CN114735808B - 一种快速启动生活污水短程硝化的方法 - Google Patents
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Abstract
一种快速启动生活污水短程硝化的方法，包括如下步骤：（1）接种硝化污泥于生活污水短程硝化系统内，使得污泥浓度为2500~3500 mg/L；（2）低温条件下于生活污水短程硝化系统中恢复接种污泥的代谢活性，完成活性恢复；（3）低温条件下三氧化二铁纳米颗粒或三氯化铁以与生活污水混合进入生活污水短程硝化系统内，启动并运行系统；（4）采用序批式反应，进水结束后进行曝气，三氧化二铁纳米颗粒或三氯化铁分别按照一定的投加频率进行投加；（5）监测出水亚硝积累率，当亚硝积累率达到75%以上且稳定运行7天以上，可视为短程硝化系统成功启动。本发明可显著提高污泥沉降性能，且工艺控制条件简单，运行费用低，可操作性强，运行效果稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于生活污水短程硝化系统启动的方法，尤其适用于以氨氮含量较低的生活污水为底物的短程硝化系统的启动，属于污水生物处理技术领域。
背景技术
传统污水处理厂存在能耗高、处理效率低等问题，开发新型绿色低碳的污水处理工艺势在必行。厌氧氨氧化工艺是在厌氧条件下，以氨为电子供体，以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，生成氮气的新型污水处理工艺。与传统硝化反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺节省60％供氧量，无需投加有机碳源，且剩余污泥量少，因此该工艺引起了研究人员的广泛关注。厌氧氨氧化工艺应用的瓶颈之一在于主流污水处理系统难以获得稳定的亚硝积累。传统的硝化作用由两类微生物完成，先由氨氧化细菌将氨氮转化为亚硝态氮，再由亚硝酸盐氧化菌进一步将亚硝态氮氧化成硝态氮。实现亚硝积累的关键在于抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，使系统的氨氧化速率大于亚硝酸盐氧化速率。温度是影响短程硝化的主要因素之一。根据Arrhenius方程，当温度低于20℃时，氨氧化细菌的最大生长速率小于亚硝酸盐氧化菌。当温度大于20℃时，氨氧化细菌的最大生长速率开始大于亚硝酸盐氧化菌，并且随着温度升高，两者生长速率的差距逐渐增大。因此，较高的运行温度有利于筛选氨氧化细菌，淘汰亚硝酸盐氧化菌，实现短程硝化。然而，实际污水处理厂的运行不可避免地受到由季节引起的温度变化的影响。在低温条件下，如何快速实现短程硝化系统的启动及稳定运行，显得尤为重要。
铁元素作为大多数微生物酶反应的活性中心，对微生物的生长、代谢极为重要，其在污水处理领域具有重大的使用前景和商业价值。目前已有利用不同形态的含铁物质强化污水生物处理过程的相关研究报道。其中中国专利文献CN108862576A公开了一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化的方法，该方法使用二/三价铁离子强化了短程硝化反硝化污泥的沉降性能，但此专利并未提出提高亚硝积累率的方法。CN109081438A公开了一种提高厌氧氨氧化颗粒污泥对纳米零价铁耐受性的培养方法，该方法将零价铁纳米颗粒视为污泥培养的胁迫剂，并发现其对污染物去除产生抑制作用。CN108793402A公开了一种利用四氧化三铁纳米颗粒强化厌氧反应器降解酚污染物的方法，该方法提高了酚类污染物的去除率，但未涉及脱氮效率和脱氮产物的影响。CN101462793A公开了一种复合铁酶促活性污泥污水脱氮除磷的方法，通过铁离子强化电子传递链与酶促作用，从而提高活性污泥脱氮除磷效率，此方法主要针对提高系统负荷，增强系统稳定性，并未针对短程硝化进行相关研究。三氧化二铁纳米颗粒作为一种常见的铁矿产品，三氯化铁作为一种常见的絮凝剂和催化剂，均鲜有报道关于利用两者实现短程硝化启动的方法。
