CN103214087A - 一种利用好氧颗粒污泥富集化学磷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于废水处理与磷资源回收领域，涉及一种利用好氧颗粒污泥富集化学磷的方法。该方法包括如下步骤：（1）将沉淀浓缩后的絮状污泥接种到序批式反应器中，然后向序批式反应器进水，连续曝气驯化污泥结束后沉淀，排出上清液至反应器出水口处；（2）进水；（3）曝气；（4）沉淀；（5）排水；（6）闲置；（7）重复步骤（2）-（6），得到高富磷好氧颗粒污泥。本发明的富集化学磷的好氧颗粒污泥具有极好的沉降性能，颗粒粒径和比重大，同时脱氮除碳效果好，在实际工程中能降低污水处理厂的基建费用，且工艺简单。

Description

一种利用好氧颗粒污泥富集化学磷的方法

技术领域

本发明属于废水处理与磷资源回收领域，涉及一种利用好氧颗粒污泥富集化学磷的方法。

背景技术

磷是动植物生长不可缺少的无机营养元素，在生物体原生质的组成和新陈代谢中起到了重要作用。磷矿石作为一种不可再生的资源正在变得越来越稀缺，开采的代价也越来越高。发表在Nature杂志上的一篇文章《正在消失的营养元素》（Environment：The disappearingnutrient,2009年，Nature）中提到，全球总磷储量在数量上还可以维持人类再使用上百年的时间，但依靠现在的开采技术，可经济开采出的磷矿实际上只有50年左右的使用时间！与磷资源危机日益严重相矛盾的是，水体中磷含量过高。水体中过量的磷可以引发水体的富营养化，导致水生生物特别是藻类大量繁殖，使生物的种群种类数量发生变化，破坏水体生态平衡。中国环保部公布的2011年中国环境状况公报中指出：中国目前湖泊（水库）富营养化问题突出，中营养状态、轻度富营养状态和中度富营养状态的湖泊（水库）比例分别为46.2%、46.1%和7.7%。

好氧颗粒污泥是微生物的自凝聚过程，相比于传统的活性污泥，具有规则、密实的外形结构和良好的沉降性能。同时，好氧颗粒污泥还具有较高的污泥浓度，较长的污泥停留时间，是废水处理的一种新型技术。Mishima和Nakamura在1991年最先报道了好氧颗粒污泥，Heijnen和van Loosdrecht在1998年申请了好氧颗粒污泥的专利。目前，已有培养脱氮除磷的好氧颗粒污泥专利，但是没有从磷回收的角度利用好氧颗粒污泥富集磷的专利。Yilmaz、De Kreuk、van Loosdrecht等文献均报道了好氧颗粒污泥中化学磷沉淀过程，Angela通过X-RayDiffusion(XRD)、Raman Spectroscopy和Scanning Electron Microscopy–Energy dispersivespectrum(SEM-EDS)直接证明了好氧颗粒污泥中化学磷的存在，但是都没有从磷回收的角度，利用好氧颗粒污泥富集回收磷资源。因此，实现好氧颗粒污泥化学磷的富集，形成富集化学磷的好氧颗粒污泥有助于磷资源的回收利用，对已成为战略资源的磷来说具有非常重要的现实意义和经济价值。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种利用好氧颗粒污泥富集化学磷的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种利用好氧颗粒污泥富集化学磷的方法，包括如下步骤：

