CN117342678B - 高效脱氮污泥体系的驯化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高效脱氮污泥体系的驯化方法，属于污水处理技术领域，取好氧池具有硝化菌的普通活性污泥通过驯化和富集，得高效脱氮污泥体系，高效脱氮污泥体系在持续稳定曝气条件下，同时进行短程硝化反硝化反应；高效脱氮污泥体系适应的溶解氧浓度为0.4~1.5mg/L；所述高效脱氮污泥体系能够快速实现焦化废水中70%以上的总氮去除。本发明的高效脱氮污泥体系可将焦化废水中的硫氰酸盐转化为氨氮，利用氨氮进行同时短程硝化反硝化，对COD的去除率可达到85%以上，相较于传统AO工艺，具有更加高效快速的脱氮效果，且操作简便、大幅降低运行成本。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种高效脱氮污泥体系的驯化方法。
背景技术
焦化废水是煤焦化过程产生的废水，焦化废水所含污染物包括酚类、多环芳香族化合物及含氮、氧、硫的杂环化合物等，是一种典型的成分复杂、高毒性、难降解的工业废水。随着废水处理环境监管力度不断增加，国家对废水处理厂的排放标准也愈发严格。2012年国家环保部实行的《炼焦化学工业污染物排放标准》（GB16171-2012）中要求，将氨氮、总氮的排放限值由原有的15mg/L、30mg/L分别降低到10mg/L、20mg/L。排放标准的提高对焦化废水脱氮技术的发展提出更高要求，脱氮成为焦化废水处理产业中的关键难题。
焦化废水脱氮技术主要包括物理法和生物法。生物法脱氮因其经济、实效、无污染转移、操作简便易掌握的优势得到普遍应用。传统的生物脱氮，即硝化反硝化技术，是指污水中的含氮化合物经由微生物的氨化反应、硝化反应和反硝化反应等一系列生化反应转化为氮气的过程。目前，焦化废水处理厂中广泛应用的生物脱氮工艺主要为活性污泥法（如A/O、SBR等）与生物膜法（固定床、流化床、移动床等）。在A/O、SBR等活性污泥法中，硝化和反硝化过程作为整个处理流程的一部分被广泛应用。
目前，对于硝化和反硝化反应，主要是利用A池（缺氧池）中的污泥主要对废水进行反硝化反应，利用O池（好氧池）中的污泥中的污泥主要对废水进行好氧生化反应（即硝化反应）。在好氧池中接种普通生化污泥，这种污泥在好氧池中一般适应的溶解氧浓度为2~6mg/L，即在溶解氧浓度为2~6mg/L的好氧池中进行硝化反应，这需要持续大量曝气，导致运行成本升高。同时，接种的普通生化污泥，在厌氧池运行过程中（主要是反硝化菌进行反硝化反应），需要依赖有机碳源，因此需要不断投加碳源，导致运行成本升高。另外，异养菌的生长速率高于自养菌，且生长环境存在区别，在活性污泥法处理氨氮过程中，需要控制不同的反应条件或在不同的反应器中分别实现硝化菌和反硝化菌生长繁殖，因此在单一运行条件下和单个反应器内无法同时实现硝化反硝化，受多方限制因素的影响，脱氮效率的进一步提升遭遇瓶颈。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种高效脱氮污泥体系的驯化方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种高效脱氮污泥体系的驯化方法，所述驯化方法包括以下步骤：
S1、取污水处理厂生化系统中具有硝化菌的活性污泥作为原始污泥接种至反应装置内；
S2、取经调节池均质后的焦化废水，投加碱使所得进水中碱度与氨氮浓度比值在9~11：1之间，进入反应装置后与原始污泥进行充分混合，开始整个驯化过程；
整个驯化过程在持续稳定曝气条件下，通过逐步下调体系中溶解氧浓度对原始污泥中的硝化菌进行低溶氧驯化；
整个驯化过程初期，体系中溶解氧浓度控制在2.5~3.5mg/L，在梯度下调过程中，控制单次梯度下调溶解氧差值小于1mg/L，当下调后体系中的溶解氧浓度最小值大于等于2.0mg/L时，在对应下调后的溶解氧浓度范围内运行10~15d；当下调后体系中的溶解氧浓度最小值小于2.0mg/L时，在对应下调后的溶解氧浓度范围内运行15~30d，控制体系中溶解氧最终浓度为0.4~1.5mg/L，此时完成溶解氧下调过程；