基于以上背景，本发明旨在研究一种利用三氧化二铁纳米颗粒或三氯化铁快速启动生活污水短程硝化系统的方法。
发明内容
本发明针对现有生活污水短程硝化技术存在的不足，提供一种快速启动生活污水短程硝化的方法，提高活性污泥中氨氧化细菌的活性，从而快速启动短程硝化。
本发明快速启动生活污水短程硝化的方法，具体包括如下步骤：
(1)接种污泥于生活污水短程硝化系统内，使得系统污泥浓度为2500～3500mg/L；
(2)在低温条件下于生活污水短程硝化系统中恢复接种污泥的代谢活性；进水氨氮浓度为55～85mg/L，COD(化学需氧量)浓度为100～350mg/L，HRT(水力停留时间)为12h(小时)；当氨氮去除率达到95％以上时，认为污泥活性恢复阶段完成；
(3)在低温条件下，将三氧化二铁纳米颗粒或三氯化铁与生活污水混合，进入生活污水短程硝化系统内，启动并运行生物污水短程硝化系统；
(4)采用序批式反应，单周期运行方式如下：进水时间2～10min，进水流量为0.3～1.5L/min(升/分钟)；曝气时间200～280min(分钟)，曝气量为2～4L/min；沉降时间10～4min；排水时间10min；闲置时间138～56min；
(5)监测出水亚硝积累率，若亚硝积累率达到75％以上且稳定运行7天以上，说明短程硝化系统启动成功。
作为优选，步骤(1)中所述的接种污泥为污水处理厂好氧池硝化污泥。
作为优选，步骤(2)和(3)中所述的低温是8～16℃。
作为优选，步骤(3)中所述生活污水中的三氧化二铁纳米颗粒的浓度是20～100mg/L。
作为优选，步骤(3)中所述三氧化二铁纳米颗粒的投加频率为每周一次。
作为优选，步骤(3)中所述三氧化二铁纳米颗粒的粒径是10～40nm。
作为优选，步骤(3)中所述生活污水中首次投加三氯化铁按照145mgFeCl3/g MLSS进行投加，三氯化铁的总投加质量为2.18～3.05g。MLSS为混合液污泥浓度。
作为优选，步骤(3)中所述三氯化铁的投加频率为每个周期一次，系统完成首个周期运行后，每个周期进水阶段根据上一周期出水污泥损失量补加相应量的三氯化铁溶液，以保证系统内三氯化铁的含量。补加的三氯化铁根据出水损失的污泥量设置，补加的三氯化铁为1.63～16.31mg。
作为优选，步骤(4)中所述的曝气是控制溶解氧为2～8mg/L。
作为优选，所述生活污水短程硝化系统的排水比为50％。
作为优选，步骤(4)中所述的沉降时间从第7天开始，每7天减少2min，减至4min时不再减少。
三氧化二铁纳米颗粒是一种常见的铁矿产品，本发明选用粒径为10～40nm、纯度为99.9％的三氧化二铁纳米颗粒作为快速启动短程硝化的投加物，添加浓度为20～100mg/L，属安全剂量。
三氯化铁作为一种常见的絮凝剂和催化剂，在适宜投加浓度的条件下，可提高微生物的代谢活性。因此，本发明选用三氯化铁作为快速启动短程硝化的投加物，使系统内三氯化铁浓度维持在为362.5～507.5mg/L，属安全剂量。
本发明通过投加三氧化二铁纳米颗粒或三氯化铁对生活污水短程硝化系统中的微生物生长及代谢进行干预，提高系统中氨氧化细菌的代谢活性，从而使氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的氮转化效率产生差异，利用氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的响应差异，使氨氧化细菌成为优势菌群，最终快速启动短程硝化。本发明的有益效果在于：
(1)可显著提高污泥沉降性能，且工艺控制条件简单，运行费用低廉，可操作性强，运行效果稳定。
(2)适用于低氨氮废水，可为主流厌氧氨氧化工艺提供稳定亚硝酸盐来源；
(3)无需精确控制曝气量、pH、曝气时间等参数，在溶解氧较高的情况下依然可以稳定地实现短程硝化；
(4)在实现稳定的短程硝化后，可逐渐停止三氧化二铁纳米颗粒或三氯化铁的投加，停止投加后系统仍保持高亚硝酸盐积累率。
(5)无需控制苛刻的环境条件来启动短程硝化过程，更易于实现，并且启动过程维持稳定运行。
