CN100469711C - 亚硝化-厌氧氨氧化单级生物脱氮方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种亚硝化—厌氧氨氧化单级生物脱氮方法，所述工艺利用投加粉末状活性炭后所强化形成的以活性炭为核心的亚硝化菌群与厌氧氨氧化菌群两类菌群的共生复合颗粒污泥，以及其发生的亚硝化反应与厌氧氨氧化反应两种反应的耦合，在宏观上实现了氨氮转化为氮气的生物脱氮反应。本发明在常温下、同一反应器中运行，无需对废水进行加热预处理，节省能源，占地面积小，并可减少游离态亚硝酸盐游离亚硝酸的累积量，从而能够耐受更高浓度进水氨氮。本发明投加粉末活性炭形成强化颗粒污泥，采用悬浮态污泥进行自培养，因而简化了工艺的启动运行。

Description

亚硝化-厌氧氨氧化单级生物脱氮方法

技术领域

本发明属于废水生物处理领域，涉及到利用亚硝化菌群和厌氧氨氧化菌群颗粒化污泥来处理中低浓度含氨废水的方法。

背景技术

湖南大学在2006年8月29日申请的申请号为200610032147的《短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮运行方式及装置》的公开说明书中公开了一种通过实时控制反应容器内污水的温度和高频度曝气—缺氧交替的限制性曝气方式实现亚硝化厌氧氨氧化反应，一个循环进行四次进水、曝气、缺氧阶段，此工艺要对污水进行预处理，需将进水水温加热到26~33℃，在运行阶段要维持反应器中的温度在28~33℃之间，溶解氧浓度控制在1.1~1.5mg/L。大连理工大学在2006年8月30日申请的申请号为200610047605的《同时硝化厌氧氨氧化工艺的无纺布生物转盘反应器》公开说明书中公开可一种无纺布生物转盘反应器，在此反应器中，通过控制反应器中水位，使旋转的生物盘盘片交替与废水和空气接触，实现在同一反应器中实现亚硝化和厌氧氨氧化。但以上两个专利申请中的技术都是基于生物膜的反应器，同时都要对反映器中的废水进行加热处理，并严格控制溶解氧浓度。增加了能源消耗，不易于工艺的控制。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种亚硝化—厌氧氨氧化单级生物脱氮方法，无需对废水进行加热预处理，在单一反应器中宏观上同时实现亚硝化、厌氧氨氧化反应。

本发明利用投加粉末状活性炭后所强化形成的以活性炭为核心的亚硝化菌群与厌氧氨氧化菌群两类菌群的共生复合颗粒污泥，以及其发生的亚硝化反应与厌氧氨氧化反应两种反应的耦合，在宏观上实现了氨氮转化为氮气的生物脱氮反应。

本发明工艺包括污泥颗粒化、反应器启动、反应器运行三个阶段：

(1)、污泥颗粒化阶段：首先将反应装置中加入待驯化的亚硝化污泥以及厌氧氨氧化污泥，投加粉末状活性炭，并加入实际废水与自来水比例为1：2的混合废水至反应装置的出水口处，保证反应装置中的污泥浓度达到3~4g/L.待污泥沉降至反应器的底部后，用气泵从反应装置中的底部进气口对反应器进行曝气充氧，同时以较低的进水流量将混合废水从反应装置的下部进水口泵入，在反应器内循环流动过程中，粉末活性炭与亚硝化污泥及厌氧氨氧化污泥充分接触，在水力剪切力的作用下，絮体团表层较为松散的污泥层开始脱落，而结构较为密实的生物层得以存留，在长期运行下形成了以活性炭为核心的亚硝化菌与厌氧氨氧化共生的复合颗粒污泥；

(2)、反应器启动阶段：在启动阶段初期，由于亚硝化-厌氧氨氧化共生颗粒污泥需要对进水中的各种基质进行适应性的生长代谢过程，会产生一定时间的停滞期，但随着反应的连续运行，亚硝化菌的活性首先得到恢复，以混合液中的溶解氧为电子受体，将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，混合液中的亚硝酸盐氮浓度开始上升，被包裹的厌氧氨氧化菌在低溶解氧的微生物环境中，活性开始恢复，利用扩散进来的氨和亚硝酸盐进行厌氧氨氧化反应，生成氮气，达到脱氮的目的。当反应器的总氮去除率开始不断升高时，逐步增大含氨废水在进水中的比例，直至比例达到100％，从而完成了亚硝化-厌氧氨氧化共生脱氮反应的启动过程；

