CN112624327A - 一种促进厌氧颗粒污泥形成的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于废水处理领域，具体涉及一种促进厌氧颗粒污泥形成的方法，所述方法包括如下步骤：1)向厌氧反应器中添加铁基材料，投入污泥；2)向厌氧反应器中泵入合成废水，开始启动厌氧反应器；3)当反应产气、出水稳定，且测量颗粒污泥挥发性悬浮物占污泥总悬浮物质量的比例为70％～90％时，颗粒污泥成熟，停止反应器运行，回收成熟颗粒污泥。本发明中投加的铁基材料具有较大的比表面积，有利于厌氧微生物在铁基材料表面富集，进而形成污泥聚集体。铁基材料与成熟颗粒污泥密度相近，可在厌氧反应器内上下浮动，避免了增加污泥容重而使污泥沉积。以铁基材料为核心，提升了厌氧颗粒污泥的机械性能。

Description

一种促进厌氧颗粒污泥形成的方法
技术领域
本发明属于废水处理领域，具体涉及一种促进厌氧颗粒污泥形成的方法。
背景技术
厌氧生物处理技术迅速发展，目前已广泛应用于有机废水处理领域。与好氧生物处理相比，厌氧生物处理技术成本低，可以甲烷的方式回收部分能源，可承受有机负荷大，并且可处理一些好氧条件下难以生物降解的有机物，是一种高效、低耗的废水处理技术。
由于部分厌氧微生物世代周期长、增殖速率低，厌氧反应器普遍存在启动周期长的问题。一般情况下厌氧反应器的启动时间需数月甚至更长，这在某种程度上限制了厌氧生物处理技术的推广应用。厌氧污泥的颗粒化是厌氧反应器启动和高效稳定运行的关键。在目前的有机废水厌氧生物处理系统中，由于具有良好的沉降性、生物活性、低污泥产率、低能耗、抗冲击负荷强等优点，厌氧颗粒污泥已得到广泛的关注和应用。
厌氧颗粒污泥的形成是一个十分复杂的物理化学过程，该过程受到温度、pH、污泥接种量、水力负荷、污泥负荷、微量元素等多个因素影响。目前，厌氧污泥颗粒化速度慢，成熟的厌氧颗粒污泥资源少，价格高昂，随着其大规模应用，研究经济、高效的厌氧颗粒污泥培养方法，具有较大的理论意义和实际价值。
针对厌氧颗粒污泥形成慢、产率低的问题，有研究通过投加无机絮凝剂或高聚物降低厌氧发酵系统氧化还原能力、促进添加物与微生物接触、附着、静电吸附、信号分子调节等强化厌氧污泥颗粒化过程。如中国专利CN201310169107.4公开了一种通过向污泥混合液体系中同时添加450～550mg/L粒径为0.3～0.4mm的颗粒活性炭和5～15mg/L的聚季铵盐以加速厌氧污泥颗粒化的方法，微生物在颗粒物表面富集并以其为核心，加快了颗粒污泥的成熟速度；中国专利CN201711166603.9提供了一种加速柠檬酸废水厌氧污泥颗粒化的方法,通过添加供厌氧污泥驯化的金属离子组合物(其中含Fe2+、Co2+、Ni2+、Mg2+、Ca2+等)，并控制回流比、流量等因素，缩短了厌氧污泥驯化形成颗粒污泥的时间；中国发明CN201710810080.0中通过采用周期性(与水力停留时间相同)向厌氧反应器中加入适量的有机合成的高丝氨酸内酯(AHL)信号分子以提升污泥颗粒化速率，并获得了具有良好稳定性的颗粒污泥。但是有机高聚物大多有一定毒性，会抑制微生物活性；细微颗粒物(粘土、颗粒活性炭等)为惰性材料，难降解、回收困难，长期使用会降低厌氧反应器的有效容积，且投加过量会在水力冲击下相互撞击、摩擦，阻碍厌氧颗粒污泥形成；阳离子(Ca2+、Mg2+)促进颗粒污泥聚集、粘结，但多数金属离子会与厌氧体系中的CO3 2-结合产生沉淀，难以去除，减小了厌氧反应器有效容积。
发明内容
