CN103723829B - 一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置及方法，涉及污水生物处理技术领域，特别涉及氮素污染的处理技术。本发明是为了解决现有基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮方法中絮体污泥粒径小使得污泥浓度低、污泥沉降性能差最终导致厌氧氨氧化脱氮方法的脱氮效率低以及运行稳定性差的问题。本装置包括U反应器主体、保温系统、进水系统、排水系统、曝气系统、自动控制系统和参数监控系统。通过各部件的连接及对培养环境的设置，实现了智能控制及智能监测整个培养过程，在培养过程中先进行强曝气，促使污泥的颗粒化，然后再限氧培养厌氧氨氧化菌，成功培养出全自养脱氮颗粒污泥。本发明适用于污水处理领域。

Description

一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置及方法

技术领域

本发明涉及污水生物处理技术领域，特别涉及氮素污染的处理技术。

背景技术

随着氮素污染的日益严重和人类社会对环境质量要求的不断提高，废水生物脱氮技术引起了世界各国的广泛关注，已成为水污染控制的重要研究方向。传统基于硝化反硝化作用的活性污泥法在污水脱氮上起到一定的作用，但由于其流程长，动力消耗大，运行成本高以及抗冲击负荷能力弱等缺点，不符合当代“可持续发展”、“节能减排”的要求，亟待寻求发展新型高效污水脱氮工艺。

基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮工艺是近几年新兴的污水脱氮工艺。其主要通过好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的合作，首先在好氧条件下，好氧氨氧化菌将一半的氨氮氧化为亚硝酸盐氮，然后在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以剩余的氨氮为电子供体，以生成的亚硝酸盐氮为电子受体，直接转为氮气，从而达到脱氮的目的。该工艺由于具有降低能耗、无需外加碳源等优点，受到了人们的广泛关注，被认为是一种极具前景的新型污水脱氮技术。

好氧颗粒污泥是活性污泥微生物通过自固定最终形成结构紧凑、外形规则的生物聚集体。它具有相对密实的微观结构、优良的沉淀性能、较高浓度的污泥截留和多样的微生物种群结构。因此，相比于传统的活性污泥，好氧颗粒污泥可降低污泥沉淀系统的要求，减少剩余污泥的排放，提高工艺的抗冲击负荷能力等优点，在废水生物处理中具有非常广阔的应用前景。

目前，将好氧颗粒污泥技术应用于污水脱氮的报道屡见不鲜，诸如采用好氧颗粒污泥实现同步硝化反硝化脱氮技术、实现短程硝化反硝化脱氮技术等。然而，将厌氧氨氧化技术和好氧颗粒污泥技术相结合，发挥各自的优势完成污水脱氮的报道很少。其主要原因在于：基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮工艺要求微氧环境，从而保证厌氧氨氧化菌的存活和对亚硝酸盐氧化菌的抑制，而好氧颗粒污泥的形成需要满足一定的水力条件，即较强的水流剪切力，这种水流剪切力一般是通过强曝气实现的。基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮工艺中的絮体污泥粒径小，从而导致培养源的污泥浓度低，而且污泥沉降性能差，这些原因最终导致厌氧氨氧化工艺处理效率低以及运行稳定性比较差。因此，研究开发基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置及方法是当前研究的重点和难点。

发明内容

本发明是为了解决现有基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮方法中絮体污泥粒径小使得污泥浓度低、污泥沉降性能差最终导致厌氧氨氧化脱氮方法的脱氮效率低以及运行稳定性差的问题。本发明提供一种全自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置和方法。

一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置，该装置包括U形反应器主体、保温系统、进水系统、排水系统、曝气系统、自动控制系统和参数监控系统；

保温系统包括保温层和电阻丝；

进水系统包括装有水的进水箱、进水计量泵、进水滤头、进酸计量泵、进碱计量泵、装有酸的存酸瓶和装有碱的存碱瓶；

排水系统包括排水管、电磁阀和出水箱；

曝气系统包括气泵、气体流量计、止回阀和膜片曝气头；

自动控制系统包括温度控制单元、pH控制单元和序批运行控制单元；

参数监控系统包括在线pH传感器、溶解氧传感器、温度传感器和参数监测单元；

U形反应器主体的外部设置有保温层；U形反应器主体与保温层之间放置有电阻丝；U形反应器主体的顶端设置有活动式反应器盖，所述活动式反应器盖的中间设置有出气管；U形反应器主体的中间位置开有排水口；U形反应器主体的排水口下方设置有取样口；U形反应器主体的取样口下方开有曝气输入口；U形反应器主体的底部开有放空管；U形反应器主体的上半部分设置有一号传感器入口、二号传感器入口和三号传感器入口；U形反应器主体上位于三号传感器入口的下方开有酸碱度输入口；U形反应器主体的酸碱度输入口的下方开有进水口；

