CN112897825A - 一种用于强化生物脱氮/蓄磷-回收磷的污泥内碳源制备方法 - Google Patents

一种用于强化生物脱氮/蓄磷-回收磷的污泥内碳源制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于强化生物脱氮/蓄磷‑回收磷的污泥内碳源的制备方法。该方法包括：将污泥在碱性下机械切削，或者先在碱条件下机械切削再经过厌氧水解酸化，将得到的混合溶液离心后获得上清液。该方法时间短，能耗较低，且设备价格低廉，维护难度小，避免了因投入成本高而限制其推广应用的问题。

Description

一种用于强化生物脱氮/蓄磷-回收磷的污泥内碳源制备方法
技术领域
本发明属于污泥处理技术领域，特别涉及一种用于强化生物脱氮/蓄磷-回收磷的污泥内碳源的制备方法。
背景技术
易降解有机物含量无法满足有效地脱氮除磷需求、剩余污泥处理与处置费用高昂是我国城镇污水处理厂运行的常见问题。对于传统的脱氮除磷(BNR)工艺，若仅采用生物法，而不增设补充碳源、化学沉淀等辅助手段，处理后的水质难以达到严格的排放标准。从剩余污泥内提取有机碳源被公认为是较为可行的工艺，但碳源制备过程中释放的氨氮和磷酸盐可能会增加污水脱氮除磷系统的氮磷负荷。此外，温度和碳源投加方式都会对BNR效果产生影响，以往经验表明短链挥发性脂肪酸(VFA)是生物脱氮除磷最理想的补充碳源。
磷是绝大多数生物生长所必需的营养元素，属于不可再生的资源，但过量的磷会导致富营养化，为了协调磷的同时短缺与过量，必须对磷进行回收利用，将污水处理厂的BNR工艺转变为生物脱氮/蓄磷-回收磷工艺是BNR工艺发展的必然趋势。生物脱氮/蓄磷-回收磷工艺将传统的连续流补充碳源的方式转变为周期间歇式补充碳源方式，补充碳源的时间间隔为1～3个传统BNR工艺中的厌氧/好氧运行周期。经过周期间歇型投加补充碳源，可将普通的BNR工艺转变为生物脱氮/蓄磷-回收磷工艺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于强化生物脱氮/蓄磷-回收磷的污泥内碳源的制备方法，以克服现有技术中污水处理厂由于缺乏碳源而导致脱氮除磷效果不理想的缺陷。
本发明提供一种用于强化生物脱氮/蓄磷-回收磷的污泥内碳源的制备方法，步骤包括：
将污泥在碱性条件下机械切削，将得到的混合溶液离心后获得上清液，制成污泥内碳源A；
或者将污泥先在碱性条件下机械切削，再经过厌氧水解酸化，将得到的混合溶液离心后获得上清液，制成污泥内碳源B。
所述污泥为污水处理厂的剩余污泥，所述剩余污泥为经重力浓缩，污泥浓度在0.8-1.2％的二沉池污泥。
所述在碱性下机械切削为：利用高速切削机在20000-40000转/min下高速切削，时间为4～8min，pH值为9～11。
所述厌氧水解酸化时间为1～48h，温度为15～40℃。
所述污泥内碳源A或污泥内碳源B用于强化生物脱氮/蓄磷-回收磷，具体为：在温度高于15℃时，将污泥内碳源A投加到BNR工艺的厌氧段，在促进BNR内的生物污泥厌氧释磷并合成聚羟基烷酸酯PHA；
或在温度为8～15℃时，将污泥内碳源B投加到BNR工艺的厌氧段，在促进BNR内的生物污泥厌氧释磷并合成PHA。
所述BNR工艺为缺氧/好氧交替式生物脱氮除磷工艺，该工艺中具有反应器会富集具有贮存内源碳(例如聚羟基烷酸、糖原、氨基酸、脂肪等)功能的的菌群。该工艺可以在厌氧/好氧交替运行中大量富集废水中的磷，可通过定期投加碳源并排出上清液的方式来从系统中除磷以及回收磷。所述生物污泥厌氧释磷并合成聚羟基烷酸酯PHA后，生物污泥在没有任何外加碳源的情况下仅利用自身贮存PHA来进行脱氮除磷，不仅可以达到稳定供应碳源的目的，还可为微生物提供生长场所，提高了污染物的去除效率。
本发明将将重力浓缩后的二沉池剩余污泥(用于从生物外排且经重力浓缩后含水率约99％的二沉池污泥)进行碱复合机械切削或者碱复合机械切削+水解酸化处理，以此破坏污泥的絮体和细胞壁结构；对上述混合物通过泥水分离装置得到富含污泥内碳源(SCOD)的上清液，并将该上清液用作补充碳源回用到脱氮/除磷生物处理工艺中的厌氧释磷池(或缺氧脱氮池)；促使厌氧释磷池(或缺氧池)的微生物在其体内合成聚羟基烷酸酯(PHA)，并厌氧释磷(或反硝化)；补充碳源所提供的能量以内碳源PHA的形式贮存，可以为后续生物脱氮除磷过程提供额外的驱动力，同时可对补充碳源使用过程所释放的大量磷酸盐进行回收利用，最大限度地开发与回收污泥在废水处理过程所富集的资源。