针对现有厌氧生物处理技术存在周期长，稳定性差，厌氧颗粒污泥形成慢、培养成本高，成熟颗粒污泥分离回收难等问题，本发明提供一种促进厌氧颗粒污泥形成的方法。该方法可以有效提高厌氧污泥颗粒化速率，缩短颗粒污泥成熟时间，强化颗粒污泥机械性能，提高颗粒污泥产率，简化回收颗粒污泥过程，兼备高效率、低成本的特点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种促进厌氧颗粒污泥形成的方法，所述方法包括如下步骤：
1)向厌氧反应器中添加铁基材料，投入污泥；
2)向厌氧反应器中泵入合成废水，开始启动厌氧反应器；
3)当反应产气、出水稳定，且测量颗粒污泥挥发性悬浮物占污泥总悬浮物质量的比例为70％～90％时，颗粒污泥成熟，停止反应器运行，回收成熟颗粒污泥。
步骤1中，铁基材料的密度为1.1-1.2g/cm3；铁基材料的粒径为0.5-10mm；加入同一反应器中的铁基材料粒径相差为±1mm。
步骤1中，铁基材料为纯铁和/或含铁量高的金属矿物，所述金属矿物选自磁铁矿、赤铁矿、水铁矿、针铁矿中的一种或几种。
步骤1中，铁基材料为铁合金，选自锰铁合金、铬铁合金、硅铬合金、钛铁、硼铁、钨铁、钼铁、铌铁中的一种或几种。
步骤1中，铁基材料为以铁基材料制成的空心铁球；或者以低密度有机材料为核心，在其表面黏附铁基涂层，所述有机材料选自聚酰胺、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯中的一种或几种。
步骤1中，所述污泥为厌氧消化污泥；添加的铁基材料、厌氧消化污泥的量由厌氧反应器体积确定；添加的厌氧消化污泥体积占厌氧反应器总容积的1/6-2/3；添加的铁基材料体积占添加的厌氧消化污泥总体积的1/10-1/3；添加的铁元素的量为每g铁基材料0.012-0.020g。
所用的厌氧反应器为上流式厌氧污泥床、膨胀颗粒污泥床或者内循环反应器；厌氧反应器的运行条件为：启动初期水力负荷小于0.35m3/m2·h，随后逐渐调整水力负荷以加强水力筛选，加快污泥颗粒化进程；反应温度为35-37℃或50-55℃；厌氧反应器中碱度大于750mgCaCO3/L，pH维持在7.0-7.2。
步骤2中，所述合成废水的碳氮比为25，COD浓度为2-5g/L。
步骤3中，当铁基材料的粒径为0.5-5mm时，采用电磁铁对成熟颗粒污泥进行回收。
步骤3中，当铁基材料的粒径大于5mm时，通过滤网对成熟颗粒污泥进行分离回收。
本发明的有益效果在于：
1、本发明中投加的铁基材料具有较大的比表面积，有利于厌氧微生物在铁基材料表面富集，进而形成污泥聚集体。铁基材料与成熟颗粒污泥密度相近，可在厌氧反应器内上下浮动，避免了增加污泥容重而使污泥沉积。以铁基材料为核心，提升了厌氧颗粒污泥的机械性能。
2、铁基材料可析出大量Fe2+和Fe3+，能够提升厌氧污泥系统氧化还原能力。同时，铁基材料具有一定的电子传递能力，可以促进厌氧微生物进行直接种间电子传递，有利于富集功能微生物，并提高微生物代谢效率，进而提升厌氧发酵系统的效率和稳定性，有效提高厌氧污泥颗粒化速率，颗粒污泥成熟时间可由60天左右缩短至35天左右，厌氧发酵系统的效率提升了70％。
3、采用本发明促进厌氧颗粒污泥形成的方法，在适宜的厌氧发酵条件下可以加快厌氧污泥颗粒化，增大厌氧颗粒污泥粒径和密实度。厌氧发酵条件不适宜时，本方法通过投加铁基材料作为厌氧污泥聚合核心，可以提升厌氧发酵系统有机负荷和毒性物质耐受能力。可应用于高氨氮、硫化物、酚类等毒性废水厌氧发酵功能微生物驯化、培养；也适用于高有机负荷、酸性pH的厌氧发酵条件。
