常溫下全程硝化生物脫氮系統實現短程硝化的方法

2023-05-29 02:54:26

專利名稱：常溫下全程硝化生物脫氮系統實現短程硝化的方法
技術領域：
本發明涉及一種常溫下全程硝化生物脫氮系統實現短程硝化的方法，用 以在常溫下處理城市汙水，並在普通的全程硝化生物脫氮系統中啟動並維持 短程硝化。
背景技術：
近年來，為控制水體富營養化，汙水氮磷排放標準日益嚴格。國家新的
汙水排放標準規定氨氮濃度一級排放標準(A標準)不超過5mg/L，對出水氨 氮提出了更高要求。因此研究和開發經濟、高效、節能的生物脫氮技術是目 前符合我國國情的研究熱點。
新型生物脫氮技術包括短程硝化-反硝化、同步硝化反硝化、厭氧氨氧化、 反硝化除磷等。其中，易於工程實踐、可操作性較強的就是短程硝化-反硝化。 目前，短程硝化-反硝化以其高效、經濟、節能的優勢被國內外廣泛採用。短 程硝化-反硝化的實現關鍵在於短程硝化，使硝化菌群中亞硝化菌(Ammonia Oxidizing Bacteria, AOB)相對於硝化細菌(Nitrite Oxidizing Bacteria ，NOB)成為 優勢菌群，將硝化過程控制在N02.-N階段，維持穩定的N(V-N積累。 國內外研究都已表明溫度是影響N(V-N積累的主要因素，較高溫度 (28。C 38。C)容易實現短程硝化。荷蘭Delft University of Technology開發的 SHARON工藝便是應用較高溫度G0°C~35°C)實現短程脫氮的成功範例，但 大量廢水高昂的升溫費用限制其應用。另外，FA (FreeAmmonia，游離氨) 選擇抑制途徑也是實現短程硝化的主要途徑，處理高濃度氨氮廢水(如垃圾 滲濾液、厭氧消化液等)時，很容易通過控制FA質量濃度來抑制NOB的增 長，使AOB成為優勢菌種。但是，對於處理實際運行中的低氨氮城市汙水， 如何實現穩定的短程硝化一直是一個難點，也是短程生物脫氮技術推廣的限 制因素。首先，城市汙水的氨氮濃度較低，無法像高濃度氨氮廢(配)水那 樣採用游離氨選擇抑制途徑來形成AOB的優勢競爭；其次，城市汙水水溫一 般達不到文獻裡報導的實現短程的溫度範圍，很難保障AOB的優勢競爭地位。 目前人們對城市汙水實現短程硝化的研究多集中在中高溫啟動，然後逐漸降 溫維持。雖然也有研究者在較低溫度下啟動了短程硝化，但接種汙泥卻是部 分亞硝化的汙泥(NO2--N/N(V-N-50%)，弱化了啟動期低溫的不利影響。目 前，常溫下處理城市汙水，在接種全程硝化汙泥的系統中成功啟動短程硝化 的研究鮮有報導。

發明內容
本發明的目的在於提供一種常溫汙水處理系統中由全程硝化脫氮啟動短 程硝化脫氮的方法，以期在接種全程硝化汙泥的系統中啟動並維持短程硝化， 解決以往短程脫氮在實際應用中碰到的技術難題，擴寬短程脫氮的應用範圍。
本發明的技術方案是採用接種全程硝化汙泥的系統處理低C/N城市汙 水，通過控制限氧曝氣使系統溶解氧處於較低水平，在同時含有AOB和NOB 的系統中保持AOB的正常代謝和增殖，不斷抑制NOB活性。同時每周期曝 氣時間隨著N02—-N/N(V-N的提高而逐漸延長，啟動初期採用短周期定時控制 每周期曝氣時間，每周期曝氣時間參照pH"氨谷"保守設定，嚴格控制在氨氮 降解結束前停止曝氣，利用較高的氨氮負荷和較短的水力停留時間創造有利 於AOB生存的最佳環境條件，最終在全程硝化脫氮系統中啟動短程硝化。短 程硝化成功啟動後參照pH"氨谷"和DO突躍點實時控制曝氣時間，維持短程 硝化效果。上述提及的pH"氨谷"是指氨氮氧化結束時pH由前期緩慢下降變 為突然上升出現的拐點，參照已有中國專利ZL 200610012076.1。
一種常溫下全程硝化生物脫氮系統實現短程硝化的方法，其特徵在於
控制泥齡為50 60天，整個過程分為以下四個階段
階段I 採用恆定供氣的曝氣模式，控制DO水平為0.5 0.8mg/L;定時 控制曝氣時間，每周期曝氣時間為3h，待N(V-N/NCV-N上升至30 60%進入 階段II;
階段II採用恆定供氣的曝氣模式，控制DO水平為0.5 0.8mg/L;定時 控制曝氣時間，每周期曝氣時間為4h，待N(V-N/N(V-N上升至60 85%進入 階段III;
