CN113003712A - 一种强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法。本发明通过在短程硝化系统启动后向进水中添加适当浓度的富里酸，可使硝化污泥与富里酸之间产生相互作用以形成更大的颗粒，从而有利于降低污泥比表面积，来提高污泥颗粒的表面稳定性。另外，富里酸可以为反应体系中的异养微生物提供有机物，从而使得异养微生物可以分泌更多的胞聚合物质(EPS物质)，该物质的含量也有利于细菌之间进行粘连从而形成更大的菌胶团，促进污泥颗粒的增长。

Description

一种强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法。
背景技术
目前，随着城镇化水平的不断提高，污水水量和处理难度逐渐上升，急需一种经济有效的污水处理工艺。厌氧氨氧化工艺是一种绿色高效有前景的新型生物脱氮工艺，与传统的生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化工艺可降低60％的曝气量、100％的有机碳源以及90％的污泥量，因其具有高效、低成本的优点而引起了广泛的研究兴趣。
厌氧氨氧化工艺通常与短程硝化工艺联合操作进行脱氮处理，其中部分氨态氮通过氨氧化细菌(AOB)氧化为亚硝酸盐，为厌氧氨氧化细菌(AAOB)提供充足的反应底物。其次，厌氧氨氧化细菌(AAOB)以NO2 --N作为电子受体，将剩余的NH4 +-N转化为氮气，从而达到高效脱氮的目的。在此过程中，短程硝化的稳定运行将会有利于厌氧氨氧化的有效脱氮。通过一些手段去强化短程硝化污泥，提高污泥粒径和沉降性能，将有助于亚硝积累性能的稳定。
对于好氧污泥而言，一般采用高曝气量来加速污泥造粒，高曝气量产生的剪切力增加细胞表面的疏水性，胁迫污泥颗粒化，而短程硝化需在低溶解氧条件下发生。因此，在低氧条件下提高好氧污泥的造粒水平对于短程硝化工艺的稳定运行是至关重要的。
基于此，为了进一步促进短程硝化工艺的实际应用，强化其污泥特性，开发一种强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法将对废水的处理具有重要意义。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中强化污泥颗粒化和沉降性能的方法在低氧条件下见效慢、短程硝化污泥特性有待进一步提高等缺陷，从而提供一种强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法。
为此，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，包括如下步骤：在短程硝化系统启动后，向反应体系中添加富里酸，控制进水中的富里酸浓度为40-50mg/L。
可选的，所述富里酸从5mg/L开始添加，在每个浓度下停留至短程硝化系统出水中NO2 --N/NH4 +-N＞1后，开始增加富里酸浓度，增加幅度为5-10mg/L。
可选的，所述短程硝化系统的运行温度为30-35℃，pH为7.8-8.5。
可选的，所述短程硝化系统的工艺步骤包括：进水，好氧曝气，沉淀，出水，闲置。
可选的，所述好氧曝气步骤中控制水中溶解氧为0.2-0.5mg/L。
可选的，所述短程硝化系统中接种活性污泥的量占总容积的15％-20％。
可选的，所述活性污泥在接种前经过闷曝和清洗处理。
可选的，所述闷曝处理在不含短程硝化所需底物的水中进行，优选的，可在清水中进行。
可选的，接种活性污泥后，控制初始混合液悬浮物含量为2700-3000mg/L。
可选的，所述反应器采用间歇式生物反应器；
所述污泥采用全程的好氧活性污泥或者短程硝化污泥。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，包括如下步骤：在短程硝化系统启动后，向反应体系中添加富里酸，控制进水中的富里酸浓度为40-50mg/L。本发明通过向进水中添加适当浓度的富里酸，可使硝化污泥与富里酸之间产生相互作用以形成更大的颗粒，增强污泥本身的稳定性，从而有利于降低污泥比表面积，来提高污泥颗粒的表面稳定性。另外，富里酸可以为反应体系中的异养微生物提供有机物，从而使得异养微生物可以分泌更多的胞外聚合物(EPS物质)，该物质的含量也有利于细菌之间进行粘连从而形成更大的菌胶团，促进污泥颗粒的增长。试验数据证明，利用40-50mg/L浓度的富里酸对于培养耐受低剂量富里酸、颗粒大、沉降性能好的短程硝化颗粒污泥是有效的。而低于该浓度范围的富里酸对于硝化污泥特性的促进效果不明显，与不添加富里酸的短程硝化污泥差不多，高浓度的富里酸则会对污泥造成消极的影响。
