CN112607858A - 硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法，包括：培养厌氧氨氧化污泥以及硫自养反硝化污泥；在上流式厌氧反应器内混合厌氧氨氧化污泥和硫自养反硝化污泥，进行驯化培养；控制上流式厌氧反应器的进水条件，使得进水溶液中氨氮和硝酸盐氮浓度不变，硫化物浓度梯度增高，以实现硫自养短程反硝化反应与厌氧氨氧化反应的耦合，去除污泥中的硝酸盐、氨氮和硫化物。通过本发明的方法，废水中的硫化物能够被有效利用，不需要外部额外投加硫源，有效降低废水处理成本，将有剧毒的硫化物氧化为无毒性的硫酸盐；简化废水处理工艺，将硝酸盐氮、氨氮和硫化物在同一个生物反应器内去除；有效地缓解硫化物对厌氧氨氧化菌的抑制作用。
Description
技术领域
本发明涉及污水生物处理技术领域，更特别地，涉及一种硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法和系统。
背景技术
针对同时含有氨氮、硝酸盐和硫化物的污水，传统工艺通常需要进行硝化与反硝化的组合技术。首先需要硝化细菌在好氧条件下将氨氮氧化成硝酸盐，然后反硝化菌利用硝酸盐与硫化物，将硝态氮转化为氮气，同时将硫化物氧化为硫单质或硫酸盐，如果硫化物浓度不足时，还需额外添加其他电子供体，例如有机物。
厌氧氨氧化技术是一种高效的生物脱氮技术，它可以将亚硝态氮与氨氮在缺氧条件下直接转化为氮气。与传统的硝化反硝化工艺相比，厌氧氨氧化技术的应用可以降低废水处理成本的30-40％，主要原因是其特殊的代谢途径能有效降脱氮过程中氧气的消耗量，和产生的污泥量，同时不需要额外添加有机物。厌氧氨氧化工艺的相关研究之前一直关注与短程硝化耦合厌氧氨氧化，这个耦合工艺中，短程硝化反应首先以在好氧条件下将部分氨氮氧化为亚硝酸盐(NH4 +→NO2 -)，随后产生的亚硝酸盐与剩余的氨氮在缺氧条件下被厌氧氨氧化菌转化为氮气(NH4 ++NO2 -→N2)。
近些年的研究报道，短程反硝化可以提供稳定的亚硝酸盐(NO3 -→NO2 -)，因而短程反硝化可以与厌氧氨氧化反应可以在同一反应器内进行耦合。这种耦合工艺是另一种新型的生物脱氮技术，它能够拓展厌氧氨氧化工艺的应用范围。相对于短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺，短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺容易操作，控制系统简单，因此有很大的工业应用前景。
据报道硫代硫酸盐和硫单质可以作为电子供体被硫氧化菌利用完成自养短程反硝化，这个过程中产生的亚硝酸盐可以被厌氧氨氧化菌利用。这种耦合工艺可以应用于处理含有氨氮和硝酸盐的废水，但通常硫代硫酸盐或硫单质需外部投加。硫化物常存在于工业废水和市政废水中，据报道硫化物对厌氧氨氧化菌有强烈的抑制作用。如果利用硫化物作为电子供体耦合短程反硝化和厌氧氨氧化反应，将会是一个技术难点。由于厌氧氨氧化菌生长速率慢，产率系数低，当厌氧氨氧化菌被硫化物抑制时，其活性的恢复将会花较长时间，这会影响该工艺在实际应用中稳定性。最新研究表明，当硫化物作为电子供体时还原硝酸盐时，硫化物会被硫氧化菌快速氧化为无毒性的硫单质，随后硫单质作为电子供体还原硝酸盐时，亚硝酸盐会大量地在系统中积累。因此，基于硫化物可以作为电子供体被硫氧化菌利用并为厌氧氨氧化提供亚硝酸盐，硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺有望形成一种新式的自养脱氮技术。这种新型的脱氮工艺将能够高效的去除废水中的硝酸盐和氨氮，同时还能将有剧毒，腐蚀性的硫化物氧化为无毒性的硫酸盐。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法和系统。
一方面，本发明提供硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法，包括以下步骤：
培养厌氧氨氧化污泥以及硫自养反硝化污泥；
在上流式厌氧反应器内混合所述厌氧氨氧化污泥和所述硫自养反硝化污泥，进行驯化培养；
控制所述上流式厌氧反应器的进水条件，使得进水溶液中氨氮和硝酸盐氮浓度不变，硫化物浓度梯度增高，以实现硫自养短程反硝化反应与厌氧氨氧化反应的耦合，去除污水中的硝酸盐、氨氮和硫化物。
在本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法中，所述进水溶液的基质包括第一基质溶液和第二基质溶液，所述第一基质溶液含有氨氮、硝酸盐氮、矿物质和微量元素，所述第二基质溶液包含硫化钠与碳酸氢钠。
在本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法中，所述第一基质溶液和所述第二基质溶液由蠕动泵按1:1体积混合，然后与所述上流式厌氧反应器的内循环溶液混合，由所述上流式厌氧反应器的底部进入所述上流式厌氧反应器。
