CN104386812A - 基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺，使反应器主体采用絮状污泥接种，通过搅拌提升水力切割力、并加入无机盐从而形成晶核的方式，逐步形成厌氧氨氧化颗粒污泥；反应器采用序批式反应器的运行方式，通过调节排水比的方式实现对含高浓度氨氮进水稀释，以使得反应器内基质浓度在合适的范围内，不造成对厌氧氨氧化的抑制，本发明能迅速从絮状污泥培养出厌氧氨氧化颗粒污泥，并直接接纳高浓度氨氮废水、实现高负荷运行，还具有极强的恢复能力，能在极端基质抑制条件下迅速恢复反应器的活性，实现高负荷稳定运行，本发明还提供了相应的反应装置，节约了占地面积，建设和运行简便，运行稳定高效，极大降低了运行能耗。

Description

基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺及装置

技术领域

本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺及装置。

背景技术

氮素污染会造成水体的富营养化，且随着我国城镇化和工业化的迅速发展，该问题日益严峻并引发了多次公共环境安全事件。为此，近年来国家陆续颁布并实施了新的污水排放标准，其中尤其提高了氨氮的排放要求，并首次对出水总氮进行了限定，同时，氨氮成为了国家“十二五规划”中新的总量控制指标。然而，我国目前还大量存在着如厌氧消化上清液、光电废水等工业废水难以处理的问题，这类废水由于具有高氨氮、低碳氮比的特点，总氮去除尤为困难。

传统的脱氮技术是硝化-反硝化技术。该技术由于需要大量氧气用于硝化作用、大量有机碳源用于反硝化作用，在处理高氨氮、低碳氮比废水的情况下尤为不经济和困难。目前，国际上研究热点开始转向基于厌氧氨氧化的脱氮工艺。厌氧氨氧化菌是一种革兰氏阴性球状菌，其利用氨氮作为电子供体、亚硝酸根作为电子受体，通过氮元素之间的氧化还原反应直接生成氮气，实现能源和碳源的节约。然而，厌氧氨氧化菌生长尤为缓慢，需要在具有较强生物持留能力的反应器中生长。序批式颗粒污泥反应器被广泛认为具有较强的污泥持留能力，并且序批式反应器还具有一体化，建设、操作简单的优点；另一方面，在实际应用中，不稳定的进水情况经常性会造成反应器的波动、从而对反应器形成抑制，因此，反应器的恢复能力也很重要。在这方面，生物膜因为具有厚实的生物结构、从而能够抵抗冲击负荷并迅速恢复，优于序批式反应器，但也同样由于生物膜较厚的原因，使得传质困难，反应器负荷难以提升。

综上所述，现有的厌氧氨氧化反应器各具优势、但同时各有欠缺，为了实现厌氧氨氧化反应器在高负荷、高进水浓度下、长期稳定运行并具有较强的恢复能力，尚需进一步的改进。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺及装置，克服了目前厌氧氨氧化反应器中存在的在高负荷长期运行条件下，抗冲击和稳定性差、恢复能力弱的问题，其脱氮负荷高、长期运行稳定性强，在受到强烈抑制后仍具有很强的恢复能力，从而能实现经济高效脱除总氮。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺，使反应器主体采用絮状污泥接种，通过搅拌提升水力切割力、并加入无机盐从而形成晶核的方式，逐步形成厌氧氨氧化颗粒污泥；反应器采用序批式反应器的运行方式，通过调节排水比的方式实现对含高浓度氨氮进水的稀释，以使得反应器内基质浓度在合适的范围内，不造成对厌氧氨氧化的抑制。

在反应器内壁培养厌氧氨氧化生物膜，进一步提升反应器内污泥浓度，并提高反应器的抗冲击负荷能力及在受到抑制后的恢复能力。

所述无机盐为硫酸镁和氯化钙，以在水溶液中形成硫酸钙微晶体，作为颗粒污泥的核心，逐步长成颗粒污泥。

所述硫酸镁溶解于进水中，浓度为200mg/L，氯化钙溶解于进水中，浓度为300mg/L。

所述含高浓度氨氮进水，其进水浓度控制在650mgN/L，稀释后控制在130mgN/L；基质浓度为1500mgN/L，稀释后浓度控制在300mgN/L。

本发明还提供了一种基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应装置，包括采用低活性絮状厌氧氨氧化污泥接种的反应器3，进水箱1通过进水泵2连接位于反应器3下部的进水口，反应器3中设置搅拌机7，排水口位于反应器3的上部，反应器3通过排水口连接出水泵6，反应器3外层设置有一水浴夹套，水浴夹套的出口连接水浴锅5，水浴锅5通过回流泵4接水浴夹套的回流入口。