附图说明
图1是本发明所采用设施的结构示意图，
图2是实施例1中投加三氧化二铁纳米颗粒时短程硝化出水亚硝酸盐氮、硝酸盐氮以及亚硝酸盐积累率的变化情况示意图。
图3是实施例2中投加三氯化铁时短程硝化出水亚硝酸盐氮、硝酸盐氮以及亚硝酸盐积累率的变化情况示意图。
图中：1.生活污水原水箱；2.生活污水短程硝化系统；3.进水泵；4.曝气泵；5.流量计；6.微孔曝气管；7.排水阀。
具体实施方式
下面结合实例对本发明具体实施方式进一步详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
如图1所示，本发明采用的设施包括生活污水原水箱1和生活污水短程硝化系统2。生活污水原水箱1中的生活污水由进水泵3抽出，进水泵3通过橡胶软管与生活污水短程硝化系统2连接，曝气泵4通过橡胶软管与流量计5连接，流量计5通过橡胶软管与生活污水短程硝化系统2内底部的微孔曝气管6连接，生活污水短程硝化系统2侧面设有排水阀7。生活污水短程硝化系统2的排水比为50％。生活污水短程硝化系统2可采用序批式反应器，也可以是其它现有技术。
本发明快速启动生活污水短程硝化的方法，利用功能菌群对三氧化二铁纳米颗粒或三氯化铁的响应差异，强化氨氧化细菌代谢活性的同时，抑制亚硝酸盐氧化细菌代谢活性，在低温条件下快速启动生活污水短程硝化系统，实现高比例的亚硝积累，为后续主流污水的厌氧氨氧化工艺提供底物。具体包括以下步骤：
(1)接种絮状污泥于生活污水短程硝化系统2内，接种污泥为某污水处理厂好氧池硝化污泥，使得系统内污泥浓度为2500～3500mg/L。
(2)在8～16℃的低温下运行生活污水短程硝化系统2，进水氨氮浓度范围55～85mg/L，COD浓度为100～350mg/L，HRT为12h的条件下恢复系统性能，当氨氮去除率达到95％以上时，认为污泥活性恢复。
(3)在低温条件下，将生活污水从生活污水原水箱1通过由进水泵3进入生活污水短程硝化系统2内，向生活污水短程硝化系统2内投加10～40nm粒径的三氧化二铁纳米颗粒，使最终反应体积内三氧化二铁纳米颗粒浓度达到20～100mg/L。
或者是向生活污水短程硝化系统2内投加三氯化铁。
进水结束后开启曝气装置，通过流量计5控制溶解氧在2～8mg/L。采用序批式反应，单周期运行方式如下：周期总时间360min；进水时间2～10min，进水流量为0.3～1.5L/min；曝气时间200～280min，曝气量为2～4L/min；沉降时间10～4min；排水时间10min；其余时间为闲置时间；沉降时间每7天减少2min，减至4min时不再减少。
(4)三氧化二铁纳米颗粒以每7天的频率进行定量投加；三氯化铁以系统完成首个周期运行后，每个周期进水阶段根据上一周期出水污泥量进行相应量的补加，以保证系统内三氯化铁的含量。
生活污水中首次投加三氯化铁按照145mgFeCl3/g MLSS进行投加，三氯化铁的总质量为2.18～3.05g。三氯化铁的投加频率为每个周期一次，系统完成首个周期运行后，每个周期进水阶段根据上一周期出水污泥量补加相应量的三氯化铁溶液，按照75％经验值计算出水污泥中的微生物生物量损失，补加的三氯化铁为1.63～16.31mg，以保证系统内三氯化铁的含量。
(5)监测出水亚硝积累率。若亚硝积累率达到75％以上且稳定运行7天以上，说明短程硝化系统启动成功。
以下给出具体实施例。
实施例1
生活污水短程硝化系统2采用序批式反应器，材质为有机玻璃，有效容积为6L，排水比为50％，底部安装曝气装置(微孔曝气管6)，通过曝气泵4压缩空气，利用微孔曝气软管释放空气。由微型潜污泵(进水泵3)进水，电动球阀(排水阀7)出水，并由时控开关自动控制。
接种的活性污泥来自某市政污水处理厂的生物反应池，取回的污泥经多次淘洗后，接种到生活污水短程硝化系统2中，污泥浓度在3000mg/L左右。运行期间，温度为8～16℃的低温，pH为7.0～8.5。
试验期间采用实际生活污水，水质特征如表1所示：
表1水质特征
