申请日2014.09.24
公开(公告)日2014.12.10
IPC分类号C02F3/28
摘要
一种基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，包括步骤如下：将污泥投加至升流式厌氧反应器的反应区内，然后投加零价铁，零价铁的投加量为每克污泥投加零价铁0.5～5g;从升流式厌氧反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，使待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间为24～96小时，通入待处理废水后的污泥浓度为2000～7000mg/L，升流式厌氧反应器运行40～110天后成功启动污泥厌氧氨氧化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除，本发明的方法可有效缩短厌氧氨氧化工艺的启动时间，并可大幅提高厌氧氨氧化工艺的总氮去除率：当进水总氮容积负荷在620N mg/L/d左右时，投加纳米级零价铁可使厌氧氨氧化工艺启动时间可缩短33.3%，总氮去除率可提高2～19%。
权利要求书
1.一种基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，包括步骤如下：
(1)将污泥投加至升流式厌氧反应器的反应区内，污泥含水率大于等于99wt%，所述的污泥选自活性污泥、失活厌氧颗粒污泥、失活厌氧氨氧化污泥之一或任意组合;
(2)向已投加污泥的升流式厌氧反应器的反应区内投加零价铁，将其与污泥搅拌混合均匀，制得混合污泥，所述零价铁的投加量为每克污泥投加零价铁0.5～5g;
(3)从升流式厌氧反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，根据升流式厌氧反应器的体积调节蠕动泵转速以控制进水流速，使待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间为24～96小时，通入待处理废水后的污泥浓度为2000～7000mg/L，同时采用加热棒或恒温循环水浴装置使升流式厌氧反应器内部温度维持在30～35度，并通入氮气以维持厌氧环境，通入二氧化碳使pH保持在7.1～7.7;
(4)保持升流式厌氧反应器的出水流速与进水流速相同，升流式厌氧反应器运行40～110天后成功启动污泥厌氧氨氧化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入下一个厌氧氨氧化反应。
2.根据权利要求1所述的基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，其特征在于，所述的污泥优选失活厌氧氨氧化污泥。
3.根据权利要求1所述的基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，其特征在于，所述的活性污泥取自污水处理厂排出的污泥经过滤、筛选、前期培养后制得，通过过滤、筛选去除污泥中的树叶、废弃纸张、废弃塑料等杂质，然后将污泥投加至升流式厌氧反应器的反应区内，从升流式厌氧反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，使待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间为24～96小时，保持升流式厌氧反应器的出水流速与进水流速相同，去除上浮和膨胀的污泥，升流式厌氧反应器运行3-7天后，收集底部沉淀污泥即为活性污泥。
4.根据权利要求1所述的基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，其特征在于，所述失活厌氧颗粒污泥为厌氧反应器生产过剩或废弃的颗粒污泥和/或出水污泥制得，将厌氧反应器生产过剩或废弃的的颗粒污泥和/或出水污泥收集，以干净且密闭性好的有机塑料瓶作为保存容器，需要保存的污泥体积与保存容器的容积比为1:2～4，在常温下密封保存1～2年备用，失活厌氧颗粒污泥颜色一般为黑色或灰色，颗粒污泥粒径为0.5～3mm，污泥含水率大于等于98wt%。
5.根据权利要求1所述的基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，其特征在于，所述失活厌氧氨氧化污泥为厌氧氨氧化反应器生产过剩或废弃的污泥和/或出水污泥制得，将厌氧氨氧化反应器生产过剩或废弃的颗粒污泥和/或出水污泥收集，以干净且密闭性好的玻璃瓶作为保存容器，需要保存的污泥体积与保存容器的容积比为1:2～4，在3～4℃下密封保存6～8个月备用，失活厌氧氨氧化污泥颜色为棕红色或棕黄色，污泥含水率大于等于98wt%。
