CN102642924A

CN102642924A - 一种常温低氨氮污水全程自养脱氮工艺的快速启动方法

Info

Publication number: CN102642924A
Application number: CN2012101262623A
Authority: CN
Inventors: 李冬; 畅晓燕; 梁瑜海; 曾辉平; 杨卓; 崔少明; 孙宇; 蔡言安; 张�杰
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: CN102642924B

Abstract

一种常温低氨氮污水全程自养脱氮工艺的快速启动方法属于城市污水处理与资源化领域。在一个生物滤池反应器内启动全程自养脱氮(CANON)工艺，其步骤为：首先接种部分硝化污泥，并在供氧充足的条件下，进行好氧硝化启动，构建以亚硝化菌和硝化菌为主导的微生物系统；然后通过间歇曝气/厌氧，抑制硝化菌的生长，富集厌氧氨氧化菌；最后连续曝气，通过限制性供氧，控制氨氮氧化至亚硝酸阶段，优化亚硝化菌与厌氧氨氧化菌共存的微环境，成功地启动了CANON工艺。本发明解决了长期以来厌氧氨氧化菌生长富集较慢的难题，并且启动方式简单易行，降低了单级自养脱氮系统启动的难度，为常温低氨氮模拟废水CANON工艺的启动提供了方法。

Description

一种常温低氨氮污水全程自养脱氮工艺的快速启动方法

技术领域

本发明属于城市生活污水处理与再生领域。具体涉及专用于常温、低氨氮水平下的生物膜法全程自养脱氮(CANON)工艺的快速启动方法。

背景技术

随着经济水平的增长，人类活动的加剧，水体污染越来越严重，其中氮素污染是一项主要的危害，对自然环境及人类的健康影响极大。目前，针对于氮素的去除，城市污水处理厂多采用基于传统硝化反硝化原理的脱氮工艺，如A²/O、氧化沟等。这些工艺虽然对于氮素有一定的去除效果，但是在过程中需要外加有机碳源，消耗大量的碱度和能源，且基建投资及运营成本较高。

因此，近几年来，研究者不断地寻找新型的脱氮工艺，以期克服传统脱氮工艺的缺点，达到高效节能的目的。基于厌氧氨氧化原理的CANON(completelyautotrophic nitrogen removal over nitrite)工艺早在上世纪90年代由Siegrist等人在高氨氮负荷且氧浓度有限的废水处理系统中发现。之后，Third提出了CANON工艺中起主导作用的两种菌，分别是好氧氨氧化菌(AOB)与厌氧氨氧化菌(Anammox)。二者在同一个反应器中，AOB位于填料或污泥絮体的外层，在好氧的条件下，以NH₄ ⁺-N为电子供体，O₂为电子受体，将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，Anammox菌则位于填料或污泥絮体的内层，在厌氧的情况下利用NO₂ ^-将剩余的NH₄ ⁺-N转化为N₂。CANON等基于ANAMMOX原理的工艺，由于全程自养，因此无需外加有机碳源，可节约大量的曝气以及无机碳源，是高效节能脱氮工艺的理想选择。然而目前，CANON工艺仍处于试验研究阶段，起初构建该工艺时多采用高温高氨氮的人工配水或者消化污泥脱水液、垃圾渗滤液等工业废水进行。众多研究者的研究结论表明，CANON反应器内稳定的厌氧氨氧化反应是工艺启动成功乃至稳定运行的重要保证，然而厌氧氨氧化菌较长的生长周期，和较低的生长速率(μ＝0.0027h^-1，倍增时间为10.6d)限制了其在实际工程中的应用和发展。

因此，针对城市生活污水温度低、氨氮浓度低的特点，如何在常温低氨氮的条件下，通过控制反应器启动过程中的运行条件，从而快速富集厌氧氨氧化菌是缩短CANON启动时间的关键点。对于CANON工艺的进一步应用具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在常温低氨氮浓度水质条件下，缩短厌氧氨氧化菌的富集时间，快速启动CANON工艺的方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所提供的一种快速启动CANON工艺的方法，是在常温条件下，以模拟实际生活污水低氨氮浓度的配水为进水，以上向流的生物滤池为试验装置如图1所示，内部装填火山岩活性生物陶粒滤料，采用上向流的进水方式，底部设有曝气装置，由转子流量计控制。试验中主要通过调节试验装置的水力停留时间和曝气量，来实现CANON工艺的启动。

