CN105330015B - 反硝化过程中最大亚硝酸盐积累的方法 - Google Patents

反硝化过程中最大亚硝酸盐积累的方法 Download PDF

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Abstract

反硝化过程迅速实现最大亚硝酸盐累的方法，属于污水生物处理技术领域。本方法通过接种初沉污泥实现反硝化过程最大亚硝酸盐积累，具体包括以下步骤：以初沉污泥为接种污泥，维持进水后混合液污泥浓度MLSS在2000～4000mg/L；投加乙酸钠作为反硝化碳源，控制投加后COD/NO3 ‑‑N在2.5～3.5之间；控制反应器内pH值在9～9.5，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，种泥来源丰富，出水中亚硝酸盐积累率达到85％～95％，可以作为厌氧氨氧化反应电子受体来源。

Description

反硝化过程中最大亚硝酸盐积累的方法
技术领域
本发明涉及一种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。具体是接种污水厂初沉池底泥，乙酸钠为碳源，通过控制反硝化过程中乙酸钠的投加量以及维持反应过程中pH值为9～9.5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
由于水体中氮磷含量超标引起的水体富营养化问题非常严峻，污水排放标准日益严格，为了满足排放标准，污水的脱氮除磷技术的研发和应用仍然是水处理领域的重点问题。传统的生物脱氮技术是通过时间和空间上的好氧与缺氧实现硝化与反硝化，首先在好氧条件下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，从而实现氮元素从污水中去除，达到脱氮的目的。然而传统脱氮工艺存在能耗大，处理效果不理想，剩余污泥产量大等缺点，目前开发经济、高效、低能耗的处理工艺成为污水处理领域的研究重点。
基于传统脱氮除磷工艺存在的问题以及原理，为了克服这些问题，新兴的厌氧氨氧化工艺成为了研究的重点。厌氧氨氧化工艺是在缺氧条件下，微生物以NH4 +-N作为电子供体将NO2 --N还原成N2的生物反应。其与硝化作用相比，它以NO2--N取代氧气，改变了末端电子受体；与反硝化作用相比，它以NH4+-N取代有机物，改变了电子供体。反应过程中不需要外加碳源，节省曝气，产生的污泥量少，是目前经济高效的新兴生物脱氮技术。厌氧氨氧化工艺需要亚硝酸盐作为电子受体，而亚硝酸盐在污水中较难获得，需要从其他形式的氮元素转化而来，因此实现稳定的亚硝酸盐积累是本反应实现的前提。
获得亚硝酸盐主要有一下两种形式：
1)短程硝化，NH4 +氧化为NO2 -：NH4 ++3/2O2→NO2 -+H2O+2H+；
2)NO3 -反硝化过程中产生NO2 -积累：NO3 -+2e-+2H+→NO2 -+H2O
短程硝化是通过控制溶解氧、温度、pH值、游离氨的抑制作用来实现，其技术原理是利用适当条件下氨氧化菌生长速率大于亚硝酸盐氧化菌，然后通过控制适当的污泥龄来达到将亚硝酸盐氧化菌淘洗出反应器的目的，从而实现短程硝化。但是该方法存在启动时间长，容易被破坏，控制过程复杂等不足，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 -与NO2 -→N2两个过程实现氮元素从水体中去除，通过控制一定的条件可以实现反硝化过程中只进行NO3 -→NO2 -这一步骤，实现亚硝酸盐的积累。通过控制反硝化过程实现亚硝酸盐积累，为厌氧氨氧化提供电子受体，对含有大量硝酸盐废水(工业生产硝酸铵产生的废水、城市污水处理厂二级出水、高氨氮废水经厌氧氨氧化工艺处理后的出水等)进行深度脱氮的的应用提供了重要途径。
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题，提出了一种以污水厂初沉污泥为接种污泥，利用乙酸钠为碳源，通过控制反应器内pH值以及COD/NO3 -N，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：
一种反硝化过程迅速实现最大亚硝积累的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接种初沉池污泥，控制反应过程中污泥浓度为2000～4000mg/L。
(2)硝酸盐废水进入反硝化反应器后，调节反应器内pH值为9～9.5，然后投加乙酸钠使系统初始COD/NO3 --N质量百分比浓度在2.5～3.5之间；
(3)缺氧搅拌，具体时间设定如下：第一个周期，搅拌开始后每隔一小时测量反应器内NO3 --N浓度，当两次NO3 --N浓度差<1mg/L时停止搅拌，从开始到第一个周期结束的时间长度设定为第二周期的总反应时间设定长度，依次类推即将从开始到前一个周期结束的时间长度设定为下一周期的总反应时间设定长度；从第二个周期开始每周期将总反应时间设定长度平均分为六至十段，检测每段时间终点时反应器内NO3 --N浓度；当首次出现两个终点NO3 --N浓度相差<1mg/L时后，该周期从开始到终点的时间即为下一个周期缺氧搅拌的设定时间，如果不出现则继续维持前一周期原设定时间。在整个过程中检测反应器内pH值变化，通过投加强碱溶液控制反应器内pH值保持在9～9.5，当亚硝酸盐积累率达到85％以上标志快速启动成功。停止控制pH值继续培养，实现最大亚硝酸盐积累。
