CN116062884A

CN116062884A - 一种利用单质硫强化低碳源污水反硝化除磷效能的方法

Info

Publication number: CN116062884A
Application number: CN202310052684.9A
Authority: CN
Inventors: 郭刚; 周立昌; 刘海平; 廖春睿; 蒋旭; 陈磊; 程伯夷
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2023-02-02
Filing date: 2023-02-02
Publication date: 2023-05-05

Abstract

本发明公开了一种利用单质硫强化低碳源污水反硝化除磷效能的方法。该方法先在序批式反应器中接种污泥，加入较高浓度碳源的市政污水，构建足碳源反硝化除磷系统，除磷率达到75%后继续运行25‑35天，系统稳定，取反应器中的污泥接种到新的序批式反应器中，加入较低浓度碳源的市政污水，并投加单质硫，构建单质硫强化低碳源污水反硝化除磷系统。本发明能够降低城市污水处理厂脱氮除磷对碳源的需求，减少聚糖菌对除磷效能影响，同时降低污泥产量，为污水厂节能减耗降碳提供了新思路。

Description

一种利用单质硫强化低碳源污水反硝化除磷效能的方法

技术领域

本发明属于环境保护及资源化技术领域，具体涉及一种利用单质硫作为补充电子供体强化低碳源污水反硝化除磷效能的方法。

背景技术

我国城镇污水产生量大，每天处理规模超2亿m³/d。生物法在污水氮和磷去除中应用广泛，其主要以有机碳源作为电子供体。但我国南方城镇污水中有机碳源含量较低（COD<200 mg/L），严重限制了污水厂生物脱氮除磷效果，导致出水氮磷难以同时达标，这对于城镇污水厂实现一级A排放标准并有效缩减成本是一个巨大挑战。传统城镇污水厂解决这一问题的主要思路是，在生物池中投加额外的有机物（如甲醇、乙酸等），但其成本较高，运输使用存在安全隐患。因此，寻找廉价可靠的补充电子供体，保证生物脱氮除磷效能是城镇污水处理厂亟待解决的问题。

另一方面，传统生物污水处理中会产生大量活性污泥（污泥产率高达1.62 吨DS/万m³），活性污泥的运输和处理成本对污水厂是一巨大考验，污泥减量化是解决此问题的重要措施之一。

硫是自然界常见元素之一，我国硫资源丰富，储量排在全球前列，硫化工体系全备，单质硫价格低廉（约为甲醇等有机碳源价格的1/3~1/4）。目前，尚无利用单质硫作为补充电子供体强化低碳源污水反硝化除磷效果的研究报道。

发明内容

发明的目的是为实现污水处理厂节能降耗减碳而提供一种利用单质硫作为补充电子供体强化低碳源污水反硝化除磷效能的方法，有效降低城市污水处理厂脱氮除磷对碳源的需求。

所述的利用单质硫强化低碳源污水反硝化除磷效能的方法为：

（1）在序批式反应器中接种污泥，加入较高浓度碳源的市政污水，构建足碳源反硝化除磷系统，除磷率达到75%后继续运行25-35天，系统稳定；

（2）待步骤（1）的系统稳定后，取反应器中的污泥接种到新的序批式反应器中，加入较低浓度碳源的市政污水，并投加单质硫，构建单质硫强化低碳源污水反硝化除磷系统。

步骤（1）和（2）所述的序批式反应器（SBR）周期运行，每个周期分为厌氧阶段、缺氧阶段、好氧阶段，反应时长为厌氧阶段1.5-2 h、缺氧阶段4-5 h和好氧阶段0.5-1 h，每个周期的缺氧阶段投加NaNO₃浓度为35-45 mg N/L。好氧阶段溶解氧控制在2-3 mg/L；反应器中的pH值控制在7.2-8.2，水温控制在20-25 ℃；反应器排水比为30-60%。