保温层上的开口位置、开口大小分别与U形反应器主体的开口位置、开口大小相同；

电阻丝的两端分别与温度控制单元的两个供电端连接；放空管的一端设置有封堵；取样口外接截止阀；

进酸计量泵的输出端和进碱计量泵的输出端同时与U形反应器主体的酸碱度输入口连通；进酸计量泵的输入端与装有酸的存酸瓶连通；进酸计量泵的控制端与pH控制单元的酸控制端连接；进碱计量泵的输入端与装有碱的存碱瓶连通；进碱计量泵的控制端与pH控制单元的碱控制端连接；

进水计量泵的控制端与序批运行控制单元的进水控制端连接；进水计量泵的输出端与U形反应器主体的进水口连通，进水计量泵的输入端与装有水的进水箱连通；

U形反应器主体的进水口与进水滤头的一端连通；进水滤头和膜片曝气头设置在U形反应器主体内部，且进水滤头位于膜片曝气头的正上方，进水滤头的出水面与膜片曝气头的出气面相对放置；

膜片曝气头的一端与止回阀的一端连通；止回阀的另一端与气体流量计的一端连通，气体流量计的另一端与气泵的一端连通；气泵的控制端与序批运行控制单元的曝气控制端连接；

排水管的一端与U形反应器主体的排水口连通；排水管的中间部位设置有电磁阀；电磁阀的控制端与序批运行控制单元的排水控制端连接；排水管的另一端与出水箱连通；

在线pH传感器的输出端与参数监测单元的在线pH传感器输入端连接；溶解氧传感器的输出端与参数监测单元的溶解氧传感器输入端连接；温度传感器的输出端与参数监测单元的温度传感器输入端连接；在线pH传感器的输入端、溶解氧传感器的输入端和温度传感器的输入端分别插入U形反应器主体的一号传感器入口、二号传感器入口和三号传感器入口。

U形反应器主体的高径比为14:1。

膜片曝气头采用的是盘式膜片微孔曝气头。

该培养方法包括以下步骤：

步骤一、打开活动式反应器盖，向反应器内加入Xmg的接种污泥，X等于污泥浓度与反应器体积的乘积；

步骤二、向反应器内注入反应器进水，使反应器内的污泥浓度达到2000mg SS/L～3000mg SS/L；

步骤三、设定反应器内的温度范围；温度控制单元根据该温度控制范围控制电阻丝发热，使反应器内的温度值维持在该温度范围内；

步骤四、pH控制单元判断反应器内的实际pH值是否大于pH设定值，如果是，执行步骤六，否则执行步骤五；

步骤五、pH控制单元控制进碱计量泵向反应器内注入碱，使反应器内的pH值达到7.5±0.1，然后执行步骤七；

步骤六、pH控制单元6-2控制进酸计量泵向反应器内注入酸，使反应器内的pH值达到7.5±0.1，然后执行步骤七；

步骤七、通过序批运行控制单元设定反应器序批运行次序、进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间和容积交换率；

步骤八、通过调整气体流量计使得曝气量在100mL/min～200mL/min之间；开始进入培养阶段；

在培养过程中每天检测一次反应器排出的水中的氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，观察反应器内污泥的形态，是否出现颗粒污泥；当反应器内出现颗粒污泥时，通过序批运行控制单元将沉淀时间调整为1min～5min，同时，通过气体流量计调整曝气量使得反应器内的溶解氧在1mg/L～2mg/L之间；然后继续培养阶段，当反应器出水中的氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度在0mg/L～50mg/L时，全自养脱氮颗粒污泥培养完成。

步骤二中的所述反应器进水的水质中的元素浓度及水质的酸碱度分别为：氨氮浓度在200mg-N/L～500mg-N/L，碳氮比在0～0.5之间，碱度在3000mg/L～5000mg/L，钙离子浓度在100mg/L～200mg/L，pH在7.5～8.0之间。

步骤一中的污泥浓度在2000mg SS/L～3000mg SS/L之间，反应器体积的大小与反应器自身有关；步骤三中的反应器的温度范围为30℃～35℃；步骤五和步骤六中的pH设定值为7.5。

步骤七中所述的通过序批运行控制单元6-3设定反应器序批运行次序、进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间和容积交换率的具体设置如下：

所述序批运行次序具体为进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-沉淀-排水；

所述进水是由序批运行控制单元6-3控制进水计量泵3-2实现，所述曝气是由序批运行控制单元6-3控制气泵5-1实现，所述排水是由序批运行控制单元6-3控制电磁阀4-2实现；进水时间与曝气时间的比值为1:2，沉淀时间为5min～10min，排水时间为一个培养周期排一次水；反应器排水的容积交换率为10％～20％。

