一種利用厭氧氨氧化‑硫自養反硝化耦合脫氮的UBF反應器及其系統和脫氮方法與流程

2023-04-23 08:09:56

本發明涉及廢水處理技術，具體涉及一種利用厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合脫氮的ubf反應器及其系統和脫氮方法，本發明適用於高氨氮低c/n廢水的脫氮處理，如好氧或厭氧非脫氮工藝的生化尾水以及汙泥消化液等。

背景技術：

隨著我國工業化和城市化進程的不斷發展，大量含有高濃度氮素的廢水被排入江河湖泊，造成水體的富營養化，導致藻類的大量繁殖，不僅對魚類等水體生物的生存造成重大威脅，而且導致飲用水中藻毒素和亞硝酸鹽等有害物質超標，對人體的身體健康和生命安全造成危害。

目前針對含氮廢水常用的生物脫氮技術有硝化-反硝化、短程硝化-反硝化等。傳統的硝化-反硝化技術應用領域較廣，但也存在著諸多問題，如硝化過程需要將廢水中的氨氮完全轉化為硝態氮，曝氣量大，水力停留時間長，能耗較高，並且硝化過程消耗水中的鹼度，造成廢水的ph值降低，必要時需要投加鹼調節ph；反硝化過程需要添加有機碳源作為電子供體，對於低c/n廢水需要額外投加有機碳源，如甲醇、乙酸鹽等，增加了運行成本；硝化-反硝化技術脫氮效率較低，導致反應池容積較大，基建成本較高。

短程硝化-反硝化技術將氨氧化過程控制在亞硝化階段，一定程度上降低了氨氧化過程的曝氣量和反硝化過程有機碳源的需求量，降低了工藝的運行成本，但為達到亞硝酸鹽的高效積累以及抑制硝化過程，該工藝對do、ph、溫度條件要求嚴格，控制因素較為複雜，一般只能採用間歇運行的方式，並且工藝運行穩定性較差。

厭氧氨氧化工藝是近年來新興的脫氮工藝，該工藝的主要功能菌群厭氧氨氧化菌通過以氨氮作為電子供體，亞硝酸鹽作為電子受體，將兩者還原為氮氣，其化學計量式如下：

nh4++1.32no2-+0.066hco3-+0.13h+→1.02n2+0.26no3-+0.066ch2o0.5n0.15+2.03h2o

單獨的厭氧氨氧化工藝目前應用較少，原因一是厭氧氨氧化對氨氮和亞硝態氮比例要求嚴格，一般廢水氨氮含量較高，亞硝酸鹽含量較低，需要前置亞硝化工藝積累亞硝酸鹽，再者厭氧氨氧化菌代謝產物中含有硝態氮，理想條件下厭氧氨氧化工藝的脫氮效率只有88.8％(依據化學計量式)，一般與反硝化工藝聯用脫除這部分硝態氮。

中國專利發明名稱「一種厭氧氨氧化與反硝化耦合全過程脫氮工藝」(專利公開號：cn105110472a)通過將部分進水的氨氮完全轉化為硝態氮，並通過短程反硝化將硝態氮還原為亞硝態氮，最後進行厭氧氨氧化過程，克服了亞硝酸鹽難以高效積累的問題，但該工藝需將52.3％～56.9％的氨氮完全轉化為硝態氮，曝氣量較大，能耗較高，並且短程反硝化過程仍需消耗有機碳源，增加了運行成本。

中國專利發明名稱「厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合脫氮除硫的廢水處理工藝」(專利公開號：cn104843863a)通過兩種自養脫氮過程的耦合，達到了同時脫氮除硫的目的，但該工藝對進水的氨氮、亞硝酸鹽和硫化物的比例要求較高，實際廢水難以滿足要求。如進水硫化物的比例高於工藝要求值時，會造成硫自養反硝化菌與厭氧氨氧化菌競爭共同底物亞硝酸鹽，厭氧氨氧化菌代謝可能受到抑制，從而造成出水氨氮去除率降低，並且硫化物濃度過高可能會對厭氧氨氧化菌產生抑制。

