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CN114620907B - 一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法 - Google Patents

一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法，是在生活污水处理厂设置产硫化氢的污泥消化池、硫化氢溶解罐和硫自养深层厌氧脱氮滤池，向产硫化氢的污泥消化池中投加废石膏，在密闭污泥消化池中硫酸盐还原菌利用有机质分解废石膏生成硫化氢和方解石，生成的硫化氢通过气提方式转移出消化池，并输送、溶解到脱氮滤池的进水中作为电子供体还原硝酸盐氮为氮气，从而实现脱氮。本发明的方法脱氮速率高、成本低。

Description

一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法
技术领域
本发明涉及污水处理厂污泥处理和污水深度脱氮处理技术领域，更具体地说，涉及一种污泥消化协同硫自养脱氮的技术方法。
背景技术
氮是导致水体富营养化的最主要元素之一，然而过去在水处理和地表水环境中关注的重点主要是氨氮的控制。近年来，随着水体富营养化越来越严重，特别是城市黑臭河流广泛出现，硝态氮、总氮已经纳入了排污和水体控制指标，并且各地都制定了越来越严格的氮素控制标准。
硝化-异养反硝化一直是废水脱氮的主流工艺技术，是通过好氧过程使水中的有机氮、氨氮转化为硝酸盐氮，再把污水回流到缺氧池利用污水中的有机物为电子供体通过异养反硝化微生物把硝酸盐氮转化为氮气。异养反硝化脱氮技术要达到越来越严格的排水总氮水质标准也遇到一些障碍：其一，需要很高的回流比才能使总氮达到排放标准，导致水处理能耗过大、不经济；其二，由于废水在化粪池、排水管路中滞留时间长，存在微生物对有机物降解过程，已经消耗了部分碳源，导致进入污水处理厂的废水中碳源不足、碳氮比过低，不能满足异养反硝化对有机碳的需求；其三，在碳源不足的情况下，目前普遍在二级沉淀池之后增加厌氧生物滤池，投加有机碳依靠异养反硝化菌脱氮，但是投加醋酸钠这类药剂导致脱氮成本过高，而且投加量控制不到位，又导致出水COD过高发生二次污染的问题。
城市污水处理厂剩余污泥含水量高、有机物含量高、易腐败、存在大量致病微生物等，易引发一系列环境问题。污水厂剩余污泥的处理处置比较困难、成本高昂，一直是市政工程领域的一个难题。国内外均有学者研究，通过污泥消化或加热水解消化方式，使污泥中的复杂有机物降解为简单的有机酸类小分子有机物，然后把小分子有机物作为异养脱氮的电子供体，试图解决污水处理厂深度脱氮过程中有机碳源不足的问题。然而污泥加热水解消化过程中，不仅生成小分子有机物，还产生大量氨氮、溶解磷酸盐，消化液直接投加到脱氮的进水中厌氧脱氮，会导致其中的氨氮、磷超标。而对消化液中的氮磷与有机物进行分离又有很大的困难，增加了成本，结果导致这一技术路线难以工程化应用。
为了弥补异养脱氮的不足、适应水处理深度脱氮的需求，近年来硫自养反硝化技术作为一种具有代表性的自养反硝化技术得到迅速发展。硫自养反硝化是脱氮硫杆菌这类兼性厌氧微生物利用无机碳为碳源完成合成代谢，同时以硫及还原性硫化合物(硫代硫酸盐、亚硫酸盐、硫化物)为电子供体把硝酸盐还原为氮气，其中硫磺作为电子供体脱氮是发展的主流方向。硫自养反硝化技术因无需外加碳源受到国内外学者的广泛关注，其具有产泥量少、处理费用低等优点，是目前脱氮领域研究的热点。以硫磺作为电子供体自养反硝化脱氮过程中会产生水的酸化，通常把石灰石等碳酸盐作为体系pH稳定的介质。现有硫-石灰石自养反硝化系统，是将石灰石与单质硫颗粒按一定比例混合后作为填料，装入反应滤柱中进行污水处理，石灰石在处理过程中不断溶解，从而缓冲pH的降低。
目前的硫自养反硝化脱氮技术存在如下突出问题：