通过曝气使污泥的活性恢复到正常水平后，开始向生活污水短程硝化系统2投加三氧化二铁纳米颗粒进行污泥处理，启动生活污水低温短程硝化。启动的第一个周期前向系统投加50mg/L的三氧化二铁纳米颗粒，此后每7天进行等量投加。
在低温(8～16℃)条件下，将生活污水从生活污水原水箱1通过进水泵3经橡胶软管进入生活污水短程硝化系统2内，进水结束后开启曝气泵4，通过流量计5控制溶解氧在5mg/L；单周期运行方式如下：周期总时间360min，进水10min，进水流量0.8L/min，曝气240min，沉降10～2min，排水10min，其余时间为闲置时间。
在反应前7天内，亚硝酸盐浓度逐步增加，亚硝酸盐开始积累，7天后亚硝酸盐逐步稳定在75％以上，13天后运行基本稳定。沉降时间从第二周开始每周减少2min，减至4min时不再减少。
图2给出了本实施例短程硝化系统出水亚硝酸盐氮、硝酸盐氮以及亚硝酸盐积累率的变化情况。
实施例2
实验系统参数、环境条件同实施例1。
通过曝气使污泥的活性恢复到正常水平后，在低温条件下，将生活污水从生活污水原水箱1通过由进水泵3进入生活污水短程硝化系统2内，同时向生活污水短程硝化系统2内投加三氯化铁，按照145mgFeCl3/g MLSS(混合液污泥浓度)进行投加，三氯化铁的总投加质量为2.8g。
进水结束后开启曝气泵4，通过流量计5控制溶解氧在8mg/L；单周期运行方式如下：周期总时间360min；进水时间5min，进水流量为1.5L/min；曝气时间240min，曝气量为2～4L/min；沉降时间10～4min；排水时间10min；其余为闲置时间。
系统完成首个周期运行后，每个周期进水阶段根据上一周期出水污泥量补加相应量的三氯化铁溶液，按照75％经验值计算出水污泥中的微生物生物量损失，补加量为1.63～16.31mg，以保证三氯化铁使其在系统内浓度。
在反应前7天内，亚硝酸盐浓度逐步增加，亚硝酸盐开始积累，7天后亚硝酸盐逐步稳定在75％以上，13天后运行基本稳定。沉降时间从第7天开始每7天减少2min，减至4min时不再减少。
图3给出了本实施例短程硝化出水亚硝酸盐氮、硝酸盐氮以及亚硝酸盐积累率的变化情况。
Claims (1)
1.一种快速启动生活污水短程硝化的方法，其特征是，包括如下步骤：
(1)接种污泥于生活污水短程硝化系统内，使得系统污泥浓度为2500～3500mg/L；
(2)低温条件下于生活污水短程硝化系统中恢复接种污泥的代谢活性；进水氨氮浓度为55～85mg/L，COD浓度为100～350mg/L，HRT为12小时，当氨氮去除率达到95％以上时，认为污泥活性恢复阶段完成；
(3)在低温条件下，三氧化二铁纳米颗粒或三氯化铁以与生活污水混合的方式进入生活污水短程硝化系统内，启动并运行生活污水短程硝化系统；
(4)采用序批式反应，单周期运行方式如下：进水时间2～10min，进水流量为0.3～1.5L/min；曝气时间200～280min，曝气量为2～4L/min；沉降时间10～4min；排水时间10min；闲置时间138～56min；
(5)监测出水亚硝积累率，若亚硝积累率达到75％以上且稳定运行7天以上，则短程硝化系统启动成功；
步骤(2)和(3)中所述的低温是8～16℃；
步骤(3)中所述生活污水中的三氧化二铁纳米颗粒的浓度是20～100mg/L；步骤(3)中所述三氧化二铁纳米颗粒的投加频率为每周一次；步骤(3)中所述三氧化二铁纳米颗粒的粒径是10～40nm；步骤(3)中所述生活污水中首次投加三氯化铁按照145mg FeCl3/g MLSS进行投加，投加的总质量为2.18～3.05g；步骤(3)中所述三氯化铁的投加频率为每个周期一次，完成首个周期运行后，每个周期进水阶段根据上一周期出水污泥损失量补加相应量的三氯化铁溶液，补加的三氯化铁为1.63～16.31mg；
所述生活污水短程硝化系统的排水比为50％；
步骤(4)中所述的曝气是控制溶解氧为2～8mg/L；步骤(4)中所述的沉降时间从第7天开始，每7天减少2min，减至4min时不再减少。
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