(3)、运行阶段：反应装置采用连续运行的方式，废水从反应器的中下部连续泵入，而出水从溢流口中连续流出，反应维持在稳定的状态。

本发明在复合污泥颗粒生成阶段，本发明所需的粉末活性炭的投配比控制在1~3％，气水比为80~110m³(空气)/m³(水)，有机物浓度为COD＝100~200mg/L，污泥龄SRT大于等于100d，溶解氧浓度为DO<0.1mg/L。

本发明运行阶段的温度18~26C，pH7.5~8.5，DO<0.5mg/L，水力停留时间3~24h，MLSS＝3000~4000mg/L。

本发明找到了一种能符合实际应用的颗粒化新型生物脱氮技术，在常温下反应运行，对于溶解氧的控制不要求达到很低的水平，本发明直接以悬浮污泥启动运行，启动时间减少，而且内循环反应器中，气液相对运行剧烈，气液传质阻力减小，可以达到较高的总氮去除负荷，和较短的水力停留时间。本发明通过亚硝化菌与厌氧氨氧化菌的共生脱氮作用，可以使反应器中的游离亚硝酸的累积量维持在较低的水平，从而能够耐受更高浓度进水氨氮。本发明所实现的投加粉末活性炭强化颗粒污泥的形成，无需事先接种厌氧颗粒污泥或反硝化颗粒污泥，而是采用悬浮态污泥进行自培养，因而工艺的启动运行得到简化。而且本发明的颗粒污泥在较高水流剪切力下形成，较为密实，颗粒完整，从而提高了工艺的适应性和稳定性。

具体实施方式：

1、污泥颗粒化阶段：

颗粒污泥的形成条件：

颗粒污泥的培养过程，实际上也是一个微生态系统形成的过程，培养条件的变化直接影响到组成好氧颗粒污泥微生物群的结构和分布，包括其组成优势微生物从数量和种类上的重构。因此可以通过控制适当的条件，实现好氧颗粒污泥的定向培养。

粉末活性炭的投配比：

粉末活性炭的投加，成为颗粒污泥形成的诱导因素。如果混合液中没有无机颗粒物质的存在，较难形成结构完整的颗粒污泥，而只能以污泥絮体的形式存在。本发明所需的粉末活性炭的投配比控制在1~3％，即投加粉末活性炭的质量占反应器中活性污泥的1~3％.

气水比：

水流剪切力是颗粒污泥形成的动力，颗粒污泥机械强度、稳定性、与反应器中水流剪切力有直接关系。水流剪切力是曝气过程中表面升流气速所引起的，表面升流气速越大产生的水流剪切力也越大。在负荷一定的情况下，水流剪切力的变化会导致颗粒污泥直接的变化。在适当范围内，较高的水流剪切力会形成粒径较小且较为密实的颗粒污泥。气提反应器中由空气上升形成循环旋流的动力，维持了混合液中较高的水流剪切力，因此所形成的颗粒污泥粒径较小，但结构密实。在反应器运行中可以用气水比来间接表示水流剪切力的大小，本发明采用穿孔管曝气，所控制的气水比为80~110m³(空气)/m³(水)。

有机物浓度(COD)：

进水中含有一定浓度的有机物，使得在低溶解氧条件下耐受性较强的异养菌种能够在反应器中生存，特别是丝状菌等的适度存在使得污泥的絮体的结合性较强，使得污泥的凝聚性和沉降性增强，有利于颗粒污泥的形成。但过高的有机物浓度会引起异养菌的过度生长，从而对自养的亚硝化菌和厌氧氨氧化菌产生竞争性抑制，不利于脱氮反应的稳定运行。本发明控制的有机物浓度为：COD＝100~200mg/L。

污泥龄(SRT)：

本发明控制反应器运行在超长污泥龄下，不进行人工主动排泥，使得反应器中存在的各种类型细菌都能得到一定程度的持留，有利于细胞在反应器中实现多样化，从而能够进行多种类型的反应。控制SRT大于等于100d。

溶解氧(DO)：

低溶解氧条件下，有助于形成好氧厌氧菌共生的颗粒污泥。较低的溶解氧可以使颗粒内部的厌氧氨氧化反应区维持在较大的范围，从而使脱氮反应能力得到加强。本发明所控制的低溶解氧浓度为DO<0.1mg/L。

