CN108117158B - 一种脱氮颗粒污泥的快速培养方法 - Google Patents

一种脱氮颗粒污泥的快速培养方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种脱氮颗粒污泥的培养方法，包括（1）将污泥按接种后MLSS为3000‑4000mg/L接入好氧反应器中，在高低溶解氧交替条件下用低氨氮高COD培养液进行好氧污泥的富集培养；（2）将步骤（1）富集培养的污泥取出一半，在DO＜1.0mg/L条件下进行反硝化颗粒污泥培养，并于体系中加入5‑10mg/L的CaO；（3）将步骤（2）获得的反硝化颗粒污泥与步骤（1）富集培养的另一半污泥混合，在DO＞5mg/L条件下，采用高氨氮低COD培养液进行反硝化颗粒污泥的强化培养并富集亚硝化菌；（4）将步骤（3）获得的颗粒污泥在DO为1‑2mg/L条件下进行优化培养，培养方式和培养液同步骤（3）。本发明方法培养获得的脱氮颗粒污泥活性高且性能稳定，总氮去除效果好，真正实现SND的稳定运行。

Description

一种脱氮颗粒污泥的快速培养方法
技术领域
本发明属于废水生物处理技术领域，具体地说涉及一种能实现同步硝化反硝化脱氮颗粒污泥的快速培养方法。
背景技术
20世纪90年代，随着有机工业废水的处理，在一些厌氧反应器中出现了颗粒污泥技术。颗粒污泥是大量细菌聚集生长形成的具有良好沉降性能的颗粒状微生物聚集体，是反应器实现高效运行的关键和前提。与絮状活性污泥相比，颗粒污泥具有沉降性能突出、污泥密度大、物理强度高、生物量多和负荷承受能力强等优点。
相对比较成熟的颗粒污泥技术主要用于含有机污染物废水的处理过程，对于含氨废水处理来说，无论是通过（短程）硝化-反硝化还是短程硝化-厌氧氨氧化工艺都需要好氧和厌氧两个过程才能实现真正的脱氮。虽然也开发了一些颗粒污泥技术，但所制备的颗粒污泥均不能完成生物脱氮的全过程。如中国专利CN103601287A公开了一种好氧亚硝化颗粒污泥的培养方法，以厌氧氨氧化颗粒污泥为核心，以较短的沉淀时间、曝气所产生的剪切力能为颗粒污泥的形成提供选择压，促进好氧亚硝化颗粒污泥的形成。CN1887737A公开了一种厌氧颗粒污泥的快速培养方法，其特征在于是采用投加聚季铵盐来强化厌氧微生物自身固定化以快速形成颗粒污泥的技术。CN1821122A公开了一种利用厌氧颗粒污泥培养硝化颗粒污泥的方法，采用上流式好氧生物反应器，接种厌氧颗粒污泥后获得硝化颗粒污泥。CN103145233A公开了一种实现短程硝化颗粒污泥快速培养的方法，主要是通过逐渐缩短沉降时间的方法，使用固定曝气时间和曝气量的方式运行序批式反应器实现的。CN103708609A公开了一种亚硝化颗粒污泥的快速培养方法，通过接种出水的亚消化颗粒污泥与絮状的硝化污泥，在高FA和高DO条件下淘洗出悬浮絮状类不易沉降的微生物来快速培养亚硝化颗粒污泥。
随着脱氮新技术的研究开发，同步硝化反硝化（SND）技术因可以在同一个反应器内完成脱氮过程而备受关注。目前同步硝化反硝化已经形成了三种理论解释，即宏观环境解释、微观环境理论和生物学解释，其中微观环境的SND工艺主要是利用颗粒污泥进行生物脱氮，利用颗粒污泥进行生物脱氮的优势在于：颗粒污泥具有的良好活性以及沉降性能，可维持生物反应器内较高的生物相浓度，从而提高生物脱氮的效率；与利用载体固定微生物方法比较，颗粒污泥天然的生物层分布确保了最佳的生物反应效率，保证了高效的生物脱氮，真正实现SND工艺应用于实际工程。特别是当条件控制不好污水处理系统受到冲击时，需要补加一定量高效颗粒污泥来稳定SND的处理效率。
实际上，由于负责硝化过程的微生物和负责反硝化过程的微生物对溶解氧（DO）浓度的要求不同，导致能完成短程硝化反硝化的脱氮颗粒污泥絮体中微缺氧区的形成不稳定，污泥颗粒化形成过程比较困难。因此如何培养高效、高活性且性能稳定的脱氮颗粒污泥，是解决SND运行稳定性和提高处理效能的关键。
