一种叶绿素强化低温活性污泥生物反硝化效能的方法

技术领域

本发明属于污水生物处理技术领域，具体来说，涉及一种天然氧化还原介体叶绿素强化低温活性污泥生物反硝化效能的方法。适用于北方冬季低温条件下市政生活污水处理等领域。

背景技术

氮素是水体富营养化的重要指标。此外，硝态氮会对各种生物产生严重影响，特别是水产品和人类健康。活性污泥法是城市污水处理厂生物脱氮的主流工艺，主要包括硝化和反硝化两个阶段，而完成硝化和反硝化两个阶段的微生物分别为硝化细菌和反硝化细菌。在我国东北、西北和华北地区，由于纬度高，冬季时间长，污水温度低，日均温度在15℃以下的时间可持续近半年。大量的研究表明低温对活性污泥的沉降性能、吸附性能、活性污泥中微生物生长发育、种群组成及代谢活性都有着显著影响，最终导致城市污水处理厂的启动和运行困难。有研究表明，在活性污泥系统处理污水过程中，保证微生物正常生长代谢的水温为20-35℃，且随着温度的降低，反硝化细菌似乎比硝化细菌更易受到温度的影响，水温在10℃左右就会严重反硝化细菌的脱氮效果。目前，我国北方气温偏低地区的污水处理厂通常采用人为稀释废水、延长污水停留时间、降低污泥负荷以及升温等措施来保证污水出水达标。这些措施不仅大大提高了污水处理厂的运行成本、而且处理效果也不稳定，甚至有时会发生污泥膨胀。因此，解决低温活性污泥系统反硝化效率低的问题对冬季污水处理厂节能降耗、达标排放具有重要意义。

氧化还原介体(redox mediators，RMs)，也被称为电子穿梭体，是一种可以进行可逆地氧化和还原的有机分子，具有在多种氧化还原反应中充当电子载体的能力，可以使氧化还原反应速率提高一到几个数量级。RMs的投加能够提高生物反硝化的脱氮速率和脱氮效率，提高活性污泥系统的碳源利用率。目前已报道的可催化生物反硝化的RMs包括醌基类化合物、腐殖质类化合物、生物炭、卟啉类化合物和内源类化合物等，而卟啉类化合物因其优良的电子传递特性得到深入研究。卟啉类化合物是一种芳香族化合物，具有18种Π电子和诱人的电子发射/吸收性质，广泛应用于光催化、氧化还原和催化等领域。然而，卟啉类化合物的合成复杂，反应条件苛刻、产率低、产物难以分离等问题，限制了其在环境修复中的应用。叶绿素是一种天然卟啉类化合物、广泛存在于植物体内，具有提取简单、成本低、环境友好等优点。有研究报道了叶绿素对反硝化的正向生物催化作用，叶绿素能够提高硝酸盐还原速率和亚硝酸盐还原速率，并且具有良好的重复利用性。对于低温复杂的活性污泥系统，叶绿素的强化作用鲜有报道。本发明提供了一种天然氧化还原介体叶绿素强化低温活性污泥系统反硝化效能的方法，为解决在现有活性污泥系统冬季低温反硝化效率低、运行成本高的问题提供一定的技术指导。

发明内容

为解决冬季低温活性污泥生物反硝化效率低，运行成本高的问题，本发明提供了一种天然氧化还原介体叶绿素强化低温活性污泥生物反硝化效能的方法。

本发明所提供的技术方案是一种天然氧化还原介体叶绿素强化低温活性污泥生物反硝化效能的方法，该方法利用天然氧化还原介体叶绿素电子传递的作用，加速了电子供体(乙酸钠)的电子向电子受体(硝态氮)的转移，有效地提高了低温活性污泥系统的反硝化速率和总氮去除率，该方法具体包括以下操作步骤：

1)氧化还原介体投加剂量的确定：确定氧化还原介体叶绿素投加剂量为0.02mmol/L-0.10mmol/L；

2)低温活性污泥的基础驯化：活性污泥采集于市政污水处理厂曝气池的活性污泥，低温条件下，采用间歇式运行方式，向反应器中加入活性污泥和硝酸盐废水，用封口达到缺氧条件，置于恒温震荡箱中反应，其中，活性污泥与硝酸盐废水体积为1:1，污泥浓度为4g/L，排水比为50％，低温条件为13～15℃，溶解氧DO≤0.2mg/L，恒温震荡箱转速为110～120rad/min；反应器共运行3个周期，每周期测定反应器进出水中硝态氮、亚硝态氮和总氮浓度，当活性污泥系统硝态氮和总氮降解稳定后，说明污泥体系稳定，即低温驯化完成；

