CN103723830A - 一种处理城市生活污水的全程自养脱氮颗粒污泥启动方法 - Google Patents

Abstract

一种专用于处理城市生活污水的全程自养脱氮颗粒污泥启动方法，属于水环境恢复与再生领域。接种全程自养脱氮工艺生物滤柱反冲洗污泥，在高温高氨氮条件下，在机械搅拌和曝气同时作用下逐渐培养颗粒污泥，之后不断降低配水总氮质量浓度和反应时间，强化培养颗粒污泥，并通过改变水质，最终实现其对于城市生活污水的处理。经过140个周期，总氮去除负荷达到0.9kg.m^-3.d^-1，污泥体积平均粒径达到1052.49μm，能够处理总氮质量浓度65±10mg.L^-1的城市生活污水，使出水水质满足一级A标准，可用于培养处理城市生活污水的序批式颗粒污泥反应器启动。

Description

一种处理城市生活污水的全程自养脱氮颗粒污泥启动方法

技术领域

本发明属于水环境恢复与再生领域。具体涉及用于处理常温、低氨氮城市生活污水的全程自养脱氮（CANON）颗粒污泥启动的方法。

背景技术

水资源问题是制约社会发展的重要因素。我国水资源总量丰富，但人均淡水资源占有量仅为世界平均水平的28%。由于工、农业污水不合理排放的日益加剧，造成了有限的水资源质量恶化，同时水资源浪费的现象日益严重，使得原本就不充足的淡水资源变得越发珍贵。在污水中，氮素污染是水体污染的重要因素之一，城市生活污水，工业废水，养殖废水，垃圾渗滤液中均存在氮素污染问题。环保部《2012年中国环境状况公报》显示，2012年，全国排放废水中氨氮排放量为253.6万吨。因此，污水氮素深度处理工艺的研究意义重大。

水体中的氮素来源是多途径的，主要由城市生活污水、工业废水、农业废水三方面引入。城市生活污水有低碳氮比的特点，对于这类废水，现今国内大部分采用基于硝化反硝化原理的传统工艺进行生物脱氮的污水处理厂，为达到一级A排放标准，需要外加大量有机碳源、无机碳源、反应装置繁杂庞大，消耗大量能源，使得污水处理成本居高不下；同时产生大量污泥和温室气体，对环境造成二次污染，极大制约了污水处理行业的发展。

上世纪90年代新发现的基于厌氧氨氧化(ANAMMOX)技术的全程自养脱氮（Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite）工艺，是在好氧条件下，氨氧化细菌（AOB）与厌氧氨氧化（Anammox）菌在同一个反应器中共存，二者协同作用，位于填料或污泥絮体外层的氨氧化细菌，先以氧气作电子受体，将NH₄ ⁺-N氧化为NO₂ ^--N；通过传质作用，位于填料或污泥絮体内层的Anammox菌，以亚硝酸细菌产生的NO₃ ^--N。CANON工艺将水中的NH₄ ⁺-N直接转化成N₂的过程，同传统工艺相比，该工艺具有无需外加有机碳源、无机碳源、曝气量低节约能耗，无需硝化液回流等优点，这为污水脱氮处理提供了一种节能、低碳、环保的新思路。

现阶段，从微生物载体区分，CANON工艺主要通过生物滤柱的形式实现。日本Furukawa采用上向流Biofix为填料的生物滤池，最好处理效果可达到91%，总氮去除负荷可达到0.83kg.m^-3.d^-1。Chuang等使用下向流的海绵填料反应器，总氮去除负荷达到1.46kg.m^-3.d^-1。虽然，生物滤柱具有较高的总氮去除负荷和去除率，但容易发生堵塞，梁瑜海采用火山岩填料的CANON工艺，总氮去除负荷最高达到3.1kg.m^-3.d^-1，去除率为83%，但是当出现堵塞断层现象去除率将至19.6%，即使人工翻填之后也只能回复至正常时的60%水平，这是生物滤柱普遍存在的致命缺陷。

