CN107601661A

CN107601661A - 一种含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法

Info

Publication number: CN107601661A
Application number: CN201710716666.0A
Authority: CN
Inventors: 金仁村; 徐佳佳; 程雅菲; 朱颖红; 季正权
Original assignee: Hangzhou Normal University
Current assignee: Hangzhou Normal University
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2018-01-19

Abstract

本发明提供了一种含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法：采用上流式厌氧污泥床反应器，以厌氧氨氧化颗粒污泥为接种源，以含有氨氮和亚硝氮的模拟废水为进水，并加入维持微生物生长的无机盐缓冲液和微量元素，逐步提高反应器进水的锰离子负荷来调节反应器运行，在厌氧、避光、温度为35±1℃、进水pH为7.75～7.85、水力停留时间为0.9～1.0h的条件下培养至反应器污泥活性为接种污泥活性的2～3倍时即完成培养。依据本发明所述的方法培养出来的耐受高浓度锰离子的厌氧氨氧化颗粒污泥活性高，沉降性能优，脱氮性能好。

Description

一种含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法

(一)技术领域

本发明涉及一种厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法，特别涉及一种含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法。

(二)背景技术

厌氧氨氧化作为一种新型高效生物脱氮工艺，具有高效低耗的优势，已经成功应用于处理多种废水。同时，该工艺具有无需外加有机碳源，脱氮效率高、运行费用低和占地面积小等优点。

由于锰及其化合物是工业的关键原料，已被广泛应用于化工、轻工、建材等行业，它们是很常见的废水和地下水污染物。此外，锰经常用于不锈钢、锰钢、镍铬、锰铝等合金中。锰和氨氮是电解锰废水、锰矿矿渣废水、养殖废水中的共存污染物，随着厌氧氨氧化工艺在这些废水脱氮领域的推广应用，需考虑到锰离子对厌氧氨氧化污泥的综合作用，尤其是长期作用。

锰离子对于细菌是必不可少的微量营养元素，被用作金属蛋白酶和某些酶的辅因子，并在低浓度时在促进代谢中发挥重要作用。然而，由于锰离子与酶的化学结合，过量的锰离子对生物化学反应和微生物具有抑制性甚至有毒性，从而改变其酶结构和功能。此外，锰离子是不可生物降解的并且可以在微生物中积累，可能会导致厌氧氨氧化菌活性的降低，反过来又影响工艺性能和操作效率，甚至可能导致系统崩溃。因此，发明一种含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法十分有必要。本发明经过长时间驯化，逐步增加锰离子负荷的方法，以减轻瞬间高浓度锰离子对厌氧氨氧化菌的冲击和毒害，从而提高厌氧氨氧化工艺对含有高浓度锰离子废水的适用性，同时所培养的颗粒污泥具有污泥活性高、沉降性能优、脱氮性能好等特点。

(三)发明内容

本发明目的是为消除高浓度锰离子对厌氧氨氧化颗粒污泥的不利影响，在驯化期间，通过逐步提高锰离子负荷，能够使厌氧氨氧化颗粒污泥处理含高浓度锰离子的废水，同时脱氮性能较高。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法，所述方法包括以下步骤：

1)采用上流式厌氧污泥床反应器(所述反应器包括进水口、出水口和反应器主体)，以厌氧氨氧化颗粒污泥为接种源，以人工配制的含NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N的模拟废水为进水，并加入维持微生物生长的无机盐缓冲液和微量元素I、微量元素II；其中，NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N分别以NH₄Cl、NaNO₂提供；

2)反应器采用连续流方式运行，先在厌氧、避光、温度为35±1℃、进水pH为7.75～7.85、水力停留时间为0.9～1.0h的条件下稳定运行15～20d；

3)采用逐步分阶段增加锰离子负荷对厌氧氨氧化污泥进行驯化，且每阶段锰离子浓度增加幅度为前一阶段的2～2.5倍，每次调整锰离子浓度后驯化15～30d(即在厌氧、避光、温度为35±1℃、进水pH为7.75～7.85、水力停留时间为0.9～1.0h的条件下培养，锰离子加入量以进水中锰离子终浓度计)，当锰离子终浓度200mg·L^-1运行至反应器污泥活性为接种污泥活性的2～3倍时即完成培养；在驯化过程中，保证不同锰离子浓度驯化的进水NH₄ ⁺-N:NO₂ ^--N物质的量之比为1:1.1～1.2。