6.根据权利要求1所述的基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，其特征在于，步骤(2)中零价铁的投加量为每克污泥投加零价铁1～2g，步骤(3)中通入待处理废水后的污泥浓度为2500～5000mg/L。
7.根据权利要求1所述的基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，其特征在于，所述升流式厌氧反应器的导气管和出水管均设有水封，防止外界氧气进入，每隔4～6小时向升流式厌氧反应器内通氮气10～20分钟维持其厌氧环境，曝气强度为2～10ml/(L·min)。
8.根据权利要求1所述的基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，其特征在于，所述的零价铁为铁屑、海绵铁、微米级零价铁或纳米级零价铁粉，所述的纳米级零价铁为粒径100-200nm的球形纳米铁，所述的微米级零价铁为粒径120-150μm的微米级铁粉。
9.根据权利要求1所述的基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，其特征在于，在升流式厌氧反应器的底部设置有砾石层，砾石层的厚度为3～5cm，砾石的平均直径为2～10mm，进水管铺置在砾石层中，升流式厌氧反应器的反应器为立式圆柱形，有效高度为6-12m，反应器内水力上升流速为每小时0.5～1.5m，待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间为30～60小时。
10.根据权利要求1所述的基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，其特征在于，所述待处理废水养殖废水、冶金废水、石油化工废水含氨氮废水。
说明书
一种基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法
技术领域
本发明涉及一种基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，属于废水生物处 理领域。
背景技术
厌氧氨氧化工艺是近年蓬勃发展起来的一种新型脱氮工艺，尤其适用于高氨氮废水处理 领域。该工艺是指在厌氧或缺氧条件下，由厌氧氨氧化菌以亚硝氮为电子受体，将氨氮直接 转化成氮气，从而避免了有机碳源和氧气的参与，使得脱氮成本大幅降低，仅为传统技术方 法的1/10。反应式：
NH4++1.32NO2-+0.06HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O (1)，因此厌氧 氨氧化工艺的高效廉价性得到人们广泛的关注。
但是厌氧氨氧化细菌倍增时间长达11天，生长缓慢，严重限制了厌氧氨氧化工艺的工 业化发展，使得这一技术目前基本处于实验室理论研究阶段而工业应用较少。同时受制于该 工艺的中硝氮的生成量，厌氧氨氧化工艺的理论总氮去除率难以达到90%，在高氨氮含量的 背景下，其出水中残留总氮含量较高，出水总氮指标难以符合城镇污水处理厂污染物排放一 级标准(GB18918-2002)。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明涉及一种基于零价铁耦合厌氧氨氧化技术高效处理含氮废 水的方法。
术语说明：
零价铁，也即单质铁，常用零价铁包括铁粉、铁屑、海绵铁、微米级零价铁及纳米级零 价铁。
本发明的技术方案如下：
一种基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法，包括步骤如下：
(1)将污泥投加至升流式厌氧反应器的反应区内，污泥含水率大于等于99wt%，所述 的污泥选自活性污泥、失活厌氧颗粒污泥、失活厌氧氨氧化污泥之一或任意组合;
(2)向已投加污泥的升流式厌氧反应器的反应区内投加零价铁，将其与污泥搅拌混合 均匀，制得混合污泥，所述零价铁的投加量为每克污泥投加零价铁0.5～5g;
(3)从升流式厌氧反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，根据升流式厌氧反应器 的体积调节蠕动泵转速以控制进水流速，使待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间 为24～96小时，通入待处理废水后的污泥浓度为2000～7000mg/L，同时采用加热棒或恒温 循环水浴装置使升流式厌氧反应器内部温度维持在30～35度，并通入氮气以维持厌氧环境， 通入二氧化碳使pH保持在7.1～7.7;
(4)保持升流式厌氧反应器的出水流速与进水流速相同，升流式厌氧反应器运行40～110 天后成功启动污泥厌氧氨氧化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除。
本发明优选的，所述的污泥优选失活厌氧氨氧化污泥。