階段m採用恆定供氣的曝氣模式，控制DO水平為0.5 0.8mg/L;定時 控制曝氣時間，每周期曝氣時間為5h，待NO一N/N(V-N上升至90 95%進入 階段IV;
階段IV採用恆定供氣的曝氣模式，控制DO水平為0.5 0.8mg/L;實時 控制曝氣時間，在pH曲線的氨谷點結束曝氣；氨谷是指氨氮氧化結束時pH 由下降變為上升出現的拐點。
本發明的控制要點為
(1 )採用限氧曝氣控制。本發明中，維持系統中MLSS在3000 3500mg/L， 控制曝氣量為32~48L/h，使系統溶解氧處於較低水平，DO平均水平為 0.5 0.8mg/L，在這樣的DO環境下，不僅可以保障有機汙染物的充分降解， 而且可以使NOB的活性受到抑制，保障AOB的優勢生長環境。更進一步，由於本發明採用限氧曝氣，為保證系統中泥、水、氣各相混合均勻，在反應 階段邊曝氣邊攪拌。
(2) 採用恆定供氣的曝氣方式。本發明中恆定每周期曝氣量為32 48L/h， 每個周期初期由於異養好氧菌氧化有機汙染物，系統溶解氧濃度非常低，僅 有0.10 0.25mg/L。待大部分易降解有機物降解完成後，硝化菌開始NH4+-N
的氧化，由於,+-:^底物的逐漸減少，硝化細菌需氧量減少，在採用恆定供 氣的曝氣方式下，系統中的DO濃度會出現逐漸上升的梯度變化。本發明中 要保證反應階段末期最高DO水平在2.0 mg/L以下。
(3) 每周期曝氣時間隨著N(V-N/N(V-N的提高而逐漸延長。本發明中 接種汙泥為普通的全程硝化汙泥，N02'-N/N(V-N幾乎為0，初期採用短周期 定時控制，在氨氮氧化結束前停止曝氣，每周期曝氣時間隨著1^02—->^/^0;;^ 的逐漸提高由3h延長至4h、 5h，最後採用好氧硝化時間的過程控制，參照 pH"氨谷"點和DO突躍點在氨氮氧化結束時結束曝氣。
(4) 較長汙泥齡運行。荷蘭Delft University of Technology開發的 SHARON工藝的運行原理是在高溫下控制較短汙泥齡1.5d來淘洗NOB,從 而實現AOB的競爭優勢。與之不同，本發明控制泥齡長達50 60d，不僅在較 低溫度下保證了系統的有效生物量，同時延長的汙泥齡也有利於AOB的優勢 生長。
本發明中啟動並維持短程硝化的工作原理為
(1) 限氧運行。以往研究表明，AOB的氧飽和常數為0.25~0.5mg/L， NOB的氧飽和常數為0.82-1.84 mg/L，所以AOB相對於NOB對溶解氧具有 更強的親和力，在低溶解氧環境中，AOB相對於NOB具有更強的生長優勢。 本發明控制DO平均水平為0.5~0.8mg/L，高於AOB的氧飽和常數，低於NOB 的氧飽和常數，長期運行則會使NOB逐漸受抑制而被淘汰，AOB成為優勢 菌群；
(2) AOB的"飽食飢餓"特性(feast-famine)。本發明採用間歇曝氣，系統 中溶解氧會經歷周期性的有無交替，並且由於採用恆定供氣的曝氣方式，初 期由於異養好氧菌氧化有機物和硝化菌的硝化作用，系統溶解氧濃度很低， 後期又逐漸升高，因此每個曝氣周期內溶解氧水平具有一定的變化幅度。正 是由於"飽食飢餓"特性使AOB能夠經受住劇烈或緩和的溶解氧變化，逐漸成 為優勢菌群；
(3) 好氧曝氣時間的控制。以往研究表明，嚴格控制曝氣時間、及時停 止曝氣是實現短程極為重要的因素。本發明參考pH曲線確定曝氣時間，在 氨氮氧化結束前停止曝氣，可以避免較長水力停留時間對短程硝化的不利影 響。此外，在啟動初期曝氣時間的設定相對保守，短的曝氣時間雖然會降低>4114+->^去除率，但可以使,4+->^負荷較高，有利於AOB的優勢生長。隨著 N(V-N/N(V-N的提高逐漸延長曝氣時間，不僅可以提高皿4+->^去除率，也 可以使AOB逐漸適應延長的曝氣時間，NOB逐漸被淘汰。
(4)長汙泥齡的控制。常溫下硝化菌生長非常緩慢，較低溫度下AOB 相對NOB比增殖速率低，如果採用短泥齡不斷排泥，則系統中AOB的比例 就會下降，NOB的比例就會上升。本發明控制汙泥齡長達50 60天，不僅在 較低溫度下保證了系統的有效生物量，使得系統去除有機物和脫氮的性能一 直很高，同時延長的汙泥齡也有利於AOB的優勢生長。 本發明的創新點.-