接种污泥是厌氧氨氧化菌富培物或者是活性污泥。

反应器进水的氨氮浓度是通过采用加入硫酸铵的方法实现的；反应器进水的碱度是通过采用加入碳酸氢钠的方法实现的，该碱度以碳酸钙计；反应器进水的钙离子浓度是通过采用加入氯化钙的方法实现的；碳氮比是通过加入硫酸铵的方法实现的。

本发明的有益效果如下：

1、采用本发明提出的装置及方法，以活性污泥为培养源，成功培养出全自养脱氮颗粒污泥。利用好氧颗粒污泥较高的污泥浓度和优良的沉降性能，提高了工艺的脱氮效率，同时利用颗粒污泥较大的粒径和较大的厌氧区，为厌氧氨氧化菌提供稳定的生存环境，提高了工艺的稳定性。

2、本发明培养的全自养脱氮颗粒污泥，相比于硝化反硝化工艺，能够节约60％的曝气量，100％的有机碳源；相比于活性污泥工艺，能够减少90％的污泥产量，并具有较好的抗冲击能力。

附图说明

图1是全自养脱氮颗粒污泥培养装置的结构示意图。

图2是本发明的反应器进出水氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮变化曲线。

图3是利用一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法的流程图。

其中，各部分的名称及附图标记如下：U形反应器主体1、保温系统2、进水系统3、排水系统4、曝气系统5、自动控制系统6、参数监控系统7、活动式反应器盖1-1、出气口1-2、酸碱度输入口1-3、排水口1-4、取样口1-5、进水口1-6、曝气输入口1-7、放空管1-8、一号传感器入口1-9、二号传感器入口1-10、三号传感器入口1-11、保温层2-1、电阻丝2-2、进水箱3-1、进水计量泵3-2、进水滤头3-3、进酸计量泵3-4、进碱计量泵3-5、装有酸的存酸瓶3-6、装有碱的存碱瓶3-7、排水管4-1、电磁阀4-2、出水箱4-3、气泵5-1、气体流量计5-2、止回阀5-4、膜片曝气头5-4、温度控制单元6-1、pH控制单元6-2、序批运行控制单元6-3、参数监测单元7-1、在线pH传感器7-2、溶解氧传感器7-3和温度传感器7-4。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置，该装置包括U形反应器主体1、保温系统2、进水系统3、排水系统4、曝气系统5、自动控制系统6和参数监控系统7；

保温系统2包括保温层2-1和电阻丝2-2；

进水系统3包括装有水的进水箱3-1、进水计量泵3-2、进水滤头3-3、进酸计量泵3-4、进碱计量泵3-5、装有酸的存酸瓶3-6和装有碱的存碱瓶3-7；

排水系统4包括排水管4-1、电磁阀4-2和出水箱4-3；

曝气系统5包括气泵5-1、气体流量计5-2、止回阀5-3和膜片曝气头5-4；

自动控制系统6包括温度控制单元6-1、pH控制单元6-2和序批运行控制单元6-3；

参数监控系统7包括在线pH传感器7-2、溶解氧传感器7-3、温度传感器7-4和参数监测单元7-1；

U形反应器主体1的外部设置有保温层2-1；U形反应器主体1与保温层2-1之间放置有电阻丝2-2；U形反应器主体1的顶端设置有活动式反应器盖1-1，所述活动式反应器盖1-1的中间设置有出气管1-2；U形反应器主体1的中间位置开有排水口1-4；U形反应器主体1的排水口1-4下方设置有取样口1-5；U形反应器主体1的取样口下方开有曝气输入口1-7；U形反应器主体1的底部开有放空管1-8；U形反应器主体1的上半部分设置有一号传感器入口1-9、二号传感器入口1-10和三号传感器入口1-11；U形反应器主体1上位于三号传感器入口的下方开有酸碱度输入口1-3；U形反应器主体1的酸碱度输入口1-3的下方开有进水口1-6；

保温层2-1上的开口位置、开口大小分别与U形反应器主体1的开口位置、开口大小相同；

电阻丝2-2的两端分别与温度控制单元6-1的两个供电端连接；放空管1-8的一端设置有封堵；取样口1-5外接截止阀；

进酸计量泵3-4的输出端和进碱计量泵3-5的输出端同时与U形反应器主体1的酸碱度输入口1-3连通；进酸计量泵3-4的输入端与装有酸的存酸瓶3-6连通；进酸计量泵3-4的控制端与pH控制单元6-2的酸控制端连接；进碱计量泵3-5的输入端与装有碱的存碱瓶3-7连通；进碱计量泵3-5的控制端与pH控制单元6-2的碱控制端连接；

进水计量泵3-2的控制端与序批运行控制单元6-3的进水控制端连接；进水计量泵3-2的输出端与U形反应器主体1的进水口1-6连通，进水计量泵3-2的输入端与装有水的进水箱3-1连通；