进一步，所述锰离子的加入量为1～200mg·L^-1。

进一步，所述模拟废水中NH₄ ⁺-N浓度为280mg·L^-1，NO₂ ^--N浓度为280mg·L^-1，溶剂为自来水；所述无机盐缓冲液在模拟废水中的终浓度组成如下：KH₂PO₄ 10mg·L^-1，CaCl₂·2H₂O 5.6mg·L^-1，MgSO₄·7H₂O 300mg·L^-1，KHCO₃ 1250mg·L^-1。

进一步，所述微量元素由微量元素I、微量元素II各1.25mL加入到1L进水中，其中微量元素I的终浓度组成如下：EDTA 5000mg·L^-1，FeSO₄·7H₂O 9140mg·L^-1，溶剂为去离子水；微量元素II终浓度组成如下：EDTA 15000mg·L^-1，ZnSO₄·7H₂O 430mg·L^-1，CoCl₂·6H₂O240mg·L^-1，MnCl₂·4H₂O 990mg·L^-1，CuSO₄·5H₂O 250mg·L^-1，NaMoO₄·2H₂O 220mg·L^-1，NiCl₂·6H₂O 210mg·L^-1，H₃BO₄ 14mg·L^-1，溶剂为去离子水。

更进一步，所述模拟废水组成为：NH₄ ⁺-N 280mg·L^-1，NO₂ ^--N 280mg·L^-1；KH₂PO₄10mg·L^-1，CaCl₂·2H₂O 5.6mg·L^-1，MgSO₄·7H₂O300mg·L^-1，KHCO₃ 1250mg·L^-1，溶剂为自来水；微量元素I、微量元素II各1.25mL加入1L进水中，微量元素I：EDTA 5000mg·L^-1，FeSO₄·7H₂O9140mg·L^-1，溶剂为去离子水；微量元素II：EDTA 15000mg·L^-1，ZnSO₄·7H₂O430mg·L^-1，CoCl₂·6H₂O 240mg·L^-1，MnCl₂·4H₂O 990mg·L^-1，CuSO₄·5H₂O 250mg·L^-1，NaMoO₄·2H₂O 220mg·L^-1，NiCl₂·6H₂O 210mg·L^-1，H₃BO₄ 14mg·L^-1，溶剂为去离子水。

进一步，所述接种厌氧氨氧化颗粒污泥浓度为15～30g·L^-1。

进一步，所述进水中添加的锰离子量不包括微量元素II中锰离子的含量。

进一步，所述接种厌氧氨氧化颗粒污泥体积占反应器总体积的70％～90％，粒径为2.0～2.8mm；活性为250～260g TN·g^-1VSS·d^-1。

进一步，所述锰离子加入方法为：先在进水中添加Mn²⁺终浓度1mg·L^-1，在厌氧、避光、温度为35±1℃、进水pH为7.75～7.85、水力停留时间为0.9～1.0h的条件下培养15d，然后调整进水中Mn²⁺终浓度为2mg·L^-1，继续培养15d，继续增加进水Mn²⁺浓度至5mg·L^-1培养15d后再增加进水Mn²⁺浓度至10mg·L^-1继续驯化15d；紧接着增加进水中Mn²⁺终浓度为15mg·L^-1培养30d；再次调整进水中Mn²⁺浓度为20mg·L^-1培养15d，继续调整至50mg·L^-1培养15d；如此逐步分阶段增加锰离子负荷对厌氧氨氧化污泥进行驯化，且每阶段锰离子浓度增加幅度为前一阶段的2～2.5倍，每次调整锰离子浓度后驯化15～30d，当Mn²⁺浓度高达200mg·L^-1时，反应器污泥活性为接种污泥活性的2～3倍时即完成培养。

与现有技术相比，本发明有益效果主要体现在：本发明培养出来的厌氧氨氧化颗粒污泥在模拟废水中添加Mn²⁺为100～200mg·L^-1时，可以培养出粒径为3.0～3.2mm、沉降速率为160～170m·h^-1、污泥活性为560～570g TN·g^-1VSS·d^-1和氮去除率为91～94％的颗粒污泥，从而有效地提高反应器运行负荷。

(四)附图说明

图1是上流式厌氧污泥床反应器的结构示意图；图1中：1.下锥体；2.进水口；3.反应器主体；4.上锥台；5.沉淀区；6.出水口；7.三相分离器。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

