CN103482831B

CN103482831B - 一种通过过程控制富集亚硝态氮氧化菌颗粒污泥的方法

Info

Publication number: CN103482831B
Application number: CN201310412733.1A
Authority: CN
Inventors: 彭永臻; 董怡君; 张宇坤
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing Enterprises Water China Investment Co Ltd
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2033-09-11
Also published as: CN103482831A

Abstract

本发明提供了一种通过过程控制富集亚硝态氮氧化菌颗粒污泥的方法。本方法主要使用SBR装置，通过逐步提高进水亚硝态氮浓度（150～2000mg NO₂ ^--N/L），以沉淀时间为选择要素（沉淀时间为1～10min）采用DO-MSC（溶解氧的移动斜率变化）过程控制的方法对亚硝态氮氧化菌颗粒污泥进行富集。本发明将DO-MSC过程控制应用于亚硝态氮氧化菌颗粒污泥的富集过程，节省反应时间，节省曝气量，实现了亚硝态氮氧化菌颗粒污泥的快速富集，富集后污泥浓度达10g/L以上，其中NOB占细菌总量达80%以上，能完全处理进水浓度为2000mg NO₂ ^--N/L的废水。

Description

一种通过过程控制富集亚硝态氮氧化菌颗粒污泥的方法

技术领域

本发明涉及一种通过过程控制富集亚硝态氮氧化菌颗粒污泥的方法，属于废水生物脱氮技术领域。

背景技术

亚硝酸盐为致癌物质，且来源广泛，主要存在于化工、医药、食品、橡胶工业、印染工业、纺织工业和电镀行业等的生产废水中。目前，常用处理亚硝酸盐废水的方法主要为化学方法，如次氯酸钠法、尿素分解法、氯化铵分解法、氨基磺酸分解法、光催化氧化法等，而化学方法普遍存在反应条件苛刻、产生二次污染及处理费用较高的缺点。使用生物处理的方法较少，这是因为较高浓度的亚硝酸盐会形成高浓度的游离亚硝酸，会对亚硝态氮氧化菌产生抑制作用，影响对亚硝酸盐的处理效果，且亚硝态氮氧化菌生长速率较低，难以持留，而通过对NOB进行富集可以有效的解决这个问题。

NOB为自养菌，以亚硝酸盐为唯一能源，以CO₂为唯一碳源。大多数NOB适宜的生长条件为：温度25～30℃，pH范围7.5～8.0，亚硝氮浓度2～30mmol/L。NOB主要分为四个属：Nitrobacter、Nitrococcus、Nitrospina、Nitrospira，其中，Nitrobacter的菌株来自土壤和淡水样品，其他三个属的菌株基本上来自海洋样品，具有较强的耐盐能力。Nitrobacter菌株对亚硝酸盐的耐受能力明显强于其他三个属，由于其长期生活在缺乏亚硝酸盐的自然生境中，因此Nitrobacter菌株的耐饥饿能力也很强。

好氧颗粒污泥是一种特殊形式的生物膜，具有颗粒直径大、SVI值低、沉降速度高、生物量高等优点，这些优势使生物反应器可以保持非常高的生物量以及很好的沉降性能，在提高生物脱氮能力方面具有巨大潜能。好氧颗粒污泥多为以有机物为底物的细菌，而以无机物为底物的颗粒污泥较少存在。对亚硝态氮氧化菌颗粒污泥进行富集，提高NOB对FNA的耐受能力，同时使污泥颗粒化，可以有效提高生物法处理高浓度亚硝酸盐废水的处理能力，且采用过程控制方法富集，提高富集效率，节约能源。

发明内容：

本发明的目的在于解决生物法处理高浓度亚硝酸盐废水能力差且亚硝态氮氧化菌难以形成颗粒污泥的难题，提供一种过程控制富集亚硝态氮氧化菌颗粒污泥的方法。

本发明所提供的方法通过过程控制的方式富集亚硝态氮氧化菌，逐渐提高进水亚硝态氮浓度驯化污泥，提高富集程度，同时以沉淀时间为选择要素使污泥颗粒化，优化污泥性能，实现亚硝酸盐废水生物方法的高效处理。

本发明采用的装置包括反应器系统和自动控制系统（见图1）；

反应器系统一次包括进水箱9、进水泵12、SBR装置5、搅拌器19、空气泵1、曝气头4、中间水箱6、污泥回流泵16、加热装置11；

自动控制系统包括温度传感器21、DO传感器18、ORP传感器20、DO数据采集装置23、ORP数据采集装置24、温度数据采集装置25、可编程过程控制器22，数据采集装置23、24、25采集的信号通过数据传输线输入到可编程过程控制器22中进行处理，由可编程过程控制器22发出的控制指令通过数据输出线控制曝气继电器2、搅拌器19、加热棒11，SBR排水继电器17、中间水箱排水继电器7、进水泵12、回流泵16通过数据传输线与可编程过程控制器22相连；