S3、完成溶解氧下调过程后，继续在0.4~1.5mg/L范围内运行，当反应出水总氮去除率达到70%以上，且出水总氮中以NO2 -为主要成分，即反应体系内以短程硝化反硝化为主时，完成驯化过程，即得所述高效脱氮污泥体系；
所述高效脱氮污泥体系包括填料和污泥，在处理焦化废水过程中，持续稳定曝气条件下同时进行短程硝化反硝化反应；
且所述高效脱氮污泥体系适应的溶解氧浓度为0.4~1.5mg/L。
进一步的，步骤S1中，在原始污泥接种至反应装置内后且步骤S2中进水进入反应装置前，还需在反应装置内投加填料。
进一步的，填料的种类为弹性填料、粒径为2~4cm、型状为立方体型；填料在反应装置中的填充度为10~30%。
进一步的，在整个驯化过程中，体系中的pH值为7.5~8.5、温度为30~34℃、污泥浓度为4500~8000mg/L、停留时间为80~100h。
进一步的，在整个驯化过程初期，控制初始进水中COD浓度为≤3000mg/L、总氮浓度为≤200mg/L、氨氮浓度为≤100mg/L、硫氰酸盐浓度为≤600mg/L，且pH值为7~10；
在整个驯化过程中，还需在体系中投加磷源，控制碳磷比为100~200：1。
进一步的，在整个驯化过程中，伴随溶解氧下调过程的进行，同时进行总氮负荷的上调，单次上调总氮幅度小于50%且浓度差值小于100mg/L。
进一步的，所述驯化方法中的运行方式是以24h为一个运行周期，单个运行周期包括22~23h反应时间和静置及排水的其余时间；其中，反应的时间包括17~18h的进水时间。
本发明的高效脱氮污泥体系的驯化方法的有益效果为：
本发明通过驯化得到一种高效脱氮污泥体系，本发明的高效脱氮污泥体系同时耦合了短程硝化菌和短程反硝化菌在一个反应器内对焦化废水集中实现焦化废水的高效生物脱氮、降碳，与传统A/O工艺的活性污泥相比，具有更加高效快速的脱氮效果，同时，解决了AO工艺脱氮效果受回流比限制的瓶颈问题，不仅缩短工艺流程，同时使得脱氮效果更加高效，单个反应单元的脱氮率可达到70%以上；
本发明的高效脱氮污泥体系驯化过程中，利用硝化菌中的AOB菌和NOB菌对溶氧的耐受程度不同，控制体系中的溶解氧浓度维持在较低的溶氧环境，对硝化菌中的亚硝酸盐氧化菌（NOB菌）进行抑制，使得氨氧化菌（AOB菌）成为优势菌群，进行短程硝化反应从而将体系内的氨氮转化为亚硝态氮；反硝化菌在驯化初期主要富集在填料内部，填料内部的溶氧环境更适宜反硝化菌生存，随着驯化过程的进行，体系内的溶解氧达到较低水平，在搅拌和曝气的作用下，泥膜体系中的微生物种类趋于混合，此时脱氮污泥具备了高效脱氮能力；
与传统好氧池中污泥所需溶氧量在2~6mg/L相比，本发明的高效脱氮污泥体系适应的溶解氧浓度为0.4~1.5mg/L，由于在进水过程中，微生物进行降碳脱氮反应，需要持续消耗氧气来实现有机污染物的降解，因此在进水过程中，体系中的溶解氧浓度小于1.0mg/L；而当进水完成后的4~5h继续反应时间中，随着体系中可降解污染物的降低，此时溶氧会出现小幅提升，一般溶解氧浓度小于1.5mg/L；因此本发明仅需将反应体系中的溶解氧浓度控制0.4~1.5mg/L范围内即可，有效降低了好氧系统的曝气量；并且由于本发明的高效脱氮污泥体系进行短程硝化反硝化反应，短程硝化反应相较于完整硝化反应需氧量能够明显节省，因此也可以降低曝气量，进而节省曝气处理费用，从而降低运行成本；
由于每1g氨氮进行短程硝化反应需要消耗碱度7.14g（相当于消耗7.14g碱碳酸氢钠），每1g硝态氮进行反硝化反应会产生碱度3.57g（相当于产生3.57g碳酸氢钠），而传统A/O脱氮工艺中无法在同一个反应器内同时进行短程硝化反应和反硝化反应，利用本发明的高效脱氮污泥体系进行脱氮处理，能够降低消耗的碱度，从而降低碱度投加量，达到了能源节省的目的，降低了运行成本；
利用本发明的高效脱氮污泥体系对焦化废水进行脱氮处理，在曝气池内的整个运行周期中，无需精确控制溶氧量大小，采用全流程无差别操作运行曝气模式，使得对焦化废水进行脱氮处理操作更为简单便捷。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