本发明提供的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，所述富里酸从5mg/L开始添加，在每个浓度下停留至短程硝化系统出水中NO2 --N/NH4 +-N＞1后，开始增加富里酸浓度，增加幅度为5-10mg/L。如此设置是在不影响亚硝积累效果的前提下，继续增加富里酸在进水中浓度，以保证硝化细菌对富里酸有一定的适应时间，可实现短程硝化颗粒污泥具备耐受低剂量富里酸的能力，并强化污泥颗粒以及沉降性能。
本发明提供的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，所述短程硝化系统的运行温度为30-35℃，pH为7.8-8.5。由于高温以及高pH都有利于AOB的活性高于NOB，具有促进短程硝化稳定运行的效果。
本发明提供的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，所述好氧曝气步骤中控制水中溶解氧为0.2-0.5mg/L。溶解氧的限定使得NOB的活性受到一定的抑制，从而具有不断淘洗出NOB菌属的效果。
本发明提供的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，所述短程硝化系统中接种活性污泥的量占总容积的15％-20％；接种活性污泥后，控制初始混合液悬浮物含量为2700-3000mg/L。如此限定，可以保证在好氧曝气阶段，活性污泥可以被充分悬浮，以保证污泥颗粒与富里酸废水混合均匀。
本发明提供的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，所述活性污泥在接种前经过闷曝和清洗处理，所述闷曝处理在清水中进行，如此可以去除污泥自身所携带的含氮物质，并在清水中进行闷曝，创造菌群的“饥饿”状态，如此能够快速启动反应器，大大缩短反应器的启动时长。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中采用的序批式活性污泥反应器工艺的结构示意图。
图2是本发明实施例中序批式活性污泥反应器底部布气板装置图。
图3是本发明实施例1中获得的污泥粒径和污泥容积指数变化状况图。
图4是本发明实施例2中获得的污泥粒径和污泥容积指数变化状况图。
附图标记：
其中，1-原水池，2-进水管，3-进水泵，4-第一时间控制器，5-pH测定仪，6-pH测定探头，7-布气板，8-曝气头，9-曝气管，10-转子流量计，11-曝气装置，12-第二时间控制器，13-电磁阀，14-第三时间控制器。
其中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例提供一种强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，所述方法为:采用序批式活性污泥反应器，在反应器接种好氧硝化污泥，以含氨氮、无机盐和微量元素的模拟废水为进水，通过加热器将温度维持在30-35℃，曝气装置维持曝气速率为0.4-0.8L·min-1，水中溶解氧DO为0.2-0.5mg/L，利用KHCO3和NaOH来维持进水pH在7.8-8.5范围内。直至反应中氨氮全部转换为亚硝，且无硝态氮生成，完成启动。
然后向反应器中加入富里酸，为防止硝化污泥对富里酸产生不利影响，由较低浓度开始添加，并以5-10mg/L的幅度提高富里酸浓度，直至污泥粒径增加速率减缓时(实际应用中，直至预定浓度40-50mg/L)，停止继续提高富里酸浓度，得到促进污泥特性最佳的富里酸浓度。
具体的：
步骤一：利用去离子水配制氨氮浓度为290-300mg/L的人工合成废水，并在模拟废水中加入250-270mg/L的磷酸二氢钾、8-12mg/L的无水氯化钙、70-100mg/L的五水硫酸镁、0.5-1ml/L的微量元素Ⅰ以及0.5-1ml/L的微量元素Ⅱ。为保证短程硝化反应所需碱度充足，同时防止水中pH下将过快，从而影响到游离氨氨浓度，添加2800-3000mg/L的碳酸氢钾。
步骤二：向模拟废水中添加氢氧化钠，使进水pH保持在7.8-8.5。
步骤三：以污水厂中好氧池中的硝化污泥为接种污泥，在接种前用35℃的储备液冲洗三次以去除污泥自身所携带的含氮物质，并在清水中进行闷曝24h，创造菌群的“饥饿”状态。接种污泥容积占反应器总容积的15-20％。
步骤四：直至反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N＞1，且无硝态氮产生，开始向进水中添加富里酸。
进一步地，步骤一所述的微量元素组成如下：
