CN103723828B - 一种基于mbbr的厌氧氨氧化间歇好氧启动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MBBR的厌氧氨氧化间歇好氧启动方法，属于污水处理领域。通过采用MBBR工艺进行厌氧氨氧化工艺的启动，旨在解决以往活性污泥法启动厌氧氨氧化过程中污泥容易随产生的气体上浮流失，生物膜法启动厌氧氨氧化过程中微生物不易挂膜难以富集、长时间运行容易堵塞等问题，且以往方法启动速度慢，工程化应用较难。本发明技术方案包括硝化启动、好氧启动、厌氧氨氧化运行，仅接种普通活性污泥，经历100-130d即出现明显的厌氧氨氧化效果，最终总氮膜面负荷达到7.70gN/m2/d以上。本发明工艺启动速度快、生物膜活性高、运行可靠，总氮去除高效、稳定、低碳。
Description
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种基于MBBR的厌氧氨氧化间歇好氧启动方法。
背景技术
自然界存在氮素循环，并保持平衡。近年来，由于人为的原因，氮素循环遭到了破坏，导致了中间产物积累，造成水体的富营养化日益严重，湖泊“水华”及近海“赤潮”时有发生，且有愈演愈烈之势。水体富营养化已经危及农业、渔业、旅游业等诸多行业，并对饮水卫生和食品安全构成巨大威胁。因此，脱氮已经成为污水处理中的重要主题。在上个世纪，人们以硝化和反硝化作用为基础，构建的废水生物脱氮的技术体系在废水脱氮方面起到一定的作用，但存在诸多问题，如：流程长，脱氮效率低，基建投资高；供氧量大，运行费用高；反硝化过程往往需要外加碳源；并且存在于除磷工艺存在碳源争夺等问题。因此，新的生物脱氮理论和技术应运而出，并得到迅速发展，如：同时硝化反硝化技术、短程硝化反硝化技术、厌氧氨氧化技术等，其中以厌氧氨氧化为基础建立的SHRANON-ANAMOX、CANON、DENAMMOX等工艺最受瞩目。
厌氧氨氧化（AnaerobicAmmoniumOxidation，简称ANAMMOX），是以NO2 --N为电子受体，CO2为无机碳源，在厌氧条件下，将NH4 +-N氧化成N2的生物过程。ANAMMOX工艺相比较传统硝化-反硝化工艺具有节约50%的曝气量和100%的有机碳源等优点，所以一经发现就引起了众多研究者的广泛兴趣。然而，ANAMMOX菌生长速率低（最高生长速率为0.0027h-1），世代周期长（11d），世界第一座ANAMMOX生物脱氮工程案例启动时间长达3.5年，因此启动时间长是制约ANAMMOX工艺推广的限制因素。
分析原因，首先，虽然厌氧氨氧化菌(AAOB)广泛存在，浮霉状菌、硝化菌、反硝化菌均可作为种源，但由于AAOB细胞浓度低，不表达厌氧氨氧化活性，只有当细胞浓度>1010-1011个/mL以上时才显现厌氧氨氧化活性；其次，很多细菌虽具有ANAMMOX活性，但需特定条件才会表达，当条件适宜时，其代谢方式转变为ANAMMOX过程；再次，厌氧氨氧化过程是产气过程，启动初期，污泥容易上浮、流失，细胞浓度难以富集增长，既增加了启动难度，也大大延长了启动周期。可以看出，厌氧氨氧化启动的关键在于启动期污泥的持留和富集。
活性污泥法泥水分离效果差，对于厌氧氨氧化的启动不利；生物滤池、接触氧化等虽然持留效果较好，但较长的启动过程中容易堵塞，一旦需要反冲，则对启动进程极为不利；移动床生物膜反应器（MovingBedBiolfimReactor，MBBR）是通过向反应器中投加一定数量的悬浮载体，提高反应器中的生物量及生物种类，从而提高反应器的处理效率，悬浮填料比重接近水，在挂膜前后与水体密度相近，使其可在水中悬浮，既能满足厌氧氨氧化对于启动的持留要求，又可以运行方式灵活，防止阻塞，但实际过程中，发现悬浮填料挂膜周期长，启动速度不理想等问题。一旦解决这些问题，必然可强化MBBR在厌氧氨氧化上的应用，解决厌氧氨氧化不易启动、启动周期长等问题，实现污水脱氮的低碳、高效。
发明内容
为了解决现有技术中MBBR厌氧氨氧化不易挂膜、不易启动、启动周期长等问题，本发明提出了一种基于MBBR的厌氧氨氧化厌氧启动方法，采用该MBBR预处理法具有挂膜速度快、流化性能好、启动周期短、处理负荷高等优点。
本发明技术方案包括：
一种基于MBBR的厌氧氨氧化间歇好氧启动方法，其特征在于包括以下步骤：
1）选用生物填料进行填充，该生物填料比表面积大于500m2/m3，呈圆柱状，挂膜前填料比重为0.93-0.97，孔隙率≥90%，填料的填充率为35-55%；