在本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法中，所述内循环溶液的流量与所述进水溶液的流量的比值为2：3。
在本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法中，所述上流式厌氧反应器包括外层壳体和套设在所述外层壳体内部的内层反应腔，通过控制所述外层壳体内的水浴温度使所述内层反应腔的温度维持在30℃。
另一方面，本发明还提供一种硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统，包括上流式厌氧反应器、进水系统、出水瓶和集气袋，所述进水系统连接于所述上流式厌氧反应器的底部，所述出水瓶和所述集气袋连接于所述上流式厌氧反应器的顶部，使用时，在所述上流式厌氧反应器内混合所述厌氧氨氧化污泥和所述硫自养反硝化污泥，通过控制所述上流式厌氧反应器的进水条件，使得进水溶液中氨氮和硝酸盐氮浓度不变，硫化物浓度梯度增高，以实现硫自养短程反硝化反应与厌氧氨氧化反应的耦合，去除污水中的硝酸盐、氨氮和硫化物。
在本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统中，所述进水系统包括第一进水瓶和第二进水瓶，所述第一进水瓶内装有包含氨氮、硝酸盐氮、矿物质和微量元素的第一基质溶液，所述第二进水瓶内装有包含硫化钠与碳酸氢钠的第二基质溶液。
在本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统中，所述上流式厌氧反应器包括外层壳体和套设在所述外层壳体内部的内层反应腔，所述内层反应腔的底部设有进水口，所述内层反应腔的顶部设有出水口、出气口和内循环口，所述进水口和所述内循环口之间连接有内循环管道。
在本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统中，所述进水系统通过蠕动泵连接于所述上流式厌氧反应器的所述进水口，所述第一基质溶液和所述第二基质溶液由所述蠕动泵按1:1体积混合，然后与所述上流式厌氧反应器的所述内循环管道内的内循环溶液混合，所述内循环溶液的流量与所述进水溶液的流量的比值为2：3。
在本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统中，还包括水浴加热装置，电连接于所述外层壳体，用于控制所述外层壳体内的水浴温度使所述内层反应腔的温度维持在30℃。
本发明的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法和系统，具有以下有益效果：废水中的硫化物能够被有效利用，不需要外部额外投加硫源，可以有效降低废水处理成本，同时还能将有剧毒的硫化物氧化为无毒性的硫酸盐；硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺可以简化废水处理工艺，可同时将硝酸盐氮，氨氮和硫化物在同一个生物反应器内出去；硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的污水生物脱氮方法，能够有效地缓解硫化物对厌氧氨氧化菌的抑制作用；硫氧化菌与厌氧氨氧化菌生长速率及生长系数相当，硫氧化菌不会在反应器内过度生长抑制厌氧氨氧化菌的活性，系统能够长期稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1所示为本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法的流程图；
图2所示为本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的污水生物脱氮的反应过程示意图；
图3所示为本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的污水生物脱氮的反应结果图；
图4所示为本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统的原理图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
图1所示为本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法的流程图。如图1所示，本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法包括以下步骤：
步骤S1、培养厌氧氨氧化污泥以及硫自养反硝化污泥；
步骤S2、在上流式厌氧反应器内混合所述厌氧氨氧化污泥和所述硫自养反硝化污泥，进行驯化培养；
