CN104111310B

CN104111310B - 一种污水生物硝化处理过程n2o产量计量方法

Info

Publication number: CN104111310B
Application number: CN201410315063.6A
Authority: CN
Inventors: 王亚宜; 林喜茂; 陈玉; 赵伟; 黎力
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2014-07-03
Filing date: 2014-07-03
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-07-03
Also published as: CN104111310A

Abstract

本发明公开了一种污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，包括以下步骤：取好氧反应末污泥，用合成洗泥液洗泥后均分入3个编号依次为R1、R2和R3的密闭反应器中，加入模拟污水及抑制剂并调整PH值进行硝化反应；测定各密闭反应器中N₂O的产量。由公式：<maths num="0001"></maths>和<maths num="0002"></maths>分别计算硝化菌反硝化途径和偶联硝化反硝化途径下N₂O的产量，其中和分别为反应器R1、R2和R3中N₂O的产量。本方法能够准确鉴别污水生物硝化过程N₂O的产生途径并计算各途径下的产量，为在污水生物硝化过程中掌握并控制N₂O的释放提供技术支持。

Description

一种污水生物硝化处理过程N2O产量计量方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及一种污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法。

背景技术

氧化亚氮(N₂O)是一种强温室气体，并被“京都议定书”(2001年)认定为六种需减排温室气体之一。污水处理是N₂O排放的一个重要人为排放源。污水生物脱氮的硝化和反硝化过程均会产生N₂O，且大部分释放于硝化过程，而硝化过程又有多种N₂O产生途径，主要包括硝化菌反硝化(ND)途径和偶联硝化反硝化(NCD)途径。随着各国对氮素排放控制的日益严格，更多的污水处理厂增加了脱氮工序，而随着人口膨胀、经济发展以及各国政府对水环境治理力度的增强，更大体量的污水被收集，进入市政污水处理厂进行集中脱氮处理，这进一步增加了N₂O的释放潜势。鉴于N₂O对臭氧层和气候变化的负面影响，研究者们正在寻求可行的N₂O排放控制措施，而获得这些减排控制策略的前提是实现对N₂O产生途径的准确鉴别以及产量的准确计量。然而，目前仍缺乏可应用于污水生物硝化处理过程N₂O产生途径的鉴别和计量方法，尤其是针对实际污水处理厂生物反应器微生物为混合菌种，同时其生长环境又处于动态变化的复杂系统。所以，急需一种能够应用于实际污水生物脱氮系统硝化过程中鉴别N₂O产生的途径并实现计量的方法，以促进污水处理厂制定并实施N₂O减量化调控策略的进程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，包括以下步骤：取好氧反应末污泥，用合成洗泥液洗泥，将洗好的污泥混合液均分入3个编号依次为R1、R2和R3的密闭反应器中，然后加入抑制剂和模拟污水，调节pH值，曝气充氧及搅拌，控制反应温度和时间，进行硝化反应，并分别集取气态和液态样品，测定污水生物硝化过程中N₂O的产量和混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)的含量。

所述洗好的污泥混合液均分入3个编号依次为R1、R2和R3的密闭反应器中，然后加入抑制剂是指：第一个密闭反应器R1中不投加抑制剂；第二个密闭反应器R2和第三个密闭反应器R3中分别投加不同的抑制剂。

所述第二个密闭反应器R2中投加的抑制剂为氯酸钠，浓度为1～1.5g/L。

所述第三个密闭反应器R3中投加的抑制剂为烯丙基硫脲，浓度为10～15mg/L。

所述控制反应温度和时间是指：密闭反应器的反应温度为20～25℃，反应时间为150～180min。

所述模拟污水，其中以甲醇表征有机物，浓度为250～400mgCOD/L，以NH₄Cl为含氮基质，浓度为15～70mgNH₄ ⁺-N/L，通过KH₂PO₄调节P的浓度分别为5～15mg/L，并通过NaHCO₃调节pH为7.5±0.1；模拟污水中还包括10mg/LCaCl₂，100mg/LMgSO₄·7H₂O及微量元素。