一种高效脱氮污泥体系的驯化方法，包括以下步骤：
S1、构建反应器，接种污水厂生化池中具有硝化菌的活性污泥，并投加填料；
S2、经调节池均质后的焦化废水（即进水）进入反应器，控制溶解氧初始浓度为2.5~3.5mg/L，梯度下调溶解氧浓度，并在溶解氧浓度最小值在2.0mg/L以上时运行10~15d，溶解氧浓度最小值小于2.0mg/L时运行15~30d，下调至溶解氧浓度为0.4~1.5mg/L，完成溶解氧下调过程；
伴随溶解氧下调过程，同时提升进水中总氮负荷；
S3、完成溶解氧下调过程后，继续在0.4~1.5mg/L范围内运行，当反应出水总氮去除率达到70%以上，且出水总氮中以NO2 -为主要成分，即反应体系内以短程硝化反硝化为主时，完成驯化过程，即得所述高效脱氮污泥体系，驯化周期一般为2~3个月。
高效脱氮污泥体系的驯化方法涉及的工艺参数见下表：
表1 高效脱氮污泥体系驯化工艺参数一览表
本发明在实际驯化过程中，反应器内设有溶氧曝气系统、机械搅拌装置和恒温加热装置；溶氧曝气系统包括曝气泵、曝气盘、气体调节阀和在线溶解氧监测仪；上述设备用于控制反应器内的工艺参数，并非用于限定本发明的保护范围，但凡不违背本发明技术方案所作出的任何改变，均属于本发明的保护范围。
实施例1 一种高效脱氮污泥体系的驯化方法
本实施例为一种高效脱氮污泥体系的驯化方法，具体包括以下步骤：
1）构建SBR反应器，反应器为圆形有机玻璃柱体，总有效容积为11L，处理水量为3L/d，采用蠕动泵进水，单个进水周期为24h，包括反应23h和静置及排水1h，其中反应过程中包括进水17h，反应总停留时间为80.6h；
取焦化废水处理厂二沉池中具有硝化菌的活性污泥（适应的溶解氧浓度为2~6mg/L）接种至SBR反应器内，接种的污泥浓度为4572mg/L，并投加2cm的聚氨酯填料，填充度为15%。
2）取经调节池均质后的焦化废水，投加碳酸氢钾和磷酸氢二钠，使所得进水中碱度与氨氮浓度比值在9~11：1之间、碳磷比为100~200：1，进入反应装置后与原始污泥和填料进行充分混合。
驯化过程初期，控制初始进水中COD浓度为2335mg/L、总氮浓度为186mg/L、氨氮浓度为53.90mg/L、硫氰酸盐浓度为23.30mg/L，且pH值为9.2，通过调节曝气量控制SBR反应器内溶解氧浓度，实施过程中的具体溶氧调整范围和运行天数如下表2所示：
表2 溶解氧梯度调整过程表
控制SBR反应器内的温度为30~34℃、污泥浓度为4500~6000mg/L、pH值为8.0~8.5、污泥龄30~35d；运行条件随着进水水质等变化会有小幅波动，因此仅需控制在上述范围内即可；
S3、完成溶解氧下调过程后，继续在0.4~1.5mg/L范围内运行5天，体系内的出水总氮中以NO2 -为主要成分，驯化菌群可同时在此溶氧浓度下进行短程硝化反硝化，总氮去除率达到70%以上，完成驯化过程，整个驯化周期一般为2~3个月，本实施例的驯化周期为2个月，得高效脱氮污泥体系。
另外，驯化过程中，伴随体系中溶解氧浓度调整过程进行，同时进行负荷提升，本实施例中的单次上调梯度以表1为准。负荷提升过程以所需处理的废水中的总氮负荷作为提升终点，本实施表1中的总氮负荷提升过程仅为说明本发明的效果，并不用于限定本发明的权利要求的保护范围。
利用上述驯化方法进行驯化过程及结果，见下表。
表3 驯化过程及结果一览表
由表3中的试验结果可以看出，本发明驯化的高效脱氮污泥体系，随着驯化过程的进行，反应后的出水总氮去除率呈逐步上升趋势，最终所得高效脱氮污泥体系对总氮的去除率可以稳定达到70%以上，证明了本发明的高效脱氮污泥体系相比于传统AO工艺具有更加高效的脱氮性能，且对废水中的COD、硫氰和氨氮也具有良好的去除效果。
实施例2 高效脱氮污泥体系的驯化方法
实施例2为一种高效脱氮污泥体系的驯化方法，本实施例的总氮运行负荷更高，在实施例1的运行结果基础上，继续提升进水中总氮的浓度，将总氮最终处理浓度提升至476mg/L，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于当总氮进水大于353mg/L时，调整反应系统的工艺参数，本实施例的工艺参数与实施例1不同之处见下表：
