CN112919627A - 一种利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法 - Google Patents

一种利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,包括如下步骤:S1.在生物反应器内放置微生物挂膜填料铁碳材料后接种污泥;所述铁碳材料中铁元素形态为三价铁;S2.生物反应器的进水中添加大量元素营养液和微量元素营养液,控制进水中氨氮和亚硝酸盐浓度为30~120mg/L;S3.生物反应器运行至少30天后,在进水中添加有机碳源,使反应器中的兼养型微生物和自养型微生物生长;S4.进水的氨氮和亚硝酸盐去除率超过70%时,增加进水中氨氮和亚硝酸盐的浓度,启动自养型氨氧化。本发明实现了快速启动自养型氨氧化,节省了传统污水反硝化脱氮所需的费用。

Description

一种利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法
技术领域
本发明涉及污水生物脱氮处理技术领域,更具体地,涉及一种利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法。
背景技术
氮素超标是水体富营养化的最重要成因之一,减少氮素向受纳水体的排放和提高总氮转化效率仍是氮素污染控制的研究热点。我国现阶段各城镇的污水处理厂以及企事业单位的污水处理站仍然使用传统的硝化/反硝化生物脱氮工艺,硝化作用依靠氨氧化菌(AOB)将氨氮氧化为亚硝酸盐,亚硝酸盐氧化菌(NOB)将亚硝酸盐氧化为硝酸盐,这两个过程需要使用鼓风曝气机进行长时间曝气,能耗巨大;反硝化菌在缺氧/厌氧且添加外源有机物的情况下,将硝酸盐或亚硝酸盐还原为氮气,实现污水的脱氮和达标排放。传统的硝化/反硝化工艺能耗巨大;反硝化过程添加的有机物增加了运行成本,而且这种脱氮工艺容积脱氮效率较低(<0.5kg N/(m3/d)),使得污水处理设施的占地面积大;因此,在水体氮素污染控制领域中需要研发一种高效、经济的生物脱氮技术。
厌氧氨氧化菌属于自养型微生物,在不外加碳源的条件下能实现高负荷脱氮,相比较传统的硝化/反硝化工艺,利用厌氧氨氧化菌进行水中氮素的去除,还具有污泥产生量少、能耗低等优点。厌氧氨氧化菌以水体中的氨氮作为电子供体,亚硝酸盐作为电子受体,将两者转化为氮气,但是,由于自养型微生物倍增时间较长,例如接种污水处理厂厌氧污泥成功启动厌氧氨氧化反应器通常需要一年以上,所以自养型氨氧化反应器存在难以启动/启动过程缓慢等问题,严重制约自养型氨氧化技术在实践中的应用。
为了解决上述问题,中国发明专利CN111422993A公开了(2020年7月17日)一种利用异养反硝化活性污泥快速启动自养型氨氧化的方法,该方法包括如下步骤:S1.在生物反应器内接种反硝化活性污泥,培养异养反硝化菌;S2.调节所述生物反应器的进水中成分和/或含量从而驯化、富集厌氧氨氧化菌或厌氧铁氨氧化菌,启动自养型氨氧化。该发明所述技术方案虽然能够实现快速启动自养型氨氧化,但存在微生物容易随水流流失的问题。
发明内容
本发明的首要目的是克服自养型氨氧化反应器难以启动/启动慢以及启动过程微生物易随水流流失的问题,提供一种利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
一种利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,包括如下步骤:
S1.在生物反应器内放置微生物挂膜填料铁碳材料后接种污泥;所述铁碳材料中铁元素形态为三价铁;
S2.生物反应器的进水中添加大量元素营养液和微量元素营养液,控制进水中氨氮和亚硝酸盐浓度为30~120mg/L;
S3.生物反应器运行至少30天后,在进水中添加有机碳源,使反应器中的兼养型微生物和自养型微生物生长;
S4.进水的氨氮和亚硝酸盐去除率超过70%时,增加进水中氨氮和亚硝酸盐的浓度,启动自养型氨氧化。