技术原理：
根据反硝化菌对和NO3的还原能力，可将反硝化菌分为三类，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类菌占绝大多数，从而反硝化过程中不会出现亚硝酸盐的积累。然而在初沉池这样特异的生长条件下，污泥中A类和C类反硝化菌相对含量比较多，有利于反硝化过程中亚硝酸盐的积累。本发明充分利用此种污泥的特性来实现反硝化过程亚硝酸的最大积累。反硝化过程中仅仅进行了NO3 -N到NO2 -N这一过程，需要的碳源少，所以合适的COD/NO3 -N对反硝化过程中亚硝酸盐的积累起到重要作用。乙酸钠为极易利用的优质碳源，适宜用作反硝化的碳源。由式(2)和式(3)可看出反硝化NO3 -N到NO2 -N这一步并不产生碱度，全部的碱度都是由NO2 -N到N2这一步产生的。根据化学平衡，高pH值条件下不利于式(2)反应的进行，而对式(3)的反应影响相对较小。因此本发明中反应器内维持较高的pH值，这为主要进行式(3)反应的A类菌和C类菌的富集创造了条件。
8NO3 -+5CH3COO-→10CO2+6H2O+4N2+8OH- (1)
8NO2 -+3CH3COO-→6CO2+2H2O+4N2+8OH- (2)
4NO3 -+CH3COO-→2CO2+2H2O+4NO2 - (3)
本发明反硝化过程中迅速实现最大亚硝酸盐积累的方法具有以下优势：
(1)接种的初沉污泥本身含有A类菌和C类菌的比例比较大，启动时间短；主要操作只有控制初始COD/NO3 -N的比例与pH值，全程搅拌即可，操作简便，获得的亚硝酸盐积累率高；
(2)与短程硝化得到亚硝酸盐积累相比本方法操作简便，能获得较高且稳定的亚硝酸盐积累；
附图说明
图1是某一周期内亚硝酸盐积累过程中COD浓度、NO3 -N浓度、NO2 -N浓度、NAR(亚硝酸盐积累率，即生成的亚硝酸盐的量/消耗的硝酸盐的量)随时间变化的曲线。
图2是长期培养过程中NAR随周期变化的曲线。
具体实施方式
结合具体实验实例对本方法做进一步说明：
采用SBR反应器进行反硝化过程中亚硝酸盐积累的实验，反应器有效容积为10L；该SBR反应器每周期包括进水6min，缺氧搅拌35min，沉淀20min，之后排出上清液，排水比为50％。
具体包括以下步骤：
(1)接种初沉池污泥，控制进水污泥浓度为2000～4000mg/L。
(2)硝酸盐废水进入反硝化反应器后，调节反应器内pH值为9～9.5，然后投加乙酸钠使系统初始COD/NO3 --N在2.5～3.5之间；
(3)缺氧搅拌，具体时间设定如下：第一个周期，搅拌开始后每隔一小时测量反应器内NO3 --N浓度，当两次NO3 --N浓度差<1mg/L时停止搅拌，从开始到第一个周期结束的时间长度设定为第二周期的总反应时间设定长度，依次类推即将从开始到前一个周期结束的时间长度设定为下一周期的总反应时间设定长度；从第二个周期开始每周期将总反应时间设定长度平均分为六至十段，检测每段时间终点时反应器内NO3 --N浓度；当首次出现两个终点NO3 --N浓度相差<1mg/L时后面那个终点的时间即为下一个周期缺氧搅拌的设定时间，如果不出现则继续维持原设定时间。检测反应器内pH值变化，通过投加强碱溶液控制反应器内pH值保持在9～9.5，到达反应时间后停止搅拌，沉淀20～40min后排水。
某一具体周期反硝化过程中亚硝酸盐积累的情况如下：
如图1所示，首先反应器进入事先配好的水，此时反应器内COD浓度为76mg/L，pH值为9～9.5，NO3 --N浓度为29mg/L，NO2 --N浓度为19mg/L，此时系统初始COD/NO3 -N为2.6。经过30min后停止搅拌，沉淀20min后排水，出水NO3 --N浓度为0mg/L，NO2 --N浓度为46mg/L，表现出较高的亚硝酸盐积累特性。
连续实验结果表明：
如图2所示，采用污水处理厂初沉池底泥作为反硝化的接种污泥，维持进水后混合液污泥浓度MLSS在3000～4000mg/L，进水NO3 --N浓度在26～32mg/L之间，投加乙酸钠作为反硝化碳源，控制投加后COD/NO3 --N在2.5～3.0之间，检测反应的pH值并通过投加强碱溶液使反应器内pH值保持在9～9.5。在上述条件下，经过五个周期的培养，出水中的亚硝酸盐积累达到85％以上，继续培养十五周期后停止控制pH值继续培养，出水亚硝酸盐积累率依然稳定在85％以上，出水NO2 --N浓度范围在42～52mg/L之间，实现了反硝化过程亚硝酸盐的最大积累，并且长期培养性状稳定。
其中第一周期缺氧搅拌时间为10h，随着反应周期的增多缺氧搅拌时间不断缩短，当7h后测定的相邻两次NO3 --N浓度差<1mg/L时停止搅拌，第二周期设定为7h。将总反应时间7h平均分为六段，当首次出现两个终点NO3 --N浓度相差<1mg/L时后为6h。6h为第三周期周期缺氧搅拌的设定时间。经过十五个周期缺氧搅拌时间缩短到30min。