2）硝化启动，该硝化启动在水温12-35℃时进行，接种污水处理厂曝气池活性污泥，接种后反应器内污泥浓度≥2.0g/L，反应器氨氮去除负荷≥0.05kgN/kgMLSS/d；将接种污泥投入反应器后充分与生物填料混合，采用间歇方式运行，进水氨氮浓度为100-300mg/L，进水总碱度为600-2000mg/L(以碳酸钙计)，控制溶解氧为2.0-6.5mg/L，曝气运行直至反应器内氨氮消耗量大于90%，反应停止后将水及污泥全部排出，进入下一周期，重复此运行方式，直到氨氮膜面负荷≥3.00gN/m2/d；
3）间歇好氧启动，该间歇好氧启动在水温25-35℃时进行，采用间歇方式运行，进水氨氮浓度为100-300mg/L，控制反应器内pH为7.5-8.1；按照好氧、厌氧顺序交替运行若干个周期，每个周期好氧、厌氧的时间均为1-5h，厌氧时间与好氧时间比值为1.0-1.2：1，好氧运行时进行曝气并控制溶解氧为1.0-2.5mg/L，厌氧运行进行搅拌并控制溶解氧<0.5mg/L，搅拌功率为5-15W/m3，直至反应器内氨氮消耗量大于进水氨氮的85%，反应停止后将水全部排出，进入下一周期，依此重复运行；直到一个周期反应器内的总氮损失超过40%以上；
4）厌氧氨氧化运行，该厌氧氨氧化运行在水温25-35℃时进行，当直到一个周期反应器内的总氮损失超过40%以上后，改为连续流厌氧运行，厌氧搅拌功率为5-15W/m3，控制水温25-35℃，控制进水氨氮50-80mg/L，进水亚硝酸盐氮60-110mg/L，进水亚硝酸盐氮/氨氮为1.0-1.3，进水pH为7.3-7.9，当出水氨氮小于5mg/L，即缩短停留时间，每次停留时间缩短不超过1h，直到总氮膜面负荷≥2.000gN/m2/d；继续维持厌氧运行，厌氧搅拌功率为5-15W/m3，控制水温25-35℃，控制进水氨氮50-300mg/L，进水亚硝酸盐氮70-400mg/L，进水亚硝酸盐氮/氨氮为1.0-1.3，进水pH为7.3-7.9，当出水氨氮小于10mg/L即缩短停留时间，每次停留时间缩短不超过1h，直到总氮膜面负荷达到7.7gN/m2/d以上。
本发明所带来的有益技术效果：
本发明提出了一种基于MBBR的厌氧氨氧化间歇好氧启动方法，与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1）本发明通过结合MBBR与厌氧氨氧化工艺，有效解决活性污泥法难以富集厌氧氨氧化菌及生物膜法易堵塞等问题；
2）通过采用先硝化挂膜、后厌氧氨氧化挂膜的方式，可有效解决厌氧氨氧化菌不易挂膜等问题；
3）启动速度快，在无任何厌氧氨氧化菌接种条件下，采用普通活性污泥启动，全程仅需110-140天即出现了明显厌氧氨氧化效果；
4）处理负荷高，当水温25℃时，40%填充率时，进水总氮200mg/L，填料的总氮膜面负荷可达到9.5gN/m2/d，对应的总氮容积负荷可达到1.90kgN/m3/d，占地小，操作简单，运行可靠；
5）启动过程进水氨氮范围相对较大，可在50-300mg/L范围内实现快速启动和稳定运行，适用于绝大多数污水情况；
6）给出了用于厌氧氨氧化厌氧启动的填料填充率及比表面积要求，此填充率和比表面积既考虑生物的富集，又考虑好氧、厌氧条件的流化。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：
图1为本发明厌氧氨氧化启动过程中氨氮的进出水变化情况图；
图2为本发明厌氧氨氧化启动过程中亚硝酸盐氮的进出水变化情况图；
图3为本发明厌氧氨氧化启动过程中硝酸盐氮的进出水变化情况图；
图4为本发明厌氧氨氧化启动过程中特征计量系数和总氮去除率的变化情况图；
图5为本发明厌氧氨氧化启动过程中，反应器的水力停留时间、总氮膜面负荷和总氮容积负荷变化情况图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案以及优点更清楚、明确，以下将结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例1：
步骤1：MBBR工艺所用悬浮填料比表面积≥500m2/m3，比重为0.95，直径25cm，厚10cm，反应器容积5m3，投加悬浮填料2.50m3，填充率50%；
