CN111410301B - 一种培养氢自养反硝化颗粒污泥的方法 - Google Patents

一种培养氢自养反硝化颗粒污泥的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了培养氢自养反硝化颗粒污泥的方法。该方法包括下述步骤：1)对氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养；2)将步骤1)培养的絮状污泥接种于反应器；3)采用SBR运行方式连续运行8～15d，运行周期为90～120min；进水以模拟硝酸盐废水作为进水；4)采用SBR运行方式连续运行7～15d，运行周期为30～40min；进水以模拟硝酸盐废水作为进水。该方法制备得到的氢自养反硝化颗粒污泥呈赭色，成熟的颗粒基本为椭球体，内部较密实。该颗粒污泥具有良好的沉降性能，可增加反应器内微生物量，提升污泥龄，有利于提升氢自养反硝化工艺运行负荷。

Description

一种培养氢自养反硝化颗粒污泥的方法
技术领域
本发明涉及一种培养氢自养反硝化颗粒污泥的方法。
背景技术
氢自养反硝化工艺是一种新型自养生物脱氮工艺，其基本原理是利用氢自养反硝化细菌以氢气作为电子供体以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行呼吸作用从而去除水或废水中硝酸盐，与以有机物为电子供体的传统异养型生物反硝化工艺及其他无机物(如单质硫、硫化物、零价铁等)为电子供体的自养型生物反硝化工艺相比，氢自养反硝化工艺具有产物清洁、无需后续处理、不引入二次污染等优势，在处理受到硝酸盐污染的地下水方面具有良好的应用前景。目前已有的氢自养反硝化工艺是基于氢自养反硝化絮状污泥和载体负载的生物膜工艺，由于氢自养反硝化菌的产率系数较低，相比之下，生物膜工艺因较长的污泥龄比悬浮污泥工艺有更好的处理效果，已有的应用研究更加关注于生物膜工艺，然而生物膜工艺仍存在运行负荷低、出水亚硝酸盐积累等问题，因此，有必要开发一种具有较长污泥龄、较高工艺运行负荷、较低出水亚硝酸盐积累浓度的新型氢自养反硝化工艺。
颗粒污泥是一种不同于絮状污泥和生物膜的微生物聚集方式，无需载体，具有良好的沉降性能、较长的污泥龄和丰富的种群结构，可在去除污染物的同时对毒性物质具有一定的抵抗性，维持工艺运行的稳定。在废水处理领域，已有的厌氧颗粒污泥工艺、厌氧氨氧化颗粒污泥工艺和好氧颗粒污泥工艺的快速发展与应用均体现了颗粒污泥工艺在提升工艺负荷、处理效率和维持稳定性等方面的优越性。因此，将颗粒污泥工艺的优势和氢自养反硝化工艺发展的需求相结合具有重要的理论意义和实用价值。
然而目前尚未有任何关于氢自养反硝化颗粒污泥培养方法的报道，因此，寻找一种可行的氢自养反硝化颗粒污泥的培养方法，促进氢自养反硝化微生物的聚集与颗粒的形成，使得培养的颗粒具有良好的沉降性能和反硝化活性，对进一步提升氢自养反硝化工艺的运行负荷、促进工艺的发展与应用具有非常重要的现实意义和经济价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种培养氢自养反硝化颗粒污泥的方法。
本发明所提供的培养氢自养反硝化颗粒污泥的方法，包括下述步骤：
1)对氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养；
2)将步骤1)培养的氢自养反硝化絮状污泥接种于反应器；
3)初步培养阶段：采用序批式活性污泥(SBR)运行方式连续运行8～15d，每个SBR运行周期为90～120min，其中进水3min，反应75～110min，沉淀5～10min，排水2min；进水以模拟硝酸盐废水作为进水，采用的进水浓度70～83mgN/L、排水比为0.25～0.35，水力停留时间为4.3～8.0h，在扩增培养微生物的基础上初步筛选具有颗粒形态污泥；
4)深入培养阶段：采用SBR运行方式连续运行7～15d，每个SBR运行周期为30～40min，其中进水3min，反应30～32min，沉淀3～5min，排水2min；进水以模拟硝酸盐废水作为进水，采用的进水浓度13～16mgN/L、排水比为0.5～0.6，水力停留时间为1.0～1.5h，进一步提升颗粒污泥沉降性能和反硝化效果。
上述方法步骤1)中，所述氢自养反硝化絮状污泥的最初接种污泥取自市政污水处理活性污泥，接种浓度为2.0～3.0gVSS/L。