本发明中磷回收液内含有大量的氮、磷、镁、钾和腐殖酸等植物营养物，以及少量的固氮菌、硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等植物增肥菌，可在低温4℃条件下的30天内维持一定活性，该磷回收液可作为液态肥用于园林绿化，最大程度上对污泥资源进行回收利用。
本发明将从剩余污泥(用于从生物外排且经重力浓缩后含水率约99％的二沉池污泥)内提取的有机碳源回用于生物脱氮除磷，达到污泥减量化和资源化的目的。
有益效果
(1)本发明中机械切削处理污泥的时间短，能耗较低，且设备价格低廉，维护难度小，避免了因投入成本高而限制其推广应用的问题；
(2)碱复合机械切削预处理大幅加快了厌氧水解酸化的进程，使得上清液中的VFA迅速积累，VFA是最佳的生物脱氮除磷补充碳源；
(3)将富含氮、磷的污泥内碳源用于厌氧释磷并贮存PHA，再利用内碳源PHA进行脱氮除磷，避免了碳源制备过程中释放的氮、磷对BNR工艺带来的额外负荷，做到了“一碳双用”；
(4)污泥经碱复合机械切削和水解酸化处理后，同时实现了污泥减量化与资源化，降低了其后续处理处置以及运输的成本。
附图说明
图1为本发明强化生物脱氮/蓄磷-回收磷的工艺流程图。
图2为本发明污泥内碳源A制备流程图。
图3为本发明污泥内碳源B制备流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
如图1所示，一种污泥的处理方法，将城市污水厂的二沉池(给出具体处理过程)所排出的剩余污泥(用于从生物外排且经重力浓缩后含水率约99％的二沉池污泥)进行碱复合机械切削/碱复合机械切削+水解酸化处理，碱复合机械切削的控制条件为4～8min、pH 9～11，水解酸化的控制条件为1～48h、30～40℃，其中碱复合机械切削后，上清液的pH值会回调至接近中性，多余的上清液可用作液态肥料来培养景观植物。
(1)污泥在最佳条件(pH＝11)下进行碱复合机械切削，即在pH为9～11条件下，利用高速切削机在30krgm-1条件下将重力浓缩后的(含水率为1％)污泥处理4～8分钟，污泥的絮体和细胞壁结构被破坏，胞内有机物大量溶出，上清液中的SCOD浓度显著提高，得到了污泥内碳源A。与此同时，污泥细胞壁的破裂使得部分内部结合水和间隙水转化为自由水，改善了污泥的脱水性能。
(2)在水解酸化阶段(30～40℃，接种厌氧颗粒污泥(5％)，粒径0.5～1.2mm，控制水解反应器内DO＜0.5mg·L-1)，污泥破壁释放的大量有机物被接种的厌氧颗粒污泥降解利用，并进一步生成VFA，上清液中的VFA含量大幅上升，得到了污泥内碳源B(如，图3所示)。此外，两种污泥内碳源制备过程中产生的重金属浓度基本不会影响后续碳源回用时微生物的活性。其中水解酸化的HRT需要根据污水处理设施的运行温度来进行调节，一般来说，低温时(<13±1℃)的HRT需要比常温时的HRT高3～10倍才能减缓低温造成的不利影响。
两种不同的污泥内碳源A与B分别适用于不同的温度环境。
当初始SCOD浓度相同时，生物污泥在常温(25±1℃)条件下，对污泥内碳源A和污泥内碳源B的平均吸收率均较高；而一旦处于低温(<13±1℃)环境，生物污泥对污泥内碳源A的平均吸收率会有明显的下降；相应的，低温对生物污泥吸收污泥内碳源A后PHA合成量造成的不利影响要大于污泥内碳源B，而平均释磷量则相差不大。
生物污泥在常温下利用污泥内碳源A和污泥内碳源B贮存的PHA进行缺氧反硝化的平均速率均较高，对应的NO3 --N平均去除率也比较理想；而低温时利用污泥内碳源A贮存的PHA进行反硝化的速率要明显低于利用污泥内碳源B贮存的PHA的反硝化速率；生物污泥在低温下利用污泥内碳源A和污泥内碳源B贮存的PHA进行好氧除磷的平均速率与低温时相差不大。
如图1所示，当环境温度高于15℃时，可将制备时间较短，能量输入较低的污泥内碳源A(按照碳源A与污水的体积比为1：3)的比例投加到传统的BNR工艺(如，图1中的交替式缺氧/好氧工艺)中的缺氧段，可以提升BNR污泥中的PHA含量3-5％(根据BNR工艺中能够合成PHA的菌群比例不同而存在差异)来强化生物脱氮除磷的效果，因为BNR污泥中PHA含量增加，加能够提升BNR工艺中的缺氧释磷速率以及好氧吸磷以及同时硝化反硝化速率，以此来提升BNR工艺；污泥破解作为内碳源(进行脱氮除磷)效果与(文献中使用)常规进水碳源(进行脱氮除磷)效果比较，如表-1所示(表-1中内碳源A和内碳源B制备条件为：碱复合机械切削的控制条件为时间8min、pH值11，水解酸化的控制条件为48h、30℃)，与已有的污泥碳源制备方法比较如表-2所示。
如图1所示，而当环境温度低于15℃时，可将进一步水解酸化后的污泥内碳源B(按照碳源A、B与污水的体积比为1：2)投加到BNR工艺的缺氧段(如，图1中的交替式缺氧/好氧工艺)来强化生物脱氮除磷的效果。
