CN103663697B - 游离氨（FA）抑制结合pH值快速实现短程生物脱氮的方法 - Google Patents

Abstract

游离氨（FA）抑制结合pH值快速实现短程生物脱氮的装置及方法，属于污水生物脱氮技术领域。主要包括原水水箱、进水泵、进水管、交替好氧/缺氧反应器、空气压缩机、曝气管、空气扩散器、碳源储存箱、碳源投加泵、碳源投加管、搅拌器、pH测定仪、pH传感器、排水管。短程硝化阶段好氧曝气，在溶解氧充足条件下，污泥中AOB将氨氮氧化成亚硝态氮，同时监测pH值，当pH出现“氨谷”特征点时，硝化反应结束，立即停止曝气；加入外碳源，进行缺氧搅拌，同时监测pH值，当pH出现“亚硝酸盐膝”特征点时，反硝化结束；沉淀、排水。pH值准确控制硝化和反硝化时间，能够快速实现并维持稳定的短程硝化，解决了短程硝化的瓶颈问题。

Description

游离氨（FA）抑制结合pH值快速实现短程生物脱氮的方法

技术领域

本发明涉及一种高氨氮废水快速实现短程生物脱氮的装置和方法，属于污水生物脱氮技术领域。

背景技术

城市垃圾渗滤液是生活垃圾在堆放和填埋过程中由于消解和雨水的淋溶、冲刷，以及地表水和地下水的浸泡而产生的污水，其主要水质特征如下：（1）氨氮含量较高。由于垃圾中含有大量的含氮物质，所以其产生的渗滤液氨氮含量很高。渗滤液中的氮主要以氨氮的形式存在，新鲜渗滤液中氨氮的含量大约占总氮的85%～90%。垃圾渗滤液属高浓度氨氮废水，氨氮浓度可达2500mg/L以上。（2）低C/N比。垃圾渗滤液是各种不同填埋年限的渗滤液形成的混合污水，经过了较长时间的微生物作用，废水中相当部分易生物降解有机物己被去除，从而使可生物降解有机物的含量显明降低。较低的C/N比不但对生物处理过程有较强的抑制作用，而且有机碳源的缺乏使得反硝化反应难以有效的进行。

废水生物脱氮，一般由硝化和反硝化两个过程完成，而硝化过程可分为两个阶段，分别是由氨氧化菌（Ammoniaoxidizingbacteria,AOB）和亚硝酸盐氧化菌（Nitriteoxidizingbacteria,NOB）两类细菌独立催化完成。第一阶段：在AOB的作用下，将氨氮化为亚硝态氮。第二阶段，在NOB的作用下，将亚硝态氮氧化为硝态氮。由于硝化反应是由两类细菌独立催化完成的两类不同反应，可以分开，故将硝化反应控制在亚硝态氮阶段，随后以亚硝态氮为电子受体，以有机物为电子供体，直接进行反硝化反应。与完全硝化和反硝化相比，短程硝化反硝化具有如下优点：（1）由于AOB的时代周期比NOB短，所以污泥龄短；（2）硝化和反硝化速率加快，缩短了硝化和反硝化反应时间；（3）硝化过程节省约25%的供氧量，反硝化过程节省约40%的外加碳源，节省运行费用；（4）硝化反应器容积可减少8%，反硝化反应器容积可减少33%，节省基建投资；（5）硝化过程污泥产量24%～33%，反硝化过程污泥产量减少50%，减少污泥处理费用。

实现短程硝化的难点在于如何将硝化反应及时、准确的控制在亚硝化阶段，避免亚硝态氮向硝态氮的继续转化，从而获得持久、稳定较高浓度的亚硝态氮积累。实现硝化过程亚硝态氮积累的途径很多，主要包括控制低溶解氧（DO）（<0.5mg/L）；高温（>25℃）和较高游离氨（FA）抑制。这些途径均利用AOB和NOB两类细菌的生理特性差异，人为控制有利于AOB增殖的环境，从而选择性抑制NOB的增殖或活性，实现系统中硝化菌群的优化，进而稳定实现短程硝化。

垃圾渗滤液内较高氨氮所形成的FA是实现短程硝化的一个重要因素，通常认为高氨氮对生物处理系统中的微生物会产生有害的抑制作用，在生物处理之前都采取物化等预处理工艺将氨氮降低到一定范围之内，这恰恰忽略和破坏了渗滤液本身实现短程硝化的固有水质条件。因此，通过FA抑制实现渗滤液短程硝化，既利用了废水，又实现了节能，可谓“一举两得”。

