CN108862576B - 一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化方法，构建上流式短程硝化反应器和短程反硝化反应器，以模拟废水为营养源及处理对象，通过驯化沉淀优化富集短程硝化污泥和短程反硝化污泥，并以两者混合污泥为种泥，以内循环连续进水模式或连续流运行模式启动同步短程硝化反硝化反应器，加入螯合态或游离态铁离子强化短程硝化反硝化污泥活性。本发明的优点在于连续流运行条件下采用模拟废水预培养接种污泥能够快速启动同步短程硝化反硝化工艺；铁离子能有效增加活性污泥的沉降性能，强化氨氧化菌和短程反硝化菌等功能菌的富集，维持***运行稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及生物脱氮技术领域，尤其是涉及一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化方法。
技术背景
2015年我国氨氮排放量达到229.9万吨，各类水体均受到不同程度的氮素污染，氮素污染现状堪忧.寻求高效、经济的脱氮技术已成为环境工作者努力的方向。新型生物脱氮工艺因为其经济高效的特点已成为时下研究与应用的热点。短程硝化反硝化工艺是一种新型生物脱氮技术，具有脱氮性能高和运行成本低等特点。该工艺简化了硝化反应过程，将氨氮转化控制在亚硝氮而非硝氮阶段，再实现反硝化。它在理念和技术上突破了传统硝化反硝化框架，可以节省25%的需氧量和约40%的有机碳源，使水力停留时间(HRT)减少一半左右，明显提高了生物脱氮速率。
同步短程硝化反硝化工艺需要严格控制***菌群结构和活性，抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的生长及活性，并有效富集氨氧化菌（AOB）和短程反硝化菌并强化其活性，以实现短程硝化反硝化***的持续稳定运行。然而，同步短程硝化反硝化工艺的运行性能受到多种因素的影响，尤其是功能菌群的富集和控制较为困难。一方面，AOB和NOB的生态位具有很大的重叠，需严格控制运行条件以实现AOB的高浓度积累并使得NOB被自然淘汰，从而维持稳定的NO2 --N积累；另一方面，反硝化菌属于厌氧/缺氧异养菌与好氧自养菌AOB的生态位差异十分显著。在现有的同步短程硝化反硝化工艺中，常面临着***启动时间长，运行性能不稳定的缺点。加快同步短程硝化反硝化工艺功能微生物的富集并提高其活性，能够有效加快***的启动速度，提高对高氨氮废水的处理性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化方法，本发明综合采用运行条件优化、污泥驯化及功能菌活性强化等措施，加快污泥沉降与功能微生物富集，加快同步硝化反硝化工艺的启动，并强化其运行能力。
本发明针对背景技术中提到的问题，采取的技术方案为：
一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化方法，包括以下步骤：
步骤一：构建上流式短程硝化反应器和短程反硝化反应器，以模拟废水为营养源及处理对象，通过工艺条件优化富集短程硝化污泥和短程反硝化污泥，并以两者混合污泥为种泥；
步骤二：以内循环连续进水模式或连续流运行模式启动同步短程硝化反硝化反应器，加入二/三价铁离子强化短程硝化反硝化污泥活性；短程硝化反硝化脱氮工艺能够减少约25%的需氧量和40%的有机碳源，在降低污水处理运行能耗的同时，使低碳氮比废水高效率脱氮成为可能，可以缩短水力停留时间，减小了反应器有效容积和占地面积，降低处理费用和基建投资，同时还可以减少产泥26-50%，节省了污水处理中的污泥处理费用，减少了碱的投加量，运行管理更加简单。