4、本发明中根据投加铁基材料的尺寸和类型，选择合适的方法收集、分离成熟颗粒污泥。投加小粒径(0.5-5mm)铁基材料时，采用电磁铁进行回收；投加大粒径(>5mm)铁基材料时，采用滤网进行回收。回收方法简单、操作方便，效率高、成本低。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
一种促进厌氧颗粒污泥形成的方法，包括如下步骤：
1、向厌氧反应器中添加铁基材料，投入污泥。
2、向厌氧反应器中泵入合成废水，开始启动厌氧反应器。
3、当反应产气、出水稳定，且测量颗粒污泥挥发性悬浮物(VSS)占污泥总悬浮物质量(TSS)的比例为70％～90％时，颗粒污泥成熟，停止反应器运行，回收成熟颗粒污泥。
本发明的原理为，通过添加铁基材料提高厌氧反应系统稳定性和运行性能。铁基材料具有较大的表面积，可以富集微生物，形成以铁基材料为核心的厌氧颗粒污泥。微生物可以铁基材料为电子通道进行直接种间电子传递，加快了微生物间的代谢反应。铁基材料还可以增强厌氧污泥的氧化还原能力。
优选地，步骤1中，通过对所述铁基材料进行构造设计，使其与成熟颗粒污泥的密度相近，为1.1-1.2g/cm3，可在厌氧反应器内部随发酵液上下浮动。构造设计的铁基材料粒径为0.5-10mm。为了方便反应结束后收集颗粒污泥，加入同一反应器中铁基材料粒径相差为±1mm。
优选地，步骤1中，在对铁基材料进行构造时，可选择纯铁以及含铁量高的金属矿物，如磁铁矿、赤铁矿、水铁矿、针铁矿中的一种或几种，也可选择铁合金，选自锰铁合金、铬铁合金、硅铬合金、钛铁、硼铁、钨铁、钼铁、铌铁中的一种或几种。
铁基材料的结构形式可以有多种，包括以铁基材料制成的空心铁球；也可以低密度有机材料为核心，在其表面黏附铁基涂层，有机材料选自聚酰胺(PA)、聚氯乙烯(PCV)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)中的一种或几种。
优选地，步骤1中，所述污泥为厌氧消化污泥，添加的铁基材料、厌氧消化污泥的量由厌氧反应器体积确定。添加厌氧消化污泥体积占厌氧反应器总容积的1/6-2/3，具体根据污泥性质确定；添加铁基材料体积占添加污泥总体积的1/10-1/3，添加铁元素的量为12-20mg/(g铁基材料)
优选地，所用的厌氧反应器为上流式厌氧污泥床(Up-flow Anaerobic SludgeBlanket,UASB)、膨胀颗粒污泥床(Expanded Granular Sludge Bed,EGSB)、内循环反应器(Internal Circulation,IC)，厌氧反应器应具备良好的运行条件，如下：启动初期水力负荷小于0.35m3/(m2·h)，随后逐渐调整水力负荷以加强水力筛选，加快污泥颗粒化进程；反应温度控制在35-37℃或50-55℃；厌氧反应器中碱度应大于750mgCaCO3/L，pH维持在7.0-7.2。
优选地，步骤2中，所述合成废水的碳氮比为25，COD浓度为2-5g/L。
优选地，步骤3中，当铁基材料粒径为0.5-5mm时，采用电磁铁对成熟颗粒污泥进行回收。
优选地，步骤3中，当铁基材料粒径大于5mm时，通过滤网对成熟颗粒污泥进行分离回收。
本发明的一种促进厌氧颗粒污泥形成的方法增强了厌氧发酵系统对抑制环境的承受能力，可用于驯化、培养适用于处理高氨氮、硫化物、酚类等毒性废水的厌氧颗粒污泥。
实施例1