1)首先接种污泥于反应器内：反应器所接种的污泥为市政污水处理厂A²/O池内的回流污泥，接种污泥浓度为4--5g/L；

2)在连续曝气的条件下，反应器好氧硝化启动的具体方法为：采用人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为80--120mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度为0--10mg/L，磷酸盐质量浓度为5--10mg/L，碱度质量浓度(以CaO计)为450--700mg/L，温度为15-23℃，曝气量为3-10m³/(m³·h)，pH为7.5-8.5，水力停留时间为8-15h，当出水中的NO₃ ^--N占TN比例大于50％时，好氧硝化阶段启动成功，以亚硝化菌和硝化菌为主导的微生物系统成功构建。

3)通过间歇曝气/厌氧的方式，反应器厌氧氨氧化启动的具体方法为：采用人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为80--120mg/L，磷酸盐质量浓度为5--10mg/L，碱度质量浓度(以CaO计)为450--700mg/L。在一天24h内，12h连续曝气，控制曝气量为1.8-3.5m³/(m³·h)，之后12h停止曝气，并按照氨氮∶亚氮＝1∶1.3的比例配置亚硝酸盐氮，曝停比为1∶1。温度为15-23℃，pH为7.5-8.5，水力停留时间为5-10h，当ΔNO₂ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N及ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N值在1.2-1.4和0.2-0.3之间，并保持稳定运行两周以上时，厌氧氨氧化阶段启动成功。

4)通过限制性供氧持续曝气，反应器全程自养脱氮(CANON)阶段启动的具体方法为：采用人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为80--120mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度为0--10mg/L，磷酸盐质量浓度为5--10mg/L，碱度质量浓度(以CaO计)为450--700mg/L，温度为15-23℃，曝气量为8.5-35.0m³/(m³·h)，pH为7.5-8.5，水力停留时间为0.4-5.8h，当系统的氨氮去除率和总氮去除率最高分别达到90％和75％以上，且ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N值在0.10-0.25时，CANON阶段成功启动。

本发明通过好氧硝化启动——厌氧氨氧化启动——限氧CANON启动的方法，通过对水力停留时间和曝气量的控制，在实现硝化效果的基础上，在较短的时间内实现了厌氧氨氧化菌的富集，并且缩短了常温低氨氮污水CANON反应器的启动时间。启动过程操作简单，容易控制，以本发明方法启动反应器，反应器出水氨氮及总氮去除率分别达到了90％和75％以上，氨氮及总氮去除负荷分别达到了1.50kg/(m³·d)和1.00kg/(m³·d)以上，达到了较高的脱氮效果。

附图说明：

图1是本发明采用的CANON试验装置示意图。

1.进水泵；2.空气泵；3.火山岩填料；4.取样口；5.取料口

图2是采用本发明方法的反应器在厌氧氨氧化启动阶段的去除负荷与ΔNO₂ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N、ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N变化。

图3是采用本发明方法的反应器在CANON启动阶段氨氮、总氮去除效果与ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N变化。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不局限于此。

本发明常温低氨氮污水生物膜法CANON工艺的启动方法，其思路为：在火山岩活性陶粒滤料的上向流生物滤池反应器中，首先接种具有一定硝化功能的硝化污泥，采用连续曝气并控制一定溶解氧浓度的方法，驯化培养硝化细菌，构建了以亚硝化菌和硝化菌为主导的微生物系统；之后，采用间歇曝气/厌氧的方式创造有利于好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌生存的微环境，快速富集厌氧氨氧化菌；最后在反应器达到稳定的厌氧氨氧化效果的基础上，持续限氧曝气，并逐步加大进水负荷，促使好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌生长，最终实现CANON工艺在常温低氨氮下的启动。