构建并独立运行的上流式短程硝化反应器和短程反硝化反应器，两反应器种泥为城市污水处理厂二沉池活性污泥，污泥经过3～24h初步沉淀去除上清液，污泥体积指数（SVI）和混合液悬浮固体浓度（MLSS）分别为50～80mL/g和8.0～24.0g/L；在污泥沉淀时对其进行驯化不仅避免了沉降过程中可能出现的分层与体积增大，还可以对污泥中的部分油类物质如环己烷等进行有效的降解，提高了污泥的有效组分与活性。
作为优选，污泥初步沉淀之前，在污泥中加入质量比0.05～0.50%混凝剂聚合氯化铝且铝离子浓度不超过10.0mg/L，低浓度铝离子能强化微生物活性且其混凝效果有利于泥水适度分离。优选的添加填充率0.5%～3.0%的组合填料能够通过吸附作用优化污泥在污泥***中的持留能力，并提供生境多样性，有利于功能菌群的富集。
作为优选，在连续流运行条件下采用上流式短程硝化反应器培养短程硝化污泥，初始水力停留时间（HRT）为12～24h，进水氮源和无机碳源分别为NH4 +-N和NaHCO3，其浓度分别为42～84mg/L和360～720mg/L，对应氨氮负荷（ALR）为0.084～0.168kg/L/d，反应器溶解氧(DO)浓度为0.5～1.5mg/L。
作为优选，在连续流运行条件下采用短程反硝化反应器进水氮源和有机碳源分别为NO2 --N和C6H12O6，其浓度分别为42～84mg/L和210～420mg/L，对应亚硝氮负荷（NLR）和有机碳负荷（CLR）分别为0.084～0.168kg/L/d和0.42～0.84kg/L/d，反应器溶解氧(DO)浓度为0.01-0.5mg/L。
作为优选，上流式短程硝化反应器和短程反硝化反应器运行30～60d后，取出反应器污泥以0.8～1.2:1（v:v）混合均匀，并将其作为接种污泥，启动运行同步短程硝化反硝化反应器，污泥经过0.5～3h初步沉淀去除上清液，SVI和MLSS分别为80～130mL/g和8.0～12.0g/L；同步短程硝化反硝化反应器进水氮源、有机碳源和无机碳源分别为NH4 +-N、C6H12O6和NaHCO3，反应器DO浓度为0.5～3.3mg/L，优化DO浓度为2.0～3.3mg/L。
作为优选，短程硝化反应器、短程反硝化反应器和同步短程硝化反硝化反应器进水为模拟废水，其成分除氮源和碳源外，还包括磷、钙、锌、钴、锰、铜、钼、镍、硼和镁元素，浓度水平为0.01～0.03mmol/L。
作为优选，同步短程硝化反硝化反应器以内循环连续进水模式或连续流运行模式启动，前10d的HRT为12～24h，采用内循环连续进水模式启动反应器时每0.5～3d更换一次循环水，更换循环水2～7次。
作为优选，同步短程硝化反硝化反应器运行过程中，在模拟废水中添加二价或三价铁离子，铁离子为螯合态或游离态，浓度范围为2.0～12.3mg/L；模拟废水中添加二价或三价铁离子能有效增加活性污泥的沉降性能，强化氨氧化菌和短程反硝化菌等功能菌的富集，加快短程硝化反硝化一体化工艺启动，强化***运行性能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1）连续流运行条件下采用模拟废水预培养接种污泥能够快速启动同步短程硝化反硝化工艺，二/三价铁离子能有效增加活性污泥的沉降性能，强化氨氧化菌和短程反硝化菌等功能菌的富集，维持***运行稳定性；
2）污泥初步沉淀之前，在污泥中加入混凝剂聚合氯化铝或组合填料有利***对污泥的截留，有利于功能菌的富集；
3）对污泥进行驯化后，部分油类物质如环己烷等含量的降低可以避免油类物质对活性污泥絮体进行包覆，相对提高絮体之间的聚集作用，使其迅速发挥沉降作用而沉降至污泥底层，防止污泥体积增大与分层，使污泥有效组分得以高效率聚集。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明方案作进一步说明：
实施例1：
