CN103408140A

CN103408140A - 一种实现canon工艺高效稳定运行的控制方法

Info

Publication number: CN103408140A
Application number: CN2013103525721A
Authority: CN
Inventors: 张�杰; 张肖静; 李冬; 孟令威; 程庆锋
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2013-08-14
Filing date: 2013-08-14
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2033-08-14
Also published as: CN103408140B

Abstract

一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法，它属于污水处理领域，本发明是要提供一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法。本方法：接种CANON污泥于自养脱氮MBR反应器内，将待处理污水通入自养脱氮MBR反应器中，通过调节曝气量、进水流量和/或水力停留时间来控制曝气量与进水氨氮负荷的比值为0.25～0.30(L/min)/(kg/m³/d)，实现CANON工艺高效稳定运行。氨氮去除率90%以上，总氮去除率80%以上，反应器内无亚氮积累，且无多余硝氮生成。在此条件下氨氧化菌和厌氧氨氧化菌协同作用，曝气量太大导致厌氧氨氧化菌活性被抑制或者硝化菌活性的恢复，过低则易导致氨氧化菌活性被抑制。

Description

一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法

技术领域

本发明属于城市污水处理与再生领域，具体涉及CANON工艺高效稳定运行的控制方法。

背景技术

全程自养脱氮工艺（CANON）是一种新型生物脱氮工艺，可在单一反应器内完成脱氮，脱氮过程无需消耗有机碳源，与传统硝化-反硝化工艺相比可节省63%的曝气，是目前最经济有效的脱氮途径之一。在CANON工艺中，好氧氨氧化菌（AOB）首先将一部分氨氮氧化为亚氮，之后厌氧氨氧化菌（anammox）将亚氮和剩余的氨氮转化为氮气排放。因此，CANON工艺的高效稳定运行基于这两种微生物的协同作用，同时要保证对硝化菌(NOB)的抑制。然而，AOB和anammox分别为好氧微生物和厌氧微生物，它们对DO的需求存在矛盾。若反应器内曝气量太小，则AOB活性易受到抑制，导致氨氮氧化不完全，从而影响脱氮效率，反之，如果曝气量过大，则一方面会抑制anammox的活性，导致反应器内亚氮积累，另一方面则会诱导NOB的活性，导致全程硝化反应的发生。因此，如何避免反应器内亚氮及硝氮的积累，同时维持较高的脱氮效率，是该工艺进一步发展亟待解决的问题。

影响CANON反应器稳定运行的主要因素是氨氮浓度和溶解氧含量（DO），对于高温高氨氮废水来说，一般可以通过较高的游离氨浓度来实现对NOB的抑制，而对于低氨氮废水来说，无法实现较高的游离氨，同时较低的DO也会进一步限制脱氮效率。因此，如何在稳定运行和较高脱氮效率之间取得平衡，即保证不同进水氨氮浓度下的CANON反应器内既无亚氮积累，也无全程硝化反应发生，同时达到较高的总氮去除效率，对该工艺的发展有重要意义，目前尚无该方面报导。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法。

本发明的实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法具体步骤如下：

接种CANON污泥于自养脱氮MBR反应器内，接种后CANON污泥浓度为3.0～4.0g/L，将温度为20～28℃、pH为7.0～8.0、氨氮浓度为40～400mg/L的待处理污水通入自养脱氮MBR反应器中，通过调节曝气量、进水流量和/或水力停留时间来控制曝气量与进水氨氮负荷的比值（O₂/ALR）为0.25～0.30(L/min)/(kg/m³/d)，实现CANON工艺高效稳定运行。

其中CANON污泥为已经启动成功的CANON反应器的污泥，CANON污泥中的菌主要包含好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌；

进水氨氮负荷即为待处理的污水氨氮负荷，其定义为单位时间内进入单位体积的反应器内的氨氮的量。

自养脱氮MBR反应器示意图如图1所示，该自养脱氮MBR反应器系统由水箱、蠕动泵、曝气池、真空泵、气泵、气体流量计、搅拌器、在线溶解氧测定仪、在线pH监测仪器组成，曝气池的外壁设置水浴套，膜组件设置在曝气池内、曝气池的底部设置有曝气环，在曝气池的侧壁下部设置有排泥口；水箱通过蠕动泵与曝气池连通，真空泵与膜组件连通，气泵与曝气环连接，在气泵与曝气环之间的管路上设置气体流量计，搅拌器的搅拌桨、在线溶解氧测定仪的探测头、在线pH监测仪器的探测头设置在曝气池内。