中國專利發明名稱「一種印染廢水自養反硝化脫氮裝置及方法」(專利號：cn105621608a)以還原態硫和鐵做為電子供體，通過自養反硝化過程將水體中的no3-n還原成n2實現脫氮，該工藝可實現水體中no3-n的高效自養脫除，硫鐵礦的使用使得該工藝的運行成本較低。但單獨的反硝化工藝只能脫除no3-n，不能夠去除nh4-n，一般情況下很難滿足實際廢水的脫氮要求。

技術實現要素：

1.發明要解決的技術問題

針對現有脫氮技術存在的問題，本發明提供了一種利用厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合脫氮的ubf反應器及其系統和脫氮方法。本發明的脫氮方法為全程自養脫氮工藝，主要功能菌群均為自養型脫氮細菌，不需要有機碳源作為電子供體，汙泥產量少，運行成本較低；同時厭氧氨氧化工藝的使用，使得氨氧化過程只需達到部分亞硝化，曝氣量少且對亞硝酸鹽的積累量要求低，能耗較低，運行穩定性高；硫自養反硝化菌代謝過程由原本是廢棄物的硫化物沉澱提供電子供體，硝化和厭氧氨氧化過程產生的硝態氮作為電子受體，滿足資源化的同時提高了總氮去除率；ubf反應器的填料能夠避免活性汙泥流失，維持反應器內較高的微生物量，保持穩定的脫氮效率。

2.技術方案

一種利用厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合脫氮的ubf反應器，ubf反應器由下而上分為三部分，依次分別為懸浮汙泥區域、辮編式填料區域和白鐵礦填料區域，懸浮汙泥區域與辮編式填料區域之間設置緩流擋板，辮編式填料區域與白鐵礦填料區域之間設置多孔承託層。

優選的ubf反應器外層設置有一層保溫層。

所述多孔承託層上部設有取樣口，ubf反應器頂部設有三相分離器並設有溢流堰，ubf反應器出水通過出水口排出。

所述多孔承託層為多孔石灰石，多孔石灰石作為承託框架(孔隙率達到50％～60％)，多孔承託層的孔徑為0.3～0.4cm；作用一是作為填料區域的承託框架，保持足夠的孔隙率，為微生物預留生存空間的同時防止反應器堵塞，二是為自養脫氮菌提供無機碳源，三是截留活性汙泥，保持ubf反應器反應器足夠的微生物量。

優選地，懸浮汙泥區域、辮編式填料區域和白鐵礦填料區域的高度比為1.2～1.5:1:0.8，ubf反應器的內外層直徑比為1:1.1～1.3，高徑比為4.5～6:1。

反應器不同區域合適的高度比例，實現了do在辮編式填料區域沿流向有效降低，有效地分隔了反應器下部好氧與上部的厭氧區域，尤其是避免上部的白鐵礦填料區域由於do不能降低到厭氧條件而造成功能菌的抑制。

一種利用厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合脫氮的系統，包括ubf反應器、進水水泵、酸鹼投加裝置、do與ph在線監測設備、回流設備、和排泥管；進水水泵通過進水管道與ubf反應器連接，酸鹼投加裝置以及do與ph在線監測設備依次連接進水管道，回流設備通過回流管道與ubf反應器相接，排泥管置於ubf反應器底部。

所述酸鹼投加裝置，包括加藥箱和流量控制閥，加藥箱通過流量控制閥與進水管道連接。

所述do與ph在線監測設備，包括顯示面板，ph監測探頭和do監測探頭。

所述回流設備，包括回流泵和布水器，回流泵通過管道與ubf反應器相連，布水器位於ubf反應器底部，並與回流泵相連接。

該發明原理:利一種利用厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合脫氮工藝的ubf反應器的脫氮方法，用亞硝化作用將合適比例的氨氮轉化為亞硝酸鹽，兩種存在形式的氮同時作為厭氧氨氧化菌的底物並被還原為氮氣，硫自養反硝化菌的作用在於消除硝化和厭氧氨氧化過程產生的硝態氮，提高總氮去除率。

一種利用厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合脫氮工藝的ubf反應器的脫氮方法，其步驟為：

