CN101058463A - 实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法 - Google Patents

实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法，在膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器中接种具有甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化活性的颗粒污泥，在曝气生物滤池(BAF)或SHARON工艺或SBR反应器中接种好氧氨氧化菌，将膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器与曝气生物滤池(BAF)或SHARON工艺或SBR反应器相连接，通过合理控制pH值、温度、溶解氧、外回流比、负荷速率、氧化还原电位以及有机物COD浓度、氨氮浓度，成功实现了厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理。这发明技术可在高容积负荷速率下同步去除有机物COD和无机物氨组分，同时节约相当部分的能源和有机碳源消耗，可以应用于一般城市污水以及工业废水的生物处理。

Description

实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法
技术领域
本发明涉及一种废水的生物处理方法，特别涉及一种实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法。
背景技术
上流式系列厌氧反应器技术处理废水方法的主要特点是污泥浓度高(30g VSS.L-1)，容积负荷速率高(60g COD.(L.d)-1)，污泥产率低(0.5g VSS.(g COD)-1)，去除COD效率高(90％)，同时将废水中有机物转化为甲烷(0.35L CH4.(g COD)-1)。但是，厌氧反应器出水常含有较高氨氮，需要作进一步处理才能达到排放标准，需要采用后续工艺进一步处理，通常做法是在厌氧反应器后串联硝化-反硝化过程，而不能将厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合在一起。由于硝化反应需消耗大量的氧，反硝化时消耗大量有机碳源，使得该做法工艺复杂，投资、运行成本加大。目前还没有将厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合在一起处理废水的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法，该方法在高容积负荷速率下同步去除有机物COD和无机物氨组分的前提下节约相当部分的能源和有机碳源消耗。
采用的技术方案如下：
一种实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法，其特征在于经如下步骤进行：
(1)在膨胀颗粒污泥床反应器中富集具有甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化活性的污泥；
(2)序批式反应器中富集好氧氨氧化菌；
(3)将步骤(1)所得的具有甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化活性的颗粒污泥20～40g/L接种于膨胀颗粒污泥床反应器中，控制条件如下：进水COD浓度为400～1500mg.L-1，NH4 +-N浓度为32～120mg.L-1，容积负荷速率为3.84～14.4kg COD.(m3.d)-1和0.307～1.152kg NH4 +-N.(m3.d)-1，污泥负荷速率(SLR)为0.44～1.65kg COD.(kg SS.d)-1和0.0352～0.132kg NH4 +-N.(kg SS.d)-1，膨胀颗粒污泥床反应器内温度在32～35℃，pH在7.5～8.3，氧化还原电位在-40mV～-150mV，水力停留时间为4.2h，上升流速为4.86m.h-1；
(4)将步骤(2)所得的好氧氨氧化菌污泥接种在二次反应器中接种1200～2000mgCOD/L好氧氨氧化菌污泥于二次反应器中，控制条件如下：DO范围：0.5～0.8mg/L，采用碳酸氢钠调节pH值到：7.8～8.5，温度范围：28℃～32℃；所述二次反应器是序批式反应器或SHARON工艺或曝气生物滤池的一种；
(5)连接膨胀颗粒污泥床与二次反应器，调节被处理的废水组分：COD：400～1500mg.L-1(乙酸+乙酸钠)；(NH4)2SO4：7.6～10.5mg.L-1；KH2PO4：3.04～5.5mg.L-1；K2HPO4：3.96～5.5mg.L-1；NaHCO3：1400～2000mg.L-1；；NH4Cl：118.8～445.8mg.L-1；含微量元素的溶液：2.0～5.0mL.L-1；其中微量元素溶液的组成：EDTA：4.0～7.0g/L；FeSO4·7H2O：4.0～7.0g/L；ZnSO4·7H2O：1.2～3.2g/L；CoCl2·6H2O：1.0～3.0g/L；CaCl2·2H2O：3.5～7.5g/L；MnCl2·4H2O：4.0～7.0g/L；CuSO4·5H2O：1.0～3.0g/L；MgSO4·7H2O：4.0～7.0g/L；(NH4)6Mo7O24·4H2O：0.8～2.5g/L；NiSO4·6H2O：0.2～0.62g/L；废水从膨胀颗粒污泥床反应器底部进入，顶端出水从二次反应器底部进入，水流量是膨胀颗粒污泥床的原始废水流量的3倍，并从二次反应器终出水端中按2倍原始废水进水流量外回流至膨胀颗粒污泥床进水端。