微量元素Ⅰ包括：EDTA(15000-19000mg/L)、FeSO4(5000-6000mg/L)。
微量元素Ⅱ包括：EDTA(15000-19000mg/L)、ZnSO4·7H2O(400-500mg/L)、CoCl2·6H2O(200-300mg/L)、MnCl4·H2O(900-1000mg/L)、CuSO4·5H2O(200-300mg/L)、NaMoO4·2H2O(200-300mg/L)、NiCl·6H2O(150-200mg/L)、NaSeO4·10H2O(200-250g/L)、H3BO4(10-15mg/L)。
进一步地，所述短程硝化工艺的步骤包括：进水-好氧曝气-沉淀-出水-闲置，每个周期的时长和每个步骤的运行时间均为本领域的常规设置。
进一步地，利用加热装置保持反应器温度为30-35℃。在好氧曝气阶段，通过曝气泵向反应器中泵入空气，控制水中溶解氧在0.2-0.5mg/L作用，以满足好氧细菌对氧气的需求。
进一步地，曝气装置可以为常规的曝气头，一般在反应器底部加设布气板，保证空气均匀扩散至反应器各个区域，减少厌氧死角。
本发明在添加富里酸的过程中，为了避免富里酸对氨氮的转化以及亚硝的积累产生影响，在每个浓度下停留至短程硝化系统出水中NO2 --N/NH4 +-N＞1后，再进行提高浓度，并定期对硝化污泥的粒径以及污泥容积指数进行监测，比较添加富里酸前后污泥特性变化的差异。
本实施例的具体操作为：
取北京市高碑店污水处理厂好氧池中短程硝化污泥2L。将污泥转移至35℃清水中，利用曝气装置对污泥进行闷曝，曝气速率为5L/min，水中溶解氧≥1mg/L，曝气时间为24h，随后用35℃储备液将短程硝化污泥清洗三遍，将污泥转移至序批式活性污泥反应器中，接种污泥容积占反应器总容积的20％，初始混合液悬浮物(MLSS)约为2800mg/L，ρ(VSS)/ρ(SS)为0.7，污泥粒径93.40μm。
制备氨氮浓度为300mg/L的人工模拟废水。废水中添加3000mg/L的碳酸氢钾补充碱度和用作缓冲剂。此外，模拟废水中还包括，260mg/L的磷酸二氢钾、11mg/L的无水氯化钙、90mg/L的五水硫酸镁、1ml/L的微量元素Ⅰ以及1ml/L的微量元素Ⅱ。溶剂采用去离子水。其中，微量元素Ⅰ包括:EDTA(15000mg/L)、FeSO4(5000mg/L)。微量元素Ⅱ包括EDTA(15000mg/L)、ZnSO4·7H2O(430mg/L)、CoCl2·6H2O(240mg/L)、MnCl4·H2O(990mg/L)、CuSO4·5H2O(250mg/L)、NaMoO4·2H2O(220mg/L)、NiCl·6H2O(190mg/L)、NaSeO4·10H2O(210g/L)、H3BO4(14mg/L)。利用进水泵3将原水池1中的污水通过进水管2输送至反应器中，反应器保证高温(32±2℃)、低氧(0.4±0.1mg/L)条件下运行，并利用第一时间控制器4控制进水时间。将pH测定探头6置于反应器中，通过pH仪5测定体系pH，并通过向进水中投加碳酸氢钾维持体系的pH在8.3左右。
运行20d后，短程硝化系统完成启动，反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N为1.2，且无硝态氮产生，第21d开始向进水中添加富里酸，控制进水中富里酸浓度为5mg/L，并保证在富里酸影响下出水中的NO2 --N/NH4 +-N依旧维持在1.2后提高进水富里酸浓度，此时，亚硝积累性能不受富里酸影响，以5mg/L的幅度提高富里酸浓度，直至污泥粒径增加速率减缓时，停止提高富里酸浓度，在此过程中监测短程硝化污泥的粒径和沉降性能(污泥容积指数)的变化情况。
其中，每天运行六个周期，每个周期时长为4h，其具体时间安排如下:30min进水、120min好氧曝气、30min沉淀、10min排水以及50min闲置。在好氧曝气阶段，曝气装置11对空气进行压缩，通过曝气管9输送到曝气头8处，并通过转子流量计10控制空气流速为0.8L/min，曝入反应器中的空气气泡经过布气板7时，被均匀分散到反应器各个位置，维持水中溶解氧在0.4mg/L，以满足好氧细菌对氧气的需求；
