CN106673205B - 一体式自养脱氮***的快速启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一体式自养脱氮***的快速启动方法，属于高氨氮污水处理技术领域。采用序批式SBR反应器，按质量比为1:3～1:1接种短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥，混合后污泥浓度为3000～4000mg/L。采用间歇曝气的运行方式，控制溶解氧为0.3～0.5mg/L，曝气结束时亚硝酸盐氮积累量为20～30mg/L；每个周期间隔设定三个曝气和缺氧阶段；每个周期设进水，曝气/缺氧反应，搅拌脱气，沉淀，出水，闲置六个阶段。启动过程中，控制溶解氧浓度不变，通过阶段增加曝气阶段时间，减少缺氧阶段时间的方法维持亚硝酸盐氮的供耗平衡，并实现脱氮负荷的快速提升。当反应器中初始氨氮浓度达到300mg/L时，通过缩短缺氧阶段时间的方式维持亚硝酸盐氮的供耗平衡。本发明启动速度快，总氮去除负荷高，运行稳定。
Description
技术领域
本发明涉及一种一体式自养脱氮***的快速启动方法，属于高氨氮污水处理技术领域。
技术背景
1994年，Mulder等人在Microbiology Ecology杂志上发表文章称其在反硝化流化床反应器中发现了厌氧条件下氨的氧化反应，并将该过程称为厌氧氨氧化反应。后来研究发现，参与这种反应的微生物为厌氧氨氧化细菌，它是一种自养细菌，能够利用氨氮和亚硝酸盐氮反应生成氮气，从而达到污水脱氮的目的。厌氧氨氧化细菌被发现以后，得到了污水处理工作者的极大关注，以厌氧氨氧化菌为基础的新型脱氮工艺成为近年来研究的热点。相比于传统的硝化/反硝化工艺，厌氧氨氧化工艺可节省60％的曝气量、100％的碳源和90％的污泥产量，极大的节省污水处理厂的运行费用。
由于厌氧氨氮氧化细菌需要以亚硝酸盐氮为电子供体将氨氮转化为氮气，所以必须将污水中一部分氨氮转化为亚硝酸盐氮(短程硝化工艺)，然后再通过厌氧氨盐化菌将氨氮和亚硝酸盐氮同步去除。然而，溶解氧对厌氧氨氧化细菌具有抑制作用，所以早期的厌氧氨氧化工艺将短程硝化和厌氧氨氧化两个过程分开，污水先进入短程硝化反应器，将一半的氨氮转化为亚硝酸盐氮，然后再进入厌氧氨氧化反应器，将氨氮和亚硝酸盐氮转化为氮气去除，称为两段式厌氧氨氧化工艺，比较有代表的为荷兰鹿特丹污水处理厂的SHARON—ANAMMOX工艺。由于两段式厌氧氨氧化工艺存在管理复杂，反应器占地面积大，需要投加碱度调节pH等缺点。于是，一体式厌氧氨氧化工艺成为最近研究的热点。一体式厌氧氨氧化工艺是将短程硝化与厌氧氨氧化结合在一个反应器，通过间歇曝气或者微氧连续曝气的方式，实现短程硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的协同脱氮。
一体式厌氧氨氧化工艺需要在一个反应器中富集短程硝化细菌和厌氧氨氧化细菌。短程硝化细菌世代时间为8小时至数天，相对容易培养，而厌氧氨氧化细菌世代时间为8～11天，生长速度极为缓慢，直接以普通污泥培养厌氧氨氧化污泥的培养时间要100天以上，第一个工程应用的厌氧氨氧化反应器的启动时间长达3.5年，并且厌氧氨氧化菌对溶解氧敏感，较低的溶解氧即可抑制其活性，不接种厌氧氨氧化污泥直接启动CANON反应器很难实现，所以一般启动CANON反应器的做法都是接种短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥。
付昆明等的“陶粒CANON反应器的接种启动与运行”，见环境科学，2014，35(3)，第995-1001页，接种CANON污泥，以陶粒为填料，采用上流式填料滤柱反应器，并用连续曝气方式，启动CANON反应器时间为60d，负荷达到0.79kgN/m3/d。韩晓宇,张树军,常江,甘一萍,阜崴的发明专利CN 105384237 A(2016-03-09)，“一种处理高氨氮废水的自养脱氮一体化装置及启动方法”，通过接种厌氧氨氧化颗粒污泥和短程硝化污泥，采用连续曝气逐步提高曝气量的方式，运行37d，氨氮负荷达到0.47kgN/m3/d。李冬，崔少明，梁瑜海的“溶解氧对序批式全程自养脱氮工艺运行的影响”中国环境科学，2014,34(5)，第1131-1138页，接种CANON污泥，采用连续曝气逐步提高曝气量的方式，运行57d，总氮去除负荷从0.17kgN/m3/d上升到0.41kgN/m3/d。
