CN103224284A - 一种膜生物反应器全程自养脱氮工艺的快速启动方法 - Google Patents

Abstract

一种膜生物反应器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。在膜生物反应器（MBR）内启动全程自养脱氮工艺，其步骤为：首先接种城市污水厂曝气池硝化污泥，在常温及较低进水氨氮下恢复污泥活性；其次降低曝气量，逐渐增加氨氮浓度，成功富集氨氧化菌；最后再次减小曝气量降低DO，诱导厌氧氨氧化菌，成功启动全程自养脱氮工艺。本发明解决了全程自养脱氮工艺启动缓慢、种泥要求苛刻的难题，提供了一种在MBR反应器中快速启动全程自养脱氮工艺的策略，实现了氨氮的高效去除，为MBR反应器应用于全程自养脱氮工艺的长期高效稳定运行提供了方法。

Description

一种膜生物反应器全程自养脱氮工艺的快速启动方法

技术领域

本发明属于城市污水处理与再生领域。具体涉及专用于常温膜生物反应器CANON工艺的快速启动方法。

背景技术

近年来，随着我国经济的快速增长，工业化和城市化进程不断推进，水污染日益加剧，造成水质性缺水和原本的资源性缺水彼此重叠，越来越多地影响到人们的正常生产和生活。其中，氮素污染是主要的一项危害。环保部公布的《2011年中国环境状况公报》中指出，七大水系除淮河水系外主要污染指标均包含氨氮，湖泊（水库）富营养化问题仍突出。水体中的氮素污染已严重威胁到我们赖以生存的生态环境，开发经济有效的生物脱氮技术已成为国内外的研究热点。全程自养脱氮工艺（CANON）工艺是近年来发现的生物脱氮新技术，其将短程硝化与厌氧氨氧化结合在一个反应器内，正逐渐成为生物脱氮方面的研究热点，与传统脱氮技术相比，具有技术上、经济上、可持续性上的诸多优点，能有效的处理低碳氮比的高浓度氨氮废水，具有脱氮路径短、节省曝气量、污泥产量低、无需有机碳源等诸多优点。对于我国水环境污染治理和恢复具有重要的意义和广阔的应用前景。然而，CANON工艺中的功能微生物氨氧化细菌（AOB）和厌氧氨氧化菌（anammox）均属于自养菌，生长缓慢难以富集，同时其稳定性较差，从而导致反应器启动比较困难，总氮去除负荷比较低等。因此如何实现反应器的快速启动，对于CANON工艺的发展应用具有现实意义。

膜生物反应器（MBR）是近年来逐渐兴起的新型反应器，具有出水水质好，污泥浓度高，处理负荷高，不需二沉池、节省占地面积等优点。将MBR反应器应用于污水处理的全程自养脱氮工艺的研究，可以解决自养菌生长缓慢难以富集及自养脱氮负荷较低的难题，促进自养脱氮工艺的发展。因此，MBR全程自养脱氮工艺的快速启动策略是MBR应用于自养脱氮的关键技术，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常温膜生物反应器全程自养脱氮工艺的快速启动方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所提供的一种常温膜生物反应器全程自养脱氮工艺的快速启动方法，是在常温下，以人工模拟配水为进水，以一体式MBR反应器为试验装置如图1所示，内置聚偏氟乙烯中空纤维膜组件，底部设有曝气装置，由转子流量计控制曝气量。内置搅拌器，保证泥水混合均匀，进水泵连接液位控制器，保持液位恒定，通过蠕动泵抽吸出水。试验中主要通过调节曝气量，来实现CANON工艺的快速启动。具体步骤如下：

（1）首先接种污泥于膜生物反应器内，接种的污泥为城市污水处理厂曝气池硝化污泥，接种污泥浓度为10~13g/L；

（2）在曝气量为0.4~0.5L/min 的条件下，硝化污泥活性恢复的方法为：在自来水中加以 (NH₄)₂SO₄和NaHCO₃配氨氮浓度为70~75mg/L，以CaCO₃计的碱度浓度为700~750mg/L，温度为22~27℃，pH为7.0~8.0，当氨氮去除率达到90%~100%时，认为硝化细菌活性得到恢复；

