CN116534990B

CN116534990B - 一种利用富铁红壤土强化好氧污泥颗粒化的方法

Info

Publication number: CN116534990B
Application number: CN202310662695.9A
Authority: CN
Inventors: 郭媛; 冯思琪; 权晨妍; 李家科; 孙文俊; 薛雅内
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Xian University of Technology
Priority date: 2023-06-06
Filing date: 2023-06-06
Publication date: 2023-11-17
Anticipated expiration: 2043-06-06
Also published as: CN116534990A

Abstract

本发明公开了一种利用富铁红壤土强化好氧污泥颗粒化的方法，获取天然形成的富铁红壤土，进行风干、研磨、过筛、灭活处理，得到已灭活富铁红壤土；取自污水处理厂中二次沉淀池的回流污泥作为接种活性污泥，并用滤网筛除杂质，加入生活污水调污泥浓度，闷曝后得到驯化后的接种污泥；将已灭活富铁红壤土和驯化后的接种污泥按一定比例同时加入反应器中，通过序批法启动和运行反应器，培养好氧颗粒污泥，处理低有机物和低碳氮比的生活污水。本发明缩短了好氧污泥颗粒化的时间，形成的成熟颗粒外观形态规则、结构密实、沉降性能良好，在反应器的长期运行中结构稳定、不易解体，同时提高了AGS系统对有机物和氮磷污染物的去除效能。

Description

一种利用富铁红壤土强化好氧污泥颗粒化的方法

技术领域

本发明属于废水生物处理技术领域，具体涉及一种利用富铁红壤土强化好氧污泥颗粒化的方法。

背景技术

好氧颗粒污泥(AGS)是在一定条件下，微生物通过自凝聚形成的颗粒状生物聚合体，常被视为一种特殊的生物膜。与传统活性污泥系统相比，AGS技术能节省23～40％的用电量、50～75％占地面积。与絮状活性污泥相比，AGS具有沉降性能好、抗冲击负荷能力强、占地面积小、微生物丰富、对有毒难降解化合物具有较好的生物降解能力等优点。此外，AGS外表为黄色或浅黄色球体，表面光滑致密，直径大多在0.5-2.0mm，因其独特的含孔球体形态，使得污泥颗粒表层至核心溶解氧(DO)传质受阻，形成了好氧区、缺氧区和厌氧区，DO梯度和丰富的功能微生物的存在，赋予AGS同步脱氮除磷的能力。因此，AGS技术被誉为有望替代活性污泥法的下一代生物处理技术，具有广阔的应用前景。

然而，AGS系统在低有机物负荷进水条件下会面临系统启动时间长，长时间运行因颗粒解体而失稳，除污性能变差等问题。特别是针对我国低有机物、低碳氮比的生活污水处理时，上述问题会愈加突出，进一步制约AGS技术在国内的发展与应用。

为了解决上述问题，众多研究基于“晶核说”理论，通过外部投加载体或晶核作为诱导凝结核加速絮状污泥颗粒化，是目前强化好氧污泥颗粒化的常用方法之一。其中，被广泛使用的人为添加物质包括颗粒活性炭、厌氧颗粒污泥、Ca²⁺、Fe³⁺、细土以及生物炭等。但是，引入化学药剂或人工合成材料存在二次污染、对环境有害、成本高等固有劣势。基于以上分析，有必要在充分利用“晶核说”理论的前提下，开发一种取材方便、天然绿色、无二次污染、易于操作和推广应用的强化AGS形成和稳定的方法，这也是本领域亟待解决的一个技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种取材方便、天然绿色、无二次污染、易于操作和推广应用的强化好氧污泥颗粒化的方法，解决AGS系统启动周期长、长期运行易解体等问题。

本发明所采用的技术方案是；

实现本发明目的的技术方案是：一种利用已灭活富铁红壤土作为晶核强化好氧污泥颗粒化的方法，具体包括以下步骤：

(1)富铁红壤土预处理：从我国南方红壤区取一定量富铁红壤土，外观为红色(总铁含量：10％～70％)。室温下风干、研磨，并用50～100目筛子筛除粒径较大的颗粒及杂质，然后对其进行灭活处理，可用方式为高压高温灭菌、福尔马林浸泡、次氯酸钠消毒、紫外辐射和伽马辐照中的一种，优选为在高压蒸汽灭菌锅中灭活(121℃，30～60min)，获得已灭活富铁红壤土。

(2)接种污泥驯化：从污水处理厂二次沉淀池中取回流污泥作为接种活性污泥，并用孔径不大于1mm的滤网筛除杂质，加入一定量生活污水将起始污泥浓度调整为4～6g/L，再对其进行闷曝1～3d，得到驯化后的接种污泥。

