CN103288213A

CN103288213A - 一种全程自养脱氮方法及装置

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Publication number: CN103288213A
Application number: CN2013102270585A
Authority: CN
Inventors: 张莉; 杨嘉春; 王圣瑞
Original assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Current assignee: Chinese Research Academy of Environmental Sciences
Priority date: 2013-06-08
Filing date: 2013-06-08
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2033-06-08
Also published as: CN103288213B

Abstract

一种全程自养脱氮方法，其主要步骤为：1)向反应器中接种anammox污泥；2)向废水中充入氮气，使废水的DO浓度降为0mg/L，调节进水桶中pH为7-8；3)通过提高废水总氮浓度以及降低水力停留时间来逐渐提高进水负荷；4)待反应稳定后，逐步提高废水中DO浓度，以培养反应器中可以消耗氧气的细菌；5)经过半个月的培养驯化，anammox污泥外层附有兼氧菌；6)向反应器中接种亚硝化菌，并适当降低进水中的亚硝氮浓度，同时向反应器进行曝气，控制曝气量使得进入反应器中的氨氮部分转化成为亚硝氮，即氨氮与亚硝氮浓度(mg/L)比例约为1∶1，通过pH控制器调节反应器内pH值为7.5-7.7；7)逐步提高进水负荷，稳定脱氮。本发明还公开了一种用于实现上述方法的装置。

Description

一种全程自养脱氮方法及装置

技术领域

本发明涉及一种全程自养脱氮工艺，更具体地涉及一种全程自养脱氮新型启动方法。

本发明还涉及一种用于实现上述方法的全程自养脱氮装置。

背景技术

我国是一个水资源极度贫乏的国家，近年来，随着中国经济的飞速发展，含氮废水排放量增大，氮素循环遭到破坏，导致中间产物积累，使得不少水源受到氮污染，引起水体环境的恶化，对人类和环境产生不良影响。其中，水体的氮素污染会导致藻类的过度繁殖，进而引发水体富营养化。水体富营养化不但给水体环境造成了严重的危害，而且造成了巨大的经济损失。我国多数城市废水的有机碳源与营养盐的比值低，依靠传统的脱氮工艺，其出水水质不能满足废水处理厂的一级排放标准。因此，寻找建立一种新型的、节能环保的废水脱氮系统对我国高效处理氨氮废水具有重大意义。

目前众多新型脱氮工艺已逐渐运用于实际废水处理中，全程自养脱氮工艺目前正用于生产实践中，无论是宏观方面还是微观方面，对它的研究还不够深入，虽然不够成熟，但符合可持续发展的废水处理工艺应有的目标，即最低的有机物和能源消耗、最小的二氧化碳排放、最大的生物产量，故有良好的发展前景。以往的研究表明，全程自养脱氮反应器多为固定床反应器或SBR，且启动及污泥颗粒化周期较长，操作条件苛刻，系统稳定性较弱。传统启动全程自养脱氮反应器的方法主要基于在厌氧氨氧化(anammox)反应器中接种硝化菌，或向部分亚硝化(PN)反应器中接种anammox菌。第一种方法会导致anammox泥活性很快下降；第二种方法会使得anammox颗粒污泥与废水的不完全接触，从而降低系统脱氮效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全程自养脱氮方法。本发明的又一目的在于提供一种用于实现上述方法的全程自养脱氮装置。