（3）在曝气量为0.3~0.4 L/min的条件下，富集培养氨氧化菌AOB的方法为：保持进水流量不变，进水氨氮浓度逐渐增加190~210 mg/L，在增加进水氨氮浓度的同时增加碱度浓度，以CaCO₃计的碱度与氨氮的质量浓度比为8~10，温度为22~27℃，pH为7.5~8.0，当亚硝化率达到了97%~100%，并保持稳定运行一周以上时，认为氨氧化菌AOB成功得到富集培养；

（4）在曝气量为0.1~0.2 L/min的条件下，反应器全程自养脱氮工艺的启动方法为：保持进水氨氮为190~210mg/L，温度为22~27℃，pH为7.5~8.0；当系统的总氮去除率和总氮去除负荷分别达到75%以上和0.5 kg·m^-3·d^-1以上，且稳定运行30天以上时，反应器全程自养脱氮工艺成功启动。

本发明在常温下通过调节曝气量启动全程自养脱氮工艺，易于实施，并且缩短了启动时间。本发明中接种污泥来自于城市污水处理厂硝化池，污泥简单易得，解决了CANON工艺种泥来源困难的难题。此外，本发明将新型反应器MBR反应器应用在全程自养脱氮工艺的研究上，膜生物反应器有利于污泥截留，适合长SRT微生物生长，有望解决自养污泥生长缓慢，处理负荷低的难题。

附图说明

图1是本发明中MBR反应器运行原理图，主要包括进出水泵、搅拌器、曝气池、在线DO、pH监测仪器及内置膜组件等。

图2是本发明中反应器硝化污泥活性恢复及富集培养氨氧化菌阶段的运行效果图，其中亚硝化率（%）=亚氮*100/（亚氮+硝氮），氨氮去除率（%）=（进水氨氮-出水氨氮）*100/进水氨氮，进水氨氮负荷=进水氨氮*进水流量*24/（反应器体积*1000），总氮去除负荷=（进水总氮-出水总氮）*进水流量*24/（反应器体积*1000）。

图3是本发明中反应器全程自养脱氮工艺启动阶段运行效果图，其中总氮去除率（%）=（进水总氮-出水总氮）*100/进水氨氮，进水氨氮负荷=进水氨氮*进水流量*24/（反应器体积*1000），总氮去除负荷=（进水总氮-出水总氮）*进水流量*24/（反应器体积*1000）。

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。

具体实施方式

本发明中所采用的反应器为膜生物反应器（MBR），反应器有效体积是13L，反应器底部安装曝气装置，可以通过调节曝气量来控制反应器废水中的DO浓度。内置搅拌器，保证泥水混合均匀，进水泵连接液位控制器，保持液位恒定，出水通过蠕动泵抽吸出水。试验以人工合成废水为试验用水，进水基质主要包括0.33~0.94g/L的(NH₄)₂SO₄，0.94~3.36g/L的NaHCO₃，同时加以0.068g/L的CaCl₂、0.15g/L 的MgSO₄·H₂O、0.068g/L 的KH₂PO₄。

本发明中快速启动全程自养脱氮工艺的方法，其思路为：在MBR反应器中，接种以A²/O工艺运行的城市污水处理厂的硝化污泥。硝化污泥中含有大量硝化细菌，将污泥从污水厂转移到新的反应器，需要在适宜的条件下恢复污泥活性。污泥接种到反应器之后，以人工配水为基质，配水中投加硫酸铵使氨氮浓度与水厂浓度相近，同时投加碳酸氢钠保证以CaCO₃计的碱度浓度为氨氮浓度的8~10倍，连续曝气使污泥恢复活性。在污泥活性恢复之后，降低曝气量创造适宜于氨氧化细菌AOB生长的低氧环境，通过逐渐增加进水氨氮浓度的方式抑制亚硝酸盐氧化菌NOB的活性，实现AOB的富集培养。最后再次降低曝气量，创造适宜于厌氧氨氧化细菌生存的缺氧微环境，同时结合MBR反应器有利于AOB、厌氧氨氧化菌等长污泥龄微生物生长的特点，实现厌氧氨氧化菌的富集培养，从而在MBR反应器中启动全程自养脱氮工艺。

