CN101323486B

CN101323486B - 一种实现低碳氮比高浓度含氮废水稳定生物亚硝化的方法

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Publication number: CN101323486B
Application number: CN2008103030681A
Authority: CN
Inventors: 魏琛; 姚晓园; 陆天友; 杨星宇; 张晚凉; 李宏; 高俊敏; 钟仁超; 秦礼琦; 唐翌; 王萍; 雷文俊
Original assignee: Guizhou University
Current assignee: Guizhou University
Priority date: 2008-07-25
Filing date: 2008-07-25
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2028-07-25
Also published as: CN101323486A

Abstract

本发明公开了一种实现低碳氮比高浓度含氮废水稳定生物亚硝化的方法，它将系统污泥龄控制在3天，并与连续进水、间歇排水的运行方法结合，按两个阶段进行：1、污泥的接种和培养阶段：首先将接种污泥放入反应器，培养时间20天，自培养开始即采用连续进水、间歇排水活性污泥SBR亚硝化工艺；2、稳定生物亚硝化运行阶段：保持上述启动成功的连续进水、间歇排水活性污泥SBR亚硝化工艺，以低碳氮比高浓度含氮废水为进水，每周期进、排水量为反应器容积的一半，维持系统污泥龄为3天、反应器DO浓度为1.5～2mg/L、运行周期为12h。本发明能实现低碳氮比高浓度含氮废水稳定、连续亚硝化，并且亚硝化系统具有较好的NH₄ ⁺-N降解率和较高的亚硝化率。

Description

一种实现低碳氮比高浓度含氮废水稳定生物亚硝化的方法

技术领域

本发明属于废水生物处理技术领域，涉及一种低碳氮比高浓度含氮废水生物亚硝化的方法，即实现稳定、连续亚硝化的方法。

背景技术

垃圾渗滤液、污泥消化上清液及某些食品加工厂废水等高浓度含氮废水，其有机污染物(COD)浓度可达1000~10000mg/L、氨氮(NH₄ ⁺-N)浓度可达1000~8000mg/L。这类低C/N比高浓度含氮废水以传统的完全硝化反硝化工艺进行脱氮处理，会由于反硝化所需碳源不足而导致脱氮效果不佳。亚硝酸型生物脱氮工艺的出现解决了这一难题，它具有简化处理流程、节约能耗、减少反应器容积和处理占地等优势，能极大地拓展生物脱氮工艺的应用范围、强化脱氮处理效果，特别是对于低C/N比的高浓度含氮废水而言，亚硝酸型生物脱氮工艺的优势更为明显。

亚硝酸型生物脱氮工艺大致可分为两类，第一步都是通过亚硝酸菌将废水中的NH₄ ⁺-N氧化为亚硝酸盐氮(NO₂ ^--N)，第二步区别为：一类方法是通过反硝化菌在碳源的参与下将NO₂ ^--N反硝化为氮气(N₂)而从水中去除，另一类是通过厌氧氨氧化菌将NH₄ ⁺-N与NO₂ ^--N反应生成N₂而从水中去除，这两类方法都同样可以达到废水生物脱氮目的。就这些脱氮工艺而言，如何将NH₄ ⁺-N的氧化停留在NO₂ ^--N阶段是工艺关键，即如何维持稳定、连续的亚硝化状态是后续脱氮步骤成功的基础。

目前普遍认为亚硝化现象出现的原因是硝酸菌受到抑制或洗出，而亚硝酸菌保持相应的活性而导致NO₂ ^--N的积累。已经报道的影响亚硝化的控制因素主要有温度、pH、游离氨(FA)浓度、氮负荷、溶解氧(DO)浓度、有害物质、抑制剂及泥龄等。荷兰Delft工业大学Kluyver生物技术实验室开发的SHARON工艺利用高温(32～35℃)下亚硝酸菌和硝酸菌生长速率不同，洗出硝酸菌而实现亚硝化，但该工艺只能应用于高温废水，从而局限了它的应用。郝春明于2005年6月《能源环境保护》(第19卷第3期)中提出亚硝酸盐的积累与温度、DO和污泥龄应该存在一定的数学关系的看法，但并未对此进行研究；张小玲于2003年7月《中国给水排水》(第19卷第7期)中提出以NH₄ ⁺-N浓度为260mg/L的废水进行亚硝化试验，试验中保持系统污泥龄为30d，反应器中出现NO₂ ^--N的积累，但系统运行50d后发生污泥膨胀，导致污泥流失，硝化率下降，因此得出必须控制合适的污泥龄以维持持久的亚硝酸积累的结论，但并未对污泥龄的影响进行进一步研究；范建华于2007年2月《中国给水排水》(第23卷第3期)中提出城市生活污水控制污泥龄11d可实现稳定的亚硝酸盐型同步硝化反硝化，但未考察长期运行效果。