总之，现有的一体式厌氧氨氧化工艺启动时间很长(57天以上)，限制了该工艺的应用。因此，需要开发一种快速启动一体式厌氧氨氧化工艺的方法。
发明内容
本发明的目的在于针对一体式自养脱氮***启动时间长，总氮去除负荷低，运行不稳定的问题，提供一种一体式自养脱氮***的快速启动方法，该方法适用于低碳氮比高氨氮废水的处理。
为了达到上述目的，本发明基于间歇曝气一体式自养脱氮***的运行方式，通过接种短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥，在限制溶解氧的条件下，通过阶段提高曝气时间，缩短缺氧搅拌时间的方式，实现了SBR反应器中一体式自养脱氮***的快速启动及总氮的高效去除。采用本方法，在27d内总氮去除负荷就达到了0.63kgN/m3/d，大大提高了反应器的启动速率和脱氮负荷。
本发明的具体工艺如下：
第一步，一体式自养脱氮***的建立
在序批式SBR反应器中，先接种污泥，按质量比量取短程硝化污泥:厌氧氨氧化污泥＝1:3～1:1；将它们接种到具有曝气功能的SBR反应器中，使混合后的污泥浓度为3000～4000mgSS/L；
然后，运行反应器，设定每一个周期由进水、曝气/缺氧反应、搅拌脱气、沉淀、排水、闲置六个步骤组成；根据待处理污水氨氮浓度，设定一定的充水比，使反应器内初始氨氮浓度为150±20mg/L；通过投加NaHCO3使反应器中进水碱度(以碳酸钙计)和氨氮(以氮计)浓度比值为5左右；每个周期中的曝气/缺氧反应设定为3个循环，曝气/缺氧交替进行，每一个循环的曝气段，通过调节曝气量控制反应器中的溶解氧为0.3～0.5mg/L，同时进行搅拌，保证良好的混合效果，曝气时间是以曝气段结束后反应器内亚硝酸盐氮积累量为20～30mg/L所需的时间为准；缺氧段，只进行搅拌，缺氧反应时间是将曝气阶段所积累的亚硝酸盐氮被完全消耗所需的时间为准；在最后一个缺氧反应段结束后继续搅拌一个小时，以脱除污泥上附着的气泡，保证污泥具有较好的沉降性能，经过沉淀、排水、闲置后进入下一个周期。
第二步，脱氮负荷的快速提升
监测反应器运行过程中出水的氨氮浓度，在保证出水氨氮浓度为30mg/L的前提下，通过监测反应过程中pH的变化，调整曝气和缺氧反应时间，当缺氧反应过程中pH出现先上升后下降拐点，且拐点出现位置在缺氧反应前半段时，保证曝气/缺氧总时间不变的前提下，增加曝气时间，缩短缺氧时间，使亚硝酸盐氮供耗重新达到平衡。此时，通过提高冲水比提高反应器的初始氨氮浓度，使反应器的脱氮负荷同步提升。通过上述方法，当反应器初始氨氮浓度从150±20mg/L提高到300mg/L时，保持进水氨氮浓度和曝气时间不变，通过缩短缺氧反应时间，使曝气阶段积累的亚硝酸盐氮恰好能在缺氧反应末端消耗完。采用上述方法，在接种时反应器总氮去除负荷为0.3kgN/(m3﹒d)的情况下，30天内反应器总氮去除负荷可达1kgN/(m3﹒d)。
上述保证出水氨氮浓度30mg/L的方法是：当出水氨氮浓度高于50mg/L时，减小进水的充水比，降低氨氮初始浓度，保证出水氨氮浓度30mg/L；当出水氨氮浓度低于10mg/L时，提高充水比，增加氨氮初始浓度，保证出水氨氮浓度30mg/L；
上述调整曝气和缺氧时间使亚硝酸盐氮供耗重新达到平衡的方法是：在曝气反应段内间隔相同时间取4个水样，测定每个水样的氨氮，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度，计算亚硝酸盐氮积累速率；在缺氧反应段内间隔相同时间取6个水样，测定每个水样的氨氮，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度，计算亚硝酸盐氮消耗速率，根据积累速率和消耗速率的比值，确定使曝气反应段积累的亚硝酸盐氮恰好能够在缺氧反应段消耗完所需要的曝气和缺氧时间。