从处理水质上看，目前CANON工艺主要用于处理高温高氨氮污水，Samik等采用CSTR反应器处理总氮浓度550-600mg.L^-1的废水，总氮去除负荷可以达到0.216kg.m^-3.d^-1。对于常温低氨氮污水的处理还有待进一步研究。

颗粒污泥本质上是以有机质或无机质为核心的悬浮型生物膜工艺，它集成了生物膜抗冲击负荷能力强、微环境好及活性污泥浓度高、比表面积大等优点，是理想的Anammox菌承载形式，国内外学者的研究表明其相对于普通絮状污泥往往具有着更高的处理负荷。Xiaoming Li等人在SBR反应器中培养出了全程自养脱氨颗粒污泥，DO为0.3-0.5mg.L^-1，总氮去除率为63.7%。郑平等应用改良型UASB反应器进行了全程自养脱氮颗粒污泥的研究，反应器在DO为0.2-0.8mg.L^-1，温度30±1℃，进水pH7.8-8.0条件下处理氨氮浓度431.7±25.5mg.L^-1的模拟废水，总氮去除负荷2.57kg.m^-3.d^-1。

从研究者们已经进行的研究中可以发现，一体化全程自养脱氮工艺可以应用于多种反应器形式，微生物的宏观存在形式也多种多样，主要应用于高温高氨氮领域，但是都不可避免的存在一些问题。在上述文献中，生物膜法氮去除负荷较高，但存在易堵塞的问题。普通活性污泥法存在去除负荷较低的问题。在已有的颗粒污泥研究中，连续式运行已经取得了一定的研究成果，间歇式运行存在颗粒形成时间长、总氮去除率低、混合不均匀、总氮去除负荷难以提高的问题。因此在短时间内培养可以高效处理低氨氮废水的全程自养脱氮颗粒污泥意义重大。

发明内容

本发明目的在于提供一种处理城市生活污水的全程自养脱氮颗粒污泥启动的方法。

本发明中，首先通过接种全程自养脱氮工艺生物滤柱反冲洗出来的絮状污泥，逐渐培养为颗粒污泥，之后不断提高溶解氧，强化培养颗粒污泥，并通过改变水质强化其处理性能，最终实现其对于生活污水的处理。

本发明实例中，对于反应器基本状况进行了具体描述，但本方法并不局限于此参数反应器，一切间歇流活性污泥反应器皆可应用此方法。

一种处理城市生活污水的厌氧氨氧化颗粒污泥启动方法，具体步骤如下：

1）搭建反应器：采用SBR反应器，反应器底部曝气，上部附加搅拌装置,安置在线pH、DO探头，保证各参数实时在线监测。进水、曝气、排水均采用自动控制。

2）反应器采用间歇运行的方式，包括进水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段。一个周期即从反应器开始进水到闲置结束的整个阶段。

3）颗粒污泥培养阶段：接种全程自养脱氮工艺生物滤柱反冲洗出来的絮状污泥，污泥浓度4-8g.L^-1，设置机械搅拌器转速90-130rpm.min^-1，反应器进水采用人工配水，进水总氮只有氨氮，控制初始进水总氮质量浓度为380-430mg/L，CaCO₃碱度质量浓度1700-2000mg.L^-1，反应器温度控制在29-32℃。曝气采用空气压缩机进气，初始曝气气体上升气速介于0.4-1.1cm.min^-1，当总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-13个周期以上时，下一周期提高气体上升流速，提高幅度0.3-1.6cm.min^-1。以总氮去除率达到80%以上所需的反应时间为初始反应时间，当总氮去除率连续3个周期以上高于80%随即在下一周期缩短反应时间，每次缩短幅度为10%-15%。沉降时间由沉降界面位置决定，当泥位界面位置在排水口以上5%反应柱高度时排泥，当泥位界面位置在排水口以下10%反应柱高度时再次降低沉降时间，每次降低幅度30-50%，直到沉降时间低于5min。当总氮去除负荷超过0.3kg.m^-3.d^-1稳定3个周期以上，体积平均粒径超过400μm以上时，认为颗粒污泥启动成功，进入变基质驯化颗粒污泥阶段。

