CN105189370A - 从废水中生物除氮的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种从废水中生物除氮的方法，包括：(a)提供包括铵的废水流；(b)向含有包括具有厌氧氨氧化细菌的核心和氨氧化细菌的外边缘的颗粒的粒状污泥的反应器中连续地供应废水流；(c)反应器中的废水在铵氧化条件下经过氨氧化得到包括氮气的气体流和粒状污泥和非粒状污泥在处理过的废水中的分散体，铵氧化条件包括5-25℃范围内的温度、在废水中0.4mg/L-4.0mg/L范围内的溶解氧浓度和废水在反应器中0.5小时至1.5天范围内的水力停留时间；和(d)连续地将得到的分散体分离成包括粒状污泥的流和包括处理过的废水和非粒状污泥的流，并将包括粒状污泥的流循环至反应器中和从方法中排出非粒状污泥，其中粒状污泥在反应器中具有至少10倍于水力停留时间的停留时间，和其中任何非粒状污泥在反应器中的停留时间等于水力停留时间或最多是水力停留时间的三倍。
Description
技术领域
本发明涉及在含有包括具有厌氧氨氧化细菌的核心和氨氧化细菌的外边缘的颗粒的粒状污泥的反应器中在低于25℃的温度下从废水中生物除氮的方法。
背景技术
废水的组合硝化和厌氧氨氧化(anammox)的方法在本领域中是已知的且通常用于在中温温度下(即在25-40℃的范围内)富铵废水流的处理。在该方法中，一半铵先通过氨氧化细菌按照下列反应式氧化形成亚硝酸盐：
4NH4 ++3O2→2NH4 ++2NO2 -+4H++2H2O(1)
生成的铵和亚硝酸盐然后通过厌氧氨氧化细菌按照下列反应式转化成双氮气体：
NH4 ++NO2 -→N2+2H2O(2)
已知这两个方法步骤均在单一反应器中进行，其中氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌形成具有厌氧氨氧化细菌的核心和氨氧化细菌的外边缘的紧凑污泥颗粒。该方法例如在J.R.Vázquez-Padín等人，WaterScience&Technology(2011)，第1282-1288页中所描述。
厌氧氨氧化细菌生长速率缓慢，因此废水的组合硝化和厌氧氨氧化主要应用于温度约30℃的废水流。而且在中温温度，氨氧化细菌的最大生长速率大于亚硝酸盐氧化细菌的最大生长速率，因此避免了不想要的亚硝酸盐向硝酸盐的氧化。
然而，如果废水的组合硝化和厌氧氨氧化能够在低温(即低于25℃，优选地在10和20℃之间)下进行将是有利的，因为生活废水通常在该低温下可用。在低温下废水的组合硝化和厌氧氨氧化已经在J.R.Vázquez-Padín等人，WaterScience&Technology(2011)，第1282-1288页中提出，已经研究了在低温下在两单元配置和单一单元配置中用于稀释废水流的组合硝化和厌氧氨氧化的适当的条件。发现在单一反应器中在20℃进行组合硝化和厌氧氨氧化是可能的。反应器具有5.5的高度直径比。在施加的方法条件下，形成具有厌氧氨氧化细菌的核心和氨氧化细菌的外边缘的紧凑污泥颗粒。Vázquez-Padín等人公开的方法在批量模式下运行。
WO2011/110905公开了一种在曝气池中在低氧浓度(小于1.0mg/L的溶解氧)在7和25℃之间的温度下含铵废水的生物净化方法，其中蒸煮器产生的污泥水在高于25℃的温度下的全程自养脱氮(deammonification)形成的剩余污泥被送入曝气池中，以连续地增加曝气池中厌氧氨氧化细菌的量。在WO2011/110905的方法中，部分污泥在曝气池中被循环而没有去除非粒状污泥。
在本领域中需要用于在低温下在工业规模可以进行和用于非稀释废水流的组合硝化和厌氧氨氧化的改进的方法，其中不需要厌氧氨氧化细菌的连续增加。
发明内容
现已发现通过在包括具有厌氧氨氧化细菌和氨氧化细菌的粒状污泥的单一反应器中在粒状污泥的停留时间至少是水力停留时间的十倍，和其中在反应器中形成的任何非粒状污泥的停留时间最多是水力停留时间的三倍和其中水力停留时间在0.5小时到1.5天的范围内的条件下进行组合硝化和厌氧氨氧化方法，所述方法可以在低于25℃的温度下进行，甚至可以在具有相对低的高度直径比的反应器中进行，即使没有厌氧氨氧化细菌的增加。通过将液体反应器流出物分离成包括粒状污泥和没有非粒状污泥或具有很少量非粒状污泥的部分和包括非粒状污泥的部分而得到所述条件，其中粒状污泥的停留时间显著高于水力停留时间，和其中非粒状污泥的停留时间不远高于水力停留时间或类似于水力停留时间。这样的分离可以例如通过使用斜板沉降器和以反应器流出物的相对较高的向上速度操作该沉降器获得。分离的粒状污泥循环至反应器中且非粒状污泥从所述方法中排出。