(1)ubf反應器啟動通過接種菌群的汙泥進行，在懸浮汙泥區域接種長期培養的亞硝化汙泥，在白鐵礦填料區域，為保證足夠的比表面積，白鐵礦填料區域白鐵礦石的粒徑分布為0.5～0.7cm，接種長期培養的厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合汙泥，使得在懸浮汙泥區域和辮編式填料區域的下半部分分布亞硝化菌，在辮編式填料區域的上半部分和白鐵礦填料區域分布培養厭氧氨氧化菌，在白鐵礦填料區域分布硫自養反硝化菌；

(2)進水經過曝氣池，do上升至1.2～1.5mg/l，通過投加酸鹼調節ph至7.5～9；do與ph由在線監測儀顯示；ubf反應器水力停留時間為6～8h；懸浮汙泥區域的回流比為3.5～6:1；白鐵礦填料區域底部取樣口處的do濃度範圍控制在0.2mg/l以下，氨氮轉化率控制在60％～65％；懸浮汙泥區域底部設置排泥口，控制亞硝化汙泥的srt為15～20d；工藝穩定運行溫度範圍20～35℃；將經過曝氣的廢水通過進水水泵1注入ubf反應器的底部懸浮汙泥區域，此區域進行部分亞硝化反應，將部分的氨氮轉化為亞硝酸鹽；

(3)水流由下而上通過緩流擋板，進入到辮編式填料區域，進行亞硝化過程向厭氧氨氧化過程的過渡。區域下部主要表現亞硝化活性，表徵為區域由下而上氨氮濃度的衰減、亞硝酸鹽濃度的逐漸升高以及do的逐漸降低。隨著do由好氧水平降低到厭氧水平，區域上部主要表現為厭氧氨氧化活性，表徵為氨氮和亞硝酸鹽基質濃度的呈比例降低以及硝酸鹽濃度的升高；

(4)水流由下而上通過多孔承託層，進入到白鐵礦填料區域，進行厭氧氨氧化和硫自養反硝化；在此區域內，厭氧氨氧化菌以氨氮為電子供體，亞硝化過程產生的亞硝酸鹽為電子受體，將兩者轉化為氮氣並產生一定量的硝酸鹽。硫自養反硝化菌主要用於去除好氧區域硝化過程和厭氧氨氧化過程產生的硝酸鹽，提高出水總氮去除率。

優選地，通過進水流量以及進水do的調節(進水經過曝氣池，do上升至1.2～1.5mg/l，ubf反應器水力停留時間為6～8h；)，使得亞硝化菌分布在懸浮汙泥區域49和辮編式填料區域47的下半部分，厭氧氨氧化菌分布於辮編式填料區域47的上半部分和白鐵礦填料區域45，硫自養反硝化菌分布於白鐵礦填料區域45。

優選地，所述步驟1中白鐵礦填料區域，白鐵礦石的等表面積平均直徑為0.5～0.7cm；白鐵礦石合適的粒徑既保證了足夠大的比表面積，為附著在白鐵礦填料表面生長的自養反硝化菌提供較大的傳質界面，而又不至於顆粒過細小而不能被多孔石灰石截留，導致其不能存留於反應器內。

優選地，ubf反應器啟動通過接種對應菌群的汙泥進行，懸浮汙泥區域接種長期培養的亞硝化汙泥，白鐵礦填料區域接種長期培養的厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合汙泥。

優選地，步驟(1)中所述經過曝氣的廢水經過曝氣，do上升至1.2～1.5mg/l，通過投加酸鹼調節ph至7.5～9，合適的do濃度能夠在反應器的下部保持微好氧的環境，有利於亞硝酸鹽的累積但是不至於do濃度過高造成硝化菌活性的增高，從而有效減少亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的比例；ph7.5～9為合適亞硝化菌、厭氧氨氧化菌和硫自養反硝化菌生長的合適ph範圍；

優選地，所述經過曝氣的廢水cod不大於170mg/l，氨氮濃度不大於400mg/l，全程自養脫氮工藝對進水cod有較高的要求，進水cod過高會造成異養微生物的大量繁殖，因其世代期遠小於自養菌，會對自養微生物造成競爭抑制，因而cod過高時需前置好氧或厭氧工藝降低進水cod。工藝穩定運行要求進水氨氮濃度上限為400mg/l，避免亞硝酸鹽累積對厭氧氨氧化菌造成抑制。