其特征在于，包括以下步骤（如图2所示）：

Ⅰ设定反应器进水比为20%～30%，启动进水泵将原水加入SBR中，同时启动风机和搅拌器，并在线监测DO和ORP，进水结束后，关闭进水泵；

Ⅱ曝气阶段恒定曝气量为0.10～0.20m³/h，同时为保证污水和污泥充分接触一直开启搅拌器；通过DO、ORP测定仪采集数据，编程可编程过程控制器在收集DO、ORP数据信号，每分钟计数一次，十分钟计算一次DO的平均值，同时计算溶解氧移动斜率变化（DO-MSC），其中n=5，在DO-MSC在0.02～0.1范围内，意味着反应结束；通过可编程过程控制器输出信号，关闭风机和搅拌器，停止曝气和搅拌；

Ⅲ通过可编程过程控制器计时，在沉淀1～10min后，进入下一步工序；

Ⅳ设定反应器排水比为20%～30%，通过可编程过程控制器控制，打开出水电动阀开始排水，排水结束后，关闭阀门；

Ⅴ反应器排水到中间水箱后，沉淀1～10min，设定中间水箱排水比为80%～90%排水结束后，关闭排水电动阀；

Ⅵ中间水箱排水结束后，通过可编程过程控制器对中间水箱内液体与水箱总容积的比例即容积比进行设定，当容积比大于40%时，回流泵开启，污泥回流到反应器中，回流比为85%～95%，回流结束后关闭回流泵，进入下一步骤；若没有达到设定容积比则直接进入下一步骤；

Ⅶ对本周期曝气时间进行判定，若曝气时间在300min以内，则提升进水亚硝态氮浓度，然后进入下一周期；若曝气时间大于300min，则直接进入下一周期；其中，起始进水亚硝态氮浓度为200mg/L，每次提升幅度为100～300mg/L，直至进水亚硝态氮浓度提升到2000mg/L；

检测系统污泥的SVI值，当系统进水亚硝态氮浓度提升到2000mg/L后，检测系统SVI在10～50ml/g范围内，则视为富含亚硝态氮氧化菌的颗粒污泥培养成功，系统停止运行。

综上，本发明提供的通过过程控制快速富集亚硝态氮氧化菌颗粒污泥的方法，针对高浓度亚硝酸盐废水较难通过生物方法处理的难题，提出一种高效节能的生物处理亚硝酸盐废水的方法。

本发明具有以下优点：

1）本发明克服了高浓度FNA对亚硝态氮氧化菌处理亚硝酸盐废水的不利影响，能够在FNA浓度为0.225-0.450mg HNO₂-N/L的范围内稳定运行。

2）以沉淀时间为选择要素使污泥颗粒化，改善了污泥的性能，提高处理效率。

3）通过过程控制的方式对NOB进行富集，节省富集时间，节约能源，提高了富集效率。

4）引入DO-MSC参数作为过程控制参数，该信号稳定、响应灵敏，能保证每个周期反应完全，且适用范围广泛，不受曝气量大小的影响。

附图说明

图1本发明的装置示意图。

图1中，1-空气泵，2-曝气继电器，3-曝气管，4-曝气头，5-SBR装置，6-中间水箱，7-中间水箱排水继电器，8-中间水箱排水管，9-进水箱，10-取样口，11-加热棒，12-进水泵，13-进水管，14-回流管，15-SBR排水管，16-回流泵，17-反应器排水继电器，18-DO传感器，19-搅拌器，20-ORP传感器，21-温度传感器，22-可编程过程控制器，23-DO数据采集器，24-ORP数据采集器，25-温度数据采集器，26～35-数据信号接口。

图2本发明通过过程控制富集亚硝态氮氧化菌颗粒污泥的方法的过程控制流程图。

图3本发明运行过程中典型周期的NO₂ ^--N、NO₃ ^--N、DO、ORP、DO-MSC变化情况。

具体实施方式

SBR系统接种污泥取自处理实际生活污水的中试SBR，反应器容积为12L，有效体积为10L。试验用水采用配水方式，其中原水中NO₂ ^--N浓度为200～2000mg/L，每升配水中，其他成分如下：0.4g NaHCO₃，1g KH₂PO₄，1.31g K₂HPO₄以及2ml的微量元素溶液；每升水中微量元素成分为：1.25gEDTA，0.55g ZnSO₄·7H₂O，0.4g CoCl₂·6H₂O，1.275g MnCl₂·4H₂O，0.4gCuSO₄·4H₂O，0.05g Na₂MoO₄·2H₂O，1.375g CaCl₂·2H₂O，1.25g FeCl₃·6H₂O，44.4g MgSO₄·7H₂O。采用逐步提高进水浓度的方式进行富集培养。系统条件为：pH为7～7.5，温度为25℃，曝气量为0.12m³/h。每个周期具体操作步骤如下：

Ⅰ进水每次进水量为2L，由可编程过程控制器来控制，启动进水泵将原水打入SBR系统中，同时启动搅拌器和空气泵，并在线监测系统的DO、ORP和温度，进水结束后进水泵关闭，进入下一步工序；

Ⅱ曝气和搅拌进水结束后，空气泵和搅拌器继续开启，曝气阶段曝气量维持在0.12m³/h，此过程为亚硝酸盐氧化过程，同时监测DO和ORP，并计算DO-MSC，将数据传输到可编程过程控制器，当DO-MSC在0.02～0.1范围内，指示着反应结束，即可由可编程过程控制器发出指令，关闭搅拌器和空气泵，停止搅拌和曝气，进入下一步工序；