(1)固体硫自养脱氮材料脱氮速度慢的问题。硫自养脱氮材料，包括硫磺、铁硫化物矿物等，都属于难溶性固体物质与微生物交互作用，在微生物代谢过程中需要复杂的电子传递媒介，这是制约硫自养脱氮反应速度的关键因素，也是硫自养脱氮速度慢的根本原因。通常投加乙酸钠的异养脱氮厌氧生物深层滤池，水力停留时间为25-40min时即可稳定达到硝酸盐氮和总氮控制要求，而硫自养脱氮水力停留时间都要在100min以上，天然铁硫化物自养脱氮水力停留时间大多数要求在4h以上，这就导致硫自养脱氮处理池建设投资过高，经济性不佳。如何通过材料制备方法改进，提高硫自养脱氮材料的生物反应速度，使硫自养脱氮反应水力停留时间达到或者接近异养脱氮的水力停留时间，是目前迫切需要解决的关键技术难题。
(2)硫自养脱氮材料滤床堵塞需要反冲洗的问题。硫自养脱氮材料一般都是作为颗粒状填充到厌氧脱氮滤池中，如何防止填料堵塞也是水处理运行的关键。目前的脱氮生物滤池都采用定期反冲洗来解决堵塞问题。但是反冲洗过程不仅使造成堵塞的颗粒物洗出，而且造成生物膜的脱落，生物膜恢复需要一定的时间周期，影响生物膜恢复阶段的出水水质。另外，硫磺颗粒密度低、强度低，与碳酸盐矿物密度和强度差异大，反冲洗容易造成硫磺颗粒磨损、增大流失，还会造成硫磺颗粒与碳酸盐颗粒物发生析离。
(3)剩余污泥消化液直接用于厌氧脱氮氨氮磷超标问题。剩余污泥水解消化过程中，不仅生成小分子有机物，还产生大量氨氮、溶解磷酸盐，消化液直接投加到脱氮的进水中厌氧脱氮，由于消化液中氨氮、溶解磷酸盐浓度高，会导致其中的氨氮、磷超标。
发明内容
基于上述现有技术所存在的问题，本发明经过大量静态、动态脱氮实验研究，提供一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法，可以为剩余污泥处理、硫自养反硝化脱氮在污水处理领域的应用提供技术支持。
本发明为实现目的，采用如下技术方案：
一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法，其特点在于，按如下步骤进行：
(1)在通常的生活污水处理厂设置：产硫化氢的污泥消化池、硫化氢溶解罐、硫自养深层厌氧脱氮滤池；
(2)用待处理的废水将废石膏粉配制成质量浓度5-30％的浆液；
(3)在前期孵化时：
在污泥消化池中加入污泥浓缩池中的浓缩污泥和步骤(2)配制的浆液，投加比例依据污泥中的挥发性有机物质量计算，保证浓缩污泥中挥发性有机物与石膏质量的比值为1～4kg:4kg；向污泥消化池中加入占污泥体积0.1-10％的富集培养硫酸盐还原菌菌液，搅拌孵化2-10d；
在所述硫自养深层厌氧脱氮滤池中加入碳酸盐颗粒物作为填料，然后加入待处理废水，再加入占废水体积0.1-10％的富集培养脱氮硫杆菌菌液，加入硝酸钾使其中硝酸盐氮的浓度50-400mg/L，内部水力循环孵化2-10d，挂膜成熟；
(4)正常运行时：
将污泥浓缩池中的浓缩污泥输送到污泥消化池中，同时向污泥消化池中投加步骤(2)配制的浆液，投加比例依据污泥中的挥发性有机物质量计算，保证浓缩污泥中挥发性有机物与石膏质量的比值为1～4kg:4kg；在密闭污泥消化池中微生物利用可降解有机质、废石膏生成硫化氢和碳酸钙沉淀；
将待处理的废水输送到硫化氢溶解罐；用耐硫化氢腐蚀的气泵把来自硫化氢溶解罐上部的无氧气体输送到污泥消化池的底部，并以穿孔管曝气方式释放，在混合消化液使微生物处于悬浮状态的同时，促进污泥消化液中的硫离子以硫化氢形式转移到气体中，形成含高浓度硫化氢的气体；
将含高浓度硫化氢的气体输送到硫化氢溶解罐的底部，并以穿孔管曝气方式释放，使硫化氢溶解到待处理废水中，硫化氢溶解罐顶部的无氧气体再返回到污泥消化池中，构成无氧气体的循环；
含有溶解硫化氢的待处理废水进入硫自养深层厌氧脱氮滤池，溶解硫化氢作为电子供体还原硝酸盐氮为氮气实现脱氮。
进一步地，向污泥消化池的排泥中添加硫酸亚铁或者生石灰，固定硫离子避免硫化氢逸出影响环境。
进一步地，所述废石膏为脱硫石膏、磷石膏、模具石膏和建筑废石膏板中的至少一种，按照干基计算石膏质量百分比不小于80％。
进一步地，所述碳酸盐颗粒物为碳酸盐矿物或岩石的颗粒物，颗粒粒径范围2～50mm，所述碳酸盐颗粒物的酸不溶物含量小于5％。
