CN104891650A

CN104891650A - 一种同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养方法

Info

Publication number: CN104891650A
Application number: CN201510218480.3A
Authority: CN
Inventors: 金仁村; 郭琼; 徐嘉丽; 黄梅; 陈倩倩; 姜晓燕
Original assignee: Hangzhou Normal University
Current assignee: Hangzhou Normal University
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2035-04-30
Also published as: CN104891650B

Abstract

本发明公开了一种同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养方法，采用升流式厌氧污泥床反应器，以厌氧氨氧化颗粒污泥和产甲烷颗粒污泥为接种污泥，以含氨氮和亚硝氮的模拟废水为进水，向模拟废水中加入硫化物，并加入维持微生物生长的无机盐以及微量元素，逐步提高进水基质浓度和/或缩短水力停留时间来调节反应器运行，在厌氧、避光、温度为30～37℃、进水pH为7.5～8.0的条件下培养；本发明污泥颗粒性明显，抗冲击能力强，处理效率高，配合UASB反应器的使用可节约占地面积，简化脱氮除硫工艺，投资运行成本低，适宜处理轻工、制药、炼油、制革等行业的含氨氮、亚硝氮和硫化物的废水。

Description

一种同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养方法

(一)技术领域

本发明涉及一种废水处理颗粒污泥的培养方法，特别涉及一种同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养方法。

(二)背景技术

近年来，水污染问题严重，过多的含氮污染物进入水体，不仅导致水体富营养化频繁爆发，危害水生生物、破坏生态平衡。同时，石油、制药、制革、垃圾渗滤液等富含硫酸盐的废水在厌氧处理过程中产生大量有毒副产物，主要是硫化物，因其具有腐蚀性、生物毒性并且容易逸散出有恶臭气味的H₂S气体，对人体健康和环境质量造成危害。在废水排放前需要对上述二次污染物进行深度处理。

而传统的生物脱氮采用硝化和反硝化工艺，存在着碳源不足、曝气能耗高的问题，同时也产生了较多的剩余污泥。新型自养型生物脱氮微生物--厌氧氨氧化菌能够以亚硝酸盐为电子受体，氧化氨氮为氮气，从而实现氮素的“绿色”脱除。比传统的硝化反硝化工艺能耗更低，效率更高，应用前景光明。但厌氧氨氧化工艺会产生一定数量的硝酸盐，需要有效处理。

研究表明，脱氮硫杆菌以无机碳HCO₃ ^-为碳源，可利用还原性硫化物S^2-为电子供体，以硝酸盐为电子受体将硫化物氧化成单质硫，实现生物除硫。

一般来说，废水的脱氮和除硫工艺大多分开进行，这不仅使处理工艺复杂化，也增加了废水处理成本。

近年来为解决剩余污泥的问题，自养微生物逐渐被关注并应用于废水处理领域。然而，同其他自养微生物一样，微生物活性及其生物量是制约其处理效率的瓶颈。其一，厌氧氨氧化菌生长缓慢；其二，硫化物本身会对厌氧氨氧化微生物产生抑制作用，过高浓度的硫化物甚至会导致厌氧氨氧化菌的死亡。

有鉴于此，本发明将厌氧氨氧化和硫自养反硝化进行耦合，提出的新型厌氧氨氧化--硫自养反硝化耦合脱氮除硫工艺能够有效的结合厌氧氨氧化和硫自养反硝化的优势，在厌氧氨氧化将氨氮和亚硝酸盐脱除的同时，脱氮硫杆菌以厌氧氨氧化的产物硝酸盐为电子受体将废水中的S^2-氧化成单质硫，硝酸盐被还原为氮气，实现同步脱氮除硫。因此，同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养将有助于这一工艺的推广应用，推动污水处理技术的发展。

