CN105540844B

CN105540844B - 一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法

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Publication number: CN105540844B
Application number: CN201510981228.8A
Authority: CN
Inventors: 石先阳; 陶先超; 产丹丹; 汪博伟
Original assignee: Anhui University
Current assignee: Anhui University
Priority date: 2015-12-22
Filing date: 2015-12-22
Publication date: 2019-03-05
Anticipated expiration: 2035-12-22
Also published as: CN105540844A

Abstract

本发明公开了一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法，步骤包括：在MSBR的生物膜形成过程中，增加反硝化聚磷菌富集期，所述反硝化聚磷菌富集期的MSBR运行周期中，并在缺氧阶段开始时添加硝态氮。本发明的基于MSBR的污水同步脱氮除磷方法可在单一反应器MSBR中富集硝化菌和反硝化聚磷菌，形成同步硝化反硝化除磷(SNDPR)反应体系，使一份碳源用于反硝化和除磷两个过程，尤其对低碳/氮污水的同步脱氮除磷效果更佳，有利于提高污水氮磷去除效果和***稳定性；该方法操作灵活、构造简单、抗冲击负荷强，且不需要反冲洗，维护费用低，确保MSBR反应***更稳定。

Description

一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法

技术领域

本发明涉及的是一种污水处理方法，尤其涉及的是一种基于MSBR的污水同步脱氮除磷方法。

背景技术

市政污水、生活污水和部分工业废水中存在较多的有机物及氮、磷等营养物质。含氮、磷废水的排放可引起水体富营养化，造成严重危害。相对于物理、化学等方法，生物法脱氮除磷具有高效、经济等优点。硝化菌和反硝化聚磷菌普遍存在于污水生物处理***中，分别在氮和磷的去除过程中起着重要作用。但污水中碳源比例较低、多种微生物竞争制约着传统生物脱氮除磷工艺效能的提升。

以悬浮填料上生长生物膜替代传统序批式反应器(SBR)中的活性污泥，形成移动床序批式反应器(Moving-bed Sequence Batch Reactor，MSBR)。该反应器序批式运行，每个周期设置进水、反应、沉淀、出水、闲置阶段。污水进入反应器后，在反应阶段，与悬浮填料充分混合，悬浮填料上生长有生物膜，因溶解氧传质作用，在生物膜中形成好氧区、缺氧区、厌氧区，不同环境区域生长有不同功能的微生物，进行不同的生物反应。反应结束后经短暂沉淀，处理后的水被排出反应器，而悬浮填料及其上生物膜被截留在反应器内。经一段时间闲置，反应器重新进水进入下个运行周期。

污水中的氮主要以氨氮和蛋白质、尿素、胺类等有机氮形式存在，其中有机氮被异养菌通过氨化作用转化为氨氮。氨氮在好氧条件下被硝化菌(亚硝酸菌和硝酸菌)转化为亚硝酸盐和硝酸盐。在缺氧条件下，亚硝酸盐和硝酸盐作为电子受体，被反硝化菌还原为氮气，达到脱氮的目的。生物膜等***因溶解氧梯度能够同时提供硝化菌和反硝化菌生长的环境，使硝化作用和反硝化作用在单一反应器中同时发生，即同步硝化反硝化。

MSBR作为一种生物膜***，可实现在单一反应器中进行同步脱氮除磷，这种同步脱氮除磷方法一般以厌氧好氧缺氧方式运行，在生物膜外部同时生长着硝化菌和聚磷菌，生物膜内部为反硝化菌。但是，硝化菌与聚磷菌好氧时彼此竞争电子受体，影响硝化和聚磷效果；同时厌氧期聚磷菌消耗大部分有机物，使反硝化阶段缺乏可利用碳源，导致总氮去除率降低。而我国南方等生活污水碳氮比普遍较低，尤其加剧了这一影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法，以解决传统MSBR中硝化菌与聚磷菌好氧时彼此竞争电子受体，影响硝化和聚磷效果，以及总氮去除率低等技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法，所述MSBR序批式周期运行，每个运行周期包括进水、反应、排水和闲置阶段，所述方法的步骤包括：在MSBR的生物膜形成过程中，增加反硝化聚磷菌富集期，所述反硝化聚磷菌富集期的MSBR运行周期中，反应阶段的运行方式为厌氧-缺氧-好氧，并在缺氧阶段开始时添加硝态氮，使聚磷菌在好氧之前以反硝化聚磷方式完成聚磷反应，富集聚磷菌中的反硝化聚磷菌，最后好氧进行硝化反应。