(1) 本發明在較低溫度下運行，提出了一種常溫汙水處理系統中硝化菌 群AOB與NOB競爭優勢的調控方法，為常溫短程脫氮的實現提供了技術支 持。
(2) 本發明處理實際生活汙水，由普通的全程硝化汙泥啟動並維持短程 硝化，更加符合汙水處理廠的實際運行，對在實際工程中的短程脫氮應用具 有很強的指導意義。


圖1運行階段曝氣時間及溶解氧的控制模式 圖2 SBR典型周期的控制模式(以實時控制為例)
具體實施例方式
本發明的具體實施方式
為(見附圖l) 階段I 採用恆定供氣和限氧曝氣的曝氣模式，使系統溶解氧處於較低 水平，DO平均水平為0.5 0.8mg/L。通過每周期好氧階段末的規律性排泥控 制泥齡在50 60d。短周期定時控制曝氣時間，每周期曝氣時間為3h，採用實 驗室常規水質監測方法測定進、出水水質變化，待出水N02—-NZN(V-N上升至 30 60%進入階段11 ，同時階段性採集泥樣迸行FISH檢測，確定AOB和NOB 佔總菌群的比例，為系統菌群結構的動態變化提供分子生物學方面的證據；
階段II採用恆定供氣和限氧曝氣的曝氣模式，使系統溶解氧處於較低 水平，DO平均水平為0.5 0.8mg/L。通過每周期好氧階段末的規律性排泥控 制泥齡在50 60d。短周期定時控制曝氣時間，每周期曝氣時間為4h，待 N(V-N/N(V-N上升至60 85。/o進入階段m，同時FISH檢測AOB與NOB佔 總菌群的比例；
階段m採用限氧曝氣和恆定供氣的曝氣模式，使系統溶解氧處於較低 水平，DO平均水平為0.5 0.8mg/L。通過每周期好氧階段末的規律性排泥控制泥齡在50 60d。短周期定時控制曝氣時間，每周期曝氣時間為5h，待 N02--N/N(V-N上升至90 95。/。進入階段IV，同時FISH檢測AOB與NOB佔 總菌群的比例；
階段IV採用限氧曝氣和恆定供氣的曝氣模式，使系統溶解氧處於較低 水平，DO平均水平為0.5~0.8mg/L。實時控制曝氣時間，參照pH"氮谷"點(見 附圖2"A"點)和DO突躍點(見附圖2"B"點)在氨氮氧化結束時結束曝氣， 強化AOB的競爭優勢，進一步抑制並淘汰NOB，不僅使N02—-N/N(V-N穩定 維持在95%以上，而且在進水水質波動的條件下，也實現了,4+-忖的完全去 除。階段性FISH檢測AOB與NOB佔總菌群的比例。
實施例1 :
採用IIL的SBR反應器進行試驗，所用汙水取自居民生活區的實際生活 汙水，屬典型的低C/N廢水。其水質指標為COD=121~416mg/L， NH4+-N=54~78 mg/L， N03--N=0~0.21 mg/L， NO2:N=0~0.09 mg/L， pH =7.46~8.01，總鹼度-455.6 556mg/L (CaC03計)，C/N為1,89 2.51 。接種汙
泥取自北京某城市汙水處理廠二沉池回流汙泥，屬全程硝化汙泥，FISH檢測 表明AOB佔總菌群的比例為1.98%， NOB為8%。通過溫控裝置將反應器內 水溫控制在(19°C±1°C)，通過每周期好氧階段末的規律性排泥控制泥齡為 50天。
(1) 階段I:限氧曝氣控制DO平均水平為0.46mg/L，每周期曝氣時間 為3h。運行17天N(V-N/N(V-N由0上升至50%。此時FISH檢測表明AOB 佔總菌群的比例為4.36%, NOB為5.35%;
(2) 階段II:限氧曝氣控制DO平均水平為0.52mg/L，每周期曝氣時間 為4h。運行15天N02、N/N(V-N由50%上升至80%。此時FISH檢測表明AOB 佔總菌群的比例為9.97%， NOB為0.49%;
(3) 階段III:限氧曝氣控制DO平均水平為0.62mg/L，每周期曝氣時間 為5h。運行13天N02:N/N(V-N由80%上升至95%。此時FISH檢測表明AOB 佔總菌群的比例為10.13%， NOB為〈0.2。/。；
