CN104692526B

CN104692526B - 一种利用针铁矿提高废水处理过程反硝化脱氮速率的方法

Info

Publication number: CN104692526B
Application number: CN201510119375.4A
Authority: CN
Inventors: 王进; 程冰如; 岳正波; 陈天虎; 李川川
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2017-03-01
Anticipated expiration: 2035-03-18
Also published as: CN104692526A

Abstract

本发明公开了一种利用针铁矿提高废水处理过程反硝化脱氮速率的方法，其特征是：将纳米级针铁矿根据碳氮比按照一定比例投加到污水处理厂厌氧池中混合均匀；也可将颗粒状针铁矿作为填料装填入反应柱，挂膜启动后，从下往上将污水注入反应柱中，控制水力停留时间在0.5‑12 h内，使污水与针铁矿充分接触。针铁矿可以促进微生物利用污水中的有机物将污水中的硝酸盐还原成NO或N₂O或N₂，从而达到脱氮效果；本发明方法不仅可以提高反硝化速率，还可以避免亚硝酸盐累积给微生物带来的危害；此外，本发明方法在提高反硝化速率的同时，减少了外加碳源的投加量，有效降低了成本。

Description

一种利用针铁矿提高废水处理过程反硝化脱氮速率的方法

一、技术领域

本发明涉及有机污水的处理与脱氮技术。

二、背景技术

氮是自然界中主要的一种组成元素。它在自然界里不断地进行迁移、转化和循环。氮气是氮最主要的存在形式，水中氮则以氨氮、硝态氮、亚硝态氮和有机氮的形式存在。自然界中的氮循环作用本来可以避免环境中某种形式氮的积累，但随着城市扩大化、人口的增长和工农业的迅速发展，破坏了这种平衡，导致水体氮素的积累，造成水体富营养化、水质恶化。环境水体的氮素主要来源于生活污水、生活垃圾、工业废水及农业生产等。除分子态氮外，所有氮素循环的中间产物均可对人类和环境产生不利影响，其中，以氨氮、硝酸盐和亚硝酸盐的危害最大。据粗略统计，我国有3000万人饮用高硝酸盐水，硝酸盐污染已成为我国癌症发生的主要环境因素。因此，废水脱氮受到人们的广泛关注，如何提高排放废水中氮的去除率，降低水体中硝态氮的含量，是提高居民饮用水的质量、改善水体环境的重要措施之一。

传统生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段。硝化和反硝化反应分别由硝化菌和反硝化菌作用完成，两种菌对环境条件的要求不同。这两个过程不能同时发生，而只能序列式进行。即硝化反应发生在好氧条件下，反硝化反应发生在缺氧或厌氧条件下。因此，传统生物脱氮工艺是将缺氧区与好氧区分开的分级硝化反硝化工艺，在空间或时间上造成分别缺氧和好氧环境，以便硝化与反硝化能够独立地进行。传统生物脱氮工艺主要包括A/O法、A2/O、Bardenpho工艺、氧化沟、CASS、UNITANK、MSBR等工艺。

传统生物脱氮技术的不足主要表现为：(1)硝化细菌是自养细菌，生长缓慢，在混合培养的活性污泥系统中无法与异养细菌竞争，难以取得优势；(2)硝化细菌易受外界环境影响，对环境冲击尤其是毒物冲击非常敏感，而系统重新启动又相当困难；(3)硝化和反硝化过程难以在时间和空间上统一，脱氮效果差，造成生物脱氮这一多步骤生物催化反应受基质传递速率、底物和产物抑制等限制；(4)较高的氧消耗，要把氨氮完全氧化成硝酸盐，1mg氨氮需耗氧4.57mg O₂，这意味着需要大量的能耗；(5)异养型的反硝化需要大量的碳源，低碳氮比的废水需要外加碳源，这将增加运行费用，且易造成二次污染；系统抗冲击能力差，高浓度NH₄ ⁺、NO₂ ^-都会抑制硝化菌生长。

三、发明内容

本实验针对传统脱氮技术的不足，提供一种利用针铁矿提高废水处理过程反硝化脱氮速率并避免亚硝酸盐积累的方法。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明利用针铁矿提高厌氧池废水处理过程反硝化脱氮速率的方法，其特点在于：

a、将天然针铁矿破碎、研磨并过320目筛，获得针铁矿粉末；

b、按照质量浓度为0.2～2g/L的比例向厌氧池中投加步骤a所获得的针铁矿粉末，然后将待处理污水加入所述厌氧池中进行反硝化处理；

本发明利用针铁矿提高反应柱废水处理过程反硝化脱氮速率的方法，其特点在于按如下步骤进行：

a、将天然针铁矿破碎至粒径为1-5mm，获得针铁矿颗粒；

b、向反应柱中添加所述针铁矿颗粒作为填料层，填料层高度不小于0.9m，将待处理污水与驯化反硝化菌菌液按照体积比60％：40％的比例混合均匀，用真空泵自下向上注入反应柱中，连续进水，控制反应柱水力停留时间在0.5-12h，稳定运行2周；然后逐步提高进水中待处理污水的比例，每次提高10％并稳定运行2周，直至进水全部为待处理污水，继续稳定运行至出水中硝态氮降解率不低于95％，反应柱挂膜成功；