(3)反应器的启动和运行：将经步骤(1)预处理的已灭活富铁红壤土和经步骤(2)驯化后的接种污泥，按照一定比例同时加入反应器中，使前者占比为20～60％，优选为40％，采用序批法启动和运行反应器，培养好氧颗粒污泥，处理低有机物(COD：200～400mg/L)、低碳氮比(C/N：4～8)的难降解生活污水。

反应器的一个运行周期为3～6h，包括进水、缺氧、曝气、沉淀和排水五个阶段。其中，缺氧与曝气的时间段比值为：0.2～0.4，沉淀时间为3～20min，进水和排水各5min。

反应器在启动和运行过程中，通过观察反应器内污泥性状以及反应器去除污染物的能力判断反应器运行效果，并对其相关运行参数进行调整。当反应器内出现肉眼可见的球型或椭球型污泥聚集体时，逐渐缩短污泥沉降时间至3～7min，使沉降性能不好的污泥随出水排出反应器，保留沉降性能良好的污泥，直到培养出成熟的好氧颗粒污泥。

完成本发明技术方案的创造，主要基于三点考虑：

(1)红壤土中含有大量的铁基无机矿物，大量的无机矿物可以作为污泥聚集生长的惰性载体；

(2)红壤土中还富含大量钙、镁和铁等矿物元素，其可作为污泥中微生物合成各类代谢酶时所必需的辅酶因子，有益于其生长繁殖；

(3)红壤土中无机矿物的形成与土著微生物密切相关，后者生境的改变会造成无机矿物的溶解。受此启发，向AGS反应器中加入已灭活富铁红壤土，旨在避免土著微生物代谢导致的无机矿物消失，实现好氧污泥以此为晶核而进行颗粒化生长。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用已灭活富铁红壤土为晶核诱导培养好氧颗粒污泥，可有效缩短污泥颗粒化时间，污泥沉降性能良好，形状规则且致密，加入灭活后红壤土反应器的启动时间比常规方法提前40天左右。

(2)本发明利用已灭活富铁红壤土为晶核所培养的好氧颗粒污泥结构稳定，长期运行中颗粒污泥未出现解体现象；能够高效地去除有机物，并实现同步硝化反硝化而去除总氮。

(3)本发明利用的外源添加物为天然形成的富铁红壤土，其取材方便、来源广泛，且预处理方式简单，不存在引入化学药剂或人工合成材料而对水环境产生二次污染的风险。

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为本发明所创造的技术方案的主要实施过程示意简图。

图2为本发明所使用的AGS反应器构型及对照实验设置情况示意图。图中，Ra：实验组反应器(已灭活富铁红壤土+新鲜活性污泥)；Rb：第1对照组反应器(活化后富铁红壤土+新鲜活性污泥)；Rc：第2对照组反应器(仅投加新鲜活性污泥)。

图3为三组反应器运行过程中污泥粒径的变化情况。

图4为接种活性污泥和三组反应器中培养的成熟颗粒污泥的有机物(COD)去除负荷对比图。

图5为三组反应器在整个运行期间总氮(TN)进水浓度和去除负荷的变化情况。

图6为三组反应器中培养的成熟颗粒污泥的光学显微镜形貌图(标尺bar＝100μm)。

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1：

利用已灭活富铁红壤土作为晶核促进好氧颗粒污泥的形成和结构稳定。

主要实施过程如图1所示，具体实施步骤如下所述：

(1)富铁红壤土预处理：从广东省红壤区取一定量外观为红色的富铁红壤土，经测定总铁含量为15％。室温下风干、研磨，并用100目筛子筛除粒径较大的颗粒及杂质，然后利用高压蒸汽灭菌锅对其进行灭活处理(121℃，60min)，获得已灭活富铁红壤土。

(2)接种污泥驯化：从污水处理厂二次沉淀池中取回流污泥作为接种活性污泥，并用孔径约为1mm的滤网筛除杂质，加入一定量生活污水，调整起始污泥浓度为5.3g/L，再对其进行闷曝2d而完成驯化。

(3)反应器的启动和运行：如图2所示，将经步骤(1)预处理的已灭活富铁红壤土和经步骤(2)驯化后的接种污泥，按照2:3的比例同时加入反应器Ra中，使前者占比为40％，采用序批法启动和运行反应器，培养好氧颗粒污泥以处理生活污水。

其中，序批式反应器启动时，根据实际待处理污水的有机物浓度，结合食微比优化值0.5gCOD/gSS·d，本实施例将接种污泥起始浓度设定为5.3g/L。

其中，序批式反应器启动时，已灭活富铁红壤土的投加量应根据反应器中接种污泥浓度及其沉降性能、比耗氧速率确定，使其占比为20～60％，本实施例优选为40％。

上述所配制的生活污水主要成分及其浓度为：COD介于200～400mg/L、氨氮介于50～60mg/L、C/N介于4～8、总磷介于5～10mg/L。

反应器的运行周期设定为4h，包括进水、缺氧、曝气、沉淀和排水五个阶段。其中，缺氧60min，曝气150～167min，曝气量为1.2～2.5L/min，沉淀时间为3～20min，进水和排水各5min。