在本发明中,铁碳材料作为挂膜填料可提供三价铁作为电子受体,同时可减少微生物随水流流失。反应器中长时间不添加有机物,异养型细菌被筛除,兼养型微生物和自养型微生物的丰度占比提升。在添加少量有机物后,兼养型微生物和自养型微生物能较快地协同生长,随着进水负荷的提升,自养型氨氧化工艺能够快速启动。
本发明对铁碳材料的形状没有特殊要求,优选为小球状的铁碳材料。铁碳材料的主要成分为铁氧化物、活性炭和粘合剂。
在本发明中,大量元素营养液的组成可以为:NaHCO3,KH2PO4,MgSO4·7H2O,CaCl2
微量元素营养液的组成可以为:EDTA,FeSO4·7H2O,ZnSO4·7H2O,H3BO3,MnCl2·4H2O,CuSO4·5H2O,NiCl2·6H2O,CoCl2·6H2O,NaWO4·H2O。
本发明所述污泥选自畜禽养殖场污水处理站缺氧区活性污泥,污泥中包含硝化菌群、反硝化菌群、厌氧氨氧化菌群、铁还原菌等微生物。优选地,步骤S1中,污泥的浓度为1~30g MLSS/L并且0.2~20g MLVSS/L。
更优选地,污泥的浓度为5~20g MLSS/L并且1~15g MLVSS/L。
优选地,步骤S2中,微量元素营养液的投加比为0.1%~0.15%。
优选地,步骤S2中,进水中氨氮和亚硝酸盐浓度为30~70mg/L。更优选为50~70mg/L。
本发明所述生物反应器优选为EGSB反应器,反应器运行条件为反应温度控制为35℃,进水流量为0.5~2L/h,回流比为2~6,水力停留时间为3~12小时,pH值为通过酸碱调节液调节为7.5。
优选地,步骤S3中,所述有机碳源为葡萄糖、甲醇和乙酸钠中的一种或多种。
优选地,步骤S4中,当进水的氨氮和亚硝酸盐去除率超过70%时,每次增加进水氨氮和进水亚硝酸盐浓度为10~25mg/L,最终各增加至100~250mg/L。
更优选地,每次增加进水氨氮和进水亚硝酸盐浓度为15~25mg/L,最终各增加至150~250mg/L。更优选为每次增加进水中氨氮和亚硝酸盐浓度为25mg/L,最终各增加至200mg/L。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明利用铁碳材料作为微生物载体,减少微生物随水流流失同时补充三价铁作为电子受体,在不向反应器进水中添加有机碳源的情况下,长时间饥饿筛除水中异养反硝化菌,再向反应器进水中添加少量有机碳源,增加兼养菌和自养菌的生物量,最后逐步提高反应器进水的氨氮和亚硝酸盐浓度,从而实现快速启动自养型氨氧化反应器。
附图说明
图1为实施例1中EGSB生物反应器的结构示意图。
图2为实施例1中EGSB反应器进出水氨氮浓度变化图。
图3为实施例1中EGSB反应器进出水亚硝酸盐浓度变化图。
图4为实施例1中EGSB反应器进出水硝酸盐浓度变化图。
图5为实施例1中EGSB反应器进出水COD浓度变化图。
图6为实施例1中EGSB反应器出水pH变化图。
图7为实施例1中EGSB反应器出水DO变化图。
图8为对比例1中EGSB反应器进出水氨氮浓度变化图。
图9为对比例1中EGSB反应器进出水亚硝酸盐浓度变化图。
图10为对比例1中EGSB反应器进出水硝酸盐浓度变化图。
图11为对比例1中EGSB反应器进出水COD浓度变化图。
具体实施方式
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案,以下通过具体实施例进一步详细说明本发明,应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明,可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
本发明实施例及对比例中所用铁碳材料购自平顶山绿之原活性炭有限公司,牌号为铁碳填料0MZB。
本申请中生物反应器可以采用本领域常规的生物反应器。