采用有效体积为2.0L的上流式反应器，接种污水处理厂二沉池活性污泥构建连续流短程硝化反应器和短程反硝化反应器。污泥经过12h初步沉淀去除上清液，两反应器接种污水处理厂二沉池活性污泥2.0L，污泥SVI和MLSS分别为130.1mL/g和6.2g/L。对污水处理厂二沉池活性污仅仅通过物理沉淀后，其SVI达到了130.1mL/g，说明污泥膨胀严重，不易沉淀，影响对污水的处理效果。加入质量比0.05～0.50%混凝剂聚合氯化铝，铝离子浓度不大于10mg/L，污泥沉淀性能加强，有较强的泥水分离效果；添加填充率0.5%～3.0%的组合填料吸附优化污泥在污泥***中的持留能力，同样增强了泥水分离效果，并能够形成生物膜、活性污泥混合***，提供生境多样性，有利于功能菌群的富集。
实施例2：
采用有效体积为2.0L的上流式反应器，接种污水处理厂二沉池活性污泥构建连续流短程硝化反应器和短程反硝化反应器。污泥经过12h初步沉淀去除上清液，两反应器接种污水处理厂二沉池活性污泥2.0L，污泥SVI和MLSS分别为60.1mL/g和16.3g/L。污泥沉降效果较好，膨胀现象较小，其对污水的处理效果较好，活性污泥沉降性能的改善有利于强化氨氧化菌和短程反硝化菌等功能菌的富集，维持***运行稳定性。
在连续流运行条件下采用上流式短程硝化反应器培养短程硝化污泥，初始水力停留时间（HRT）为12h。短程硝化反应器进水NH4 +-N和NaHCO3-C浓度分别为42～84mg/L和360～720mg/L，对应氨氮负荷（ALR）为0.084～0.168kg/L/d，反应器溶解氧(DO)浓度为0.5～1.5mg/L。短程反硝化反应器进水氮源和有机碳源分别为NO2 --N和C6H12O6，其浓度分别为42～84mg/L和210～420mg/L，对应亚硝氮负荷（NLR）和有机碳负荷（CLR）分别为0.084～0.168kg/L/d和0.42～0.84kg/L/d，反应器DO浓度小于0.5mg/L。
运行43d后，上流式短程硝化反应器污泥SVI和MLSS分别为77.5mL/g和11.3g/L，短程反硝化反应器污泥的对应值分别为70.4mL/g和13.1g/L，取出两反应器污泥以1:1（v:v）混合均匀，并将其作为接种污泥启动运行同步短程硝化反硝化反应器，污泥经过0.5h初步沉淀去除上清液，SVI和MLSS分别为120mL/g和8.1g/L；同步短程硝化反硝化反应器进水氮源、有机碳源和无机碳源分别为NH4 +-N、C6H12O6和NaHCO3，初始浓度分别为为56mg/L、280mg/L和240mg/L，同步短程硝化反硝化反应器连续流运行模式启动，前10d的HRT为12h。各反应器模拟废水添加磷、钙、锌、钴、锰、铜、钼、镍、硼和镁元素，分别以KH2PO4、CaCl2、ZnSO4·7H2O、CoCl2·6H2O、MnCl2·4H2O、CuSO4·5H2O、NaMoO4·2H2O、NiCl2·6H2O、H3BO3和MgSO4·7H2O提供，浓度水平为0.01～0.03mmol/L。
优化的，各反应器模拟废水中额外加入质量比0.05～0.50%混凝剂聚合氯化铝，铝离子浓度不大于10mg/L，污泥沉淀性能加强，有较强的泥水分离效果；添加填充率0.5%～3.0%的组合填料吸附优化污泥在污泥***中的持留能力，强化氨氧化菌和短程反硝化菌等功能菌的富集，实现短程硝化反硝化***的持续稳定运行与强化。
同步短程硝化反硝化反应器运行过程中，在模拟废水中添加螯合态二价铁离子，以EDTA二钠盐螯合，二价铁离子浓度为2.3mg/L。试验结果表明，当溶解氧为2.0～3.3mg/L时氨氮和CODCr平均去除率达到94.9%和77.2%，重铬酸盐指数（CODCr）和全氮（TN）平均去除速率分别为1132.0mg/L/d和154.4mg/L/d，当DO降低到0.5～1.5mg/L时氨氮去除率降低至68.3%。
实施例3：