表4 工艺参数调整表
采用实施例2的一种高效脱氮污泥体系对焦化废水进行处理，具体效果见下表：
表5 驯化过程及结果
由表5中的运行结果可以看出，本发明驯化的高效脱氮污泥体系，随着高处理负荷的提升，反应后的出水总氮去除率仍然能够稳定在70%以上，提升负荷初期，系统氨氮出水有波动，说明负荷提升过程中硝化作用受到一定影响，随着驯化时间的延长，系统出水总氮呈逐步上升趋势，证明了在不同的运行参数下，本发明的高效脱氮污泥体系对进水总氮负荷的处理范围较为广泛。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (7)
1.一种高效脱氮污泥体系的驯化方法，其特征在于，所述驯化方法包括以下步骤：
S1、取污水处理厂生化系统中具有硝化菌的活性污泥作为原始污泥接种至反应装置内；
S2、取经调节池均质后的焦化废水，投加碱使所得进水中碱度与氨氮浓度比值在9~11：1之间，进入反应装置后与原始污泥进行充分混合，开始整个驯化过程；
整个驯化过程在持续稳定曝气条件下，通过逐步下调体系中溶解氧浓度对原始污泥中的硝化菌进行低溶氧驯化；
整个驯化过程初期，体系中溶解氧浓度控制在2.5~3.5mg/L，在梯度下调过程中，控制单次梯度下调溶解氧差值小于1mg/L，当下调后体系中的溶解氧浓度最小值大于等于2.0mg/L时，在对应下调后的溶解氧浓度范围内运行10~15d；当下调后体系中的溶解氧浓度最小值小于2.0mg/L时，在对应下调后的溶解氧浓度范围内运行15~30d，控制体系中溶解氧最终浓度为0.4~1.5mg/L，此时完成溶解氧下调过程；
在整个驯化过程初期，控制初始进水中COD浓度为≤3000mg/L、总氮浓度为≤200mg/L、氨氮浓度为≤100mg/L、硫氰酸盐浓度为≤600mg/L，且pH值为7~10；
S3、完成溶解氧下调过程后，继续在0.4~1.5mg/L范围内运行，当反应出水总氮去除率达到70%以上，且出水总氮中以NO2 -为主要成分，即反应体系内以短程硝化反硝化为主时，完成驯化过程，即得所述高效脱氮污泥体系；
所述高效脱氮污泥体系包括填料和污泥，在处理焦化废水过程中，持续稳定曝气条件下同时进行短程硝化反硝化反应；
且所述高效脱氮污泥体系适应的溶解氧浓度为0.4~1.5mg/L。
2.根据权利要求1所述的高效脱氮污泥体系的驯化方法，其特征在于，步骤S1中，在原始污泥接种至反应装置内后且步骤S2中进水进入反应装置前，还需在反应装置内投加填料。
3.根据权利要求2所述的高效脱氮污泥体系的驯化方法，其特征在于，填料的种类为弹性填料、粒径为2~4cm、型状为立方体型；填料在反应装置中的填充度为10~30%。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的高效脱氮污泥体系的驯化方法，其特征在于，在整个驯化过程中，体系中的pH值为7.5~8.5、温度为30~34℃、污泥浓度为4500~8000mg/L、停留时间为80~100h。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的高效脱氮污泥体系的驯化方法，其特征在于，在整个驯化过程中，还需在体系中投加磷源，控制碳磷比为100~200：1。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的高效脱氮污泥体系的驯化方法，其特征在于，在整个驯化过程中，伴随溶解氧下调过程的进行，同时进行总氮负荷的上调，单次上调总氮幅度小于50%且浓度差值小于100mg/L。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的高效脱氮污泥体系的驯化方法，其特征在于，所述驯化方法中的运行方式是以24h为一个运行周期，单个运行周期包括22~23h反应时间和静置及排水的其余时间；其中，反应的时间包括17~18h的进水时间。
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