具体地,如下实施例中使用的生物反应器的结构如图1所示,包括污水进水箱1和2、进水泵3和4、主反应器5、恒温水浴锅6、出水箱7、微生物挂膜填料8;主反应器5设有内部水回流泵51、原水与内部循环水的混合室52、布水孔板53、从反应器底部依次向上沿壁设有3个取样口54、三相分离器55和DO、pH监测口56;主反应器5外层设有水浴保温层,水浴控温装置6出水经循环泵61送至保温层,升流并回流至原水浴控温装置。
实施例1
本实施例提供一种利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,本实施例的自养型氨氧化为自养型厌氧氨氧化。步骤如下:
S1.在生物反应器(EGSB反应器)内放置铁碳材料至生物反应器高度的二分之一,随后接种畜禽养殖场污水处理站缺氧区活性污泥;接种的活性污泥的浓度为1~20g MLSS/L并且1~15g MLVSS/L。接种时先用蒸馏水清洗接种活性污泥三次后,再加入EGSB反应器,加入蒸馏水至1L,在开启蠕动泵进水前向反应器内通入氮气3~5分钟,去除水中的溶解氧。EGSB反应器的运行条件为,反应温度控制为35℃,进水流量为0.5~2L/h,回流比为2~6,水力停留时间为3~12小时,pH值为通过酸碱调节液调节为7.5;
S2.在生物反应器的进水中添加大量元素和微量元素营养液。大量元素的进水组成及浓度为:NaHCO3(1000mg/L),KH2PO4(25mg/L),MgSO4·7H2O(100mg/L),CaCl2(150mg/L)。微量元素营养液的投加比为0.1%;微量元素营养液的组成及浓度为:EDTA(2500mg/L),FeSO4·7H2O(5000mg/L),ZnSO4·7H2O(0.05mg/L),H3BO3(0.05mg/L),MnCl2·4H2O(0.05mg/L),CuSO4·5H2O(0.05mg/L),NiCl2·6H2O(0.05mg/L),CoCl2·6H2O(0.05mg/L),NaWO4·H2O(0.01mg/L)。生物反应器的进水的氨氮浓度控制为50mg/L,亚硝酸盐浓度控制为50mg/L;
S3.生物反应器运行30天后,在进水中添加少量乙酸钠作为碳源,控制进水的COD为50mg/L;
S4.根据反应器出水中氨氮和亚硝酸盐的去除情况,当进水的氨氮和亚硝酸盐去除率超过70%时,每次增加进水氨氮和进水亚硝酸盐浓度各25mg/L,进水中氨氮和亚硝酸盐浓度最终都增加至200mg/L,启动自养型氨氧化。
实验结果:
如图5所示,在接种污泥的三十天内,进水COD浓度小于出水COD浓度,证明异养菌被逐渐筛除,在150d的运行中,如图2~4及图6~7所示,进水氨氮和亚硝酸盐浓度都从50mg/L提高至200mg/L,出水硝酸盐氮的浓度有所提升,证明厌氧氨氧化脱氮路径的存在,从125d开始,出水氨氮浓度一直<5mg/L,出水亚硝酸盐浓度一直<2mg/L,氨氮和亚硝酸盐的去除率都在90%以上,出水pH稳定在7.5至8.3之间,出水溶解氧浓度一直<2mg/L,反应器内挂膜微生物的外观为暗红色,达到利用铁碳材料作为微生物挂膜填料,饥饿筛除异养菌快速启动自养型氨氧化反应器的目的。
实施例2
本实施例为本发明的第二实施例,与实施例1不同的是,本实施例中营养元素投加比为0.15%;生物反应器的进水的氨氮浓度控制为30mg/L,亚硝酸盐浓度控制为70mg/L;采用葡萄糖作为碳源,控制进水的COD为80mg/L;当进水的氨氮和亚硝酸盐去除率超过70%时,每次增加进水氨氮和进水亚硝酸盐浓度各25mg/L,进水中氨氮和亚硝酸盐浓度最终都增加至250mg/L。
本实施例的实验结果与实施例1基本一致,可成功实现快速启动自养型氨氧化。
实施例3
本实施例为本发明的第三实施例,与实施例1不同的是,本实施例中营养元素投加比为0.1%;生物反应器的进水的氨氮浓度控制为70mg/L,亚硝酸盐浓度控制为30mg/L;采用甲醇作为碳源,控制进水的COD为20mg/L;当进水的氨氮和亚硝酸盐去除率超过70%时,每次增加进水氨氮和进水亚硝酸盐浓度各10mg/L,进水中氨氮和亚硝酸盐浓度最终都增加至150mg/L。
