CN114506924B

CN114506924B - 一种快速实现低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮的方法

Info

Publication number: CN114506924B
Application number: CN202210088453.9A
Authority: CN
Inventors: 樊晓燕; 赵君如; 张忠兴; 高玉玺
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2042-01-25
Also published as: CN114506924A

Abstract

一种快速实现低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮的方法，属于污水生物处理领域。该方法分为三个阶段：1)种泥驯化；2)20mg/L四环素和3mg/L铜共选择压下快速构建低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮系统；3)低碳耗同步硝化反硝化技术处理市政污水的运行。该方法仅需经过六个周期的活性污泥驯化，便可快速实现总氮去除率高达88.53％的效果，且在处理市政污水阶段能稳定运行，平均总氮去除率为85％。本发明解决了市政污水因碳氮比较低而影响脱氮效率和需额外投加碳源的问题，并且使系统对抗生素等新兴污染物有一定范围内的抗冲击性，为快速实现同步硝化反硝化工艺和污水处理厂从高碳排放向低碳或“零碳”排放提供技术支持。

Description

一种快速实现低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮的方法

技术领域

本发明属于污水处理生物脱氮领域，具体来说，涉及一种低碳耗的污水高效脱氮方法。

背景技术

我国市政污水普遍存在氮元素超标的问题，该问题会导致水体的富营养化。因此，高效的污水脱氮技术及其优化一直是科研与实际工程关注的热点与难点问题。传统生物脱氮包括硝化作用和反硝化作用，是污水处理厂常用的脱氮技术，但运用该技术实现脱氮需要足够高的碳氮比（COD/TN，C/N）。然而，我国70%以上的污水普遍存在“碳低氮高”的现象，这会导致氮素去除效率难以达到排放要求。多数污水处理厂会选择投加大量的外加碳源来实现出水中氮的达标排放。常见的外加碳源有甲醇、乙酸钠以及葡萄糖等，这些额外投加物不仅增加了经济成本且具有投加量难以控制、影响出水水质等缺点。因此，低碳耗新型脱氮技术在污水处理中有更为广阔的应用前景。其中，同步硝化反硝化工艺（simultaneousnitrification and denitrification，SND），该工艺可在同一个反应器内同时硝化和反硝化，可节省部分碳源，为实现低碳耗脱氮提供了依据。但该工艺在实际应用中却因操作条件复杂、驯化时间长等原因，难以在实际应用中被推广。因此，亟需一种快速实现SND的方法，提升脱氮效率。

抗生素作为一种新兴污染物，广泛存在于医院废水、制药废水、养殖废水、工业废水以及人们日常生活所产生的废水中。重金属作为工业废水和印染废水中常见的污染物，其同样有较高的环境风险。两者本身难以被降解和吸收，绝大部分的抗生素和重金属会随着市政污水系统进入城市污水处理厂。两者在污水处理系统中汇集所造成的复合污染，会直接影响微生物的脱氮过程，会对脱氮功能菌造成不可逆的影响，最终影响污水处理系统的稳定运行。然而，在高浓度抗生素和重金属选择压下，部分脱氮功能菌存在高抗性。可以利用活性污泥中不同微生物对复合污染的敏感程度不同，实现对特定脱氮功能菌群的驯化与富集，发挥复合污染在污水处理系统中的有益作用，实现在高抗生素和重金属胁迫下的总氮去除，可以将复合污染的不利影响转化为有益效果。因此，针对污水高效脱氮的问题，提出一种在高浓度抗生素和重金属污染胁迫下快速实现低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮的方法，其在污水脱氮领域具有重大的意义且对于污水处理厂从高碳排放向低碳或“零碳”排放提供技术支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种快速实现低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮的方法。该方法解决了市政污水C/N比低和存在抗生素抑制总氮去除的问题，节省了外加碳源和系统运行的能耗和成本，提高了污水处理系统的总氮去除率，且降低了污水处理系统的碳排放。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