步骤S3、控制所述上流式厌氧反应器的进水条件，使得进水溶液中氨氮和硝酸盐氮浓度不变，硫化物浓度梯度增高，以实现硫自养短程反硝化反应与厌氧氨氧化反应的耦合，去除污泥中的硝酸盐、氨氮和硫化物。
具体地，在本发明中，首先，分别培养厌氧氨氧化污泥和硫自养反硝化污泥(香港科技大学环境实验室培养)；然后将厌氧氨氧化菌与硫自养反硝化菌接种于上流式内循环升流式反应器内，初始总污泥浓度为7.2g/L，挥发性固体浓度为6.2g/L；反应器的条件为：有效容积2.0L，高130cm，内径4.5cm，水力停留时间为12小时，温度30±1℃，内循环流量与进水流量的比值为2/3，通过投加0.2mol/L HCl将反应器内pH维持在7.8-8.2；之后通过控制进水中氨氮和硝酸盐氮浓度维持不变分别维持在80mgN/L(氯化铵)和100mgN/L(硝酸钠)，硫化物浓度梯度升高(20mgS/L(0-20天)，40mgS/L(21-50天)，60mgS/L(51-80天)，60mgS/L(81-243天))，以实现硫自养短程反硝化反应与厌氧氨氧化反应的耦合。
耦合反应过程如图2所示，耦合反应结果如图3所示。如图2所示，反应1为基于硫化物的短程反硝化反应，反应2为基于硫化物的亚硝酸盐还原反应，反应3为基于硫单质的短程反硝化反应，反应4为基于硫单质的亚硝酸盐还原反应，反应5为厌氧氨氧化反应。硫化物在硫氧化菌作用下被迅速氧化为硫单质，缓解了硫化物对厌氧氨氧化菌的抑制作用，硫单质氧化过程伴随着亚硝酸盐的积累，这部分亚硝酸盐能有效地被厌氧氨氧化菌利用。由此，废水中的硫化物能够被有效利用，不需要外部额外投加硫源，可以有效降低废水处理成本，同时还能将有剧毒的硫化物氧化为无毒性的硫酸盐；进而可以简化废水处理工艺，可同时将硝酸盐氮、氨氮和硫化物在同一个生物反应器内去除。如图3所示，硫氧化菌与厌氧氨氧化菌生长速率及生长系数相当，硫氧化菌不会在反应器内过度生长抑制厌氧氨氧化菌的活性，系统能够长期稳定运行。
进一步地，在本发明中，所述进水溶液的基质包括第一基质溶液和第二基质溶液，所述第一基质溶液含有氨氮、硝酸盐氮、矿物质和微量元素，所述第二基质溶液包含硫化钠与碳酸氢钠。第一基质溶液和所述第二基质溶液由蠕动泵按1:1体积混合，然后与所述上流式厌氧反应器的内循环溶液混合，由所述上流式厌氧反应器的底部进入所述上流式厌氧反应器。
图4所示为本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统的原理图。如图4所示，本发明提供的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统包括上流式厌氧反应器10、进水系统、出水瓶20和集气袋30，所述进水系统连接于所述上流式厌氧反应器10的底部，所述出水瓶20和所述集气袋30连接于所述上流式厌氧反应器10的顶部，使用时，在所述上流式厌氧反应器内混合所述厌氧氨氧化污泥和所述硫自养反硝化污泥，通过控制所述上流式厌氧反应器的进水条件，使得进水溶液中氨氮和硝酸盐氮浓度不变，硫化物浓度梯度增高，以实现硫自养短程反硝化反应与厌氧氨氧化反应的耦合，去除污泥中的硝酸盐、氨氮和硫化物。
具体地，在本实施例中，所述进水系统包括第一进水瓶410和第二进水瓶420，所述第一进水瓶内装有包含氨氮、硝酸盐氮、矿物质和微量元素的第一基质溶液，所述第二进水瓶内装有包含硫化钠与碳酸氢钠的第二基质溶液。所述上流式厌氧反应器10包括外层壳体110和套设在所述外层壳体内部的内层反应腔120，所述内层反应腔120的底部设有进水口1210，所述内层反应腔120的顶部设有出水口1220、出气口1230和内循环口1240，所述进水口1210和所述内循环口1240之间连接有内循环管道1250。所述进水系统通过蠕动泵50连接于所述上流式厌氧反应器10的所述进水口1210，所述第一基质溶液和所述第二基质溶液由所述蠕动泵按1:1体积混合，然后与所述上流式厌氧反应器的所述内循环管道内的内循环溶液混合。本发明的硫自养短程反硝化与厌氧氨氧化组合技术在上流式厌氧反应器10中进行。通过内循环管道1250的循环，一方面为反应器提供搅拌混合的动力，另外一方面可以稀释进水中硫化物的浓度，减少硫化物对厌氧氨氧化菌的抑制效果。
进一步地，本发明的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统还包括水浴加热装置60，电连接于所述外层壳体110，用于控制所述外层壳体110内的水浴加热使所述内层反应腔120的温度维持在30℃。本发明的上流式厌氧反应器10为双层反应器，外层壳体内的水浴能够使反应器内温度维持在30℃，适合硫氧化菌和厌氧氨氧化菌的生长。