U形反应器主体1的进水口1-6与进水滤头3-3的一端连通；进水滤头3-3和膜片曝气头5-4设置在U形反应器主体1内部，且进水滤头3-3位于膜片曝气头5-4的正上方，进水滤头3-3的出水面与膜片曝气头5-4的出气面相对放置；

膜片曝气头5-4的一端与止回阀5-3的一端连通；止回阀5-3的另一端与气体流量计5-2的一端连通，气体流量计5-2的另一端与气泵5-1的一端连通；气泵5-1的控制端与序批运行控制单元6-3的曝气控制端连接；

排水管4-1的一端与U形反应器主体1的排水口1-4连通；排水管4-1的中间部位设置有电磁阀4-2；电磁阀4-2的控制端与序批运行控制单元6-3的排水控制端连接；排水管4-1的另一端与出水箱4-3连通；

在线pH传感器7-2的输出端与参数监测单元7-1的在线pH传感器输入端连接；溶解氧传感器7-3的输出端与参数监测单元7-1的溶解氧传感器输入端连接；温度传感器7-4的输出端与参数监测单元7-1的温度传感器输入端连接；在线pH传感器7-2的输入端、溶解氧传感器7-3的输入端和温度传感器7-4的输入端分别插入U形反应器主体1的一号传感器入口1-9、二号传感器入口1-10和三号传感器入口1-11。

放空管的作用是对整个装置进行清洗的时候，通过放空管放空装置内部的水及其他物质；取样口是为了在培养过程中随时抽检培养物质。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种全自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置作进一步说明，本实施方式中，

U形反应器主体1的高径比为14:1。

在相同曝气量情况下，高径比越大，气体的表观上升速度越快，所产生的水流剪切作用越大，有助于颗粒污泥的形成。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种全自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置作进一步说明，本实施方式中，

膜片曝气头采用的是盘式膜片微孔曝气头。

盘式膜片微孔曝气头产生的气泡细密且均匀，提升能力强，充氧效率高。

具体实施方式四：本实施方式是利用具体实施方式一所述的一种全自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法作进一步说明，本实施方式中，

该培养方法包括以下步骤：

步骤一、打开活动式反应器盖1-1，向反应器内加入Xmg的接种污泥，X等于污泥浓度与反应器体积的乘积；

步骤二、向反应器内注入反应器进水，使反应器内的污泥浓度达到2000mg SS/L～3000mg SS/L；

步骤三、设定反应器内的温度范围；温度控制单元6-1根据该温度控制范围控制电阻丝发热，使反应器内的温度值维持在该温度范围内；

步骤四、pH控制单元6-2判断反应器内的实际pH值是否大于pH设定值，如果是，执行步骤六，否则执行步骤五；

步骤五、pH控制单元6-2控制进碱计量泵3-5向反应器内注入碱，使反应器内的pH值达到7.5±0.1，然后执行步骤七；

步骤六、pH控制单元6-2控制进酸计量泵3-4向反应器内注入酸，使反应器内的pH值达到7.5±0.1，然后执行步骤七；

步骤七、通过序批运行控制单元6-3设定反应器序批运行次序、进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间和容积交换率；

步骤八、通过调整气体流量计5-2使得曝气量在100mL/min～200mL/min之间；开始进入培养阶段；

在培养过程中每天检测一次反应器排出的水中的氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，观察反应器内污泥的形态，是否出现颗粒污泥；当反应器内出现颗粒污泥时，通过序批运行控制单元6-3将沉淀时间调整为1min～5min，同时，通过气体流量计5-2调整曝气量使得反应器内的溶解氧在1mg/L～2mg/L之间；然后继续培养阶段，当反应器出水中的氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度在0mg/L～50mg/L时，全自养脱氮颗粒污泥培养完成。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的利用一种全自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法作进一步说明，本实施方式中，

步骤二中的所述反应器进水的水质中的元素浓度及水质的酸碱度分别为：氨氮浓度在200mg-N/L～500mg-N/L，碳氮比在0～0.5之间，碱度在3000mg/L～5000mg/L，钙离子浓度在100mg/L～200mg/L，pH在7.5～8.0之间。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式四所述的利用一种全自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法作进一步说明，本实施方式中，

步骤一中的污泥浓度在2000mg SS/L～3000mg SS/L之间，反应器体积的大小与反应器自身有关；步骤三中的反应器的温度范围为30℃～35℃；步骤五和步骤六中的pH设定值为7.5。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式四所述的利用一种全自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法作进一步说明，本实施方式中，

步骤七中所述的通过序批运行控制单元6-3设定反应器序批运行次序、进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间和容积交换率的具体设置如下：