根据发明人的长期研究结果，低NH₄ ⁺-N浓度系统(如城市生活污水)长期运行会使硝酸菌逐渐适应亚硝化条件，恢复活性，使亚硝化现象不可逆消失，但若要保持污泥的更新率以避免适应性出现，又会出现污泥流失导致系统崩溃。目前国内外各类文献对亚硝化现象的理论解释还处于探索阶段，无法给出一个统一的结论，长久稳定地维持NO₂ ^--N积累的途径还有待探索。

另外，中国专利文献CN1562799A提出在中温(32～35℃)，限制DO浓度等条件下，通过逐步提高进水NH₄ ⁺-N浓度至420mg/L以快速启动亚硝化系统。专利文献CN1785843A是将厌氧污泥培育成硝化颗粒污泥后在上流式好氧生物反应器中通过逐步提高进水NH₄ ⁺-N浓度至300～500mg/L形成亚硝化系统。专利文献CN1978339A在低DO和快速提高进水NH₄ ⁺-N浓度两种方法结合下，对进水NH₄ ⁺-N浓度小于1000mg/L的废水快速亚硝化；以上各项专利，总体而言均是利用提高进水NH₄ ⁺-N浓度而形成的FA及低DO对硝酸菌形成抑制而快速启动亚硝化系统。专利文献CN1927739A、CN101054236A均是对废水进行同时亚硝化-厌氧氨氧化达到生物脱氮目的。

以上各项专利也均未对系统污泥龄提出控制，而且处理的废水NH₄ ⁺-N浓度也只处于中、低浓度范围，并且未对亚硝化系统长期运行稳定性进行研究。

发明者已有的研究成果表明：

维持一定的反应系统污泥龄是建立长期稳定亚硝化系统的必要条件。单纯靠环境因子(如高游离氨或低溶解氧)对硝酸菌的抑制作用来建立长期的亚硝化体系不可行的，污泥会产生适应性而导致亚硝化现象在维持一段时间后消失。保持污泥的更新率，从根本上对污泥的构成体系进行选择性积累，使亚硝酸菌在污泥相中占据优势地位才能建立长期稳定的亚硝化体系，而污泥龄直接影响系统污泥的更新，因此污泥龄直接关系到亚硝化系统的稳定性。已有的关于亚硝酸菌和硝酸菌生长数率的数据是在实验室纯培养条件下得出的，这与实际应用中的废水处理系统这样复杂的混合培养体系差异很大，因此亚硝化系统的污泥龄要参考实际试验结果。

发明人实际试验结果表明中、低NH₄ ⁺-N浓度废水亚硝化系统若要维持亚硝化系统要求的足够低的污泥龄以实现对亚硝酸菌的选择性积累，则会因为系统碳、氮负荷低，污泥增长量低于流失量，最终造成污泥流失，系统崩溃。只有高NH₄ ⁺-N浓度废水亚硝化系统，因其污泥负荷足够高，污泥增长量能维持亚硝化系统要求的足够低的污泥龄，所以能维持长期稳定的亚硝化系统。

在废水生物处理系统这样的开放的非纯培养系统中，亚硝酸菌和硝酸菌之间是较为紧密的互生关系，硝酸菌能够迅速地将NO₂ ^-转化为NO₃ ^-，即使采取各种抑制系统中硝酸菌活性的方法，也不能使其完全被抑制或消除、洗出，系统出水中总存在一定数量的NO₃ ^--N，因此完全的亚硝化是不可能的，但可以尽量提高出水亚硝化率(NO₂ ^--N/(NO₂ ^--N+NO₃ ^--N))。