本发明实施例中Mn²⁺以MnCl₄·4H₂O的形式加入。

实施例1：

在连续流中，采用有效体积为1L上流式厌氧污泥床(UASB)反应器(如图1)，以活性为258g TN·g^-1VSS·d^-1的厌氧氨氧化颗粒污泥为接种污泥(接种厌氧氨氧化颗粒污泥体积占反应器总体积的70％～90％，粒径为2.0～2.8mm)，以含NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N的模拟废水为进水，并加入维持微生物生长的无机盐缓冲液和微量元素I、微量元素II来调节反应器的运行，在厌氧、避光、温度为35±1℃、进水pH为7.79、水力停留时间为0.96h的条件下对污泥进行培养。其中模拟废水组成：NH₄ ⁺-N 280mg·L^-1，NO₂ ^--N 280mg·L^-1，溶剂为自来水；无机盐缓冲液在模拟废水中的终浓度组成：KH₂PO₄ 10mg·L^-1，CaCl₂·2H₂O 5.6mg·L^-1，MgSO₄·7H₂O300mg·L^-1，KHCO₃ 1250mg·L^-1；微量元素I、微量元素II各1.25mL加入1L进水中，微量元素I：EDTA 5000mg·L^-1，FeSO₄·7H₂O 9140mg·L^-1，溶剂为去离子水；微量元素II：EDTA15000mg·L^-1，ZnSO₄·7H₂O 430mg·L^-1，CoCl₂·6H₂O 240mg·L^-1，MnCl₂·4H₂O 990mg·L^-1，CuSO₄·5H₂O 250mg·L^-1，NaMoO₄·2H₂O 220mg·L^-1，NiCl₂·6H₂O 210mg·L^-1，H₃BO₄ 14mg·L^-1，溶剂为去离子水。

设置两个完全相同的UASB反应器作为对照组和实验组。对照组为不添加Mn²⁺的一组，实验组为额外添加一定浓度Mn²⁺(不包括微量元素II中Mn²⁺的含量)的一组。采用逐渐增加Mn²⁺浓度的方式进水，分为5个阶段。第1阶段，实验组先在进水中添加Mn²⁺终浓度1mg·L^-1，驯化15d，然后调整进水中Mn²⁺终浓度为2mg·L^-1，继续驯化15d，对照组同样条件下运行30d，第30d时，对照组中污泥活性和沉降速率分别为349.0mg N·g^-1VSS·d^-1和79.2m·h^-1，实验组(1mg·L^-1，2mg·L^-1，各运行15d)内污泥活性和沉降速率分别为362.3mg N·g^- ¹VSS·d^-1和81.4m·h^-1，相对于对照组，分别增加了3.8％和2.8％；第2阶段，继续增加实验组进水Mn²⁺浓度至5mg·L^-1驯化15d后再增加实验组进水Mn²⁺浓度至10mg·L^-1继续驯化15d，第60d时，对照组中污泥活性和沉降速率分别为440.0mg N·g^-1VSS·d^-1和80.3m·h^-1，实验组(5mg·L^-1，10mg·L^-1，各运行15d)内污泥活性和沉降速率分别为448.0mg N·g^-1VSS·d^-1和89.4m·h^-1，相对于对照组，分别增加了1.8％和11.3％；第3阶段，紧接着实验组反应器在进水Mn²⁺浓度为15mg·L^-1的条件下驯化30d后，对照组中污泥活性和沉降速率分别为512.2mgN·g^-1VSS·d^-1和83.5m·h^-1，实验组内污泥活性和沉降速率分别为781.2.0mg N·g^-1VSS·d^-1和105.4m·h^-1，相对于对照组，分别增加了52.5％和26.2％；第4阶段，再次调整实验组进水中Mn²⁺浓度为20mg·L^-1驯化15d，继续调整至50mg·L^-1驯化15d，第120d时，对照组中污泥活性和沉降速率分别为562.7mg N·g^-1VSS·d^-1和81.8m·h^-1，实验组(20mg·L^-1，50mg·L^-1，各运行15d)内污泥活性和沉降速率分别为666.0mg N·g^-1VSS·d^-1和127.9m·h^-1，相对于对照组，分别增加了18.4％和56.4％；第5阶段，当Mn²⁺浓度高达200mg·L^-1时，对照组中污泥活性和沉降速率分别为627.8mg N·g^-1VSS·d^-1和80.9m·h^-1，实验组(100mg·L^-1，200mg·L^-1，各运行15d)内污泥活性和沉降速率分别为567.8mg N·g^-1VSS·d^-1和164.5m·h^-1，相对于对照组，活性略下降，但沉降速率显著增加，增加了103.3％，且脱氮性能好。总体而言，在本发明中，当Mn²⁺浓度高达200mg·L^-1时，相比较于对照组，活性仅下降了9.5％，但高于初始活性的62.5％，另外，沉降速率显著高于对照组，颗粒污泥良好的沉降性能有助于耐高浓度锰离子的厌氧氨氧化菌的富集培养。同时整个驯化过程中，对照组的氮去除率为91～93％，实验组的氮去除率呈先上升后下降的趋势，但当锰离子浓度为200mg·L^-1时，氮去除率仍较高，相对于对照组，仅下降了0.1％。由此可见，随着锰离子浓度的逐渐增加，厌氧氨氧化反应器的脱氮性能好，可以培养出粒径为3.0～3.2mm、沉降速率为160～170m·h^-1、污泥活性为560～570g TN·g^-1VSS·d^-1和氮去除率为91～94％的颗粒污泥。