所述二次反应器是序批式反应器(SBR)时，并行连接4个SBR反应器，每个反应器的运行周期为8h：进水2h，曝气3h，沉淀1h，排水2h；4个反应器交替运行，温度控制在28～32℃，pH值范围：7.8～8.3。
所述二次反应器是SHARON工艺，沉淀池回流污泥速度2.808g COD/h，温度控制在28～32℃，pH值范围：7.8～8.3。
所述二次反应器是曝气生物滤池(BAF)，反冲洗为水冲，每隔40h冲洗一次，持续时间为30～50min，流量为300mL/min，温度控制在28～32℃，pH值范围：7.8～8.3。
本发明的机理：氨氮，硝酸盐及其反硝化产物对产甲烷菌有一定的抑制，但可以通过驯化减轻其毒性，甚至无毒性。厌氧氨氧化菌虽然是自养菌，但具有异养代谢能力。颗粒污泥为厌氧氨氧化菌与甲烷菌、反硝化菌的复合提供了一个有利微生态环境，通过合理控制pH、温度、氧化还原电位、亚硝酸盐和有机物COD，在膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器中富集得到具有厌氧氨氧化与甲烷化反硝化的颗粒污泥。限制氧条件下氨氧化菌将氨氧化为亚硝酸盐的生物化学过程易于在曝气生物滤池(BAF)、SHARON和SBR中实现，BAF、SHARON和SBR的出水经外回流返回EGSB反应器，又为EGSB反应器提供了厌氧氨氧化菌生存所需的亚硝酸盐。厌氧氨氧化菌在EGSB反应器中的作用是：在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐为电子受体将氨氧化为氮气，除去废水中氨盐和亚硝酸盐组分。
本发明对EGSB反应器与BAF联合工艺进行运行得到如下实验数据：
                                  反应器各自的性能指标以及联合工艺的性能指标
状态 上升流速(m/h) 温度℃ pH HRT(h) COD去除负荷速率(kg/m3.d)   亚硝态氮去除负荷速率(kg/m3.d) 硝态氮去除负荷速率(kg/m3.d) 氨氮去除负荷速率(kg/m3.d) 总氮去除负荷速率(kg/m3.d)
EGSB 4.86 32～35   7.5～8.3 4.2 2.706 0.108 0.0689 0.0605 0.237
BAF 0.998 28～32   7.8～8.5 4.2 2.610   0.172   0.429   0.172
  EGSB+BAF 2.658 0.245 0.205
与传统活性污泥法相比较，使用本发明的联合工艺后，节约有机碳源(2.427kg COD/m3.d)和能源(0.375kg O2/m3.d)，转化废水中有机碳源为清洁能源(425LCH4/m3.d)。
本发明的有益效果是将EGSB反应器分别与BAF、SHARON和SBR中之一结合，能更好的利用了厌氧氨氧化菌，实现了厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法，在高容积负荷速率下同步去除有机物COD和无机物氨组分的前提下节约相当部分的能源和有机碳源消耗，并使工艺简化，投资、运行成本降低。
具体实施例(共3例)
实施例1EGSB反应器与二次反应器BAF联合工艺，其步骤如下：
(1)在膨胀颗粒污泥床反应器中富集具有甲烷化菌、反硝化菌和厌氧氨氧化活性的污泥；
废水组分：COD浓度，500mg/L；(NH4)2SO4，7.6mg/L；KH2PO4，3.04mg/L；K2HPO4，3.96mg/L；NaHCO3，2000mg/L；NH4Cl，148.6mg/L；NaNO2，187.5mg/L；含微量元素的溶液，2.0mL/L。微量元素溶液的组成：EDTA，5.0g/L；FeSO4·7H2O，5.0mg/L；ZnSO4.7H2O，2.2g/L；CoCl2.6H2O，1.6g/L；CaCl2.2H2O，5.5g/L；MnCl2.4H2O，5.0g/L；CuSO4.5H2O，1.6g/L；MgSO4.7H2O，5.0g/L；(NH4)6Mo7O24.4H2O，1.1g/L；NiSO4.6H2O，0.42g/L。