连续流短程硝化反应器和短程反硝化反应器运行条件如实施例2所示，其混合污泥，接种污水处理厂二沉池活性污泥构建连续流短程硝化反应器和短程反硝化反应器。污泥经过24h初步沉淀并去除上清液，两反应器接种污水处理厂二沉池活性污泥2.0L，污泥SVI和MLSS分别为60.1mL/g和16.3g/L。在连续流运行条件下采用上流式短程硝化反应器培养短程硝化污泥，初始水力停留时间（HRT）为24h短程硝化反应器进水NH4 +-N和NaHCO3-C浓度分别为42～84mg/L和360～720mg/L，对应氨氮负荷（ALR）为0.084～0.168kg/L/d，反应器溶解氧(DO)浓度为1.0mg/L。短程反硝化反应器进水氮源和有机碳源分别为NO2 --N和C6H12O6，其浓度分别为42～84mg/L和210～420mg/L，对应亚硝氮负荷（NLR）和有机碳负荷（CLR）分别为0.084～0.168kg/L/d和0.42～0.84kg/L/d，反应器DO浓度小于0.5mg/L。
运行43d后，上流式短程硝化反应器和短程反硝化污泥以1:1（v:v）混合均匀，并将其作为接种污泥启动运行同步短程硝化反硝化反应器，污泥经过0.5h初步沉淀去除上清液，SVI和MLSS分别为120mL/g和8.1g/L；同步短程硝化反硝化反应器进水氮源、有机碳源和无机碳源分别为NH4 +-N、C6H12O6和NaHCO3，初始浓度分别为56mg/L、280mg/L和240mg/L，同步短程硝化反硝化反应器连续流运行模式启动，前10d的HRT为12h。各反应器模拟废水添加磷、钙、锌、钴、锰、铜、钼、镍、硼和镁元素，分别以KH2PO4、CaCl2、ZnSO4·7H2O、CoCl2·6H2O、MnCl2·4H2O、CuSO4·5H2O、NaMoO4·2H2O、NiCl2·6H2O、H3BO3和MgSO4·7H2O提供，浓度水平为0.01～0.03mmol/L。同步短程硝化反硝化反应器运行过程中，在模拟废水中添加螯合态和游离态二价铁离子，其中，螯合态二价铁离子浓度为2.3mg/L，游离态二价铁离子浓度为5mg/L，DO浓度为0.5～1.5mg/L。实验结果表明，氨氮和CODCr的去除率为65.9%和77.7%，CODCr和TN的平均去除速率分别为1238.0mg/L/d和155.9mg/L/d。
实施例4：
反应器及运行条件基本同实施例3，螯合态二价铁离子浓度为2.3mg/L，游离态二价铁离子浓度变为10mg/L，DO浓度为0.5～1.5mg/L，SVI和MLSS分别为554.0～690.5mL/g和1.3～1.85g/L。实验结果表明，氨氮和CODCr的去除率为52.6%和74.8%，CODCr和TN的平均去除速率分别为1082.2mg/L/d和119.3mg/L/d。
实施例5：
同步短程硝化反应器和短反硝化反应器运行条件如实施例3所示，短程硝化反硝化反应器启动运行120d后，在模拟废水中添加螯合态二价铁离子和游离态三价铁离子，其中，螯合态二价铁离子浓度为2.3mg/L，游离态铁离子浓度为2mg/L，DO浓度为0.5～1.5mg/L。实验结果表明，氨氮和CODCr的去除率为47.5%和76.8%，CODCr和TN的平均去除速率分别为1062.0mg/L/d和85.6mg/L/d。
运行第130d之后，保持螯合态二价铁离子浓度和DO不变，游离态三价铁离子浓度升高至4mg/L。氨氮和CODCr的去除率为34.1%和80.6%，CODCr和TN的平均去除速率分别为1199.0mg/L/d和70.5mg/L/d。
运行第140d之后增加游离态三价铁离子浓度为6mg/L，其余条件不变。氨氮和CODCr的去除率为53.2%和77.9%，CODCr和TN的平均去除速率分别为1050.6mg/L/d和83.2mg/L/d。
运行第150d，增加游离态三价铁离子浓度为8mg/L，其余条件不变。氨氮和CODCr的去除率为55.1%和76.7%，CODCr和TN的平均去除速率分别为1144.0mg/L/d和84.5mg/L/d。
本发明操作步骤中的常规操作为本领域技术人员所熟知，在此不进行赘述。
以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化方法，其特征在于：包括：