在该方法下，运行20d后，实现短程硝化，运行第21d开始在进水中加入富里酸5mg/L(反应中首次加入富里酸物质，会使得短程硝化体系受到一定的冲击，所以使得短程硝化过程亚硝的积累量暂时性减少，一般适应期3-5d，亚硝的积累量开始恢复)，保持5mg/L的进水浓度5天后，反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N恢复至1.2，进水中富里酸浓度调整为10mg/L；运行5d，反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N为1.1，进水中富里酸浓度调整为15mg/L；运行5d，反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N为1.2，进水中富里酸浓度调整为20mg/L；运行5d，反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N为1.2，进水中富里酸浓度调整为25mg/L；运行5d，反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N为1.1，进水中富里酸浓度调整为30mg/L；运行5d，反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N为1.1，进水中富里酸浓度调整为40mg/L；运行5d，反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N为1.2，进水中富里酸浓度调整为50mg/L；运行5d，反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N为1.1，进水中富里酸浓度调整为60mg/L；运行5d，反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N为1.2，进水中富里酸浓度调整为70mg/L；保持70mg/L浓度运行5d，污泥粒径增加速率明显下降，停止继续提高富里酸浓度。从图3可以看出，初始接种污泥粒径为93.4μm，添加富里酸前污泥粒径为101.4μm，粒径的平均增加速率为0.40μm/d，而21-25d期间，污泥粒径增长为102.9μm，其增加速率为0.30μm/d。并且26-30d、31-35d、36-40d、41-45d、46-50d、51-55d、56-60d、61-65d、66-70d期间的污泥粒径增加速率分别为0.26μm/d、0.46μm/d、0.32μm/d、0.44μm/d、0.36μm/d、0.96μm/d、1.60μm/d、0.28μm/d、0.16μm/d，由此可见第50-60d期间污泥粒径的增加速率大幅度提升，此时富里酸的投加浓度范围为40-50mg/L。而其他浓度富里酸作用下污泥粒径增加不明显或对污泥特性造成一定的破坏，由此可见，40-50mg/L的富里酸明显促进污泥粒径的增长。除污泥粒径外，第50-60d期间污泥的容积指数也由80.39ml/L下降至68.26ml/L,沉降性能明显提高。
实施例2
本实施例的具体操作为：
取北京市良乡卫星城污水处理厂生物池好氧区全程硝化污泥1.5L。将污泥转移至35℃清水中，利用曝气装置对污泥进行闷曝，曝气速率为5L/min，水中溶解氧≥1mg/L，曝气时间为24h，随后用35℃储备液将全程硝化污泥清洗三遍，将污泥转移至序批式活性污泥反应器中，接种污泥容积占反应器总容积的15％，初始混合液悬浮物(MLSS)约为2700mg/L，污泥粒径53.41μm。
制备氨氮浓度为150mg/L的人工模拟废水。废水中添加1800mg/L的碳酸氢钾补充碱度和用作缓冲剂。此外，模拟废水中还包括，150mg/L的磷酸二氢钾、8mg/L的无水氯化钙、70mg/L的五水硫酸镁、1ml/L的微量元素Ⅰ以及1ml/L的微量元素Ⅱ。溶剂采用自来水。其中，微量元素Ⅰ包括:EDTA(10000mg/L)、FeSO4(2000mg/L)。微量元素Ⅱ包括EDTA(10000mg/L)、ZnSO4·7H2O(200mg/L)、CoCl2·6H2O(150mg/L)、MnCl4·H2O(600mg/L)、CuSO4·5H2O(100mg/L)、NaMoO4·2H2O(200mg/L)、NiCl·6H2O(80mg/L)、NaSeO4·10H2O(140g/L)、H3BO4(5mg/L)。保证反应器内温度维持在32±2℃，溶解氧0.3±0.1mg/L。
运行34d后，短程硝化完成启动，反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N为1.1，同时含有自来水自身携带的少量硝态氮。第35d向进水中添加45mg/L的富里酸，初始阶段出水中亚硝含量出现减少，在该浓度维持5d后，出水效果恢复至未添加富里酸之前。并继续维持进水28d。在此过程中监测短程硝化污泥的粒径和沉降性能。
其中，短程硝化反应器采用间歇式运行，整个过程分为进水、好氧曝气、沉淀、出水、闲置五个阶段，每天运行3个周期，每个周期运行8h。具体时间安排如下：60min进水、240min好氧曝气、60min沉淀、10min排水以及110min闲置。通过曝气装置将压缩空气输入至曝气头，并通过转子流量计控制空气流速为0.6L/min，水中溶解氧维持在0.3mg/L附近。
