CN116835761B - 内碳源定向调控于反硝化的方法及其反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内碳源定向调控于反硝化的方法及其反应器，该方法利用膜组件渗氧促使好氧微生物和厌氧微生物沿氧浓度递减方向依次附着于膜组件上形成生物膜组件，进水中的内碳源依次进入厌氧微生物所在区和好氧微生物所在区，并在厌氧微生物所在区进行反硝化过程。本发明减少内碳源在扩散过程中的消耗，利于让更多的内碳源进入到厌氧微生物所在区进行反硝化过程，实现内碳源定向用于反硝化过程，实现内碳源的充分利用，进而促进污水脱氮，减少污泥的排放。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种内碳源定向调控于反硝化的方法及其反应器。
背景技术
我国污水处理厂多采用生物工艺进行脱氮处理，在这过程中需要一定的碳源用于反硝化过程。目前我国有相当一部分污水处理厂都存在碳源含量低、出水脱氮效果差等问题，通常需要额外添加碳源来满足反硝化微生物的生长需求从而促进反硝化，这就进一步增加了污水处理的成本。因此如何有效解决污水处理厂碳源不足的问题，是提高反硝化过程从而实现达标排放的有效途径。
内碳源是指污水处理系统本身的碳源，包括挥发性有机酸(Volatile FattyAcid，VFA)和甲烷(CH4)等物质。厌氧消化过程会产生许多内碳源，这是一种用于反硝化过程非常优质的碳源，将内碳源用于反硝化过程，不仅能减少剩余污泥的排放，还可以有效促进脱氮。但是在传统污水处理过程中的好氧曝气导致一部分VFA和CH4会被吹脱到空气中造成能源的浪费，同时被吹脱的CH4作为一种非常重要的温室气体还会加剧温室效应；还有一部分VFA和CH4会被氧气直接氧化，不能实现能源物质的有效利用。
基于此，如何能有效利用内碳源进行反硝化对污水处理和资源可持续发展具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术中内碳源不能充分利用的问题，本发明的目的之一是提供一种内碳源定向调控于反硝化的方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种内碳源定向调控于反硝化的方法，利用膜组件渗氧促使好氧微生物和厌氧微生物沿氧浓度递减方向依次附着于膜组件上形成生物膜组件，污水中的内碳源依次进入厌氧微生物所在区和好氧微生物所在区，并在厌氧微生物所在区进行反硝化过程。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，内碳源包括挥发性有机酸和溶解性CH4。
进一步，膜组件为具有渗氧和利于微生物附着的中空纤维膜。
进一步，好氧微生物和厌氧微生物的生长环境为：pH值为7.0～7.5、温度为30～37℃。
进一步，好氧微生物包括硝化细菌和好氧甲烷氧化细菌，厌氧微生物包括反硝化厌氧甲烷氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化古菌。
本发明的目的之二是提供一种用于目的之一方法的反应器，该反应器包括带空腔的壳体，以及位于壳体的空腔中的生物膜组件；生物膜组件包括膜组件，以及附着于膜组件的膜上的微生物；生物膜组件的制备包括以下步骤：
步骤1、对进水进行曝气直至溶解氧为零，然后将曝气后的进水配制成含溶解性CH4、VFA和NH4 +-N的进水；
步骤2、往反应器通入步骤1配制的进水并接种活性污泥进行驯化，驯化过程中让膜组件与空气相通，驯化完成后制成生物膜组件；
其中，驯化的条件为：反应器的温度为30～37℃，位于反应器中的进水的pH值为7.0～7.5，进水的流速为180～200mL min-1，驯化过程反应器处于完全厌氧。
进一步，步骤1进水中溶解性CH4的含量为16～20mg/L、VFA的含量为50～100mg/L、NH4 +-N的含量为50～200mg/L；
步骤1中的进水还包括0.075～0.09g/L KH2PO4、0.3～0.45g/L CaCl2·2H2O、0.2～0.38g/L MgSO4·7H2O、0.2～0.3mL/L碱性微量元素、0.5～0.65mL/L酸性微量元素和50～200mg/L NO3 —N。