因此，本发明提供一种从废水中生物除氮的方法，包括：
(a)提供包括铵的废水流；
(b)向含有包括具有厌氧氨氧化细菌的核心和氨氧化细菌的外边缘的颗粒的粒状污泥的反应器中连续地供应所述废水流；
(c)所述反应器中的所述废水在铵氧化条件下经过氨氧化，得到包括氮气的气体流和粒状污泥和非粒状污泥在处理过的废水中的分散体，所述铵氧化条件包括5-25℃范围内的温度、在所述废水中0.4mg/L-4.0mg/L范围内的溶解氧浓度和所述废水在所述反应器中0.5小时至1.5天范围内的水力停留时间；和
(d)连续地将得到的所述分散体分离成包括粒状污泥的流和包括处理过的废水和非粒状污泥的流，并将所述包括粒状污泥的流循环至所述反应器中和从所述方法中排出所述非粒状污泥，
其中所述粒状污泥在所述反应器中具有至少10倍于所述水力停留时间的停留时间，和其中任何非粒状污泥在所述反应器中的所述停留时间等于所述水力停留时间或最多是所述水力停留时间的三倍。
根据本发明的方法的优点为亚硝酸盐氧化细菌和异养氧化菌被选择性地从所述反应器中去除，而具有厌氧氨氧化细菌和氨氧化细菌的粒状污泥的停留时间增加。因此，不想要的亚硝酸盐至硝酸盐的氧化被最小化。而且，亚硝酸盐氧化细菌和异养氧化菌的选择性去除使所述方法在相对较高的溶解氧浓度下进行，这对在硝化步骤中的转化率是有利的。所述方法的另一个优点是任何流入的固体通常从具有非粒状污泥的液体反应器流出物中被分离出来。
优选地，根据本发明的方法在所述反应器中在步骤(c)的高剪切条件下进行。该高剪切的优点在于污泥颗粒上的非粒状(即絮状)生物质的生长被阻止或最小化，并有利于在步骤(d)中粒状污泥和非粒状污泥之间的分离。可选地，在步骤(c)中氨氧化反应器的液体流出物在所述反应器外例如在步骤(c)和(d)之间或在分离步骤(d)中经受剪切。
具体实施方式
在根据本发明的方法中，包括铵的废水流在步骤(a)中被提供。提供的废水流优选地具有低于100mg/L，更优选地在25-75mg/L的范围内的氮含量。废水流含有有机物，表示为生物需氧量(BOD)。BOD在本文中定义为在20℃下经过5天的培养好氧微生物分解每升废水中存在的有机物需要的溶解氧的量(以毫克)。优选地，提供的废水流具有最多100mg/L，更优选地最多70mg/L，再更优选地最多50mg/L的BOD。优选地，提供的废水流具有的BOD和氮含量使得BOD和氮含量的商低于2.0，优选地低于1.5，更优选地在0.5-1.0范围内。
在步骤(b)中，向含有包括具有厌氧氨氧化细菌的核心和氨氧化细菌的外边缘的颗粒的粒状污泥的反应器中连续地供应废水流。
在步骤(c)中，废水然后在反应器中在铵氧化条件下经过氨氧化。铵氧化条件包括5-25℃范围内的温度、在废水中0.4mg/L-4.0mg/L范围内的溶解氧浓度和0.5小时至1.5天范围内的水力停留时间。在这些条件下，部分铵被氨氧化细菌按照反应式(1)氧化成亚硝酸盐，形成的亚硝酸盐与铵反应形成双氮。在这些条件下，通常还生长一些亚硝酸盐氧化细菌，亚硝酸盐氧化细菌将部分亚硝酸盐氧化成硝酸盐，异养细菌将BOD氧化成二氧化碳。在该铵氧化步骤中，得到包括氮气、二氧化碳和氧气的气体流和粒状污泥和非粒状污泥在处理过的废水中的分散体。粒状污泥包括具有厌氧氨氧化细菌的核心和氨氧化细菌的外边缘的颗粒，而亚硝酸盐氧化细菌和异养氧化细菌通常作为非粒状(即絮状)污泥存在。气体流通常与反应器中的液相，任选地通过并入反应器中或只是在反应器的下游的气体/液体分离器分离。气体流从反应器中排出。
在进一步的步骤(d)中，在步骤(c)中得到的粒状污泥和非粒状污泥在处理过的废水中的分散体被连续地分离成包括粒状污泥的流和包括处理过的废水和非粒状污泥的流。由此得到的包括粒状污泥的流优选地不包括或仅包括少量的非粒状污泥，更优选地最多包括基于该流中污泥总重量的5重量％的非粒状污泥，再优选地最多包括1重量％的非粒状污泥，再更优选地最多包括0.5重量％的非粒状污泥。包括粒状污泥的流被循环至反应器中以维持粒状污泥相对较大的停留时间。优选地，包括粒状污泥的全部流被循环至反应器中。
包括处理过的废水和非粒状污泥的流优选地不包括或仅包括少量的粒状污泥。更优选地，该流包括基于该流的总体体积的少于5体积％，更优选地少于1体积％，再优选地少于0.5体积％的粒状污泥。
非粒状污泥从该方法中，任选地在从包括处理过的废水和非粒状污泥的流中被分离出来之后被排出。在这样的分离的情况下，基本上没有非粒状污泥的处理过的废水可以部分地被循环至步骤(c)或用来预处理将在步骤(a)中提供的废水的预处理步骤(例如预沉降步骤)中。
