CN103241916A - 污泥发酵耦合反硝化过程实现亚硝酸盐最大积累的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污泥发酵耦合反硝化过程实现反硝化亚硝酸盐最大积累的方法。本方法通过接种污泥发酵耦合反硝化系统污泥实现反硝化过程亚硝酸盐最大积累，具体包括以下步骤：以污泥发酵耦合反硝化反应器中的活性污泥为接种污泥，维持进水后混合液污泥浓度MLSS在1500～3000mg/L；投加污泥发酵上清液作为反硝化碳源，控制投加后SCOD/NO₃ ^--N在2.8～4.5之间，通过监测反硝化过程pH值变化曲线停止缺氧搅拌以中止反硝化反应，最终实现硝酸盐到亚硝酸盐的转变。本方法容易控制，操作简单，出水中亚硝酸盐积累率达到80%～95%，可以作为厌氧氨氧化反应电子受体来源，同时减少了外碳源投加费用，并实现污泥减量化。

Description

污泥发酵耦合反硝化过程实现亚硝酸盐最大积累的方法

技术领域

本发明涉及一种污泥发酵耦合反硝化过程实现亚硝酸盐最大积累的方法，属于污水生物处理技术领域。具体是接种一种长期处于交替厌氧/缺氧环境下的污泥发酵耦合反硝化系统污泥，利用污泥发酵液中的短链脂肪酸为碳源，通过控制反硝化过程中发酵液的投加量及监测反应过程中pH的变化来实现亚硝酸盐的最大积累。本方法适用于通过厌氧氨氧化技术对含有大量硝酸盐氮废水的深度脱氮。

背景技术

由于水体氮磷污染引起的水体富营养化问题严峻，为了满足日益严格的污水排放标准，污水脱氮除磷技术的研发和应用仍是水处理领域的重点问题。传统生物脱氮工艺主要是通过时间和空间上的好氧、缺氧实现硝化、反硝化，首先好氧条件下NH₄ ⁺以O₂为电子受体转化为NO₃ ^-，然后在缺氧条件下NO₃ ^-利用有机物为电子供体还原为N₂从水中去除，从而达到脱氮的目的。然而传统生物脱氮工艺存在能耗较大、处理效果不理想等不足，目前开发高效、经济、低能耗的处理工艺成为污水脱氮除磷工作研究的重点。

基于传统脱氮除磷工艺存在的问题及原理，厌氧氨氧化工艺是在缺氧条件下，微生物以NH₄ ⁺-N为电子供体将NO₂ ^--N还原为N₂的过程，反应过程不需要外加碳源，节省曝气能耗，是目前经济高效的新型生物脱氮技术。厌氧氨氧化需要亚硝酸盐作为电子受体，而亚硝酸盐在一般污水中较难获得，需要从其它形式含氮化合物转化而来，因此获得稳定的亚硝酸盐积累是厌氧氨氧化工艺成功应用的前提。

获得亚硝酸盐主要有一下两种方式：

1）短程硝化，将NH₄ ⁺氧化为NO₂ ^-： ${\mathrm{NH}}_4^{+}+{1.5O}_2\→{\mathrm{NO}}_2^{-}+H_{2}O+{2H}^{+};$

2）NO₃ ^-反硝化产生NO₂ ^-积累： ${\mathrm{NO}}_3^{-}+{2e}^{-}+{2H}^{+}\→{\mathrm{NO}}_2^{-}+H_{2}O.$

短程硝化主要通过控制溶解氧、温度、pH或游离氨的抑制作用实现，其技术原理是利用氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌在不同条件下的生长速率不同，控制系统运行参数使亚硝酸盐氧化菌逐渐被淘汰，氨氧化细菌为优势菌种。目前短程硝化-厌氧氨氧化工艺已有应用实例，如SHARON工艺。但该方法存在启动时间长，控制过程较复杂，而且亚硝积累不稳定等不足，也是限制其大规模应用的主要因素。