所述反硝化聚磷菌富集期的时间为MSBR运行的第30-56天。

所述硝态氮的添加浓度为30mg/L。

所述MSBR运行周期为480min，其中：进水15min、厌氧120min、好氧240min、缺氧60min、排水5min、闲置40min。

所述厌氧和缺氧阶段辅助机械搅拌，所述机械搅拌的速率为110r/min。

所述好氧阶段的曝气率为1L/min。

本发明的原理为：本发明在MSBR生物膜形成过程中增加一段时间的厌氧-缺氧-好氧运行过程，通过工艺的优化富集反硝化聚磷菌以替代生物膜同步硝化反硝化过程中的普通反硝化菌，在单一反应器中同时富集硝化菌和反硝化聚磷菌，利用反硝化聚磷菌同步脱氮除磷可使硝酸盐还原和聚磷合成过程融为一体，只消耗相当于单独生物脱氮或除磷所需有机物量，即可达到氮和磷的同步去除，为解决有机物不足导致的脱氮除磷效率低下提供了一条新的思路。该方法不但可提高碳/氮和碳/磷低时氮、磷的去除效率，亦可缩短工艺流程、减少构筑物。此外利用还原的硝酸盐代替氧气作为吸收磷酸盐的电子受体，节省了曝气量，可降低能耗。反硝化过程和除磷过程由一类菌完成，可减少污泥产量。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法，该方法在单一反应器MSBR中富集硝化菌和反硝化聚磷菌，形成同步硝化反硝化除磷(SNDPR)反应体系，使一份碳源用于反硝化和除磷两个过程，尤其对低碳/氮污水的同步脱氮除磷效果更佳，有利于提高污水氮磷去除效果和***稳定性。同步硝化反硝化除磷反应体系能够防止亚硝酸盐和硝酸盐积累，消除其对生物除磷的干扰，也可调节单独硝化或反硝化时的pH波动，确保MSBR反应***更稳定。另外，该方法操作灵活、构造简单、抗冲击负荷强，且不需要反冲洗，维护费用低。

附图说明

图1为典型周期内NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、NO₃ ^--N变化趋势(A：第27天，B：第117天)；

图2为典型周期内VFA和TP变化趋势(A：第27天，B：第117天)；

图3为反硝化除磷菌比例测定结果；

图4为COD、NH₄ ⁺-N、TN、TP的去除率结果。

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

一、实验步骤

(1)接种废水：

污泥取自合肥望塘污水处理厂氧化沟，经驯化接种于MSBR反应器中，MLSS控制为1g/L。进水采用合成废水，并按照第Ⅰ-Ⅲ不同阶段，逐渐增加进水负荷，各阶段接种的水质成分见表1，用1mol/L的HCl和固体碳酸氢钠调节pH至7.0左右。

表1：合成废水水质

(2)第Ⅰ阶段：生物膜初步形成期(第0-29天)：

该时期以MSBR典型周期运行，即在运行周期中，反应阶段的运行方式为厌氧-好氧-缺氧，以在生物膜中富集硝化菌和聚磷菌；

(3)第Ⅱ阶段：反硝化聚磷菌富集期(第30-56天)

该时期的MSBR运行周期中，反应阶段的运行方式为厌氧-缺氧-好氧，并在缺氧阶段开始时添加硝态氮，所述硝态氮的添加浓度为30mg/L，使聚磷菌在好氧之前以反硝化聚磷方式完成聚磷反应，富集聚磷菌中的反硝化聚磷菌，最后好氧进行硝化反应；

(4)第Ⅲ阶段：生物膜成熟期(第57-140天)：

该时期以MSBR典型周期运行，即在运行周期中，反应阶段的运行方式恢复为厌氧-好氧-缺氧，使硝化反应产生的硝酸盐作为电子受体，供反硝化聚磷菌进行吸磷反应，强化生物膜同步硝化反硝化除磷作用。

