一种利用单质硫强化低碳源污水反硝化除磷效能的方法

一种利用单质硫强化低碳源污水反硝化除磷效能的方法

专利内容

(19) 国家知识产权局 (12) 发明专利申请 (10) 申请公开号 CN A (43) 申请公开日 2023.05.05 (21) 申请号 2.9 (22) 申请日 2023.02.02 (71) 申请人 华中科技大学 地址：湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号华中科技大学 (72) 发明人：郭刚、周立昌、刘海平、廖春瑞、姜旭、陈蕾、程博懿 (74) 专利代理机构：北京泰兆天元知识产权代理有限公司 11108 专利代理人：王宇 (51) Int.Cl.C02F 3/28 (2023.01)C02F 3/30 (2023.01)C02F 3/34(2023.01)C02F 101/10 (2006.01) 权利要求书 1页 说明书 4页 1页 附图 (54) 发明名称 一种利用单质硫强化低碳源污水反硝化除磷效率的方法 (57) 摘要 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率的方法，该方法先在序批式反应器中接种污泥，加入碳源浓度较高的城市污水，构建碳源充足的反硝化除磷系统，当磷去除率达到75%后，系统继续运行25-35天。 待系统稳定后，将反应器内的污泥接种到新的序批式反应器中，加入碳源浓度相对较低的城市污水，并投加单质硫，构建低碳源污水的单质硫强化反硝化除磷系统。

本发明可减少城镇污水处理厂反硝化除磷对碳源的需求，降低多糖菌对除磷效率的影响，减少污泥产量，为污水处理厂节能降耗减碳提供了新思路。A4 8 8 2 6 0 6 1 1N C CN A 1/1 Page 1.一种利用单质硫增强低碳源污水反硝化除磷效率的方法，其特征在于该方法具体步骤为：(1)在序批式反应器中接种污泥，加入碳源浓度较高的城市污水，构建碳源充足的反硝化除磷系统，待磷去除率达到75%系统稳定后继续运行25-35天； (2)待步骤(1)体系稳定后，将反应器内污泥接种到新的序批式反应器中，加入碳源浓度较低的城市污水，并投加单质硫，构建低碳源污水单质硫强化反硝化除磷系统。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)为循环运行，每循环分为厌氧阶段、缺氧阶段、好氧阶段，反应时间为厌氧阶段1.5-2h，缺氧阶段4-5h，好氧阶段0.5-1h。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于每循环缺氧阶段投加的NaNO浓度为35-3 45mgN/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2-3mg/L；反应器内pH值控制在7.2-8.2，水温控制在20-25℃；反应器排水率为30-60％。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（1）中接种的污泥为城市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，其特征在于序批式反应器中的污泥浓度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）中碳源浓度较高的城市污水浓度为​​350-/L；步骤（2）中碳源浓度较低的城市污水浓度为​​100-300mg COD/L。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（2）中单质硫在每个周期厌氧反应阶段开始时加入，加入的单质硫浓度为50-70mg/L。 9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（1）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）反应器中的污泥龄为30～35天。22 CN A 说明书 1/4页 一种利用单质硫增强低碳源污水反硝化除磷效率的方法 技术领域 [0001]本发明属于环境保护与资源利用技术领域，具体涉及一种利用单质硫作为补充电子给体增强低碳源污水反硝化除磷效率的方法。背景技术 [0002]3我国城镇污水产生量大，日处理规模达2亿m3/d以上。

污水脱氮除磷目前广泛采用生物法，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<200mg/L），严重限制了污水处理厂的生物脱氮除磷效果，导致出水氮、磷难以同时达标。这对城镇污水处理厂实现一级A排放标准和有效降低成本是一个巨大的挑战。传统城镇污水处理厂解决该问题的主要思路是在生物池中额外添加有机物（如甲醇、醋酸等），但其成本较高，且在运输和使用过程中存在安全隐患。因此，寻找廉价可靠的补充电子供体以保证生物脱氮除磷的效率是城镇污水处理厂亟待解决的问题。 [0003] 另一方面，传统的生物污水处理会产生大量的活性污泥（污泥产量高达1.62吨DS/3万m3），活性污泥的运输和处理费用对污水处理厂来说是一个巨大的考验，污泥减量是解决这一问题的重要措施之一。[0004] 硫是自然界常见的元素之一，我国硫资源十分丰富，储量居世界首位，硫化工体系齐全，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脱氮除磷效果的研究报道。 发明内容[0005]本发明的目的是提供一种利用单质硫作为补充电子给体增强低碳源污水脱氮除磷效率的方法，以实现污水处理厂节能、降耗、减碳，从而有效减少城镇污水处理厂脱氮除磷对碳源的需求。