3)低温氧化还原介体的强化驯化：向经基础驯化后的活性污泥系统每周期投加叶绿素氧化还原介体，利用氧化还原介体促进活性污泥系统电子传递的作用，强化低温活性污泥系统的生物反硝化效能，其中氧化还原介体叶绿素投加剂在体系中的浓度为0.02mmol/L-0.10mmol/L，每周期测定反应器进出水中硝态氮、亚硝态氮和总氮浓度，当活性污泥系统硝态氮和总氮降解稳定后，算一个周期；基本上本发明第一个周期就达到稳定的效果，即对应本周期及后续连续3个周期的活性污泥系统硝态氮和总氮降解都稳定一致，说明污泥体系很快强化稳定，即强化驯化速度快，稳定性强。

同时，步骤3)中对反应器第一周期进行全周期取样测定硝态氮和总氮浓度，分析其强化活性污泥系统生物反硝化效能。

步骤2)和步骤3)采用的硝酸盐废水为人工配置，以NaNO

步骤3)，操作条件同步骤2)为：活性污泥与硝酸盐废水体积为1:1，排水比为50％，低温条件为13～15℃，溶解氧DO≤0.2mg/L，恒温震荡箱转速为110～120rad/min。

效能分析：投加叶绿素氧化还原介体强化了低温活性污泥系统生物反硝化效能。经叶绿素氧化还原介体强化驯化后，活性污泥系统反硝化速率由0.58mg N/(h·g MLSS)提高到0.80～3.95mg N/(h·g MLSS)，反硝化速率提高了1.37～3.94倍，总氮去除率由11.72％提高到16.19％～80.38％。且随着叶绿素投加剂量的增加，活性污泥系统的反硝化效能越好。

本发明的有益效果是:通过投加不同剂量的叶绿素氧化还原介体，经低温驯化的活性污泥系统的反硝化效能得到了显著的提高。在低温条件下，进水COD浓度为480～600mg/L，硝态氮浓度为60mg/L，进水碳氮比为8～10的活性污泥系统中，投加叶绿素氧化还原介体能够使活性污泥系统的反硝化速率提高1.37～3.94倍，总氮去除率提高4.47％～60.71％。叶绿素氧化还原介体强化了低温活性污泥系统的反硝化效能，为有效解决冬季低温活性污泥反硝化效率低、运行成本高的问题提供一定的技术指导。与其他改善冬季低温活性污泥系统反硝化效率低的问题的方法相比，该方法具有操作简单、易于实施、管理方便等优点。

附图说明

图1为进水碳氮比为8条件下第一周期的反硝化速率、硝态氮变化、总氮变化和总氮去除率变化曲线；

图2为进水碳氮比为8条件下每周期进出水情况及总氮去除率；

图3为进水碳氮比为10条件下第一周期的反硝化速率、硝态氮变化、总氮变化和总氮去除率变化曲线；

图4为进水碳氮比为10条件下每周期进出水情况及总氮去除率；

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

所用的氧化还原介体为叶绿素，叶绿素的投加剂量分别为0.02mmol/L、0.05mmol/L和0.1mmol/L；所述活性污泥来源于北京市某市政污水处理厂曝气池，污泥浓度为4g/L。

在低温条件下，向四个锥形瓶反应器中均投加75ml活性污泥和75ml硝酸盐废水进行低温活性污泥基础驯化，分别标记为1#、2#、3#和4#，锥形瓶规格为250ml，基础驯化共运行3个周期。其中，硝酸盐废水为人工配置，以NaNO

采用上述方法处理后，如图1所示，在强化驯化的第一周期中，投加剂量为0.02mmol/L、0.05mmol/L和0.1mmol/L的反应器反硝化速率分别达到了0.80、1.72和2.28mgN/(h·g MLSS)，相比对照组的反硝化速率0.58mg N/(h·g MLSS)提高了1.37、2.97和3.94倍，总氮去除率分别达到了16.19％、35.02％和47.06％，相比对照组的总氮去除率11.72％提高了4.47％、23.30％和35.34％。同时，如图2所示，经叶绿素强化驯化的活性污泥系统3个周期内，总氮去除率稳定。

实施例2

所用的氧化还原介体为叶绿素，叶绿素的投加剂量分别为0.02mmol/L、0.05mmol/L和0.1mmol/L；所述活性污泥来源于北京市某市政污水处理厂曝气池，污泥浓度为4g/L。

在低温条件下，向四个锥形瓶反应器中均投加75ml活性污泥和75ml硝酸盐废水进行低温活性污泥基础驯化，分别标记为5#、6#、7#和8#，锥形瓶规格为250ml，基础驯化共运行3个周期。其中，硝酸盐废水为人工配置，以NaNO

采用上述方法处理后，如图1所示，在强化驯化的第一周期中，投加剂量为0.02mmol/L、0.05mmol/L和0.1mmol/L的反应器反硝化速率分别达到了1.60、3.09和3.95mgN/(h·g MLSS)，相比对照组的反硝化速率1.01mg N/(h·g MLSS)提高了1.57、3.04和3.89倍，总氮去除率分别达到了31.43％、60.66％和80.38％，相比对照组的总氮去除率19.67％提高了11.76％、40.99％和60.71％。同时，如图4所示，经叶绿素强化驯化的活性污泥系统3个周期内，总氮去除率稳定。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。