进一步地，所述的碳酸盐矿物或岩石为石灰岩、白云岩、方解石矿石、菱铁矿矿石或大理岩。
进一步地，所述硫自养深层厌氧脱氮滤池中的碳酸盐颗粒物由于中和酸的反应消耗，3-6个月补充一次。
进一步地，污泥浓缩池的水力停留时间为4-6h；污泥消化池的水力停留时间为12-48h；硫自养深层厌氧脱氮滤池的水力停留时间为0.3-1h。
本发明的有益效果体现在：
(1)提高硫自养脱氮的速率。硫化氢易溶解在水中，解决了固体硫在水中难溶解而制约硫自养脱氮微生物与硫磺之间电子传递的障碍，大幅度提高了脱氮速率，接近了醋酸钠异养脱氮的速率。其反应方程式为：5H2S+8NO3 -——4N2+5SO4 2-+4H2O+2H+。
(2)降低脱氮成本和二氧化碳排放。硫化氢是硫酸盐还原菌代谢的产物，向产硫化氢的污泥消化池添加废石膏后，硫酸盐还原菌以污泥中有机物为底物，降解有机物的同时还原硫酸盐生成硫化氢和碳酸盐。硫化氢替代有机碳源，降低碳排放和脱氮成本，而且因污泥中有机碳转化为无机碳，实现了污泥有机碳的无机矿化和固定。其反应方程式为：CaSO4·2H2O+2CH2O——H2S+CaCO3+3H2O+CO2。
(3)利用了污泥有机碳，改善污泥脱水性能。在产硫化氢的污泥消化池中，由于污泥有机质的无机矿化，大幅度降低污泥有机质含量，提高污泥稳定性，改善了污泥脱水性能。污泥中有机物矿化改变了污泥组成和性质，更利于污泥脱水，并降低脱水污泥含水率。
(4)硫自养脱氮是产酸过程，使用碳酸盐矿物作为硫自养深层脱氮滤池的填料，既是脱氮硫杆菌等微生物的良好载体，又是脱氮系统酸中和、pH稳定的功能材料。碳酸盐填料具有较大的粒间空隙、酸不溶含量低，细颗粒的碳酸盐优先溶解，避免了硫自养深层脱氮滤池的堵塞和反冲洗及反冲洗带来的弊端。
附图说明
图1为本发明利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的工艺流程示意图，图中标号：1-污泥浓缩池；2-污泥消化池；3-硫化氢溶解罐；4-硫自养深层厌氧脱氮滤池；5-沉淀池污泥入流管；6-浓缩污泥输送管；7-废石膏浆液；8-污泥消化池排泥管；9-待脱氮废水进水管；10-循环气管；11-循环气体曝气头；12-含硫化氢气体输送管；13-含硫化氢气体释放头；14-溶解硫化氢后的待脱氮废水输送管；15-承托板；16-排水管；17-污泥浓缩池上清液排水管。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
构建如图1所示的模拟实验装置：
5L下口瓶作为污泥浓缩池1，5L下口瓶作为产硫化氢的污泥消化池2，0.5L盐水瓶作为硫化氢溶解罐3，直径80mm、高度400mm的塑料管作为硫自养深层厌氧脱氮滤池4；用污水处理厂的二沉池出水配制质量浓度为20％的废石膏浆液装入0.5L盐水瓶，废石膏来自某电厂的脱硫石膏，按照干基计算石膏质量百分比为96％。
用硅橡胶管制作沉淀池污泥入流管5、浓缩污泥输送管6、污泥消化池排泥管8、待脱氮废进水管9、循环气管10、含硫化氢气体输送管12、溶解硫化氢后的待脱氮废水输送管14、排水管16及污泥浓缩池上清液排水管17。
把循环气体曝气头11连接到循环气管10，把含硫化氢气体释放头13连接到含硫化氢气体输送管12，用10mm碎石装填到硫自养深层厌氧脱氮滤池的底部作为承托板15；把3-5mm的白云石颗粒作为硫自养深层脱氮滤池的填料；在循环气管10、含硫化氢气体输送管12的管路上加装小型气泵。
向污泥消化池2中注入浓缩污泥到3.5L的体积，加入20％脱硫废石膏浆液0.5L，接种富集培养硫酸盐还原菌菌液0.5L，间歇摇匀，促进微生物代谢和增值反应，持续孵化3天。
向硫自养深层脱氮滤池4中加入二沉池出水，加入0.2L富集培养的硫自养脱氮硫杆菌菌液，加入硝酸钾使其中硝酸盐氮的浓度50-400mg/L，内部水力循环持续孵化3天，挂膜成熟。
