CN107540085A

CN107540085A - 一种促进厌氧同时反硝化产甲烷高效进行的方法

Info

Publication number: CN107540085A
Application number: CN201710842592.5A
Authority: CN
Inventors: 万金泉; 姬保华; 王艳; 马邕文; 关泽宇; 闫志成
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2018-01-05

Abstract

本发明公开了一种促进厌氧同时产甲烷反硝化高效进行的方法。该方法包括如下步骤：将厌氧颗粒污泥接种在厌氧反应器，通入以乙酸钠和丙酸钠为混合碳源的废水，以废水中的硝态氮为氮源，控制废水的进水COD始终保持不变，逐步降低C/N比值，运行厌氧反应器，促进废水厌氧同时反硝化产甲烷。本发明方法通过控制碳源种类和C/N的比值，改善了厌氧同时反硝化产甲烷的反应环境，实现在单一反应器中的厌氧同时反硝化产甲烷，同时减少了体系适应性时间和水力停留时间，污染物去除效率高且出水水质稳定，并且产生清洁能源沼气。

Description

一种促进厌氧同时反硝化产甲烷高效进行的方法

技术领域

本发明属于环境保护领域，涉及有机废水厌氧生物处理，具体涉及促进废水厌氧同时反硝化产甲烷高效进行的方法。

背景技术

在当前的废水生物处理方法中，厌氧生物处理法因具有耐受的有机负荷高、能耗低、运行费用低、剩余污泥量小且稳定、管理方便等诸多优点，已经被广泛使用并且取得良好的处理效果。

在厌氧消化过程中，分为四个阶段：水解阶段、酸化发酵阶段、产酸阶段、产甲烷阶段。水解阶段是在水解酶的作用下将化合物裂解成两个或多个简单化合物的生物化学过程。酸化发酵阶段是在水解阶段产生的小分子溶解性化合物通过细胞膜进入酸化菌的细胞内部，转化成更简单的如挥发性脂肪酸、醇类、乳糖等末端产物并分泌到细胞外。产酸阶段（酸化发酵阶段的末端）产物在厌氧微生物产氧产乙酸菌的作用下，转化为乙酸、CO₂、H₂以及新的细胞物质。产甲烷阶段是产甲烷菌将乙酸、氧气、碳酸、甲酸和甲醇等物质转化为甲烷、二氧化碳和细胞物质。

在产甲烷过程中，甲烷的形成是由一群生理上高度专业化的古细菌—产甲烷菌所引起。产甲烷菌是一类特殊的原核微生物，生长在严格厌氧的环境中，是目前已知要求氧化还原电势最低的菌。它们不能用复杂的有机物作为能量来源，只能利用氢气、二氧化碳、甲酸、乙酸等简单物质合成甲烷进行能量代谢，是厌氧发酵过程的最后一个成员，甲烷的生物合成是自然界碳素循环的关键链条。

在生物反硝化系统中，反硝化菌可以利用碳源作为电子供体，NO₃ ^-和NO₂ ^-作为电子受体，将NO₃ ^-和NO₂ ^-还原成氮气，同时达到去除有机物的效果。含氮废水处理过程中反硝化反应是NO₃ ^--N在反硝化菌的作用下转化为氮气N₂从水中逸出。除了氮的反硝化作用外，该系统微生物对氮素的转化还可能会有异化硝酸盐还原为铵(dissimilatory nitratereduction to ammonium，DNRA)。同时进水的碳源种类也是影响生物脱氮除氮效果的重要因素。

通常认为产甲烷菌和反硝化菌是两大类性质迥异的微生物，在厌氧同时反硝化产甲烷体系中，不同的COD/NO_x ^--N比和不同性质的碳源会对系统中的基质如碳和氮的代谢产生影响。体系中不同微生物之间抑制并竞争底物基质，从而在特定条件下形成不同的种群结构。

研究表明反硝化细菌和产甲烷细菌对生活环境的要求有很大的不同，同时含氮化合物对于产甲烷反应存在竞争和毒害抑制作用。其中，反硝化菌脱氮过程的中间产物(氮氧化物) 对产甲烷菌有着一定的毒害作用，从而使得脱碳过程受阻。另外，反应器运行过程也表现出同时产甲烷反硝化的颗粒污泥的强度较单独产甲烷的要小，甚至会出现硝氮负荷增加导致污泥解体现象。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中单一反应器厌氧同时反硝化产甲烷存在的包括停留时间过长和去除效率的不足问题，提供了一种促进厌氧同时反硝化产甲烷高效进行的方法。该方法通过控制碳源种类和C/N的比值，进而促进废水厌氧同时反硝化产甲烷，对含碳含氮有机废水进行高效处理。

本发明的目的通过如下技术方案实现。

一种促进厌氧同时反硝化产甲烷高效进行的方法，包括如下步骤：

将厌氧颗粒污泥接种在厌氧反应器，通入以乙酸钠和丙酸钠为混合碳源的废水，以废水中的硝态氮（NO₃ ^--N）为氮源，运行厌氧反应器，控制废水的进水COD始终保持不变，逐步降低C/N比值，促进废水厌氧同时反硝化产甲烷。