所述微量元素的配方为：FeCl₃·6H₂O1.5g/L，H₃BO₃0.15g/L，CuSO₄·5H₂O0.03g/L，KI0.18g/L，MnCl₂·4H₂O0.12g/L，NaMoO₄·2H₂O0.06g/L，CoCl₂·6H₂O0.15g/L，EDTA10g/L，投加量为0.3mL/L。

所述调节pH值是指添加HCl或NaOH调节pH为7～8。

所述分别集取气态和液态样品，测定污水生物硝化过程中N₂O的产量和混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)的含量是指：沿程集取气态样品用于测定气相中N₂O的含量；在反应完全后取液态样品分别测定溶解态N₂O和MLVSS的含量；将测得的气相中和液相中的N₂O含量相加得到各密闭反应器中N₂O的产量。

所述混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)的含量为2.5～3.5g/L。

所述污水生物硝化过程中N₂O的产量按照硝化菌反硝化(ND)途径下的计算公式为：所述污水生物硝化过程中N₂O的产量按照偶联硝化反硝化(NCD)途径下的计算公式为：

A_{N_{2} O}^{via . NCD} = A_{N_{2} O}^{R 1} - A_{N_{2} O}^{R 2} - A_{N_{2} O}^{R 3};

其中和分别为反应器R1、R2和R3中N₂O的产量。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

本发明主要是针对当前规模日渐扩大的污水处理设施，这些设施因氮素排放要求的日益严格多采用脱氮工序，硝化是脱氮工艺的先决步骤，而在硝化过程中，不同的运行控制条件会触发不同的N₂O产生途径，其比产量也将存在差异，由于污水处理规模的日趋增大及N₂O的负面影响，N₂O比产量(N₂O的产量与混合液挥发性悬浮固体(MLVSS)含量的比值)的微小波动将会导致显著的宏观结果，所以准确鉴别N₂O的产生途径并计算其比产量极其重要。只有明确了N₂O的产生途径及相应途径下的产量才能有针对性的制定调控策略，进而实现其减量化。

本发明采用分步抑制法，在多菌种共存的条件下实现N₂O产生途径的有效鉴别并确定各途径下N₂O的产量。解决了污水处理厂污水硝化过程中鉴别N₂O产生途径及其计量的问题，使污水厂能够更有针对性的制定并实施N₂O减量化的策略，实现N₂O强温室气体的减排。

本方法能够准确鉴别污水生物硝化过程N₂O的产生途径并计算各途径下的产量，为在污水硝化过程中掌握并控制N₂O的释放提供技术支持。

附图说明

图1为本发明实施例中在NaCl盐度冲击下鉴别污水生物硝化过程中N₂O的产生途径并实现计量的方法示意图。

图2为本发明实施例中NaCl盐度冲击下污水生物硝化过程N₂O产生途径和不同抑制剂的抑制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

鉴别污水生物硝化过程中N₂O的产生途径并计算各途径下N₂O的产量

(1)实验用污泥

实验所用接种污泥取自上海某污水处理厂A²O工艺的好氧反应末污泥。

(2)实验用水

实验用水采用模拟污水。通过CH₃OH、KH₂PO₄和NH₄Cl，调节COD、P和N的浓度分别为300mg/L、20mg/L和70mg/L，并通过NaHCO₃调节进水pH为7.5±0.1。此外，合成污水中还包括10mg/LCaCl₂，100mg/LMgSO₄·7H₂O，及适量的微量元素。微量元素的配方为：FeCl₃·6H₂O1.5g/L，H₃BO₃0.15g/L，CuSO₄·5H₂O0.03g/L，KI0.18g/L，MnCl₂·4H₂O0.12g/L，NaMoO₄·2H₂O0.06g/L，CoCl₂·6H₂O0.15g/L，EDTA10g/L，投加量为0.3mL/L。合成洗泥液与上述模拟污水相同，但不含CH₃OH和NH₄Cl。