接种22g厌氧颗粒污泥于反应区容积为1.5L的EGSB反应器中，容积负荷速率为4.8kg COD/(m3.d)和0.768kg N/(m3.d)左右，污泥负荷速率(SLR)为0.55kg COD/(kg SS.d)和0.088kg N/(kg SS.d)左右；控制EGSB反应器内温度在32～35℃，pH在7.5～8.3，氧化还原电位在-40mV～-150mV，水力停留时间(HRT)为4.2h，上升流速为4.86m.h-1。经507天连续培养运行，得到具有甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化活性的污泥，经过批试验检测厌氧氨氧化活性为2.749*10-3(mg/mg MLSS.h)，甲烷化活性(比基质降解速率)为0.158h-1，反硝化活性(比基质降解速率)为0.00689h-1。经分子生物学测试证明污泥中有一种新的厌氧氨氧化菌(anaerobicammonium-oxidizing planctomycete Cquenviron-1)，基因序列号：122892766。
(2)SBR反应器中富集好氧氨氧化菌
废水组分：NH4 +-N，50～250mg/L；KH2PO4，30mg/L；KCl，110mg/L；MgSO4，50mg/L；含微量元素的溶液，0.4mL/L。微量元素溶液的组成：ZnSO4·5H2O，80mg/L；FeSO4·7H2O，100mg/L；CuCl2·2H2O，20mg/L；MgCl2·6H2O，50mg/L；H3BO3，20mg/L。
接种2L普通活性污泥于有效容积为10L的SBR反应器中，反应器的运行周期为1d，瞬间进水(初始氨氮浓度为50m/L，逐渐提高并保持在250mg/L)，曝气21.5h，沉淀2h，排水0.5h。pH控制在7.8～8.3，DO控制在0.8～1.2mg/L，温度控制在30±2℃；将DO和pH在线控制仪器的探头放置在SBR反应器中，采用碳酸氢钠(NaHCO3)调节pH范围在7.8～8.3，DO控制在0.5～0.8mg/L，温度控制在30±2℃，MPN计数结果显示，经120d富集，好氧氨氧化菌的浓度提高了300倍。批试验检测污泥的氨氧化活性为：0.134mg/mg COD.h。
(3)将步骤(1)所得的具有甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化活性的颗粒污泥22g/L接种于膨胀颗粒污泥床反应器中，控制条件如下：进水COD浓度为500mg.L-1，NH+ 4-N浓度为40mg.L-1，容积负荷速率为4.8kgCOD.(m3.d)-1和0.384kg NH4 +-N.(m3.d)-1，污泥负荷速率(SLR)为0.55kg COD.(kg SS.d)-1和0.044kg NH4 +-N.(kg SS.d)-1，膨胀颗粒污泥床反应器内温度在32～35℃，pH在7.5～8.3，氧化还原电位在-40mV～-150mV，水力停留时间(HRT)为4.2h，上升流速为4.86m.h-1；
(4)将步骤(2)所得的好氧氨氧化菌污泥接种在二次反应器曝气生物滤池(BAF)中，接种1200mg COD/L好氧氨氧化菌污泥于BAF反应器(1.5L)中，将DO和pH在线控制仪器的探头放置在曝气生物滤池中，控制DO范围：0.5～0.8mg/L，采用碳酸氢钠(NaHCO3)调节pH值范围：7.8～8.5，温度范围：28℃～32℃；反冲洗为水冲，每隔40h冲洗一次，持续时间为30～50min，流量为300mL/min。
(5)连接膨胀颗粒污泥床与二次反应器BAF，原始废水组分COD：500mg.L-1(乙酸+乙酸钠)；(NH4)2SO4：7.6mg.L-1；KH2PO4：3.04mg.L-1；K2HPO4：3.96mg.L-1；NaHCO3：1400mg.L-1；NH4Cl：148.6mg.L-1；含微量元素的溶液：2.0mL.L-1。其中微量元素溶液的组成：EDTA：5.0g/L；FeSO4·7H2O：5.0g/L；ZnSO4·7H2O：2.2g/L；CoCl2·6H2O：1.6g/L；CaCl2·2H2O：5.5g/L；MnCl2·4H2O：5.0g/L；CuSO4·5H2O：1.6g/L；MgSO4·7H2O：5.0g/L；(NH4)6Mo7O24·4H2O：1.1g/L；NiSO4·6H2O：0.42g/L。废水从膨胀颗粒污泥床反应器底部进入，顶端出水从二次反应器底部进入，水流量是膨胀颗粒污泥床的原始废水流量的3倍，并从二次反应器终出水端中按2倍原始废水进水流量外回流至膨胀颗粒污泥床进水端。
施例2EGSB反应器与SHARON联合工艺
在膨胀颗粒污泥床反应器EGSB中富集并接种具有甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化活性的颗粒污泥，在SBR反应器中富集好氧氨氧化菌，在SHARON反应器(有效容积3L)中接种1200mg COD/L好氧氨氧化菌，具体操作与实施例1相同。原始废水进水从EGSB反应器底部进入，调节回流量，使得EGSB反应器的上升流速为4.86m/h；EGSB顶端出水，EGSB出水从SHARON工艺反应区顶端进入，然后再经过沉淀池，沉淀池有效容积为3L，沉淀池回流污泥速度2.808g COD/h，将DO和pH在线控制仪器的探头放置在SHARON工艺的反应池，采用碳酸氢钠(NaHCO3)调节pH8.0，DO控制在0.7mg/L，温度控制在29℃，污泥沉淀并通过污泥回流泵回流到SHARON工艺反应区，沉淀池顶端清水为终出水，并从终出水端中按2倍原始废水进水流量外回流至EGSB进水端。EGSB反应器的出水为SHARON工艺的进水，且进水流量是EGSB的原始废水流量的3倍。
