CN103482765B - 一种常温低c/n污水同时脱氮除cod工艺的快速启动方法 - Google Patents
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Abstract
一种常温低C/N污水同时脱氮除COD工艺的快速启动方法属于城市生活污水处理与再生领域。首先接种一定成熟CANON污泥，使其在火山岩滤料上挂膜，快速构建以好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌为主导的微生物系统；然后降低进水基质浓度并调节曝气、水力停留时间，提高氮素去除负荷，实现中氨氮基质条件下CANON工艺高负荷稳定运行；最后进水添加有机碳源，异养反硝化细菌生长，控制温度、游离氨、曝气等条件优化好氧氨氧化菌、厌氧氨氧化菌以及反硝化菌共存的微环境，成功启动了SNAD工艺。本发明解决了长期以来生物脱氮需投加大量有机碳源耗资巨大的难题，为常温低C/N模拟废水SNAD工艺的启动提供了方法。
Description
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、中氨氮水平下的生物膜法同时脱氮除COD（SNAD）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大量有机碳源，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(completely autotrophic 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。但大多研究只是追求创造理想准佳条件，而忽略了现实中只含有NH4 +-N而不含有COD的污水并不常见。随着CANON工艺中COD的普遍引入产生了SNAD工艺。SNAD(simultaneous partial nitrification，anammox and denitrification)工艺中起主导作用的菌包含好氧氨氧化菌(AOB)与厌氧氨氧化菌(Anammox)及反硝化菌。三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，并产生少量NO3 -，然后再利用反硝化细菌从COD中获得电子供体将COD氧化的同时将NO3 -和少部分NO2 -还原成氮气，这在理论上能够突破CANON工艺的89%总氮去除率极限，对于实现更高的污水处理排放指标意义重大。
SNAD工艺基于CANON工艺原理，可节约大量的曝气以及需要相对很少的有机碳源，既能解决传统脱氮工艺需大量有机碳源、曝气量高的难题，也能突破CANON工艺的89%氮素去除率极限，实现更高的污水处理排放指标，是高效节能脱氮工艺的理想选择。然而目前，SNAD工艺仍处于试验研究阶段，且起初构建CANON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、有机碳源低的特点，如何在常温低C/N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SNAD启动时间的关键点。对于SNAD工艺的进一步研究和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C/N水质条件下，实现同时最大限度脱氮除COD，缩短厌氧氨氧化菌的富集时间，快速启动SNAD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SNAD工艺的方法，是在常温条件下，以模拟实际生活污水低C/N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SNAD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接种成熟CANON污泥，接种污泥浓度为4-5g/L；
2）第Ⅰ阶段，填料挂膜，CANON污泥适应并稳定运行阶段。具体方法为：采用连续流运行方式，连续曝气策略；人工模拟配水，进水氨氮质量浓度为370-430mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度为1-3mg/L，磷酸盐质量浓度为5-10mg/L，碱度质量浓度以CaCO3计为1600--2000mg/L。控制温度为26-27℃，pH为7.7-8.1，控制曝气量为0.1--4L/min，保证反应器中溶解氧在5-6.5mg/L，水力停留时间为5-8h。使之快速适应火山岩活性生物陶粒滤料生物滤池反应器。当系统的氨氮去除率和总氮去除率连续15d以上分别达到80%和75%以上，且进出水NO3 --N质量浓度差/进出水NH4 +-N质量浓度差的比值在0.08-0.13，肉眼可见填料有污泥挂膜且运行稳定时，CANON污泥挂膜阶段成功；
3）第Ⅱ阶段，中氨氮CANON工艺高负荷稳定运行阶段。具体方法为：采用连续流运行方式，连续曝气策略；人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为180-220mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度为1-3mg/L，磷酸盐质量浓度为5-10mg/L，碱度质量浓度以CaCO3计为800-830mg/L。控制温度为26-27℃，pH为7.7-8.1，降低水力停留时间HRT为0.9-1.2h，调节曝气量为2-4L/min，使反应器中溶解氧在6.5-7.5mg/L。当连续运行15d以上氨氮去除率和总氮去除率分别达到80%和75%以上，且进出水NO3 --N质量浓度差/进出水NH4 +-N质量浓度差的比值在0.08-0.13，CANON工艺在中氨氮进水基质条件下稳定运行；