本实施例的实验结果与实施例1基本一致,可成功实现快速启动自养型氨氧化。
实施例4
本实施例为本发明的第四实施例,与实施例1不同的是,本实施例中营养元素投加比为0.1%;生物反应器的进水的氨氮浓度控制为120mg/L,亚硝酸盐浓度控制为120mg/L;采用甲醇作为碳源,控制进水的COD为50mg/L;当进水的氨氮和亚硝酸盐去除率超过70%时,每次增加进水氨氮和进水亚硝酸盐浓度各15mg/L,进水中氨氮和亚硝酸盐浓度最终都增加至150mg/L。
本实施例的实验结果与实施例1基本一致,可成功实现快速启动自养型氨氧化。
对比例1
本对比例与实施例1区别在于,本对比例利用聚丙烯填料作为微生物挂膜填料。本对比例步骤如下:
S1.在生物反应器内放置聚丙烯填料至生物反应器高度的二分之一;接种畜禽养殖场污水处理站缺氧区活性污泥;接种的活性污泥的浓度为1~20g MLSS/L并且1~15gMLVSS/L。接种时先用蒸馏水清洗接种活性污泥三次后,再加入EGSB反应器,加入蒸馏水至1L,在开启蠕动泵进水前向反应器内通入氮气3~5分钟,去除水中的溶解氧。EGSB反应器的运行条件为,反应温度控制为35℃,进水流量为0.5~2L/h,回流比为2~6,水力停留时间为3~12小时,pH值为通过酸碱调节液调节为7.5。
S2.生物反应器的进水中添加大量元素和微量元素营养液。大量元素的进水组成及浓度为:NaHCO3(1000mg/L),KH2PO4(25mg/L),MgSO4·7H2O(100mg/L),CaCl2(150mg/L)。微量元素营养液的投加比为0.1%;微量元素营养液的组成及浓度为:EDTA(2500mg/L),FeSO4·7H2O(5000mg/L),ZnSO4·7H2O(0.05mg/L),H3BO3(0.05mg/L),MnCl2·4H2O(0.05mg/L),CuSO4·5H2O(0.05mg/L),NiCl2·6H2O(0.05mg/L),CoCl2·6H2O(0.05mg/L),NaWO4·H2O(0.01mg/L)。生物反应器的进水的氨氮浓度控制为50mg/L,亚硝酸盐浓度控制为50mg/L。
S3.生物反应器运行30天后,在进水中添加少量乙酸钠作为碳源,进水的COD控制为50mg/L。
S4.根据反应器出水中氨氮和亚硝酸盐的去除情况,当进水的氨氮和亚硝酸盐去除率超过70%时,每次增加进水氨氮和进水亚硝酸盐浓度各25mg/L。
实验结果:
如图11所示,在接种污泥的三十天内,进水COD浓度小于出水COD浓度,证明异养菌被逐渐筛除,在150d的运行中,如图8~10所示,进水氨氮和亚硝酸盐浓度都从50mg/L提高至150mg/L,出水硝酸盐氮的浓度有少量提升,证明厌氧氨氧化脱氮路径的存在,运行结束期间出水氨氮浓度未能稳定<5mg/L,出水亚硝酸盐浓度未能稳定<2mg/L,反应器内聚丙烯填料有少量挂膜微生物,外观为黑褐色居多,此对比例的方法启动自养型氨氧化反应器较之实施例1效果差。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于,本对比例不添加有机碳源。本对比例的步骤如下:
S1.在生物反应器内放置铁碳材料至生物反应器高度的二分之一;接种畜禽养殖场污水处理站缺氧区活性污泥;接种的活性污泥的浓度为1~20g MLSS/L并且1~15gMLVSS/L。先用蒸馏水清洗接种活性污泥三次后,再加入EGSB反应器,加入蒸馏水至1L,在开启蠕动泵进水前向反应器内通入氮气3~5分钟,去除水中的溶解氧。EGSB反应器的运行条件为,反应温度控制为35℃,进水流量为0.5~2L/h,回流比为2~6,水力停留时间为3~12小时,pH值为通过酸碱调节液调节为7.5。
