CN100526231C

CN100526231C - Uasb-生物膜厌氧氨氧化方法及其设备

Info

Publication number: CN100526231C
Application number: CNB2007100264353A
Authority: CN
Inventors: 周少奇; 姚俊芹
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2007-01-19
Filing date: 2007-01-19
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2027-01-19
Also published as: CN101007679A

Abstract

本发明公开了UASB-生物膜厌氧氨氧化方法及其设备。该设备包括UASB生物反应器筒体(1)，筒体(1)内的下部设有污泥床(2)，上部设有三相分离器(4)，在筒体(1)内，污泥床(2)与三相分离器(4)之间设有软性填料形成的生物膜，污泥床与生物膜设有间距，污泥床(2)底层中有多种微生物，污泥床(2)中上层的微生物经过驯化后含有厌氧氨氧化菌，可对废水中的氨氮和硝态氮进行一部分厌氧氨氧化。本发明利用污泥床底层中的多种微生物先消耗废水中溶解氧，厌氧污泥床中上层的微生物经过驯化后的厌氧氨氧化菌对废水中的氨氮和硝态氮进行部分厌氧氨氧化，并在反应器上部的生物膜部分继续进行高效厌氧氨氧化，同步脱除氨氮和硝氮。

Description

UASB—生物膜厌氧氨氧化方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种UASB—生物膜厌氧氨氧化设备，具体是一种通过在UASB反应器中添加软性填料，以活性污泥驯化后厌氧污泥床和生物膜的联合作用来促进UASB—生物膜复合生物反应器进行厌氧氨氧化的新型生物反应器设备。

背景技术

UASB是上流式厌氧污泥床反应器(Up-flow Anaerobic Sludge Blanket)的简称，1982年，Lettinga首先采用了这种反应器用于有机废水的厌氧处理研究。UASB工艺是一种处理高浓度有机废水(特别是含碳水化合物的废水)的厌氧处理技术。UASB反应器由反应区和沉降区两部分组成。反应区由污泥床(thesludge bed)和污泥悬浮床(the sludge blanket)组成，沉降区由沉淀区(the settlingcompartment)和三相分离器(the gas-liquid-solid separator)组成。

UASB中的污泥呈颗粒状，它与其他生物废水反应器中的厌氧污泥、活性污泥及生物膜均不同，具有一些独特的性质，大量的有机物都是依靠颗粒污泥来去除。但是，UASB工艺也存在如下缺点：一是虽能处理高浓度有机废水，但一般难以达标排放；二是其启动时间较长，污泥颗粒化对废水处理效果有重要影响；三是在处理有机废水时，氨氮处理效果较差，如果不考虑反硝化脱氮，则主要是用于去除有机污染物。

生物膜法是一种与活性污泥法平行发展起来的生物处理工艺，也出现出于19世纪末20世纪初。当时主要是以岩石作为载体的生物滤池为代表，20世纪六、七十年代，塑料载体的出现为代替岩石填料，发展生物滤塔、生物转盘以代替生物滤池创造了条件，20世纪80年代末、90年代初，一系列新型的生物滤池、生物滤塔、生物转盘被相继开发出来。现在，环境工程师们可以对生物膜处理系统有较广泛的选择余地。在许多情况下，生物膜法可以替代活性污泥法用于城市污水的二级生物处理。

长期以来，氨的氧化被认为是在绝对好氧条件下进行的。1977年，Broda根据热力学反应自由能计算，推测自然界中可能存在两种自养微生物可以将NH₄ ⁺氧化成N₂。1994年，Mulder等人发现荷兰Deflt大学一个污水脱氮流化床反应器存在NH₄ ⁺消失，且随NH₄ ⁺和NO₃ ^-的消耗，有N₂生成。因为氨氮是在厌氧条件下被氧化，因此被称作厌氧氨氧化。随后的试验通过N平衡和氧化还原平衡证实发生了以NH4+作电子供体、NO3-为电子受体的氧化还原反应。

5NH₄ ⁺+3NO₃-→4N₂+9H₂O+2H⁺，ΔG0＝-297KJ/mol (1)

从而证实了Broda的推测。1995年，Jetten通过一系列抑制剂试验证明厌氧氨氧化是一个自养微生物参与的生物过程。

厌氧氨氧化现象的发现，为生物脱氮新技术的开发提供了一个全新的思路，也引起了人们广泛的关注，成为近年来生物脱氮研究的热点。

发明内容

本发明的目的在于针对UASB技术存在的缺点，提供一种通过在UASB反应器中引入软性填料，通过污泥驯化，在反应器下部形成厌氧污泥床，在反应器上部软性填料上形成生物膜，对进水中的NH₄ ⁺和NO₂-或NO₃-通过厌氧氨氧化菌的作用从而达到同步去脱氨氮和硝氮的UASB—生物膜厌氧氨氧化设备。