本发明的自养脱氮MBR反应器系统的运行方式为完全混合式，属于连续流活性污泥法系统。

高效稳定运行的CANON反应器应具有以下特征：氨氮氧化率较高，反应器内无亚氮积累，无多余硝氮生成，△硝氮/△氨氮为0.11～0.13之间，同时具有较高的脱氮效率。然而在CANON反应器中，曝气量太大易导致anammox活性被抑制或者NOB活性的恢复，过低则易导致AOB活性被抑制。本发明提出以曝气量与进水氨氮负荷的比值（O₂/ALR）作为单一控制参数，解决了这一固有矛盾，兼顾了AOB和anammox的活性，同时可以有效抑制NOB，可以实现不同进水氨氮浓度下CANON工艺的高效稳定运行。本发明自养脱氮MBR反应器系统运行过程中无亚氮积累，氨氮去除率90%以上，总氮去除率80%以上，△硝氮/△氨氮为0.11～0.13，其中△硝氮/△氨氮=（出水硝氮－进水硝氮）/（进水氨氮－出水氨氮），并保持稳定运行一个月以上，氨氧化菌及厌氧氨氧化菌的活性均没有受到抑制，硝化菌的活性没有恢复，因此O₂/ALR为0.25～0.30(L/min)/(kg/m³/d)可以作为CANON工艺高效稳定运行的有效控制参数，实现了CANON工艺在不同氨氮浓度下的长期高效稳定运行。

本发明提出的控制参数O₂/ALR灵活且易于调节，可以分别通过调节曝气量、水力停留时间和/或进水流量来实现。在氨氮浓度较低时，可以通过减小水力停留时间（HRT），同时结合较低的曝气量，使O₂/ALR在0.25～0.3(L/min)/(kg/m³/d)之间，而在进水氨氮浓度较高时，则可通过减小进水流量同时结合较高的曝气量，使O₂/ALR在0.25～0.3(L/min)/(kg/m³/d)之间。该参数简单易于实现，并可灵活控制，解决了CANON工艺难以在低氨氮条件下稳定运行的难题，促进了CANON工艺的发展。

附图说明

图1是试验1中自养脱氮MBR反应器示意图，图中1为水箱，2为蠕动泵，3为曝气池，4为真空泵，5为气泵，6为气体流量计，7为搅拌器控制器，8为在线溶解氧测定仪，9为在线pH监测仪器，3-1为膜组件，3-2为水浴套，3-3为曝气环，3-4为排泥口；

图2是试验1中自养脱氮MBR反应器在曝气量为0.3L/min的条件下，出水亚氮、总氮去除负荷和△硝氮/△氨氮值与O₂/ALR值的关系图，其中△表示出水亚氮，★表示总氮去除负荷，■表示△硝氮/△氨氮值，其中O₂/ALR为曝气量与进水氨氮负荷的比值，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）；进水总氮的单位为mg/L；出水总氮的单位为mg/L；进水流量的单位为L/h；反应器体积的单位为L；24表示的意义为一天24个小时；

图3是试验1中自养脱氮MBR反应器在曝气量为0.2L/min的条件下，出水亚氮、总氮去除负荷和△硝氮/△氨氮值与O₂/ALR值的关系图，其中△表示出水亚氮，★表示总氮去除负荷，■表示△硝氮/△氨氮值；

图4是试验2中CANON工艺在高氨氮下稳定运行的效果图，其中氨氮去除率=（进水氨氮-出水氨氮）×100/进水氨氮，总氮去除率=（进水总氮-出水总氮）×100/进水总氮，△硝氮/△氨氮=（出水硝氮－进水硝氮）/（进水氨氮－出水氨氮）；

图5是试验3中CANON工艺在中氨氮下稳定运行的效果图；

图6是试验4中CANON工艺在低氨氮下稳定运行的效果图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法具体步骤如下：