步骤（1）接种的污泥为市政污水处理厂生物池缺氧段污泥。

所述序批式反应器内污泥浓度MLSS为2.7-4.3g/L。

步骤（1）所述的较高浓度碳源的市政污水的浓度为350-550mg COD/L。

步骤（2）所述的较低浓度碳源的市政污水浓度为100-300mg COD/L。

步骤（2）所述的单质硫在每个周期的厌氧反应阶段初期投加，投加单质硫的浓度为50-70 mg/L。

步骤（1）的反应器中的污泥龄为15-20天。

步骤（2）的反应器中的污泥龄为30-35 天。

本发明中，利用单质硫作为补充电子供体强化低碳源污水反硝化除磷效果的原理是：反应器中部分硫氧化菌（SOB）为自养或兼性营养型微生物，以还原态的硫（如单质硫）作为电子供体，以氧气、硝酸根或亚硝酸根作为电子受体，在交替的厌氧和缺氧/微氧环境下实现聚磷的降解与合成，通过周期性地排出富磷污泥，可以实现水体中磷的去除。添加单质硫可以诱导SOB的增殖与富集，实现SOB与反硝化聚磷菌的协同除磷。相关生化原理为：在厌氧条件下，SOB利用聚磷降解所产生的能量，吸收水体中挥发性脂肪酸（VFAs）以合成聚羟基脂肪酸酯（PHA），宏观表现为液相中磷浓度升高；投加硝酸根后，SOB利用硝酸根作为电子受体，氧化单质硫和PHA并从中获取能量，以用于聚磷的合成，宏观表现为液相中磷浓度的下降。通过在周期末排出富含磷的污泥，可以实现污水中磷的去除。投加单质硫诱导了SOB增殖，为生物脱氮除磷补充了电子供体，可以强化在低碳源条件下的反硝化除磷效能。同时，SOB世代周期较长，增殖缓慢，可以减少污泥产量，降低污泥处理处置成本。

在利用单质硫强化低碳源污水反硝化除磷过程中，反应条件需要很好控制，包括进水配比、污泥龄、厌氧/缺氧反应时间等参数。在进水碳源为100-300 mg COD/L时，投加不同量的单质硫均能提高反硝化和除磷效率，但碳源过低会影响SOB合成的PHA含量，不利于SOB实现过量吸磷；另一方面，单质硫投加量也需要合理控制，投加量过少所提供的电子供体和能量不足，导致反应器除磷性能恶化，投加量过多则会导致硝酸盐浓度相对不足且经济成本增加。本发明最优的碳源浓度为200 mg COD/L，单质硫投量为67 mg/L。污泥龄是强化生物除磷系统中的关键影响因素之一，由于硫细菌较低的污泥产率系数，过短的污泥龄不利于SOB在系统中的增殖与富集，本发明中单质硫强化低碳源污水反硝化除磷系统的污泥龄宜为30d左右。厌氧/缺氧反应时间需合理控制，过短的反应时间会导致反应不充分，过长的反应时间又将诱发二次释磷降低除磷率，本发明中最适宜的厌氧、缺氧和好氧反应时间分别为1.5、4.5和0.5 h。

本发明的有益效果包括：

1.利用廉价、低毒、安全的单质硫作为补充电子供体强化低碳源污水反硝化除磷效果，有效应对了我国南方城镇污水处理厂进水COD浓度较低的问题，在出水碳氮磷有效达标的前提下实现了污水厂节能降耗减碳。

2.通过投加单质硫作为补充电子供体，可以避免聚糖菌与反硝化聚磷菌竞争碳源影响除磷率，保证系统高效稳定运行。

3.将硫循环引入生物池碳、氮、磷生化循环，构建硫氧化菌与反硝化聚磷菌协同除磷系统，减少污水厂外加碳源需求，降低间接碳排放。

4.自养或兼性营养型功能微生物（如硫氧化菌）增殖缓慢，世代周期较长，将其引入污水生物处理系统，可以减少污泥产量，降低污泥处理处置成本。经济效益预估表明，本发明50-70 mg/L的单质硫投加量可以减少外加碳源及污泥处置成本40-60 %。

5.单质硫难溶于水，易于与水分离，不会造成水体次生污染，而且可以作为微生物生长的载体；此外，单质硫价态（0价态）为硫的中间价态（-2价至+6价），可作为电子载体被多数硫酸盐还原菌和硫氧化菌利用。部分硫氧化菌可以以还原态硫为电子供体，在交替的厌氧和缺氧/微氧环境下进行聚磷的降解与合成，实现水体中磷的去除。

附图说明

图1是本发明实施例和对比例的除磷率对比图

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明。

实施例

（1）在有效容积为8 L的序批式反应器中接种市政污水处理厂生物池缺氧段污泥，接种后反应器开始周期运行，每个周期反应阶段包括1.5 h的厌氧阶段，4.5 h的缺氧阶段和0.5 h的好氧阶段。每个周期初加入4 L人工合成模拟市政污水（人工合成模拟市政污水中含有400 mg COD/L的CH₃COONa•3H₂O，20 mg P/L的Na₃PO₄•12H₂O、25 mg N/L的NH₄Cl、9 mgMg²⁺/L的MgSO₄•7H₂O和4mg Ca²⁺/L的CaCl₂•2H₂O），反应器内污泥浓度MLSS为3.5g/L。每个周期的缺氧阶段投加NaNO₃浓度为40mg N/L，好氧阶段溶解氧控制在2-3 mg/L；反应器中的pH值控制在7.4-7.8，水温控制在21-23℃；反应器排水比为50%。污泥停留时间（SRT）为15d。构建足碳源反硝化除磷系统，除磷率达到75%并保持30天后，系统稳定；