反应器运行过程中，从20min开始逐渐缩短沉淀时间，当反应器运行到第35d，Ra中出现肉眼可见的球型或椭球型污泥聚集体。

随后将沉淀时间调整为3～7min。主要采用水力选择压对反应器内污泥进行筛选，保留沉降性能良好的污泥，直至第90d培养出成熟的好氧颗粒污泥。最终，Ra成熟颗粒的粒径约为670μm。

在约120d的反应器运行过程中，Ra反应器中污泥粒径的变化及成熟颗粒的外观形貌分别见图3和图6。

实施例2：

培养的成熟好氧颗粒污泥对有机物(COD)和总氮(TN)的去除。

好氧污泥完全颗粒化后，反应器运行进入稳定期。进水水质与实施例1相同，反应器中对污染物COD和TN去除的功能承担者为实施例1培养的成熟颗粒污泥。

Ra反应器第90d后进入稳定期，其内部的颗粒污泥对COD的去除负荷为496mg COD/g SS*d，是接种活性污泥的2.92倍(图4)。反应器运行过程中，Ra颗粒污泥对TN的去除负荷先快速上升，然后在第80d便趋于稳定，约为69mg TN/g SS*d，详见图5所示。

实验例1：

与实施例1、2形成对比，本实验例提供了一种利用活化后的富铁红壤土影响好氧颗粒污泥形成和稳定，及其对污水中COD和TN去除的对比情况。具体步骤如下：

(1)富铁红壤土预处理：从广东省红壤区取一定量外观为红色的富铁红壤土，经测定总铁含量为15％。室温下风干、研磨，并用100目筛子筛除粒径较大的颗粒及杂质；将研磨后的富铁红壤土样品调节到33.3％土壤含水率(w/w质量比)，在25℃生化培养箱中(无光照)活化3d，获得活化后的富铁红壤土。

(2)接种污泥驯化：从污水处理厂二次沉淀池中取回流污泥作为接种活性污泥，并用孔径约为1mm的滤网筛除杂质，加入一定量人工配制的生活污水，调整起始污泥浓度为5.3g/L，再对其进行闷曝2d而完成驯化。

(3)反应器的启动和运行：如图2所示，将经步骤(1)预处理的活化后富铁红壤土和经步骤(2)驯化后的接种污泥，按照2:3的比例同时加入反应器Rb中，使前者占比为40％，采用序批法启动和运行反应器，培养好氧颗粒污泥以处理生活污水。

所配制的生活污水主要成分及其浓度为：COD介于200～400mg/L、氨氮介于50～60mg/L、C/N介于4～8、总磷介于5～10mg/L。

反应器运行过程中，从20min开始逐渐缩短沉淀时间，当反应器运行到第75d，Rb中出现肉眼可见的球型或椭球型污泥聚集体。随后将沉淀时间调整为3～7min。主要采用水力选择压对反应器内污泥进行筛选，保留沉降性能良好的污泥，直至第110d培养出成熟的好氧颗粒污泥。最终，Rb成熟颗粒的粒径约为450μm。

在约120d的反应器运行过程中，Rb反应器中污泥粒径的变化及成熟颗粒的外观形貌分别见图3和图6。

Rb反应器第110d后进入稳定期，其内部的颗粒污泥对COD的去除负荷为371mgCOD/g SS*d，是接种活性污泥的2.18倍(图4)。反应器运行过程中，Rb颗粒污泥对TN的去除负荷始终缓慢上升，在第110d趋于稳定，约为65mg TN/g SS*d，详见图5所示。

实验例2：

与实施例1、2和实验例1形成对比，本实验例提供了一种未添加已灭活或活化后的富铁红壤土条件下，好氧颗粒污泥的形成和稳定，以及其对污水中COD和TN去除的对比情况。

具体步骤如下：

(1)接种污泥驯化：从污水处理厂二次沉淀池中取回流污泥作为接种活性污泥，并用孔径约为1mm的滤网筛除杂质，加入一定量人工配制的生活污水，调整起始污泥浓度为5.3g/L，再对其进行闷曝2d而完成驯化。

