一種實現低碳氮比高濃度含氮廢水穩定生物亞硝化的方法
2023-05-10 12:49:06
專利名稱：一種實現低碳氮比高濃度含氮廢水穩定生物亞硝化的方法
技術領域：
本發明屬於廢水生物處理技術領域，涉及一種低碳氮比高濃度含氮廢水生物亞硝化的方 法，即實現穩定、連續亞硝化的方法。
背景技術：
垃圾滲濾液、汙泥消化上清液及某些食品加工廠廢水等高濃度含氮廢水，其有機汙染物 (C0D)濃度可達1000 10000mg/L、氨氮(NH4+-N)濃度可達1000 8000mg/L。這類低C/N比 高濃度含氮廢水以傳統的完全硝化反硝化工藝進行脫氮處理，會由於反硝化所需碳源不足而 導致脫氮效果不佳。亞硝酸型生物脫氮工藝的出現解決了這一難題，它具有簡化處理流程、 節約能耗、減少反應器容積和處理佔地等優勢，能極大地拓展生物脫氮工藝的應用範圍、強 化脫氮處理效果，特別是對於低C/N比的高濃度含氮廢水而言，亞硝酸型生物脫氮工藝的優 勢更為明顯。亞硝酸型生物脫氮工藝大致可分為兩類，第一步都是通過亞硝酸菌將廢水中的NH4+-N氧 化為亞硝酸鹽氮(N02—-N)，第二步區別為 一類方法是通過反硝化菌在碳源的參與下將 N02—-N反硝化為氮氣(N2)而從水中去除，另一類是通過厭氧氨氧化菌將NH4tN與N02—-N反應 生成N2而從水中去除，這兩類方法都同樣可以達到廢水生物脫氮目的。就這些脫氮工藝而言 ，如何將NH4tN的氧化停留在N02—-N階段是工藝關鍵，即如何維持穩定、連續的亞硝化狀態 是後續脫氮步驟成功的基礎。目前普遍認為亞硝化現象出現的原因是硝酸菌受到抑制或洗出，而亞硝酸菌保持相應的 活性而導致N02—-N的積累。已經報導的影響亞硝化的控制因素主要有溫度、pH、游離氨(FA )濃度、氮負荷、溶解氧(D0)濃度、有害物質、抑制劑及泥齡等。荷蘭Delft工業大學 Kluyver生物技術實驗室開發的SHARON工藝利用高溫(32 35°C)下亞硝酸菌和硝酸菌生長 速率不同，洗出硝酸菌而實現亞硝化，但該工藝只能應用於高溫廢水，從而局限了它的應用 。郝春明於2005年6月《能源環境保護》(第19巻第3期)中提出亞硝酸鹽的積累與溫度、D0 和汙泥齡應該存在一定的數學關係的看法，但並未對此進行研究；張小玲於2003年7月《中 國給水排水》(第19巻第7期)中提出以NH4tN濃度為260mg/L的廢水進行亞硝化試驗，試驗中保持系統汙泥齡為30d，反應器中出現N02—-N的積累，但系統運行50d後發生汙泥膨脹，導 致汙泥流失，硝化率下降，因此得出必須控制合適的汙泥齡以維持持久的亞硝酸積累的結論 ，但並未對汙泥齡的影響進行進一步研究；範建華於2007年2月《中國給水排水》(第23巻 第3期)中提出城市生活汙水控制汙泥齡11 d可實現穩定的亞硝酸鹽型同步硝化反硝化，但未 考察長期運行效果。根據發明人的長期研究結果，低NH4tN濃度系統(如城市生活汙水)長期運行會使硝酸 菌逐漸適應亞硝化條件，恢復活性，使亞硝化現象不可逆消失，但若要保持汙泥的更新率以 避免適應性出現，又會出現汙泥流失導致系統崩漬。目前國內外各類文獻對亞硝化現象的理 論解釋還處於探索階段，無法給出一個統一的結論，長久穩定地維持N02—-N積累的途徑還有 待探索。另外，中國專利文獻CN1562799A提出在中溫(32 35°C)，限制DO濃度等條件下，通過 逐步提高進水NH4tN濃度至420mg/L以快速啟動亞硝化系統。專利文獻CN1785843A是將厭氧 汙泥培育成硝化顆粒汙泥後在上流式好氧生物反應器中通過逐步提高進水^14+-N濃度至300 500mg/L形成亞硝化系統。