3.有益效果

相比於現有技術，本發明的有益效果為：

(1)相比於硝化-反硝化和短程硝化-反硝化工藝，本發明的全程自養脫氮工藝不需要有機碳源作為反硝化的電子供體，且汙泥產量少，氨氧化過程只需將部分氨氮轉化為亞硝酸鹽，曝氣量低，能耗較低，運行穩定性好，運行成本較低。

(2)亞硝化過程不可避免的會伴隨硝化過程，產生硝態氮，厭氧氧化菌代謝產物中也含有一定的硝態氮。本發明除了通過定期排泥控制硝化菌的生物量，還引入了硫自養反硝化工藝，用於去除硝化和厭氧氨氧化作用產生的硝態氮，提高總氮去除率，且硫自養反硝化菌利用硫化物沉澱提供電子供體，實現了廢棄物的資源化。

(3)硫自養反硝化菌對硝酸鹽的親和力大於亞硝酸鹽，其反硝化作用優先利用硝酸鹽作為電子受體，避免與厭氧氨氧化菌競爭底物造成抑制。

(4)白鐵礦石有效溶出fes2需要較大的比表面積，因而白鐵礦石的粒徑較小，因此造成孔隙率降低，微生物生存空間小且反應器容易堵塞。多孔石灰石承託框架能夠有效提高填料區域的孔隙率，並保證反應器內足夠的生物量，這對世代周期較長(11d～13d)的厭氧氨氧化菌尤為重要，提高反應器的運行穩定性。

(5)本發明選用ubf反應器並進行合理的改造，最上部的白鐵礦填料區域用於截留厭氧氨氧化和硫自養反硝化微生物並為其提供足夠的生長基質和生長空間，有效減少增殖速率低的自養微生物流失；中部的辮編式填料區域下部分用於附著好氧微生物，保持中部區域足夠的活性汙泥量，達到do沿流向逐步消耗的目的，用以將下部的好氧區域有效過渡到上部的厭氧區域。上部分趨向於厭氧環境，厭氧氨氧化菌附著生長，同步消耗底物中的nh4+-n和no2--n並產生一定量的no3--n，為生存在反應器最上部白鐵礦填料區的硫自養反硝化菌提供電子受體；底部的活性汙泥區域用於亞硝化，設置回流的目的在於強化傳質，有利於較低濃度do條件下實現亞硝酸鹽的有效累積以及do的充分降低。緩流擋板的作用在於穩定水流，防止由於水體紊流造成反應器上部do過高。

(6)合適的do濃度能夠在反應器的下部保持微好氧的環境，有利於亞硝酸鹽的累積但是不至於do濃度過高造成硝化菌活性的增高，從而有效減少亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽的比例；ph7.5～9為合適亞硝化菌、厭氧氨氧化菌和硫自養反硝化菌生長的合適ph範圍。

附圖說明

圖1為ubf反應器的裝置結構示意圖，1-進水水泵；2-酸鹼投加裝置，21-加藥箱，22-流量控制閥；3-do與ph在線監測設備，31-顯示面板，32-ph監測探頭，33-do監測探頭；41-取樣口，42-出水口，43-三相分離器，44-溢流堰，45-白鐵礦填料區域，46-多孔承託層，47-辮編式填料區域，48-緩流擋板，49-懸浮汙泥區域；5-回流設備，51-為回流泵，52-為布水器；6-排泥管；7-保溫層。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。