表-1
Figure BDA0002892021530000051
注：*,表示COD浓度为1000mg/L,a表示本申请中研究结果，缺氧阶段2h的平均吸磷速率；b表示研究中3h去除速率的均值；“-”表示数据未提及。
本申请使用污泥破解与文献中使用常规进水碳源进行的反硝化/好氧吸磷的测试结果表明，剩余污泥加碱预处理及机械破解后，能够破坏污泥的细胞壁结构，释放胞内有机物，所制备的污泥碳源(碳源A)可溶性蛋白质与多糖的浓度大幅提高，且SCOD、NH4+-N与TP平均浓度分别为3326、38.6、32.6mg·L-1。碱/机械联合破壁后的污泥经后续水解酸化处理后，所制备的碳源B，SCOD、NH4 +-N与TP平均浓度分别为3326、38.6、32.6mg·L-1。采用本发明源碳进行反硝化、除磷实验，在25±1℃时，具有脱氮除磷功能的污泥对A、B以及乙酸钠碳源合成的PHA并进行缺氧反硝化以及好氧吸磷的速率参见表-1，对NO3—N去除率的分别为为99.2、100、和100％，对TP的去除率均为100％。说明在常温(25±1℃)条件下，该碳源的反硝化、除磷效能与普通乙酸钠接近。在低温(13±1℃)环境中，与乙酸钠碳源相比，使用污泥碳源A、B对总氮、总磷的去除效率分别下降50％与8.3％。
在常温下污泥内碳源A和污泥内碳源B贮存的PHA进行缺氧反硝化的平均速率均较高，对应的NO3--N平均去除率也比较理想；而低温时利用污泥内碳源A贮存的PHA进行反硝化的速率要明显低于利用污泥内碳源B贮存的PHA的反硝化速率；如表-1所示，生物污泥在低温下利用污泥内碳源A和污泥内碳源B贮存的PHA进行好氧除磷的平均速率相差不大(7％)，但是均比乙酸钠作为补充碳源的吸磷效能低。
表-2不同污泥碳源制备方法与消耗时间的比较*
Figure BDA0002892021530000061
*注：SCOD单位为mg·L-1；时间单位为h；阴影部分为本发明
表2表明：碳源制备的时间成本是评价一种碳源能否投入实际应用最重要的指标之一，表-2表明，本发明的碳源制备时间与报道的方法相比，不仅碳源制备时间成本低，而且制备碳源效果好，因此该中内碳源制备方法可能更适合在大规模工程中应用。更重要的是，从污泥中回收碳源可以降低后续污泥的处置成本，对环境有利，且碳源制备过程中释放的氮、磷等营养元素也是重要的可回收资源，因此本发明的污泥内碳源制备方法，具有经济有效，且时间成本较低的特点。
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Claims (6)

1.一种用于强化生物脱氮/蓄磷-回收磷的污泥内碳源的制备方法，步骤包括：
将污泥在碱性下机械切削，将得到的混合溶液离心后获得上清液，制成污泥内碳源A；
或者将污泥先在碱性下机械切削，再经过厌氧水解酸化，将得到的混合溶液离心后获得上清液，制成污泥内碳源B。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述污泥为污水处理厂的剩余污泥，所述剩余污泥为二沉池排出的剩余污泥经过重力浓缩后，污泥浓度在0.8-1.2％的生物污泥。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述在碱性下机械切削为：利用高速切削机在20000-40000转/min下高速切削，时间为4～8min，pH值为9～11。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述厌氧水解酸化时间为1～48h，温度为15～40℃。
5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述污泥内碳源A或污泥内碳源B用于强化生物脱氮/蓄磷-回收磷，具体为：
在温度高于15℃时，将污泥内碳源A投加到BNR工艺的缺氧段，在促进BNR内的生物污泥厌氧释磷并合成聚羟基烷酸酯PHA后，回收厌氧池内的上清液，作为磷回收液；
或者在温度为8～15℃时，将污泥内碳源B投加到BNR工艺的厌氧段，在促进BNR内的生物污泥厌氧释磷并合成PHA后，回收厌氧池内的上清液，作为磷回收液。
6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，所述生物污泥厌氧释磷并合成聚羟基烷酸酯PHA后，生物污泥在没有任何外加碳源的情况下仅利用自身贮存PHA来进行脱氮除磷。
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