发明内容

为解决垃圾渗滤液短短程生物脱氮的快速实现及稳定维持的瓶颈难题，本发明基于长期的探索研究，提出了FA抑制结合pH值快速实现程硝化的装置和方法，实现交替好氧/缺氧反应器工艺内快速的亚硝态氮积累，并优化工艺运行，最后通过试验进行验证。

本发明的目的是基于以下原理实现的：（1）垃圾渗滤液内所形成的FA对AOB和NOB的活性均具有抑制作用，但相对于NOB，AOB具有更强的耐FA抑制能力；（2）由于FA是氨氮浓度、温度和pH值三者的函数，与三个参数正相关，因此在硝化反应过程中，随着反应不断进行，氨氮浓度和pH值不断降低，导致系统内FA浓度不断降低。当硝化反应完成时，极低的氨氮浓度和pH值使FA处于非常低的条件，因此失去了对NOB活性的抑制。此外，如果不能准确控制氨氧化终点，过曝气会导致系统长期在低FA条件下运行，FA逐渐失去对NOB活性的抑制作用，难以形成稳定的亚硝态氮氮积累；（3）短程硝化结束时，pH曲线上共出现“氨谷”特征点，可指示硝化完成。这不仅避免了过曝气导致的FA对NOB活性抑制的失去，还可以避免曝气导致工艺运行费用的增加。

本发明设计的游离氨抑制结合pH值快速实现高氨氮废水交替好氧/缺氧反应器生物脱氮装置，主要包括原水水箱（1）、进水泵（2、进水管（3）、交替好氧/缺氧反应器（4）、空气压缩机（5）、曝气管（6）、空气扩散器（7）、碳源储存箱（8）、碳源投加泵（9）、碳源投加管（10）、搅拌器（11）、pH测定仪（12）、pH传感器（13）、排水管（14）；原水水箱（1）经由进水泵（2）通过进水管（3）与交替好氧/缺氧反应器（4）连接，交替好氧/缺氧反应器（4）内部设有搅拌器（11）、空气扩散器（7）和pH传感器（13）；在空气压缩机（5）通过曝气管（6）和空气扩散器（7）向交替好氧/缺氧反应器（4）内提供溶解氧，pH传感器（13）与pH测定仪（12）相连；外碳源存储子碳源储存箱（8）中，碳源储存箱（8）经由碳源投加泵（9）通过碳源投加管（10）与交替好氧/缺氧反应器（4）连接，交替好氧/缺氧反应器（4）设有排水管（14）。

采用上述装置游离氨（FA）抑制结合pH值快速实现短程生物脱氮方法，其特征在于，包括以下4个步骤：

（1）进水：基于设计水量使原水进入交替好氧/缺氧反应器，反应器内设置pH传感器，与在线pH测定仪相连；

（2）短程硝化阶段好氧曝气：开启鼓风机进行曝气，在溶解氧浓度充足条件下，污泥中的AOB将氨氮氧化成亚硝态氮，即短程硝化，同时实时监测混合液pH值，当pH曲线上出现“氨谷”特征点时，指示硝化反应结束，立即停止曝气，避免了过曝气引起短程硝化的破坏；

（3）短程反硝化阶段缺氧搅拌：通过外碳源投加泵加入外碳源，开启搅拌器进行缺氧搅拌，同时监测混合液的pH值，当pH曲线上出现的“亚硝酸盐膝”特征点时，指示反硝化结束；

（4）沉淀、排水和闲置：反硝化完成后，停止搅拌，泥水混合液静止沉淀，进行泥水分离，然后排除上清液；

硝化开始时，初始FA浓度控制在11.2-45.9mg/L之间，其优选值为16.2mg/L；

$\mathrm{FA}=\frac{17}{14}\frac{[{\mathrm{NH}}_4^{+}-N]\&times;{10}^{\mathrm{pH}}}{\exp \left(\frac{6334}{273+T}\right)+{10}^{\mathrm{pH}}}\&times;100\%$

式中：FA为游离氨浓度，mg/L；[NH₄ ⁺-N]为氨氮浓度，mg/L，；T为温度，℃。

反应过程中，温度控制在20-35℃之间，优选温度为25℃；

硝化开始时，pH值控制7.98-8.19之间，优选pH值为8.66；硝化结束时，pH值控制7.23-8.34之间，优选pH值为7.8；反硝化结束时，pH值控制8.39-9.45之间，优选pH值为8.8。