所述进水泵2、搅拌机7和出水泵6均连接控制器，控制器控制进水泵2周期性开启向反应器3供水，并在进水泵2启动前30秒控制搅拌机7启动搅拌，以加强传质并对絮状污泥形成水力切割，促进颗粒化，反应完成后，控制搅拌机7停止使得污泥沉淀。

所述搅拌机7的搅拌叶片位于反应器3的下部，以使得反应器3上部内壁生成厌氧氨氧化生物膜8。

与现有技术相比，本发明能迅速从絮状污泥培养出厌氧氨氧化颗粒污泥，并直接接纳高浓度氨氮废水、实现高负荷运行。同时，由于生物膜的存在，复合式反应装置还具有极强的恢复能力，能在极端基质抑制条件下迅速恢复反应器的活性，实现高负荷稳定运行。高负荷复合式厌氧氨氧化反应装置节约了占地面积、建设和运行简便、运行稳定高效、极大降低运行能耗。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

本发明的工艺原理是：反应器主体采用絮状污泥接种，通过搅拌提升水力切割力、并加入无机盐从而形成晶核的方式，逐步形成厌氧氨氧化颗粒污泥；反应器采用序批式反应器的运行方式，通过调节排水比的方式实现对含高浓度氨氮进水合理的稀释，以使得反应器内基质浓度在合适的范围内，不造成对厌氧氨氧化的抑制；进一步地，在反应器的内壁培养厌氧氨氧化生物膜，进一步提升反应器内污泥浓度。

相比于颗粒污泥，生物膜具有较厚的生物结构，从而可以承受冲击负荷，并在反应器受到抑制后发挥较强的恢复作用。颗粒污泥具备高负荷总氮去除能力，生物膜能够抗冲击负荷并发挥恢复作用，两种生物相相辅相成，在序批式方式运行的条件下，可以直接接纳极高浓度的氨氮废水，实现长期稳定的高负荷厌氧氨氧化反应。

本发明基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应装置由配水单元、反应单元和控制单元等部分组成，如图1所示，主要包含进水箱1、进水泵2、反应器3、搅拌机7、出水泵6、回流泵4、水浴锅5等。进水组成为：NH₄CL(浓度50-650mg N/L)，NaNO₂(浓度65-850mg N/L)，KH₂PO₄(浓度15mgP/L)，CaCL₂(浓度300mg/L)，MgSO₄·7H₂O(浓度200mg/L)，NaHCO₃(浓度400-800mg/L)，微量元素溶液I 1mL/L，微量元素溶液II 0.5mL/L。微量元素I主要包括硫酸亚铁8.5g/L和EDTA钠盐5g/L。微量元素II主要包括EDTA钠盐15g/L、氯化锰0.99g/L、硫酸铜0.24g/L、氯化锌0.26g/L和氯化镍0.18g/L。

进水从下方周期性进入反应器3进行反应。在反应过程中，搅拌机7不断进行搅拌以加强传质、并对絮状污泥形成水力切割，促进其颗粒化，形成颗粒污泥9。反应完毕后，搅拌机7停止动作使得污泥沉淀，上清液经由排水管排出至排水桶，开始下一个周期。反应器3中设置水浴夹套，水浴夹套里面的水排入水浴锅5，经由蠕动泵4再重新泵回水浴夹套形成水浴循环，为反应器3中的反应环境提供温度条件。

反应器3由低活性絮状厌氧氨氧化污泥接种，由于进水中大量存在无机离子，这些无机离子沉淀形成小的晶核；同时由于搅拌作用形成的水力负荷，厌氧氨氧化颗粒污泥逐步在反应器3中形成。同时，厌氧氨氧化生物膜8也在反应器3的内壁开始附着，并能达到5mm的厚度。反应器3经过200余天的运行，进水总氮浓度达到了1500mg/L，反应器3的容积负荷稳定在20.30kg N m-3d-1，总氮去除率达到89％(厌氧氨氧化理论最高总氮去除率)。同时，抑制试验表明，反应器3在亚硝氮浓度高达650mg/L的情况下(抑制持续3小时)，能在抑制解除之后立即恢复10％的活性、3天内恢复全部活性。抑制持续72小时的情况下，颗粒污泥发生了解体，但生物膜8由于具有很强的抗冲击能力存活了下来，并在后续的长期运行过程中，促使颗粒污泥的恢复。