与现有技术相比，本发明的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法和系统具有以下优点：废水中的硫化物能够被有效利用，不需要外部额外投加硫源，可以有效降低废水处理成本，同时还能将有剧毒的硫化物氧化为无毒性的硫酸盐；硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺可以简化废水处理工艺，可同时将硝酸盐氮，氨氮和硫化物在同一个生物反应器内出去；硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的污水生物脱氮方法，能够有效地缓解硫化物对厌氧氨氧化菌的抑制作用；硫氧化菌与厌氧氨氧化菌生长速率及生长系数相当，硫氧化菌不会在反应器内过度生长抑制厌氧氨氧化菌的活性，系统能够长期稳定运行。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。
应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
Claims (10)
1.一种硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法，其特征在于，包括以下步骤：
培养厌氧氨氧化污泥以及硫自养反硝化污泥；
在上流式厌氧反应器内混合所述厌氧氨氧化污泥和所述硫自养反硝化污泥，进行驯化培养；
控制所述上流式厌氧反应器的进水条件，使得进水溶液中氨氮和硝酸盐氮浓度不变，硫化物浓度梯度增高，以实现硫自养短程反硝化反应与厌氧氨氧化反应的耦合，去除污水中的硝酸盐、氨氮和硫化物。
2.如权利要求1所述的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法，其特征在于，所述进水溶液的基质包括第一基质溶液和第二基质溶液，所述第一基质溶液含有氨氮、硝酸盐氮、矿物质和微量元素，所述第二基质溶液包含硫化钠与碳酸氢钠。
3.如权利要求2所述的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法，其特征在于，所述第一基质溶液和所述第二基质溶液由蠕动泵按1:1体积混合，然后与所述上流式厌氧反应器的内循环溶液混合，由所述上流式厌氧反应器的底部进入所述上流式厌氧反应器。
4.如权利要求3所述的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法，其特征在于，所述内循环溶液的流量与所述进水溶液的流量的比值为2：3。
5.根据权利要求1所述的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨方法，其特征在于，所述上流式厌氧反应器包括外层壳体和套设在所述外层壳体内部的内层反应腔，通过控制所述外层壳体内的水浴温度使所述内层反应腔的温度维持在30℃。
6.一种硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统，其特征在于，包括上流式厌氧反应器、进水系统、出水瓶和集气袋，所述进水系统连接于所述上流式厌氧反应器的底部，所述出水瓶和所述集气袋连接于所述上流式厌氧反应器的顶部，使用时，在所述上流式厌氧反应器内混合所述厌氧氨氧化污泥和所述硫自养反硝化污泥，通过控制所述上流式厌氧反应器的进水条件，使得进水溶液中氨氮和硝酸盐氮浓度不变，硫化物浓度梯度增高，以实现硫自养短程反硝化反应与厌氧氨氧化反应的耦合，去除污水中的硝酸盐、氨氮和硫化物。
7.根据权利要求6所述的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统，其特征在于，所述进水系统包括第一进水瓶和第二进水瓶，所述第一进水瓶内装有包含氨氮、硝酸盐氮、矿物质和微量元素的第一基质溶液，所述第二进水瓶内装有包含硫化钠与碳酸氢钠的第二基质溶液。
8.根据权利要求7所述的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统，其特征在于，所述上流式厌氧反应器包括外层壳体和套设在所述外层壳体内部的内层反应腔，所述内层反应腔的底部设有进水口，所述内层反应腔的顶部设有出水口、出气口和内循环口，所述进水口和所述内循环口之间连接有内循环管道。
9.根据权利要求8所述的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统，其特征在于，所述进水系统通过蠕动泵连接于所述上流式厌氧反应器的所述进水口，所述第一基质溶液和所述第二基质溶液由所述蠕动泵按1:1体积混合，然后与所述上流式厌氧反应器的所述内循环管道内的内循环溶液混合，所述内循环溶液的流量与所述进水溶液的流量的比值为2：3。
10.根据权利要求9所述的硫自养短程反硝化耦合厌氧氨氧化的脱氨系统，其特征在于，还包括水浴加热装置，电连接于所述外层壳体，用于控制所述外层壳体内的水浴加热使所述内层反应腔的温度维持在30℃。
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