（1）接种、连续曝气

将沉淀浓缩后的絮状污泥接种到序批式反应器中，然后向序批式反应器进水，连续曝气驯化污泥，连续曝气结束后沉淀，排出上清液至反应器出水口处；

（2）进水

采用蠕动泵向序批式反应器进水；

（3）曝气

通过空气压缩机将空气由反应器底部的微孔曝气头定量充入，对序批式反应器中的污泥进行曝气充氧并保证污泥混合均匀；

（4）沉淀

曝气结束后，使反应器静置，进入泥水分离的沉淀阶段；

（5）排水

沉淀阶段结束后，序批式反应器进行排水操作，此时序批式反应器中出水口之上的处理水在2-5min通过出水口排出反应器外；

（6）闲置

排水结束后，关闭出水口阀门，此时反应器不进行任何操作，即进入闲置阶段；闲置时间为反应器排水结束至下一周期进水的间隔时间；

（7）重复步骤（2）-（6），得到高富磷好氧颗粒污泥。

所述的步骤（1）中，污泥取自城镇污水处理厂曝气池末端的絮状污泥，接种进水后维持序批式反应器的污泥浓度范围在900-2500mg/L之间。

所述的步骤（1）中，进水至反应器工作体积7L处,序批式反应器总体积为9L。

所述的步骤（1）中，在室温下连续曝气12-24h；沉淀时间1-2h。

所述的步骤（1）或（2）中，进水为人工配水，人工配水水质参数取值范围为：COD含量为400-800mg/L，NH₄Cl含量为80-230mg/L，KH₂PO₄含量为45-155mg/L，Ca²⁺含量为35-80mg/L，Mg²⁺含量为20-50mg/L，微量元素：FeCl₃·6H₂O为1.5mg/L，H₃BO₃为0.15mg/L，CuSO₄·5H₂O为0.03mg/L，KI为0.18mg/L，MnCl₂·4H₂O为0.12mg/L，Na₂MoO₄·2H₂O为0.06mg/L，ZnSO₄·7H₂O为0.12mg/L，CoCl₂·6H₂O为0.15mg/L。

所述的步骤（2）中，进水水温为15-30℃，进水水量为反应器工作体积的30-70%，进水时间为4-20min；进水口设置在反应器底部10cm左右处。

所述的步骤（3）中，曝气时维持反应器内表面气速1.0-3.0cm/s，曝气时间为120-240min，曝气温度为15-30℃。

所述的步骤（4）中，泥水分离的沉淀时间从初始的30min开始，每3-12个周期降低沉淀时间1-5min，最终降至2-10min。

所述的序批式反应器呈圆柱状，其高径比为6-15，充水比为30-70%。

所述的步骤（2）进水完毕后还可进行搅拌操作，在好氧颗粒污泥形成阶段，钙镁离子浓度取范围的上限值，促进污泥颗粒化；在好氧颗粒污泥形成后，钙镁离子浓度可取范围的下限值，颗粒污泥较长的污泥龄和表面丰富的丝状菌能富集化学磷沉淀，使其比絮状污泥具有更高的富磷率。

所述的步骤（6）的闲置时间为5-55min。

重复步骤（2）-（6）一次为一个周期；一个周期的运行时间为3-8h；

所述的步骤（7）中，每天运行3-8个周期，培养20-80天。

所述的步骤（7）中，步骤（2）-（6）的周期运行时间为3-8h，每天运行3-8个周期，培养20-80天；即可培养出高富磷好氧颗粒污泥。

所述的步骤（7）得到的高富磷好氧颗粒污泥，为淡黄色球形或椭球形颗粒，直径为0.9-3mm，比重为1.034-1.183，沉降速度为30-130m/h；其中颗粒表面主要以丝状菌为主并包裹了较多的化学磷晶体，颗粒内部由球菌、杆菌和少量丝状菌组成。XRD的分析结果表明这些化学磷晶体主要是白磷钙石Whitlockite(Ca₃(PO₄)₂)，同时还有少量其它形式的钙磷晶体沉淀，

本方法在颗粒化过程中微生物的自凝聚和丝状菌捕获化学磷沉淀等作用提高了污泥的比重，获得了沉降性能良好的好氧颗粒污泥。较长的污泥停留时间和较多的丝状菌使得化学磷能够大量积累而形成高富磷的好氧颗粒污泥，其污泥的富磷率可达5-18%（以MLSS计）。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的富集化学磷的好氧颗粒污泥具有极好的沉降性能，颗粒粒径和比重大，同时脱氮除碳效果好，在实际工程中能降低污水处理厂的基建费用。