a.使用四环素（tetracyclines，TET）和Cu²⁺（采用硫酸铜）泥进行驯化，并快速实现系统同步硝化反硝化的脱氮，两种物质呈现协同作用；

b.确定四环素和Cu²⁺（采用硫酸铜）的使用浓度，本发明使用四环素TET的浓度恒定为20 mg/L，Cu²⁺（采用硫酸铜）的浓度恒定为3 mg/L；

c.活性污泥的培养：活性污泥取自市政污水处理厂（WWTP）的曝气池，将取回的活性污泥加入人工配水，稳定曝气，每4 h为一个周期，并在周期末测定出水氨氮浓度，当出水氨氮完全去除后，继续运行2-3 d，确保体系出水稳定后，完成污泥培养，并确保其混合悬浮固体浓度（MLSS）为10000 mg/L；

d. 低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮系统构建：将体积比1:1的人工配水与活性污泥加入反应器中，设置50%排水比，放置于水浴恒温振荡箱中，转速设置在90-100 rad/min之间，温度设置为25±1℃，完全曝气，pH值维持在7.5-8.0之间，进水氨氮和COD浓度根据市政污水的平均浓度配置（氨氮浓度30-35 mg/L，COD浓度 350-360 mg/L），同时添加Cu²⁺（采用硫酸铜）浓度3 mg/L，TET浓度20 mg/L；在上述设置的条件下运行；运行九个反应周期时，每周期运行4 h，出水氨氮均完全去除，证明硝化过程进行完全。在第一和第七两个周期，每30 min取样测定氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，其他周期均只测定进出水氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，出现高效且稳定的总氮去除后，再稳定运行三个周期，完成低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮系统的构建。

e. 低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮系统的运行：在稳定运行三个周期（第九周期运行结束后）后，将活性污泥与人工配水完全分离即沉降后排出所有上清液，其他运行条件与步骤d相同，但进水中不投加四环素和Cu²⁺（采用硫酸铜），设置50%排水比，进行运行；运行五个周期（即10-14周期），在第十三周期，每30 min取样测定氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，剩余周期仅测定进出水氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，第十四周期结束后，完成低碳耗同步硝化反硝化技术处理市政污水的运行。

对比实验：本对比实验使用接种污泥直接处理不含抗生素和重金属的人工配水，具体步骤如下：

将人工配水与活性污泥加入500 mL锥形瓶中，有效体积250 mL（125 mL人工配水+125 mL活性污泥），设置50%排水比，放置于水浴恒温振荡箱中，转速设置在90-100 rad/min之间，温度设置为25±1℃，完全曝气，pH值维持在7.5-8.0之间，一到十四周期进水氨氮浓度30-35 mg/L，COD浓度在350±10 mg/L，每周期运行4 h，出水氨氮均完全去除，证明硝化过程进行完全，第一、七和十三周期，每30 min取样测定氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，其他周期均只测定进出水氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，第十四周期结束后，完成对比实验；

本方法所带来的有益效果：本发明选用华北某市政污水厂（WWTP）曝气池的活性污泥，利用高浓度抗生素和重金属的特定抑菌作用，对活性污泥系统微生物群落进行定向驯化与培养，过程迅速，系统可在短短六个周期内实现低碳耗的SND工艺且稳定运行，节省了工艺运行成本及间接碳排放，实现污水高效脱氮，总氮去除率可达到85%左右；同时，经高浓度抗生素和重金属复合污染胁迫的活性污泥系统，能够抵抗一定范围污染物的冲击，可拓宽该技术在实际中的应用范围。

附图说明

图1是对照试验中第一、七、十三周期的NH₄ ⁺-N、N0₂ ^—N、NO₃ ^—N和TN的曲线。

图2是TET-Cu模式中第一、七、十三周期的NH₄ ⁺-N、N0₂ ^—N、NO₃ ^—N和TN的曲线。

图3是对照试验和TET-Cu模式十四周期内总氮去除率变化的曲线。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：本实施方式的快速实现低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮的方法，具体步骤如下：