进一步，碱性微量元素溶液每升含10mM NaOH、SeO2 0.067g和Na2WO4·2H2O0.050g；酸性微量元素溶液每升含100mM HCl，FeSO4·7H2O5.560g、ZnSO4·7H2O 0.068g、CoCl2·6H2O 0.120g、MnCl2·4H2O 0.500g、CuSO41.600g、NiCl2·6H2O 0.095g和H3BO30.014g。
进一步，步骤2中的驯化时间为8～14个月。
本发明具有以下有益效果：
本发明中利用膜组件渗氧以及利于微生物附着的特性，通过驯化制成在垂直膜组件的方向从内到外依次附着好氧微生物和厌氧微生物的生物膜组件。因此，污水中的内碳源在污水中扩散时，内碳源扩散是先进入到厌氧微生物所在区，在该区域内碳源与氧气的接触共存区域有限，所以该过程会减少氧气对内碳源的氧化，从而让更多的内碳源在厌氧微生物所在区用于反硝化过程，实现内碳源定向用于反硝化过程，实现内碳源的充分利用，进而促进污水脱氮，减少污泥的排放。
附图说明
图1为反应器的结构示意图，其中(a)图为本发明中异向扩散反应器的结构示意图，(b)图为同向扩散反应器的结构示意图；
图2为同向扩散反应器和本发明中的异向扩散反应器的顶空中VFA和CH4浓度；
图3为同向扩散方式和异向扩散方式的脱氮性能结果示意图；
图4为同向扩散方式和异向扩散方式的溶解性CH4的去除情况；
图5为同向扩散方式和异向扩散方式的液相中VFA的去除情况。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的中的一种内碳源定向调控于反硝化的方法及其反应器进行描述。
然而，本发明可按照许多不同的形式示例并且不应被解释为限于在此阐述的具体实施例，更确切地说，提供这些实施例的目的是使得本发明将是彻底的和完整的，并且将要把本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。
本发明第一方面的实施例提供一种内碳源定向调控于反硝化的方法，该方法利用膜组件渗氧促使好氧微生物和厌氧微生物沿氧浓度递减方向依次附着于膜组件上形成生物膜组件，污水中的内碳源依次进入厌氧微生物所在区和好氧微生物所在区，并在厌氧微生物所在区进行反硝化过程。
用于本实施例中的方法的反应器如图1中的(a)图所示，从图1中的a图可以看出，膜组件渗出的氧的扩散方向与NH4 +-N、CH4和VFA(即内碳源)这些物质扩散方向相反，其构成异向扩散方式。在本发明中，由于膜组件中的膜具有渗氧的特点，膜组件与空气相同后氧经膜组件的膜渗透后沿垂膜组件的方向其浓度依次递减，好氧微生物和厌氧微生物根据氧的浓度而分布；因此，好氧微生物和厌氧微生物沿氧浓度递减方向依次附着于生物膜上最终形成生物膜组件。
在本实施例中，将该方法用于污水处理时，污水中的内碳源扩散是先进入厌氧微生物所在区，但是在厌氧微生物所在区时，内碳源与氧气的接触共存区域有限，所以该过程减少氧气对内碳源的氧化，降低对内碳源的消耗，从而让更多的内碳源在厌氧微生物所在区用于反硝化过程，促进污水脱氮，进而减少污泥的排放。
另外，在一些实施例中，内碳源包括挥发性有机酸和溶解性CH4。
另外，在一些实施例中，膜组件为具有渗氧和利于微生物附着的中空纤维膜；在本实施例中，该膜组件具有中空结构，并且其膜还具有渗氧以及利于微生物附着的特点；基于此，该膜组件利于制成生物膜组件。
另外，在一些实施例中，好氧微生物和厌氧微生物的生长环境为：pH值为7.0～7.5、温度为30～37℃。
另外，在一些实施例中，好氧微生物包括硝化细菌和好氧甲烷氧化细菌，厌氧微生物包括DAMO细菌(Candidatus Methylomirabilis)和DAMO古菌(CandidatusMethanoperedens)；其中，硝化细菌可以是氨氧化细菌(Ammonia Oxidizing Bacteria)或/和亚硝酸氧化细菌(nitrite oxidation bacteria)，好氧甲烷细菌可以是甲烷氧化菌(Methane-Oxidizing Bacteria)。
本发明第二方面的实施例提供一种用于第一方面内碳源定向调控于反硝化的方法的反应器。