（2）本发明的富集化学磷的好氧颗粒污泥工艺简单，运行稳定，同时相比于生物除磷而言，化学磷沉淀更为稳定，不会出现厌氧磷释出的现象，便于输送和处理。

（3）本发明的富集化学磷的好氧颗粒污泥具有较高的富磷率，其富磷率可达5-18%（以MLSS计），较高的富磷率为后续磷资源的回收利用奠定了极好的基础。

附图说明

图1为本发明实施例中的序批式反应器示意图。

图2为本发明实施例培养出的富集化学磷的好氧颗粒污泥的SEM图，其中图（A）是高富磷好氧颗粒污泥的形貌图；图（B）是高富磷好氧颗粒污泥表面被丝状菌包裹的化学磷晶体。

图3为本发明实施例培养出的高富磷好氧颗粒污泥样品XRD衍射图与Ca₃(PO₄)₂标准谱图的对比。

附图标注：

1进水蠕动泵，    2搅拌桨，

3空气压缩机，    4空气管，

5转子流量计，    6微孔曝气头，

7电磁阀，        8时间控制器，

9取样口，        10有机玻璃柱体。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的内容进一步详细地加以说明。

实施例1

本实施例中一种富集化学磷的好氧颗粒污泥法采用一个高径比为9的序批式反应器(SBR)，如图1所示：反应器主体由有机玻璃组成，反应器总体积为9L，工作体积为7L；反应器的底部装有微孔曝气头6，采用空气管4与外部空气压缩机3连接，曝气量由转子流量计5调节，搅拌通过搅拌桨2实现，反应器通过电磁阀7排水，通过进水泵1进水，整套工艺在时间控制器8控制下自动运行。

本案例中采用上述SBR培养一种富集化学磷的好氧颗粒污泥的操作过程如下：

（1）接种某污水处理厂曝气池末端的絮状污泥，经沉淀浓缩后接种2.5L至反应器中，加入人工配制的进水至反应器工作体积7L处（序批式反应器总体积为9L），维持此时的污泥浓度为1000mg/L，连续曝气驯化污泥24h后沉淀2h，排出上清液至反应器出水口处；

（2）进水

采用人工配水，配水水质：COD为600mg/L，NH₄Cl为115mg/L，KH₂PO₄为153.5mg/L，Ca²⁺为35-80mg/L，Mg²⁺为30-50mg/L，微量元素：FeCl₃·6H₂O为1.5mg/L，H₃BO₃为0.15mg/L，CuSO₄·5H₂O为0.03mg/L，KI为0.18mg/L，MnCl₂·4H₂O为0.12mg/L，Na₂MoO₄·2H₂O为0.06mg/L，ZnSO₄·7H₂O为0.12mg/L，CoCl₂·6H₂O为0.15mg/L。进水水温控制在25±2℃，进水水量为反应器工作体积的50%，进水时间为4min；

（3）搅拌，采用搅拌桨搅拌120min，搅拌速度为60-80rpm，使污泥混合均匀；

（4）采用空气压缩机，通过反应器底部的微孔曝气头对污泥进行曝气，曝气时间为180min，表面气速维持在1.70-2.12cm/s，曝气阶段反应器温度在25±2℃之间；