本实施方式的自养脱氮MBR反应器运行过程中无亚氮积累，氨氮去除率90%以上，总氮去除率80%以上，△硝氮/△氨氮为0.11～0.13，并保持稳定运行一个月以上，氨氧化菌及厌氧氨氧化菌的活性均没有受到抑制，硝化菌的活性没有恢复，因此O₂/ALR为0.25～0.30(L/min)/(kg/m³/d)可以作为CANON工艺高效稳定运行的有效控制参数，实现了CANON工艺在不同氨氮浓度下的长期高效稳定运行。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是接种后CANON污泥浓度为3.5g/L。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是待处理污水的温度为22～26℃。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是待处理污水的pH为7.3～7.7。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是待处理污水的氨氮浓度为50～150mg/L。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是待处理污水的氨氮浓度为160～300mg/L。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是待处理污水的氨氮浓度为350～380mg/L。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是曝气量与进水氨氮负荷的比值（O₂/ALR）为0.26～0.28(L/min)/(kg/m³/d)。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是曝气量与进水氨氮负荷的比值（O₂/ALR）为0.27～0.275(L/min)/(kg/m³/d)。其它与具体实施方式一至七之一相同。

用以下试验验证本发明的有益效果：

以下试验采用自养脱氮MBR反应器如图1所示，其有效体积为10L，该自养脱氮MBR反应器由水箱1、水泵2、曝气池3、真空泵4、气泵5、气体流量计6、搅拌器7、在线溶解氧测定仪8、在线pH监测仪器9组成，曝气池3的外壁设置水浴套3-2，膜组件3-1设置在曝气池3内、曝气池3的底部设置有曝气环3-3，在曝气池3的侧壁下部设置有排泥口3-4；水箱1通过蠕动泵2与曝气池3连通，真空泵4与膜组件3-1连通，气泵5与曝气环3-3连接，在气泵5与曝气环3-3之间的管路上设置气体流量计6，搅拌器7的搅拌桨、在线溶解氧测定仪8的探测头、在线pH监测仪器9的探测头均设置在曝气池3内。反应器底部安装曝气装置，

试验1：利用自养脱氮MBR反应器确定O₂/ALR控制参数范围的方法，按以下步骤进行：

接种CANON污泥于自养脱氮MBR反应器内，接种后CANON污泥浓度为3.8g/L，将温度为24～28℃、pH为7.5～8.0、氨氮浓度为100～110mg/L的待处理污水通入自养脱氮MBR反应器中，控制曝气量为0.3L/min，调节进水氨氮负荷从0.6逐渐升高到2.0kg/m³/d，使得O₂/ALR从0.15(L/min)/(kg/m³/d)逐渐升高到0.5(L/min)/(kg/m³/d)，在每一个O₂/ALR值对应的条件下运行一天，将每一O₂/ALR值及运行一天后测试的出水亚氮、总氮去除负荷、△硝氮/△氨氮的数据结果绘于图2中，得到一些离散的点，如图2所示；再将曝气量控制为0.2L/min，调节进水氨氮负荷从0.4逐渐升高到1.4kg/m³/d，使得O₂/ALR从0.15(L/min)/(kg/m³/d)逐渐升高到0.5(L/min)/(kg/m³/d)，在每一个O₂/ALR值对应的条件下运行一天，将每一O₂/ALR值及运行一天后测试的出水亚氮、总氮去除负荷、△硝氮/△氨氮的数据结果绘于图3中，又得到一些离散的点，如图3所示。

CANON污泥包含有好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌，两种微生物在污泥中各占约50%。

从图2和图3可以看出，无论曝气量为0.3L/min还是曝气量为0.2L/min，在O₂/ALR大于0.45(L/min)/(kg/m³/d)时反应器内硝氮生成量大于理论生成量，△硝氮/△氨氮大于0.11～0.13，反应器内发生了全程硝化反应；在O₂/ALR为0.3～0.45之间时，反应器里有亚氮积累，anammox活性受到抑制；在O₂/ALR小于0.25(L/min)/(kg/m³/d)时，反应器内有氨氮积累，总氮去除率随着O₂/ALR的升高而升高，说明AOB活性受到抑制；在O₂/ALR为0.25～0.3(L/min)/(kg/m³/d)之间时，反应器能够保持稳定运行，氨氮氧化完全，没有亚氮积累，△硝氮/△氨氮在0.11～0.13之间，认为该参数可以作为CANON工艺高效稳定运行的控制参数。