步骤2：厌氧氨氧化菌不易在填料上挂膜，而硝化细菌容易挂膜，且硝化菌群为厌氧氨氧化菌群来源之一，故首先进行硝化启动。硝化启动，该硝化启动在水温20.1-20.4℃时进行，接种污水处理厂曝气池活性污泥，接种后反应器内污泥浓度为3.91g/L，反应器氨氮去除负荷为0.054kgN/kgMLSS/d；将接种污泥投入反应器后充分与生物填料混合，采用间歇方式运行，进水氨氮浓度为150-160mg/L，进水总碱度为800.5-820.3mg/L（以碳酸钙计），控制溶解氧为4.0-6.0mg/L，曝气运行直至反应器内氨氮消耗量大于90%，反应停止后将水及污泥全部排出，进入下一周期，重复此运行方式，经过32个周期（0-16d），氨氮膜面负荷达到3.12gN/m2/d，此时填料整体呈深黄色，生物膜成熟；
步骤3：硝化细菌是厌氧氨氧化菌种的重要来源，通过保持好氧条件，让其保持活性，可以提高菌源活性，保证其转化率；同时，厌氧氨氧化菌为厌氧菌，需要生长在厌氧条件下，通过交替好氧、厌氧环境，达到既有利于硝化菌群活性的保留，又为其向厌氧氨氧化菌转化创造了条件。间歇好氧启动，该间歇好氧启动在水温30-32℃时进行，采用间歇方式运行，进水氨氮浓度为155-170mg/L，控制反应器内pH为7.7-8.1，按照好氧、厌氧顺序交替运行若干个周期，每个周期好氧、厌氧的时间均为2h，厌氧时间与好氧时间比值为1：1，好氧运行时进行曝气并控制溶解氧为1.0-1.5mg/L，厌氧运行进行搅拌并控制溶解氧<0.5mg/L，搅拌功率为12W/m3，直至反应器内氨氮消耗量大于进水氨氮的85%，反应停止后将水全部排出，进入下一周期，依此重复运行；至110d时，反应器内的总氮损失达到40.2%；传统脱氮路径中，在没有有机碳源的条件下无法实现总氮的去除，总氮损失率应接近0，只有厌氧氨氧化途径，才能实现没有有机碳源条件下的总氮去除。当总氮损失率超过40%时，认为厌氧氨氧化现象明显，厌氧氨氧化启动成功。从观察中可以明显看出，反应器的生物膜逐渐从黄色向淡红色转化；
步骤4：厌氧氨氧化运行，从111d起转为连续流厌氧运行，厌氧搅拌功率为12W/m3，控制进水氨氮70-75mg/L，进水亚硝酸盐氮85-95mg/L，进水pH7.3-7.9，停留时间为6.48h，当出水氨氮小于5mg/L，缩短停留时间，至133d总氮膜面负荷达到2.03gN/m2/d，此时反应器内已经有明显的厌氧氨氧化反应，产气明显，红色更加明亮，至186d，此时停留时间仅为1.71h，膜面负荷达到7.70gN/m2/d，容积负荷达到1.94kgN/m3/d，系统已经成熟稳定。反应过程中消耗的亚硝酸盐氮和氨氮的比值、生成的硝酸盐氮和氨氮的比值在稳定后平均值分别为1.19和0.21，与厌氧氨氧化理论值的1.31、0.26接近。
在普通活性污泥接种条件下，厌氧氨氧化启动历时110d，总氮膜面负荷达到7.70gN/m2/d历时186d。
实施例2：
为验证MBBR-ANAMMOX在高氨氮条件下的运行情况，在实施例1进行至186天，总氮膜面负荷达到7.98gN/m2/d，此时容积负荷为1.99kgN/m3/d，系统已经成熟稳定后，继续厌氧运行，厌氧搅拌功率为13W/m3，控制进水氨氮270-275mg/L，进水亚硝酸盐氮315-330mg/L，进水pH7.3-7.9，经过90d反应器工况趋于稳定，总氮膜面负荷达到20.83gN/m2/d，此时容积负荷为5.21kgN/m3/d，相比实施例1，总氮负荷的大幅度提高主要由于高氨氮条件下更有利于厌氧氨氧化的进行。
从图1、图2、图3可看出：整个厌氧氨氧化启动过程中氮素的变化情况，传统脱氮路径在无有机碳源的厌氧条件下不应出现总氮的损失，只有厌氧氨氧化路径才可以在无有机碳源的厌氧条件下实现总氮的去除；
图4：厌氧氨氧化反应的特征计量系数是指，反应消耗的亚硝酸盐氮与消耗的氨氮的比值(R1)、反应生成的硝酸盐氮与消耗的氨氮的比值(R2)，这两项比值是厌氧氨氧化反应的典型计量系数，理论值分别为1.31、0.26，是判断反应是否为厌氧氨氧化的重要标准，随着厌氧氨氧化的启动，该比值越来越趋近于理论值；总氮去除率反应的是在无有机碳源的厌氧条件下，总氮的去除情况，当总氮去除率超过40%即认为有明显的厌氧氨氧化反应特征；
图5：整个厌氧氨氧化启动过程中的膜面负荷和容积负荷。
MBBR-ANAMMOX的主要特点如下：
1)微生物持留效果好：悬浮填料通过采用内部空心的结构方式，设置多道凹槽和网架，大大增加了填料的比表面积，本发明选择悬浮填料的比表面积在500m2/m3以上，使填料表面附着的生物膜数量和浓度也大为增加，微生物持留效果好，更有利于厌氧氨氧化的启动；