以上三个时期中，MSBR运行周期均为480min，其中：进水15min、厌氧120min、好氧240min、缺氧60min、排水5min、闲置40min；同时，在厌氧和缺氧阶段辅助机械搅拌，所述机械搅拌的速率为110r/min，好氧阶段的曝气率为1L/min。

二、结果检测

(1)硝化菌和聚磷菌活性检测

硝化菌、聚磷菌的活性分别用硝化速率、厌氧释磷速率、摄磷速率表示。生物膜硝化速率为单位浓度污泥、单位需氧时间内NH₄ ⁺-N浓度之差，厌氧释磷速率为单位浓度污泥、单位厌氧时间内TP浓度变化，摄磷速率为单位浓度污泥、单位需氧时间内TP浓度变化。同步硝化反硝化率根据公式计算：

式中：为出水中剩余的硝态氮浓度，为反应中被氧化的氨氮浓度。

分别于第27(挂膜期)、117(生物膜成熟期)天取样分析MSBR运行典型周期内VFA、NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、NO₃ ^--N和TP变化趋势及功能菌群活性。进水有机物由乙酸钠和丙酸钠组成，VFA表示废水中有机物含量。

由图1可知，NH₄ ⁺-N浓度在厌氧阶段基本保持不变，好氧后，开始快速氧化。挂膜间生物膜较薄易于溶解氧传递，且无聚磷菌等细菌与硝化细菌竞争氧气的利用，使得挂膜期间平均硝化速率(2.56mg/(h·g MLSS))大于生物膜成熟期(2.37mg/(h·g MLSS))，但生物膜成熟期NH₄ ⁺-N去除率高于挂膜期。

随生物膜成熟，好氧阶段反应器中NO₃ ^--N累积降低了75％(从8.22mg/L到2.04mg/L)，根据公式计算得挂膜期、生物膜成熟期的同步硝化反硝化率分别为42.4％和89.7％。

图2显示了典型周期内VFA和TP变化。相对于挂膜期典型周期内TP浓度稳定不变，生物膜成熟后典型周期中出现厌氧释磷好氧摄磷现象，PAOs表现出较好的除磷能力。根据理论计算，除磷***中厌氧段释放1mol P需吸收2mol有机碳，即0.52mg P/mg VFA(以CH₃COOH计)。挂膜间，厌氧段无明显释磷现象，VFA平均吸收速率为17.99mg/(h·g MLSS)，生物膜成熟后厌氧段释磷速率5.68mg/(h·g MLSS)，VFA平均吸收速率为19.70mg/(h·gMLSS)，比值为0.29mg P/mg VFA。这表明挂膜期间VFA不用于合成PHAs，生物膜成熟后55.8％的VFA用于合成PHAs。

(2)成熟生物膜中硝化菌和聚磷菌的比例

利用FISH技术分析成熟生物膜中各菌种比例，结果发现生物膜硝化菌中AOB、NOB占总菌比例分别为40.45±10.89％和5.74±1.27％，其中AOB占优势，而NOB优势不明显。AOB的大量存在，表明生物膜对NH₄ ⁺-N有较高去除能力。在AOB较多而NOB较少的情况下，***内无NO₂ ^--N积累，推测有短程硝化反硝化反应的存在。这解释了在好氧段碳源不足情况下，生物膜同步硝化反硝化率依然处于较高水平的现象。

生物膜中聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)占总菌比例分别为4.10±0.85％和26.00±6.25％。相对丰富的GAOs在厌氧段与PAOs竞争碳源，使得生物膜除磷功能不稳定，同时亦表明释磷量/VFA吸收量小于理论值。较高含量GAOs存在，充分保证了MSBR好氧段在无外碳源时的反硝化水平。PAOs含量低于文献报道的占总菌4-22％，但92.3％的PAOs为反硝化聚磷菌。这是因为生物膜表面聚磷菌与硝化菌竞争不占优势，仅在生物膜内部生长有反硝化聚磷菌，导致生物膜中PAOs含量较低。