首先将反应装置中加入待驯化的亚硝化污泥以及厌氧氨氧化污泥，按投配比为1~3％投加粉末状活性炭，并加入实际废水与自来水比例为1：2的混合废水至反应装置的出水口处，保证反应装置中的污泥浓度达到3~4g/L.待污泥沉降至反应器的底部后，用气泵从反应装置中的底部进气口对反应器进行曝气充氧，同时以较低的进水流量将混合废水从反应装置的下部进水口泵入。空气在反应器中心筒中上升，夹带着空气的混合液的密度下降，向上流动，在反应器顶部较大的中心筒中进行气水分离，混合液的密度增大，在沉降管中向下流动，从而产生内循环流动。在内循环流动过程中，粉末活性炭与亚硝化污泥及厌氧氨氧化污泥充分接触，亚硝化菌生首先出现了较大的增殖，亚硝化菌对于曝气所充入混合液中的溶解氧消耗较多，使得反应器的溶解氧水平不断下降。由于此时反应器内的基质充分，供氧充足，使得亚硝化菌处于生长繁殖的对数增长期，亚硝化菌的生长代谢分泌出较多的粘性产物，使得亚硝化菌以活性炭为核心，不断的粘接在一起，形成絮体团，同时也将受抑制的厌氧氨氧化菌包裹其中。亚硝化菌以混合液中的溶解氧为电子受体，将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，混合液中亚硝酸盐氮浓度开始上升，在亚硝化-厌氧氨氧化共生体的菌团内外形成了浓度梯度，亚硝酸盐开始向共生体内部扩散。被包裹的厌氧氨氧化菌在低溶解氧的微生物环境中，活性开始恢复，开始利用扩散进来的氨和亚硝酸盐进行厌氧氨氧化反应，生成氮气，达到脱氮的目的。在水力剪切力的作用下，絮体团表层较为松散的污泥层开始脱落，而结构较为密实的生物层得以存留，在长期运行下形成了以活性炭为核心的亚硝化菌与厌氧氨氧化共生的复合颗粒污泥。

2、反应器启动阶段：

接种了亚硝化—厌氧氨氧化共生颗粒污泥的反应器先以低进水容积负荷启动，达到控制要求后，逐步的提高进水负荷以满足对进水脱氮的要求。

废水与亚硝化-厌氧氨氧化共生污泥充分混合接触，在亚硝化菌和厌氧氨氧化菌的共同作用下发生脱氮的生化反应，将废水中的氨氮转化为氮气，从而去除废水中的氮。在启动阶段初期，由于亚硝化-厌氧氨氧化共生颗粒污泥需要对进水中的各种基质进行适应性的生长代谢过程，会产生一定时间的停滞期，微生物的代谢水平维持在较低的阶段，反应活性不高，特别是厌氧氨氧化菌对于环境的适应过程较长，而且由于亚硝化菌的活力也不强，使其对于混合液中的溶解氧的消耗量较少，混合液的溶解氧可能会出现较高的水平，由此厌氧氨氧化菌被曝露在较高的溶解氧环境下，反应活性进一步受到抑制。这使得反应器的脱氮水平不高。

但随着反应的连续运行，亚硝化菌的活性首先得到恢复，细菌出现了较大的增殖，亚硝化菌对于曝气所充入混合液中的溶解氧消耗较多，使得反应器的溶解氧水平不断下降。由于此时反应器内的基质充分，供氧充足，使得亚硝化菌处于生长繁殖的对数增长期，亚硝化菌的生长代谢分泌出较多的粘性产物，使得亚硝化菌不断的粘接在一起，形成絮体，同时也将受抑制的厌氧氨氧化菌包裹其中。亚硝化菌以混合液中的溶解氧为电子受体，将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，混合液中的亚硝酸盐氮浓度开始上升，在亚硝化-厌氧氨氧化共生体的菌团内外形成了浓度梯度，亚硝酸盐开始向共生体内部扩散。被包裹的厌氧氨氧化菌在低溶解氧的微生物环境中，活性开始恢复，开始利用扩散进来的氨和亚硝酸盐进行厌氧氨氧化反应，生成氮气，达到脱氮的目的。由此，开始产生了亚硝化-厌氧氨氧化共生反应，亚硝化菌利用混合液中的溶解氧进行亚硝化反应，使得亚硝化-厌氧氨氧化共生体的微环境中的溶解氧下降到很低的水平，厌氧氨氧化菌则在此条件下利用氨和亚硝酸盐进行厌氧氨氧化反应，使得亚硝化-厌氧氨氧化共生体的微环境中的亚硝酸盐浓度维持在一定的范围内不再升高，从而减小了过高的亚硝酸盐浓度形成的游离亚硝酸对于亚硝化菌和厌氧氨氧化菌的抑制性影响，维持菌群的正常生理活性。在亚硝化菌与厌氧氨氧化菌的共代谢作用下，宏观上发生了氨氮转化为氮氧的生物脱氮反应。而在反应器的宏观环境中，混合液溶解氧能够持续在0.5mg/L以下，混合液中的亚硝酸盐浓度维持在10mg/L以下，总氮的去除率不断升高。