專利文獻CN1978339A在低D0和快速提高進水NH4tN濃度兩種方 法結合下，對進水NH4tN濃度小於1000mg/L的廢水快速亞硝化；以上各項專利，總體而言均 是利用提高進水NH4tN濃度而形成的FA及低D0對硝酸菌形成抑制而快速啟動亞硝化系統。專 利文獻CN1927739A、 CN101054236A均是對廢水進行同時亞硝化一厭氧氨氧化達到生物脫氮目 的。以上各項專利也均未對系統汙泥齡提出控制，而且處理的廢水NH4tN濃度也只處於中、 低濃度範圍，並且未對亞硝化系統長期運行穩定性進行研究。 發明者已有的研究成果表明維持一定的反應系統汙泥齡是建立長期穩定亞硝化系統的必要條件。單純靠環境因子( 如高游離氨或低溶解氧)對硝酸菌的抑制作用來建立長期的亞硝化體系不可行的，汙泥會產 生適應性而導致亞硝化現象在維持一段時間後消失。保持汙泥的更新率，從根本上對汙泥的 構成體系進行選擇性積累，使亞硝酸菌在汙泥相中佔據優勢地位才能建立長期穩定的亞硝化 體系，而汙泥齡直接影響系統汙泥的更新，因此汙泥齡直接關係到亞硝化系統的穩定性。已 有的關於亞硝酸菌和硝酸菌生長數率的數據是在實驗室純培養條件下得出的，這與實際應用 中的廢水處理系統這樣複雜的混合培養體系差異很大，因此亞硝化系統的汙泥齡要參考實際 試驗結果。發明人實際試驗結果表明中、低NH4tN濃度廢水亞硝化系統若要維持亞硝化系統要求的足夠低的汙泥齡以實現對亞硝酸菌的選擇性積累，則會因為系統碳、氮負荷低，汙泥增長量 低於流失量，最終造成汙泥流失，系統崩潰。只有高NH4tN濃度廢水亞硝化系統，因其汙泥 負荷足夠高，汙泥增長量能維持亞硝化系統要求的足夠低的汙泥齡，所以能維持長期穩定的 亞硝化系統。在廢水生物處理系統這樣的開放的非純培養系統中，亞硝酸菌和硝酸菌之間是較為緊密 的互生關係，硝酸菌能夠迅速地將N02—轉化為N03—，即使採取各種抑制系統中硝酸菌活性的 方法，也不能使其完全被抑制或消除、洗出，系統出水中總存在一定數量的N03—-N，因此完 全的亞硝化是不可能的，但可以儘量提高出水亞硝化率(N02—-N/(N02—-N+N03—-N))。基於發明者上述的研究成果提出如下發明內容。發明內容本發明的目的是提供一種實現低碳氮比高濃度含氮廢水穩定生物亞硝化的方法，即實 現低碳氮比高濃度含氮廢水穩定、連續亞硝化的方法，以克服現有技術的不足。本發明者通過預備試驗證明間歇進水、間歇排水方式運行的活性汙泥SBR反應系統難以 承受進水時產生的高NH4tN、 FA衝擊負荷，汙泥受到毒害，難以進行後續的降解反應。為緩 衝負荷，維持基質的均勻性，本發明採用連續進水、間歇排水的活性汙泥SBR工藝，併合理 控制系統的汙泥齡保持在3天，方法包括以下兩個階段1、 汙泥的接種和培養階段首先將接種汙泥放入反應器，接種量為反應器有效容積的 1/4;培養時間20天，自培養開始即採用連續進水、間歇排水活性汙泥SBR亞硝化工藝，每個 反應運行周期為12 h，每周期進、排水量為反應器容積的一半；前ll天的培養過程為每天以 10%的增加量逐步提高高濃度含氮廢水的進水比率，至第ll天結束時進水完全為高濃度含氮 廢水；培養開始的前3天系統不排泥，隨進水比率增加，自第4天開始，以每2天為一個階段，逐步增加排泥量，使汙泥齡自10天降至5天再降至3.3天，至第10天結束時汙泥齡降為3天 ，這IO天中保持反應器DO濃度在I. 5 2mg/L，後10天的培養過程為每天以10%的比例逐步降 低反應器DO濃度，至第20天降為0. 