[0006] 利用单质硫强化低碳源污水反硝化除磷效率的方法如下： (1) 在序批式反应器中接种污泥， 加入碳源浓度较高的城市污水， 构建碳源充足的反硝化除磷系统， 除磷率达到 75% 后系统稳定， 继续运行 25-35 天； (2) 在步骤 (1) 系统稳定后， 将反应器中的污泥接种到新的序批式反应器中， 加入碳源浓度较低的城市污水， 并加入单质硫， 构建单质硫强化低碳源污水反硝化除磷系统。 [0007] 步骤 (1) 和 (2) 所述的序批式反应器 (SBR) 为循环运行， 每个循环分为厌氧阶段、 缺氧阶段、 好氧阶段。 反应时间为厌氧阶段1.5-2h，缺氧阶段4-5h，好氧阶段0.5-1h。每周期缺氧阶段加入的NaNO浓度为35-45mgN/L。好氧阶段溶解氧控制在2-3mg/L；反应器内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％。[0008]步骤（1）中接种的污泥为城市污水处理厂生物池缺氧段污泥。[0009]序批式反应器内污泥浓度MLSS为2.7-4.3g/L。 [0010] 步骤（1)中碳源浓度较高的城市污水浓度为​​350 — 750g/L。

[0011] 步骤（2）中低浓度碳源的城市污水浓度为​​100mg/L。33CN A说明书2/4页[0012] 步骤（2）中单质硫在每个循环的厌氧反应阶段的初始阶段加入，加入的单质硫浓度为50-70mg/L。[0013] 步骤（1）中反应器中的污泥龄为15-20天。[0014] 步骤（2）中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为：反应器内部分硫氧化菌（SOB）为自养或兼养微生物，以还原性硫（如单质硫）为电子供体，以氧、硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，在交替的厌氧-缺氧/微好氧环境下实现聚磷酸盐的降解与合成，通过周期性排出富磷污泥，实现水体中磷的去除。投加单质硫可诱导SOB的增殖富集，实现SOB与反硝化聚磷酸盐菌的协同除磷。 其生化原理为:在厌氧条件下,SOB利用聚磷酸盐降解产生的能量,吸收水体中的挥发性脂肪酸(VFAs)合成聚羟基脂肪酸酯(PHA),宏观上表现为液相中磷浓度的升高;加入硝酸盐后,SOB以硝酸盐为电子受体,氧化单质硫和PHA,从中获取能量合成聚磷酸盐,宏观上表现为液相中磷浓度的降低。

通过在循环末期排出富磷污泥，可实现污水中磷的去除。投加单质硫诱导SOB增殖，为生物反硝化除磷补充电子供体，可强化低碳源条件下的反硝化除磷效率。同时，SOB生成周期长，增殖缓慢，可减少污泥产量，降低污泥处理处置成本。[0016]在利用单质硫强化低碳源污水反硝化除磷过程中，需要控制好反应条件，包括进水配比、泥龄、厌氧/缺氧反应时间等参数。当进水碳源为100-/L时，投加不同量的单质硫均能提高反硝化除磷效率，但碳源过低会影响SOB合成的PHA含量，不利于SOB实现过量的磷吸收； 另一方面单质硫投加量也需要合理控制，投加量过少提供的电子供体和能量不足，导致反应器的除磷性能变差，投加量过多会导致硝酸盐浓度相对不足，增加经济成本。本发明最佳碳源浓度为100mg/L，单质硫投加量为67mg/L。泥龄是强化生物除磷系统中关键影响因素之一，由于硫细菌的产泥系数低，泥龄过短不利于SOB在系统中的增殖和富集，本发明单质硫强化低碳源污水反硝化除磷系统泥龄优选为30d左右。厌氧/缺氧反应时间需要合理控制，反应时间过短会导致反应不完全，反应时间过长会诱发二次磷释放，降低磷的去除率。 本发明最适宜的厌氧、缺氧、好氧反应时间分别为1.5、4.5、0.5h。

[0017] 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增强低碳源污水的反硝化除磷效果， 有效解决我国南方城镇污水处理厂进水 COD 浓度偏低的问题， 在出水碳、 氮、 磷有效达标的前提下， 实现污水处理厂的节能、 降耗、 减碳。 [0018] 2、 通过加入单质硫作为补充电子供体， 可以避免聚糖菌和反硝化聚磷菌竞争碳源而影响除磷率， 保证系统高效稳定运行。 [0019] 3.将硫循环引入生物池的碳、氮、磷生化循环中，构建硫氧化菌与反硝化聚磷菌协同除磷系统，减少污水处理厂对外来碳源的需求，减少间接碳排放。[0020] 4.自养或兼养功能微生物(如硫氧化菌)增殖慢、世代周期长，将其引入污水生物处理系统，可减少污泥产量，降低污泥处理处置成本。经济效益估算，本发明中单质硫投加量50-70mg/L，可减少外加碳源费用及污泥处置费用40-60%。[0021] 5.单质硫不溶于水，易与水分离，不会造成水体的二次污染，可作为微生物生长的载体； 另外，单质硫的价态（0价态）是硫的中间价态（-2价至+6价），可被大多数硫酸盐还原菌和硫氧化菌作为电子载体。