当反应器的总氮去除率开始不断升高时，可逐步增大含氨废水在进水中的比例，直至比例达到100％，从而完成了亚硝化-厌氧氨氧化共生脱氮反应的启动过程。

3、运行阶段

本发明运行条件：

(1)本技术适合处理的废水为含有中低浓度的氨氮(浓度小于400mgN/L)，而水中的有机物含量(COD值)不高(浓度小于300mgCOD/L)，水温达到常温条件的废水。

(2)反应器运行在常温条件下，无需加热等操作。在常温范围中，温度对于亚硝化-厌氧氨氧化耦合反应不起决定作用，只起到加速或减缓的作用。通常，较高的温度会促进反应的进行。

(3)对于进水中的溶解氧无需严格控制。进水中所含的悬浮物(SS)不过高(浓度小于100mg/L)，对于较高悬浮物的废水可预先进行沉淀等操作。

(4)反应器的进气位置为底部，进气的形式可以采用穿孔管等形式，维持气液比为80~120m³(空气)/m³(水)。反应器的进水位置可以为底部，也可为反应器侧壁多点进水。

(5)反应器为连续进水连续出水的运行方式。在较低进水容积负荷下运行，可采用单一报气提反应器，从反应器上部的沉淀区直接出水的形式；对于较高进水容积负荷条件下，可以采用两级反应器形式，并增加出水的沉淀池，进行污泥回流的操作。

(6)本技术所运行的反应器无需避光、密封等操作。

具体运行参数为：温度18~26C，pH7.5~8.5，DO<0.5mg/L，水力停留时间3~24h，MLSS＝3000~4000mg/L

反应装置采用连续运行的方式，废水从反应器的中下部连续泵入，而出水从溢流口中连续流出，反应维持在稳定的状态。在正常反应阶段，出水中的总氮去除率达到80~85％，而出水中的氨氮和亚硝酸盐氮很低，维持在5mg/L以下。

在正常的运行阶段，反应器可根据处理废水的需要进行单级运行和两级串联运行。在废水中含氨氮浓度不过高或进水量较低的情况下，即反应器的进水氨氮容积负荷较低时，可直接采用单级运行模式，推荐的进水氨氮容积负荷在0.9kgNH₄-N/m³d以下时，采用单级亚硝化-厌氧氨氧化共生脱氮反应的运行模式。在废水中含氨氮浓度较高，或进水量较大的情况下，进水的氨氮容积负荷较高采用两级串联的亚硝化-厌氧氨氧化共生脱氮反应运行模式进行处理，此时推荐的进水氨氮容积负荷在0.9~3.0kgNH₄-N/m³d之间。而过高的进水氨氮容积负荷情况下，即大于3.0kgNH₄-N/m³d时，则应采取适当的预处理措施，再进行亚硝化-厌氧氨氧化共生脱氮处理。

在正常运行条件下，不对反应器进行人工排泥，仅靠出水中携带的悬浮物来达到维持反应器内污泥浓度稳定的目的。对于反应器的溶解氧控制较为宽泛，只要在0.5mg/L以下即可，无需达到0.1mg/L以下的缺氧环境。并由此来控制曝气量的大小。

实施例1：

以单级亚硝化-厌氧氨氧化共生颗粒化污泥生物脱氮的气提式内循环反应器对污泥压滤液进行生物脱氮处理实验。具体操作参数：单级反应器有效容积16.0L，其中反应区为14L，沉淀区为2L，反应器中污泥浓度为4.5g/L，温度20~26C，pH＝7.5~8.2，平均进水流量为35.44L/d，污泥压滤液进水中氨氮平均浓度为352.67mg/L，总氮为370.33mg/L，进水的氨氮容积负荷为0.78kg/m3d，进水的总氮容积负荷为0.82kg/m3d，平均水力停留时间为0.458d.反应运行期间的溶解氧控制在0.5mg/L以下。稳定运行102d，反应正常运行期间，总氮平均去除率为81.04％，出水氨氮为0.07mg/L，亚硝酸盐氮为3.56mg/L，硝酸盐氮为36.09mg/L，总氮为39.65mg/L，pH为7.44，碱度为386.35mg/L，氨氮的平均去除负荷为0.7327kg/m3d，总氮的平均去除负荷为0.6613kg/m3d。在试验期间，脱氮反应运行稳定，工作性能良好。

