一种高DO条件下短程硝化反硝化颗粒污泥的制备方法

摘要

本发明提出的一种高DO条件下短程硝化反硝化颗粒污泥的制备方法，属于废水生物处理技术领域。本发明的短程硝化反硝化颗粒污泥，以杆菌和球菌为主，具有较高的亚硝酸盐累积能力、反硝化能力和异养菌活性，可以避免高NH

说明书

一、技术领域

本发明属于废水生物处理技术领域，涉及一种高DO条件下短程硝化反硝化颗粒污泥的制备方法。

二、背景技术

随着氮素污染的加剧和人们环境保护意识的增强，废水脱氮日益受到人们的重视，其中生物脱氮技术由于其无可比拟的优势获得了长足的发展。在目前众多的污水脱氮新技术中，短程硝化反硝化是应用广泛和发展较快的新技术之一，它是将传统的硝化反应控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化。与传统硝化反硝化相比，短程硝化反硝化具有以下优点：可节省供氧量约25％，能耗低；节省反硝化碳源约40％，在C/N比一定的情况下能提高对TN的去除率；减少污泥生成量约50％；减少硝化过程碱的需求量；反应时间短，可减少反应器容积。因此，短程硝化反硝化成为目前污水生物脱氮技术研究的热点。短程脱氮得以实现和稳定维持的关键是将硝化过程终止于NO₂^--N阶段，即短程硝化。利用氨氧化菌(亚硝酸菌)和亚硝酸盐氧化菌(硝酸菌)在生理特性上的差异，已经形成了诸多实现短程硝化的控制策略，主要包括高温、低溶解氧(DO)、高游离氨抑制、实时控制等。其中，控制DO浓度，使硝化过程控制在NH₃⁺-N氧化为NO₂^--N阶段，是实现亚硝酸盐积累的重要因素之一。因此，DO浓度是人们在短程硝化反硝化工艺中最为关注的指标之一。此外，国内外有关研究表明在常规条件下通过实时控制DO、pH以及氧化还原电位(ORP)等参数可以实现短程硝化，但是通常用于处理常规生活污水，虽然实时控制技术容易操作，但是在厌氧阶段硝酸盐氮的ORP变化拐点以及硝酸盐氮的pH变化峰点变化不明显，低C/N比条件下厌氧阶段的操作存在问题。

此外，研究表明NO₂^--N的累积通常伴随着大量N₂O的产生，尤其在短程硝化脱氮工艺中。N₂O是一种很重要的温室气体，其温室效应是CO₂的300倍左右；同时，它也会破坏臭氧层，从而对环境产生严重影响，导致N₂O释放的最主要因素是低DO浓度和高NO₂^--N浓度。而这两个正是通常用来实现短程硝化过程的最主要特征，因此控制DO实现短程硝化存在释放大量N₂O的潜在危害。

好氧颗粒污泥是微生物固定化技术的一种特殊形式，是从上世纪九十年代以来开始兴起的一种新型的废水生物处理技术，被认为是目前最有前途的污水处理工艺之一。与传统的活性污泥法相比，好氧颗粒污泥沉降性能更好，污泥浓度更高，更加能适应废水水质的突然变化；可使反应器中保持较高的容积负荷，并可大大缩小或省去二次沉淀池，减少污水处理系统的容积和占地面积，降低投资和运行成本；好氧颗粒污泥的分层结构使其具有微生物菌群的多样性，在降解有机碳的同时，具有同时脱氮除磷的功能。此外，颗粒污泥具有特殊的微生物结构和空间结构，即使在高DO条件下也可以同时具备厌氧区和好氧区，从而实现异养微生物、硝化细菌和反硝化细菌在不同颗粒层同时存在；而且高DO浓度也有利于减少N₂O的释放。