基于发明者上述的研究成果提出如下发明内容。

发明内容

本发明的目的是：提供一种实现低碳氮比高浓度含氮废水稳定生物亚硝化的方法，即实现低碳氮比高浓度含氮废水稳定、连续亚硝化的方法，以克服现有技术的不足。

本发明者通过预备试验证明间歇进水、间歇排水方式运行的活性污泥SBR反应系统难以承受进水时产生的高NH₄ ⁺-N、FA冲击负荷，污泥受到毒害，难以进行后续的降解反应。为缓冲负荷，维持基质的均匀性，本发明采用连续进水、间歇排水的活性污泥SBR工艺，并合理控制系统的污泥龄保持在3天，方法包括以下两个阶段：

1、污泥的接种和培养阶段：首先将接种污泥放入反应器，接种量为反应器有效容积的1/4；培养时间20天，自培养开始即采用连续进水、间歇排水活性污泥SBR亚硝化工艺，每个反应运行周期为12h，每周期进、排水量为反应器容积的一半；前11天的培养过程为每天以10％的增加量逐步提高高浓度含氮废水的进水比率，至第11天结束时进水完全为高浓度含氮废水；培养开始的前3天系统不排泥，随进水比率增加，自第4天开始，以每2天为一个阶段，逐步增加排泥量，使污泥龄自10天降至5天再降至3.3天，至第10天结束时污泥龄降为3天，这10天中保持反应器DO浓度在1.5～2mg/L，后10天的培养过程为每天以10％的比例逐步降低反应器DO浓度，至第20天降为0.7～1.2mg/L；培养结束时系统出水的NH₄ ⁺-N降解率为75％，出水的亚硝化率约为80％，亚硝化系统启动完成。

2、稳定生物亚硝化运行阶段：保持上述启动成功的连续进水、间歇排水活性污泥SBR亚硝化工艺，以低碳氮比高浓度含氮废水为进水，每周期进、排水量为反应器容积的一半，维持系统污泥龄为3天、反应器DO浓度为1.5～2mg/L、运行周期为12h，在该周期内，连续进水12h、连续曝气1.5h、静置沉淀20min、间歇排水10min，在10～40℃的气温下均可对反应器不作温度调节，只有当冬季温度极低时以恒温加热器维持反应器温度在10～12℃，反应器在每周期连续曝气阶段结束前5min由排泥管排泥一次，每次排泥量为1/6反应器容积，每一周期内结束沉淀后上清液经排水管流走。

经水力计算可知该系统的HRT为0.75d，在整个培养、亚硝化运行过程中均不对系统pH值、MLSS浓度作控制。经长达420天的连续运行(即840个运行周期)，虽然进水水质有小幅波动，该亚硝化系统始终稳定维持了较好的NH₄ ⁺-N降解率(70～82％)、较高的亚硝化率(78～90％)，证明本发明的低碳氮比高浓度含氮废水稳定生物亚硝化系统是实际可行的。

本发明的优点是：

1、能实现低碳氮比高浓度含氮废水稳定、连续亚硝化。本发明维持稳定亚硝化的原理是保持污泥的更新率(污泥龄3天)，从根本上对污泥的构成体系进行选择性积累，使亚硝酸菌在污泥相中占据优势地位从而建立长期稳定的亚硝化体系，而不是单纯靠环境因子(如高游离氨或低溶解氧)对硝酸菌的抑制作用；

2、本发明采用连续进水、间歇排水的活性污泥SBR工艺，能有效地缓冲进水负荷，避免进水高NH₄ ⁺-N浓度可能造成的高FA抑制，维持基质的均匀性，以利于后续亚硝化反应的进行。因此本发明能直接以NH₄ ⁺-N浓度高达1000mg/L及其以上的废水作为系统进水，不需稀释；