所述序批运行次序具体为进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-沉淀-排水；

所述进水是由序批运行控制单元6-3控制进水计量泵3-2实现，所述曝气是由序批运行控制单元6-3控制气泵5-1实现，所述排水是由序批运行控制单元6-3控制电磁阀4-2实现；

进水时间与曝气时间的比值为1:2，沉淀时间为5min～10min，排水时间为一个培养周期排一次水；反应器排水的容积交换率为10％～20％。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式四所述的利用一种全自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法作进一步说明，本实施方式中，

接种污泥是厌氧氨氧化菌富培物或者是活性污泥。

接种污泥可以是厌氧氨氧化菌富培物，也可以是城市污水处理厂的活性污泥。两者的区别在于培养时间上的不同，采用厌氧氨氧化菌富培物作为接种污泥，可在45天左右内形成全自养脱氮颗粒污泥，而采用城市污水处理厂的活性污泥，需4个月左右才能形成全自养脱氮颗粒污泥。

具体实施方式九：本实施方式是对具体实施方式五所述的利用一种全自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法作进一步说明，本实施方式中，

反应器进水的氨氮浓度是通过采用加入硫酸铵的方法实现的；反应器进水的碱度是通过采用加入碳酸氢钠的方法实现的，该碱度以碳酸钙计；反应器进水的钙离子浓度是通过采用加入氯化钙的方法实现的；碳氮比是通过加入硫酸铵的方法实现的。

工作过程：向反应器内加入适量的接种污泥，再将配置好的反应器进水注入反应器中，然后参数控制单元工作，通过pH在线传感器和温度传感器监测反应器内的实际pH值和实际温度值。

温度传感器将检测到的反应器内的实际温度值发送至参数监测单元，由此能够得到反应器内的温度值，若反应器内的温度值达不到设定温度范围，那么通过温度控制单元给电阻丝供电，使电阻丝发热从而保证反应器内的温度值维持在30～35℃之间。

pH在线传感器将检测到的反应器内的实际pH值发送至参数监测单元，由此能够得到反应器内的实际pH值，若反应器内的实际pH值达不到设定的pH范围，那么，pH控制单元控制进酸计量泵或进碱计量泵的开启，向反应器内注入适量的酸或碱，使反应器内的pH值在7.5±0.1。

设定反应器的运行次序：序批运行次序由序批运行控制单元控制进水计量泵、气泵以及排水电磁阀的启动和停止来完成；进水时由序批运行控制单元控制进水计量泵的进水量，向反应器内进水，然后由序批运行控制单元控制进水计量泵关闭；曝气时由序批运行控制单元控制气泵开启，然后设置气体流量计的进气量，再通过膜片曝气头向反应器内曝气；曝气量达到设定值以后，由序批运行控制单元控制气泵关闭。如此循环，完成序批运行次序。序批运行次序具体为进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-沉淀-排水；其中进水时间与曝气时间的比值为1:2，培养初期的沉淀时间设定为5min～10min，排水时间为一个培养周期排一次水；反应器排水容积交换率为10％～20％。通过进水和曝气的交替工作，使得反应器微生物处于周期性饱和或饥饿状态，有助于颗粒污泥的形成。此方式避免了污泥颗粒化过程中强曝气对厌氧氨氧化菌的毒害作用，极大缩短了全自养脱氮颗粒污泥的培养周期。

培养初期，调整气体流量计使得曝气量在50mL/min～300mL/min之间，反应器内的培养物开始进入培养阶段；在培养过程中每天检测一次反应器出水中的氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，观察反应器内污泥的形态，是否出现污泥颗粒；

当反应器内出现颗粒污泥时，通过序批运行控制单元将沉淀时间调整为1min～5min，同时，通过气体流量计调整曝气量使得反应器内的溶解氧在1mg/L～2mg/L之间；然后继续培养阶段，当反应器出水中的氨氮、硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度在0mg/L～50mg/L时，也就是说反应器总氮去除率在85％左右时，全自养脱氮颗粒污泥培养完成。

容积交换率指的是反应器一个周期内排出水的体积占反应器总有效体积的百分比。

排水时间间隔为一个周期，一个周期排一次水。反应器一个周期的时间为2.4-4.8小时，根据反应器水力停留时间1天和容积交换率10％～20％计算而得，1天*10％＝2.4小时，1天*20％＝4.8小时。