本发明的有益结果：
1.本发明在接种短程硝化污泥和少量厌氧氨氧化污泥的情况下，控制溶解氧在0.3～0.5mg/L，通过梯度增加曝气时间，减少缺氧时间的方式，可以在27天内快速启动一体式自养脱氮***，与现有技术相比，速度加快1倍，总氮去除负荷可达到1kgN/(m3﹒d)。
2.本方法中控制的溶解氧浓度较低，氨氮浓度比较高，可有效地抑制亚硝酸盐氧化细菌的增殖，获得较高的脱氮效率，总氮去除率可达80％以上，特别适用于低碳氮比高氨氮废水的处理。
3.通过本方法培养驯化的污泥，可快速形成内部为厌氧氨氧化菌，外部为短程硝化菌的颗粒结构，抗溶解氧冲击能力强，沉淀效果好。
4.由于本发明启动方式为固定溶解氧浓度，通过逐级提高好氧曝气时间缩短厌氧时间的方式维持亚硝酸盐氮供耗平衡，从而快速的提升总氮去除负荷，而已有技术采用调控溶解氧浓度，初期溶解氧浓度较低，然后逐级提高溶解氧浓度，维持亚硝酸盐氮供耗平衡，相比于现有***，本发明运行更为稳定，启动时间短。
附图说明
图1为本发明的装置示意图
图2为本发明的反应过程中pH和DO的变化曲线图
具体实施方式
第一步，一体式自养脱氮***的建立
1.接种本实验室培养的3.5L短程硝化污泥和3L厌氧氨氧化污泥加入总体积为8L，有效体积为7L的SBR反应器中(见图1)，接种后反应器中污泥浓度为3480mgSS/L。
2.根据所测定的亚硝酸盐氮积累速率和消耗速率，确定SBR反应器运行方式是，每一个周期为：进水20min，反应360min(3个曝气/缺氧段，每段曝气时间30min，缺氧时间90min)，搅拌脱气60min，沉淀30min，出水5min，闲置5min；每天3个周期，每一个周期为8个小时。
上述亚硝酸盐氮积累速率测试：将高氨氮废水加水稀释通入到反应器中使反应器中氨氮浓度为150mg/L左右；控制反应器温度为33±1℃(具体温度可根据进水水质进行控制，本方法主要适用于温度为30～35℃的高氨氮废水)，溶解氧浓度为0.3～0.5mg/L，然后控制曝气量恒定；在2h内，每隔20min取一次水样，测定氨氮和亚硝酸盐氮的浓度，绘制氨氮降解曲线和亚硝酸盐氮生成曲线，计算出氨氮氧化速率和亚硝酸盐氮积累速率。
亚硝酸盐氮消耗速率测试：上述实验完成后，停止曝气，使反应器进入缺氧状态，在3h内每隔30min取一次水样，测定氨氮和亚硝酸盐氮的浓度，绘制氨氮和亚硝酸盐氮的降解曲线，计算氨氮和亚硝酸盐氮的消耗速率。
根据上述所测得的亚硝酸盐氮积累速率和亚硝酸盐氮消耗速率，确定反应器曝气和缺氧时间，使曝气段积累的亚硝酸盐氮刚好能够在缺氧段消耗。同时控制曝气段结束时亚硝酸盐氮积累量为20～30mg/L。每个SBR反应阶段设置3个曝气/缺氧段，最后一个缺氧段结束后继续搅拌一个小时以脱除污泥上附着的气泡，保证污泥具有较好的沉降性能。
3.反应器进水为人工模拟高氨氮废水，第一天启动时进水氨氮浓度为300mg/L，碱度为1500mg/L，每周期进水体积为3L，充水比为0.43，进入反应器后氨氮浓度在150mg/L左右；曝气段曝气量控制在0.54L/min，反应器中溶解氧为0.35mg/L左右；反应器温度通过水浴进行控制，温度为33±1℃；搅拌速度为200r/min。
人工模拟高氨氮废水组成为：NH4Cl 1146mg/L，NaHCO3 2700mg/L，MgSO4·7H2O200mg/L，KH2PO4 30mg/L，CaCl2 226mg/L，微量元素液Ⅰ1.25mL/L，微量元素液Ⅱ1.25mL/L；配水采用自来水进行配制。其中微量元素液Ⅰ组成为：EDTA 5g/L，FeSO4·7H2O 5g/L。微量元素液Ⅱ组成为：EDTA 15mg/L，ZnSO4·7H2O0.43mg/L，CoCl2·6H200.24mg/L，MnCl2·4H2O0.99mg/L，CuSO4·5H2O0.25mg/L，NaMoO4·2H2O0.22mg/L，NiCl·6H2O0.19mg/L，H3BO40.014mg/L，NaSeO4·10H2O0.21mg/L，NaWO4·2H2O 0.05mg/L。