(4) 階段IV:限氧曝氣控制DO平均水平為0.65mg/L，在線監測pH， 參照pH"氨谷"點實時控制曝氣時間。穩定運行30天NO"N/N(V-N保持在 95%以上，NH4+-N去除率>97%。此時FISH檢測表明AOB佔總菌群的比例 為10.09%，未檢測出NOB;
實施例2:
採用6.5L的SBR反應器進行試驗，實驗用水為北京工業大學家屬區生活 汙水。其水質指標為COD=101 236mg/L， NH4+-N=34~68 mg/L， N(V-N=0 0.17 mg/L， NO2--N=0~0,04 mg/L， pH =7.24~8.31 ，總鹼度=405.6 581mg/L (CaC03計)，C/N為1.54 2.89。接種汙泥取自某中試脫氮反應器二沉池 汙泥，脫氮性能良好，屬全程硝化汙泥，FISH檢測表明AOB佔總菌群的比 例為4.98%， NOB為9.4%。不控溫，水溫範圍為8.2。C 16.7。C ，通過排泥控 制泥齡為65天。
(1) 階段I:限氧曝氣控制DO平均水平為0.34mg/L，每周期曝氣時間 為3h。運行22天N02--N/N(V-N由0上升至45%。此時FISH檢測表明AOB 佔總菌群的比例為6.36%， NOB為5.13%;
(2) 階段II:限氧曝氣控制DO平均水平為0.56mg/L，每周期曝氣時間 為4h。運行16天NCV-N/N(V-N由45%上升至72°/。。此時FISH檢測表明AOB 佔總菌群的比例為10.97%， NOB為0.429%;
(3) 階段III:限氧曝氣控制DO平均水平為0.67mg/L，每周期曝氣時間 為5h。運行15天N(V-N/N(V-N由72%上升至96%。此時FISH檢測表明AOB 佔總菌群的比例為12%， NOB未檢出；
(4) 階段IV:限氧曝氣控制DO平均水平為0.76mg/L，在線監測pH， 參照pH"氨谷"點實時控制曝氣時間，穩定運行30天N02'-N/N(V-N保持在 96°/。以上，順4+->^去除率為99%。此時FISH檢測表明AOB佔總菌群的比例 為12.03%，未檢測出NOB。
權利要求
1、一種常溫下全程硝化生物脫氮系統實現短程硝化的方法，其特徵在於控制泥齡為50～60天，整個過程分為以下四個階段階段I採用恆定供氣的曝氣模式，控制DO水平為0.5～0.8mg/L；定時控制曝氣時間，每周期曝氣時間為3h，待NO2--N/NQx--N上升至30～60％進入階段II；階段II採用恆定供氣的曝氣模式，控制DO水平為0.5～0.8mg/L；定時控制曝氣時間，每周期曝氣時間為4h，待NO2--N/NOx--N上升至60～85％進入階段III；階段III採用恆定供氣的曝氣模式，控制DO水平為0.5～0.8mg/L；定時控制曝氣時間，每周期曝氣時間為5h，待NO2--N/NQx--N上升至90～95％進入階段IV；階段IV採用恆定供氣的曝氣模式，控制DO水平為0.5～0.8mg/L；實時控制曝氣時間，在pH曲線的氨谷點結束曝氣；氨谷是指氨氮氧化結束時pH由下降變為上升出現的拐點。
2、 根據權利要求1所述的常溫下全程硝化生物脫氮系統實現短程硝化的方法，其特徵在於恆定供氣的曝氣模式下邊攪拌邊曝氣。
全文摘要
一種常溫下全程硝化生物脫氮系統實現短程硝化的方法屬於汙水強化生物脫氮處理技術領域。目前短程硝化脫氮的實現多是在中高溫狀態下進行的，中低溫下短程硝化啟動難且啟動周期長的問題大大限制了硝化脫氮的實際應用。本發明控制泥齡為50～60天，整個過程分為四個階段，每個階段採用恆定供氣的曝氣模式，控制DO水平為0.5～0.8mg/L，實驗初期採用定時控制曝氣時間，最終在pH曲線的氨谷點結束曝氣。本發明提出了一種常溫汙水處理系統中硝化菌群AOB與NOB競爭優勢的調控方法。此外，本發明由普通的全程硝化汙泥啟動並維持短程硝化，更加符合汙水處理廠的實際運行，對在實際工程中的短程脫氮應用具有很強的指導意義。
文檔編號C02F3/12GK101423290SQ20081022769
公開日2009年5月6日 申請日期2008年11月28日 優先權日2008年11月28日
發明者悅 張, 彭永臻, 薇 曾, 磊 李 申請人:北京工業大學