4min；厭氧攪拌1h；沉降時間隨著顆粒汙泥的形成和沉降性能的改善逐漸縮短，由16min逐漸遞減至2min；其餘為曝氣時間；(2)反應器在20～30℃室溫下運行，pH值在7.5～8.5之間，曝氣量控制在0.3cm/s，保持DO濃度為8mg/L左右；(3)將含有有機物和氨氮的廢水從反應器底部泵入，進水方式為間歇式，進水底物COD為500mg/L，加入氯化銨，最初底物NH4+-N濃度為50mg/L，經過一個周期，出水由反應器中部排出，水力停留時間8h；(4)監測出水中的NH4+-N、NO2--N以及NO3--N濃度，當NH4+-N去除率達到98％以上並能穩定三天以上的時間，同時NO2--N濃度下降、NO3--N濃度升高，即可提高底物NH4+-N至下一濃度，每次提高值在50mg/L，按照上述方法，最終將底物NH4+-N濃度提高至350mg/L，穩定運行一段時間後，在反應器內獲得短程硝化反硝化顆粒汙泥。
2.根據權利要求1所述的一種高DO條件下短程硝化反硝化顆粒汙泥的製備方法，其特 徵在於短程硝化反硝化顆粒汙泥為淡黃色球形顆粒，直徑0. 8mm，其中的微生物以球菌和杆 狀菌為主，亞硝酸菌主要分布在顆粒外部，在顆粒內部含有極少的硝酸菌。
全文摘要
本發明提出的一種高DO條件下短程硝化反硝化顆粒汙泥的製備方法，屬於廢水生物處理技術領域。本發明的短程硝化反硝化顆粒汙泥，以桿菌和球菌為主，具有較高的亞硝酸鹽累積能力、反硝化能力和異養菌活性，可以避免高NH4+-N選擇富集亞硝化細菌時帶來的游離氨抑制問題，在高DO條件下，實現短程硝化的同時不會增加短程硝化過程N2O的釋放。該方法製備的短程硝化反硝化顆粒汙泥，顆粒結構緊湊、穩定性能良好，適合處理低COD高NH4+-N廢水，能夠確保短程硝化反硝化顆粒汙泥在實際廢水處理中的應用。
文檔編號C02F3/30GK101830560SQ20101017196
公開日2010年9月15日 申請日期2010年5月14日 優先權日2010年5月14日
發明者於海波, 刁目賀, 王新華, 王曙光, 石義靜, 祁振, 高明明 申請人:山東大學