Claims (1)

1.一种反硝化过程迅速实现最大亚硝酸盐积累的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接种初沉池污泥，控制反应过程中污泥浓度为2000～4000mg/L；
(2)硝酸盐废水进入反硝化反应器后，调节反应器内pH值为9～9.5，然后投加乙酸钠使系统初始COD/NO3 --N在2.5～3.5之间；
(3)缺氧搅拌，具体时间设定如下：第一个周期，搅拌开始后每隔一小时测量反应器内NO3 --N浓度，当两次NO3 --N浓度差<1mg/L时停止搅拌，从开始到第一个周期结束的时间长度设定为第二周期的总反应时间设定长度，依次类推即将从开始到前一个周期结束的时间长度设定为下一周期的总反应时间设定长度；从第二个周期开始每周期将总反应时间设定长度平均分为六至十段，检测每段时间终点时反应器内NO3 --N浓度；当首次出现两个终点NO3 --N浓度相差<1mg/L时后，该周期从开始到终点的时间即为下一个周期缺氧搅拌的设定时间，如果不出现则继续维持前一周期原设定时间；在整个过程中检测反应器内pH值变化，通过投加强碱溶液控制反应器内pH值保持在9～9.5，当亚硝酸盐积累率达到85％以上标志实现了最大亚硝酸盐积累。
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