7 1.2mg/L;培養結束時系統出水的朋4+^降解率為75% ，出水的亞硝化率約為80%，亞硝化系統啟動完成。2、 穩定生物亞硝化運行階段保持上述啟動成功的連續進水、間歇排水活性汙泥SBR亞 硝化工藝，以低碳氮比高濃度含氮廢水為進水，每周期進、排水量為反應器容積的一半，維 持系統汙泥齡為3天、反應器D0濃度為1.5 2mg/L、運行周期為12 h，在該周期內，連續進 水12h、連續曝氣l. 5h、靜置沉澱20 min、間歇排水IO min，在10 4(A]的氣溫下均可對反應器不作溫度調節，只有當冬季溫度極低時以恆溫加熱器維持反應器溫度在10 12"(]，反應 器在每周期連續曝氣階段結束前5min由排泥管排泥一次，每次排泥量為l/6反應器容積，每 一周期內結束沉澱後上清液經排水管流走。經水力計算可知該系統的HRT為O. 75 d，在整個培養、亞硝化運行過程中均不對系統pH 值、MLSS濃度作控制。經長達420天的連續運行(S卩840個運行周期)，雖然進水水質有小幅 波動，該亞硝化系統始終穩定維持了較好的NH4tN降解率(70 82%)、較高的亞硝化率( 78 90%)，證明本發明的低碳氮比高濃度含氮廢水穩定生物亞硝化系統是實際可行的。本發明的優點是1、 能實現低碳氮比高濃度含氮廢水穩定、連續亞硝化。本發明維持穩定亞硝化的原理 是保持汙泥的更新率(汙泥齡3天)，從根本上對汙泥的構成體系進行選擇性積累，使亞硝 酸菌在汙泥相中佔據優勢地位從而建立長期穩定的亞硝化體系，而不是單純靠環境因子(如 高游離氨或低溶解氧)對硝酸菌的抑制作用；2、 本發明採用連續進水、間歇排水的活性汙泥SBR工藝，能有效地緩衝進水負荷，避免 進水高NH4tN濃度可能造成的高FA抑制，維持基質的均勻性，以利於後續亞硝化反應的進行 。因此本發明能直接以朋4+^濃度高達1000 mg/L及其以上的廢水作為系統進水，不需稀釋3、 本發明的亞硝化系統具有較好的NH4tN降解率(70 82%)和較高的亞硝化率(78 90%);4、 能在室溫下正常運行，實現穩定亞硝化，不需加熱。只有在冬季極低氣溫下，為了 維持反應速率，適當加熱以保持反應器溫度在10 12GC;5、 能直接以城市汙水處理廠曝氣池的活性汙泥啟動運行本發明的亞硝化系統；6、 在廢水生物亞硝化這樣的開放的非純培養系統中，亞硝酸菌和硝酸菌之間是較為緊 密的互生關係，硝酸菌不能完全被抑制或消除、洗出，系統出水中總會存在一定數量的N03—-N;7、 本發明不需對系統pH值、MLSS濃度作控制，是分別由系統的進水水質、汙泥齡自動 調控的。
圖l是實施本發明所採用的反應系統的結構示意圖。圖中1、高位水箱2、 SBR反應器3、攪拌器4、恆溫加熱器5、進水管6、排水/泥管7、 D0探頭8、 pH探頭9、鼓風曝氣機10、曝氣砂頭11、流量計具體實施方式
參見圖l，實施本方法所採用的反應裝置結構如下活性汙泥SBR反應器2為矩形水池， 以攪拌器3進行攪拌，以恆溫加熱器4維持反應器冬季溫度在10 12GC，其餘時間均不加熱， 室溫運行。以D0探頭7、鼓風曝氣機9、曝氣砂頭10維持反應器DO濃度在0.7 1.4 mg/L。以pH 探頭8探測反應器內溶液的PH值。以流量計ll控制進水量，進水管5進水於活性汙泥SBR反應 器2內的汙泥層底部，距池底10cm處，使進水管多點分散進水於汙泥層以下以減少沉澱、排 水階段進水對汙泥層的擾動。以排水、排泥管6排混合液維持系統汙泥齡為3天，排沉澱後清 液為排出處理水。此系統的MLSS是因變量，由進水水質條件和汙泥齡控制。