c、在反应柱挂膜成功后，将待处理污水用真空泵自下向上注入反应柱中，控制反应柱水力停留时间在0.5-12h，使待处理污水中硝酸盐被还原成N₂、N₂O或NO排出。

所述驯化反硝化菌菌液是按如下步骤获得：将啤酒厂厌氧池污泥接种至装有培养基A的反应罐中构成菌液，所述啤酒厂厌氧池污泥占所述培养基A体积的10％；充氩气以排尽反应罐中空气，然后置于30℃条件下培养，每4天排出20％体积的菌液，同时补充相同体积的培养基A继续培养，直至反应罐排除的菌液中硝酸盐的浓度为0mg/L，完成反硝化菌菌液的驯化，获得驯化反硝化菌菌液。

所述培养基A成分为CH₃COONa 34.7mmo/L、KNO₃19.8mmol/L、MgSO₄1.7mmol/L、KH₂PO₄7.4mmol/L、K₂HPO₄5.7mmol/L，pH＝7.2±0.1。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、针铁矿比表面积大，有较强的吸附性，它不仅能更好的与微生物直接接触，还可以将有机物吸附在针铁矿的表面，从而促进针铁矿表面生物膜的形成；作为半导体，针铁矿能促进微生物膜内不同微生物之间的电子传递，从而有效提高反硝化的速率，另一方面，针铁矿被微生物还原形成可生物利用的亚铁，作为铁源为微生物生长与活性的提高提供了营养元素。

2、铁还原作用产生的Fe(II)，在纳米针铁矿表面催化作用下可以还原亚硝酸盐，生成NO或N₂O或N₂，这不仅可以提高反硝化速率，还可以有效减少亚硝酸盐的累积，避免其对微生物的毒害作用。

3、由于针铁矿有吸附作用，且反硝化是产碱过程，反应过程中液体pH均大于7.2；产生的Fe(II)与Fe(III)要么被吸附在针铁矿表面，要么形成沉淀，很少能够在水体中以离子态存在，因此出水不含铁离子，对水体色度无影响。

4、现有方法中，一般COD/N在5-8范围内才能保证较高的生化反硝化效率；而使用本方法，COD/N＝3时即可有较高的反硝化效率，能够有效地减少外加碳源的使用量，降低污水处理成本。

5、天然针铁矿一般为低品位铁矿石，储量丰富、价格低廉，所以本发明方法成本较低。

四、附图说明

图1为实施例1中以乙酸钠为碳源时针铁矿对氮气生成速率与氮气产量的影响；

图2为实施例1中以乙酸钠为碳源时针铁矿对亚硝酸盐积累的抑制作用；

图3为实施例1中以葡萄糖为碳源时针铁矿对氮气生成速率与氮气产量的影响；

图4为实施例2中以针铁矿填料的反应柱降解硝酸盐的情况

五、具体实施方式

实施例1：

本实施例的接种反硝化菌菌液来源为经过驯化的厌氧池污泥。

本实施例按如下步骤模拟以针铁矿来提高厌氧池废水处理过程反硝化脱氮速率的效果：

采用购买的天然针铁矿，将其破碎、研磨后过320目筛，获得针铁矿粉末；

实验以250mL血清瓶为反应器，装入培养基200mL，取COD/N分别为8与3。每个碳氮比均分别选择乙酸钠与葡萄糖为碳源，则乙酸钠浓度分别为34.7mmol/L、13mmo/L；葡萄糖浓度分别为11.55mmol/L、4.33mmol/L。针对每个碳氮比与碳源，设有针铁矿组与空白组。针铁矿组针铁矿投加量为0.45g/L，空白组则不加入针铁矿。针铁矿组与空白组均接种反硝化菌菌液，接种后浓度为30mgVS/L。培养基配方为KNO₃19.8mmol/L、MgSO₄1.7mmol/L,、KH₂PO₄7.4mmol/L、K₂HPO₄5.7mmol/L，pH＝7.2±0.1。向瓶中鼓入氩气排出空气，将瓶子封口，置于30℃生化培养箱中厌氧培养。