在根据本发明的方法中，步骤(d)中的分离和循环进行为使粒状污泥在反应器中的停留时间至少10倍于水力停留时间，和任何非粒状污泥在反应器中的停留时间等于所述水力停留时间或最多是所述水力停留时间的3倍。优选地，粒状污泥的停留时间是水力停留时间的至少30倍，更优选地至少50倍，再优选地至少100倍。粒状污泥的停留时间可以高达水力停留时间的200倍，或甚至500倍或更多。优选地，粒状污泥的停留时间在10-100天，更优选地在20-80天，再优选地在40-60天的范围内。
任何非粒状污泥在反应器中的停留时间优选地在水力停留时间的1-2倍，更优选地在1.0-1.5倍范围内。最优选地，非粒状污泥的停留时间尽量接近可行的水力停留时间。
为了避免亚硝酸盐氧化细菌和异养氧化细菌在反应器中大量增长，水力停留时间不大于1.5天，优选地不大于1天，更优选地不大于12小时。为了实现充分除氮，水力停留时间至少为0.5小时，优选地至少1小时，更优选地至少2小时。优选地，水力停留时间在1小时到1天的范围内，更优选地在2-12小时的范围内。
本文中提到的水力停留时间指的是反应器中的废水的滞留时间。
对粒状污泥和非粒状污泥期望的停留时间通过在步骤(d)中进行粒状污泥和非粒状污泥间的快速分离来实现以使大部分粒状污泥，优选地至少90％，更优选地至少95％，再优选地至少99％的粒状污泥可以被循环至反应器中，而大部分非粒状污泥，优选地至少90％，更优选地至少95％，再优选地至少99重量％的非粒状污泥被从该方法中排出。
为了进行该快速分离可以使用任何合适的液体/气体分离器。优选地，步骤(d)中的分离采用斜板沉降器进行。斜板沉降器包括大量平行斜板，在平行斜板间液体向上流动。液体中的固体沉降在倾斜的平行板上并滑进位于沉降器底部的容器(如料斗)中。已经发现如果步骤(d)在斜板沉降器上以液体相对较大的向上流动来进行，可以实现粒状污泥和非粒状污泥间的快速分离。因此，优选地步骤(d)包括在包括大量平行斜板的斜板沉降器上分离分散体，其中分散体在斜板间以在3-15m/h，更优选地4-12m/h，再优选地5-9m/h范围内的向上速度流动。
已经发现粒状污泥和非粒状污泥间的分离及对粒状污泥和非粒状污泥期望的停留时间可以通过对污泥颗粒施加剪切进一步提高。该剪切可以在反应器中施加，即在步骤(c)中、在分离步骤(d)中或在步骤(c)和(d)之间，即在分离步骤(d)之前的反应器的液体流出物中施加。优选地，以在50-500s-1的范围内，更优选地在80-300s-1的范围内，再更优选地在100-200s-1的范围内的剪切速率将剪切施加到污泥颗粒上。
在步骤(c)中，例如通过使气体在反应器中优选地在向上流动的方向上流过废水而对颗粒施加剪切。优选地，通过使气体在所述反应器中以在3-20m/h，更优选地在5-15m/h，再优选地在8-12m/h范围内的表观气速流过废水而对污泥颗粒施加剪切。流过废水的气体可以是任何合适的气体流，如空气。应当理解的是供应到反应器中的空气的量被所需要的溶解氧浓度所限制。为了通过使气体在反应器中流过废水而不超出所需的溶解氧浓度来获得期望的剪切，在步骤(c)中得到的气体流的一部分被循环到反应器中以形成流过废水的至少部分气体。
可选地，可以在分离步骤(d)中或更优选地在步骤(c)和(d)之间对污泥颗粒施加剪切。可以例如在步骤(d)中将分散体供应到分离器之前，在步骤(c)和(d)之间通过使气体流过液体反应器流出物(即粒状污泥和非粒状污泥在废水中的分散体)施加剪切。如果在步骤(c)之后施加剪切，这可适当地通过使空气流过分散体来进行，因为溶解氧的量在该方法中的这个阶段不是关键性的。
根据本发明的方法的优点在于在反应器中保持低的亚硝酸盐氧化细菌和异养氧化细菌的浓度。因此，在步骤(c)中在废水中的溶解氧的浓度可以高于在具有较高的亚硝酸盐氧化细菌和异养氧化细菌浓度的方法(例如WO2011/110905)中的溶解氧的浓度。在步骤(c)中的溶解氧的浓度在0.4-4.0mg/L范围内，优选地在0.5-3.5mg/L范围内，更优选地在1.0-3.0mg/L范围内，再优选地在1.2-2.5mg/L范围内。
反应器可以具有任何合适的尺寸，优选地反应器具有低于5，更优选地低于3，再优选地低于1的高度直径比。相对低的高度直径比节约反应器的建造成本且对于任何供应到反应器的空气来说需要较小的压力。