而在本课题组之前的研究中，通过逐渐增加微量元素铜和锌的浓度，以期驯化出耐受高浓度铜或锌的厌氧氨氧化颗粒污泥，但未能实现。结果是当Cu²⁺浓度为5mg·L^-1时，相对于初始阶段，活性下降了90.9％，脱氮性能急剧恶化；当Zn²⁺浓度为8mg·L^-1时，相对于初始阶段，活性下降了92.0％。由此可见，在本发明中，可以经过逐步提高锰离子负荷后，培养出的厌氧氨氧化颗粒污泥可以处理高浓度含锰废水，而且颗粒特性优，活性较高，反应器性能好。

Claims

1.一种含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

1)采用上流式厌氧污泥床反应器，以厌氧氨氧化颗粒污泥为接种源，以含NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N的模拟废水为进水，并加入维持微生物生长的无机盐缓冲液和微量元素I、微量元素II；

3)采用逐步分阶段增加锰离子负荷对厌氧氨氧化污泥进行驯化，且每阶段锰离子浓度增加幅度为前一阶段的2～2.5倍，每次调整锰离子浓度后驯化15～30d，运行至反应器污泥活性为接种污泥活性的2～3倍时即完成培养；在驯化过程中，保证不同锰离子浓度驯化的进水NH₄ ⁺-N:NO₂ ^--N物质的量之比为1:1.1～1.2。

2.如权利要求1所述含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法，其特征在于所述锰离子的加入量为1～200mg·L^-1。

3.如权利要求1所述含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法，其特征在于所述模拟废水中NH₄ ⁺-N浓度为280mg·L^-1，NO₂ ^--N浓度为280mg·L^-1，溶剂为自来水；所述无机盐缓冲液在模拟废水中的终浓度组成如下：KH₂PO₄ 10mg·L^-1，CaCl₂·2H₂O 5.6mg·L^-1，MgSO₄·7H₂O 300mg·L^-1，KHCO₃ 1250mg·L^-1。

4.如权利要求1所述含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法，其特征在于每1L进水中加入微量元素I、微量元素II各1.25mL；其中微量元素I终浓度组成为：EDTA 5000mg·L^-1，FeSO₄·7H₂O 9140mg·L^-1，溶剂为去离子水；微量元素II终浓度组成如下：EDTA15000mg·L^-1，ZnSO₄·7H₂O 430mg·L^-1，CoCl₂·6H₂O 240mg·L^-1，MnCl₂·4H₂O 990mg·L^-1，CuSO₄·5H₂O 250mg·L^-1，NaMoO₄·2H₂O 220mg·L^-1，NiCl₂·6H₂O 210mg·L^-1，H₃BO₄ 14mg·L^-1，溶剂为去离子水。

5.如权利要求1所述含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法，其特征在于所述接种厌氧氨氧化颗粒污泥浓度为15～30g·L^-1。

6.如权利要求1所述含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法，其特征在于所述锰离子加入方法为：先在进水中添加Mn²⁺终浓度1mg·L^-1，在厌氧、避光、温度为35±1℃、进水pH为7.75～7.85、水力停留时间为0.9～1.0h的条件下培养15d，然后调整进水中Mn²⁺终浓度为2mg·L^-1，继续培养15d，继续增加进水Mn²⁺浓度至5mg·L^-1培养15d后再增加进水Mn²⁺浓度至10mg·L^-1继续驯化15d；紧接着增加进水中Mn²⁺终浓度为15mg·L^-1培养30d；再次调整进水中Mn²⁺浓度为20mg·L^-1培养15d，继续调整至50mg·L^-1培养15d；如此逐步分阶段增加锰离子负荷对厌氧氨氧化污泥进行驯化，且每阶段锰离子浓度增加幅度为前一阶段的2～2.5倍，每次调整锰离子浓度后驯化15～30d，当Mn²⁺浓度高达200mg·L^-1时，反应器污泥活性为接种污泥活性的2～3倍时即完成培养。

7.如权利要求1所述含锰废水厌氧氨氧化脱氮反应器的运行方法，其特征在于所述接种厌氧氨氧化颗粒污泥体积占反应器总体积的70％～90％，粒径为2.0～2.8mm；活性为250～260g TN·g^-1VSS·d^-1。