在两个直径为60cm、总容积7.5L的UASB反应器A、B中，接种来自城市污水处理厂的厌氧污泥3.5L，其参数如表1所示，进水为合成废水(表2)，反应温度控制在35-37℃。厌氧反应器A中投加直径为3-4mm、密度为1.2g/cm3的空心铁球，投加量为50g/L。厌氧反应器B种不添加空心铁球，其他参数与A一致。每个厌氧反应器接种2.5L污泥，初始水力停留时间为12h，控制回流比为0.6以使进水上升流速为0.1m/h。10天后，水力停留时间依旧是12h，将回流比提升至1.2，上升流速提升至0.2m/h。反应第20天，暂停运行，采用滤网对颗粒污泥进行回收，贮存在-4℃冷藏室中。测得第10天和第20天厌氧反应器A、B的出水COD浓度、颗粒污泥粒径(表3)。明显可以看出，投加了空心铁球的厌氧反应器中，颗粒污泥成熟更快，COD去除率更高。
表1接种污泥参数
Figure BDA0002844959520000071
其中，COD(Chemical Oxygen Demand，化学需氧量)、TCOD(Total ChemicalOxygen Demand，总化学需氧量)、SCOD(Solluted Chemical Oxygen Demand，溶解性化学需氧量)、TS(Total Solid，总固体)、VS(Volatile Solid，挥发性固体)。
表2合成废水组成及浓度
Figure BDA0002844959520000072
表3运行数据
Figure BDA0002844959520000073
Figure BDA0002844959520000081
实施例2
在两个直径为300cm、总容积2m3的UASB反应器A、B中，接种取自城市污水处理厂的厌氧污泥，其参数如表1所示，进水为稀释后的含氮、磷较高的鸡场养殖废水，具体成分如表4。厌氧反应器A中投加表面有磁体矿粉涂层的PCV塑料球(直径1-2mm、密度1.1g/cm3)，投加量为40g/L。厌氧反应器B中不添加塑料小球，其他参数与A一致。每个厌氧反应器接种0.5m3污泥，初始水力停留时间为12h。启动初期控制回流比为0.6以使进水上升流速为0.1m/h。10天后，水力停留时间保持为12h，将回流比提升至1.2，上升流速提升至0.2m/h。20天后，水力停留时间依旧是12h，将回流比提升至1.8，上升流速提升至0.4m/h。第30天，暂停运行，用磁力为0.2T的电磁铁对颗粒污泥进行回收，并贮存在-4℃冷藏室中。反应温度控制在35-37℃。检测第10、20、30天时A、B厌氧反应器中COD浓度、产气量、颗粒污泥粒径(表5)。可以看出，铁基材料能有效缓解高有机负荷、高氨氮等情况下的厌氧发酵抑制效应，有助于加快厌氧污泥颗粒化进程，提升厌氧发酵效率。
表4鸡粪废水参数
Figure BDA0002844959520000082
表5运行数据
Figure BDA0002844959520000083
Figure BDA0002844959520000091
实施例3
在两个直径为120cm、总容积1.5m3的UASB反应器A、B中，接种取自城市污水处理厂的厌氧污泥，其参数如表1所示。厌氧反应器A中投加直径为3-4mm、密度为1.1-1.2g/cm3的空心不锈钢球，投加量为60g/L。厌氧反应器B中不添加，其他参数与A一致。每个厌氧反应器接种2.5m3污泥，反应共运行42天，分为启动阶段(1-7天)和驯化阶段(8-42天)。启动阶段进水为合成废水(见表2)，水力停留时间为24h，启动初期控制回流比为0.6以使进水上升流速为0.1m/h。驯化阶段，进水为模拟农药化工工厂含苯嗪废水(见表6)，pH为7.2，水力停留时间保持为24h，第8-21天将回流比提升至1.2，上升流速提升至0.2m/h。21天后，将回流比提升至1.8，上升流速提升至0.4m/h。第42天，停止运行，采用滤网对颗粒污泥进行回收，并贮存在-4℃冷藏室中。反应温度控制在35-37℃。检测第7、21、42天时A、B厌氧反应器中COD浓度、产气量、颗粒污泥粒径(表7)。可以看出，铁基材料可以提升厌氧发酵系统有机负荷和毒性物质耐受能力，可应用于含苯、酚类等毒性废水厌氧发酵功能微生物驯化、培养，有助于加快厌氧污泥颗粒化进程，提升厌氧发酵效率。