步骤一：构建上流式短程硝化反应器和短程反硝化反应器，以模拟废水为营养源及处理对象，污泥经铝离子浓度不超过10mg/L的聚合氯化铝沉淀或填充率为0.5-3.0%的组合填料吸附优化富集，再通过污泥驯化优化富集短程硝化污泥和短程反硝化污泥，并以两者混合污泥为种泥；
步骤二：以内循环连续进水模式或连续流运行模式启动同步短程硝化反硝化反应器，加入二价或三价铁离子强化短程硝化反硝化污泥活性；
所述同步短程硝化反硝化反应器运行过程中，在模拟废水中添加二价或三价铁离子，二价或三价铁离子为螯合态或游离态；
同步短程硝化反硝化反应器运行120d后，模拟废水中添加螯合态二价铁离子和游离态三价铁离子，其中，螯合态二价铁离子浓度为2.3mg/L，游离态三价铁离子浓度为2mg/L；
同步短程硝化反硝化反应器运行130d后，保持螯合态二价铁离子浓度不变，游离态三价铁离子浓度升高至4mg/L；
同步短程硝化反硝化反应器运行140d后，增加游离态三价铁离子浓度为6mg/L；
同步短程硝化反硝化反应器运行150d后，增加游离态三价铁离子浓度为8mg/L；
所述上流式短程硝化反应器和短程反硝化反应器运行30～60d后，取出反应器污泥以0.8～1.2:1（v:v）混合均匀，并将其作为接种污泥启动运行同步短程硝化反硝化反应器，污泥经过0.5～3h初步沉淀去除上清液，污泥体积指数和混合液悬浮固体浓度分别为80～130mL/g和8.0～12.0g/L；同步短程硝化反硝化反应器进水氮源、有机碳源和无机碳源分别为NH4 +-N、C6H12O6和NaHCO3，反应器溶解氧浓度为0.5～3.3mg/L。
2.根据权利要求1所述的一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化方法，其特征在于：构建并独立运行上流式短程硝化反应器和短程反硝化反应器，两反应器种泥为城市污水处理厂二沉池活性污泥，污泥经过3～24h初步沉淀去除上清液，污泥体积指数和混合液悬浮固体浓度分别为50～80mL/g和8.0～24.0g/L。
3.根据权利要求1所述的一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化方
法，其特征在于：在连续流运行条件下采用上流式短程硝化反应器培养短程硝化污泥，初始水力停留时间为12～24h，进水氮源和无机碳源分别为NH4 +-N和NaHCO3，其浓度分别为42～84mg/L和360～720mg/L，对应氨氮负荷为0.084～0.168kg/L/d，反应器溶解氧浓度为0.5～1.5mg/L。
4.根据权利要求1所述的一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化方法，其特征在于：在连续流运行条件下采用短程反硝化反应器培养短程反硝化污泥，进水氮源和有机碳源分别为NO2 --N和C6H12O6，其浓度分别为42～84mg/L和210～420mg/L，对应亚硝氮负荷和有机碳负荷分别为0.084～0.168kg/L/d和0.42～0.84kg/L/d，反应器溶解氧浓度为0.01～0.5mg/L。
5.根据权利要求1所述的一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化方法，其特征在于：所述短程硝化反应器、短程反硝化反应器和同步短程硝化反硝化反应器进水为模拟废水，其成分除氮源和碳源外，还包括磷、钙、锌、钴、锰、铜、钼、镍、硼和镁元素，浓度水平为0.01～0.03mmol/L。
6.根据权利要求1所述的一种短程硝化反硝化一体化工艺启动及运行性能强化方法，其特征在于：所述同步短程硝化反硝化反应器以内循环连续进水模式或连续流运行模式启动，前10d的水力停留时间为12～24h，采用内循环连续进水模式启动反应器时每0.5～3d更换一次循环水，更换循环水2～7次。
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