(三)发明内容

本发明目的是提供一种同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养和应用方法，所述同步脱氮除硫颗粒污泥的培养方法为在厌氧，避光，温度为30～37℃，pH为7.5～8.0的条件下，采用升流式厌氧污泥床(UASB)反应器，以体积比为1:1～1:1.5的厌氧氨氧化颗粒污泥和产甲烷颗粒污泥为接种污泥，加入模拟废水、无机盐以及微量元素，培养后可得。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养方法，所述方法为：采用升流式厌氧污泥床反应器，所述反应器包括进水口、出水口、三相分离器和反应器池体；以体积比为1:1～1:1.5的厌氧氨氧化颗粒污泥和产甲烷颗粒污泥为接种污泥，以含氨氮和亚硝氮的模拟废水为进水，向模拟废水中加入硫化物，并加入维持微生物生长的无机盐以及微量元素，逐步提高进水基质浓度(所述进水基质浓度是指进水中NH₄ ⁺-N，NO₂ ^--N和S^2-浓度)和/或缩短水力停留时间来调节反应器运行，在厌氧、避光、温度为30～37℃、pH为7.5～8.0的条件下培养，当总氮去除率大于80％，硫化物去除率大于80％，并能够维持三天以上，则同步脱氮除硫颗粒污泥培养成功；

所述模拟废水中氨氮(初始)浓度为40mg N·L^-1～300mg N·L^-1，所述氨氮与亚硝氮质量浓度之比为1:1～1.32；所述硫化物与模拟废水中氨氮质量浓度比为0.55～0.65:1；所述进水基质中氨氮浓度的提高幅度为40mgN·L^-1～60mgN·L^-1；所述水力停留时间每次缩短至原水力停留时间的90％～70％。

进一步，所述硫化物通过蠕动泵加入反应器的进水口，所述模拟废水、无机盐和微量元素混合后通过蠕动泵加入反应器的进水口。

进一步，所述无机盐包括MgSO₄·7H₂O、KH₂PO₄和CaCl₂，所述MgSO₄·7H₂O添加量为0.02～0.05g/L模拟废水(优选0.03g/L)，所述KH₂PO₄添加量为0.025～0.030g/L模拟废水(优选0.027g/L)，所述CaCl₂添加量为0.10～0.15g/L模拟废水(优选0.014g/L)。

进一步，所述微量元素包括微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ，所述微量元素Ⅰ包括EDTA和FeSO₄，模拟废水中EDTA和FeSO₄的浓度分别控制在6.20～6.30mg/L(优选6.25mg/L)和11.40～11.50mg/L(优选11.43mg/L)；

所述微量元素Ⅱ包括下列元素：EDTA、ZnSO₄·7H₂O、CoCl₂·6H₂O、MnCl₂·4H₂O、CuSO₄·5H₂O、NaMoO₄·2H₂O、NiCl₂·6H₂O和H₃BO₄，模拟废水中每种物质浓度分别控制在：EDTA18.0～19.0mg/L(优选18.75mg/L)，ZnSO₄·7H₂O 0.50～0.55mg/L(优选0.54mg/L)，CoCl₂·6H₂O0.20～0.40mg/L(优选0.30mg/L)，MnCl₂·4H₂O 1.22～1.25mg/L(优选1.24mg/L)，CuSO₄·5H₂O 0.30～0.33mg/L(优选0.31mg/L)，NaMoO₄·2H₂O0.25～0.30mg/L(优选0.28mg/L)，NiCl₂·6H₂O 0.24～0.26mg/L(优选0.26mg/L)，H₃BO₄0.01～0.03mg/L(优选0.02mg/L)。

进一步，所述调节反应器方法为下列一种或三种方法交替进行：①进水基质中NH₄ ⁺-N提高幅度为40mgN·L^-1，所述氨氮与亚硝氮质量浓度之比为1:1～1.3；所述硫化物与模拟废水中氨氮质量浓度比为0.55～0.65:1；②缩减反应器水力停留时间，每次调整后的水力停留时间为原水力停留时间的80％～60％；③同步提高进水基质浓度和缩短水力停留时间，其中进水基质中NH₄ ⁺-N增幅为20mgN·L^-1～30mgN·L^-1，所述氨氮与亚硝氮质量浓度之比为1:1～1.3；所述硫化物与基质中氨氮质量浓度比为0.55～0.65:1，同时缩短反应器水力停留时间为原水力停留时间的90％～70％。