上述方法步骤1)中，所述氢自养反硝化絮状污泥的驯化和培养采用氢气作为反应基质。
上述方法步骤1)中，所述氢自养反硝化絮状污泥的驯化和培养中采用的每升培养液中包括下述物质：1.62g KNO3,0.5g NaHCO3,0.55g NaH2PO4·2H2O,2.11g K2HPO4·3H2O及微量元素7.3mg CaCl2·2H2O,5.0mg FeSO4·7H2O,2.5mg MnCl2·4H2O,0.5mg CoCl2·6H2O,0.5mg(NH4)6Mo7O24·4H2O,0.22mg ZnSO4·7H2O和0.2mg CuSO4·5H2O。
上述方法步骤1)中，所述氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养方式为序批式，序批周期为12h。
上述方法步骤1)中，所述氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养的体系pH值为7.0±0.5，温度30±1.0℃。
上述方法步骤1)中，所述氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养时间为50～60d。
上述方法步骤1)中，驯化后得到的氢自养反硝化污泥呈赭色絮体。
上述方法步骤2)中，所述接种于反应器中的氢自养反硝化絮状污泥的接种浓度为1.0～2.0gVSS/L。
上述方法步骤2)中，所述反应器为SBR反应器，其主体为圆柱体，高径比为15～20，由有机玻璃制成，由下至上分别为配气室、微孔曝气板、反应区和尾气收集气袋，采用高硼玻璃砂微孔曝气板供氢。
上述方法步骤3)中，每升所述模拟硝酸盐废水中包含下述物质：0.5～0.6g KNO3,7.3mgCaCl2·2H2O,5.0mg FeSO4·7H2O,2.5mg MnCl2·4H2O,0.5mg CoCl2·6H2O,0.5mg(NH4)6Mo7O24·4H2O,0.22mg ZnSO4·7H2O和0.2mg CuSO4·5H2O。
上述方法步骤3)中，优选的进水硝酸盐负荷为0.3～0.5kgN/(m3·d)。
上述方法步骤3)中，进水阶段由底部进水，反应阶段由底部通入H2和CO2，经微孔曝气板扩散至反应器，H2流量为40～65L/d，CO2流量为2～12L/d，沉淀和排水阶段停止供气。所述反应器中的反应体系的pH值通过向反应器供给CO2来控制。
上述方法步骤3)中，反应器内pH值范围为7.0～8.5。
上述方法步骤3)中，反应运行周期内溶解氢浓度范围为0.16～0.6mg/L。
上述方法步骤3)完成后，初步培养的污泥形态初具颗粒态，但边缘略粗糙。
上述方法步骤4)中，每升所述模拟硝酸盐废水中包含如下物质：0.09～0.12gKNO3,7.3mg CaCl2·2H2O,5.0mg FeSO4·7H2O,2.5mg MnCl2·4H2O,0.5mg CoCl2·6H2O,0.5mg(NH4)6Mo7O24·4H2O,0.22mgZnSO4·7H2O和0.2mgCuSO4·5H2O。
上述方法步骤4)中，优选的进水硝酸盐负荷为0.2～0.4kgN/(m3·d)。
上述方法步骤4)中，进水阶段由底部进水，反应阶段由底部通入H2和CO2，经微孔曝气板扩散至反应器，H2流量为40～65L/d，CO2流量为2～5L/d，沉淀和排水阶段停止供气。
所述反应器中的反应体系的pH值通过向反应器供给CO2流量来控制。
上述方法步骤4)中，反应器内pH值范围为7.0～8.5。
上述方法步骤4)中，反应运行周期内溶解氢浓度范围为0.16～0.6mg/L。
上述方法步骤4)中，深入培养阶段得到的颗粒污泥呈赭色，基本为椭球体，内部较密实，SVI5为30ml/g，外侧可见一层浅色绵密绒毛。利用扫描电子显微镜(SEM)观察成熟的颗粒污泥，可明显观察到污泥表面及内部的短杆菌较多，无论是外部或内部，颗粒污泥呈现的结构密实。对培养的氢自养反硝化颗粒污泥的粒径进行统计，大多数颗粒的粒径在1～6mm的范围内(比例为54.6％)；粒径≤1mm的颗粒所占比例约为45.2％。
上述整个过程中反应体系的温度为30.0±0.5℃。
本发明具有如下有益的技术效果：
(1)培养的氢自养反硝化颗粒污泥具有良好的反硝化活性，可实现高效去除地下水中低浓度硝酸盐污染；