(3)实验方案

将取自上海某污水处理厂A²O工艺好氧反应末的污泥用洗泥液洗3次；然后平均分为3份，并分别转移至三个550mL的密闭柱状反应器中(三个反应器依次编号为R1、R2和R3)，使MLVSS均维持在2.5g/L左右；再将模拟污水分别注入三个反应器，同时根据表1加入抑制剂，使混合液最终体积达到500mL；抑制剂的抑制原理见图2，R1中不投加任何抑制剂，硝化反应正常进行；R2中投加选择性抑制剂氯酸钠(NaClO₃)，抑制硝化反应的第二步(亚硝态氮(NO₂ ^-)转化为硝态氮(NO₃ ^-)的过程)；R3中投加选择性抑制剂烯丙基硫脲(ATU)，抑制硝化反应的第一步(氨氮(NH₄ ⁺)转化为羟氨(NH₂OH)的过程)；反应温度为室温：20～25℃；反应时间为180min；通过添加HCl和NaOH(浓度均为0.3M)调节pH为7.5±0.1；以鼓风曝气的方式从反应器底部曝气充氧；由磁力搅拌器进行搅拌；用锡箔集气袋沿程分别收集各反应器的气体至反应结束，用于测定气态N₂O的含量；反应结束，准确移取5mL混合液至顶空瓶中用于测定溶解态N₂O的含量，另取50mL混合液测定MLVSS的含量。

表1方案设计

反应器编号	抑制剂
		R1	不投加
R2	NaClO₃，1g/L
		R3	ATU，10mg/L

(4)实验结果

实验数据结果如表2所示，表2为本发明实施例1污水生物硝化过程中N₂O的产生途径及在各途径下N₂O的产量。在硝化过程中，硝化菌反硝化是N₂O产生的主要途径，偶联硝化反硝化途径产生的N₂O量相对较小。依据实验结果可判断，上海某污水处理厂硝化过程中N₂O产生的主要途径是硝化菌反硝化。而据已有研究结论，硝化菌反硝化途径产生的N₂O主要是由于低溶解氧造成，故可初步提出建议污水处理厂硝化池应根据进水氨氮浓度变化相应的调整曝气量，将溶解氧浓度控制在合适的范围内以降低N₂O的产生。

表2污水生物硝化过程中N₂O的产生途径及产量

N₂O产生途径	N₂O比产量(μg N/g MLVSS)	N₂O产量(μg)
			硝化菌反硝化	10±1	25±2.5
偶联硝化反硝化	2±0.5	5±1.3

实施例2

鉴别NaCl冲击下污水生物硝化过程中N₂O的产生途径并计算各途径下N₂O的产量

(1)实验用污泥

实验用污泥与实施例1中实验用污泥相同。

(2)实验用水

实验用水采用模拟污水，与实施例1中模拟污水相同。

(3)实验方案

实验方案与实施例1中实验方案相同，但根据表3加入NaCl和抑制剂，进行在NaCl冲击下鉴别污水生物硝化过程中N₂O的产生途径并计算各途径下N₂O的产量。

表3NaCl冲击方案设计

(4)实验结果

实验数据结果如表4所示，表4为本发明实施例2中，在NaCl冲击下污水生物硝化过程中N₂O的产生途径及各途径下N₂O的产量。实验结果显示：NaCl浓度的增加会导致N₂O比产量升高，在10g/LNaCl浓度下N₂O的产量是7.5g/LNaCl浓度下产量的1.5倍；但主要的产生途径不变，仍为硝化菌反硝化过程；通过偶联硝化反硝化途径产生的N₂O量相对较少。随着工业的进一步发展，大量高含盐(NaCl)的污水被排放，如海产品加工、制革、化工和制药行业等排放的污水，其中相当部分直接排入到市政污水管网中，对后续污水处理系统的性能造成影响。所以当有高含盐的工业废水汇入市政污水管网并导致硝化池进水盐度剧烈波动时，应该注意采取相应措施(如通过增大回流量进行稀释等)控制因盐度波动而引起的N₂O产量的增加。