CN102040281A公开了一种脱氮颗粒污泥的培养方法，首先将接种污泥接入好氧反应器中，用高氨氮低COD废水进行好氧污泥的富集培养，然后分离筛选好氧反硝化菌并进行驯化培养，再将驯化培养好的好氧反硝化菌接种到硝化颗粒污泥中进行脱氮颗粒污泥培养即可获得脱氮颗粒污泥。虽然能解决已有短程硝化反硝化工艺中处理效果会出现波动、总氮去除率不高等问题，但是培养过程复杂，培养时间较长。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种脱氮颗粒污泥的快速培养方法，可用于各种高氨氮有机工业废水生化处理过程。本发明克服了脱氮微生物对溶解氧要求不同的难题，解决了脱氮颗粒污泥絮体中微缺氧区形成不稳定的问题。所获得的脱氮颗粒污泥活性高且性能稳定，总氮去除效果好，真正实现SND的稳定运行。
本发明提供的脱氮颗粒污泥的快速培养方法，具体步骤如下：
（1）将接种污泥按照接种后污泥浓度（MLSS）为3000-4000mg/L接入好氧反应器中，在高低溶解氧交替的条件下用低氨氮高COD（化学需氧量，Cr法，下同）培养液进行好氧污泥的富集培养，以获得能在高COD环境中具有脱氮能力的菌群。所述的接种污泥为污水处理厂的活性污泥；所述的高溶解氧条件为DO：2-5mg/L，所述的低溶解氧条件为DO：0.1-1.0mg/L。所述的低氨氮高COD培养液为含氮有机废水或人工配制的培养液，培养液中氨氮浓度低于200mg/L，优选50-200mg/L，COD浓度高于500mg/L，优选为600-2000mg/L，高浓度COD有利于丝状菌的生长。富集培养采用批式培养，每天作为一个培养周期，每隔8-12h调整一次溶解氧浓度，每隔24h换排水一次。当污泥浓度提高到最初接种量的1.5倍以上，优选1.5-2倍时进入下一阶段培养。
（2）将步骤（1）富集培养的污泥取出一半，在DO＜1.0mg/L的低溶解氧条件下进行反硝化颗粒污泥的培养，并于体系中加入5-10mg/L的CaO。培养具体过程：采用步骤（1）的排出液作为培养液，批式培养，24h为一个培养周期，一次性进料，搅拌反应23h后沉降30分钟，然后排水，再次进水。在该培养阶段反应器的搅拌转数控制在100-150r/min。当系统内颗粒污泥的平均粒径达到0.4-0.8mm时认为反硝化颗粒污泥已经培养成熟，当培养液中总氮去除速率大于15mg/(L·h)时进入下一阶段培养。在该过程中CaO的加入可以在水中形成Ca(OH)2，与微生物活动产生的CO2反应形成细小的CaCO3作为诱发污泥颗粒化的核，使微生物能够迅速凝聚到核的周围，可以提高颗粒化成功率和进程，所形成的颗粒污泥性能稳定。在这一过程中由于COD浓度和DO浓度的降低，导致部分利用COD的微生物解体，解体的微生物与步骤（1）生长的丝状菌共同作为颗粒污泥形成过程中的骨架；同时解体的微生物分泌的胞外聚合物作为一种粘性物质，进一步加速以碳酸钙为核心、以解体的微生物和丝状菌为骨架的污泥颗粒化形成过程。
（3）将步骤（2）中获得的反硝化颗粒污泥与步骤（1）富集培养的另一半污泥混合，在DO＞5mg/L的高溶解氧条件下，采用高氨氮低COD培养液进行反硝化颗粒污泥的强化培养并富集亚硝化菌。采用批式培养，每天作为一个培养周期，反应23h后沉降，排出上清液后进新鲜培养液。高浓度溶解氧主要是淘汰悬浮絮状不易沉淀的微生物，并为反硝化颗粒污泥提供一定的剪切强度。采用高氨氮低COD培养液进行亚硝化菌的富集培养，通过高浓度氨氮的毒性作用进一步淘汰将亚硝酸盐转化为硝酸盐的细菌，当系统内悬浮物浓度降低至200mg/L以下、并且氨氮和总氮去除率均大于50%时转入下一阶段培养。所述的高氨氮低COD培养液为含氮有机废水或人工配置的培养液，培养液中氨氮浓度高于200mg/L，优选为200-1000mg/L；COD浓度低于500mg/L，优选为100-500mg/L。