为实现上述目的，本发明提供的全程自养脱氮方法，其主要步骤为：

1)向反应器中接种anammox污泥；

2)向人工废水中充入氮气，使进水桶中的DO浓度为0mg/L，调节pH为7-8；

3)提高人工废水总氮浓度以及降低水力停留时间，以逐渐提高进水负荷；

4)待反应稳定后，逐步提高人工废水中DO浓度，以培养反应器内可以消耗氧气的细菌；

5)经过培养驯化，anammox颗粒污泥外层附有兼氧菌，可消耗反应器内的溶解氧，为颗粒污泥内部anammox反应营造厌氧条件；

6)向反应器中接种亚硝化菌，并适当降低人工废水中的亚硝氮浓度，同时向反应器进行曝气，控制曝气量使得人工废水中的氨氮部分转化成为亚硝氮；

7)在线监测反应器内pH值，通过添加HCl和NaOH控制反应器内pH值为7.5-7.7；

8)经过驯化培养，部分亚硝化菌成功附着在anammox颗粒污泥外表面，形成了外层好氧内层厌氧的颗粒污泥，实现了全程自养脱氮反应器高效启动过程；

9)稳定运行后，将人工废水换成市政废水或污泥脱水液。

所述的全程自养脱氮方法，其中，步骤1)中的anammox污泥为颗粒状或粉末状。

所述的全程自养脱氮方法，其中，步骤2)中的人工废水，其成分为：NH₄-N100mg/L，NO₂-N100mg/L，KHCO₃1.5-2.0g/L，NaCl10g/L，KH₂PO₄54mg/L，FeSO₄·7H₂O9mg/L，EDTA5mg/L，微量元素1mL/L，调节pH为7-8；所述微量元素的成分为：CuSO₄·5H₂O0.25mg/L，ZnSO₄·7H₂O0.43mg/L，CoCl₂·6H₂O0.24mg/L，MnCl₂·4H₂O0.99mg/L，NaMoO₄·2H₂O0.22mg/L，NiCl₂·6H₂O0.19mg/L，NaSeO₄0.11mg/L，H₃BO₃0.014mg/L。

所述的全程自养脱氮方法，其中，步骤2)是添加1mol/L的HCl和1mol/L的NaOH调节pH值。

所述的全程自养脱氮方法，其中，步骤6)中的曝气量控制在人工废水中的氨氮部分转化成亚硝氮，实现反应器内氨氮浓度(mg/L)∶亚硝氮浓度(mg/L)约为1∶1。

所述的全程自养脱氮方法，其中，步骤7)是添加1mol/L的HCl和1mol/L的NaOH调节pH。

本发明提供的用于实现上述全程自养脱氮方法的装置，包括：

全程自养脱氮反应器，上部为圆柱体，底部为锥形；

圆柱体的顶部设有一出水口，于出水口下方设有海绵填料，圆柱体的下部设有搅拌器，反应器的底部安装有曝气头；

一蠕动泵，将废水输送至全程自养脱氮反应器内；

一pH控制器，分别连接1mol/L HCl溶液和1mol/L NaOH溶液并输送至全程自养脱氮反应器内；

一搅拌器控制器，用于控制圆柱体下部的搅拌器转速，所述的装置，其中，搅拌器的转轴为中空管，该中空管插入至全程自养脱氮反应器底部的一端为曝气头。

所述的装置，其中，反应器内共设两个搅拌桨，上部搅拌桨为涡轮式搅拌桨，下部搅拌桨为折叶式搅拌桨。

所述的装置，其中，于出水口下方设置的海绵填料为聚乙烯海绵填料。

本发明的有益效果是：

1)本发明的全程自养脱氮方法弥补了传统方法的不足，能够快速形成外层好氧内层厌氧的颗粒污泥，且脱氮效率可达90％以上。

2)本发明首次使用了底部为锥形，上部为圆柱体的全程自养脱氮反应器。圆柱体顶部有海绵填料进行填充，底部锥形部分可增大污泥与器壁的碰撞几率，有利于颗粒污泥的形成；底部曝气头的添加，可达到均匀曝气和加强搅拌的目的，还可增大污泥之间以及与水分子间的碰撞几率，既节省能耗又提高脱氮效率。

3)本发明在全程自养脱氮反应器内的不同位置设计两种类型的搅拌桨，上部的搅拌桨采用圆盘涡轮式搅拌器，具有较大循环能力的同时，还具有高的剪切能力；下部采用折叶式搅拌桨，具有较大吞吐量，有利于将进水与污泥均匀混合。