反硝化过程以有机碳源为电子供体，经过NO₃ ^-→NO₂ ^-→N₂两个过程，最终去除污水中的氮素以氮气形式被去除，控制不同操作条件可以实现反硝化过程中亚硝酸盐的积累。此外，剩余污泥中含有大量有机物，通过厌氧发酵能够产生短链脂肪酸，可作为有机碳源被反硝化菌利用。为此，考虑通过控制反硝化过程获得亚硝酸盐积累，为厌氧氨氧化反应提供电子受体，并充分利用污水处理厂自身排放的剩余污泥进行发酵产生碳源，节省外加碳源的投资及运行费用，对含有大量硝酸盐氮废水（城市污水处理厂二级处理出水、高氨氮废水经厌氧氨氧化工艺处理后的出水等）进行深度脱氮的应用提供了重要途径。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出了一种污泥发酵耦合反硝化系统污泥作为接种污泥，利用污泥发酵上清液中短链脂肪酸作为有机碳源，通过控制SCOD/NO₃ ^--N及监测反应过程pH值变化，控制反硝化过程中NO₃ ^-还原为NO₂ ^-，从而实现亚硝酸盐最大积累的方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种污泥发酵耦合反硝化过程实现亚硝酸盐最大积累的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）接种污泥发酵耦合反硝化系统污泥，控制进水后污泥浓度MLSS为1500～3000mg/L；污泥发酵耦合反硝化污泥为运行6个月以上的污泥发酵耦合反硝化反应器中的活性污泥，该污泥发酵耦合反硝化反应器采用交替厌氧/缺氧运行方式，污泥龄SRT为20～28天；每周期厌氧搅拌发酵6～8h，随后泵入含NO₃ ^--N废水，其中NO₃ ^--N=35～55mg/L，之后缺氧搅拌进行发酵同步反硝化反应3～5h，沉淀30～60min后排水，排水比为20%～60%；每天排泥后再加入新鲜剩余污泥，控制反应器中污泥浓度MLSS为8000～10000mg/L；该反应器NO₃ ^--N去除率为85%～100%；

（2）硝酸盐废水进入反硝化反应器后，投加污泥发酵上清液，使系统初始SCOD/NO₃ ^--N在2.8～4.5之间，然后缺氧搅拌反硝化240～400min；

（3）监测反应过程中pH值的变化曲线，当在pH值上升过程中出现拐点后及时停止缺氧搅拌以中止反硝化反应，沉淀30～60min后排水，出水中即含有大量反硝化过程积累的亚硝酸盐。

步骤（2）中污泥厌氧发酵上清液所用发酵污泥为剩余污泥，在28～35℃条件下，剩余污泥厌氧搅拌发酵6～9天，发酵过程中污泥浓度MLSS为12000～18000mg/L，离心后获得上清液。