運行時，低碳氮比高濃度含氮廢水由高位水箱l經流量計l 1調節流量後連續進入SBR反應 器2底部，緩慢分散進水；SBR反應器2每個反應運行周期(12 h)由連續進水(12h)、連續 曝氣(11.5h)、靜置沉澱(20 min)、間歇排水(10 min)組成。周期結束沉澱後上清液 經排水/泥管6流走，反應器每周期進、排水量僅為其反應器容積的一半；反應器在每周期連 續曝氣階段結束前5min由排水/泥管6排泥一次，每次排泥量為l/6反應器容積(以保證系統 汙泥齡為3天)。實施例l:處理廢水為人工配水模擬垃圾滲濾液，試驗配水充分考慮水質的複雜性，除 COD、 NH4tN外，加入適當的磷、鹼度、微量元素等。製作一個有效容積為20升(L)的有機 塑料圓柱形SBR反應器，進水由60L的塑料高位水箱經恆流泵以13.89 mL/min (即10L/12h) 的流量進入反應器底部，進水管多點分散進水於距池底10cm處，經12 h反應周期(連續進水 12h、連續曝氣1.5h、靜置沉澱20min、間歇排水IO min)運行後由排水管排水10L，同時在 連續曝氣階段結束前5min排混合液以控制汙泥齡。具體步驟如下1、汙泥的接種和培養階段接種汙泥採用城市汙水處理廠曝氣池的活性汙泥。系統自 培養開始即為連續進水、間歇排水的活性汙泥SBR工藝，且每個反應運行周期亦為12 h (連 續進水12h、連續曝氣1.5h、靜置沉澱20min、間歇排水IO min)，每周期進、排水量為10L 。前ll天的培養過程為每天逐步增加進水的高濃度含氮廢水的比率，如以100%普通生活汙 水為培養第一天的進水，以90%普通生活汙水+ 10%高濃度含氮廢水為第二天的進水，以80 %普通生活汙水+ 20%高濃度含氮廢水為第三天的進水，依此類推，至第ll天時進水完全為 高濃度含氮廢水。培養開始前3天系統不排泥，隨進水比率增加，自第4 5天開始在每周期 曝氣階段結束前5min排混合液lL，第6 7天排混合液2L，第8 9天排混合液3L，至弟10天排混合液3. 33L (至此汙泥齡降為3天)，但這10天中保持反應器D0濃度在約1. 5 2mg/L;後10 天的培養過程為每天以10X的比例逐步降低反應器D0濃度，至第20天降為0.7 1.2mg/L。培 養結束時系統出水的NH4tN降解率約為75X ，出水的亞硝化率約為80% ，亞硝化系統啟動成 功。2、穩定生物亞硝化階段保持上述啟動成功的連續進水、間歇排水活性汙泥SBR亞硝化 工藝穩定運行，每周期連續進水10L，經12 h反應周期(連續進水12h、連續曝氣l. 5h、靜置 沉澱20 min、間歇排水IO min)運行後排水10L。每反應周期連續曝氣階段結束前5min由排 泥管排泥水混合液3. 33L。系統汙泥齡為3天、反應器DO濃度l. 5 2mg/L、 HRT為O. 75 d、系 統溫度為14 28^ (室溫)、反應器pH值由進水水質自動控制為7. 5 8. 5、 MLSS濃度為1500 1800 mg/L。系統穩定、連續運行300天。該亞硝化系統進、出水水質如下表COD (mg/L)NH4 -N (mg/L)N0一2脬 (mg/L)N0一3脬 (mg/L)NH4 -N 降解率亞硝化率進水指 標800 10001000 110000出水指 標328 660245 312524 68070 18070 82%78 90%實施例2:以實際晚期垃圾滲濾液為進水，按實施例l的運行方式，保持系統運行方式和 各項運行參數不變，系統穩定、連續運行126天，該亞硝化系統進、出水水質如下表COD (mg/L)NH4 -N (mg/L)N0一2脬 (mg/L)N0一3脬 (mg/L)NH4 -N 降解率亞硝化率進水指 標1800 2400800 10000 0. 58 20出水指 標647 913237 312467 54324 8767 74%75 86%