（4）将步骤（3）获得的脱氮颗粒污泥在溶解氧浓度DO：1-2mg/L条件下进行优化培养，培养方式和培养液同步骤（3）。主要是在反硝化颗粒污泥外层进一步富集亚硝化菌，新生的微生物在核心周围互相交错缠绕，可以加速污泥颗粒化进程，当颗粒污泥平均粒径达到1mm左右，并且氨氮和总氮去除率大于70%时即可获得培养好的脱氮颗粒污泥。
采用本发明方法所获得的颗粒污泥呈球形或拟球形，粒径集中在0.5-1.0mm，密实且具有清晰的轮廓，具有良好的沉降性，活性高且性能稳定，总氮去除效果好，解决了SND系统运行稳定性差的难题。
本发明根据不同微生物对环境条件的要求及传质效应的关系，采用不同的溶解氧浓度、不同氨氮及COD浓度的培养液之间优化调控，使得形成的颗粒污泥可以同时存在由内到外的不同氧环境，为硝化和反硝化微生物提供各自适宜的生长环境，采用以碳酸钙为核心、以微生物自身作为骨架及微生物解体后释放的胞外分泌物作为颗粒污泥形成的粘合剂，所获得的颗粒污泥具有密度大、物理强度高、生物量多，沉降性能好和脱氮活性高等特点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明方案和效果进行详细说明，但不因此限制本发明的范围。
本发明采用GB7478-87《水质-铵的测定-蒸镏和滴定法》测定氨氮浓度；采用GB7493-87《水质-亚硝酸盐氮的测定-分光光度法》测定亚硝酸盐氮浓度；采用GB7480-87《水质-硝酸盐氮的测定-酚二磺酸分光光度法》测定硝酸盐氮浓度；其中总氮为硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮的总和。采用GB11914-89《水质-化学需氧量的测定-重铬酸盐法》测定COD。采用重量法测污泥浓度MLSS。
颗粒污泥粒径的测量方法：当粒径小于1mm时，采用激光粒度仪M400L，lasenteeRedmond USA分析测定其粒径；当污泥粒径大于1mm时，随机抽取100g颗粒污泥，在光学显微镜下用测微尺测定颗粒的长度和宽度，然后采用Sauter公式计算颗粒平均粒径。
颗粒污泥物理强度分析方法：采用专利201310002414.3所述分析方法，将等量的采用不同方法获得的颗粒污泥放入含30mL蒸馏水的三角瓶中，分别在20℃，150r/min恒温摇床，震荡24h，观察颗粒污泥的破损程度。
实施例1 脱氮颗粒污泥的培养
（1）从某石化厂取活性污泥按照MLSS为3000mg/L接入好氧反应器中，在高低溶解氧交替的条件下进行好氧污泥的富集培养，以获得能在高浓度COD环境中具有脱氮能力的菌群。培养液中的氨氮浓度为150mg/L，COD浓度为1500mg/L。每天作为一个培养周期，一次性添加培养液，首先在DO:4-5mg/L条件下培养12h，然后将DO降低至1.0mg/L条件下培养11h，沉降30分钟，排出上清液15分钟，重新补充新鲜培养液15分钟后进行下一批次培养。培养10天后当污泥浓度提高到5000mg/L时进入下一阶段培养。
（2）将步骤（1）富集培养的污泥取出一半，在DO＜1.0mg/L低溶解氧条件下进行反硝化颗粒污泥的培养，并加入5-10mg/L的CaO。采用步骤（1）的排出液作为培养液，采用批式培养，24h为一个培养周期，一次性进料，搅拌反应23h后沉降30分钟，排水，再进水。在该培养阶段反应器的搅拌转数为100-150r/min。当系统内颗粒平均粒径达到0.5mm时认为反硝化颗粒污泥已经培养成熟，当培养液中总氮去除速率大于15mg/(L·h)时进入下一阶段培养。