注意：在整个培养过程中，反应器内的PH值和温度发生变化时，通过温度控制单元和PH控制单元使反应器内的PH值和温度值维持在设定范围内。

具体实施方式十：本实施方式是为了说明一个具体的实施例。

步骤一、打开活动式反应器盖1-1，向反应器内加接种污泥；

反应器接种污泥源自于一个一段式半亚硝化-厌氧氨氧化反应器，污泥形态为絮状活性污泥；

步骤二、向反应器内注入反应器进水，使反应器内的污泥浓度达到2450mg SS/L；

反应器进水采用含有氨氮的模拟废水。模拟废水中不含有机碳源。所述反应器进水的水质中的元素浓度及水质的酸碱度分别为：氨氮浓度在200mg-N/L～500mg-N/L，是通过采用加入硫酸铵的方法实现的。碳氮比在0～0.5之间，是通过加入硫酸铵的方法实现的，碱度在3000mg/L～5000mg/L，是通过采用加入碳酸氢钠的方法实现的，该碱度以碳酸钙计。钙离子浓度在100mg/L～200mg/L，是通过采用加入氯化钙的方法实现的，目的是为了促进颗粒污泥的形成。PH在7.5～8.0之间。

步骤三、设定反应器内的温度范围30℃～35℃；温度控制单元6-1根据该温度控制范围控制电阻丝发热，使反应器内的温度值维持在该温度范围内；

在培养过程中，如果反应器内的温度值不在设定的温度值范围内，则通过温度控制单元控制反应器的温度，使温度维持在30～35℃。

步骤四、pH控制单元6-2判断反应器内的实际pH值是否大于pH设定值，如果是，执行步骤六，否则执行步骤五；

设定反应器内的pH值；pH传感器7-2将反应器的实际pH值传送给参数监测单元7-1，然后pH控制单元6-2根据反应器内的实际pH值，判断反应器内的实际pH值是否大于pH设定值，如果是，执行步骤六，否则执行步骤五；

步骤五、pH控制单元6-2控制进碱计量泵3-5向反应器内注入碱，使反应器内的pH值达到7.5±0.1，然后执行步骤七；

步骤六、pH控制单元6-2控制进酸计量泵3-4向反应器内注入酸，使反应器内的pH值达到7.5±0.1，然后执行步骤七；

步骤七、通过序批运行控制单元6-3设定反应器序批运行次序、进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间和容积交换率；

通过序批运行控制单元设定反应器序批运行次序、进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间和容积交换率；

序批运行次序由序批运行控制单元控制进水计量泵、气泵以及排水电磁阀的启动和停止来完成；序批运行次序具体为进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-沉淀-排水。进水时由序批运行控制单元控制进水计量泵的进水量，向反应器内进水，然后由序批运行控制单元控制进水计量泵关闭；曝气时由序批运行控制单元控制气泵开启，然后设置气体流量计的进气量，再通过膜片曝气头向反应器内曝气，由序批运行控制单元控制气泵关闭。

进水与曝气的时间比为1：2；沉淀时间设置为5min，排水时间设定为每3小时一次，通过序批运行控制单元的控制完成整个序批运行次序，使反应器内的曝气量达到220mL/min±5mL/min；反应器排水容积交换率设定为12.5％；

步骤八、通过调整气体流量计5-2使得曝气量在100mL/min～200mL/min之间；开始进入培养阶段；

在培养过程中每天检测一次反应器排出的水中的氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，观察反应器内污泥的形态，是否出现颗粒污泥；当反应器内出现颗粒污泥时，通过序批运行控制单元6-3将沉淀时间调整为1min～5min，同时，通过气体流量计5-2调整曝气量使得反应器内的溶解氧在1mg/L～2mg/L之间；然后继续培养阶段，当反应器出水中的氨氮、硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度在0mg/L～50mg/L时，全自养脱氮颗粒污泥培养完成。

整个培养阶段分为两部分，阶段1和阶段2。

阶段1的具体运行参数为：曝气量为220mL/min±5mL/min，反应器溶解氧为4mg/L～5mg/L，培养初期沉淀时间为5min，10天后将沉淀时间缩短为3min，25天后进一步讲沉淀时间缩短至1min。本阶段运行的要点在于控制较高的曝气量和溶解氧促进污泥的颗粒化，因此在阶段1的整个运行过程中，应密切关注反应器内的污泥形态，当反应器内污泥粒径达到0.5mm～1.0mm时，标志着阶段1运行的结束。

阶段2的具体运行参数为：降低曝气量为80mL/min，反应器溶解氧为1mg/L～2mg/L之间，沉淀时间保持在1min，每天检测进出水的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的变化，当出水中总氮去除率达到80％，即表明全自养颗粒污泥的培养成功。

经过3个月的连续运行，反应器总氮去除率稳定在80％以上见附图2，且反应器内的污泥形态由接种时的絮状活性污泥转变为直径约为1mm的颗粒污泥。由此表明，全自养颗粒污泥培养成功。

从附图2可以看到，经过大约3个月的连续运行，在进水氨氮为250mg-N/L，水力停留时间为1天的工况下，出水中氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度均低于50mg-N/L，总氮去除率稳定在80％以上，由此表明，反应器具备了良好的脱氮效果。