3、本发明的亚硝化系统具有较好的NH₄ ⁺-N降解率(70～82％)和较高的亚硝化率(78～90％)；

4、能在室温下正常运行，实现稳定亚硝化，不需加热。只有在冬季极低气温下，为了维持反应速率，适当加热以保持反应器温度在10～12℃；

5、能直接以城市污水处理厂曝气池的活性污泥启动运行本发明的亚硝化系统；

6、在废水生物亚硝化这样的开放的非纯培养系统中，亚硝酸菌和硝酸菌之间是较为紧密的互生关系，硝酸菌不能完全被抑制或消除、洗出，系统出水中总会存在一定数量的NO₃ ^--N；

7、本发明不需对系统pH值、MLSS浓度作控制，是分别由系统的进水水质、污泥龄自动调控的。

附图说明

图1是实施本发明所采用的反应系统的结构示意图。

图中：1、高位水箱 2、SBR反应器 3、搅拌器 4、恒温加热器 5、进水管 6、排水/泥管 7、DO探头 8、pH探头 9、鼓风曝气机 10、曝气砂头 11、流量计

具体实施方式

参见图1，实施本方法所采用的反应装置结构如下：活性污泥SBR反应器2为矩形水池，以搅拌器3进行搅拌，以恒温加热器4维持反应器冬季温度在10～12℃，其余时间均不加热，室温运行。以DO探头7、鼓风曝气机9、曝气砂头10维持反应器DO浓度在0.7~1.4mg/L。以pH探头8探测反应器内溶液的PH值。以流量计11控制进水量，进水管5进水于活性污泥SBR反应器2内的污泥层底部，距池底10cm处，使进水管多点分散进水于污泥层以下以减少沉淀、排水阶段进水对污泥层的扰动。以排水、排泥管6排混合液维持系统污泥龄为3天，排沉淀后清液为排出处理水。此系统的MLSS是因变量，由进水水质条件和污泥龄控制。

运行时，低碳氮比高浓度含氮废水由高位水箱1经流量计11调节流量后连续进入SBR反应器2底部，缓慢分散进水；SBR反应器2每个反应运行周期(12h)由连续进水(12h)、连续曝气(11.5h)、静置沉淀(20min)、间歇排水(10min)组成。周期结束沉淀后上清液经排水/泥管6流走，反应器每周期进、排水量仅为其反应器容积的一半；反应器在每周期连续曝气阶段结束前5min由排水/泥管6排泥一次，每次排泥量为1/6反应器容积(以保证系统污泥龄为3天)。

实施例1：处理废水为人工配水模拟垃圾渗滤液，试验配水充分考虑水质的复杂性，除COD、NH₄ ⁺-N外，加入适当的磷、碱度、微量元素等。制作一个有效容积为20升(L)的有机塑料圆柱形SBR反应器，进水由60L的塑料高位水箱经恒流泵以13.89mL/min(即10L/12h)的流量进入反应器底部，进水管多点分散进水于距池底10cm处，经12h反应周期(连续进水12h、连续曝气1.5h、静置沉淀20min、间歇排水10min)运行后由排水管排水10L，同时在连续曝气阶段结束前5min排混合液以控制污泥龄。具体步骤如下：

1、污泥的接种和培养阶段：接种污泥采用城市污水处理厂曝气池的活性污泥。系统自培养开始即为连续进水、间歇排水的活性污泥SBR工艺，且每个反应运行周期亦为12h(连续进水12h、连续曝气1.5h、静置沉淀20min、间歇排水10min)，每周期进、排水量为10L。前11天的培养过程为每天逐步增加进水的高浓度含氮废水的比率，如以100％普通生活污水为培养第一天的进水，以90％普通生活污水+10％高浓度含氮废水为第二天的进水，以80％普通生活污水+20％高浓度含氮废水为第三天的进水，依此类推，至第11天时进水完全为高浓度含氮废水。培养开始前3天系统不排泥，随进水比率增加，自第4～5天开始在每周期曝气阶段结束前5min排混合液1L，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(至此污泥龄降为3天)，但这10天中保持反应器DO浓度在约1.5～2mg/L；后10天的培养过程为每天以10％的比例逐步降低反应器DO浓度，至第20天降为0.7～1.2mg/L。培养结束时系统出水的NH₄ ⁺-N降解率约为75％，出水的亚硝化率约为80％，亚硝化系统启动成功。