4)本发明的装置可以节省投资以及能耗，实现高效、稳定的运行效果。

5)由于厌氧氨氧化菌生长速度较慢(倍增时间为11天)，需较长时间进行培养。本发明使用填料来吸附这种生长较慢的厌氧氨氧化菌以防止其随出水而流失，使厌氧氨氧化污泥有效地附着于其上，不仅可使污泥在反应器中有效进行繁殖，还可吸附上浮污泥，防止污泥的外流，提高脱氮效率。

附图说明

图1是本发明的全程自养脱氮装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明采用的全程自养脱氮装置，其操作和启动方法如下：首先在室温条件下，于反应器中接种anammox污泥(较理想的是颗粒状的anammox污泥)，调节进水pH值及反应器内搅拌速率，逐渐增加进水中溶解氧(DO)浓度，使得anammox污泥逐渐适应高溶解氧环境；在启动过程中，添加NaCl及NaHCO₃(每升废水中添加10g NaCl和1.5-2.0g NaHCO₃粉末)，以利于颗粒污泥的迅速形成，同时迅速提高废水脱氮负荷。两周后颗粒状anammox污泥外层将会形成一层兼氧保护层，之后投加亚硝化菌，调节曝气量及搅拌转速，同时逐步降低进水中亚硝酸盐的比例最终至进水中全部为氨氮，待反应器正常运行后，将人工废水换为市政废水或污泥脱水液。本发明之所以先用人工配制的废水，是为了减轻装置的负荷，使系统更加稳定。本发明采用搅拌式反应器，启动方式简单易行，适用水质广泛，利于外层好氧内层厌氧的颗粒污泥的形成及富集，为低碳高氮废水的全程自养脱氮工艺提供新的思路。

本发明的全程自养脱氮装置结构及操作方法：

请参阅图1，本发明的全程自养脱氮装置1，其主体为一全程自养脱氮反应器10，该反应器10的上部为圆柱体11，底部为锥形12，锥形底部有利于增大污泥与器壁的碰撞几率，有利于颗粒污泥的形成，同时有利于进水均匀分散。圆柱体11的顶部设有一出水口13，于出水口13下方设有海绵填料14(该海绵填料14可以是聚乙烯海绵填料)，聚乙烯海绵填料14的作用在于：吸附生长较慢的厌氧氨氧化菌(倍增时间为11天)以防止其随出水而流失，使厌氧氨氧化污泥有效地附着于其上，不仅可使污泥在反应器中有效进行繁殖，还可吸附上浮污泥，防止污泥的外流，提高脱氮效率。圆柱体11的中下部设有圆盘涡轮式搅拌器15，锥形部分设有折叶式搅拌器151，锥形的底部12安装有曝气头16。废水储存在一容器17中，通过蠕动泵18输送至全程自养脱氮反应器10内。

全程自养脱氮装置1还连接有若干控制器，这些控制器分别是：

pH控制器20，分别连接HCl溶液和NaOH溶液并输送至全程自养脱氮反应器内，以调节全程自养脱氮反应器10内废水的pH值。

搅拌器控制器30，用于控制搅拌器的转速。搅拌器的转轴19为一中空管，连有曝气头和搅拌桨，该中空管插入至全程自养脱氮反应器10的底部的一端为曝气头16，同时该中空管19也是向曝气头16输送空气的通道，可达到均匀曝气和加强搅拌的目的，还可增大污泥之间以及与水分子间的碰撞几率，既节省能耗又提高脱氮效率。

本发明的全程自养脱氮反应器10内的下部设有圆盘涡轮式搅拌桨15，具有较大循环能力的同时还具有高的剪切能力。锥形底部处也设有折叶式搅拌桨151，采用折叶式搅拌桨，具有较大吞吐量，有利于将进水与污泥均匀混合。本发明在不同的位置采用两级搅拌器15和151不仅可以达到均匀混合反应器内污泥、废水的目的，还可增大污泥与搅拌桨及废水的接触面积及碰撞几率，以增大剪切力，有助于形成密实饱满的anammox颗粒污泥。

