申请日2013.03.27
公开(公告)日2013.07.03
IPC分类号C02F9/14; C02F1/70; C02F1/72
摘要
本发明公开了一种以单质硫为介质实现污泥减量的污水处理工艺，包括：待处理污水流入硫还原反应器进行厌氧生物处理，污水中的有机物通过硫还原过程被去除，产生的负二价硫化物，然后通入到接种有硫氧化菌的硫氧化反应器，负二价硫化物被重新氧化为单质硫，并回流至硫还原反应器。本发明首次将硫还原菌应用于污水处理领域，以期形成多种低产泥的污水处理工艺，实现了污水处理方法的创新;传统厌氧硫酸盐污水处理工艺中的以硫酸盐作为COD矿化过程的电子受体，而本发明的工艺利用单质硫取代了硫酸盐和亚硫酸盐。本发明整个工艺中设备简单，能耗很低，节约了成本。
权利要求书
1.一种以单质硫为介质实现污泥减量的污水处理工艺，包括以下步骤：
1)待处理污水流入硫还原反应器进行厌氧生物处理：硫还原反应器中加入了单质硫作为氧化剂，接种了硫还原菌，污水通入硫还原反应器，使污水与单质硫、硫还原菌充分接触，污水中的有机物在生物作用下被降解、氧化去除，硫还原反应器的出水富含负二价硫化物和溶解态硫化氢;
2)硫还原反应器的出水连续地通入到接种有硫氧化菌的硫氧化反应器，硫氧化反应器的上部出水部分回流至底部进水口，在该反应器中，负二价硫化物和溶解态硫化氢的大部分被氧化为单质硫，单质硫随反应器的出水流出至硫沉淀池;
3)硫氧化反应器的出水输送至硫沉淀池，在其中进行沉淀使单质硫与水分离，分离后的单质硫回流到单质硫还原反应器中循环利用，上清液排放。
2.根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于：硫还原反应器是一个厌氧生物反应器，溶解氧浓度<0.2mg/L。
3.根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于：步骤1)硫还原反应器中的水力停留时间为3～24 h。
4.根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于：步骤2)硫氧化反应器中回流量和进水量回流比为0～10:1。
5.根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于：所述硫氧化反应器是一个好氧生物反应器，通过控制曝气量或者进水速率将氧化还原电位控制-400～-350mV。
6.根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于：单质硫是以固体形式存在的、价态为0的元素硫，其存在的形式包括硫磺颗粒、升华硫、胶体硫、聚硫。
7.根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于：所述硫还原菌是一种化能异养的、能还原硫的微生物，以有机碳或氢气作为电子供体、以单质硫或硫酸盐或亚硫酸盐或硫代硫酸盐作为电子受体，进行生物作用下的氧化还原反应。
8.根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于：除单质硫之外，氧化剂还可包括硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于：硫还原反应器包括填料床生物膜反应器、完全搅拌式膜过滤反应器或序批式生物反应器。
10.根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于：硫氧化反应器包括上升流式好氧反应器、好氧填料床生物膜反应器或完全混合式反应器。
说明书
一种以单质硫为介质实现污泥减量的污水处理工艺
技术领域
本发明属于污水处理领域，涉及一种以单质硫为介质实现污泥减量的污水处理工艺。
背景技术
城市污水处理厂的污泥处理与处置问题已困扰我国污水处理行业多年。随着我国污水处理率的不断提高，剩余污泥的产量逐年攀升，处理处置成本高昂与场地、处理能力不足之间的矛盾渐趋尖锐。要解决此问题，最佳方式是在污水处理过程中实现污泥减量化。
然而，现有的污水生物处理工艺的污泥产率较高(常用的传统活性污泥法的污泥产率高达 0.42kgVSS/kgCOD)。要解决污泥问题，则需要开发新的污水处理工艺或者对现有工艺进行改造，以减少污泥产出。从污泥产出的本质上看，污水好氧生物处理过程中的微生物产率系数高，好氧微生物产率系数一般为 0.67 mgCOD/mgCOD，这意味着污水中去除的有机物大部分转移到污泥中，导致污泥产率居高不下。与之相比，污水厌氧生物处理过程中的微生物产率系数较低，产出的污泥量也较少。但是，常规的厌氧处理过程如厌氧发酵，在反应时间、底物浓度、环境温度等方面条件要求严格，不适用于城市污水处理。另一种污水厌氧处理过程——硫酸盐还原过程的微生物产率也较低，比如硫酸盐还原，自养反硝化和硝化的组合工艺(SANI工艺)。SANI工艺在达到 95%的 COD 去除率的同时，将污泥表观产率控制在 0.02kgVSS/kgCOD，污泥减量效果显著。但是，该工艺只适用于含有高浓度硫酸盐的污水处理，并不适用于国内的一般城市生活污水处理。
SANI 工艺污泥减量的本质是硫酸盐还原生物反应过程产生的能量比好氧过程少。而Abe 的研究表明，单质硫(S0，也称零价硫)可作为电子受体时氧化有机物，产物为负二价硫化物(主要包括S2-、HS-和溶解态H2S)，该反应过程产生的可供生物生长利用的能量比硫酸盐还原过程更少。这意味着，利用单质硫作为电子受体进行污水处理，可能实现更低的污泥产量。