2、稳定生物亚硝化阶段：保持上述启动成功的连续进水、间歇排水活性污泥SBR亚硝化工艺稳定运行，每周期连续进水10L，经12h反应周期(连续进水12h、连续曝气1.5h、静置沉淀20min、间歇排水10min)运行后排水10L。每反应周期连续曝气阶段结束前5min由排泥管排泥水混合液3.33L。系统污泥龄为3天、反应器DO浓度1.5～2mg/L、HRT为0.75d、系统温度为14～28℃(室温)、反应器pH值由进水水质自动控制为7.5~8.5、MLSS浓度为1500～1800mg/L。系统稳定、连续运行300天。该亚硝化系统进、出水水质如下表

COD(mg/L)

NH4+-N(mg/L)

NO-2朜(mg/L)

NO-3朜(mg/L)

NH4+-N降解率

亚硝化率

进水指标

800～1000

1000～1100

0

--

出水指标

328～660

245～312

524～680

70～180

70～82％

78～90％

实施例2：以实际晚期垃圾渗滤液为进水，按实施例1的运行方式，保持系统运行方式和各项运行参数不变，系统稳定、连续运行126天，该亚硝化系统进、出水水质如下表

COD(mg/L)

NH4+-N(mg/L)

NO-2朜(mg/L)

NO-3朜(mg/L)

NH4+-N降解率

亚硝化率

进水指标

1800～2400

800～1000

0～0.5

8～20

--

出水指标

647～913

237～312

467～543

24～87

67～74％

75～86％

Claims

1.一种实现低碳氮比高浓度含氮废水稳定生物亚硝化的方法，其特征在于：它是将系统污泥龄控制在3天，并与连续进水、间歇排水的运行方法结合，按以下两个阶段进行：

(1)污泥的接种和培养阶段：首先将接种污泥放入反应器，接种量为反应器有效容积的1/4，培养时间20天，自培养开始即采用连续进水、间歇排水活性污泥SBR亚硝化工艺，每个反应运行周期为12h，每周期进、排水量为反应器容积的一半；前11天的培养过程为逐步每天以10％的增加量逐步提高高浓度含氮废水的进水比率，至第11天结束时进水完全为高浓度含氮废水；培养开始的前3天系统不排泥，随进水比率增加，自第4天开始，以每2天为一个阶段，逐步增加排泥量，使污泥龄自10天降至5天再降至3.3天逐步，至第10天结束时污泥龄降为3天，这10天中保持反应器DO浓度在1.5～2mg/L，后10天的培养过程为每天以10％的比例逐步降低反应器DO浓度，至第20天降为0.7～1.2mg/L；培养结束时系统出水的NH4+-N降解率为75％，出水的亚硝化率为80％，亚硝化系统启动完成；

(2)稳定生物亚硝化运行阶段：保持上述启动成功的连续进水、间歇排水活性污泥SBR亚硝化工艺，以低碳氮比高浓度含氮废水为进水，每周期进、排水量为反应器容积的一半，维持系统污泥龄为3天、反应器DO浓度为1.5～2mg/L、运行周期为12h，在该周期内，连续进水12h、连续曝气1.5h、静置沉淀20min、间歇排水10min，运行温度为正常室温，在10～40℃的气温下对反应器不作温度调节，只有当冬季温度极低时以恒温加热器维持反应器温度在10～12℃；反应器在每周期连续曝气阶段结束前5min由排泥管排泥一次，每次排泥量为1/6反应器容积，每一周期内结束沉淀后上清液经排水管流走。

2.根据权利要求1所述的实现低碳氮比高浓度含氮废水稳定生物亚硝化的方法，其特征在于：所述接种污泥采用城市污水处理厂曝气池的活性污泥。

3.根据权利要求1或2所述的实现低碳氮比高浓度含氮废水稳定生物亚硝化的方法，其特征在于：反应器的进水管采用多点分散进水于污泥层以下的结构形式。