第二步，反应器的运行维护及总氮负荷的快速提升
1.按第一步建立起一体式自养脱氮***后，通过在线pH、DO、氨氮电极对反应器运行状态进行监测。其中氨氮电极用于监测进出水氨氮浓度，保证出水氨氮浓度在30mg/L左右。方法为：当出水氨氮浓度过高时(大于50mg/L)，减小充水比，降低氨氮初始浓度；当出水氨氮浓度过低时(小于10m/L)，提高充水比，增加氨氮初始浓度。DO电极用于监测反应器中的溶解氧浓度，防止过量曝气的产生。溶解氧浓度为0.3～0.5mg/L可认为反应器正常运行，若DO长时间超过0.5mg/L，应结合在线pH、氨氮电极找出原因。主要有以下几种情况：(1)pH在正常范围内，氨氮浓度低于10mg/L；此时应停止曝气，并在下一周期增加进水氨氮浓度。(2)pH浓度很低；此时进水碱度不足，氨氧化菌活性受到抑制，应投加生石灰等提高进水碱度值。(3)pH和氨氮浓度都正常；此时应检查曝气***有无故障，如无故障可能是进水中有毒物质造成氨氧化菌活性受到抑制，应降低曝气量。pH在线电极用于监测反应器中的pH变化，防止pH过高或者过低对污泥活性造成影响，为反应器运行故障的诊断和排除提供参考，同时，根据pH在反应过程中的变化情况，可以确定缺氧段亚硝酸盐氮完全消耗所需要的时间，为反应器负荷的提升做参考。pH正常变化范围为7～8。
2.反应器运行一段时间后(7～14天)，由pH在线电极监测数据可以发现，厌氧段pH呈现先上升后下降的趋势，其拐点可以认为是亚硝酸盐氮完全消耗的点(见图2)。这是由于厌氧氨氧化菌有了一定的增殖，同时内层为厌氧氨氧化菌，外层为氨氧化细菌的颗粒污泥逐步形成，厌氧氨氧化菌对溶解氧的适应能力逐渐增强，并开始在曝气阶段去除一部分的氨氮和亚硝酸盐氮。因此，曝气段积累的亚硝酸盐氮逐渐降低，而缺氧段厌氧氨氧化菌能够消耗的亚硝酸盐氮逐渐增多；这就造成曝气段积累的亚硝酸盐氮与缺氧段可消耗的亚硝酸盐氮出现不平衡，当拐点出现时间在厌氧段的前半段时，需要调整曝气和缺氧时间使其重新达到平衡。具体方法如下：在曝气段间隔相同时间取4个水样，测定氨氮，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度，计算亚硝酸盐氮积累速率；在缺氧段间隔相同时间取6个水样测定氨氮，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度，计算亚硝酸盐氮消耗速率。根据积累速率和消耗速率的比值确定曝气缺氧时间，使曝气段积累的亚硝酸盐氮恰好能够在缺氧段消耗完。此时，需要提高充水比，增加反应器中初始氨氮浓度，以保证出水氨氮浓度在30mg/L左右，防止氨氮浓度不足时溶解氧浓度升高造成亚硝酸盐氧化细菌的增殖。
3.当反应器中初始氨氮浓度增加到300mg/L时，再次增加氨氮浓度会对厌氧氨氧化细菌产生抑制作用。或者受废水氨氮浓度的限制，初始氨氮浓度无法再提升，此时，保持进水氨氮浓度和曝气时间不变，通过缩短缺氧时间的方式使曝气段亚硝酸盐氮积累量和缺氧段消耗量达到平衡，同时缩短水力停留时间(HRT)，增加进水氨氮负荷，使脱氮负荷进一步提高，从而提高总氮去除负荷。按照这种方式运行，反应器总氮去除负荷可快速达到1kgN/(m3﹒d)。
根据反应器进水氨氮浓度和曝气/缺氧时间的不同，反应器运行可分为3个阶段：阶段Ⅰ对应0～7d，每天3个周期，每一个周期为8个小时，周期设定为进水20min，反应360min(3个曝气/缺氧段，每段曝气时间30min，缺氧时间90min)，搅拌脱气60min，沉淀30min，出水5min，闲置5min；阶段Ⅱ对应7～17d，每天3个周期，每一个周期为8个小时，周期设定为进水20min，反应360min(3个曝气/缺氧段，每段曝气时间45min，缺氧时间75min)，搅拌脱气60min，沉淀30min，出水5min，闲置5min；阶段Ⅲ对应17～27d，每天3个周期，每一个周期为8个小时，周期设定为进水20min，反应360min(3个曝气/缺氧段，每段曝气时间60min，缺氧时间60min)，搅拌脱气60min，沉淀30min，出水5min，闲置5min。各阶段反应器运行情况如下:
表1各阶段反应器的运行参数及脱氮负荷
根据以上方式运行，第三阶段反应器出水平均氨氮浓度为30mg/L，氨氮去除率在90％以上；出水硝酸盐氮50mg/L左右，出水总氮80±20mg/L，总氮去除率可达80％以上，总氮去除负荷为0.63kgN/(m3﹒d)，达到反应器设定的目标，反应器启动成功。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，按本发明所述方法启动反应器，总氮去除负荷并不限于上述实施例中的0.63kgN/(m3﹒d)，根据实际污水处理的需要，采用上述方法，总氮负荷可达1kgN/(m3﹒d)。
Claims (1)
1.一体式自养脱氮***的快速启动方法，其特征为：
第一步，一体式自养脱氮***的建立
先按质量比量取短程硝化污泥:厌氧氨氧化污泥＝1:3～1:1；将它们接种到具有曝气功能的序批式SBR反应器中，使混合后的污泥浓度为3000～4000mgSS/L；
然后，设定反应器运行的每一个周期由进水、曝气/缺氧反应、搅拌脱气、沉淀、排水、闲置六个步骤组成；根据待处理污水氨氮浓度，设定充水比，使反应器内初始氨氮浓度为150±20mg/L；再通过投加NaHCO3使反应器中进水碱度/氨氮的比值为5，碱度以CaCO3浓度计，氨氮以氮浓度计；每个周期中的曝气/缺氧反应设定为3个循环，每一个循环的曝气段，通过调节曝气量控制反应器中溶解氧为0.3～0.5mg/L，同时进行搅拌，保证良好的混合效果，曝气时间是以曝气阶段结束后反应器内亚硝酸盐氮积累量为20～30mg/L所需的时间为准；缺氧阶段，只进行搅拌，缺氧反应时间是将曝气阶段所积累的亚硝酸盐氮被完全消耗所需的时间为准；在最后一个循环的缺氧反应段结束后进入搅拌脱气步骤，该步骤是继续搅拌一个小时，以脱除污泥上附着的气泡，保证污泥具有较好的沉降性能，经过沉淀、排水、闲置3个步骤后进入下一个周期；
第二步，脱氮负荷的快速提升
监测反应器运行过程中出水的氨氮浓度，在保证出水氨氮浓度为30mg/L的前提下，通过监测反应过程中pH的变化，调整曝气和缺氧反应时间，当缺氧反应过程中pH出现先上升后下降拐点，且拐点出现位置在缺氧反应前半段时，在保证曝气/缺氧总时间不变的前提下，增加曝气时间，缩短缺氧时间，使亚硝酸盐氮供耗重新达到平衡，此时，通过提高充水比提高反应器的初始氨氮浓度，使反应器的脱氮负荷同步提升，当反应器初始氨氮浓度从150±20mg/L提高到300mg/L时，保持进水氨氮浓度和曝气时间不变，通过缩短缺氧反应时间，使曝气阶段积累的亚硝酸盐氮恰好能在缺氧反应末端消耗完；用上述方法，在第一步接种时反应器总氮去除负荷为0.3kgN/(m3.d)的情况下，30天内反应器总氮去除负荷可达1kgN/(m3.d)；
上述第二步保证出水氨氮浓度30mg/L的方法是：当出水氨氮浓度高于50mg/L时，减小进水的充水比，降低氨氮初始浓度，保证出水氨氮浓度30mg/L；当出水氨氮浓度低于10mg/L时，提高充水比，增加氨氮初始浓度，保证出水氨氮浓度30mg/L；
上述第二步亚硝酸盐氮供耗重新达到平衡的方法是：在曝气反应段内间隔相同时间取4个水样，测定每个水样的氨氮，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度，计算亚硝酸盐氮积累速率；在缺氧反应段内间隔相同时间取6个水样，测定每个水样的氨氮，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度，计算亚硝酸盐氮消耗速率，根据积累速率和消耗速率的比值，确定使曝气反应段积累的亚硝酸盐氮恰好能够在缺氧反应段消耗完所需要的曝气和缺氧时间。
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