参数监控系统，用于实时监测反应器内的温度、pH值及溶解氧浓度。当温度传感器监测到反应器内温度超出规定范围时，通过温度控制单元调节反应器内的温度。当pH传感器监测反应器内的pH值超出规定范围时，pH控制单元通过控制进酸计量泵和进碱计量泵从而输入适当剂量的酸或碱，从而调节反应器内的pH值，使反应器内的pH值达到规定范围内。溶解氧传感器用于监测反应器内的溶解氧浓度。

本实施例采用具体实施方式一中所述的一种全自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置实现脱氮颗粒的污泥培养。

本发明提出的培养全自养脱氮颗粒污泥的方法，运用“两步走”策略，即先强曝气促使污泥的颗粒化，然后限氧培养厌氧氨氧化菌，成功培养出全自养脱氮颗粒污泥。

Claims (9)

1.一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置，其特征在于，该装置包括U形反应器主体(1)、保温系统(2)、进水系统(3)、排水系统(4)、曝气系统(5)、自动控制系统(6)和参数监控系统(7)；

保温系统(2)包括保温层(2-1)和电阻丝(2-2)；

进水系统(3)包括装有水的进水箱(3-1)、进水计量泵(3-2)、进水滤头(3-3)、进酸计量泵(3-4)、进碱计量泵(3-5)、装有酸的存酸瓶(3-6)和装有碱的存碱瓶(3-7)；

排水系统(4)包括排水管(4-1)、电磁阀(4-2)和出水箱(4-3)；

曝气系统(5)包括气泵(5-1)、气体流量计(5-2)、止回阀(5-3)和膜片曝气头(5-4)；

自动控制系统(6)包括温度控制单元(6-1)、pH控制单元(6-2)和序批运行控制单元(6-3)；

参数监控系统(7)包括在线pH传感器(7-2)、溶解氧传感器(7-3)、温度传感器(7-4)和参数监测单元(7-1)；

U形反应器主体(1)的外部设置有保温层(2-1)；U形反应器主体(1)与保温层(2-1)之间放置有电阻丝(2-2)；U形反应器主体(1)的顶端设置有活动式反应器盖(1-1)，所述活动式反应器盖(1-1)的中间设置有出气管(1-2)；U形反应器主体(1)的中间位置开有排水口(1-4)；U形反应器主体(1)的排水口(1-4)下方设置有取样口(1-5)；U形反应器主体(1)的取样口下方开有曝气输入口(1-7)；U形反应器主体(1)的底部开有放空管(1-8)；U形反应器主体(1)的上半部分设置有一号传感器入口(1-9)、二号传感器入口(1-10)和三号传感器入口(1-11)；U形反应器主体(1)上位于三号传感器入口的下方开有酸碱度输入口(1-3)；U形反应器主体(1)的酸碱度输入口(1-3)的下方开有进水口(1-6)；

保温层(2-1)上的开口位置、开口大小分别与U形反应器主体(1)的开口位置、开口大小相同；

电阻丝(2-2)的两端分别与温度控制单元(6-1)的两个供电端连接；放空管(1-8)的一端设置有封堵；取样口(1-5)外接截止阀；

进酸计量泵(3-4)的出液端和进碱计量泵(3-5)的出液端同时与U形反应器主体(1)的酸碱度输入口(1-3)连通；进酸计量泵(3-4)的入液端与装有酸的存酸瓶(3-6)连通；进酸计量泵(3-4)的控制端与pH控制单元(6-2)的酸控制端连接；进碱计量泵(3-5)的入液端与装有碱的存碱瓶(3-7)连通；进碱计量泵(3-5)的控制端与pH控制单元(6-2)的碱控制端连接；

进水计量泵(3-2)的控制端与序批运行控制单元(6-3)的进水控制端连接；进水计量泵(3-2)的输出端与U形反应器主体(1)的进水口(1-6)连通，进水计量泵(3-2)的输入端与装有水的进水箱(3-1)连通；

U形反应器主体(1)的进水口(1-6)与进水滤头(3-3)的一端连通；进水滤头(3-3)和膜片曝气头(5-4)设置在U形反应器主体(1)内部，且进水滤头(3-3)位于膜片曝气头(5-4)的正上方，进水滤头(3-3)的出水面与膜片曝气头(5-4)的出气面相对放置；

膜片曝气头(5-4)的一端与止回阀(5-3)的一端连通；止回阀(5-3)的另一端与气体流量计(5-2)的一端连通，气体流量计(5-2)的另一端与气泵(5-1)的一端连通；气泵(5-1)的控制端与序批运行控制单元(6-3)的曝气控制端连接；