包括铵的废水流可以是铵将被从中去除的任何废水流，例如生活废水或工业废水。在从具有相对较高的BOD/N(例如大于2.0或大于1.0)的废水流中去除氮的情况下，该方法优选地还包括从该流中去除BOD的预处理步骤(例如通过预沉降步骤)，以提供包括铵和具有较低BOD/N的废水。
去除BOD的预沉降在本领域中是已知的且通常包括使废水通过一个或多个盆或沉淀池，其中固体粒子沉降到盆的底部。可以使用任何本领域已知的合适的预沉降方法。固体沉淀物包括相对较大部分的经过预沉降的废水的BOD。在根据本发明的方法中，固体沉淀物(通常称作初级污泥)优选地经过厌氧消化，得到生物气。具有如预处理的BOD去除步骤的其他优点在于密度高于粒状污泥的密度或与粒状污泥的密度相当的废水流中的固体化合物在向铵氧化反应器供给废水流之前也将被去除。
Claims (15)
1.一种从废水中生物除氮的方法，包括：
(a)提供包括铵的废水流；
(b)向含有包括具有厌氧氨氧化细菌的核心和氨氧化细菌的外边缘的颗粒的粒状污泥的反应器中连续地供应所述废水流；
(c)所述反应器中的所述废水在铵氧化条件下经过氨氧化，得到包括氮气的气体流和粒状污泥和非粒状污泥在处理过的废水中的分散体，所述铵氧化条件包括5-25℃范围内的温度、在所述废水中0.4mg/L-4.0mg/L范围内的溶解氧浓度和所述废水在所述反应器中0.5小时至1.5天范围内的水力停留时间；和
(d)连续地将得到的所述分散体分离成包括粒状污泥的流和包括处理过的废水和非粒状污泥的流，并将所述包括粒状污泥的流循环至所述反应器中和从所述方法中排出所述非粒状污泥，
其中所述粒状污泥在所述反应器中具有至少10倍于所述水力停留时间的停留时间，和其中任何非粒状污泥在所述反应器中的所述停留时间等于所述水力停留时间或最多是所述水力停留时间的三倍。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在步骤(a)中提供的所述废水流具有生物需氧量(BOD)和氮含量，其中BOD和氮含量的商低于2。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中任何非粒状污泥的所述停留时间在所述水力停留时间的1-2倍范围内。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中步骤(d)包括在包括大量平行斜板的斜板沉降器中分离所述分散体，其中所述分散体在所述斜板间以3-15m/h范围内的向上速度流动。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述分散体在所述斜板间以4-12m/h范围内的向上速度流动。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在步骤(c)中或在步骤(c)和(d)之间或在步骤(d)中对所述污泥颗粒施加剪切。
7.根据权利要求6所述的方法，其中以50-500s-1范围内的剪切速率施加剪切。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中通过使气体在所述反应器中以3-20m/h范围内的表观气速流过所述废水而对所述污泥颗粒施加所述剪切。
9.根据权利要求8所述的方法，其中气体在所述反应器中以从5-15m/h范围内的表观气速流过所述废水。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中在步骤(c)中得到的气体流被循环到所述反应器中，以形成流过所述废水的至少部分所述气体。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述水力停留时间在从1小时到1天的范围内。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中在步骤(c)中所述溶解氧浓度在1.0-3.0mg/L的范围内。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中所述反应器具有低于5的高度直径比。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中通过从工业或生活废水流中去除BOD而提供包括铵的所述废水流。
15.根据权利要求14所述的方法，其中将从工业或生活废水流中去除的BOD经过厌氧消化，得到生物气。
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