實施例1

如圖1所示的裝置圖，利用厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合脫氮的ubf反應器，ubf反應器由下而上分為三部分，依次分別為懸浮汙泥區域49、辮編式填料區域47和白鐵礦填料區域45，懸浮汙泥區域49與辮編式填料區域47之間設置緩流擋板48，辮編式填料區域47與白鐵礦填料區域45之間設置多孔承託層46。ubf反應器外層設置有一層保溫層7。多孔承託層46上部設有取樣口41，ubf反應器頂部設有三相分離器43並設有溢流堰44，ubf反應器出水通過出水口排出。多孔承託層46為多孔石灰石，多孔石灰石作為承託框架(孔隙率達到50％～60％)，多孔承託層46的孔徑為0.3cm；作用一是作為填料區域的承託框架，保持足夠的孔隙率，為微生物預留生存空間的同時防止反應器堵塞，二是為自養脫氮菌提供無機碳源，三是截留活性汙泥，保持ubf反應器反應器足夠的微生物量。懸浮汙泥區域、辮編式填料區域和白鐵礦填料區域的高度比為1.2:1:0.8；反應器的內外層直徑比為1:1.3，高徑比為4.5：1；白鐵礦沉澱的等表面積平均直徑為0.5cm，反應器不同區域合適的高度比例，實現了do在辮編式填料區域沿流向有效降低，有效地分隔了反應器下部好氧與上部的厭氧區域，尤其是避免上部的白鐵礦填料區域由於do不能降低到厭氧條件而造成功能菌的抑制。

一種利用厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合脫氮的系統，包括ubf反應器、進水水泵1、酸鹼投加裝置2、do與ph在線監測設備3、回流設備5、和排泥管6；進水水泵1通過進水管道與ubf反應器連接，酸鹼投加裝置以及do與ph在線監測設備依次連接進水管道，回流設備5通過回流管道與ubf反應器相接，排泥管6置於ubf反應器底部。酸鹼投加裝置2，包括加藥箱21和流量控制閥22，加藥箱21通過流量控制閥22與進水管道連接，do與ph在線監測設備3，包括顯示面板31，ph監測探頭32和do監測探頭33；所述回流設備5，包括回流泵51和布水器52，回流泵51通過管道與ubf反應器4相連，布水器52位於ubf反應器4底部，並與回流泵51相連接。

一種利用厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合脫氮工藝的ubf反應器的脫氮方法，其步驟為：

(1)ubf反應器啟動通過接種菌群的汙泥進行，在懸浮汙泥區域(4.9)接種長期培養的亞硝化汙泥，在白鐵礦填料區域(4.5)，為保證足夠的比表面積，白鐵礦填料區域白鐵礦石的粒徑分布為0.5cm，接種長期培養的厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合汙泥，使得在懸浮汙泥區域49和辮編式填料區域47的下半部分分布亞硝化菌，在辮編式填料區域47的上半部分和白鐵礦填料區域45分布培養厭氧氨氧化菌，在白鐵礦填料區域45分布硫自養反硝化菌；

(2)進水經過曝氣池，do上升至1.2mg/l，通過投加酸鹼(2)調節ph至7.5左右；do與ph由在線監測儀(3)顯示；ubf反應器水力停留時間為7h；懸浮汙泥區域的回流比為3.5:1；白鐵礦填料區域底部取樣口41處的do濃度範圍控制在0.2mg/l以下，氨氮轉化率控制在60％；懸浮汙泥區域底部設置排泥口(6)，控制亞硝化汙泥的srt為15d；工藝穩定運行溫度範圍20℃。經過曝氣的廢水通過進水水泵1注入ubf反應器4的底部懸浮汙泥區域49，此區域進行部分亞硝化反應，將部分的氨氮轉化為亞硝酸鹽；

(3)水流由下而上通過緩流擋板48，進入到辮編式填料區域47，進行亞硝化過程向厭氧氨氧化過程的過渡。區域下部主要表現亞硝化活性，表徵為區域由下而上氨氮濃度的衰減、亞硝酸鹽濃度的逐漸升高以及do的逐漸降低。隨著do由好氧水平降低到厭氧水平，區域上部主要表現為厭氧氨氧化活性，表徵為氨氮和亞硝酸鹽基質濃度的呈比例降低以及硝酸鹽濃度的升高；

(4)水流由下而上通過多孔承託層46，進入到白鐵礦填料區域45，進行厭氧氨氧化和硫自養反硝化；在此區域內，厭氧氨氧化菌以氨氮為電子供體，亞硝化過程產生的亞硝酸鹽為電子受體，將兩者轉化為氮氣並產生一定量的硝酸鹽。硫自養反硝化菌主要用於去除好氧區域硝化過程和厭氧氨氧化過程產生的硝酸鹽，提高出水總氮去除率。