如图1中的(a)示意，本实施例中反应器包括壳体1和生物膜组件2，其中，壳体带有空腔，而生物膜组件位于壳体的空腔中；生物膜组件包括膜组件，附着于膜组件的膜上的微生物(附图中未示出)；以及设置在壳体上的进水口和出水口(附图未示出)。
在本实例中，生物膜组件的制备包括以下步骤：
步骤1、对进水进行曝气直至溶解氧为零，然后将曝气后的进水配制成含溶解性CH4、VFA和NH4 +-N的进水；
步骤2、往反应器通入步骤1配制的进水并接种活性污泥进行驯化，驯化过程中使膜组件与空气相通，驯化完成后制成膜组件垂直方向上由内而外依次附着好氧微生物和厌氧微生物的生物膜组件；
其中，驯化的条件为：反应器的温度为30～37℃，位于反应器中的进水的pH值为7.0～7.5，进水的流速为180～200mL min-1，驯化过程反应器处于完全厌氧。此外，在本实施例中，主要是通过循环泵(附图中未示出)来控制进水的流速。
在本实施例中，通过驯化可快速的形成好氧微生物和厌氧微生物沿氧浓度递减方向依次附着于膜组件的生物膜组件。
另外，步骤1中主要是通过通入惰性气体对进水进行曝气，处于成本考虑，通常选用N2进行曝气。
另外，在一些实施例中，步骤1进水中溶解性CH4的含量为16～20mg/L、VFA的含量为50～100mg/L、NH4 +-N的含量为50～200mg/L；
所述步骤1中的进水还包括0.075～0.09g/L KH2PO4、0.3～0.45g/LCaCl2·2H2O、0.2～0.38g/L MgSO4·7H2O、0.2～0.3mL/L碱性微量元素、0.5～0.65mL/L酸性微量元素和50～200mg/L NO3-N。
另外，在一些实施例中，碱性微量元素溶液每升含10mM NaOH、SeO20.067g、Na2WO4·2H2O 0.050g；酸性微量元素溶液每升含100mM HCl，FeSO4·7H2O 5.560g、ZnSO4·7H2O 0.068g、CoCl2·6H2O 0.120g、MnCl2·4H2O0.500g、CuSO4 1.600g、NiCl2·6H2O0.095g、H3BO3 0.014g。
另外，在一些实施例中，步骤2中的驯化时间为8～14个月。
实施例
实施例1、异向扩散反应器
根据图1中的(a)图所示，异向扩散反应器包括壳体1，壳体1上设有进水口和出水口(附图中未示出)，并且壳体1带有空腔；生物膜组件2位于壳体1中，本实例中的生物膜组件是指在膜组件垂直方向上由内而外依次附着好氧微生物和厌氧微生物；其中，生物膜组件的制备包括以下步骤：
步骤1、先用氮气对进水曝气直至溶解氧为零，然后对进水进行配置，配置后的进水包括：200mg/L NH4 +-N、18mg/L溶解性CH4、50mg/L VFA、0.075g/L KH2PO4、0.3g/L CaCl2·2H2O、0.2g/L MgSO4·7H2O、0.2mL/L碱性微量元素、0.5mL/L酸性微量元素和200mg/L NO3 --N；其中碱性微量元素溶液每升含：10mM NaOH、SeO2 0.067g和Na2WO4·2H2O 0.050g；酸性微量元素溶液每升含：100mM HCl、FeSO4·7H2O 5.560g、ZnSO4·7H2O 0.068g、CoCl2·6H2O0.120g、MnCl2·4H2O 0.500g、CuSO4 1.600g、NiCl2·6H2O 0.095g和H3BO3 0.014g。
步骤2、往壳体1中通入步骤1配置的进水并接种活性污泥，驯化12个月制得在膜组件垂直方向上由内而外依次附着好氧微生物和厌氧微生物的生物膜组件；此外，在驯化过程中通过循环泵控制进水流量为200mL min-1，同时确保反应器中的温度位于35℃，并确保反应器中进水的pH值在7.0～7.5，驯化过程中让膜组件与空气相同，驯化过程还需要确保反应器处于完全厌氧。
此外，本实施例中的活性污泥来源于污水处理厂。
对比例1、同向扩散反应器
根据图1中的(b)图所示，同向扩散反应器包括第一壳体3和第二壳体6，第一壳体3和第二壳体6通过管道5连通。在该实例中，第一壳体3和第二壳体6均有空腔，第一壳体3上设有进水口(附图中未示出)，第二壳体6上设有出水口(附图中未示出)。