權利要求
1.一種實現低碳氮比高濃度含氮廢水穩定生物亞硝化的方法，其特徵在於它是將系統汙泥齡控制在3天，並與連續進水、間歇排水的運行方法結合，按以下兩個階段進行(1)汙泥的接種和培養階段首先將接種汙泥放入反應器，接種量為反應器有效容積的1/4，培養時間20天，自培養開始即採用連續進水、間歇排水活性汙泥SBR亞硝化工藝，每個反應運行周期為12h，每周期進、排水量為反應器容積的一半；前11天的培養過程為逐步每天以10％的增加量逐步提高高濃度含氮廢水的進水比率，至第11天結束時進水完全為高濃度含氮廢水；培養開始的前3天系統不排泥，隨進水比率增加，自第4天開始，以每2天為一個階段，逐步增加排泥量，使汙泥齡自10天降至5天再降至3.3天逐步，至第10天結束時汙泥齡降為3天，這10天中保持反應器DO濃度在1.5～2mg/L，後10天的培養過程為每天以10％的比例逐步降低反應器DO濃度，至第20天降為0.7～1.2mg/L；培養結束時系統出水的NH4+-N降解率為75％，出水的亞硝化率約為80％，亞硝化系統啟動完成；(2)穩定生物亞硝化運行階段保持上述啟動成功的連續進水、間歇排水活性汙泥SBR亞硝化工藝，以低碳氮比高濃度含氮廢水為進水，每周期進、排水量為反應器容積的一半，維持系統汙泥齡為3天、反應器DO濃度為1.5～2mg/L、運行周期為12h，在該周期內，連續進水12h、連續曝氣1.5h、靜置沉澱20min、間歇排水10min，運行溫度為正常室溫，在冬季溫度極低時以恆溫加熱器維持反應器溫度在10～120C，在10～400C的氣溫下均可對反應器不作溫度調節，只有當冬季溫度極低時以恆溫加熱器維持反應器溫度在10～120C；反應器在每周期連續曝氣階段結束前5min由排泥管排泥一次，每次排泥量為1/6反應器容積，每一周期內結束沉澱後上清液經排水管流走。
2.根據權利要求l所述的實現低碳氮比高濃度含氮廢水穩定生物亞硝 化的方法，其特徵在於所述接種汙泥採用城市汙水處理廠曝氣池的活性汙泥。
3.根據權利要求1或2所述的實現低碳氮比高濃度含氮廢水穩定生物 亞硝化的方法，其特徵在於反應器的進水管採用多點分散進水於汙泥層以下的結構形式。
全文摘要
本發明公開了一種實現低碳氮比高濃度含氮廢水穩定生物亞硝化的方法，它將系統汙泥齡控制在3天，並與連續進水、間歇排水的運行方法結合，按兩個階段進行1.汙泥的接種和培養階段首先將接種汙泥放入反應器，培養時間20天，自培養開始即採用連續進水、間歇排水活性汙泥SBR亞硝化工藝；2.穩定生物亞硝化運行階段保持上述啟動成功的連續進水、間歇排水活性汙泥SBR亞硝化工藝，以低碳氮比高濃度含氮廢水為進水，每周期進、排水量為反應器容積的一半，維持系統汙泥齡為3天、反應器DO濃度為1.5～2mg/L、運行周期為12h。本發明能實現低碳氮比高濃度含氮廢水穩定、連續亞硝化，並且亞硝化系統具有較好的NH4+-N降解率和較高的亞硝化率。
文檔編號C02F3/12GK101323486SQ200810303068
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月25日 優先權日2008年7月25日
發明者翌 唐, 姚曉園, 張晚涼, 宏 李, 楊星宇, 萍 王, 秦禮琦, 鍾仁超, 陸天友, 雷文俊, 高俊敏, 琛 魏 申請人:貴州大學