技术原理：

根据缺氧条件下微生物对NO₃ ^--N和NO₂ ^--N的还原能力，可以将反硝化菌群分为3类，A类微生物只能将NO₃ ^--N还原为NO₂ ^--N，其以NO₂ ^--N为唯一产物；B类微生物具有同步NO₃ ^--N还原和NO₂ ^--N还原特性，并且NO₂ ^--N的还原速率高于NO₃ ^--N的还原速率，反应过程中没有NO₂ ^--N积累；C类微生物可同时还原NO₃ ^--N和NO₂ ^--N，但NO₂ ^--N的还原速率低于NO₃ ^--N的还原速率，反应过程中会出现短暂的NO₂ ^--N积累。通常情况下，反硝化系统中B类反硝化菌群占绝大多数，从而在反硝化过程不会出现中间产物NO₂ ^--N的积累。然而在污泥发酵耦合反硝化系统中，其特异的生长环境导致了A类和C类反硝化菌群的富集，从而使得反硝化过程产生大量的NO₂ ^--N积累。本发明充分利用此种反硝化污泥的特性来实现反硝化过程NO₂ ^--N的最大积累。而SCOD/NO₃ ^--N对反硝化过程NO₂ ^--N的最大积累起到重要作用。另外，反硝化过程会产生碱度，从而使pH值升高。由式(1)和式(2)可以看出，反硝化等量的NO₃ ^--N和NO₂ ^--N所产生的碱度总量相等，说明反硝化过程中NO₃ ^--N还原到NO₂ ^--N这一步不产生碱度。在NO₃ ^--N还原的初期，同时进行着NO₃ ^--N还原为NO₂ ^--N和NO₂ ^--N还原为N₂的反应，系统pH值缓慢上升；当系统中NO₃ ^--N被还原完全，系统只进行以NO₂ ^--N为电子受体的还原反应，pH值上升速率会相比之前有很大提高。因此，可以根据pH值在上升过程中出现的拐点来判断NO₃ ^--N的完全还原，及时停止反应，从而获得最大的NO₂ ^--N积累量。

8NO₃ ^--+5CH₃COO^-→10CO₂+6H₂O+4N₂+8OH^-   (1)

8NO₂ ^-+3CH₃COO^-→6CO₂+2H₂O+4N₂+8OH^-   (2)

4NO₃ ^-+CH₃COO^-→2CO₂+2H₂O+4NO₂ ^-   (3)

本发明通过污泥发酵耦合反硝化过程实现反硝化过程亚硝酸盐最大积累的方法具有下列优势：

（1）接种的污泥发酵耦合反硝化系统污泥具有较高亚硝酸盐积累特性，无需驯化，启动时间短；主要通过调节初始SCOD/NO₃ ^--N在一定范围内，缺氧搅拌进行反硝化获得亚硝酸盐积累，操作简单，获得的亚硝酸盐积累率较高；

（2）与短程硝化获得亚硝酸盐积累相比，本发明获得亚硝酸盐积累的方法控制方法简单，能获得较高且稳定的亚硝酸盐积累，反硝化过程中pH变化规律明显，可通过检测反应过程pH值的变化中止反硝化反应；

（3）利用污泥厌氧发酵产生的短链脂肪酸为碳源，充分开发利用污泥中的内碳源，节省外碳源，降低投资和运行成本，达到了污泥减量的效果；同时污泥发酵上清液中的氨氮可以为后续厌氧氨氧化工艺提供部分电子供体。

附图说明

图1是某一周期反硝化亚硝酸盐积累过程中NO₂ ^--N、NO₃ ^--N浓度及pH值随时间的变化曲线。

具体实施方式

结合具体实验实例和附图对本方法作进一步说明：

采用SBR反应器进行反硝化过程亚硝酸盐积累试验，反应器有效容为5L；该SBR反应器每周期包括进水10min，缺氧搅拌240～400min，沉淀60min，之后排出上清液，排水比为50%。

具体试验包括以下步骤：

（1）接种污泥发酵耦合反硝化系统污泥，控制进水后污泥浓度MLSS为2000～2500mg/L；污泥发酵耦合反硝化系统污泥为运行5个月以上的污泥发酵耦合反硝化反应器中的活性污泥，该污泥发酵耦合反硝化反应器采用交替厌氧/缺氧运行方式，污泥龄SRT为20～28天；每周期厌氧搅拌发酵6～8h，随后泵入含NO₃ ^--N废水，其中NO₃ ^--N=35～55mg/L，之后缺氧搅拌进行发酵同步反硝化反应3～5h，沉淀30～60min后排水，排水比为20%～60%；每天排泥后再加入新鲜剩余污泥，控制反应器中污泥浓度MLSS为8000～10000mg/L；该反应器NO₃ ^--N去除率为85%～100%；