(2)培养的氢自养反硝化颗粒污泥具有良好的沉降性能，可增加反应器内微生物量，提升污泥龄，有利于提升氢自养反硝化工艺运行负荷；
(3)与氢自养反硝化絮状污泥相比，培养的氢自养反硝化颗粒污泥具有更加丰富的微生物组成，在运行条件波动、干扰物质浓度增加时，具有更好的抵抗能力，有利于反应器运行的稳定性。
附图说明
图1为实施例1中反应器示意图。其中，1.氢气发生器；2.氢气气袋；3.供气泵；4.CO2气袋；5.进水箱；6.进水泵；7.混合污泥；8.配气室；9.玻璃砂芯微孔曝气板；10.排水泵；11.出水管；12.恒温循环水浴泵；13.出水口；14.排气管；15.尾气收集气袋。
图2为实施例1制备的氢自养反硝化颗粒污泥外观照片。
图3为实施例1制备的氢自养反硝化颗粒污泥扫描电镜照片，其中，(a)颗粒态污泥外部(标尺20μm)、(b)颗粒态污泥外部(标尺5μm)、(c)颗粒态污泥内部(标尺20μm)、(d)颗粒态污泥内部(标尺5μm)。
图4为实施例1制备的氢自养反硝化颗粒污泥粒径分布(数量)。
图5为实施例2中氢自养反硝化颗粒污泥反应器处理模拟地下水进水NO3 --N浓度、出水NO3 --N、NO2 --N浓度、排放总N2O浓度和NO3 --N去除率。
图6为实施例2中氢自养反硝化颗粒污泥反应器处理模拟地下水进水NO3 --N负荷和反硝化速率。
图7为实施例3中氢自养反硝化颗粒污泥反应器处理模拟地下水进水NO3 --N浓度、出水NO3 --N、NO2 --N浓度、排放总N2O浓度和NO3 --N去除率。
图8为实施例3中氢自养反硝化颗粒污泥反应器处理模拟地下水进水NO3 --N负荷和反硝化速率。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下述实施例中所采用的反应器示意图如图1所示，其主体为圆柱体，由有机玻璃制成，由下至上分别为配气室、微孔曝气板、反应区和尾气收集气袋。采用高硼玻璃砂微孔曝气板供氢，装置主体高度为620mm，有效高度为600mm，高径比为17.1，有效体积为0.58L，装置侧面设有两个排水管，高度分别为340mm和400mm。
实施例1、培养氢自养反硝化颗粒污泥
1)氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养
取普通市政污水厂活性污泥为接种污泥，浓度约2.3gVSS/L，接种后利用H2和自制培养液半连续培养60d。培养液成分为(每升中包含如下物质)：1.62gKNO3,0.5gNaHCO3,0.55gNaH2PO4·2H2O,2.11g K2HPO4·3H2O及微量元素7.3mgCaCl2·2H2O,5.0mgFeSO4·7H2O,2.5mgMnCl2·4H2O,0.5mgCoCl2·6H2O,0.5mg(NH4)6Mo7O24·4H2O,0.22mgZnSO4·7H2O和0.2mgCuSO4·5H2O。驯化和培养方式为序批式，序批周期为12h。培养体系pH为7.0±0.5，温度为30±1.0℃。
2)将步骤1)培养的氢自养反硝化絮状污泥接种于反应器，接种后污泥浓度为1.41gVSS/L。
3)初步培养阶段：采用SBR运行方式连续运行8d，运行周期为120min，其中进水3min，反应110min，沉淀5min，排水2min。进水以模拟硝酸盐废水作为进水，模拟硝酸盐废水成分为(每升中包含如下物质)：0.5gKNO3,7.3mgCaCl2·2H2O,5.0mgFeSO4·7H2O,2.5mgMnCl2·4H2O,0.5mgCoCl2·6H2O,0.5mg(NH4)6Mo7O24·4H2O,0.22mgZnSO4·7H2O和0.2mgCuSO4·5H2O。采用排水比为0.27、水力停留时间为7.4h，进水负荷为0.39kgN/(m3·d)。进水阶段由底部进水，反应阶段由底部通入H2和CO2，经微孔曝气板扩散至反应器，沉淀和排水阶段，停止供气。反应器内pH范围为7.5～8.0，反应运行周期内溶解氢浓度范围为0.16～0.6mg/L，反应体系温度为30.0±0.5℃。本阶段结束后污泥的沉降性增强，形态初具颗粒态，但边缘较粗糙，颗粒略松散。