所述的人工配水浓度及组成：每1 L水，葡萄糖0.562 g,氯化铵0.268 g,碳酸氢钠1.680 g，磷酸二氢钾0.1 g，氯化钠1.180 g，氯化钾0.160 g以及1 mL微量元素；微量元素的浓度及组成：每1 L水，Na₂EDTA为4.29 g， FeCl₂•4H₂O为 1.99 g，MnCl₂•2H₂O为 0.08 g，NiCl₂•6H₂O 为0.02 g，CoCl•6H₂0 为0.02 g，CuCl₂•H₂O 为0.02 g，ZnCl₂为 0.02 g，NaMoO₄•2H₂O为 0.02 g，Na₂WoO₄•2H₂O为 0.03 g，H₃BO₃ 为0.06 g。实验用水均为Milli-Q的超纯水。

所述抗生素和重金属暴露种类和浓度（TET-Cu模式）：从第一至第九周期，在人工配水中添加20 mg/L四环素和3 mg/L铜，第十至十四周期不添加污染物。

实验方法

阶段一

种子污泥的获取：活性污泥取自华北某市政污水处理厂（WWTP）的曝气池，将取回的活性污泥加入人工配水，稳定曝气，每4 h为一个周期，并在周期末测定出水氨氮浓度，并在周期末测定出水氨氮浓度，当出水氨氮完全去除后，继续运行2-3 d，确保体系稳定后，完成污泥培养，使用超纯水稀释污泥，确保其混合悬浮固体浓度（MLSS）为10000 mg/L；

阶段二

低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮系统构建：将人工配水与活性污泥加入500 mL锥形瓶中，有效体积250 mL（125 mL人工配水+125 mL活性污泥），设置50%排水比，放置于水浴恒温振荡箱中，转速设置在90-100 rad/min之间，温度设置为25±1℃，完全曝气，pH值维持在7.5-8.0之间，进水氨氮和COD浓度根据市政污水的常见浓度配置（氨氮浓度30-35 mg/L，COD浓度350-360 mg/L），Cu²⁺（采用硫酸铜）浓度3 mg/L，TET浓度20 mg/L，在上述设置的条件下运行九个反应周期，每周期运行4 h，出水氨氮均完全去除，证明硝化过程进行完全，在第一和第七两个周期，每30 min取样测定氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，其他周期均只测定进出水氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，出现高效且稳定的总氮去除后，再稳定运行三个周期后结束，完成低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮系统的构建；

阶段三

低碳耗同步硝化反硝化技术处理市政污水的运行：在第九周期运行结束后，将活性污泥与人工配水完全分离，运行条件与前九周期相同，但人工配水中不投加四环素和Cu²⁺（采用硫酸铜），设置50%排水比，运行五个周期（即10-14周期）。在第十三周期，每30 min取样测定氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，剩余周期仅测定进出水氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，第十四周期结束后，完成低碳耗同步硝化反硝化技术处理市政污水的运行。

将人工配水与活性污泥加入500 mL锥形瓶中，有效体积250 mL（125 mL人工配水+125 mL活性污泥），设置50%排水比，放置于水浴恒温振荡箱中，转速设置在90-100 rad/min之间，温度设置为25±1℃，完全曝气，pH值维持在7.5-8.0之间，一到十四周期进水氨氮浓度30-35 mg/L，COD浓度在350±10 mg/L，每周期运行4 h，出水氨氮均完全去除，证明硝化过程进行完全，第一、七和十三周期，每30 min取样测定氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，其他周期均只测定进出水氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，第十四周期结束后，完成对比实验。

图1是在不添加污染物的人工配水和活性污泥系统中第一、七、十三周期NH₄ ⁺-N，N0₂ ^--N, NO₃ ^—N和TN浓度的变化：从图中可以看出，第一和第七周期的总氮去除率无明显变化，均为35%左右，第十三周增加了13%左右，达到48.15%。