表4NaCl冲击下污水生物硝化过程中N₂O产生途径和产量

综合实施例1和实施例2结果，如图1所示可知，在污水生物硝化过程中N₂O产生的主要途径是硝化菌反硝化途径，且该途径受盐度(NaCl)冲击的影响较大，污水厂应该根据实际情况采取有针对性措施以减少N₂O的产生。

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

1.一种污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，其特征在于：包括以下步骤：取好氧反应末污泥，用合成洗泥液洗泥，将洗好的污泥混合液均分入3个编号依次为R1、R2和R3的密闭反应器中，然后加入抑制剂和模拟污水，调节pH值，曝气充氧及搅拌，控制反应温度和时间，进行硝化反应，并分别集取气态和液态样品，测定污水生物硝化过程中N₂O的产量和混合液挥发性悬浮固体的含量；

所述洗好的污泥混合液均分入3个编号依次为R1、R2和R3的密闭反应器中，然后加入抑制剂是指：第一个密闭反应器R1中不投加抑制剂；第二个密闭反应器R2和第三个密闭反应器R3中分别投加不同的抑制剂；

所述第二个密闭反应器R2中投加的抑制剂为氯酸钠；

所述第三个密闭反应器R3中投加的抑制剂为烯丙基硫脲。

2.根据权利要求1所述的污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，其特征在于：所述第二个密闭反应器R2中投加的抑制剂的浓度为1～1.5g/L。

3.根据权利要求1所述的污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，其特征在于：所述第三个密闭反应器R3中投加的抑制剂的浓度为10～15mg/L。

4.根据权利要求1所述的污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，其特征在于：所述控制反应温度和时间是指：密闭反应器的反应温度为20～25℃，反应时间为150～180min。

5.根据权利要求1所述的污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，其特征在于：所述模拟污水，其中以甲醇表征有机物，浓度为250～400mgCOD/L，以NH₄Cl为含氮基质，浓度为15～70mgNH₄ ⁺-N/L，通过KH₂PO₄调节P的浓度分别为5～15mg/L，并通过NaHCO₃调节pH为7.5±0.1；模拟污水中还包括10mg/LCaCl₂，100mg/LMgSO₄·7H₂O及微量元素。

6.根据权利要求5所述的污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，其特征在于：所述微量元素的配方为：FeCl₃·6H₂O1.5g/L，H₃BO₃0.15g/L，CuSO₄·5H₂O0.03g/L，KI0.18g/L，MnCl₂·4H₂O0.12g/L，NaMoO₄·2H₂O0.06g/L，CoCl₂·6H₂O0.15g/L，EDTA10g/L，投加量为0.3mL/L。

7.根据权利要求1所述的污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，其特征在于：所述调节pH值是指添加HCl或NaOH调节pH为7～8。

8.根据权利要求1所述的污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，其特征在于：所述分别集取气态和液态样品，测定污水生物硝化过程中氧化亚氮的产量和混合液挥发性悬浮固体的含量是指：沿程集取气态样品用于测定气相中N₂O的含量；在反应完全后取液态样品分别测定溶解态N₂O和混合液挥发性悬浮固体的含量；将测得的气相中和液相中的N₂O含量相加得到各密闭反应器中N₂O的产量。

9.根据权利要求1所述的污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，其特征在于：所述混合液挥发性悬浮固体的含量为2.5～3.5g/L。

10.根据权利要求1所述的污水生物硝化处理过程N₂O产量计量方法，其特征在于：所述污水生物硝化过程中N₂O的产量按照硝化菌反硝化途径下的计算公式为：所述污水生物硝化过程中N₂O的产量按照偶联硝化反硝化途径下的计算公式为：其中和分别为反应器R1、R2和R3中N₂O的产量。