4)深入培养阶段：采用SBR运行方式连续运行7d，运行周期为40min，其中进水3min，反应30min，沉淀5min，排水2min。进水以模拟硝酸盐废水作为进水，模拟硝酸盐废水成分为(每升中包含如下物质)：0.09～0.12gKNO3,7.3mgCaCl2·2H2O,5.0mgFeSO4·7H2O,2.5mgMnCl2·4H2O,0.5mgCoCl2·6H2O,0.5mg(NH4)6Mo7O24·4H2O,0.22mgZnSO4·7H2O和0.2mgCuSO4·5H2O。采用排水比为0.56、水力停留时间为1.2h，进水负荷为0.26～0.31kgN/(m3·d)。进水阶段由底部进水，反应阶段由底部通入H2和CO2，经微孔曝气板扩散至反应器，沉淀和排水阶段，停止供气。反应器内pH范围为7.5～8.0，反应运行周期内溶解氢浓度范围为0.16～0.6mg/L，反应体系温度为30.0±0.5℃。
该阶段颗粒污泥呈赭色，基本为椭球体，内部较密实，SVI5为30ml/g，外侧可见一层浅色绵密绒毛(见图2)。利用扫描电子显微镜(SEM)观察成熟的颗粒污泥，可明显观察到污泥表面及内部的短杆菌较多，无论是外部或内部，颗粒污泥呈现的结构密实(见图3)。对培养的氢自养反硝化颗粒污泥的粒径进行统计，大多数颗粒的粒径在1～6mm的范围内(比例为54.6％)；粒径≤1mm的颗粒所占比例约为45.2％(见图4)。
实施例2、利用氢自养反硝化颗粒污泥反应器处理模拟地下水
利用实施例1培养的氢自养反硝化颗粒污泥处理地下水，维持反应温度为30±0.5℃，将适量添加了KNO3的模拟地下水作为反应器进水，考察反应器的脱氮效果、稳定性及出水NO2 --N水平。
本试验所用污泥为实施例1中培养的氢自养反硝化颗粒污泥，反应器内接种污泥浓度为2.44g VSS/L。
颗粒污泥反应器按照SBR方式连续运行12d，每个SBR周期为35min，其中进水3min，反应22min，沉淀8min，排水2min。试验用水为添加一定量KNO3的自来水，模拟低浓度NO3 -污染地下水作为反应器进水。其进水水质如表1所示。进水浓度为14.4～15.8mg N/L，进水负荷为0.33～0.40kg N/(m3·d)。反应阶段由底部通入H2和CO2，经微孔曝气板扩散至反应器，沉淀和排水阶段，停止供气。反应体系pH控制为7.0～8.0范围内。
表1试验用水水质(未添加KNO3)
Figure BDA0001937586060000061
本实施例中颗粒污泥反应器出水NO3 --N浓度较低，平均去除率为98.4％，标准偏差为1.2％，去除率的变异系数仅为0.01，说明反应器运行稳定性较高。排放的NO2 --N占进水TN为0.93％。平均反硝化速率为0.34±0.02kg N/(m3·d)。
实施例3、利用氢自养反硝化颗粒污泥反应器在低温条件下处理模拟地下水
利用实施例1培养的氢自养反硝化颗粒污泥处理地下水，维持反应温度为15±0.3℃，将适量添加了KNO3的模拟地下水作为反应器进水，考察反应器的脱氮效果、稳定性及出水NO2 --N水平。
本试验所用污泥与反应器为实施例2结束后氢自养反硝化颗粒污泥与污泥。
颗粒污泥反应器按照SBR方式共连续运行11d，其中周期为85min连续运行7d，周期为75min连续运行4d。所述周期为85min运行时，每周期中进水3min，反应72min，沉淀8min，排水2min。所述周期为75min运行时，每周期中进水3min，反应62min，沉淀8min，排水2min。
试验用水为添加一定量KNO3自来水，模拟低浓度NO3 -污染地下水作为反应器进水。其进水水质与实施例2相同。进水浓度为14.8～15.4mgN/L，进水负荷为0.15～0.17kgN/(m3·d)。反应阶段由底部通入H2和CO2，经微孔曝气板扩散至反应器，沉淀和排水阶段，停止供气。反应体系pH控制为7.0～7.8范围内。
本实施例中颗粒污泥反应器NO3 --N去除率为98～100％，去除率变异系数为0.02，说明该阶段反应器运行稳定性较高。出水平均NO3 --N、NO2 --N浓度分别为0.60和0.57mgN/L，反应器内平均反硝化速率为0.15kgN/(m3·d)，说明在低温条件下，与实施例2条件对比，虽然颗粒污泥反硝化活性有所降低，但反应器仍维持较高的NO3 -去除速率。

Claims (6)

1.一种培养氢自养反硝化颗粒污泥的方法，包括下述步骤：
1)对氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养；
2)将步骤1)培养的氢自养反硝化絮状污泥接种于反应器；