上述的原水为城市垃圾渗滤液。

本发明设计的游离氨（FA）抑制结合pH值快速实现短程生物脱氮的方法，其特点：

（1）进水时，FA抑制的方法与pH值的结合，可以快速实现较高的亚硝态氮积累，并从根本上实现AOB的富集，从而实现稳定的短程硝化，科学合理的控制每周期内反应阶段的时间，节省运行费用。

（2）FA浓度通过下式计算：

$\mathrm{FA}=\frac{17}{14}\frac{[{\mathrm{NH}}_4^{+}-N]\&times;{10}^{\mathrm{pH}}}{\exp \left(\frac{6334}{273+T}\right)+{10}^{\mathrm{pH}}}\&times;100\%$

式中：FA为游离氨浓度，mg/L；[NH₄ ⁺-N]为氨氮浓度，mg/L；T为温度，℃。

（3）硝化开始时，初始FA浓度控制在11.2-45.9mg/L之间。

（4）采用pH曲线上的特征点来指示硝化和反硝化终点。

本发明的有益效果：

本发明以城市生活垃圾渗滤液为研究对象，建立了快速实现交替好氧/缺氧工艺短程硝化的装置和方法。该方法可快速实现稳定的亚硝态氮积累，同时还可有效地防止过曝气和过搅拌带来的能耗，节省了运行费用，从而优化工艺运行。

本发明设计的游离氨抑制结合pH值快速实现短程生物脱氮的装置和方法，与现有技术相比，具有如下优点：

（1）可快速实现短程硝化。采用游离氨抑制结合pH值，可在37天内可实现短程硝化。这是由于NOB对FA浓度非常敏感。当FA浓度为11.2mg/L时，NOB活性受到强烈抑制，使亚硝态氮氧化受阻，从而有助于亚硝态氮的积累。

（2）可形成稳定的短程硝化。采用游离氨抑制结合pH值，可稳定维持90%以上的亚硝态氮积累率。这是由于较高FA可从根本上抑制NOB活性，再结合pH值，氨氮氧化反应结束时立即停止曝气，避免过度曝气为NOB生长创造有利条件。因此，从活性污泥硝化菌群中淘洗出NOB，并筛选优势菌属AOB，实现了微生物种群的优化。

（3）获得较好的脱氮效果。出水NH₄ ⁺-N、TN分别低于5.0mg/L和30mg/L（优于在ZL200610089023.2中报道的出水15mg/LNH₄ ⁺-N和100-300mg/LTN），满足2011年7月起开始执行的垃圾渗滤液排放标准(GB16889-2008.07)。

（4）优化了工艺运行。交替好氧/缺氧工艺采用pH控制，可优化工艺运行，并具有运行方式灵活，脱氮除磷效果好，处理效率高等优点，管理方便和运行费用低等优点。

（5）游离氨（FA）抑制结合pH值快速实现短程生物脱氮的装置及方法，可用于高氨氮废水的生物脱氮处理。基于高氨氮废水产生的游离氨（FA）可选择性抑制亚硝酸盐氧化菌（Nitriteoxidizingbacteria,NOB）的增殖或活性，从而使氨氧化菌（Ammoniaoxidizingbacteria,AOB）成为优势菌属，实现系统中硝化菌群的优化，进而快速获得稳定的短程硝化。此外，短程硝化、反硝化结束时，pH曲线上共出现特征点，可指示反应完成，这可避免了过曝气导致的FA对NOB活性抑制的失去。通过该装置和方法，将反应初始FA浓度控制在10.5-33.5mg/L之间，在常温条件下，快速实现系统内高达90%以上的亚硝态氮积累。pH值还可准确控制硝化和反硝化时间。因此，该装置和方法能够快速实现并维持稳定的短程硝化，从本质上解决了短程硝化的瓶颈问题。而且，还具有节省运行费用和运行方式灵活等优点。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图；