为达到上述发明目的，本发明采取了如下技术方案：

一种UASB-生物膜厌氧氨氧化设备，包括UASB生物反应器筒体，UASB生物反应器筒体内的下部设有污泥床，上部设有三相分离器，筒体底部设有进水口，顶部设有气体出口，位于三相分离器处的筒体上设有出水口，在UASB生物反应器筒体内，位于污泥床与三相分离器之间设有软性填料形成的生物膜，污泥床与生物膜设有间距，所述污泥床底层中有多种微生物，污泥床中上层的微生物经过驯化后含有厌氧氨氧化菌，可对废水中的氨氮和硝态氮进行一部分厌氧氨氧化。所述污泥床与生物膜高度比为：0.5～1.2∶1。所述厌氧污泥床与生物膜的间距为5～20cm。所述UASB生物反应器筒体1内的生物膜3上设有温度计。

一种UASB-生物膜厌氧氨氧化方法：来自进水口的废水经污泥床底层中的多种微生物的好氧作用，消耗废水中所含溶解氧，然后经厌氧污泥床中上层的微生物经过驯化后的厌氧氨氧化菌对废水中的氨氮和硝态氮进行一部分厌氧氨氧化，未完全厌氧氨氧化的氨氮和硝态氮离开厌氧污泥床后进入上部的生物膜部分，继续进行厌氧氨氧化，实现同步脱除氨氮和硝氮，随后被处理的废水从出水口流出。

本发明UASB-生物膜复合生物反应器厌氧氨氧化的优选参数为：进水的NH₄ ⁺-N和NO₂-N的比设为1∶(1-1.9)、pH为7.8～8.2，NH₄ ⁺-N、NO₂-N和TN的容积负荷分别为0.08～0.12kgNH₄ ⁺-N/(m3·d)、0.06～0.15kgNO₂-N/(m3·d)和0.16～0.26kgTN/(m3·d)。

与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

本发明的UASB-生物膜法对NH₄ ⁺、NO₂-、T-N都有很高的去除效果：在较短的时间内(从第58天开始到100天内)就表现出很好的处理效果，NH₄ ⁺-N去除率达99.3％以上，NO₂--N去除率达92.5％，T-N去除率达84.6％，其反应的三氮比为：NH₄ ⁺-N∶NO₂-N∶NO₃-N为1∶1.67∶0.28，与国外学者Mulder，VandeGraaf等文献报道的用生物流化床反应器用时420天相比，实现厌氧氨氧化时间缩短6倍以上，三氮比1∶1.32∶0.26在产生NO₃-N略高的情况下去除NO₂-N大为提高。

附图说明

图1为本发明的UASB-生物膜反应器结构示意图；

图2为本发明的UASB-生物膜反应器对氨氮的去除效果图；

图3为本发明的UASB-生物膜反应器对NO2--N的去除效果图；

图4为本发明的UASB-生物膜反应器中产生部分NO3--N的情况；

图5为本发明的UASB-生物膜反应器的pH变化情况图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

如图1所示，一种UASB-生物膜厌氧氨氧化设备包括UASB生物反应器筒体1，UASB生物反应器筒体1内的下部设有污泥床2，上部设有三相分离器4，筒体1底部设有进水口8，顶部设有气体出口6，位于三相分离器处的筒体1上设有出水口7，在UASB生物反应器筒体1内，位于污泥床2与三相分离器4之间设有软性填料形成的生物膜3，污泥床与生物膜设有间距。UASB生物反应器筒体1内的生物膜3上设有温度计。污泥床与生物膜高度比为1∶1。厌氧污泥床与生物膜的间距为15cm。

应用本发明UASB-生物膜厌氧氨氧化设备，采取低浓度、低负荷的启动方法。来自进水口8的废水经污泥床2底层中的多种微生物的好氧作用，消耗废水中所含溶解氧，然后经厌氧污泥床2中上层的微生物经过驯化后的厌氧氨氧化菌对废水中的氨氮和硝态氮进行一部分厌氧氨氧化，未完全厌氧氨氧化的氨氮和硝态氮离开厌氧污泥床后进入上部的生物膜3部分，继续进行厌氧氨氧化，实现同步脱除氨氮和硝氮，随后被处理的废水从出水口7流出。反应器运行了363天。反应器启动运行参数与运行结果如表1：

表1 反应器运行参数

实施效果

1、厌氧氨氧化的效果

如图2、3、4所示，反应器启动运行363天，反应器进出水氨氮、亚硝氮和硝氮的含量变化曲线。在反应器运行至第48d时，开始有NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N的同时去除，且有NO₃ ^--N的生成，这是厌氧氨氧化反应的特征，说明反应器中已有ANAMMOX反应过程，至第56d时，NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N和TN的去除率分别达到99.3％、97.4％和89.6％，UASB-生物膜反应器内ANAMMOX反应过程已完全启动，且在以后的第57～123天(66天)稳定运行中，处理效果稳定，反应器内快速启动的厌氧氨氧化过程得到了检验。