3)初步培养阶段：采用SBR运行方式连续运行8～15d，每个SBR运行周期为90～120min，其中进水3min，反应75～110min，沉淀5～10min，排水2min；以模拟硝酸盐废水作为进水，采用的进水浓度70～83mgN/L、排水比为0.25～0.35，水力停留时间为4.3～8.0h；所述SBR代表序批式活性污泥运行方式；
4)深入培养阶段：采用SBR运行方式连续运行7～15d，得到氢自养反硝化颗粒污泥；每个SBR运行周期为30～40min，其中进水3min，反应30～32min，沉淀3～5min，排水2min；进水以模拟硝酸盐废水作为进水，采用的进水浓度13～16mgN/L、排水比为0.5～0.6，水力停留时间为1.0～1.5h；
所述步骤1)中，所述氢自养反硝化絮状污泥的接种浓度为2.0～3.0gVSS/L；
所述步骤1)中，所述氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养采用氢气作为反应基质；
所述氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养中采用的培养液每升中包括下述物质：1.62g KNO3,0.5g NaHCO3,0.55g NaH2PO4·2H2O,2.11g K2HPO4·3H2O及微量元素7.3mgCaCl2·2H2O,5.0mg FeSO4·7H2O,2.5mg MnCl2·4H2O,0.5mg CoCl2·6H2O,0.5mg(NH4)6Mo7O24·4H2O,0.22mg ZnSO4·7H2O和0.2mg CuSO4·5H2O；
所述步骤1)中，所述氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养方式为序批式，序批周期为12h；
所述氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养的体系pH值为7.0±0.5，温度30±1.0℃；
所述氢自养反硝化絮状污泥的驯化与培养的时间为50～60d；
所述步骤2)中，所述接种于反应器中的氢自养反硝化絮状污泥的接种浓度为1.0～2.0gVSS/L。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，每升所述模拟硝酸盐废水中包含下述物质：0.5～0.6g KNO3,7.3mgCaCl2·2H2O,5.0mg FeSO4·7H2O,2.5mg MnCl2·4H2O,0.5mg CoCl2·6H2O,0.5mg(NH4)6Mo7O24·4H2O,0.22mg ZnSO4·7H2O和0.2mg CuSO4·5H2O；
所述步骤3)中，进水硝酸盐负荷为0.3～0.5kgN/(m3·d)；
所述步骤3)中，进水阶段由底部进水，反应阶段由底部通入H2和CO2，经微孔曝气板扩散至反应器，沉淀和排水阶段停止供气。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)中，反应器内pH值范围为7.0～8.5；反应运行周期内溶解氢浓度范围为0.16～0.6mg/L；所述步骤3)中，反应体系的温度为30.0±0.5℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中，每升所述模拟硝酸盐废水中包含如下物质：0.09～0.12g KNO3,7.3mg CaCl2·2H2O,5.0mg FeSO4·7H2O,2.5mgMnCl2·4H2O,0.5mg CoCl2·6H2O,0.5mg(NH4)6Mo7O24·4H2O,0.22mgZnSO4·7H2O和0.2mgCuSO4·5H2O；
所述步骤4)中，进水硝酸盐负荷为0.2～0.4kgN/(m3·d)；
所述步骤4)中，进水阶段由底部进水，反应阶段由底部通入H2和CO2，经微孔曝气板扩散至反应器，沉淀和排水阶段停止供气；
所述步骤4)中，反应器内pH值范围为7.0～8.5；反应运行周期内溶解氢浓度范围为0.16～0.6mg/L；
所述步骤4)中，反应体系的温度为30.0±0.5℃。
5.权利要求1-4中任一项所述方法制备得到的氢自养反硝化颗粒污泥。
6.权利要求5制备的氢自养反硝化颗粒污泥在处理地下水中硝酸盐中的应用。
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