(2)实施例2：

以两级亚硝化-厌氧氨氧化共生颗粒化污泥脱氮反应器对污泥压滤液进行高负荷的生物脱氮实验。具体操作参数：一级反应器有效容积16.0L，二级反应器有效容积4.86L.反应器中污泥浓度为4.3g/L，温度20~26℃，平均进水流量为154.93L/d，水力停留时间为0.104d。污泥压滤液进水中氨氮平均浓度为331.15mg/L，总氮平均浓度为339.01mg/L，进水氨氮容积负荷为3.2055kg/m³d，总氮容积负荷为3.2811kg/m³d，控制溶解氧在0.5mg/L以下，稳定运行48d，出水总氮去除率为79.60％，出水氨氮平均浓度为23.22mg/L，亚硝酸盐氮浓度为3.86mg/L，硝酸盐氮平均浓度为41.51mg/L，总氮平均浓度为68.59mg/L.反应器在高负荷条件下稳定运行，虽然出水总氮浓度与实施例1中相比较高，但总氮去除率能够维持在较高的水平。

Claims (4)

1、一种亚硝化—厌氧氨氧化单级生物脱氮方法，其特征在于利用投加粉末状活性炭后所强化形成的以活性炭为核心的亚硝化菌群与厌氧氨氧化菌群两类菌群的共生复合颗粒污泥，以及其发生的亚硝化反应与厌氧氨氧化反应两种反应的耦合在宏观上实现了氨氮转化为氮气的生物脱氮反应，

该方法包括污泥颗粒化、反应器启动、反应器运行三个阶段：

(1)、污泥颗粒化阶段：首先将反应装置中加入待驯化的亚硝化污泥以及厌氧氨氧化污泥，投加粉末状活性炭，并加入实际废水与自来水比例为1：2的混合废水至反应装置的出水口处，保证反应装置中的污泥浓度达到3～4g/L，待污泥沉降至反应器的底部后，用气泵从反应装置中的底部进气口对反应器进行曝气充氧，同时以较低的进水流量将混合废水从反应装置的下部进水口泵入，在反应器内循环流动过程中，粉末活性炭与亚硝化污泥及厌氧氨氧化污泥充分接触，在水力剪切力的作用下，絮体团表层较为松散的污泥层开始脱落，而结构较为密实的生物层得以存留，在长期运行下形成了以活性炭为核心的亚硝化菌与厌氧氨氧化菌共生的复合颗粒污泥；

(2)、反应器启动阶段：在启动阶段初期，由于亚硝化-厌氧氨氧化共生颗粒污泥需要对进水中的各种基质进行适应性的生长代谢过程，会产生一定时间的停滞期，但随着反应的连续运行，亚硝化菌的活性首先得到恢复，以混合液中的溶解氧为电子受体，将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，混合液中的亚硝酸盐氮浓度开始上升，被包裹的厌氧氨氧化菌在低溶解氧的微生物环境中，活性开始恢复，利用扩散进来的氨和亚硝酸盐进行厌氧氨氧化反应，生成氮气，达到脱氮的目的，当反应器的总氮去除率开始不断升高时，逐步增大含氨废水在进水中的比例，直至比例达到100％，从而完成了亚硝化-厌氧氨氧化共生脱氮反应的启动过程；

(3)、运行阶段：反应装置采用连续运行的方式，废水从反应器的中下部连续泵入，而出水从溢流口中连续流出，反应维持在稳定的状态。

2、根据权利要求1所述的亚硝化—厌氧氨氧化单级生物脱氮方法，其特征在于在复合颗粒污泥生成阶段，所需的粉末活性炭的投配比控制在1～3％，气水比即空气/水为80～110m³/m³，有机物浓度为COD＝100～200mg/L，污泥龄SRT大于等于100d，溶解氧浓度为DO<0.1mg/L。

3、根据权利要求1或2所述的任一亚硝化—厌氧氨氧化单级生物脱氮方法，其特征在于所述运行阶段的温度18～26℃，pH7.5～8.5，DO<0.5mg/L，水力停留时间3～24h，MLSS＝3000～4000mg/L。

4、根据权利要求1或2所述的任一亚硝化—厌氧氨氧化单级生物脱氮方法，其特征在于对于较高进水容积负荷条件下，采用两级反应器形式，并增加出水的沉淀池，进行污泥回流的操作。