CN105254011A - 一种快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器及快速启动方法 - Google Patents
一种快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器及快速启动方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器及快速启动方法，该反应器内底部铺设有砾石层，在砾石层上方设置有带孔的下隔板，在下隔板上设置有填料层，填料层内部有空隙，填料层的孔隙率为0.6～0.8，填料层的厚度为反应器高度的2/5～1/2，填料层的顶部设置有带孔的上隔板。本发明的反应器能够实现好氧区与厌氧区的分离，快速启动同步硝化、厌氧氨氧化反应，能够高效处理含氮废水。本发明中反应器可以将污泥附着在填料上固定于反应器下层，可防止污泥流失，有效实现好氧层与厌氧层的分区，可有效缩短厌氧氨氧化耦合亚硝化工艺的启动时间，并且简化了工艺流程，操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器及快速启动方法，属于废水生物处理领域。
背景技术
传统的硝化-反硝化脱氮方法已经很难满足目前高氨氮废水的处理要求。厌氧氨氧化工艺作为一种廉价、高效的一种新型脱氮工艺，尤其适用于高氨氮废水处理领域。厌氧氨氧化是指在厌氧的条件下将NH4 +-N和NO2 --N转化为N2的过程，在此反应过程中不需要有机物和氧气的参与，使得其脱氮成本大幅降低。其反应式为：
NH4 ++1.32NO2 -+0.06HCO3 -+0.13H+→1.02N2+0.26NO3 -+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O(1)，因此厌氧氨氧化工艺的高效廉价性得到人们广泛的关注。
厌氧氨氧化(ANAMMOX)技术在废水生物脱氮方面表现出许多优于传统硝化-反硝化生物脱氮工艺的特点，在该领域具有很好的应用前景。但由ANAMMOX反应本身可以看出，其反应物为NH4 +和NO2 -，而实际废水中的氮素多以有机氮和氨氮形态存在，很少有亚硝态氮。针对这一问题，研究者开发出了不同的基于厌氧氨氧化技术的生物脱氮工艺，如亚硝化-厌氧氨氧化工艺、完全自养生物脱氮工艺以及突破以NO2 -作为电子受体的硫酸型厌氧氨氧化工艺。这些新型工艺的研究与应用将有力促进ANAMMOX技术在水处理领域的工程化应用，实现污水的低能耗处理。
然而，厌氧氨氧化菌的世代周期长，生长缓慢，严重限制了其应用与发展。序批式活性污泥反应器(SBR)操作简单，但污泥流失比较严重。如何防止污泥流失，以及控制溶解氧含量，快速启动硝化-厌氧氨氧化反应成为我们研究的重点。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明涉及一种快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器，利用本发明中的反应器将污泥附着在下层填料上，实现好氧区与厌氧区的分离，快速启动同步硝化、厌氧氨氧化反应，进行高效处理含氮废水。本发明反应器的聚乙烯填料使微生物固着在填料上生长，具有稳定的生态条件，易于生长繁殖，固体停留时间与水力停留时间相分离，能够存活世代时间较长的微生物，如硝化菌与厌氧氨氧化菌等，具有较高的脱氮能力。
本发明的技术方案如下：
一种快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器，包括长柱形的反应器，在反应器的底部设置有进水口，侧壁上部设置有出水口，其特征在于，在反应器内底部铺设有砾石层，砾石层的厚度为3～5cm，在砾石层上方设置有带孔的下隔板，在下隔板上设置有填料层，填料层内部有空隙，填料层的孔隙率为0.6～0.8，填料层的厚度为反应器高度的2/5～1/2，填料层的顶部设置有带孔的上隔板，在填料层的上部设置有曝气反应器。
本发明优选的，砾石层中砾石平均直径为2～8mm，在砾石层中铺设有进水管，进水管与进水口连接。
本发明优选的，所述的填料层是由若干内部带孔的聚乙烯填料颗粒堆积形成，聚乙烯填料颗粒的比表面积：680～710m2/m3。
进一步优选的，聚乙烯填料颗粒包括圆环形的壳体，整体呈圆柱形，壳体内设置有十字交叉的隔板，壳体的外圆周面上均布有凸起的翅片，所述圆柱形的高度：8～12mm，直径：6～10mm。
本发明优选的，所述的反应器包括上反应器和下反应器，上反应器与下反应器通过螺栓密封扣合在一起，上隔板设置在上反应器与下反应器之间。