（5）沉淀，泥水分离的沉淀时间从初始的30min开始，每3-12个周期降低沉降时间1-5min，最终降低至2-10min；

（6）出水阶段，序批式反应器出水口之上的处理水通过出水口排出反应器外，出水时间设置为2min；

（7）闲置，此时反应器不进行任何操作，等待下一周期的进水操作，闲置时间为24-52min；

（8）重复步骤（2）-（7），其周期运行时间为6h，一天运行4个周期，培养40-50d即可培养出富集化学磷的好氧颗粒污泥。

培养过程中污泥沉降性能显著增加，至27d，反应器的MLSS为3866mg/L，MLVSS为1939mg/L，MLVSS/MLSS为50.2%，污泥的SVI₅为51.7mL/g，SVI₃₀为46.6mL/g，污泥富磷率为9.7%，反应器中出现部分细小颗粒污泥粒子，显微镜下观察可看到表面有较多的丝状菌。此时，反应器进水的Ca²⁺由原来的80mg/L降低至35mg/L，Mg²⁺由原来的50mg/L降低至30mg/L，培养至52天污泥富磷率为12.5%，此时大部分颗粒的直径已达2mm左右，显微镜下可观察到颗粒表面有较多的丝状菌。进水钙镁离子的降低并没有使污泥的富磷率下降，这表明好氧颗粒污泥能够积累化学磷沉淀。至87d，MLSS为4514mg/L，MLVSS为2967mg/L，MLVSS/MLSS为65.7%，SVI₅为44.3mL/g，SVI₃₀为42.1mL/g，污泥富磷率高达15%，颗粒直径为2.5mm，颗粒比重为1.082（接种污泥为1.006），颗粒沉降速度为61m/h（接种污泥为7m/h），富集化学磷的好氧颗粒污泥完全形成，其对COD、NH₄ ⁺-N和TN的去除率分别可达92%，87%和79%。运行第90d的富集化学磷的好氧颗粒污泥形貌特性见图2，其中附图2（A）是上述方法培养出的高富磷好氧颗粒污泥的外观电镜图，附图2（B）是高富磷好氧颗粒污泥表面被丝状菌包裹的化学磷晶体的电镜图。由附图2（A）和2（B）可见，所培养出的高富磷好氧颗粒污泥表面主要以丝状菌为主，并包裹了较多的化学磷晶体，颗粒内部由球菌、杆菌和少量丝状菌组成。附图3的XRD测试结果可以看出，高富磷好氧颗粒污泥样品XRD衍射图与白磷钙石Whitlockite(Ca₃(PO₄)₂)标准谱图的匹配较好，表明富集在好氧颗粒污泥上的化学磷晶体主要是白磷钙石Whitlockite(Ca₃(PO₄)₂)。

实施例2

本实施例中所用的反应器同实施例1，具体操作过程如下：

（1）接种某污水处理厂曝气池末端的絮状污泥，经沉淀浓缩后接种2.5L至反应器中，加入人工配制的进水至反应器工作体积7L处（序批式反应器总体积为9L），维持此时的污泥浓度为1000mg/L，连续曝气驯化污泥24h后沉淀2h，排出上清液至反应器出水口处；

（2）进水，

进水水质采用人工配水，配水水质为：COD为600mg/L，NH₄Cl为115mg/L，KH₂PO₄为43.9-87.8mg/L，Ca²⁺为60mg/L，Mg²⁺为20-30mg/L，微量元素：FeCl₃·6H₂O为1.5mg/L，H₃BO₃为0.15mg/L，CuSO₄·5H₂O为0.03mg/L，KI为0.18mg/L，MnCl₂·4H₂O为0.12mg/L，Na₂MoO₄·2H₂O为0.06mg/L，ZnSO₄·7H₂O为0.12mg/L，CoCl₂·6H₂O为0.15mg/L。进水水温控制在25±2℃，进水水量为反应器工作体积的50%，进水时间为4min；

（3）采用空气压缩机，通过反应器底部的微孔曝气头对污泥进行曝气，曝气时间为130min，表面气速维持在1.27-1.70cm/s，曝气阶段反应器温度在25±2℃之间；