本发明优选的，所述的活性污泥取自污水处理厂排出的污泥经过滤、筛选、前期培养后 制得，通过过滤、筛选去除污泥中的树叶、废弃纸张、废弃塑料等杂质，然后将污泥投加至 升流式厌氧反应器的反应区内，从升流式厌氧反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，使 待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间为24～96小时，保持升流式厌氧反应器的出 水流速与进水流速相同，去除上浮和膨胀的污泥，升流式厌氧反应器运行3-7天后，收集底 部沉淀污泥即为活性污泥。
本发明优选的，所述失活厌氧颗粒污泥为厌氧反应器生产过剩或废弃的颗粒污泥和/或 出水污泥制得，将厌氧反应器生产过剩或废弃的的颗粒污泥和/或出水污泥收集，以干净且 密闭性好的有机塑料瓶作为保存容器，需要保存的污泥体积与保存容器的容积比为1:2～4， 在常温下密封保存1～2年备用，失活厌氧颗粒污泥颜色为黑色或灰色，颗粒污泥粒径为0.5～3 mm，污泥含水率大于等于98wt%。
本发明优选的，所述失活厌氧氨氧化污泥为厌氧氨氧化反应器生产过剩或废弃的污泥和 /或出水污泥制得，将厌氧氨氧化反应器生产过剩或废弃的颗粒污泥和/或出水污泥收集，以 干净且密闭性好的玻璃瓶作为保存容器，需要保存的污泥体积与保存容器的容积比为1:2～ 4，在3～4℃下密封保存6～8个月备用，失活厌氧氨氧化污泥颜色为棕红色或棕黄色，污 泥含水率大于等于98wt%。
本发明优选的，步骤(2)中零价铁的投加量为每克污泥投加零价铁1～2g。
本发明优选的，步骤(3)中通入待处理废水后的污泥浓度为2500～5000mg/L。
本发明优选的，所述升流式厌氧反应器的导气管和出水管均设有水封，防止外界氧气进 入，每隔4～10小时向升流式厌氧反应器内通氮气10～20分钟维持其厌氧环境，曝气强度为 2～10ml/(L·min);
本发明优选的，所述的零价铁为铁屑、海绵铁、微米级零价铁或纳米级零价铁粉。其中 从处理效果考虑，处理效果最佳优选纳米级零价铁;从处理效果及处理成本综合考虑，优选 铁屑、海绵铁。所述的纳米级零价铁为粒径100-200nm的球形纳米铁，所述的微米级零价铁 为粒径120-150μm的微米级铁粉。
本发明优选的，为了使待处理污水与污泥充分接触，在升流式厌氧反应器的底部设置有 砾石层，砾石层的厚度为3～5cm，砾石的平均直径为2～10mm，进水管铺置在砾石层中。
本发明优选的，升流式厌氧反应器的反应器为立式圆柱形，有效容积为3～150L，反应 器进水流速为0.10～1L/h，待处理污水在升流式厌氧反应器内水力停留时间为30～60小时。
本发明优选的，所述待处理废水养殖废水、冶金废水、石油化工废水含氨氮废水。
本发明的基于零价铁耦合厌氧氨氧化高效处理含氮废水的方法的应用，适用于去除养殖废 水、冶金废水、石油化工废水中的氨氮，尤其适用于氨氮浓度较高且COD浓度较低的废水。
本发明利用所述投加的零价铁的还原作用可以加速厌氧氨氧化的启动，去除反应器内残 存溶解氧，使反应器维持一个较为厌氧的环境;同时零价铁作为厌氧氨氧化菌生长必要的微 量元素，可促进其细胞结构anammoxosome等的形成和部分需铁的细胞结构的形成，从而加 速厌氧氨氧化菌的生长和繁殖;零价铁被氧化生成的二价铁及三价铁也可改善厌氧氨氧化菌 胞外聚合物的分泌，进而增加污泥沉降性，以减少污泥流失，保存生物量，以起到加速启动 的效果。
本发明提高厌氧氨氧化总氮去除率的原理为利用零价铁的还原作用，将厌氧氨氧化反应 中生成的NO3—转化为NH4+，使其再次参与厌氧氨氧化反应与NO2—反应，从而提高NH4+、 NO2—的去除，减少出水总氮中NO3—的含量，以使出水中残余总氮含量达到城镇污水处理厂 污染物排放一级标准(GB18918-2002)。所述NO3—、NH4+转化公式为：
4Fe0+NO3-+10H+→NH4++3H2O+4Fe2+ (2)
2.82Fe0+0.75Fe2++NO3-+2.25H2O→1.19Fe3O4+NH4++0.5OH- (3)
本发明的技术特点及优点：
1)本发明所述的方法可有效缩短厌氧氨氧化工艺的启动时间，并可大幅提高厌氧氨氧 化工艺的总氮去除率：当进水总氮容积负荷在620N mg/L/d左右时，投加纳米级零价铁粉可 使厌氧氨氧化工艺启动时间可缩短33.3%，总氮去除率可提高2～19%，如图1、2、3所示;
2)本发明所述的主要原料零价铁可使用铁屑、海绵铁或微米级零价铁廉价易得，便于 大规模工业化使用;
3)本发明所述的方法反应条件温和，在常温常压下就可以进行，无需特定条件;且生 成物无有毒有害物质，对环境安全无害;
4)本发明一方面利用本发明中的零价铁的生物促进作用，加速厌氧氨氧化工艺的启动; 另一方面利用零价铁的化学还原作用促使生成的硝氮转化成氨氮，生成的氨氮可再次参与厌 氧氨氧化反应，以提高总氮去除率，降低残留总氮含量，以期符合城镇污水处理厂污染物排 放一级标准。