实施例3EGSB+SBR联合工艺
在膨胀颗粒污泥床反应器中富集并接种具有甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化活性的颗粒污泥，在SBR反应器中富集并接种1200mg COD/L好氧氨氧化菌具体操作与实施例1相同。原始废水进水从EGSB反应器底部进入，调节回流量，使得EGSB反应器的上升流速为4.86m/h；EGSB顶端出水，EGSB出水从SBR底部进入，并行连接4个SBR反应器，每个反应器有效容积为4.7L，每个反应器的运行周期为8h：进水2h，曝气3h，沉淀1h，排水2h；4个反应器交替运行。将DO和pH在线控制仪器的探头放置在SBR反应器中，采用碳酸氢钠(NaHCO3)调节pH范围在7.9，DO控制在0.8mg/L，温度控制在30℃；SBR反应器中下部排水，4个反应器的排水合并为终出水，并从终出水端中按2倍原始废水进水流量外回流至EGSB进水端。EGSB反应器的出水为SBR的进水，且进水流量是EGSB的原始废水流量的3倍。

Claims (4)

1.一种实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法，其特征在于经如下步骤进行：
(1)在膨胀颗粒污泥床反应器中富集具有甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化活性的污泥；
(2)序批式反应器中富集好氧氨氧化菌；
(3)将步骤(1)所得的具有甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化活性的颗粒污泥20～40g/L接种于膨胀颗粒污泥床反应器中，控制条件如下：进水COD浓度为400～1500mg·L-1，NH4 +-N浓度为32～120mg·L-1，容积负荷速率为3.84～14.4kg COD·(m3·d)-1和0.307～1.152kg NH4 +-N·(m3·d)-1，污泥负荷速率(SLR)为0.44～1.65kg COD·(kg SS·d)-1和0.0352～0.132kg NH4 +-N·(kg SS·d)-1，膨胀颗粒污泥床反应器内温度在32～35℃，pH在7.5～8.3，氧化还原电位在-40mV～-150mV，水力停留时间为4.2h，上升流速为4.86m·h-1；
(4)将步骤(2)所得的好氧氨氧化菌污泥接种在二次反应器中，接种1200～2000mgCOD/L好氧氨氧化菌污泥于二次反应器中，控制条件如下：DO范围：0.5～0.8mg/L，采用碳酸氢钠调节pH值范围：7.8～8.5，温度范围：28℃～32℃；所述二次反应器是序批式反应器或SHARON工艺或曝气生物滤池的一种；
(5)连接膨胀颗粒污泥床与二次反应器，调节被处理的废水组分：COD：400～1500mg·L-1(乙酸+乙酸钠)；(NH4)2SO4：7.6～10.5mg·L-1；KH2PO4：3.04～5.5mg·L-1；K2HPO4：3.96～5.5mg·L-1；NaHCO3：1400～2000mg·L-1；；NH4Cl：118.8～445.8mg·L-1；含微量元素的溶液：2.0～5.0mL·L-1；其中微量元素溶液的组成：EDTA：4.0～7.0g/L；FeSO4·7H2O：4.0～7.0g/L；ZnSO4·7H2O：1.2～3.2g/L；CoCl2·6H2O：1.0～3.0g/L；CaCl2·2H2O：3.5～7.5g/L；MnCl2·4H2O：4.0～7.0g/L；CuSO4·5H2O：1.0～3.0g/L；MgSO4·7H2O：4.0～7.0g/L；(NH4)6Mo7O24·4H2O：0.8～2.5g/L；NiSO4·6H2O：0.2～0.62g/L；废水从膨胀颗粒污泥床反应器底部进入，顶端出水从二次反应器底部进入，水流量是膨胀颗粒污泥床的原始废水流量的3倍，并从二次反应器终出水端中按2倍原始废水进水流量外回流至膨胀颗粒污泥床进水端。
2.如权利要求1所述的实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法，其中步骤(4)所述二次反应器是序批式反应器，并行连接4个序批式反应器，每个反应器的运行周期为8h：进水2h，曝气3h，沉淀1h，排水2h；4个反应器交替运行，温度控制在28～32℃，pH值范围：7.8～8.3。
3.如权利要求1所述的实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法，其中步骤(4)所述二次反应器是SHARON工艺，沉淀池回流污泥速度2.808gCOD/h，温度控制在28～32℃，pH值范围：7.8～8.3。
4.如权利要求1所述的实现厌氧氨氧化与甲烷化反硝化耦合的废水生物处理方法，其中步骤(4)所述二次反应器是曝气生物滤池，反冲洗为水冲，每隔40h冲洗一次，持续时间为30～50min，流量为300mL/min，温度控制在28～32℃，pH值范围：7.8～8.3。
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