表6模拟农药化工工厂含苯嗪废水
Figure BDA0002844959520000092
表7运行数据
Figure BDA0002844959520000101

Claims (10)

1.一种促进厌氧颗粒污泥形成的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)向厌氧反应器中添加铁基材料，投入污泥；
2)向厌氧反应器中泵入合成废水，开始启动厌氧反应器；
3)当反应产气、出水稳定，且测量颗粒污泥挥发性悬浮物占污泥总悬浮物质量的比例为70％～90％时，颗粒污泥成熟，停止反应器运行，回收成熟颗粒污泥。
2.如权利要求1所述的促进厌氧颗粒污泥形成的方法，其特征在于：步骤1中，铁基材料的密度为1.1-1.2g/cm3；铁基材料的粒径为0.5-10mm；加入同一反应器中的铁基材料粒径相差为±1mm。
3.如权利要求1所述的促进厌氧颗粒污泥形成的方法，其特征在于：步骤1中，铁基材料为纯铁和/或含铁量高的金属矿物，所述金属矿物选自磁铁矿、赤铁矿、水铁矿、针铁矿中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的促进厌氧颗粒污泥形成的方法，其特征在于：步骤1中，铁基材料为铁合金，选自锰铁合金、铬铁合金、硅铬合金、钛铁、硼铁、钨铁、钼铁、铌铁中的一种或几种。
5.如权利要求1所述的促进厌氧颗粒污泥形成的方法，其特征在于：步骤1中，铁基材料为以铁基材料制成的空心铁球；或者以低密度有机材料为核心，在其表面黏附铁基涂层，所述有机材料选自聚酰胺、聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的促进厌氧颗粒污泥形成的方法，其特征在于：步骤1中，所述污泥为厌氧消化污泥；添加的铁基材料、厌氧消化污泥的量由厌氧反应器体积确定；添加的厌氧消化污泥体积占厌氧反应器总容积的1/6-2/3；添加的铁基材料体积占添加的厌氧消化污泥总体积的1/10-1/3；添加的铁元素的量为每g铁基材料0.012-0.020g。
7.如权利要求1所述的促进厌氧颗粒污泥形成的方法，其特征在于：所用的厌氧反应器为上流式厌氧污泥床、膨胀颗粒污泥床或者内循环反应器；厌氧反应器的运行条件为：启动初期水力负荷小于0.35m3/m2·h，随后逐渐调整水力负荷以加强水力筛选，加快污泥颗粒化进程；反应温度为35-37℃或50-55℃；厌氧反应器中碱度大于750mgCaCO3/L，pH维持在7.0-7.2。
8.如权利要求1所述的促进厌氧颗粒污泥形成的方法，其特征在于：步骤2中，所述合成废水的碳氮比为25，COD浓度为2-5g/L。
9.如权利要求1所述的促进厌氧颗粒污泥形成的方法，其特征在于：步骤3中，当铁基材料的粒径为0.5-5mm时，采用电磁铁对成熟颗粒污泥进行回收。
10.如权利要求1所述的促进厌氧颗粒污泥形成的方法，其特征在于：步骤3中，当铁基材料的粒径大于5mm时，通过滤网对成熟颗粒污泥进行分离回收。
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