本发明所述同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养方法，具体操作为：

1)采用UASB反应器，将厌氧氨氧化颗粒污泥和产甲烷颗粒污泥以体积比为1:1～1:1.5的混合污泥接种至反应器池体；

2)配制含氨氮和亚硝氮的模拟废水，并向模拟废水中添加维持微生物生长的无机盐和微量元素，将硫化物通过蠕动泵泵入反应器池体，将无机盐、微量元素和模拟废水通过蠕动泵加入反应器池体，模拟废水中初始氨氮浓度为40mg N·L^-1，所述废水中氨氮与亚硝氮质量浓度之比为1:1～1:1.32，氨氮与硫化物质量浓度之比为1:0.55～0.65；

3)维持UASB反应器运行温度为30～37℃，进水pH为7.5～8.0，在避光条件下培养；采用逐步提高进水基质(NH₄ ⁺-N，NO₂ ^--N和S^2-)浓度和/或缩减水力停留时间的方法，有利于获得厌氧氨氧化菌和脱氮硫杆菌大量富集的同步脱氮除硫颗粒污泥，具体的，依据下列方法中的一种或三种交替进行来调节反应器运行：①提高进水基质：每次NH₄ ⁺-N提高幅度为40mg N·L^-1～60mg N·L^-1，所述废水中氨氮与亚硝氮质量浓度之比为1:1～1:1.32，氨氮与硫化物质量浓度之比为1:0.55～0.65；②缩减反应器水力停留时间：调整后的水力停留时间为原水力停留时间的80％～60％；③同步提高进水基质浓度和缩短水力停留时间，其中进水基质浓度的增幅以NH₄ ⁺-N提高幅度为20mg N·L^-1～30mg N·L^-1，所述废水中氨氮与亚硝氮质量浓度之比为1:1～1:1.32，氨氮与硫化物质量浓度之比为1:0.55～0.65，同时缩短反应器水力停留时间为原水力停留时间的90％～70％。

4)监测出水中的NH₄ ⁺-N，NO₂ ^--N，NO₃ ^--N，S^2-和SO₄ ^2-浓度，当总氮去除率大于80％，硫化物去除率大于80％，并能够维持三天以上，表示脱氮除硫颗粒污泥培养成功。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

本发明成功培养了能够同时去除污水中的氨氮、亚硝酸盐和硫化物的自养颗粒污泥，其(1)污泥颗粒性明显，(2)抗冲击能力强，(3)处理效率高，(4)配合UASB反应器的使用可节约占地面积，简化脱氮除硫工艺，(5)投资运行成本低，(6)适宜处理轻工、制药、炼油、制革等行业的含氨氮、亚硝氮和硫化物的废水。

(四)附图说明

图1为升流式厌氧污泥床反应器示意图，1-进水桶A，2-进水桶B，3-进水口，4-蠕动泵，5-反应器池体，6-三相分离器，7-排气口，8-检样口，9-氢氧化钠水溶液桶，10-出水口，11-储水池。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步说明，但是本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

实施例1：

本发明所述的一种同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养主要包括两个阶段：第一阶段为同步脱氮除硫污泥培养阶段，主要目的是脱氮除硫微生物的富集筛选；第二阶段为通过改变水质和水力负荷，实现高效脱氮除硫颗粒污泥的富集阶段。

第一阶段为同步脱氮除硫污泥培养阶段，以含无机盐、微量元素、硫化物的模拟废水作为进水，其成分如下(各组分含量以模拟废水体积计)，无机盐：0.027g·L^-1的KH₂PO₄，0.3g·L^-1的MgSO₄·7H₂O，0.14g·L^-1的CaCl₂；微量元素Ⅰ：EDTA6.25mg·L^-1、FeSO₄11.43mg·L^-1；微量元素Ⅱ：EDTA18.75mg·L^-1，ZnSO₄·7H₂O 0.54mg·L^-1，CoCl₂·6H₂O 0.30mg·L^-1，MnCl₂·4H₂O 1.24mg·L^-1，CuSO₄·5H₂O 0.31mg·L^-1，NaMoO₄·2H₂O 0.28mg·L^-1，NiCl₂·6H₂O 0.26mg·L^-1，H₃BO₄0.02mg·L^-1。最初基质组成：氨氮浓度为40mg N·L^-1，亚硝氮浓度为50mg N·L^-1，硫化物浓度为25mgS·L^-1。其中硫化物通过蠕动泵单独进水(图1中进水桶A)，含无机盐和微量元素的模拟废水通过进水桶B经进水口进入反应器。水力停留时间为10h，从检测口抽样检测污泥质量和出水质量，当反应器出水口处总氮去除率大于80％，硫化物去除率大于80％，并能够维持三天以上的时间，表示脱氮除硫颗粒污泥培养成功。