（2）硝酸盐废水进入反硝化反应器后，投加污泥发酵上清液，使系统初始SCOD/NO₃ ^--N在3.5～4.0之间，然后缺氧搅拌反硝化240～400min；

（3）监测反应过程中pH值的变化曲线，当在pH值上升过程中出现拐点后及时停止缺氧搅拌以中止反硝化反应，沉淀40min后排水，出水中即含有大量反硝化过程积累的亚硝酸盐。

上述步骤（2）中所述的污泥厌氧发酵上清液中SCOD在2500～3800mg/L，TCOD在4500～6000mg/L。发酵所用污泥为污水处理厂排放的剩余污泥，其在30±1℃密闭条件下厌氧搅拌发酵7天，发酵过程中污泥浓度MLSS为15000～18000mg/L，发酵后的污泥混合液于4000r/min离心，离心后即得上清液。

具体某一周期反硝化亚硝酸盐积累实验如下：

如图1所示，进水后加入100mL污泥发酵上清液，该上清液TCOD为5645±1.2mg/L，SCOD为2965.2±0.8mg/L，pH值为6.0～6.5，系统初始SCOD/NO₃-N为4.0；随后缺氧搅拌进行反硝化，反应过程中相同时间间隔取样检测其NO₃ ^--N和NO₂ ^--N浓度；同时监测系统pH值变化，pH曲线呈先缓慢上升，320min时出现拐点之后pH迅速升高，出现拐点时亚硝酸盐积累浓度达到最大值，检测得NO₂ ^--N为21.34mg/L。360min时停止缺氧搅拌，结束反硝化反应，沉淀50min后排水，出水NO₂ ^--N为17.99mg/L,NO₃ ^--N为0mg/L。

连续运行试验结果表明：

采用实验室中培养成熟的污泥发酵耦合反硝化系统污泥作为接种污泥，控制进水后污泥浓度为2000～2500mgL，反应过程中pH曲线出现拐点后停止缺氧搅拌，中止反硝化反应，在进水NO₃ ^--N浓度为25～30mg/L，投加剩余污泥发酵上清液作为反硝化碳源，控制初始SCOD/NO₃ ^--N在3.5～4.0的条件下，出水中可获得80%～95%的亚硝酸盐积累率，NO₂ ^--N浓度范围在16.2～21.5mg/L之间，实现反硝化过程亚硝酸盐的最大积累。

Claims (1)

1.一种污泥发酵耦合反硝化过程实现亚硝酸盐最大积累的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）接种污泥发酵耦合反硝化系统污泥，控制进水后污泥浓度MLSS为1500～3000mg/L；污泥发酵耦合反硝化系统污泥为运行6个月以上的污泥发酵耦合反硝化反应器中的活性污泥，该污泥发酵耦合反硝化反应器采用交替厌氧/缺氧运行方式，污泥龄SRT为20～28天，每周期厌氧搅拌发酵6～8h，随后泵入含NO₃ ^--N废水，其中NO₃ ^--N=35～55mg/L，之后缺氧搅拌进行污泥发酵同步反硝化反应3～5h，沉淀30～60min后排水，排水比为20%～60%；每天排泥后再加入新鲜剩余污泥，控制反应器中污泥浓度MLSS为8000～10000mg/L；该反应器NO₃ ^--N去除率为85%～100%；

（2）硝酸盐废水进入反硝化反应器后，投加污泥发酵上清液，使系统初始SCOD/NO₃ ^--N在2.8～4.5之间，然后缺氧搅拌反硝化240～400min；所述的污泥厌氧发酵上清液所用发酵污泥为剩余污泥，在28～35℃条件下厌氧发酵6～9天，发酵过程中污泥浓度MLSS为12000～18000mg/L，离心后获得上清液；

（3）监测反应过程中pH值的变化曲线，当在pH值上升过程中出现拐点后及时停止缺氧搅拌以中止反硝化反应，沉淀30～60min后排水，出水中即含有大量反硝化过程积累的亚硝酸盐。

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