如图1所示，以乙酸钠为碳源，COD/N＝8时，针铁矿组氮气生成速率是空白对照组的3倍；COD/N＝3时，针铁矿组中氮气生成速率约是空白对照组的4倍，说明针铁矿的添加可以促进反硝化的进行。此外，如图2所示，以乙酸钠为碳源，COD/N＝8时，针铁矿组中亚硝酸盐最高积累量仅为空白对照组的1/4；TOC/N＝3时，空白对照组无论亚硝酸盐产生速率还是亚硝酸盐积累量远高于针铁矿组，说明了针铁矿的添加可以有效减少亚硝酸盐的积累，避免亚硝酸盐的累积对微生物产生毒害作用。

如图3所示，以葡萄糖为碳源时，由于葡萄糖首先厌氧分解生成有机酸，所以在所有反应组中氮气均在72h后产生。有机酸的生成会造成pH值迅速下降，而反硝化适合偏碱的环境中，所以相较以乙酸钠作为碳源，以葡萄糖为碳源时的氮气产量较低。然而COD/N＝8时，针铁矿组中氮气生成速率是空白对照组的1.5倍，氮气产量为空白对照组的1.8倍；同样COD/N＝3时，针铁矿组中氮气生成速率是空白对照组的1.46倍，氮气产量略高于空白对照组，是其1.07倍。图3中的实验结果表明以葡萄糖为碳源时，针铁矿同样可以促进反硝化的进行。

实施例2

本实施例按如下步骤模拟以针铁矿来提高废水处理过程反硝化脱氮速率的效果：

将安徽华润雪花啤酒厂厌氧池污泥按体积比例10％接种至装有培养基A、有效容积为3.5L的反应罐中，控制反应罐中最终菌液的体积为3L，充氩气15分钟排尽空气。然后置于30℃条件下培养。每4天排出0.6L的菌液，同时补充相同体积的新鲜培养基A。培养20天后，反应罐排出菌液中硝酸盐的浓度为0mg/L时，说明反硝化菌菌液驯化完成，获得驯化反硝化菌菌液。

培养基A成分为CH₃COONa 34.7mmo/L、KNO₃19.8mmol/L、MgSO₄1.7mmol/L、KH₂PO₄7.4mmol/L、K₂HPO₄5.7mmol/L，pH＝7.2±0.1。

将天然针铁矿破碎至粒径为1-5mm，获得针铁矿颗粒；

反应柱直径20cm，高1.2m，有效容积为30L。

向反应柱中添加针铁矿颗粒作为填料层，填料层高度为0.9m，将待处理污水与驯化反硝化菌菌液按照体积比60％：40％的比例混合均匀，用真空泵自下向上注入反应柱中连续进水，控制反应柱水力停留时间在0.5-12h，稳定运行2周左右。逐步提高待处理污水体积比例，每次提高10％并稳定运行2周左右，直至进水全部是待处理污水，继续稳定运行至出水中硝态氮降解率不低于95％，即为反应柱挂膜成功。

挂膜成功后，将待处理污水用真空泵自下向上注入反应柱中，污水的水力停留时间控制在0.5-12h。经过半年运行后，反应器达到稳定状态，出水中硝酸盐的处理效率均在99％以上，亚硝酸盐检测不到(图4)。证明了该方法可以避免反应器中亚硝酸盐的积累，有效促进反硝化的进行，具有较高的实际应用价值。

Claims

1.一种利用针铁矿提高废水处理过程反硝化脱氮速率的方法，其特征在于：

a、将天然针铁矿破碎、研磨并过320目筛，获得针铁矿粉末；

b、按照质量浓度为0.2～2g/L的比例向厌氧池中投加步骤a所获得的针铁矿粉末，然后将待处理污水加入所述厌氧池中进行反硝化处理。

2.一种利用针铁矿提高废水处理过程反硝化脱氮速率的方法，其特征在于按如下步骤进行：

a、将天然针铁矿破碎至粒径为1-5mm，获得针铁矿颗粒；

b、向反应柱中添加所述针铁矿颗粒作为填料层，填料层高度不小于0.9m，将待处理污水与驯化反硝化菌菌液按照体积比60％：40％混合均匀，用真空泵自下向上注入所述反应柱中，连续进水，控制反应柱水力停留时间在0.5-12h，稳定运行2周；然后逐步提高待处理污水的比例，每次提高10％并稳定运行2周，直至进水全部为待处理污水，继续稳定运行至出水中硝态氮降解率不低于95％，反应柱挂膜成功；

3.根据权利要求2所述的利用针铁矿提高废水处理过程反硝化脱氮速率的方法，其特征是：

4.根据权利要求3所述的利用针铁矿提高废水处理过程反硝化脱氮速率的方法，其特征是：所述培养基A成分为CH₃COONa 34.7mmo/L、KNO₃19.8mmol/L、MgSO₄1.7mmol/L、KH₂PO₄7.4mmol/L、K₂HPO₄5.7mmol/L，pH＝7.2±0.1。