4）第III阶段，在连续曝气的条件下，反应器由CANON工艺向SNAD工艺的转化。具体方法为：采用连续流运行方式，连续曝气策略；人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为180-220mg/L，COD浓度为40mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度为1-3mg/L，磷酸盐质量浓度为5-10mg/L，碱度质量浓度以CaCO3计为800-830mg/L。控制温度为26-28℃，pH为7.5-8.1，控制曝气量为4-5L/min，使反应器中溶解氧稳定在6.5-7.5mg/L，控制水力停留时间为1.4-1.5h。当连续运行15d以上氨氮、总氮、COD去除率分别达到90%、75%、70%以上，SNAD工艺成功启动。
本发明通过高氨氮CANON污泥挂膜——中氨氮CANON稳定运行——低C/N限氧SNAD启动的方法，通过对水力停留时间和曝气量的控制，在实现较高氮素去除率的基础上，在较短的时间内实现了CANON工艺高负荷运行，并且缩短了常温低C/N污水SNAD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，能同时进行脱氮除COD，氨氮及COD去除负荷分别达到了3.50kg/(m3·d)和0.5kg/(m3·d)以上，达到了较高的同时脱氮除COD效果。
附图说明：
图1是本发明采用的SNAD试验装置示意图。
1.进水泵;2.中气泵;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高氨氮CANON污泥挂膜阶段氨氮、总氮去除率及去除负荷效果变化。
图3是采用本发明方法的反应器在中氨氮CANON运行阶段氨氮、总氮去除率及去除负荷变化。
图4是采用本发明方法的反应器在SNAD启动阶段氨氮、总氮、COD去除率及去除负荷变化。
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C/N污水生物膜法SNAD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，首先接种具有一定成熟性CANON污泥，采用高氨氮、限氧连续曝气控制一定溶解氧浓度的方法，快速构建以好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌为主导的微生物系统；之后，采用降低氨氮基质的方式使好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌逐渐适应较低氨氮浓度的微环境，并调节最佳运行工况使氨氮去除负荷达到最大；最后在反应器达到稳定的全程自养脱氮效果的基础上，持续限氧曝气，加入COD控制C/N为0.2，促使反硝化细菌与好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌共同生长，最终实现SNAD工艺在常温低C/N下的启动。
本发明反应器接种的污泥为本实验室较成熟的CANON污泥。由于CANON污泥中存在着一定量的好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌，因此有利于快速高氨氮条件下CANON的启动。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，氨氮和总氮在这一阶段出现了明显的去除，认为当去除率均大于50%时，生物膜反应器启动成功，以好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌主导的微生物系统成功构建。控制条件为曝气量为0.1—4L/min，pH为7.7—8.1，水力停留时间为2—8h，碱度为1600--2000mg CaCO3/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。通过高氨氮CANON阶段的培养，生物膜已经在滤料表面固着良好；随着低基质的改变，调节曝气量和HRT，寻找去除氨氮最高时的最佳工况条件，最终实现向低基质转变的成功运行。控制条件为曝气阶段曝气量大小为1.8—3.5L/min，pH为7.7—8.1，水力停留时间为1—1.3h，碱度为810mg CaCO3/L。
本发明中反应器在常温低C/N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，且CANON工艺反应中会生成一定量的硝氮，限制了总氮的去除。因此，在常温低C/N的条件下，加入的有机碳源会促使反硝化细菌生长，并进一步去除厌氧氨氧化过程产生的硝酸盐氮。即SNAD工艺耦合了亚硝化化反应、厌氧氨氧化反应以及反硝化反应，使总氮的去除进一步提高。