直接在高浓度NH₄⁺-N条件下制备颗粒污泥，存在高浓度游离氨的抑制作用，从而影响微生物的活性以及好氧颗粒化的发生。分子态游离NH₃对亚硝酸菌和硝酸菌都有抑制作用，但对硝酸菌更加敏感。已有研究表明，游离氨对硝酸菌和亚硝酸菌的抑制浓度分别0.1～1.0mg/L和10～150mg/L。当游离氨的浓度介于两者之间时，亚硝酸菌能够正常增殖和氧化，硝酸菌被抑制，就会发生亚硝酸的积累。因而，通过逐步提高氨氮选择压的方法，可以逐步提高游离氨的选择作用，从而逐步淘汰硝酸菌，同时可以避免高浓度游离氨的抑制作用，并能使形成的好氧颗粒污泥在实现亚硝酸盐富集的同时具有较高的反硝化能力和异养菌活性。

综合考虑短程硝化脱氮和N₂O的释放问题，寻找一种高DO浓度条件下制备短程硝化反硝化颗粒污泥以去除高浓度氨氮的方法就显得尤为重要。

三、发明内容

本发明的目的是在高DO浓度下制备得到一种处理高氨氮废水的短程硝化反硝化颗粒污泥。

本发明的技术方案是：在高DO浓度下通过逐步提高底物NH₄⁺-N浓度的策略制备亚硝化细菌和反硝化菌大量富集的好氧短程硝化反硝化颗粒污泥。具体步骤如下：

一种高DO条件下短程硝化反硝化颗粒污泥的制备方法，在高DO浓度下通过逐步提高底物NH₄⁺-N浓度，制备出亚硝化细菌和反硝化菌大量富集的好氧短程硝化反硝化颗粒污泥。具体步骤如下：

(1)选取市政废水处理厂的活性污泥注入序批式间歇反应器，循环时间为4h：其中进水6min，出水4min；厌氧搅拌1h；沉降时间随着颗粒污泥的形成和沉降性能的改善逐渐缩短，由16min逐渐递减至2min；其余为曝气时间；

(2)反应器在20～30℃室温下运行，pH值在7.5～8.5之间，曝气量控制在0.3cm/s，保持DO浓度为8mg/L左右；

(3)将含有有机物和氨氮的废水从反应器底部泵入，进水方式为间歇式，进水底物COD为500mg/L，加入氯化铵，最初底物NH₄⁺-N浓度为50mg/L，经过一个周期，出水由反应器中部排出，水力停留时间8h；

(4)监测出水中的NH₄⁺-N、NO₂^--N以及NO₃^--N浓度，当NH₄⁺-N去除率达到98％以上并能稳定三天以上的时间，同时NO₂^--N浓度下降、NO₃^--N浓度升高，即可提高底物NH₄⁺-N至下一浓度，每次提高值在50mg/L，按照上述方法，最终将底物NH₄⁺-N浓度提高至350mg/L，稳定运行一段时间后，在反应器内获得短程硝化反硝化颗粒污泥。

短程硝化反硝化颗粒污泥为淡黄色球形颗粒，直径0.8mm，其中的微生物以球菌和杆状菌为主，亚硝酸菌主要分布在颗粒外部，在颗粒内部含有极少的硝酸菌。

本发明的效果和益处：

(1)在序批式反应器(SBR)中，在高DO浓度条件下制备得到一种处理高氨氮废水的短程硝化反硝化颗粒污泥。形成的颗粒污泥具有较高的亚硝酸盐累积能力、反硝化能力和异养菌活性。

(2)亚硝酸菌的大量富集抑制了丝状菌的生长，形成的短程硝化反硝化颗粒污泥以杆菌和球菌为主，丝状菌含量极少，颗粒结构紧凑、稳定性能良好。

(3)在SBR反应器中DO浓度较高(曝气阶段达8mg/L左右)，因而并没有因为NO₂^--N的累积而提高N₂O的释放量。

四、附图说明

图1为本发明采用序批式间歇反应器制备短程硝化反硝化颗粒污泥方法的示意图。图中：1为进水箱；2为蠕动泵；3为曝气头；4为气泵；5为气体流量计；6为电磁阀；7为双时间继电器；8为搅拌器；9为出水箱；10为溢流口。