图2、3、4显示出该厌氧氨氧化反应器的脱氮过程只经历了两个阶段。污泥适应期(1～46天)、厌氧氨氧化活性表现及提高期(47～56天)。

2、pH的变化

图5显示在ANAMMOX反应稳定运行期，出水pH高于进水，在8.3～8.7。反应器在运行过程中受到浓度提高(第129～143天)、膜上浮(第161～198天)、产硝氮多时(第253～274天)，均表现出出水pH下降，甚至低于进水。在产生硝氮多的时期，硝氮的生成量越高，出水的pH越低，最低达到了5.89，表明硝氮的生成过程中，产生了H⁺。

3、ANAMMOX反应过程中的三氮比

ANAMMOX反应的特点是NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N的同时去除并有少量的NO₃ ^--N的生成，由NO₂ ^-生成NO₃ ^-的原理还没有研究清楚，可能是为了给厌氧氨化菌固定碳提供电子。

反应器的配水主要有1∶1.56，1∶1.32，1∶1在反应器正常运行时的数据，除去运行不正常(膜上浮、产酸大、疑有机物进入反应器)时的数据。

表2显示了ANAMMOX反应过程中的三氮比。进水中氨氮与亚硝氮的浓度比值按电子供体与电子受体1∶1.56配水时，氨氮去除率最高可以达到99.3％，而亚硝氮的去除率却为92.5％，说明电子供体不足，即电子受体过剩。按1∶1配水时，电子供体有剩余，按1∶1.32配水时，电子供体和电子受体去除率接近。

表2 厌氧氨氧化过程的三氮比

运行天数/d	配水中NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N：NO<sub>2</sub><sup>-</sup>-N	NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N去除率	NO<sub>2</sub><sup>-</sup>-N去除率	TN去除率	NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N：NO<sub>2</sub><sup>-</sup>-N：NO<sub>3</sub><sup>-</sup>-N
运行天数/d		NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N去除率	NO<sub>2</sub><sup>-</sup>-N去除率	TN去除率		58～100	1∶1.56	99.3％	92.5％	84.6％	1∶1.67∶0.28
101～117	1∶1.00	93.4％	99.2％	90.0％	1∶1.42∶0.15	58～100	1∶1.56	99.3％	92.5％	84.6％	1∶1.67∶0.28
101～117	1∶1.00	93.4％	99.2％	90.0％	1∶1.42∶0.15	118～153	1∶1.60	89.2％	78.6％	75.9％	1∶1.44∶0.18
154～192	1∶1.32	88.4％	86.2％	79.7％	1∶1.28∶0.17	118～153	1∶1.60	89.2％	78.6％	75.9％	1∶1.44∶0.18
154～192	1∶1.32	88.4％	86.2％	79.7％	1∶1.28∶0.17	193～246	1∶1.00	92.0％	95.5％	83.7％	1∶1.28∶0.20
247～264	1∶1.32	89.6％	92.3％	74.3％	1∶1.64∶0.47	193～246	1∶1.00	92.0％	95.5％	83.7％	1∶1.28∶0.20
247～264	1∶1.32	89.6％	92.3％	74.3％	1∶1.64∶0.47	265～363	1∶1.00	99.9％	99.9％	92.0％	1∶1.13∶0.13

Claims

1、一种UASB-生物膜厌氧氨氧化设备，包括UASB生物反应器筒体(1)，UASB生物反应器筒体(1)内的下部设有厌氧污泥床(2)，筒体(1)内上部设有三相分离器(4)，筒体(1)底部设有进水口(8)，顶部设有气体出口(6)，位于三相分离器处的筒体(1)上设有出水口(7)，其特征在于，在UASB生物反应器筒体(1)内，厌氧污泥床(2)与三相分离器(4)之间设有软性填料形成的生物膜，厌氧污泥床与生物膜设有间距，所述厌氧污泥床(2)底层中有多种微生物，厌氧污泥床(2)中上层的微生物经过驯化后含有厌氧氨氧化菌，对废水中的氨氮和硝态氮进行一部分厌氧氨氧化。

2、根据权利要求1所述的UASB-生物膜厌氧氨氧化设备，其特征在于所述厌氧污泥床与生物膜高度比为：0.5～1.2：1。

3、根据权利要求1所述的UASB-生物膜厌氧氨氧化设备，其特征在于所述厌氧污泥床与生物膜的间距为5～20cm。

4、根据权利要求1所述的UASB-生物膜厌氧氨氧化设备，其特征在于所述UASB生物反应器筒体(1)内的生物膜(3)上设有温度计。