第二阶段为高效脱氮除硫颗粒污泥富集阶段，在这一阶段中应采用逐步提高进水基质(NH₄ ⁺-N，NO₂ ^--N和S^2-)浓度和缩减水力停留时间的方法，有利于获得厌氧氨氧化菌和脱氮硫杆菌大量富集的同步脱氮除硫颗粒污泥。依据总氮和硫化物去除率选择下列方法之一调节反应器运行：①提高进水基质至以下浓度，每次以NH₄ ⁺-N提高幅度为40mg N·L^-1，NO₂ ^--N和S^2-提高依据比例(氨氮与亚硝氮质量浓度之比为1:1.2，氨氮与硫化物质量浓度之比为1:0.625)进行；②缩减反应器水力停留时间，调整后的水力停留时间为原水力停留时间的80％；③同步提高进水基质浓度和缩短水力停留时间，其中进水基质浓度的增幅以NH₄ ⁺-N提高幅度为20mgN·L^-1，所述废水中氨氮与亚硝氮质量浓度之比为1:1.2，氨氮与硫化物质量浓度之比为1：0.625，同时缩短反应器水力停留时间为原水力停留时间的90％。

本实施例具体方法如下：

参照图1，采用升流式厌氧污泥床(UASB)反应器(有效体积2.5L)，以0.8L厌氧氨氧化颗粒污泥和0.8L产甲烷颗粒污泥的混合污泥为接种物接种至反应器池体内，以含无机盐、微量元素、硫化物的模拟废水作为进水(其成分如第一阶段进水所述)，最初基质组成：氨氮浓度为40mgN·L^-1，亚硝氮浓度为50mg N·L^-1，硫化物浓度为25mg S·L^-1。其中硫化物通过蠕动泵单独进水(图1中进水桶A)，含无机盐和微量元素的模拟废水通过进水桶B经进水口进入反应器，反应器在恒温实验室(32～35℃)、pH为7.5～8.0、避光条件下培养。

反应器运行至第10天，总氮去除率为85.3％，硫化物去除率为82.1％，并且去除效率稳定连续运行3天，在第13天，提高进水NH₄ ⁺-N浓度至80mg N·L^-1，NO₂ ^--N浓度增至90mg N·L^-1，硫化物浓度增至50mg S·L^-1，维持水力停留时间10h不变；反应器运行至第26天，总氮去除率为82.7％，硫化物去除率为83.6％，并且去除效率稳定连续运行3天，在第30天，维持进水基质浓度不变，缩短水力停留时间为8h，反应器运行至第54天，总氮去除率为81.9％，硫化物去除率为83.4％，并且去除效率稳定连续运行3天，在第59天，提高进水NH₄ ⁺-N浓度至100mg N·L^-1，NO₂ ^--N浓度增至120mg N·L^-1，硫化物浓度增至63mg S·L^-1，水力停留时间缩短至7.2h。类似的，当反应器总氮去除率大于80％，硫化物去除率大于80％，并能够维持三天以上的时间，依次根据上述三种方法进入下一负荷提高阶段。