由图4可以看出，在该方法下，启动阶段中，污泥粒径由接种污泥的53.41μm增至77.39μm，污泥粒径的平均增长速率为0.71μm/d。在45mg/L富里酸的影响下，第67d污泥粒径增至123.90μm，此期间的污泥粒径平均增长速率为1.41μm/d，污泥容积指数则由105.96ml/L下降至84.23mg/L。
实施例3
在实施例1的操作条件下，在第52d富里酸浓度为40mg/L条件下，将水中溶解氧由0.4mg/L提升至0.92mg/L，已超过常规短程硝化运行中限制的0.8mg/L。此时NO2 --N/NH4 +-N数值高达1.8，除亚硝的积累量上升以外，依旧无硝态氮产生，亚硝积累性能被进一步加强。污泥粒径与污泥沉降性能的增强使得短程硝化的积累性能更加稳定。
从上述实施例中的数据可知,在污废水脱氮处理工程领域，本发明提供的技术方案具有污泥粒径增加快、耐高氧冲击和系统稳定性好的特点。因此，该方法对于培养耐低浓度富里酸、耐高氧冲击、颗粒大、性能更加稳定的短程硝化污泥具有良好的促进作用。
本发明提供的一种利用低浓度富里酸强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的培养方法：采用间歇式活性污泥反应器，以实际水厂好氧池中的硝化污泥作为接种污泥，以人工模拟废水为进水，在高温低氧条件下运行一段时间，启动反应器，然后向反应器中加入40-50mg/L浓度富里酸进行培养，并在保证亚硝积累性能不受影响的前提下，继续保持进水富里酸浓度。本发明所述方法可利用适宜浓度富里酸在短期内快速促进硝化污泥粒径的增长以及沉降性能的提高，从而对反应体系中的氨氮转化和亚硝积累起到明显的促进效果。该方法培养出的短程硝化污泥颗粒化增长速度快，沉降性能良好，亚硝积累能力稳定，并且短程硝化污泥的耐高氧冲击能力有所提高。本发明对低溶解氧条件下好氧污泥造粒和富集具有重要意义。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：在短程硝化系统启动后，向反应体系中添加富里酸，控制进水中的富里酸浓度为40-50mg/L。
2.根据权利要求1所述的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，其特征在于，所述富里酸从5mg/L开始添加，在每个浓度下停留至短程硝化系统出水中NO2 --N/NH4 +-N＞1后，开始增加富里酸浓度，增加幅度为5-10mg/L。
3.根据权利要求1或2所述的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，其特征在于，所述短程硝化系统的运行温度为30-35℃，pH为7.8-8.5。
4.根据权利要求1-3任一项所述的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，其特征在于，所述短程硝化系统的工艺步骤包括：进水，好氧曝气，沉淀，出水，闲置。
5.根据权利要求4所述的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，其特征在于，所述好氧曝气步骤中控制水中溶解氧为0.2-0.5mg/L。
6.根据权利要求1-5任一项所述的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，其特征在于，所述短程硝化系统中接种活性污泥的量占总容积的15％-20％。
7.根据权利要求6所述的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，其特征在于，所述活性污泥在接种前经过闷曝和清洗处理。
8.根据权利要求7所述强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，其特征在于，所述闷曝处理在清水中进行。
9.根据权利要求1-8任一项所述的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，其特征在于，接种活性污泥后，控制初始混合液悬浮物含量为2700-3000mg/L。
10.根据权利要求1-9任一项所述的强化短程硝化污泥颗粒化和沉降性能的方法，其特征在于，所述反应器采用间歇式生物反应器；
所述污泥采用全程的好氧活性污泥或者短程硝化污泥。
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