具体处理如下：

接种以A²/O工艺运行的某城市污水处理厂的硝化污泥于MBR反应器内，接种污泥浓度为10~13g/L，接种量3L，接种后反应器内污泥浓度为3.0~3.5g/L。采用人工合成废水，主要由(NH₄)₂SO₄、NaHCO₃、CaCl₂、MgSO₄·H₂O、KH₂PO₄配置而成，且不含有机碳源。在曝气量为0.4~0.5L/min的条件下，控制进水氨氮为70~75mg/L，温度为22~27℃，pH为7.0~8.0，以CaCO₃计的碱度浓度为700~750 mg/L连续运行，恢复硝化细菌的活性。由于接种污泥为城市污水处理厂硝化污泥，污泥中同时存在氨氧化菌（AOB）和亚硝酸盐氧化菌（NOB）两种硝化细菌，氨氮被两种细菌共同作用而转化为硝氮。连续运行7天之后，氨氮去除率达到99%以上，这标志着污泥的活性得到恢复，适应期结束。

全程自养脱氮工艺中的功能性微生物为AOB和厌氧氨氧化细菌，因此在硝化细菌活性得到恢复后，需要进一步改善条件富集培养AOB，淘洗NOB。在污泥活性得到恢复后，降低曝气量为0.3~0.4L/min，逐渐增加进水氨氮浓度，氨氮浓度分别为70~75mg/L、95~105mg/L、145~155mg/L、190~210mg/L，在每个氨氮水平下运行一周。在高氨氮基质下，AOB的生长几乎不受影响，而NOB的活性得到抑制，同时，通过排泥将NOB淘洗出反应器，进而实现对AOB的富集培养。在增加进水氨氮浓度的同时增加碱度浓度，配水中以CaCO₃计的碱度与氨氮的质量浓度比值为8~10，以保证氨氮氧化有充足的碱度。在第15天进水氨氮达到190~210mg/L时，亚氮开始积累，标志着AOB在反应器中开始逐渐占据优势，亚硝化率最终维持在97%~100%，并保持稳定运行一周以上，成功实现了氨氧化菌AOB的富集培养。

氨氧化细菌得到成功富集后，继续降低曝气量为0.1~0.2L/min，保持进水氨氮为190~210mg/L不变，配水中不添加任何有机碳源，通过减小曝气量降低反应器内的溶解氧含量，为厌氧氨氧化菌创造厌氧或者缺氧微环境，诱导增强其活性。控制温度为22~27℃，pH为7.5~8.0连续运行，在降低曝气量的第8天时，总氮去除负荷达到0.1 kg·m^-3·d^-1以上，厌氧氨氧化菌活性得到成功诱导，好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌协同作用，完成氮素的去除，CANON工艺启动成功，启动时间共计53天。在该阶段，总氮去除负荷最终达到0.5kg·m^-3·d^-1以上，总氮去除率达到75%以上，并保持稳定运行30天，如图3所示。在现有技术条件下，活性污泥法CANON工艺的启动时间一般需要150d~300d，并且多在高温条件下进行，负荷一般低于0.5kg·m^-3·d^-1。因此，本方法是一种行之有效的在常温MBR反应器内快速启动CANON工艺的方法。

Claims (1)

1.一种膜生物反应器全程自养脱氮工艺的快速启动方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）首先接种污泥于膜生物反应器内，接种的污泥为城市污水处理厂曝气池硝化污泥，接种污泥浓度为10~13g/L；

（2）在曝气量为0.4~0.5L/min 的条件下，硝化污泥活性恢复的方法为：在自来水中加以 (NH₄)₂SO₄和NaHCO₃配氨氮浓度为70~75mg/L，以CaCO₃计的碱度浓度为700~750mg/L，温度为22~27℃，pH为7.0~8.0，当氨氮去除率达到90%~100%时，认为硝化细菌活性得到恢复；

（3）在曝气量为0.3~0.4 L/min的条件下，富集培养氨氧化菌AOB的方法为：保持进水流量不变，进水氨氮浓度逐渐增加190~210 mg/L，在增加进水氨氮浓度的同时增加碱度浓度，以CaCO₃计的碱度与氨氮的质量浓度比为8~10，温度为22~27℃，pH为7.5~8.0，当亚硝化率达到了97%~100%，并保持稳定运行一周以上时，认为氨氧化菌AOB成功得到富集培养；

（4）在曝气量为0.1~0.2 L/min的条件下，反应器全程自养脱氮工艺的启动方法为：保持进水氨氮为190~210mg/L，温度为22~27℃，pH为7.5~8.0；当系统的总氮去除率和总氮去除负荷分别达到75%以上和0.5 kg·m^-3·d^-1以上，且稳定运行30天以上时，反应器全程自养脱氮工艺成功启动。

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