Ⅲ排水停止搅拌和曝气后，由可编程过过程控制器控制，系统沉淀5min后，开启排水阀门，进入下一步工序；

Ⅳ设定排水比为25%，由可编程过程控制器控制，排水结束后，关闭排水阀门；

ⅤSBR系统排水到中间水箱后，静置5min后，开启中间水箱排水电动阀，排水比为90%，排水结束后关闭中间水箱排水电动阀，进入下一步工序；

Ⅵ中间水箱排水结束后，通过可编程过程控制器对中间水箱内液体与水箱总容积的比例即容积比进行设定，当容积比为40%时，回流泵开启，污泥回流到反应器中，回流比为95%，回流结束后关闭回流泵，进入下一步骤；若没有达到设定容积比则直接进入下一步骤；

检测系统污泥的SVI值，当系统进水亚硝态氮浓度提升到2000mg/L后，检测系统SVI在10～50ml/g范围内，则视为富含亚硝态氮氧化菌的颗粒污泥培养成功，系统停止运行；

本发明实施例的装置图如图1所示，SBR装置5连接曝气头4、出水管15、进水管13；水箱9通过进水管3和进水泵12与SBR装置连接；中间水箱6通过出水管15和出水继电器17与SBR装置连接；曝气头4通过曝气管3和曝气继电器2与空气继电器1连接；可编程过程控制器22通过数据输出线与SBR排水继电器17、中间水箱排水继电器7、进水泵12、回流泵16、搅拌器19相连；SBR装置中设有的加热棒11、DO传感器18、ORP传感器20、温度传感器21通过数据信号接口与可编程过程控制器22连接。

运行期间典型周期如图3所示，在DO-MSC在0.02～0.1范围内时，系统内亚硝酸盐氮全部转化为硝酸盐氮，即可停止曝气，此时系统进水的FNA浓度为0.450mg HNO₂-N/L，其中pH为7.0，温度为25℃；

运行后测得系统SVI为10ml/g，显示已形成颗粒污泥。表明系统在沉淀时间选择的条件下形成了亚硝态氮氧化菌颗粒污泥，且在高浓度的FNA条件下仍能够保持活性，表明其能够处理高浓度的亚硝酸盐废水。

Claims

1.一种通过过程控制富集亚硝态氮氧化菌颗粒污泥的方法，应用如下反应器系统和自动控制系统；

反应器系统包括进水箱、进水泵、SBR装置、搅拌器、曝气装置、中间水箱、污泥回流泵；

自动控制系统包括温度、ORP和DO传感器，数据采集装置，继电器，可编程过程控制器；传感器通过测定仪与可编程过程控制器相连接，继电器与可编程过程控制器直接相连；测定仪测得的数据输入到可编程过程控制器中进行处理，可编程过程控制器发出控制指令由继电器执行；

其特征在于，包括以下步骤：

Ⅰ设定反应器进水比为20％～30％，启动进水泵将原水加入SBR中，同时启动风机和搅拌器，并在线监测DO和ORP，进水结束后，关闭进水泵；

Ⅱ曝气阶段恒定曝气量为0.10～0.20m³/h，同时开启搅拌器；通过DO、ORP测定仪采集数据，编程可编程过程控制器在收集DO、ORP数据信号，每分钟计数一次，十分钟计算一次DO的平均值，同时计算溶解氧移动斜率变化DO-MSC，当DO-MSC在0.02～0.1范围内，意味着反应结束；通过可编程过程控制器输出信号，关闭风机和搅拌器，停止曝气和搅拌；

Ⅲ通过可编程过程控制器计时，沉淀1～10min后，进入下一步工序；

Ⅳ设定反应器排水比为20％～30％，通过可编程过程控制器控制，打开出水电动阀开始排水，排水结束后，关闭阀门；

Ⅴ反应器排水到中间水箱后，由可编程过程控制器计时，沉淀1～10min，设定中间水箱排水比为80％～90％，排水结束后，关闭排水电动阀；

Ⅵ中间水箱排水结束后，通过可编程过程控制器对中间水箱内液体与水箱总容积的比例即容积比进行设定，当容积比大于40％时，回流泵开启，污泥回流到反应器中，回流比为85％～95％，回流结束后关闭回流泵，进入下一步骤；若没有达到设定容积比则直接进入下一步骤；

Ⅶ对本周期曝气时间进行判定，若曝气时间在300min以内，则提升进水亚硝态氮浓度，然后进入下一周期；若曝气时间大于300min，则直接进入下一周期；

其中，起始进水亚硝态氮浓度为200mg/L，每次提升幅度为100～300mg/L，直至进水亚硝态氮浓度提升到2000mg/L；

检测系统污泥的SVI值，当系统进水亚硝态氮浓度提升到2000mg/L后，测得系统污泥体积指数SVI在10～50ml/g范围时，视为富含亚硝态氮氧化菌的颗粒污泥培养成功，系统停止运行。