进一步地，所述厌氧颗粒污泥取自运行良好的厌氧反应器，且VSS/TSS（挥发性悬浮固体/总悬浮固体）不低于50%。

进一步地，采用的厌氧反应器为广泛应用的厌氧反应器，包括IC反应器，在运行过程中能保证反应器内部完全的厌氧环境。

选用IC反应器作为厌氧同时反硝化产甲烷的反应器，具有机负荷高、节省时间、能耗低、运行费用低、剩余污泥量小且稳定、出水质稳定等优点。

进一步地，所述乙酸钠和丙酸钠的比值为1:1。

进一步地，运行过程中，废水的进水COD不超过3000mg/L。

进一步地，所述废水中添加废水质量0.1%的微量元素。

进一步地，运行过程中，控制进水水温和反应器内温度保持在31~37℃。

进一步地，控制进水pH值不低于7.2，通过在进水中添加碳酸氢盐维持体系的pH缓冲能力，以维持体系pH值不低于7.2。

进一步地，运行过程中，水力停留时间为20~28h。

进一步地，所述C/N比值最终稳定为10:1。

进一步地，逐步降低C/N比值的过程为：在第0-10天，控制进水硝态氮的浓度为0mg/L；在第11-20天，控制进水中C/N 比值为40:1，进水硝态氮的最高浓度为75mg/L；在第21-30天，控制进水比C/N比值为20:1，进水硝态氮的最高浓度为150mg/L；在第31-40 天，控制进水C/N 比值为10:1，进水硝态氮的最高浓度为300mg/L。

C/N比值最终稳定为10:1，保证了C/N比值在40~10：1均可运行。

在废水厌氧同时反硝化产甲烷的过程中，废水首先由蠕动泵进入反应器底部的布水系统，与来自下降管的泥水混合液进行充分的混合，然后进入到第一反应室的颗粒污泥膨胀床进行 COD和NO₃ ^--N的生物降解，废水中大部分的有机物在这里被降解，产生了大量的沼气；所产生的沼气连同第一反应室的泥水混合液一起沿着沼气提升管上升至顶部的气液分离器，大部分沼气脱离混合液从分离器的导管排出，泥水混合液由于重力作用沿着回流管返回至反应器的底部，并与进水以及底部的颗粒污泥充分混合，形成内循环。由于内循环的形成，第一反应室不仅具有较高的生物量，而且具有较大的液相上升流速，使得第一反应室的颗粒污泥处于流化状态。第一反应室的出水自动进入第二反应室进行继续处理，废水中的剩余有机物被进一步生物降解，产生的沼气由第二反应器的集气罩收集并沿着提升管上升至顶部的气液分离器进行分离，并从排气口排出后被收集。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

本发明方法通过控制碳源种类和C/N的比值，改善了厌氧同时反硝化产甲烷的反应环境，实现在单一反应器中的厌氧同时反硝化产甲烷，同时减少了体系适应性时间和水力停留时间，污染物去除效率高且出水水质稳定，并且产生清洁能源沼气。

附图说明

图1 为实施例1中出水的COD 浓度及COD去除率随时间变化图；

图2为实施例1中进出水的硝态氮（NO₃ ^--N）浓度及其去除率随时间图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式及附图对本发明技术方案作进一步详细描述，但本发明的保护范围不限于此。

本发明具体实施例中，促进厌氧同时产甲烷反硝化高效进行的方法，包括如下步骤：

将取自废水处理厂运行良好的IC反应器底部的厌氧颗粒污泥为接种污泥，接种在IC反应器中，接种时污泥总悬浮固体（TSS）浓度为29.41g/L，挥发性悬浮固体(VSS)浓度为20.35g/L，VSS/SS=69.19%；

通入以丙酸钠和乙酸钠（摩尔比1:1）为混合碳源的废水，进水COD为3000mg/L，以废水中的NaNO₃为氮源，废水中的COD浓度保持在3000mg/L不变，NO₃ ^--N含量逐步提高从而逐步降低C/N比值，并最后使NO₃ ^--N含量稳定在300mg/L，使C/N比值维持在10:1进行厌氧同时反硝化产甲烷反应，具体过程为：首先在第0-10天，控制进水中NO₃ ^--N的浓度为0mg/L；在第11-20天，控制进水中C/N 为40:1，NO₃ ^--N的浓度为75mg/L；第21-30天，控制进水中C/N比为20:1，NO₃ ^--N的浓度为150mg/L；第31-40 天，控制进水C/N 为10:1，NO₃ ^--N的浓度为300mg/L；

同时，废水中添加废水质量0.1%的微量元素，运行过程中，通过加热装置使得进水水温和反应器内温度保持在35±1℃，水力停留时间为24h，并且添加碳酸氢盐调节反应体系的pH值为7.6±0.2。

实施例1

促进厌氧同时反硝化产甲烷高效进行的方法，具体包括如下步骤：

（1）将取自废水处理厂运行良好的IC反应器底部的厌氧颗粒污泥为接种污泥，接种在IC反应器中，接种时污泥总悬浮固体（TSS）浓度为29.41g/L，挥发性悬浮固体(VSS)浓度为20.35g/L，VSS/TSS=69.19%，厌氧颗粒污泥的接种量为1L；