（3）将步骤（2）中获得的反硝化颗粒污泥与步骤（1）富集培养的另一半污泥混合，在DO＞5mg/L的高溶解氧条件下，采用高氨氮低COD培养液进行反硝化颗粒污泥的强化培养并富集亚硝化菌。采用批式培养，每天作为一个培养周期，反应23h后沉降，排出上清液后进新鲜培养液。当系统内悬浮物浓度降低至200mg/L以下、并且氨氮和总氮去除率均大于50%时转入下一阶段培养过程。所述的高氨氮低COD废水或人工配置的培养液是指氨氮浓度为500mg/L，COD浓度为300mg/L的废水。
（4）将步骤（3）获得的脱氮颗粒污泥在DO：1-2mg/L条件下进行优化培养，培养方式和培养液同（3）。当颗粒污泥平均粒径达到1mm左右，并且氨氮和总氮去除率大于70%时即可获得驯化好的脱氮颗粒污泥。
实施例2 脱氮颗粒污泥的性能测试
（1）机械强度测试
将等量的实施例1获得的颗粒污泥和CN102040281A获得的颗粒污泥分别放入含150mL 蒸馏水的三角瓶中，在20℃、150r/min恒温摇床振荡24h，观察固定化细胞的破损程度。结果表明，CN102040281A获得的颗粒污泥在震荡中有少量破损，振荡24h 后，上清液浊度大于100mg/L。而本发明实施例1获得的颗粒污泥没有破损，振荡24h后，上清液浊度仍然小于50mg/L。说明本发明方法所获得的颗粒污泥机械强度较高。
（2）脱氮效果
某污水处理场采用SND工艺处理含氨废水，系统运行不稳定，出水总氮浓度经常大于40mg/L。取一定量实施例1的颗粒污泥，按照投加后系统中的污泥浓度增加300mg/L投加到该系统中进行脱总氮处理，投加使用5天后出水总氮浓度既低于25mg/L，继续运行一个月，系统总氮去除效果稳定。由此可见，本发明方法所获得的脱氮颗粒污泥脱氮活性高，可以解决SND运行不稳定难题。
比较例1
培养工艺及操作条件同实施例1，不同在于：整个培养过程控制溶解氧浓度为2-5mg/L。所获得的颗粒污泥在震荡中有少量破损，振荡24h 后，上清液浊度大于80mg/L。处理同实施例2相同的废水，投加量相同，投加使用5天后出水总氮浓度仍高于30mg/L，其中硝酸盐氮浓度平均为26mg/L，继续运行一个月，系统总氮合格率只有33%。
比较例2
培养工艺及操作条件同实施例1，不同在于：整个培养过程控制溶解氧浓度为0.5-1mg/L。所获得的颗粒污泥在震荡中有少量破损，振荡24h 后，上清液浊度大于70mg/L。处理同实施例2相同的废水，投加量相同，投加使用5天后出水总氮浓度仍高于30mg/L，其中氨氮浓度平均为27mg/L，继续运行一个月，系统总氮合格率只有27%。
比较例3
培养工艺及操作条件同实施例1，不同在于：步骤（2）将步骤（1）富集培养的污泥全部进行培养，然后直接进入步骤（3）培养。所获得的颗粒污泥在震荡中有少量破损，振荡24h后，上清液浊度大于60mg/L。处理同实施例2相同的废水，投加量相同，投加使用5天后出水总氮浓度仍高于30mg/L，其中硝酸盐氮浓度平均为28mg/L，继续运行一个月，系统总氮合格率只有40%。
比较例4
培养工艺及操作条件同实施例1，不同在于：步骤（3）与步骤（1）的培养液相同，氨氮浓度为150mg/L，COD浓度为1500mg/L。所获得的颗粒污泥在震荡中有少量破损，振荡24h后，上清液浊度小于50mg/L。处理同实施例2相同的废水，投加量相同，投加使用5天后出水总氮浓度仍高于25mg/L，其中氨氮浓度平均为23mg/L，继续运行一个月，系统总氮合格率达到70%。
比较例5
培养工艺及操作条件同实施例1，不同在于：步骤（1）与步骤（3）的培养液相同，氨氮浓度为500mg/L，COD浓度为300mg/。所获得的颗粒污泥在震荡中有少量破损，振荡24h后，上清液浊度大于100mg/L。处理同实施例2相同的废水，投加量相同，投加使用5天后出水总氮浓度仍高于25mg/L，继续运行一个月，系统总氮合格率达到50%。