一些硫氧化细菌能够利用还原性硫作为电子供体，在厌氧和缺氧/微好氧交替的环境中降解合成多聚磷酸盐，从而实现水体中磷的去除。附图说明[0022]图1为本发明实施例与对比例的磷去除率对比图。具体实施例[0023]下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。实施例[0024](1)将市政污水处理厂生物池的缺氧污泥接种于有效容积为8L的序批式反应器中，接种后反应器开始循环运行，每个循环反应阶段包括1.5h的厌氧阶段、4.5h的缺氧阶段、0.5h的好氧阶段。 每个周期开始时加入4L人工合成模拟城市污水（人工合成模拟城市污水含有25mgN/L CH 4 COONa•3H 2 O、20mgP/L Na PO•12H 2 O、25mgN/L NH 4 Cl、24mg/L MgSO 4 •7H 2 O和4mgCa/L CaCl 4 •2H 2 O），反应器内污泥浓度MLSS为3.5g/L。每个周期缺氧阶段NaNO 4 浓度为40mgN/L，好氧阶段溶解氧控制在2～3mg/L；反应器内pH值控制在7.4～7.8，水温控制在21～23℃；反应器排污比为50%。

污泥停留时间(SRT)为15天，构建碳源充足的反硝化除磷系统，磷去除率达到75%后维持30天系统稳定；(2)待步骤(1)中的系统稳定后，取4L反应器中的污泥，沉淀后放出上清液，用去离子水洗涤3次后加入到有效容积为4L的序批式反应器中，反应器开始循环运行，每个循环反应阶段包括1.5h的厌氧阶段、4.5h的缺氧阶段和0.5h的好氧阶段。 每个周期开始时加入2L人工合成模拟城市污水(人工合成模拟城市污水中含有20322+2+mgP/L NaPO·12HO、25mgN/L NH Cl、9mgMg/L MgSO·7H O和4mgCa/L CaCl· O)，反应器内污泥浓度(MLSS)为3.5g/L。每个周期厌氧反应阶段开始时加入67mg S/2 L单质硫，缺氧阶段向反应器中加入40mg N/L NaNO。好氧阶段控制溶解氧为2～3mg/3 L，反应器pH控制在7.4～7.8，水温控制在21～23℃，水交换率为50％。 污泥停留时间（SRT）为30天，稳定运行后磷去除率为85.6％，比对比例1提高154％，比对比例2提高13％。

对比例1 实施例1步骤（1）体系稳定后，取4L反应器内污泥，沉淀后排出上清液，用去离子水洗涤三次后加入到有效容积为4L的序批式反应器中，反应器开始循环运行，每个循环反应阶段包括1.5h的厌氧阶段、4.5h的缺氧阶段和0.5h的好氧阶段。 每个周期开始时加入2L人工合成的模拟城市污水（人工合成的模拟城市污水中含有CH COONa·32+2+3H O/L、Na PO·12H O 20mgP/L、NH Cl 25mgN/L、MgSO·7H O 9mgMg /L、CaCl·2H O 4mgCa /L），反应器内污泥浓度（MLSS）为3.5g/L。每个周期缺氧阶段向反应器加入22-40mgN/L的NaNO。每个周期不向反应器中加入单质硫。好氧阶段控制溶解氧为2-3mg/L，反应器pH控制在7.4-7.8，水温控制在21-23℃，水交换率为50％。 污泥停留时间(SRT)为30天，稳定运行后磷去除率为33.7%。[0026]对比例2：将某城市污水处理厂生物池的缺氧污泥接种于有效容积为8L的序批式反应器中，接种后反应器开始循环运行，每个循环反应阶段包括1.5h的厌氧阶段、4.5h的缺氧阶段和0.5h的好氧阶段。

每个周期开始时加入4L人工合成模拟城市污水（人工合成模拟城市污水中含有25mgN/L CH COONa·3H O、20mgP/L Na PO·12H O、25mgN/L NH Cl、4242+2+Mg/L MgSO·7H O和4mgCa/L CaCl·2H O），反应器内污泥浓度MLSS为3.5g/L。每个周期缺氧阶段加入的NaNO浓度为40mgN/L，好氧阶段溶解氧控制在2～3mg/L；反应器内pH值控制在7.4～7.8，水温控制在21～23℃；反应器排水率为50%。污泥停留时间（SRT）为15d。稳定运行后，磷去除率为75.9%。 66 CN A 规格 图 1/1 页 图 177