通过183天的连续运行，反应器进水基质浓度达到：NH₄ ⁺-N浓度280mg N·L^-1，NO₂ ^--N浓度336mg N·L^-1，S^2-浓度175mg S·L^-1，水力停留时间为2.5h，此时反应器可稳定维持总氮去除率90％以上，硫化物去除率95％以上。反应器内污泥颗粒状明显，未发生颗粒破碎或颗粒上浮现象，颗粒污泥外观呈现深灰色不规则西兰花形态，粒径4.23±2.18mm，密度1.04±0.06g·cm^-3，能够维持良好的沉降性能与污泥截留能力，保证了反应器能够高负荷运行。

Claims

1.一种同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养方法，其特征在于所述方法为：采用升流式厌氧污泥床反应器，所述反应器包括进水口、出水口、三相分离器和反应器池体；以体积比为1:1～1:1.5的厌氧氨氧化颗粒污泥和产甲烷颗粒污泥为接种污泥，以含氨氮和亚硝氮的模拟废水为进水，向模拟废水中加入硫化物，并加入维持微生物生长的无机盐以及微量元素，逐步提高进水基质浓度和/或缩短水力停留时间来调节反应器运行，在厌氧、避光、温度为30～37℃、进水pH为7.5～8.0的条件下培养，当总氮去除率大于80％，硫化物去除率大于80％，并能够维持三天以上，则同步脱氮除硫颗粒污泥培养成功；

所述模拟废水中氨氮浓度为40mg N·L^-1～300mg N·L^-1，所述氨氮与亚硝氮质量浓度之比为1:1～1.32；所述硫化物与模拟废水中氨氮质量浓度比为0.55～0.65:1；所述进水基质中氨氮浓度的提高幅度为40mgN·L^-1～60mgN·L^-1；所述水力停留时间每次缩短至原水力停留时间的90％～70％。

2.如权利要求1所述同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养方法，其特征在于硫化物通过蠕动泵加入反应器的进水口，所述模拟废水、无机盐和微量元素混合后通过蠕动泵加入反应器的进水口。

3.如权利要求1所述同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养方法，其特征在于所述无机盐包括MgSO₄·7H₂O、KH₂PO₄和CaCl₂，所述MgSO₄·7H₂O添加量为0.02～0.05g/L模拟废水，所述KH₂PO₄添加量为0.025～0.030g/L模拟废水，所述CaCl₂添加量为0.10～0.15g/L模拟废水。

4.如权利要求1所述同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养方法，其特征在于所述微量元素包括微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ，所述微量元素Ⅰ包括EDTA和FeSO₄，模拟废水中EDTA和FeSO₄的添加量分别控制在6.20～6.30mg/L和11.40～11.50mg/L；

所述微量元素Ⅱ包括下列元素：EDTA、ZnSO₄·7H₂O、CoCl₂·6H₂O、MnCl₂·4H₂O、CuSO₄·5H₂O、NaMoO₄·2H₂O、NiCl₂·6H₂O和H₃BO₄，模拟废水中每种物质浓度分别控制在：EDTA18.0～19.0mg/L，ZnSO₄·7H₂O 0.50～0.55mg/L，CoCl₂·6H₂O 0.20～0.40mg/L，MnCl₂·4H₂O 1.22～1.25mg/L，CuSO₄·5H₂O0.30～0.33mg/L，NaMoO₄·2H₂O 0.25～0.30mg/L，NiCl₂·6H₂O 0.24～0.26mg/L，H₃BO₄0.01～0.03mg/L。

5.如权利要求1所述同步脱氮除硫颗粒污泥的快速培养方法，其特征在于所述调节反应器方法为下列之一或三种方法交替进行：①进水基质中NH₄ ⁺-N提高幅度为40mgN·L^-1，所述氨氮与亚硝氮质量浓度之比为1:1～1.3；所述硫化物与模拟废水中氨氮质量浓度比为0.55～0.65:1；②缩减反应器水力停留时间，每次调整后的水力停留时间为原水力停留时间的80％～60％；③同步提高进水基质浓度和缩短水力停留时间，其中进水基质中NH₄ ⁺-N增幅为20mgN·L^-1～30mgN·L^-1，所述氨氮与亚硝氮质量浓度之比为1:1～1.3；所述硫化物与基质中氨氮质量浓度比为0.55～0.65:1，同时缩短反应器水力停留时间为原水力停留时间的90％～70％。