图2是TET-Cu模式的人工配水和活性污泥系统中第一、七、十三周期NH₄ ⁺-N，N0₂ ^--N, NO₃ ^--N，TN浓度的变化：从图中可以看出，随着运行周期的不断增加，总氮去除率由46.17%增至88.53%，并且第七周期NH₄ ⁺-N和TN的浓度变化曲线基本重合，整个过程没有明显的N0₂ ^--N和NO₃ ^--N积累，第十三周期无抗生素添加的条件下，仍出现了与第7周期相似的现象，总氮去除率也达到了83.19%。

图3是对照试验和TET-Cu模式十四周期内总氮去除率变化的曲线：从图中可以看出，TET-Cu模式可快速实现高效脱氮，在第六周期总氮去除率就达到88.53%，在高浓度抗生素和重金属的选择压下持续稳定在88%左右；在不添加污染物的条件下，也可稳定运行，平均总氮去除率为85%。

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以上所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

Claims

1.一种快速实现低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.使用四环素TET和铜离子泥进行驯化，并快速实现系统同步硝化反硝化的脱氮，两种物质呈现协同作用；

b.确定四环素和铜离子的使用浓度，使用四环素TET的浓度恒定为20 mg/L，铜离子的浓度恒定为3 mg/L；

c.活性污泥的培养：活性污泥取自市政污水处理厂的曝气池，将取回的活性污泥加入人工配水，稳定曝气，每4 h为一个周期，并在周期末测定出水氨氮浓度，当出水氨氮完全去除后，继续运行2-3 d，确保体系出水稳定后，完成污泥培养，并确保其混合悬浮固体浓度为10000 mg/L；

d. 低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮系统构建：将体积比1:1的人工配水与活性污泥加入反应器中，设置50%排水比，放置于水浴恒温振荡箱中，转速设置在90-100 rad/min之间，温度设置为25±1℃，完全曝气，pH值维持在7.5-8.0之间，进水氨氮和COD浓度根据市政污水的平均浓度配置，同时添加铜离子浓度3 mg/L，TET浓度20 mg/L；在上述设置的条件下运行；

e.低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮系统的运行：在稳定运行三个周期后，将活性污泥与人工配水完全分离即沉降后排出所有上清液，其他运行条件与步骤d相同，但进水中不投加四环素和铜离子，设置50%排水比，进行运行；其中，步骤d总运行九个反应周期时，每周期运行4 h，出水氨氮均完全去除，硝化过程进行完全；完成低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮系统的构建；步骤d，在第一和第七两个周期，每30 min取样测定氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，其他周期均只测定进出水氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，出现高效且稳定的总氮去除后，再稳定运行三个周期；步骤e从第十周期运行至第十四周期，在第十三周期，每30 min取样测定氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，剩余周期仅测定进出水氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，第十四周期结束后，完成低碳耗同步硝化反硝化技术处理市政污水的运行。

2.按照权利要求1所述的一种快速实现低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮的方法，其特征在于，进水的氨氮浓度30-35 mg/L，COD浓度 350-360 mg/L。

3.按照权利要求1所述的一种快速实现低碳耗同步硝化反硝化高效脱氮的方法，其特征在于，人工配水浓度及组成：每1 L水，葡萄糖0.562 g,氯化铵0.268 g,碳酸氢钠1.680g，磷酸二氢钾0.1 g，氯化钠1.180 g，氯化钾0.160 g以及1 mL微量元素；微量元素的浓度及组成：每1 L水，Na₂EDTA为4.29 g， FeCl₂•4H₂O为 1.99 g，MnCl₂•2H₂O为 0.08 g，NiCl₂•6H₂O 为0.02 g，CoCl•6H₂0 为0.02 g，CuCl₂•H₂O 为0.02 g，ZnCl₂为 0.02 g，NaMoO₄•2H₂O为 0.02 g，Na₂WoO₄•2H₂O为 0.03 g，H₃BO₃ 为0.06 g。