本发明反应器接种的污泥为城市污水处理厂二沉池回流污泥。由于回流污泥中存在着大量的硝化细菌，因此有利于进一步培养驯化硝化细菌。在好氧硝化阶段，采用连续曝气并控制一定溶解氧浓度的方法，含有氨氮的废水进入生物滤池后，微生物会逐渐在陶粒滤料吸附、生长，形成生物膜的空间网状结构，为厌氧氨氧化菌的生长提供良好的环境。从反应器运行来看，氨氮在这一阶段出现了明显的去除，且硝酸盐氮在出水中逐渐增多，认为当出水中的NO₃ ^--N占TN比例大于50％时，硝化生物膜启动成功，以亚硝化菌和硝化菌为主导的微生物系统成功构建。控制条件为曝气量为3-10m³/(m³·h)，pH为7.5-8.5，水力停留时间为8-15h，碱度为450-700mg CaO/L。

本发明采用的反应器为火山岩活性陶粒滤料的生物滤池，利用生物膜法脱氮，而生物膜本身有具有外部好氧内部缺氧/厌氧的独特结构，正适宜于好氧氨氧化菌与厌氧氨氧化菌的共存。通过好氧硝化阶段的培养，生物膜已经在滤料表面固着良好，因此，在间歇曝气/厌氧这样的模式下，夜间进水符合厌氧氨氧化反应所需的基质浓度比例，ANAMMOX菌得到充足的代谢底物和良好的生存环境而快速生长繁殖；白天，在不投加亚氮、少量曝气即低溶解氧的条件下，ANAMMOX菌又可以与AOB共同存在，互惠互利，AOB为ANAMMOX菌提供底物，而ANAMMOX菌消耗亚硝酸盐又可解除亚硝酸盐对AOB生长代谢的抑制作用。这样不断循环往复，随着曝气量的不断增大，AOB的增殖速度加快，生物膜越来越厚，而较厚的生物膜对于氧气的消耗作用又使得膜内层厌氧氨氧化反应能够顺利进行，最终实现厌氧氨氧化过程的成功启动。控制条件为曝气阶段曝气量大小为1.8-3.5m³/(m³·h)，曝停比为1∶1，不论曝气与否，pH为7.5-8.5，水力停留时间为5-10h，碱度为450-700mg CaO/L。

本发明中反应器在常温低氨氮的条件下运行，然而目前CANON工艺多用于处理高温高氨氮的工业废水，运行温度也一般维持在30～35℃之间，当温度为30℃时最有利于保持CANON系统内亚硝化反应和厌氧氨氧化反应之间的动态平衡以及氨氮的快速去除。因此，在常温低基质浓度的条件下，持续厌氧的方式显然需要更长的时间才能实现稳定的厌氧氨氧化反应。而间歇曝气/厌氧的启动方式则对环境温度的依赖性不大，在常温的条件下这种方法更有利。

实现稳定的全程自养脱氮，关键在于曝气量的控制，基于在低DO下，亚硝化菌对于氧气的亲和力大于硝化菌，既对氧的利用率较高，增殖较快。因而，在CANON的启动阶段，要通过限氧的控制，既不能使溶解氧过大抑制厌氧氨氧化菌的生长繁殖，又不能过小使AOB活性降低，好氧氨氧化反应进行不充分，亚氮生成少，进而影响到了以亚氮为基质的厌氧氨氧化反应的进行。因此，适宜的曝气量既能够为生物膜外层的AOB菌提供良好的生存环境，又不会影响内层ANAMMOX菌的活性，并且淘汰NOB菌，保证TN的去除效果。控制条件为曝气量为8.5-35.0m³/(m³·h)，pH为7.5-8.5，水力停留时间为0.4-5.8h，碱度为450-700mg CaO/L。

具体实施例：

接种北京市某市政污水处理厂的二沉池回流污泥于反应器中，接种污泥浓度为4.53g/L，接种总量约为13L。试验用水采用人工配水，以自来水中添加适量的(NH₄)₂SO₄、NaNO₂、NaHCO₃与KH₂PO₄配置而成，且不含有机碳源，厌氧氨氧化启动阶段因需要进水中投加亚硝酸盐氮。具体水质如下：

氨氮质量浓度为80--120mg/L；亚硝酸盐氮质量浓度为0--10mg/L；磷酸盐质量浓度为5--10mg/L；碱度质量浓度(以CaO计)为450--700mg/L。

反应器采用有机玻璃柱加工而成的生物滤柱，内径200mm，总高度2000mm，总体积40L，柱内装火山岩活性生物陶粒滤料，装填高度为1650mm，有效容积18L。采用上向流的进水方式，底部设有曝气装置，由转子流量计控制曝气量大小。