排水管(4-1)的一端与U形反应器主体(1)的排水口(1-4)连通；排水管(4-1)的中间部位设置有电磁阀(4-2)；电磁阀(4-2)的控制端与序批运行控制单元(6-3)的排水控制端连接；排水管(4-1)的另一端与出水箱(4-3)连通；

在线pH传感器(7-2)的输出端与参数监测单元(7-1)的在线pH传感器输入端连接；溶解氧传感器(7-3)的输出端与参数监测单元(7-1)的溶解氧传感器输入端连接；温度传感器(7-4)的输出端与参数监测单元(7-1)的温度传感器输入端连接；在线pH传感器(7-2)的输入端、溶解氧传感器(7-3)的输入端和温度传感器(7-4)的输入端分别插入U形反应器主体(1)的一号传感器入口(1-9)、二号传感器入口(1-10)和三号传感器入口(1-11)。

2.根据权利要求1所述的一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置，其特征在于，U形反应器主体(1)的高径比为14:1。

3.根据权利要求1所述的一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置，其特征在于：膜片曝气头(5-4)采用的是盘式膜片微孔曝气头。

4.利用权利要求1所述的一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法，其特征在于，该培养方法包括以下步骤：

步骤一、打开活动式反应器盖(1-1)，向反应器内加入Xmg的接种污泥，X等于污泥浓度与反应器体积的乘积；

步骤二、向反应器内注入反应器进水，使反应器内的污泥浓度在2000mg SS/L～3000mgSS/L；

步骤三、设定反应器内的温度范围；温度控制单元(6-1)根据该温度控制范围控制电阻丝发热，使反应器内的温度值维持在该温度范围内；

步骤四、pH控制单元(6-2)判断反应器内的实际pH值是否大于pH设定值，如果是，执行步骤六，否则执行步骤五；

步骤五、pH控制单元(6-2)控制进碱计量泵(3-5)向反应器内注入碱，使反应器内的pH值达到pH设定值±0.1，然后执行步骤七；

步骤六、pH控制单元(6-2)控制进酸计量泵(3-4)向反应器内注入酸，使反应器内的pH值达到pH设定值±0.1，然后执行步骤七；

步骤七、通过序批运行控制单元(6-3)设定反应器序批运行次序、进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间和容积交换率；

步骤八、通过调整气体流量计(5-2)使得曝气量在100mL/min～200mL/min之间；开始进入培养阶段；

在培养过程中每天检测一次反应器排出的水中的氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度，观察反应器内污泥的形态，是否出现颗粒污泥；当反应器内出现颗粒污泥时，通过序批运行控制单元(6-3)将沉淀时间调整为1min～5min，同时，通过气体流量计(5-2)调整曝气量使得反应器内的溶解氧在1mg/L～2mg/L之间；然后继续培养阶段，当反应器出水中的氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度在0mg/L～50mg/L时，全自养脱氮颗粒污泥培养完成。

5.根据权利要求4所述的利用一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法，其特征在于，

步骤二中的所述反应器进水的水质中的元素浓度及水质的酸碱度分别为：氨氮浓度在200mg-N/L～500mg-N/L，碳氮比在0～0.5之间，碱度在3000mg/L～5000mg/L，钙离子浓度在100mg/L～200mg/L，pH在7.5～8.0之间。

6.根据权利要求4所述的利用一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法，其特征在于，

步骤一中的污泥浓度在2000mg SS/L～3000mg SS/L之间，反应器体积的大小与反应器自身有关；步骤三中的反应器的温度范围为30℃～35℃；步骤五和步骤六中的pH设定值为7.5。

7.根据权利要求4所述的利用一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法，其特征在于，

步骤七中所述的通过序批运行控制单元(6-3)设定反应器序批运行次序、进水时间、曝气时间、沉淀时间、排水时间和容积交换率的具体设置如下：

所述序批运行次序具体为进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-沉淀-排水；

所述进水是由序批运行控制单元(6-3)控制进水计量泵(3-2)实现，所述曝气是由序批运行控制单元(6-3)控制气泵(5-1)实现，所述排水是由序批运行控制单元(6-3)控制电磁阀(4-2)实现；

进水时间与曝气时间的比值为1:2，沉淀时间为5min～10min，排水时间为一个培养周期排一次水；反应器排水的容积交换率为10％～20％。

8.根据权利要求4所述的利用一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法，其特征在于，

接种污泥是厌氧氨氧化菌富培物或者是活性污泥。

9.根据权利要求5所述的利用一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污泥的培养方法，其特征在于，

反应器进水的氨氮浓度是通过采用加入硫酸铵的方法实现的；反应器进水的碱度是通过采用加入碳酸氢钠的方法实现的，该碱度以碳酸钙计；反应器进水的钙离子浓度是通过采用加入氯化钙的方法实现的；碳氮比是通过加入硫酸铵的方法实现的。