通过上述实施例和比较例可知，通过本发明所述方法获得的脱氮颗粒污泥颗粒化程度更好，脱氮效果也更好，能够解决SND运行不稳定等难题。

Claims (11)

1.一种脱氮颗粒污泥的快速培养方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将接种污泥按照接种后MLSS为3000-4000mg/L接入好氧反应器中，在高低溶解氧交替的条件下用低氨氮高COD培养液进行好氧污泥的富集培养，以获得在高COD环境中具有脱氮能力的菌群；
（2）将步骤（1）富集培养的污泥取出一半，在DO＜1.0mg/L的低溶解氧条件下进行反硝化颗粒污泥培养，并于体系中加入5-10mg/L的CaO；
（3）将步骤（2）获得的反硝化颗粒污泥与步骤（1）富集培养的另一半污泥混合，在DO＞5mg/L的高溶解氧条件下，采用高氨氮低COD培养液进行反硝化颗粒污泥的强化培养并富集亚硝化菌；
（4）将步骤（3）获得的脱氮颗粒污泥在DO为1-2mg/L条件下进行优化培养，培养方式和培养液同步骤（3）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的接种污泥为污水处理厂活性污泥。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的高溶解氧条件为2-5mg/L，低溶解氧条件为0.1-1.0mg/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述的低氨氮高COD培养液为含氮有机废水或人工配制的培养液，其中氨氮浓度低于200mg/L，COD浓度高于500mg/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）富集培养采用批式培养，每天作为一个培养周期，每隔8-12h调整一次溶解氧浓度，每隔24h换排水一次。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）中，当污泥浓度提高到最初接种量的1.5倍以上时进入下一阶段培养。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）采用步骤（1）的排出液作为培养液，批式培养，24h为一个培养周期，一次性进料，搅拌反应23h后沉降30分钟，然后排水，再次进水。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，当系统内颗粒污泥的平均粒径达到0.4-0.8mm时认为反硝化颗粒污泥已经培养成熟，当培养液中总氮去除速率大于15mg/(L·h)时进入下一阶段培养。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）采用批式培养，每天作为一个培养周期，反应23h后沉降，排出上清液后进新鲜培养液，当系统内悬浮物浓度降低至200mg/L以下、并且氨氮和总氮去除率均大于50%时转入下一阶段培养。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（3）所述的高氨氮低COD培养液为含氮有机废水或人工配置的培养液，其中氨氮浓度高于200mg/L，COD浓度低于500mg/L。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（4）当颗粒污泥平均粒径达到0.5-1mm，并且氨氮和总氮去除率大于70%时即可获得培养好的脱氮颗粒污泥。
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