好氧硝化启动阶段：对反应器进行连续曝气，在曝气量为3.5-5.5m³/(m³·h)，温度为15-19℃，pH值为7.6-7.8，水力停留时间为10h的运行控制条件下，经过15d，反应器内均发现了明显的氨氮去除现象，一个月左右出水中的NO₃ ^--N占TN比例平均为69.2％，氨氮去除负荷达到1.0kg/(m³·d)以上，可以认为硝化阶段启动完成，历时40d。

厌氧氨氧化启动阶段：系统采用间歇曝气/厌氧方式运行，曝停比为1∶1。在一天24h内，12h连续曝气，曝气量为2.9-3.1m³/(m³·h)，之后12h停止曝气，并在此阶段按照1∶1.3配制(NH₄)₂SO₄、NaNO₂，亚氮浓度为120-145mg/L。其他控制条件为pH值为7.8-8.0，水力停留时间为5-10h。又经过40d左右，ΔNO₂ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N为1.2-1.4，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N为0.2-0.3，成功实现了厌氧氨氧化阶段的启动。

CANON启动阶段：在持续限氧曝气，曝气量为9.0-32.5m³/(m³·h)，温度为19-21℃，pH值为7.95-8.10，水力停留时间为0.45-2.15h的运行控制条件下，又经过50d，CANON的氨氮及总氮去除效果趋于平稳并且随着水力负荷的提高而逐步上升，反映CANON过程的比值ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N的值为0.10-0.25，并且保持稳定30d以上，说明反应器内已经建立了稳定的CANON反应，实现了反应器的CANON启动，共历时140d。在现有技术条件下，CANON工艺的启动时间一般需要150d-300d，并且多在高温或者高氨氮条件下进行，因此，本方法是一种行之有效的在常温低氨氮污水条件下快速启动CANON工艺的方法。反应器在之后的稳定运行下，系统的氨氮去除率和总氮去除率最高分别达到90％和75％以上，平均总氮去除负荷达到了1.75kg/(m³·d)，最高达到2.41kg/(m³·d)。

Claims

1.一种常温低氨氮污水全程自养脱氮工艺的快速启动方法，采用上向流的火山岩活性生物陶粒滤料生物滤池反应器，其特征在于：包括如下步骤：

2)在连续曝气的条件下，反应器好氧硝化启动的具体方法为：采用人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为80--120mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度为0--10mg/L，磷酸盐质量浓度为5--10mg/L，碱度质量浓度以CaO计为450--700mg/L，温度为15-23℃，曝气量为3-10m³/(m³·h)，pH为7.5-8.5，水力停留时间为8-15h，当出水中的NO₃ ^--N占TN比例大于50％时，好氧硝化阶段启动成功，以亚硝化菌和硝化菌为主导的微生物系统成功构建；

3)通过间歇曝气/厌氧的方式，反应器厌氧氨氧化启动的具体方法为：采用人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为80--120mg/L，磷酸盐质量浓度为5--10mg/L，碱度质量浓度以CaO计为450--700mg/L；在一天24h内，12h连续曝气，控制曝气量为1.8-3.5m³/(m³·h)，之后12h停止曝气，即曝停比为1∶1；并按照氨氮∶亚氮＝1∶1.3的比例配置亚硝酸盐氮；温度为15-23℃，pH为7.5-8.5，水力停留时间为5-10h，当ΔNO₂ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N及ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N值分别在1.2-1.4和0.2-0.3之间，并保持稳定运行两周以上时，厌氧氨氧化阶段启动成功；

4)通过限制性供氧持续曝气，反应器全程自养脱氮阶段启动的具体方法为：采用人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为80--120mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度为0--10mg/L，磷酸盐质量浓度为5--10mg/L，碱度质量浓度以CaO计为450--700mg/L，温度为15-23℃，曝气量为8.5-35.0m³/(m³·h)，pH为7.5-8.5，水力停留时间为0.4-5.8h，当系统的氨氮去除率和总氮去除率最高分别达到90％和75％以上，且ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N值在0.10-0.25时，反应器全程自养脱氮阶段成功启动。