本发明的操作过程是：

采用人工配置的高氮废水，在蠕动泵的作用下进入全程自养脱氮反应器中，并接种粉末状anammox污泥。全程自养脱氮反应器采用带有搅拌桨的底部为锥形，上部为圆柱体的反应器，圆柱体顶部有8片聚乙烯海绵填料进行填充，锥形部分有助于增大污泥与器壁及废水的接触面积，以增大剪切力，有助于形成密实饱满的anammox颗粒污泥；聚乙烯海绵填料的应用不仅可以有效滞留污泥，减少污泥的外流，还可以增大颗粒污泥与水分子的接触几率，提高脱氮效率。

操作过程是在室温下进行，由于anammox菌须在严格厌氧条件下生存，因此本发明采用逐步增加进水中DO浓度的方式，使得anammox菌逐渐适应高浓度DO，从而有助于颗粒污泥外层保护膜的形成。同时，在启动过程中，还需在进水中分别添加NaCl及NaHCO₃(添加量分别为每升废水添加10g NaCl、1.5-2.0g NaHCO₃)，有助于颗粒污泥的迅速形成以及进水氮负荷的快速提高。

接下来，向反应器中接种硝化菌，同时控制曝气头的空气流量，通过pH调节器(连有1mol/L的HCl和1mol/L的NaOH)调节反应器内的pH值。曝气装置安装在反应器底部，同时还在反应器的锥形底部处安装了搅拌桨151，更增加了反应器内曝气均匀性，使底部污泥均匀混合，提高搅拌效率。调节进水NH₄-N与NO₂-N比例，使NO₂-N浓度逐渐降低至为零，同时不断增大曝气量，通过pH调节器使反应器内pH值维持在7.5左右。

本发明实现了同一反应器内部分亚硝化、厌氧氨氧化的同时进行，节省了空间和能耗；所使用填料强大的吸附性能避免了污泥的流失；外加NaCl以及NaHCO₃，加快了污泥颗粒的形成，迅速提高了反应器的进水负荷。该项发明的应用，脱氮效果好，占地面积小，操作简便，适用水质广泛。

实施例：

1)反应器有效容积为5L，向反应器内接种anammox污泥8g/L；

2)配置人工含氮废水，废水成分为：NH₄-N100mg/L，NO₂-N100mg/L，KHCO₃1.5-2.0g/L，NaCl10g/L，KH₂PO₄54mg/L，FeSO₄·7H₂O9mg/L，EDTA5mg/L，微量元素1mL/L(CuSO₄·5H₂O0.25mg/L，ZnSO₄·7H₂O0.43mg/L，CoCl₂·6H₂O0.24mg/L，MnCl₂·4H₂O0.99mg/L，NaMoO₄·2H₂O0.22mg/L，NiCl₂·6H₂O0.19mg/L，NaSeO₄0.11mg/L，H₃BO₃0.014mg/L)，通过1mol/L的HCl调节pH为7-8；

3)利用氮气向进水桶曝气，使得进水桶内DO浓度约为0mg/L；实验废水在蠕动泵的作用下进入反应器内，水力停留时间(HRT)约为5h，搅拌桨的搅拌速率约为30转/分，此时进水负荷约为0.96kg-N/m³/day；搅拌桨搅动速率控制在30转/分左右，过快会导致污泥上浮，以致跑泥，过慢会使污泥沉积在锥形底部，没有搅动起来。

4)通过逐渐提高进水总氮浓度(NH₄-N+NO₂-N＝200mg/L→260mg/L)以及降低水力停留时间(HRT＝5h→4h)的方式逐渐提高进水负荷。本实验中适量添加的KHCO₃及NaCl有助于颗粒污泥的快速形成以及总氮负荷的快速提高。此时进水负荷1.6kg-N/m³/day。

5)待反应器稳定运行后，逐步提高进水桶中DO浓度0mg/L至6mg/L，以达到培养反应器内可以消耗氧气的细菌的目的。同时维持进水总氮浓度不变，逐步降低进水HRT至2h，使得进水负荷约3.2kg-N/m³/day。此时反应器内厌氧氨氧化污泥外层已附有一层兼氧菌，维持反应器在该负荷下运行，出水NO₂-N浓度稳定在5-10mg/L，说明反应器已达稳定状态。