2)具有微生物活性选择器的作用：由于悬浮填料的流化，促进了生物膜的更新，老化及活性较差的生物膜可以及时脱落，并排出系统，让系统内的微生物处于较高的活性，相比厌氧氨氧化颗粒污泥，微生物活性更高，无需担心颗粒过大影响处理效果；
3)反应形态好：悬浮填料在反应器内处于流化状态，其反应形态类似于完全混合反应器，填料与气、水接触比较充分，提高了填料上的生物膜与水中营养物质的传质作用，与其他固定床填料相比，悬浮填料层基本没有水头损失，有利于布水的均匀性，可以有效防止固定床生物膜法的堵塞情况；
4)启动周期短：在普通活性污泥接种条件下，厌氧氨氧化启动历时110d，总氮膜面负荷达到7.70gN/m2/d历时186d；
5)处理负荷高：最高总氮膜面负荷可达到20.83gN/m2/d，容积负荷为5.21kgN/m3/d；
6)适用范围广：启动过程进水氨氮范围相对较大，可在50-300mg/L范围内实现快速启动和稳定运行，适用于绝大多数污水情况。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或明显变型方式均应在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种基于MBBR的厌氧氨氧化间歇好氧启动方法，其特征在于包括以下步骤：
1）选用生物填料进行填充，该生物填料比表面积大于500m2/m3，呈圆柱状，挂膜前填料比重为0.93-0.97，孔隙率≥90%，填料的填充率为35-55%；
2）硝化启动，该硝化启动在水温12-35℃时进行，接种污水处理厂曝气池活性污泥，接种后反应器内污泥浓度≥2.0g/L，反应器氨氮去除负荷≥0.05kgN/kgMLSS/d；将接种污泥投入反应器后充分与生物填料混合，采用间歇方式运行，进水氨氮浓度为100-300mg/L，进水总碱度为600-2000mg/L，控制溶解氧为2.0-6.5mg/L，曝气运行直至反应器内氨氮消耗量大于90%，反应停止后将水及污泥全部排出，进入下一周期，重复此运行方式，直到氨氮膜面负荷≥3.00gN/m2/d；
3）间歇好氧启动，该间歇好氧启动在水温25-35℃时进行，采用间歇方式运行，进水氨氮浓度为100-300mg/L，控制反应器内pH为7.5-8.1；按照好氧、厌氧顺序交替运行若干个周期，每个周期好氧、厌氧的时间均为1-5h，厌氧时间与好氧时间比值为1.0-1.2：1，好氧运行时进行曝气并控制溶解氧为1.0-2.5mg/L，厌氧运行进行搅拌并控制溶解氧<0.5mg/L，搅拌功率为5-15W/m3，直至反应器内氨氮消耗量大于进水氨氮的85%，反应停止后将水全部排出，进入下一周期，依此重复运行；直到一个周期反应器内的总氮损失超过40%以上；
4）厌氧氨氧化运行，该厌氧氨氧化运行在水温25-35℃时进行，当直到一个周期反应器内的总氮损失超过40%以上后，改为连续流厌氧运行，厌氧搅拌功率为5-15W/m3，控制水温25-35℃，控制进水氨氮50-80mg/L，进水亚硝酸盐氮60-110mg/L，进水亚硝酸盐氮/氨氮为1.0-1.3，进水pH为7.3-7.9，当出水氨氮小于5mg/L，即缩短停留时间，每次停留时间缩短不超过1h，直到总氮膜面负荷≥2.000gN/m2/d；继续维持厌氧运行，厌氧搅拌功率为5-15W/m3，控制水温25-35℃，控制进水氨氮50-300mg/L，进水亚硝酸盐氮70-400mg/L，进水亚硝酸盐氮/氨氮为1.0-1.3，进水pH为7.3-7.9，当出水氨氮小于10mg/L即缩短停留时间，每次停留时间缩短不超过1h，直到总氮膜面负荷达到7.7gN/m2/d以上。
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Date of cancellation: 20190415 Granted publication date: 20151118 Pledgee: Bank of Qingdao Co economic and Technological Development Zone sub branch Pledgor: Qingdao Si Purun water treatment limited-liability company Registration number: 2017370010041 |
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