为对上述工艺进行验证，提供实施例如下：

将模拟废水贮存于进水桶中，每天更新一次以免进水水质发生改变。进水从进水箱1，经由进水泵2泵入反应器3中，进行反应。在每次进水泵2启动之前30秒，反应器3的搅拌机7开始动作，将反应器3中沉淀状态的污泥重新悬浮起来，使得反应器3中实现均一状态，以免高浓度的进水泵入反应器3后，因传质不均造成局部抑制作用。进水完毕后，搅拌机7继续工作直到反应结束。反应结束后，搅拌机7停止工作，颗粒污泥开始沉降，而上面的生物膜8附着在内壁无需沉降。沉降完毕后，排水系统动作、上清液经由排水泵排出，反应周期结束。根据反应器3运行情况，可调节进水桶中进水水质和每个反应周期的运行时间，从而调节反应器3的体积负荷。同时，通过控制合理的搅拌速度，可以实现反应器内均匀的传质和促进颗粒污泥的形成。反应器3的颗粒污泥相和生物膜相之间还存在着强烈的共同促进的关系：生物膜8周期性的脱落提高了颗粒污泥相的污泥浓度，而颗粒污泥9不断吸附到生物膜8上又促进了生物膜8的再生。采用的序批式运行方式，实现了两种生物相的有效持留、并且对高浓度的进水起到了很好的稀释效果，使得厌氧氨氧化反应不受抑制。

Claims (8)

1.一种基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺，其特征在于，使反应器主体采用絮状污泥接种，通过搅拌提升水力切割力、并加入无机盐从而形成晶核的方式，逐步形成厌氧氨氧化颗粒污泥；反应器采用序批式反应器的运行方式，通过调节排水比的方式实现对含高浓度氨氮进水稀释，以使得反应器内基质浓度在合适的范围内，不造成对厌氧氨氧化的抑制。

2.根据权利要求1所述的基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺，其特征在于，在反应器内壁培养厌氧氨氧化生物膜，进一步提升反应器内污泥浓度。

3.根据权利要求1所述的基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺，其特征在于，所述无机盐为硫酸镁和氯化钙，以在水溶液中形成硫酸钙微晶体，作为颗粒污泥的核心，逐步长成颗粒污泥。

4.根据权利要求3所述的基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺，其特征在于，所述硫酸镁溶解于进水中，浓度为200mg/L，氯化钙溶解于进水中，浓度为300mg/L。

5.根据权利要求1所述的基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺，其特征在于，所述含高浓度氨氮进水浓度控制在650mgN/L，稀释后控制在130mgN/L；基质浓度为1500mgN/L，稀释后浓度控制在300mgN/L。

6.一种基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应装置，其特征在于，包括采用低活性絮状厌氧氨氧化污泥接种的反应器(3)，进水箱(1)通过进水泵(2)连接位于反应器(3)下部的进水口，反应器(3)中设置搅拌机(7)，反应器(3)中设置出水泵(6)，位于反应器(3)上部设置有排水口，反应器(3)中设置有一水浴夹套，水浴夹套的出口连接水浴锅(5)，水浴锅(5)通过回流泵(4)接水浴夹套的回流入口。

7.根据权利要求6所述的基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应装置，其特征在于，所述进水泵(2)、搅拌机(7)和出水泵(6)均连接控制器，控制器控制进水泵(2)周期性开启向反应器(3)供水，并在进水泵(2)启动前30秒控制搅拌机(7)启动搅拌，以加强传质并对絮状污泥形成水力切割，促进颗粒化，反应完成后，控制搅拌机(7)停止使得污泥沉淀。

8.根据权利要求6所述的基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应装置，其特征在于，所述搅拌机(7)的搅拌叶片位于反应器(3)的下部，以使得反应器(3)上部内壁生成厌氧氨氧化生物膜(8)。