同时溶解态的负二价硫化物可以在有氧状态下被氧化为单质硫。而单质硫的固体形态特征意味着，其可以通过沉淀、膜分离等方法与水体进行有效分离，因此可以再次作为电子受体(氧化剂)循环使用。
由此，我们提出了一种以单质硫作为介质，以低污泥减量产率为目标的污水处理工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以单质硫为介质实现污泥减量的污水处理工艺。旨在将硫循环引入污水处理过程，以硫为氧化-还原反应的电子载体，利用零价硫和负二价硫之间可逆的氧化还原过程去除有机物。通过含硫物质在污水处理过程中的还原、氧化、沉淀、回流，可以实现含硫物质在系统内循环利用。克服了现有技术剩余污泥产量大的问题。
本发明所采用的技术方案为：
本发明工艺主要包括一个硫还原反应器、一个硫反应器和硫沉淀池，污水中的有机物通过硫还原过程被去除，产生的负二价硫化物在硫氧化反应器中被重新氧化为单质硫，并回流至硫还原反应器，实现硫的闭环循环。
一种以单质硫为介质实现污泥减量的污水处理工艺，包括以下步骤：
1) 待处理污水流入硫还原反应器进行厌氧生物处理：硫还原反应器中加入了以单质硫为主要成分的氧化剂，接种了硫还原菌，污水通入硫还原反应器，使污水与单质硫、硫还原菌充分接触，污水中的有机物在生物作用下被降解、氧化去除，硫还原反应器的出水富含负二价硫化物和溶解态硫化氢;
2) 硫还原反应器的出水连续地通入到接种有硫氧化菌的硫氧化反应器，硫氧化反应器的上部出水部分回流至底部进水口，在该反应器中，负二价硫化物和溶解态硫化氢的大部分被氧化为单质硫，单质硫随反应器的出水流出至硫沉淀池;
3) 硫氧化反应器的出水输送至硫沉淀池，在其中进行沉淀使单质硫与水分离，分离后的单质硫回流到单质硫还原反应器中循环利用，上清液排放。
优选的，硫还原反应器是一个厌氧生物反应器，溶解氧浓度<0.2mg/L。
优选的，步骤1)硫还原反应器中的水力停留时间为3～24 h。
优选的，步骤2)硫氧化反应器中的水力停留时间为0.5～6h。
优选的，步骤2)硫氧化反应器中回流量和进水量回流比为0～10:1。
优选的，所述硫氧化反应器是一个好氧生物反应器，通过控制曝气量或者进水速率将氧化还原电位控制-400～-350mV。氧化还原电位(ORP)控制在-400～-350mv，可以实现让硫化物尽可能多地转化为单质硫。
优选的，单质硫是以固体形式存在的、价态为0的元素硫，其存在的形式包括硫磺颗粒、升华硫、胶体硫、聚硫。
优选的，所述硫还原菌是一种化能异养的、能还原硫的微生物，以有机碳或氢气作为电子供体、以单质硫或硫酸盐或亚硫酸盐或硫代硫酸盐作为电子受体，进行生物作用下的氧化还原反应。
优选的，除单质硫之外，氧化剂还可包括硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐中的一种或多种。
优选的，硫还原反应器可以是填料床生物膜反应器、完全搅拌式膜过滤反应器或序批式生物反应器。
优选的，硫氧化反应器可以是上升流式好氧反应器、好氧填料层生物膜反应器或完全混合式反应器。
优选的，硫氧化反应器中的硫氧化菌通过硫氧化菌富集培养液进行扩大培养。
本发明的原理包括以下内容：
1、单质硫的还原作用：
单质硫与有机质的氧化还原反应。在硫还原反应过程中单质硫可作为有机质降解过程中的电子受体，此过程中单质硫在还原的同时有机质则被氧化为CO2和H2O。单质硫存在的形式包括硫磺颗粒、升华硫，胶体硫、聚硫等之类。能够高效地实现这一类反应的硫还原反应器可以为硫磺填料床生物膜反应器、完全搅拌式膜过滤反应器或序批式生物反应器(SBR)。
单质硫还原的方程式如下：
(CHO)n + S0 +H2O → HS- + CO2 +HCO3- (1)
2、硫化物的氧化作用
经过单质硫还原之后，出水中含有大量的硫化物，在硫氧化菌的催化作用下，与氧气结合发生反应生成颗粒态的单质硫或者硫酸盐，见方程式(2)、(3)。分离到的单质硫回流至硫还原反应器达到硫循环利用的目的。常见的具有高效地催化效率的硫氧化菌有多种，主要为无色硫细菌。目前已报道过能实现这一高效氧化和分离的反应器可以为上升流式好氧反应器、好氧填料层生物膜反应器或完全混合式反应器(CSTR)。通过ORP控制，硫氧化反应器中以方程式(2)为主。
2HS- + O2 + 2H+ → 2 S↓ + 2H2O (2)
HS- + 2O2 +OH- → SO42- + H2O (3)
本发明的工艺流程设计包括硫还原—硫氧化、硫氧化—硫还原两种反应，见图1。本发明工艺将硫循环引入污水处理过程，以硫为氧化-还原反应的电子载体，利用零价硫和负二价硫之间可逆的氧化还原过程去除有机物。
本发明的有益效果是：
此外在单质硫还原产生的剩余污泥量很少，有望成为一种普适性的低产泥污水处理工艺。
本发明通过单质硫在还原和氧化过程中的价态变化和相变，实现S内部闭环循环，从而使污水处理工艺基本摆脱对外部S源的依赖性。
本发明首次将硫还原菌应用于污水处理领域，以期形成多种低产泥的污水处理工艺，实现了污水处理方法的创新。
传统厌氧硫酸盐污水处理工艺中的以硫酸盐作为COD矿化过程的电子受体，而本发明的工艺利用单质硫取代了硫酸盐和亚硫酸盐。
本发明整个工艺中设备简单，能耗很低，节约了成本。