實施例2

ubf反應器及其系統，同實施例1，不同在於設置的各項參數為：懸浮汙泥區域、辮編式填料區域和白鐵礦填料區域的高度比為1.4:1:0.8；反應器的內外層直徑比為1:1.1，高徑比為5：1；硫化物沉澱的等表面積平均直徑為0.6cm，多孔承託層的平均孔徑為0.3cm。

具體步驟同實施例1，不同在於工藝過程的各項控制參數為：工藝過程的控制參數為進水經過曝氣，do上升至1.3mg/l左右，通過投加酸鹼調節ph至8左右；ubf反應器水力停留時間為6h；懸浮汙泥區域的回流比為5:1；白鐵礦填料區域底部取樣口處的do濃度範圍控制在0.2mg/l以下，氨氮轉化率控制在60％；懸浮汙泥區域底部設置排泥口，控制亞硝化汙泥的srt為17d；通過水浴加熱的方式維持反應器溫度為30℃。

實施例3

ubf反應器及其系統，同實施例1，不同在於設置的各項參數為：懸浮汙泥區域、辮編式填料區域和白鐵礦填料區域的高度比為1.5:1:0.8；反應器的內外層直徑比為1:1.2，高徑比為6：1；硫化物沉澱的等表面積平均直徑為0.7cm，多孔承託層的平均孔徑為0.4cm。

具體步驟同實施例1，不同在於工藝過程的各項控制參數為：工藝過程的控制參數為進水經過曝氣，do上升至1.5mg/l左右，通過投加酸鹼調節ph至9左右；ubf反應器水力停留時間為7h；懸浮汙泥區域的回流比為6:1；白鐵礦填料區域底部取樣口處的do濃度範圍控制在0.2mg/l以下，氨氮轉化率控制在65％；懸浮汙泥區域底部設置排泥口，控制亞硝化汙泥的srt為20d；通過水浴加熱的方式維持反應器溫度為35℃。

ubf反應器啟動：向懸浮汙泥區域接種硝化汙泥，向白鐵礦填料區域接種厭氧氨氧化-硫自養反硝化耦合汙泥，反應器進水採用合成廢水，其在反應器啟動期間成分及濃度變化如下：

表1ubf反應器啟動進水成分及濃度變化情況(單位：mg/l)

以進水氨氮濃度達到320mg/l，硝態氮濃度為0，反應器出水氨氮低於10mg/l，總氮低於30mg/l作為啟動成功的標誌，反應器運行34d後成功啟動。

工藝應用實例

廢水一：試驗廢水採用汙泥消化液，其水質各項指標如表1-1：

表1-1汙泥消化液水質各項指標(單位：mg/l)

反應器處理汙泥消化液運行穩定後各項指標如表1-2：

表1-2反應器處理汙泥消化液運行穩定後各項指標

從上述應用實例可以看出，不同實施例之間氨氮和總氮去除效果相差較小，工藝整體穩定性較高。氨氮去除率可達97％以上，總氮去除率達到95％以上，出水氨氮和總氮基本達到直排要求。工藝對cod有一定的去除率，表明反應器中存在異養菌並與自養細菌達成共生狀態,cod排放基本達到城鎮汙水處理廠一級b標準。

廢水二：試驗廢水採用產甲烷發酵液，其水質各項指標如表2-1：

表2-1產甲烷發酵液水質各項指標

反應器處理汙泥消化液運行穩定後各項指標如表2-2：

表2-2反應器處理產甲烷發酵液運行穩定後各項指標

從上述應用實例可以看出，對於氨氮高於工藝要求值的廢水，該工藝仍能取得較高的氨氮和總氮去除率，平均氨氮和總氮去除率分別為94％、93％，工藝應對高基質濃度和衝擊負荷具有較高的穩定性。綜上所述，該工藝適用於高氨氮低c/n廢水的處理，具有較高的運行穩定性和脫氮效率。