使用人工配制的以丙酸钠和乙酸钠（丙酸钠:乙酸钠=1:1，摩尔比）为混合碳源的废水，废水的COD为3000mg/L，废水以NaNO₃为氮源；

通过投加碳酸氢盐保证废水pH值稳定在7.6±0.2之间；同时向进水中补充微量元素，微量元素组成及配比为：EDTA 5.0 g/L、CaCl₂·2H₂O 5.5g/L、FeSO₄·7H₂O 5.0g/L、ZnSO4·7H₂O 2.2g/L、CoCl₂·6H₂O 1.6g/L、MnCl₂·6H₂O 5.0g/L、CuSO₄·5H₂O 5.0g/L、MgSO₄·7H₂O 1.6g/L、NiCl₂·6H₂O 0.6g/L、Na₂MoO₄·2H₂O 5.0g/L；

在IC反应器运行过程中，通过加热装置，使得进水水温和反应器内温度保持在35±1℃，同时废水的水力停留时间为24h；

通过调控m(COD)/m(NO₃ ^--N)的比值废水在IC反应器中进行厌氧同时反硝化产甲烷反应，废水的进水COD浓度保持在3000mg/L不变，NO₃ ^--N含量逐步提高并最后使NO₃ ^--N含量稳定在300mg/L，使C/N比值维持在10:1进行厌氧同时反硝化产甲烷反应，具体过程为：首先在第0-10天，控制进水中NO₃ ^--N的浓度为0mg/L；在第11-20天，控制进水中C/N 为40:1，NO₃ ^--N的浓度为75mg/L ；在第21-30天，控制进水中C/N比为20:1，NO₃ ^--N的浓度为150mg/L；在第31-40天，控制进水C/N 为10:1，NO₃ ^--N的浓度为300mg/L。

出水的COD 浓度及COD去除率随时间变化图如图1所示，由图1可知，在进水COD维持3000左右不变的情况下，在第一阶段（第0-10天）出水COD的去除率，达到85.53%；在第二阶段（第11-20天）加入NO₃ ^--N后，出水COD的去除率提高到91.59%；在第三阶段（第21-30天）出水COD的去除率继续上升，达到94.98%；在第四阶段（第31-40天）出水COD的去除率稳定在96%以上。

进出水的硝态氮（NO₃ ^--N）浓度及其去除率随时间图如图2所示，由图2可知，在第一阶段（第0-10天）没有加入NO₃ ^--N，使厌氧颗粒污泥适应废水环境；在第二阶段（第11-20天）出水NO₃ ^--N的去除率稳定在97%后，进一步提高进水NO₃ ^--N的浓度；在第三阶段（第21-30天）出水NO₃ ^--N的浓度为4.11mg/L，NO₃ ^--N的除率达到97.26%；第四阶段（第31-40天）在NO₃ ^--N进水浓度进一步增加，出水NO₃ ^--N的去除率仍维持在97%，并结合图1可以看出水COD的去除率稳定在96%以上。

以上结果显示，在以IC反应器处理以乙酸钠和丙酸钠的混合碳源与硝酸盐为氮源的废水，碳源COD的浓度维持在3000mg/L，阶段性的提高进水NO₃ ^--N的浓度，通过控制C/N比值逐步提高，实现了在单一反应器中促进厌氧同时反硝化产甲烷的高效进行，使得出水COD的去除率稳定在96%以上以及出水NO₃ ^--N的去除率稳定达到97%，出水有机物污染物去除率高；同时，出水水质稳定并且减少了反应体系适应性时间短和水力停留时间

以上实施例仅为本发明较优的实施方式，仅用于解释本发明，而非限制本发明，本领域技术人员在未脱离本发明精神实质下所作的改变、替换、修饰等均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种促进厌氧同时反硝化产甲烷高效进行的方法，其特征在于，包括如下步骤：

将厌氧颗粒污泥接种在厌氧反应器，通入以乙酸钠和丙酸钠为混合碳源的废水，以废水中的硝态氮为氮源，运行厌氧反应器，控制废水的进水COD始终保持不变，逐步降低C/N比值，促进废水厌氧同时反硝化产甲烷。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述厌氧颗粒污泥的VSS/TSS不低于50%。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述乙酸钠和丙酸钠的摩尔比值为1:1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运行过程中，废水的进水COD不超过3000mg/L。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述废水中添加废水质量0.1%的微量元素。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运行过程中，控制进水水温和反应器内温度保持在31~37℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运行过程中，控制进水pH值不低于7.2。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，运行过程中，水力停留时间为20~28h。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述C/N比值最终稳定为10:1。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，逐步降低C/N比值的过程为：在第0-10天，控制进水硝态氮的浓度为0mg/L；在第11-20天，控制进水中C/N 比值为40:1，进水硝态氮的最高浓度为75mg/L；在第21-30天，控制进水比C/N比值为20:1，进水硝态氮的最高浓度为150mg/L；在第31-40 天，控制进水C/N 比值为10：1，进水硝态氮的最高浓度为300mg/L。