实现稳定的同步脱氮除COD工艺，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2—4L/min，pH为7.7—8.1，水力停留时间为0.9—1.3h，碱度为810mg CaCO3/L。
具体实施例：
接种北京工业大学水环境修复实验室较成熟CANON污泥于反应器中，接种污泥浓度为4.5g/L，接种总量约为10L。试验用水采用人工配水，以自来水中添加适量的(NH4)2SO4、NaHCO3与KH2PO4配置而成，第三阶段加入葡萄糖作为有机碳。
反应器采用有机玻璃柱加工而成的生物滤柱，内径82mm，总高度1000mm，总体积5.3L，柱内装火山岩活性生物陶粒滤料，装填高度为850mm，有效容积2.63L。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。
高氨氮CANON挂膜阶段：对反应器进行连续限氧曝气，在曝气量为0.1--4L/min，温度为26—27℃，pH值为7.7—8.1，水力停留时间为2-8h的运行控制条件下，经过20d，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，总氮、氨氮的去除负荷分别达到3.38和4.15kgN/（m3.d），去除率为74%和80%，可以认为高氨氮CANON阶段启动完成，历时20d。
中氨氮CANON稳定高负荷运行阶段：系统采用连续限氧曝气方式运行。曝气量为2—4L/min。其他控制条件为pH值为7.7—8.1，水力停留时间为0.9—1.2h。又经过50d左右，在中氨氮条件下，总氮、氨氮的去除负荷分别达到3和3.5kgN/（m3.d），去除率为75%和85%，成功实现了中氨氮CANON稳定高负荷运行。
SNAD启动阶段：在持续限氧曝气，曝气量为4—5L/min，温度为26—27℃，pH值为7.5—8.1，水力停留时间为1.4—1.5h的运行控制条件下，又经过50d，SNAD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，总氮、氨氮、COD的去除负荷分别达到3.1、3.59、0.5kg/（m3.d），去除率为76%、95%、70%，并且保持稳定15d以上，说明反应器内已经建立了稳定的SNAD反应，实现了反应器的SNAD启动，共历时150d。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中低氨氮污水条件下在CANON工艺基础上快速启动SNAD工艺的方法。反应器在之后的稳定运行下，系统的COD去除率、氨氮去除率和总氮去除率最高分别达到71%、95%和78%以上，平均总氮去除负荷达到了2.6kg/(m3·d)，最高达到3.08kg/(m3·d)。
Claims (1)
1.一种常温低C/N污水同时脱氮除COD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，包括如下步骤：
1）首先接种污泥于反应器内：反应器所接种的污泥为成熟CANON污泥，接种污泥浓度为4-5g/L；
2）第Ⅰ阶段，CANON污泥适应反应器并在填料上挂膜；具体方法为：采用连续流运行方式；人工模拟配水，进水氨氮质量浓度为370-430mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度为1-3mg/L，磷酸盐质量浓度为5-10mg/L，碱度质量浓度以CaCO3计为1600-2000mg/L；反应器控制条件：温度在26-27℃，pH为7.7-8.1，连续限氧曝气，使反应器中溶解氧在5-6.5mg/L，水力停留时间为5-8h；使之快速适应火山岩活性生物陶粒滤料生物滤池反应器；当系统的氨氮去除率和总氮去除率连续15d以上分别达到80%和75%以上，且肉眼可见填料表面有污泥附着，认为CANON污泥挂膜成功；
3）第Ⅱ阶段，中氨氮进水基质条件下CANON工艺高负荷稳定运行阶段；具体方法为：采用连续流运行方式；人工模拟配水，进水氨氮质量浓度为180-220mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度为1-3mg/L，磷酸盐质量浓度为5-10mg/L，碱度质量浓度以CaCO3计为800-830mg/L；反应器控制条件：温度控制在26-27℃，pH为7.7-8.1，降低水力停留时间HRT为0.9-1.2h，调节曝气量使反应器中溶解氧为6.5-7.5mg/L；当连续运行15d以上氨氮去除率和总氮去除率分别达到80%和75%以上，认为CANON工艺在中氨氮基质条件下稳定运行；
4）第III阶段，反应器由CANON工艺向SNAD工艺的转化；具体方法为：采用连续流运行方式；人工模拟配水，进水氨氮质量浓度为180-220mg/L，COD浓度为40mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度为1-3mg/L，磷酸盐质量浓度为5-10mg/L，碱度质量浓度以CaCO3计为800-830mg/L；反应器控制条件为：温度在26-28℃，pH为7.5-8.1，调节曝气量使反应器中溶解氧为6.5-7.5mg/L，水力停留时间为1.4-1.5h；当连续运行15d以上氨氮、总氮、COD去除率分别达到90%、75%、70%以上，SNAD工艺成功启动。
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