此外，第一壳体中放有第一膜组件4，第二壳体6中设置有生物膜组件7，其中，第一膜组件4具有渗氧但是不能附着微生物；而生物膜组件7由膜组件以及附着在膜组件上的微生物组成，其膜组件不具有渗氧但利于微生物附着的特点，该生物膜组件7具体为在膜组件的垂直方向上由内而外依次附着厌氧微生物和好氧微生物。
另外，从图1的(b)图可以看出，水中的氧气、NH4 +-N、CH4和VFA为同一方向扩散到生物膜组件，其构成的是同向扩散方式。
此外，该生物膜组件7的制备包括以下步骤：
步骤1、先用氮气对进水曝气直至溶解氧为零，然后对进水进行配置，配置后的进水包括：200mg/L NH4 +-N、18mg/L溶解性CH4、50mg/L VFA、0.075g/L KH2PO4、0.3g/L CaCl2·2H2O、0.2g/L MgSO4·7H2O、0.2mL/L碱性微量元素、0.5mL/L酸性微量元素和200mg/L NO3 --N；其中碱性微量元素溶液每升含：10mM NaOH、SeO2 0.067g和Na2WO4·2H2O 0.050g；酸性微量元素溶液每升含：100mM HCl、FeSO4·7H2O 5.560g、ZnSO4·7H2O 0.068g、CoCl2·6H2O0.120g、MnCl2·4H2O 0.500g、CuSO4 1.600g、NiCl2·6H2O 0.095g和H3BO3 0.014g。
步骤2、首先，通过循环泵往第一壳体3中泵入步骤1中配制的进水并在第二壳体6中接种活性污泥同时让第一膜组件4与空气相同，第一膜组件4渗出的氧与第一壳体的进水混合；另外，此处的活性污泥与实施例1中的活性污泥来源于同一污水厂；
从第一壳体3出来的进水经管道5进入到第二壳体6，由于用于制备生物膜组件7的膜组件利于微生物的附着，驯化12个月制得在膜组件垂直方向上由内而外依次附着厌氧微生物和好氧微生物的生物膜组件7；此外，在驯化过程中通过循环泵将进水的流量控制为200mL min-1，同时确保反应器中的温度位于35℃，并确保反应器中进水的pH值在7.0～7.5，驯化过程还需要确保反应器处于完全厌氧。
测试分析：
利用实施例1的异向扩散反应器和对比例1中的同向扩散反应器的对异向扩散方式和同向扩散方式的效果进行测试；测试具体为：
所用进水包括50mg/LNH4 +-N，18mg/L饱和溶解性CH4，50mg/L VFA，0.075g/LKH2PO4，0.3g/L CaCl2·2H2O，0.2g/L MgSO4·7H2O，0.2mL/L碱性微量元素，0.5mL/L酸性微量元素；其中碱性微量元素溶液每升含10mM NaOH，SeO2 0.067g，Na2WO4·2H2O 0.050g；酸性微量元素溶液每升含100mM HCl，FeSO4·7H2O5.560g，ZnSO4·7H2O 0.068g，CoCl2·6H2O0.120g，MnCl2·4H2O 0.500g，CuSO4 1.600g，NiCl2·6H2O 0.095g，H3BO3 0.014g。
测试条件为：进水的流速为200mL min-1、反应器中的温度位于35℃、反应器中进水的pH值在7.0～7.5。并且测试时，异向扩散反应器中的生物膜组件和同向扩散反应器中的第一膜组件均与空气相同。
测试结果详见下述：
1、利用气相色谱对对比例1中的同向扩散反应器和实施例1中的异向扩散反应器的顶空中VFA和CH4吹脱情况进行测试，测试结果如图2所示，其中，a图为异向扩散反应器吹脱情况结果图，b图为同向扩散反应器吹脱情况结果图。
从图2中可以看出，同向扩散反应器和异向扩散反应器的顶空中VFA和CH4的含量都低于0.8mg/L，这说明利用膜渗氧工艺能有效防止污水中能源物质的吹脱，这为厌氧消化内碳源定向调控于反硝化过程提供了更多的可能性。
2、对比例1的同向扩散反应器和实施例1的异向扩散反应器分别对同向扩散方式和异向扩散方法的脱氮性能进行测试，其测试结果如图3所示，其中，a图为异向扩散反应器脱氮结果图，b图为同向扩散反应器脱氮结果图。
从图3中可以看出，异向扩散方式基本能够完全去除NH4 +-N，并且出水中没有NO2 --N和NO3 --N；同向扩散方式只能去除22mg/L的NH4 +-N，并且出水中有部分NO2 --N和NO3 --N的积累，其中NO3 --N的积累达到12mg/L左右；即，可以看出，同向扩散方式中的反硝化过程受到碳源的限制，脱氮效率远低于异向扩散。