4）变基质驯化颗粒污泥阶段：逐次降低其进水总氮质量浓度，每次降低80%-100%，同时缩短反应时间，保证总氮去除率在70%以上，反应器温度控制在29-32℃，CaCO₃碱度质量浓度与总氮质量浓度比值为4.2-4.8。当总氮去除率连续3个周期以上超过80%，进行下轮调整，直至进水总氮浓度降低至40-75mg.L^-1，此后总氮去除率连续3个周期以上超过80%，下一周期缩短反应时间，每次缩短10%-15%。当总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-13个周期以上时，下一周期提高气体上升流速，提高幅度0.3-1.6cm.min^-1。当总氮去除负荷超过0.6kg.m^-3.d^-1稳定3个周期以上，且颗粒污泥平均粒径超过700μm时，认为变基质驯化颗粒污泥阶段成功，进入变温驯化颗粒污泥阶段。

5）变温度驯化颗粒污泥阶段：保持进水总氮质量浓度40-75mg.L^-1，CaCO₃碱度质量浓度180-340mg.L^-1，将温度由上一阶段的29-32℃降低至18-23℃，同时增加反应时间，保证总氮去除率在70%以上。当总氮去除率连续3个周期以上超过80%，认为变温度驯化颗粒污泥成功，进入城市生活污水处理阶段。

6）城市生活污水处理启动阶段：采用城市生活污水化粪池出水作为反应器进水，总氮质量浓度50-75mg.L^-1，CaCO₃碱度质量浓度大于350mg.L^-1，COD质量浓度180-350mg.L^-1，反应器温度控制在室温。调整反应时间使得总氮去除率超过70%，若总氮去除率连续3个周期以上大于80%，下一周期缩短反应时间10-30%。当总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-13个周期以上时，下一周期提高气体上升流速，提高幅度0.3-1.6cm.min^-1。当总氮去除负荷达到0.8kg.m^-3.d^-1以上稳定3个周期以上，颗粒污泥平均粒径超过1000μm时，认为处理城市生活污水的全程自养脱氮颗粒污泥启动成功。

与现有的全程自养脱氮工艺相比较，本发明具有以下有益效果：

1）本发明提供了一种可行的处理生活污水的全程自养脱氮颗粒污泥启动方法；

2）本发明提供了解决颗粒污泥培养过程中混合不均匀甚至颗粒沉积的方法；

3）本发明提供了在常温低基质生活污水条件下，全程自养脱氮颗粒污泥运行及维护的策略与方法。

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。

附图说明：

图1是本发明采用的SBR试验装置示意图。

图2是采用本发明方法的反应器运行效果图，图中PhaseⅠ为颗粒污泥培养阶段，PhaseⅡ为变基质驯化颗粒污泥阶段，PhaseⅢ为变温度驯化颗粒污泥阶段，PhaseⅤ为城市生活污水处理启动阶段；cycle为运行周期个数，HRT为反应时间，TNinf为进水总氮浓度，TRR为总氮去除负荷，TNR为总氮去除率。

图3是采用本发明方法的反应器运行参数变化图，图中T为水温，DO为溶解氧浓度。

具体实施方式

实施例1

试验装置为SBR反应器，如图1所示。试验装置由有机玻璃制成，内径90mm，高1.0m，总容积6.36L，有效容积5.5L，反应器柱体每100mm设有一个取样口，底部安装有微孔曝气装置，pH、DO采用在线装置监测。上部装有机械搅拌机，控制搅拌转速100rpm.min^-1。进水、曝气、排水均采用自动控制。

反应器采用间歇运行的方式，一个周期包括进水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段。进水阶段采用重力流自动进水；反应阶段采用曝气与搅拌联合混匀的方式，使得混合液保持充分混匀的状态，反应结束的标志是水中氨氮反应完全；排水阶段采用自流排水，换水比50%；闲置阶段闲置时间0.5-10h。