五、具体实施方式

以下通过实施例对本发明的内容进一步详细地加以说明。

实施例1：

具体步骤如下：

(1)将未经驯化的市政废水处理厂的活性污泥接种注入序批式间歇反应器中。序批式间歇反应器有效容积3.5L，外管直径10.0cm，高55cm，如图1所示。

(2)空气由气泵4通过反应器底部中央安装的一个微孔曝气头3进入反应器，形成的气流使反应器内液体和颗粒污泥混合均匀。通过蠕动泵2在反应器底部进水，由电磁阀6控制出水，排水口在反应器底部高25cm处，体积交换率为50％，反应器在室温(20～30℃)下运行。

(3)反应器的进水、搅拌、曝气、沉降和排水时间均由双时间继电器7自动控制。循环时间为4h，其中进水6min，出水4min，厌氧搅拌1h，沉降时间从16min逐渐减到2min，待颗粒污泥成熟后由于其具有出色的沉降性能，将沉降时间保持在2min，其余为曝气时间。反应器的曝气量为0.3m³/h，使DO浓度维持在8mg/L左右。

(4)进水COD浓度(由葡萄糖、乙酸钠提供)为500mg/L，初始NH₄⁺-N浓度(由氯化铵提供)为50mg/L，pH值保持在7.5～8.5范围内。监测出水中的NH₄⁺-N、NO₂^--N以及NO₃^--N浓度，当NH₄⁺-N去除率达到98％以上并能稳定三天以上的时间，同时NO₂^--N浓度下降、NO₃^--N浓度升高，即可提高底物NH₄⁺-N至下一浓度，每次提高值在50mg/L。按照此方法，最终将底物NH₄⁺-N浓度提高至350mg/L。

反应器于第40天开始出现细小的颗粒污泥；第60天时反应器中基本由颗粒污泥组成，絮状污泥极少；反应器运行稳定。形成的颗粒粒径在0.8mm左右，颗粒污泥以杆菌和球菌为主，丝状菌含量极少，颗粒结构紧凑、稳定性能良好。其中，氨氧化细菌(亚硝酸菌)占总菌的60％，分布在颗粒表层；亚硝酸盐氧化菌(硝酸菌)只占总菌的3％，分布在颗粒内部。

实施例2：

具体步骤如下：

(1)将培养得到的短程硝化反硝化颗粒污泥注入序批式间歇反应器中。序批式间歇反应器有效容积3.5L，外管直径10cm，高55cm。

(2)空气由气泵4通过反应器底部中央安装的一个微孔曝气头3进入反应器，通过蠕动泵2在反应器底部进水，由电磁阀6控制出水，排水口在反应器底部高25cm处，体积交换率为50％。

(3)反应器的进水、搅拌、曝气、沉降和排水时间均由双时间继电器7自动控制。循环时间为4h，其中进水6min，出水4min，厌氧搅拌1h，曝气2h48min，沉降2min。反应器曝气量为0.3m³/h，使DO浓度维持在8mg/L左右。

(4)进水COD浓度为400mg/L，NH₄⁺-N为200mg/L，NO₂^--N为80mg/L，pH值保持在7.5～8.5范围内，反应器在室温下运行。于不同时间间隔取样，取水样测NH₄⁺-N、NO₂^--N、NO₃^--N以及COD，取气体测N₂O释放量。

厌氧阶段COD由410mg/L降至170mg/L，而79.4mg/L亚硝氮在厌氧搅拌30min后即降至1.5mg/L，说明颗粒具有很好的反硝化能力(ΔN/Δt＝156mg N L^-1h^-1)。曝气结束时NH₄⁺-N去除率高达98％，NO₂^--N累积达到128.3mg/L，而NO₃^--N仅为10.6mg/L，表明颗粒具有很好的短程硝化能力。此外，N₂O总释放量为13.19mg/L，占进水总氮的4.71％，同时，出水COD浓度低于40mg/L，去除率高于90％。结果表明，本发明制得的颗粒污泥具有良好的短程硝化反硝化和去除COD的能力，同时亚硝酸盐累积过程并未增加N₂O的释放。