(3)聚磷菌中反硝化聚磷菌比例

缺氧和好氧状态下最大摄磷速率比值即为反硝化聚磷菌占聚磷菌比例。成熟期生物膜最大释磷速率、最大好氧摄磷速率和最大缺氧摄磷速率的测定结果如图3示。经线性拟合，厌氧段最大释磷速率为268mg/(h·g MLSS)，最大好氧摄磷速率为13mg/(h·g MLSS)，最大缺氧摄磷速率为12mg/(h·g MLSS)，生物膜中反硝化聚磷菌占聚磷菌比例为92.3％。

(4)脱氮除磷效果检测

MSBR脱氮除磷效果见图4。在第Ⅰ阶段(0-29天)生物膜初步形成。挂膜初期，因污泥的排出而生物膜又未形成，COD、NH₄ ⁺-N和TP去除率处于较低水平。COD去除率最低为26.2％，随生物膜生长，其去除率逐步提高，至第26天时为51.3％。挂膜10天内，NH₄ ⁺-N去除率最大为48.4％。第10天以后，生物膜快速生长及AOB含量增高使NH₄ ⁺-N平均去除率达90.2％。此阶段，反应器中TP平均去除率仅为10.1％，这表明PAOs处于适应阶段而不能有效除磷，或需一段时间累积聚羟基烷酸酯(PHAs)和聚磷，未能立刻表现出除磷能力。

第Ⅱ阶段(30-56d)，为富集反硝化聚磷菌，反应器运行方式调整为厌氧-缺氧-好氧。结果显示，COD平均去除率从第Ⅰ阶段的48.8％升至73.3％，NH₄ ⁺-N去除率在84.6-100％之间波动。此阶段TP平均去除率为12.3％，具有反硝化能力的聚磷菌得到富集，其他聚磷菌逐渐被淘汰，反应器总体除磷效果增加不显著。

第Ⅲ阶段(57-140d)，反应器运行恢复为厌氧-好氧-缺氧，生物膜进入成熟期。出水COD平均浓度为24.7mg/L，去除效果稳定。NH₄ ⁺-N保持良好去除性能，出水浓度始终低于0.5mg/L，去除率高于98.75％。此时，出水NO₂ ^--N、NO₃ ^--N平均浓度分别为1.20mg/L、4.93mg/L，TN去除率达81.9％。反应器除磷效果也明显提升，TP最大去除率为97.7％，平均去除率为72.7％。

当进水COD为300mg/L，NH₄ ⁺-N为40mg/L，TP为8mg/L，MSBR能实现同步脱氮除磷，好氧阶段SND率达89.7％，COD、TN、TP去除率分别为91.1％、81.9％、72.7％。成熟生物膜中AOB、NOB、PAOs、GAOs占总菌比例分别为40.45±10.89％、5.74±1.27％、4.10±0.85％、26.00±6.25％。反硝化聚磷菌占聚磷菌比例为92.3％，说明在MSBR单一反应器中成功富集了硝化菌和反硝化聚磷菌，并实现了良好的同步脱氮除磷效果。

Claims

1.一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法，所述移动床序批式反应器简称MSBR，所述MSBR序批式周期运行，每个运行周期包括进水、反应、排水和闲置阶段，其特征在于，所述方法的步骤包括：

第Ⅰ阶段：生物膜初步形成期

第Ⅱ阶段：反硝化聚磷菌富集期

该时期的MSBR运行周期中，反应阶段的运行方式为厌氧-缺氧-好氧，并在缺氧阶段开始时添加硝态氮，使聚磷菌在好氧之前以反硝化聚磷方式完成聚磷反应，富集聚磷菌中的反硝化聚磷菌，最后好氧进行硝化反应；

第Ⅲ阶段：生物膜成熟期

2.根据权利要求1所述的一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法，其特征在于，所述反硝化聚磷菌富集期的时间为MSBR运行的第30-56天。

3.根据权利要求1所述的一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法，其特征在于，所述硝态氮的添加浓度为30mg/L。

4.根据权利要求1所述的一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法，其特征在于，所述MSBR运行周期为480min，其中：进水15min、厌氧120min、好氧240min、缺氧60min、排水5min、闲置40min。

5.根据权利要求1所述的一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法，其特征在于，所述厌氧和缺氧阶段辅助机械搅拌，所述机械搅拌的速率为110r/min。

6.根据权利要求1所述的一种基于移动床序批式反应器的污水同步脱氮除磷方法，其特征在于，所述好氧阶段的曝气率为1L/min。