接种污泥采用全程自养脱氮工艺生物滤柱反冲洗出来的絮状污泥，污泥浓度5.5g.L^-1。控制初始进水总氮质量浓度为415±10mg.L^-1，进水氮素全部为氨氮，CaCO₃碱度质量浓度1800mg.L^-1，反应器温度控制在30±1℃；曝气采用空气压缩机进气，由转子流量计控制曝气量，初始断面上升气速为0.79cm.min^-1；初始反应时间由总氮去除率确定，以总氮去除率达到83.42%时的反应时间为初始反应时间，初始反应时间为30h；初始沉降时间由沉降界面位置决定，当泥位界面位置在排水口以上5%反应柱高度时排泥，初始沉降时间15min。运行至第4个周期，由于反应器内污泥损失较多，导致总氮去除率下降到60.1%，下一周期延长反应时间4h，使得总氮去除率达到70%以上；运行至第8个周期，总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-1已达4个周期，泥位界面位置在排水口以下13%反应柱高度，下一周期提升断面上升气速至1.1cm.min^-1，沉降时间降低至10min；运行至第15个周期，总氮去除率达到80%以上且保持4个周期，下一周期缩短反应时间4h，再过四个周期再次缩短反应时间3h，此时反应时间为27h，第20个周期泥位界面位置在排水口以下12%反应柱高度，沉降时间降低至5min；运行至第25个周期，反应器去除负荷达到0.308kg.m^-3.d^-1，体积平均粒径达到451.53μm，颗粒污泥培养阶段结束，进入变基质驯化颗粒污泥阶段。

变基质驯化颗粒污泥阶段维持进水中只有氨氮，降低进水总氮质量浓度至210±15mg.L^-1，CaCO₃碱度质量浓度900mg.L^-1，反应器温度控制在30±1℃，运行至第27个周期总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-1已达4个周期，下一周期将断面上升气速提高到1.57cm.min^-1，降低反应时间为17h，运行至第43个周期，已经连续6个周期总氮去除率超过80%；遂在下一个周期将进水总氮质量浓度降低至110±15mg.L^-1，反应时间降低为9h，运行至第45个周期总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-1已达5个周期，下一周期将断面上升气速提高到2.36cm.min^-1，反应时间降低为6h，运行至第57个周期，已经连续5个周期总氮去除率超过80%；下一个周期将进水总氮质量浓度降低至68±5mg.L^-1，运行至第59个周期总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-1已达5个周期，下一周期将断面上升气速提高到3.15cm.min^-1，反应时间降低为4h，运行至第63个周期，总氮去除率连续3个周期以上高于80%，下一周期反应时间降低为3.5h，运行至第71个周期总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-1已达4个周期，下一周期，将断面上升气速提高到3.93cm.min^-1，并保持该断面上升气速至该阶段结束，反应时间降低为2.5h，第76个周期反应时间降低为2h，并保持该反应时间至该阶段结束；运行至第81个周期，总氮去除负荷超过0.69kg.m^-3.d^-1，污泥平均粒径达到758.84μm，变基质驯化颗粒污泥阶段成功，进入变温度驯化颗粒污泥阶段。

变温度驯化颗粒污泥阶段降低温度至20-21.5℃，保持进水总氮质量浓度为68±5mg.L^-1，CaCO₃碱度质量浓度306mg.L^-1，断面上升气速维持3.93cm.min^-1，将反应时间升高为4h，使得总氮去除率超过70%。运行19个周期后，总氮去除率超过80%且能稳定4个周期，变温度驯化颗粒污泥阶段成功，进入城市生活污水处理启动阶段。

城市生活污水处理启动阶段，改变进水水质，采用城市生活污水化粪池出水为反应器进水，总氮质量浓度65±10mg.L^-1，只有氨氮，CaCO₃碱度质量浓度大于350mg.L^-1，COD质量浓度200-330mg/L。阶段开始时维持断面上升气速为3.93cm.min^-1，反应时间为4h，使得总氮去除率超过70%；运行至第114个周期总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-1已达4个周期，下一周期将断面上升气速提高为4.72cm.min^-1，同时反应时间缩短为2.5h；运行至第130个周期，总氮去除率连续3个周期超过80%，下一周期缩短反应时间为1.5h；最终在断面上升气速为4.72cm.min^-1，反应时间为1.5h的条件下运行10个周期后总氮去除负荷达到0.9kg.m^-3.d^-1，颗粒污泥体积平均粒径为1052.49μm，处理生活污水的全程自养脱氮颗粒污泥启动成功。