试验2：本试验的实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法具体步骤如下：

接种CANON污泥于自养脱氮MBR反应器内，接种后CANON污泥浓度为3.5g/L，将温度为24～28℃、pH为7.5～8.0、氨氮浓度为400mg/L的待处理污水通入自养脱氮MBR反应器中，先控制曝气量为0.3L/min，进水氨氮负荷为1.2kg/m³/d，此条件下的O₂/ALR为0.25(L/min)/(kg/m³/d)，运行10天，在此过程中检测进水氨氮、出水亚氮，计算氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮；然后再提高曝气量为0.35L/min，进水氨氮负荷仍然为1.2kg/m³/d，此条件下的O₂/ALR为0.29(L/min)/(kg/m³/d)，运行10天，再检测进水氨氮、出水亚氮，计算氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮；再将曝气量提高至0.4L/min，进水氨氮负荷提高为1.4kg/m³/d，此条件下的O₂/ALR为0.286(L/min)/(kg/m³/d)），运行10天，再检测进水氨氮、出水亚氮，计算氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮，将得到进水氨氮、出水亚氮、氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮随时间的变化关系曲线结果绘于图4中，得到CANON工艺在高氨氮下稳定运行的效果图，其中曲线a为进水氨氮随时间的变化关系曲线，曲线b为出水亚氮随时间的变化关系曲线，曲线c为氨氮去除率随时间的变化关系曲线，曲线d为总氮去除率随时间的变化关系曲线，e为△硝氮/△氨氮随时间的变化关系曲线。

其中CANON污泥为已经启动成功的CANON反应器中的污泥，CANON污泥中的菌主要包含好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌；两种微生物在污泥中各占约50%。

本试验在高进水氨氮浓度条件下，控制O₂/ALR在0.25～0.29(L/min)/(kg/m³/d)之间，从图4可以看出反应器运行过程中无亚氮积累，氨氮去除率90%以上，总氮去除率80%以上，△硝氮/△氨氮为0.11～0.13之间，并保持稳定运行一个月以上，AOB及anammox的活性均没有受到抑制，NOB（硝化菌）的活性没有恢复。通过调节曝气量、进水流量和/或水力停留时间来控制曝气量与进水氨氮负荷的比值（O₂/ALR）为0.25～0.29(L/min)/(kg/m³/d)，实现CANON工艺高效稳定运行。

试验3：本试验的实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法具体步骤如下：

接种CANON污泥于自养脱氮MBR反应器内，接种后CANON污泥浓度为3.5g/L，将温度为24～28℃、pH为7.5～8.0、氨氮浓度为200～210mg/L的待处理污水通入自养脱氮MBR反应器中，先控制曝气量为0.2L/min，进水氨氮负荷为0.8kg/m³/d，此条件下的O₂/ALR为0.25(L/min)/(kg/m³/d)，运行10天，在此过程中检测出水氨氮、出水亚氮，计算氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮；然后再提高曝气量为0.25L/min，进水氨氮负荷提高为0.9kg/m³/d，此条件下的O₂/ALR为0.28(L/min)/(kg/m³/d)，运行10天，再检测进水氨氮、出水亚氮，计算氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮；再将曝气量提高至0.3L/min，进水氨氮负荷提高为1.1kg/m³/d，此条件下的O₂/ALR为0.272(L/min)/(kg/m³/d)，运行10天，再检测进水氨氮、出水亚氮，计算氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮，将得到的进水氨氮、出水亚氮、氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮随时间的变化关系曲线结果绘于图5中，得到CANON工艺在中氨氮下稳定运行的效果图，其中曲线a为进水氨氮随时间的变化关系曲线，曲线b为出水亚氮随时间的变化关系曲线，曲线c为氨氮去除率随时间的变化关系曲线，曲线d为总氮去除率随时间的变化关系曲线，e为△硝氮/△氨氮随时间的变化关系曲线。

本试验中在中进水氨氮浓度条件下，曝气量与进水氨氮负荷的比值（O₂/ALR）控制为0.25～0.28(L/min)/(kg/m³/d)，从图5可以看出，反应器运行过程中无亚氮积累，氨氮去除率90%以上，总氮去除率80%以上，△硝氮/△氨氮为0.11～0.13之间，并保持稳定运行一个月以上，AOB及anammox的活性均没有受到抑制，NOB的活性没有恢复。