（2）待步骤（1）的系统稳定后，取4 L反应器中的污泥，沉淀后排出上清液，并用去离子水清洗三次后加入有效容积为4 L的序批式反应器中，反应器开始周期运行，每个周期反应阶段包括1.5 h的厌氧阶段，4.5 h的缺氧阶段和0.5 h的好氧阶段。每个周期初加入2L人工合成模拟市政污水（人工合成模拟市政污水中含有200 mg COD/L的CH₃COONa•3H₂O，20mg P/L的Na₃PO₄•12H₂O、25 mg N/L的NH₄Cl、9 mg Mg²⁺/L的MgSO₄•7H₂O和4mg Ca²⁺/L的CaCl₂•2H₂O），反应器中污泥浓度（MLSS）为3.5g/L。在每个周期的厌氧反应阶段初期投加67 mg S/L单质硫，在缺氧阶段向反应器中投加40 mg N/L的NaNO₃。好氧阶段溶解氧控制在2-3 mg/L，反应器pH控制为7.4-7.8，水温控制在21-23℃，换水比为50%。污泥停留时间（SRT）为30d。稳定运行后，除磷率为85.6 %，相比于对比例1提高了154 %，相比于对比例2提高了13 %。

对比例1

待实施例1步骤（1）的系统稳定后，取4 L反应器中的污泥，沉淀后排出上清液，并用去离子水清洗三次后加入有效容积为4 L的序批式反应器中，反应器开始周期运行。每个周期反应阶段包括1.5 h的厌氧阶段，4.5 h的缺氧阶段和0.5 h的好氧阶段。每个周期初加入2 L人工合成模拟市政污水（人工合成模拟市政污水中含有200 mg COD/L的CH₃COONa•3H₂O，20 mg P/L的Na₃PO₄•12H₂O、25 mg N/L的NH₄Cl、9 mg Mg²⁺/L的MgSO₄•7H₂O和4mg Ca²⁺/L的CaCl₂•2H₂O），反应器中污泥浓度（MLSS）为3.5g/L。在每个周期缺氧阶段向反应器中投加40 mg N/L的NaNO₃。该反应器每个周期不投加单质硫。好氧阶段溶解氧控制在2-3 mg/L，反应器pH控制为7.4-7.8，水温控制在21-23℃，换水比为50%。污泥停留时间（SRT）为30 d。稳定运行后，除磷率为33.7 %。

对比例2

在有效容积为8 L的序批式反应器中接种市政污水处理厂生物池缺氧段污泥，接种后反应器开始周期运行，每个周期反应阶段包括1.5 h的厌氧阶段，4.5 h的缺氧阶段和0.5 h的好氧阶段。每个周期初加入4 L人工合成模拟市政污水（人工合成模拟市政污水中含有400 mg COD/L的CH₃COONa•3H₂O，20 mg P/L的Na₃PO₄•12H₂O、25 mg N/L的NH₄Cl、9 mgMg²⁺/L的MgSO₄•7H₂O和4mg Ca²⁺/L的CaCl₂•2H₂O），反应器内污泥浓度MLSS为3.5g/L。每个周期的缺氧阶段投加NaNO₃浓度为40mg N/L，好氧阶段溶解氧控制在2-3 mg/L；反应器中的pH值控制在7.4-7.8，水温控制在21-23℃；反应器排水比为50%。污泥停留时间（SRT）为15d。稳定运行后，除磷率为75.9%。

Claims

1.一种利用单质硫强化低碳源污水反硝化除磷效能的方法，其特征在于，所述方法的具体步骤为：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）和（2）所述的序批式反应器（SBR）周期运行，每个周期分为厌氧阶段、缺氧阶段、好氧阶段，反应时长为厌氧阶段1.5-2 h、缺氧阶段4-5 h和好氧阶段0.5-1 h。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，每个周期的缺氧阶段投加NaNO₃浓度为35-45 mg N/L。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，好氧阶段溶解氧控制在2-3 mg/L；反应器中的pH值控制在7.2-8.2，水温控制在20-25 ℃；反应器排水比为30-60%。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）接种的污泥为市政污水处理厂生物池缺氧段污泥。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述序批式反应器内污泥浓度MLSS为2.7-4.3g/L。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述的较高浓度碳源的市政污水的浓度为350-550mg COD/L；步骤（2）所述的较低浓度碳源的市政污水浓度为100-300mgCOD/L。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）所述的单质硫在每个周期的厌氧反应阶段初期投加，投加单质硫的浓度为50-70 mg/L。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）的反应器中的污泥龄为15-20天。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（2）的反应器中的污泥龄为30-35天。