Claims (1)

1.一种处理城市生活污水的全程自养脱氮颗粒污泥启动方法，其特征在于：

1）搭建反应器：采用SBR反应器，反应器底部曝气，上部附加搅拌装置,安置在线pH、DO探头，保证各参数实时在线监测；进水、曝气、排水均采用自动控制；

2）反应器采用间歇运行的方式，包括进水、反应、沉淀、排水和闲置五个阶段；一个周期即从反应器开始进水到闲置结束的整个阶段；

3）颗粒污泥培养阶段：接种全程自养脱氮工艺生物滤柱反冲洗出来的絮状污泥，污泥浓度4-8g.L^-1，设置机械搅拌器转速90-130rpm.min^-1，反应器进水采用人工配水，进水总氮只有氨氮，控制初始进水总氮质量浓度为380-430mg/L，CaCO₃碱度质量浓度1700-2000mg.L^-1，反应器温度控制在29-32℃；曝气采用空气压缩机进气，初始曝气气体上升气速介于0.4-1.1cm.min^-1，当总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-13个周期以上时，下一周期提高气体上升流速，提高幅度0.3-1.6cm.min^-1；以总氮去除率达到80%以上所需的反应时间为初始反应时间，当总氮去除率连续3个周期以上高于80%随即在下一周期缩短反应时间，每次缩短幅度为10%-15%；沉降时间由沉降界面位置决定，当泥位界面位置在排水口以上5%反应柱高度时排泥，当泥位界面位置在排水口以下10%反应柱高度时再次降低沉降时间，每次降低幅度30-50%，直到沉降时间低于5min；当总氮去除负荷超过0.3kg.m^-3.d^-1稳定3个周期以上，体积平均粒径超过400μm以上时，认为颗粒污泥启动成功，进入变基质驯化颗粒污泥阶段；

4）变基质驯化颗粒污泥阶段：逐次降低其进水总氮质量浓度，每次降低80%-100%，同时缩短反应时间，保证总氮去除率在70%以上，反应器温度控制在29-32℃，CaCO₃碱度质量浓度与总氮质量浓度比值为4.2-4.8；当总氮去除率连续3个周期以上超过80%，进行下轮调整，直至进水总氮浓度降低至40-75mg.L^-1，此后总氮去除率连续3个周期以上超过80%，下一周期缩短反应时间，每次缩短10%-15%；当总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-13个周期以上时，下一周期提高气体上升流速，提高幅度0.3-1.6cm.min^-1；当总氮去除负荷超过0.6kg.m^-3.d^-1稳定3个周期以上，且颗粒污泥平均粒径超过700μm时，认为变基质驯化颗粒污泥阶段成功，进入变温驯化颗粒污泥阶段；

5）变温度驯化颗粒污泥阶段：保持进水总氮质量浓度40-75mg.L^-1，CaCO₃碱度质量浓度180-340mg.L^-1，将温度由上一阶段的29-32℃降低至18-23℃，同时增加反应时间，保证总氮去除率在70%以上；当总氮去除率连续3个周期以上超过80%，认为变温度驯化颗粒污泥成功，进入城市生活污水处理阶段；

6）城市生活污水处理启动阶段：采用城市生活污水化粪池出水作为反应器进水，总氮质量浓度50-75mg.L^-1，CaCO₃碱度质量浓度大于350mg.L^-1，COD质量浓度180-350mg.L^-1，反应器温度为室温；调整反应时间使得总氮去除率超过70%，若总氮去除率连续3个周期以上大于80%，下一周期缩短反应时间10-30%；当总氮消耗量与硝酸盐氮生成量比值大于8，且亚硝酸盐氮浓度低于10mg.L^-13个周期以上时，下一周期提高气体上升流速，提高幅度0.3-1.6cm.min^-1；当总氮去除负荷达到0.8kg.m^-3.d^-1以上稳定3个周期以上，颗粒污泥平均粒径超过1000μm时，认为处理城市生活污水的全程自养脱氮颗粒污泥启动成功。

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