S2.生物反应器的进水中添加大量元素和微量元素营养液。大量元素的进水组成及浓度为:NaHCO3(1000mg/L),KH2PO4(25mg/L),MgSO4·7H2O(100mg/L),CaCl2(150mg/L)。微量元素营养液的投加比为0.1%;微量元素营养液的组成及浓度为:EDTA(2500mg/L),FeSO4·7H2O(5000mg/L),ZnSO4·7H2O(0.05mg/L),H3BO3(0.05mg/L),MnCl2·4H2O(0.05mg/L),CuSO4·5H2O(0.05mg/L),NiCl2·6H2O(0.05mg/L),CoCl2·6H2O(0.05mg/L),NaWO4·H2O(0.01mg/L)。
在接种污泥后,生物反应器的进水的氨氮浓度控制为50mg/L,亚硝酸盐浓度控制为50mg/L。
S3.根据反应器出水中氨氮和亚硝酸盐的去除情况,当进水的氨氮和亚硝酸盐去除率超过70%时,每次增加进水氨氮和进水亚硝酸盐浓度各25mg/L。
在启动反应器的150d中,进水氨氮和亚硝酸盐浓度只从50mg/L提高至125mg/L,且填料上挂膜的微生物量很少,外观为黑褐色,未能快速启动自养型氨氧化反应器。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,其特征在于,所述方法包括如下步骤:
S1.在生物反应器内放置微生物挂膜填料铁碳材料后接种污泥;所述铁碳材料中铁元素形态为三价铁;
S2.生物反应器的进水中添加大量元素营养液和微量元素营养液,控制进水中氨氮和亚硝酸盐浓度为30~120mg/L;
S3.生物反应器运行至少30天后,在进水中添加有机碳源,使反应器中的兼养型微生物和自养型微生物生长;
S4.进水的氨氮和亚硝酸盐去除率超过70%时,增加进水中氨氮和亚硝酸盐的浓度,启动自养型氨氧化。
2.如权利要求1所述利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,其特征在于,步骤S1中,污泥的浓度为1~30g MLSS/L并且0.2~20g MLVSS/L。
3.如权利要求2所述利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,其特征在于,步骤S1中,污泥的浓度为5~20g MLSS/L并且1~15g MLVSS/L。
4.如权利要求1所述利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,其特征在于,步骤S2中,微量元素营养液的投加比为0.1%~0.15%。
5.如权利要求1所述利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,其特征在于,步骤S2中,进水中氨氮和亚硝酸盐浓度为30~70mg/L。
6.如权利要求5所述利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,其特征在于,进水中氨氮和亚硝酸盐浓度为50~70mg/L。
7.如权利要求1所述利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,其特征在于,步骤S3中,所述有机碳源为葡萄糖、甲醇和乙酸钠中的一种或多种。
8.如权利要求1所述利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,其特征在于,步骤S4中,当进水的氨氮和亚硝酸盐去除率超过70%时,每次增加进水氨氮和进水亚硝酸盐浓度为10~25mg/L,最终各增加至150~250mg/L。
9.如权利要求8所述利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,其特征在于,每次增加进水氨氮和进水亚硝酸盐浓度为15~25mg/L,最终各增加至150~250mg/L。
10.如权利要求9所述利用铁碳材料快速启动自养型氨氧化的方法,其特征在于,每次增加进水中氨氮和亚硝酸盐浓度为25mg/L,最终各增加至200mg/L。
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