6)第31天，向反应器内接种3g/L的亚硝化菌，调节进水氮素浓度：NH₄-N＝80mg/L，NO₂-N＝20mg/L(少量NO₂-N的添加是为消耗部分NH₄-N，确保不出现自由氨的抑制)，曝气量为0.3-0.5L/min，反应器连有1mol/L的HCl和1mol/L的NaCl，调节pH控制器，使反应器内部pH值始终保持在7.5-7.7，此时反应器脱氮效率可达75％；

7)之后调节HRT至3h，不断提高进水NH₄-N浓度，在第90天，进水NH₄-N浓度为150mg/L，NO₂-N浓度为0mg/L，水利停留时间3h，曝气量为0.8L/min，进水负荷约1.2kg-N/m³/day，脱氮效率稳定维持在90％以上。

Claims

1.一种全程自养脱氮方法，其主要步骤为：

1)向反应器中接种anammox污泥；

7)在线监测反应器内pH值，通过添加HCl和NaOH溶液控制反应器内pH值为7.5-7.7；

8)经过驯化培养，亚硝化菌成功附着在anammox颗粒污泥外表面，形成了外层好氧内层厌氧的颗粒污泥，实现了全程自养脱氮反应器高效启动过程；

9)稳定运行后，将人工废水换成市政废水或污泥脱水液。

2.根据权利要求1所述的全程自养脱氮方法，其中，步骤1)中的anammox污泥为颗粒状或粉末状。

3.根据权利要求1所述的全程自养脱氮方法，其中，步骤2)中的人工废水，其成分为：NH₄-N100mg/L，NO₂-N100mg/L，KHCO₃1.5-2.0g/L，NaCl10g/L，KH₂PO₄54mg/L，FeSO₄·7H₂O9mg/L，EDTA5mg/L，微量元素1mL/L，调节pH为7-8；

所述微量元素的成分为：CuSO₄·5H₂O0.25mg/L，ZnSO₄·7H₂O0.43mg/L，CoCl₂·6H₂O0.24mg/L，MnCl₂·4H₂O0.99mg/L，NaMoO₄·2H₂O0.22mg/L，NiCl₂·6H₂O0.19mg/L，NaSeO₄0.11mg/L，H₃BO₃0.014mg/L。

4.根据权利要求1所述的全程自养脱氮方法，其中，步骤2)是添加1mol/L的HCl和1mol/L的NaOH调节pH值。

5.根据权利要求1所述的全程自养脱氮方法，其中，步骤6)中的曝气量控制在人工废水中的氨氮部分转化成亚硝氮，实现进入反应器的氨氮∶亚硝氮浓度按每升计为1∶1mg。

6.根据权利要求1所述的全程自养脱氮方法，其中，步骤7)是添加1mol/L的HCl和1mol/L的NaOH调节pH。

7.一种用于实现权利要求1所述全程自养脱氮方法的装置，包括：

全程自养脱氮反应器，上部为圆柱体，底部为锥形；

圆柱体的顶部设有一出水口，于出水口下方设有海绵填料，圆柱体的下部设有搅拌器，圆柱体的底部安装有曝气头；

一蠕动泵，将废水输送至全程自养脱氮反应器内；

一pH控制器，分别连接HCl溶液和NaOH溶液并输送至全程自养脱氮反应器内；

一搅拌器控制器，用于控制圆柱体下部的搅拌器转速，所述搅拌器为为圆盘涡轮式搅拌桨和折叶式搅拌桨。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，搅拌器的转轴为中空管，该中空管插入至全程自养脱氮反应器底部的一端为曝气头。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，反应器内共设两个搅拌桨，上部搅拌桨为涡轮式搅拌桨，下部搅拌桨为折叶式搅拌桨。

10.根据权利要求7所述的装置，其中，于出水口下方设置的海绵填料为聚乙烯海绵填料。