待污泥消化池2、硫自养深层脱氮滤池4的微生物孵化挂膜成熟，把污水处理厂二沉池后的浓缩池污泥和二沉池出水分别引入污泥浓缩池1和硫化氢溶解罐3，调节各管路的流量：污泥浓缩池1的水力停留时间为4-6h；污泥消化池2的水力停留时间48h；硫自养深层厌氧脱氮滤池4的水力停留时间为0.5h。连续运行，定期从排水管16取样，用离子色谱监测硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、硫酸根离子浓度，进水TN大约为14mg/L，出水TN大约为2-4mg/L。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法，其特征在于，按如下步骤进行：
(1)在通常的生活污水处理厂设置：产硫化氢的污泥消化池、硫化氢溶解罐、硫自养深层厌氧脱氮滤池；
(2)用待处理的废水将废石膏粉配制成质量浓度5-30％的浆液；
(3)在前期孵化时：
在污泥消化池中加入污泥浓缩池中的浓缩污泥和步骤(2)配制的浆液，投加比例依据污泥中的挥发性有机物质量计算，保证浓缩污泥中挥发性有机物与石膏质量的比值为1～4kg:4kg；向污泥消化池中加入占污泥体积0.1-10％的富集培养硫酸盐还原菌菌液，搅拌孵化2-10d；
在所述硫自养深层厌氧脱氮滤池中加入碳酸盐颗粒物作为填料，然后加入待处理废水，再加入占废水体积0.1-10％的富集培养脱氮硫杆菌菌液，加入硝酸钾使其中硝酸盐氮的浓度50-400mg/L，内部水力循环孵化2-10d，挂膜成熟；
(4)正常运行时：
将污泥浓缩池中的浓缩污泥输送到污泥消化池中，同时向污泥消化池中投加步骤(2)配制的浆液，投加比例依据污泥中的挥发性有机物质量计算，保证浓缩污泥中挥发性有机物与石膏质量的比值为1～4kg:4kg；在密闭污泥消化池中微生物利用可降解有机质、废石膏生成硫化氢和碳酸钙沉淀；
将待处理的废水输送到硫化氢溶解罐；用耐硫化氢腐蚀的气泵把来自硫化氢溶解罐上部的无氧气体输送到污泥消化池的底部，并以穿孔管曝气方式释放，在混合消化液使微生物处于悬浮状态的同时，促进污泥消化液中的硫离子以硫化氢形式转移到气体中，形成含高浓度硫化氢的气体；
将含高浓度硫化氢的气体输送到硫化氢溶解罐的底部，并以穿孔管曝气方式释放，使硫化氢溶解到待处理废水中，硫化氢溶解罐顶部的无氧气体再返回到污泥消化池中，构成无氧气体的循环；
含有溶解硫化氢的待处理废水进入硫自养深层厌氧脱氮滤池，溶解硫化氢作为电子供体还原硝酸盐氮为氮气实现脱氮；
污泥浓缩池的水力停留时间为4-6h；污泥消化池的水力停留时间为12-48h；硫自养深层厌氧脱氮滤池的水力停留时间为0.3-1h。
2.根据权利要求1所述的一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法，其特征在于：向污泥消化池的排泥中添加硫酸亚铁或者生石灰，固定硫离子避免硫化氢逸出影响环境。
3.根据权利要求1所述的一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法，其特征在于：所述废石膏为脱硫石膏、磷石膏、模具石膏和建筑废石膏板中的至少一种，按照干基计算石膏质量百分比不小于80％。
4.根据权利要求1所述的一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法，其特征在于：所述碳酸盐颗粒物为碳酸盐矿物或岩石的颗粒物，颗粒粒径范围2～50mm，所述碳酸盐颗粒物的酸不溶物含量小于5％。
5.根据权利要求4所述的一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法，其特征在于：所述的碳酸盐矿物或岩石为石灰岩、白云岩、方解石矿石、菱铁矿矿石或大理岩。
6.根据权利要求1所述的一种利用污泥产硫化氢自养深度脱氮的方法，其特征在于：所述硫自养深层厌氧脱氮滤池中的碳酸盐颗粒物由于中和酸的反应消耗，3-6个月补充一次。
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