（4）沉淀，泥水分离的沉淀时间从初始的30min开始，每3-12个周期降低沉降时间1-5min，最终降低至2-10min；

（5）出水阶段，序批式反应器出水口之上的处理水通过出水口排出反应器外，出水时间设置为2min；

（6）闲置，此时反应器不进行任何操作，等待下一周期的进水操作，闲置时间为14-42min；

（7）重复步骤（2）-（6），其周期运行时间为3h，一天运行8个周期，培养30-40d即可培养出富集化学磷的好氧颗粒污泥。

试验运行15d后将进水P-PO₄ ^3-浓度由原来的20mg/L降低至10mg/L，Mg²⁺由原来的30mg/L降低至20mg/L，钙离子浓度维持不变，运行34d后SBR中的污泥基本以好氧颗粒污泥为主，直径在2mm左右,颗粒比重为1.042（接种污泥为1.006），颗粒沉降速度为43m/h（接种污泥为7m/h），颗粒外观性状与实施例1相似。运行42d好氧颗粒污泥富磷率即达5%，表明采用富集化学磷的好氧颗粒污泥法培养出来的好氧颗粒污泥能够积累化学磷，提高污泥的富磷率，为后续磷回收提供基础。常规的活性污泥法产生的剩余污泥中一般富磷率为1.5-2.3%（以MLSS计），生物除磷工艺的剩余污泥富磷率更高，但也仅为3-7%（以MLSS计）[王建龙，文湘华.现代环境生物技术，清华大学出版社，2001.238页]。Lin等在Developmentcharacteristics of phosphorus-accumulating microbial granules in sequencing batch reactor一文中指出当进水P-PO₄ ^3-浓度为50mg/L时，培养出的除磷好氧颗粒污泥的富磷率为9.3%。而本方法培养出的高富磷好氧颗粒污泥的富磷率为5-18%。实施例1中进水P-PO₄ ^3-浓度为35mg/L时，高富磷好氧颗粒污泥的富磷率达15%，远高于现有技术中污泥富磷率。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用好氧颗粒污泥富集化学磷的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）接种、连续曝气

将沉淀浓缩后的絮状污泥接种到序批式反应器中，然后向序批式反应器进水，连续曝气驯化污泥，连续曝气结束后沉淀，排出上清液至反应器出水口处；

（2）进水

采用蠕动泵向序批式反应器进水；

（3）曝气

通过空气压缩机将空气由反应器底部的微孔曝气头定量充入，对序批式反应器中的污泥进行曝气充氧并保证污泥混合均匀；

（4）沉淀

曝气结束后，使反应器静置，进入泥水分离的沉淀阶段；

（5）排水

沉淀阶段结束后，序批式反应器进行排水操作，此时序批式反应器中出水口之上的处理水在2-5min通过出水口排出反应器外；

（6）闲置

排水结束后，关闭出水口阀门，此时反应器不进行任何操作，即进入闲置阶段；闲置时间为反应器排水结束至下一周期进水的间隔时间；

（7）重复步骤（2）-（6），得到高富磷好氧颗粒污泥。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，污泥取自城镇污水处理厂曝气池末端的絮状污泥，接种进水后维持序批式反应器的污泥浓度范围在900-2500mg/L之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（1）中，进水至反应器工作体积7L处,序批式反应器总体积为9L；

或所述的步骤（1）中，在室温下连续曝气12-24h；

或所述的步骤（1）中沉淀时间为1-2h。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（1）或（2）中，进水为人工配水，人工配水水质参数取值范围为：COD含量为400-800mg/L，NH₄Cl含量为80-230mg/L，KH₂PO₄含量为45-155mg/L，Ca²⁺含量为35-80mg/L，Mg²⁺含量为20-50mg/L，微量元素：FeCl₃·6H₂O为1.5mg/L，H₃BO₃为0.15mg/L，CuSO₄·5H₂O为0.03mg/L，KI为0.18mg/L，MnCl₂·4H₂O为0.12mg/L，Na₂MoO₄·2H₂O为0.06mg/L，ZnSO₄·7H₂O为0.12mg/L，CoCl₂·6H₂O为0.15mg/L。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（2）中，进水水温为15-30℃，进水水量为反应器工作体积的30-70%，进水时间为4-20min；

或所述的进水口设置在反应器底部10cm处；

或所述的步骤（2）进水完毕后还进行搅拌操作。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，曝气时维持反应器内表面气速1.0-3.0cm/s，曝气时间为120-240min，曝气温度为15-30℃；

或所述的步骤（4）中，泥水分离的沉淀时间从初始的30min开始，每3-12个周期降低沉淀时间1-5min，最终降至2-10min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的序批式反应器呈圆柱状，其高径比为6-15，充水比为30-70%。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的步骤（6）的闲置时间为5-55min。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：重复步骤（2）-（6）一次为一个周期；一个周期的运行时间为3-8h；

或所述的步骤（7）中，每天运行3-8个周期，培养20-80天。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的高富磷好氧颗粒污泥的富磷率为5-18%；

或所述的步骤（7）高富磷好氧颗粒污泥为淡黄色球形或椭球形颗粒，直径为0.9-3mm，比重为1.034-1.183，沉降速度为30-130m/h。

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