图2是游离氨抑制结合pH值快速实现短程生物脱氮原理示意图；

图3是亚硝态氮积累率随时间的变化关系图；

图4是交替好氧/缺氧工艺进出水氨氮浓度变化曲线示意图。

图1中：

1-原水水箱，2-进水泵，3-进水管，4-交替好氧/缺氧反应器，5-空气压缩机，6-曝气管，7-空气扩散器，8-碳源储存箱，9-碳源投加泵，10-碳源投加管，11-搅拌器，12-pH测定仪，13-pH传感器，14-排水管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1：以北京六里屯垃圾填埋场的实际垃圾渗滤液为研究对象，采用如图1的装置结构，经过厌氧预处理后，进入水质特征为：NH₄ ⁺-N89.2-143.8mg/L，pH8.5-9.0，COD500-780mg/L。运行条件为：温度15.2-31.4℃，DO1.0mg/L，进水pH8.9左右。在溶解氧浓度充足条件下，污泥中的AOB将氨氮氧化成亚硝态氮，即短程硝化，同时实时监测混合液pH值，当pH曲线上出现“氨谷”特征点时，指示硝化反应结束，立即停止曝气；通过外碳源投加泵加入外碳源，开启搅拌器进行缺氧搅拌，同时监测混合液的pH值，当pH曲线上出现的“亚硝酸盐膝”特征点时，沉淀等出水，每个周期的检测过程见图2，试验期间共进行113天，试验结果表明：

（1）随着运行天数（周期）的增加，硝化结束时NO₃ ^--N浓度高度逐渐降低，而NO₂ ^--N浓度逐渐增加，因此，导致亚硝态氮积累率迅速上升，在第37天，亚硝态氮积累率达到95.8%。此后亚硝态氮积累率始终稳定在93%以上，直至第110天，为短程硝化阶段。

（2）整个试验期间，在进水氨氮平均值为122.6mg/L的条件下，出水氨氮为3.8mg/L，去除率达到96.9%。

亚硝态氮积累率随时间的变化关系图见图3；交替好氧/缺氧工艺进出水氨氮浓度变化曲线示意图见图4。

Claims (6)

1.游离氨(FA)抑制结合pH值快速实现短程生物脱氮方法，采用的装置，主要包括原水水箱(1)、进水泵(2)、进水管(3)、交替好氧/缺氧反应器(4)、空气压缩机(5)、曝气管(6)、空气扩散器(7)、碳源储存箱(8)、碳源投加泵(9)、碳源投加管(10)、搅拌器(11)、pH测定仪(12)、pH传感器(13)、排水管(14)；原水水箱(1)经由进水泵(2)通过进水管(3)与交替好氧/缺氧反应器(4)连接，交替好氧/缺氧反应器(4)内部设有搅拌器(11)、空气扩散器(7)和pH传感器(13)；在空气压缩机(5)通过曝气管(6)和空气扩散器(7)向交替好氧/缺氧反应器(4)内提供溶解氧，pH传感器(13)与pH测定仪(12)相连；外碳源存储子碳源储存箱(8)中，碳源储存箱(8)经由碳源投加泵(9)通过碳源投加管(10)与交替好氧/缺氧反应器(4)连接，交替好氧/缺氧反应器(4)设有排水管(14)；其特征在于，包括以下4个步骤：

(1)进水：基于设计水量使原水进入交替好氧/缺氧反应器，反应器内设置pH传感器，与在线pH测定仪相连；

(2)短程硝化阶段好氧曝气：开启鼓风机进行曝气，在溶解氧浓度充足条件下，污泥中的AOB将氨氮氧化成亚硝态氮，即短程硝化，同时实时监测混合液pH值，当pH曲线上出现“氨谷”特征点时，指示硝化反应结束，立即停止曝气，避免了过曝气引起短程硝化的破坏；

(3)短程反硝化阶段缺氧搅拌：通过碳源投加泵加入外碳源，开启搅拌器进行缺氧搅拌，同时监测混合液的pH值，当pH曲线上出现的“亚硝酸盐膝”特征点时，指示反硝化结束；

(4)沉淀、排水和闲置：反硝化完成后，停止搅拌，泥水混合液静止沉淀，进行泥水分离，然后排除上清液；

硝化开始时，初始FA浓度控制在11.2-45.9mg/L之间；

式中：FA为游离氨浓度，mg/L；[NH₄ ⁺-N]为氨氮浓度，mg/L；T为温度，℃。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，反应过程中，温度控制在20-35℃之间。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，短程硝化开始时，pH值控制7.98-8.19之间，硝化结束时，pH值控制7.23-8.34之间；短程反硝化结束时，pH值控制8.39-9.45之间。

4.按照权利要求3的方法，其特征在于，反应过程温度为25℃。

5.按照权利要求1的方法，其特征在于，硝化开始时，pH值为8.66；硝化结束时，pH值控为7.8；反硝化结束时，pH值控制为8.8。

6.按照权利要求1的方法，其特征在于，原水为城市垃圾渗滤液。