(2)反应器的启动和运行：如图2所示，仅将经步骤(1)驯化后的活性污泥加入反应器Rc中，采用序批法启动和运行反应器，培养好氧颗粒污泥以处理生活污水。

反应器运行过程中，从20min开始逐渐缩短沉淀时间，当反应器运行到第65d，Rc中出现肉眼可见的球型或椭球型污泥聚集体。随后将沉淀时间调整为3～7min。主要采用水力选择压对反应器内污泥进行筛选，保留沉降性能良好的污泥，直至第90d培养出成熟的好氧颗粒污泥。最终，Rc成熟颗粒的粒径约为260μm。

在约120d的反应器运行过程中，Rc反应器中污泥粒径的变化及成熟颗粒的外观形貌分别见图3和图6。

Rc反应器第90d后进入稳定期，其内部的颗粒污泥对COD的去除负荷为241mg COD/g SS*d，是接种活性污泥的1.42倍(图4)。反应器运行过程中，Rc颗粒污泥对TN的去除性能较差，TN去除负荷始终保持较低水平，最终稳定值约为30mg TN/g SS*d，详见图5所示。

如图2所示，实施例1、2与实验例1、2使用相同的反应器。利用已灭活的富铁红壤土作为晶核可提前40d培养出成熟的颗粒污泥(图3)，接种的活性污泥平均粒径为67μm，实施例1中培养的Ra颗粒平均粒径为670μm，分别约为实验例1中培养的Rb颗粒和实验例2中培养的Rc颗粒的1.49和2.58倍。值得关注的是，在反应器启动75d内，实验例1中的Rb颗粒平均粒径基本处于生长停滞期，随后迅速增长至450μm。这一现象表明当富铁红壤土具有生物活性时，其富集的土著微生物可能因生境的改变而造成土壤内部无机矿物的溶解，矿物晶核的缺失导致污泥粒径的生长速度显著慢于Ra颗粒。在反应器长期运行过程中，Ra颗粒污泥无解体现象，且沉降性能逐渐提升。图4和图5表明，反应器整个运行过程中，实施例2中的Ra颗粒对污染物COD和TN的去除负荷显著高于其他两个实验例中的Rb和Rc颗粒，分别达到了496mg COD/g SS*d和69mgTN/gSS*d。总之，利用已灭活富铁红壤土作为晶核，可显著加快好氧污泥的颗粒化速率，且培养的成熟颗粒污泥结构稳定、形态规则、沉降性能优良(图6)，可高效去除污水中的有机物和总氮污染物。

Claims

1.一种利用富铁红壤土强化好氧污泥颗粒化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）富铁红壤土预处理：获取总铁含量为10%~70%的富铁红壤土，室温下风干、研磨，并采用50~100目筛子过筛，然后对其进行灭活处理，具体为：在高压蒸汽灭菌锅中灭活，温度控制为121℃，时间控制为30~60min，获得已灭活富铁红壤土；

（2）接种污泥驯化：接种污泥取自污水处理厂中二次沉淀池的回流污泥，并用孔径不大于1mm的滤网筛除杂质，加入一定量生活污水，将接种污泥起始浓度调整为4~6g/L，再对其进行闷曝1~3d，完成驯化；

（3）反应器的启动和运行：将经步骤（1）预处理的已灭活富铁红壤土和经步骤（2）驯化后的接种污泥，按照一定比例同时加入反应器中，使前者占比为20~60%，采用序批法启动和运行反应器，培养好氧颗粒污泥以处理生活污水；

反应器启动时，根据实际待处理污水的有机物浓度，结合食微比最优设定范围0.3~1.0gCOD/gSS·d，确定接种污泥浓度，污泥起始浓度设定为4~6g/L；

反应器启动时，已灭活富铁红壤土的投加量应根据反应器中接种污泥浓度及其沉降性能、比耗氧速率确定，使其占比为20~60%。

2.根据权利要求1所述的一种利用富铁红壤土强化好氧污泥颗粒化的方法，其特征在于，步骤（2）和步骤（3）中，通入的生活污水属于低有机物、低碳氮比的难处理废水，其主要成分及其浓度为：COD介于200~400mg/L，氨氮介于50~60mg/L，C/N介于4~8，总磷介于5~10mg/L。

3.根据权利要求1所述的一种利用富铁红壤土强化好氧污泥颗粒化的方法，其特征在于，反应器运行过程中，利用控制单元精准控制反应器每个运行阶段的运行时间；反应器的一个运行周期为3~6h，包括进水、缺氧、曝气、沉淀和排水五个阶段，其中，缺氧与曝气的时间段比值为：0.2~0.4，沉淀时间为3~20min，进水和排水各5min。

4.如权利要求1所述的一种利用富铁红壤土强化好氧污泥颗粒化的方法，其特征在于：反应器运行过程中逐渐缩短沉淀时间，对反应器内污泥进行水力筛选，保留沉降性能良好的污泥，当反应器内出现肉眼可见的球型或椭球型污泥聚集体时，调整沉淀时间为3~7min。