试验4：本试验的实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法具体步骤如下：

接种CANON污泥于自养脱氮MBR反应器内，接种后CANON污泥浓度为3.5g/L，将温度为24～28℃、pH为7.5～8.0、氨氮浓度为40～50mg/L的待处理污水通入自养脱氮MBR反应器中，先控制曝气量为0.1L/min，进水氨氮负荷为0.4kg/m³/d，此条件下的O₂/ALR为0.25(L/min)/(kg/m³/d)，运行10天，在此过程中检测进水氨氮、出水亚氮，计算氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮；然后再提高曝气量为0.15L/min，进水氨氮负荷提高为0.55kg/m³/d，此条件下的O₂/ALR为0.27(L/min)/(kg/m³/d)，运行10天，再检测进水氨氮、出水亚氮，计算氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮；再将曝气量提高至0.2L/min，进水氨氮负荷提高为0.7kg/m³/d，此条件下的O₂/ALR为0.286(L/min)/(kg/m³/d)，运行10天，再检测进水氨氮、出水亚氮，计算氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮，将得到进水氨氮、出水亚氮、氨氮去除率、总氮去除率及△硝氮/△氨氮随时间的变化关系曲线结果绘于图6中，得到CANON工艺在低氨氮下稳定运行的效果图，其中曲线a为进水氨氮随时间的变化关系曲线，曲线b为出水亚氮随时间的变化关系曲线，曲线c为氨氮去除率随时间的变化关系曲线，曲线d为总氮去除率随时间的变化关系曲线，e为△硝氮/△氨氮随时间的变化关系曲线。

本试验在低进水氨氮浓度条件下，曝气量与进水氨氮负荷的比值（O₂/ALR）控制为0.25～0.286(L/min)/(kg/m³/d)，从图6可以看出，反应器运行过程中无亚氮积累，氨氮去除率90%以上，总氮去除率80%以上，△硝氮/△氨氮为0.11～0.13之间，并保持稳定运行一个月以上，AOB及anammox的活性均没有受到抑制，NOB的活性没有恢复。

本发明供氧与进水氨氮负荷均是CANON工艺的关键影响因素，接种CANON污泥于MBR反应器后，调节进水氨氮负荷和曝气量可实现对O₂/ALR的控制，将该比值控制为较小时，单位氨氮分得氧气较少，将限制氨氮的氧化，导致脱氮效率降低，将该比值控制为较大时，单位氧分压过大，将抑制anammox的活性，甚至诱导NOB活性的恢复，从而破坏CANON工艺。因此，确定O₂/ALR的值在0.25～0.3(L/min)/(kg/m3/d)之间，而且在无论是高、中、低的进水氨氮浓度条件，只要保证O₂/ALR的值在0.25～0.3(L/min)/(kg/m3/d)之间，CANON反应器能够长期高效稳定运行。

Claims

1.一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

接种CANON污泥于自养脱氮MBR反应器内，接种后CANON污泥浓度为3.0～4.0g/L，将温度为20～28℃、pH为7.0～8.0、氨氮浓度为40～400mg/L的待处理污水通入自养脱氮MBR反应器中，通过调节曝气量、进水流量和/或水力停留时间来控制曝气量与进水氨氮负荷的比值为0.25～0.30(L/min)/(kg/m³/d)，实现CANON工艺高效稳定运行。

2.根据权利要求1所述的一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法，其特征在于接种后CANON污泥浓度为3.5g/L。

3.根据权利要求1或2所述的一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法，其特征在于待处理污水的温度为22～26℃。

4.根据权利要求3所述的一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法，其特征在于待处理污水的pH为7.3～7.7。

5.根据权利要求3所述的一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法，其特征在于待处理污水的氨氮浓度为50～150mg/L。

6.根据权利要求3所述的一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法，其特征在于待处理污水的氨氮浓度为160～300mg/L。

7.根据权利要求3所述的一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法，其特征在于待处理污水的氨氮浓度为350～380mg/L。

8.根据权利要求3所述的一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法，其特征在于曝气量与进水氨氮负荷的比值为0.26～0.28(L/min)/(kg/m³/d)。

9.根据权利要求3所述的一种实现CANON工艺高效稳定运行的控制方法，其特征在于曝气量与进水氨氮负荷的比值为0.27～0.275(L/min)/(kg/m³/d)。