3、利用对比例1的同向扩散反应器和实施例1的异向扩散反应器分别对同向扩散方式和异向扩散方式对进水中CH4和VFA的去除情况进行测试，其测试结果详见图4和图5，其中，图4中的a图为异向扩散反应器去除CH4结果图，b图为同向扩散反应器去除CH4结果图；图5中的a图为异向扩散反应器去除VFA结果图，b图为同向扩散反应器去除VFA结果图。
从图4和图5中可以看出，同向扩散方式和异向扩散方式均能实现水中溶解性CH4和VFA的完全去除。但是结合图3的水质脱氮数据表明，同向扩散方式对于溶解性CH4和VFA的去除途径主要依赖于氧化过程，并没有完全实现能源物质定向调控于反硝化。而异向扩散方式对于溶解CH4和VFA的去除途径主要用于充当反硝化过程的碳源，实现能源物质定向调控于反硝化，促进污水脱氮，实现污水资源的可持续发展。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.内碳源定向调控于反硝化的方法，其特征在于，利用膜组件渗氧促使好氧微生物和厌氧微生物沿氧浓度递减方向依次附着于膜组件上形成生物膜组件，污水中的内碳源依次进入厌氧微生物所在区和好氧微生物所在区，并在厌氧微生物所在区进行反硝化过程；
膜组件渗出的氧的扩散方向与NH4 +-N和内碳源物质扩散方向相反；
所述生物膜组件的制备包括以下步骤：
步骤1、对进水进行曝气直至溶解氧为零，然后将曝气后的进水配制成含溶解性CH4、VFA和NH4 +-N的进水；
步骤2、往反应器通入步骤1配制的进水并接种活性污泥进行驯化，驯化过程中让膜组件与空气相通，驯化完成后制成生物膜组件；
其中，驯化的条件为：反应器的温度为30～37℃，位于反应器中的进水的pH值为7.0～7.5，进水的流速为180～200mL min-1，驯化过程反应器处于完全厌氧。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内碳源包括挥发性有机酸和溶解性CH4。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述膜组件为具有渗氧和利于微生物附着的中空纤维膜。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述好氧微生物和厌氧微生物的生长环境为：pH值为7.0～7.5、温度为30～37℃。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述好氧微生物包括硝化细菌和好氧甲烷氧化细菌，所述厌氧微生物包括反硝化厌氧甲烷氧化细菌和反硝化厌氧甲烷氧化古菌。
6.根据权利要求1中所述的方法，其特征在于，步骤1进水中溶解性CH4的含量为16～20mg/L、VFA的含量为50～100mg/L、NH4 +-N的含量为50～200mg/L；
所述步骤1中的进水还包括0.075～0.09g/L KH2PO4、0.3～0.45g/LCaCl2·2H2O、0.2～0.38g/L MgSO4·7H2O、0.2～0.3mL/L碱性微量元素、0.5～0.65mL/L酸性微量元素和50～200mg/L NO3 -N。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述碱性微量元素溶液每升含10mM NaOH、SeO2 0.067g和Na2WO4·2H2O 0.050g；酸性微量元素溶液每升含100mM HCl，FeSO4·7H2O5.560g、ZnSO4·7H2O 0.068g、CoCl2·6H2O 0.120g、MnCl2·4H2O 0.500g、CuSO4 1.600g、NiCl2·6H2O 0.095g和H3BO3 0.014g。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的驯化时间为8～14个月。
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