本发明优选的，所述的进水口外接回流泵，回流泵通过管路与反应器的上部连接，将水从反应器的上部回流至反应器内。
本发明砾石层的设置使待处理污水与污泥充分接触，聚乙烯填料颗粒有利于污泥充分附着，以及处理废水与污泥的充分接触，同时避免污泥的流失。
本发明的反应器采用带小孔的上隔板和下隔板将反应器分为两个反应区，下层污泥区与上层曝气区，通过回流，使上下层水质混合均匀。
利用上述反应器快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的方法，包括步骤如下：
(1)将污泥投加至快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器的填料层区内，所述的污泥为亚硝化污泥与厌氧氨氧化污泥的混合污泥；
(2)向已投加污泥的填料层区内投加聚乙烯填料颗粒形成填料层，填料层的孔隙率为0.6～0.8，填料层的厚度为反应器高度的2/5～1/2，将聚乙烯填料颗粒与污泥搅拌混合均匀，使得污泥均匀覆盖在填料颗粒上，聚乙烯填料颗粒充满整个填料层区，上隔板将填料层固定；
(3)从反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，根据反应器的体积调节蠕动泵转速以控制进水流速，使待处理污水在反应器内水力停留时间为6～60小时，通入待处理废水后的填料层区内污泥浓度为4000～9000mg/L，同时采用加热带或恒温循环水浴反应器使反应器内部温度维持在30～35度，并利用在线溶解氧仪严格控制DO在0.3-1mg/L，调节pH保持在7.0-7.8；
(4)反应器运行50～110天后成功启动污泥厌氧氨氧化耦合亚硝化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入稳定阶段，稳定运行期间总氮去除负荷达到610±20mgN/L/d以上。
本发明优选的，通入待处理废水后，会有少部分污泥流出，并利用蠕动泵对反应器上层液体进行回流至填料层区内，回流速率与进水速率的比值：15～22；启动阶段初始进水中氨氮浓度为90～150mgN/L，并且每天测定一次氮化合物浓度，启动阶段保持回流。
本发明优选的，所述的亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥的混合污泥中亚硝化污泥与厌氧氨氧化污泥的重量比为1：(1-2)。
本发明优选的，所述亚硝化污泥为亚硝化反应生产过剩或废弃的污泥和出水污泥制得，将亚硝化反应器中的剩余污泥和出水污泥收集，充分曝气保持其活性。
本发明的污泥含水率大于等于98wt％。
亚硝化又叫部分硝化。硝化作用分两个阶段：第一阶段为亚硝化，即铵根(NH4 +)氧化为亚硝酸根(NO2 -)的阶段。第二阶段为亚硝酸根氧化，即亚硝酸根(NO2 -)氧化为硝酸根(NO3 -)的阶段。
本发明优选的，所述厌氧氨氧化污泥为厌氧氨氧化反应器生产过剩或废弃的污泥和/或出水污泥制得，将厌氧氨氧化反应器生产过剩或废弃的颗粒污泥和/或出水污泥收集，以干净且密闭性好的玻璃瓶作为保存容器，需要保存的污泥体积与保存容器的容积比为1:2～4，在3～4℃下密封保存备用，厌氧氨氧化污泥颜色为棕红色或棕黄色。
本发明优选的，步骤(4)中利用NaHCO3调节pH。
本发明优选的，反应器为立式圆柱形，反应区分两层，污泥附着在聚乙烯填料上，有效容积为10L～500m3，待处理污水在序批式生物过滤颗粒反应器内水力停留时间为60～60小时。
本发明实现快速启动亚硝化耦合厌氧氨氧化工艺，根据硝化菌和厌氧氨氧化菌需氧量的不同，设计DO值为0.3-1mg/L，利用在线溶解氧仪严格控制溶解氧量。
本发明的装置以及运行方式增加了系统的抗冲击负荷能力。当底物浓度序批式增加时，细菌的酶活性增加，加之氧浓度梯度的交替变化，系统微生物具有较高的代谢活性，更容易克服进水浓度和组分变化带来的影响。
本发明反应器的曝气装置安装在上层区，通过回流，可使得填料区内溶解氧从下往上递减，硝化菌偏向于在填料层下部生长，而厌氧氨氧化菌偏向于在填料层上部生长；污泥附着在聚乙烯填料颗粒外表面上，形成一层生物膜，膜外层溶解氧高，易于生长硝化菌，而膜内部形成厌氧环境，易于生长厌氧氨氧化菌，厌氧菌生长于生物膜内部，好氧菌生长于生物膜外部，严格控制溶解氧在0.3-0.5范围内，使得两种菌共存，并厌氧氨氧化耦合亚硝化反应快速启动，本发明的反应器为同时为硝化菌和厌氧氨氧化菌提供了生长的微环境，具有稳定的生态条件，易于生长繁殖，固体停留时间与水力停留时间相分离。
本发明具有如下优点：
(1)本发明的反应器能够实现好氧区与厌氧区的分离，快速启动同步硝化、厌氧氨氧化反应，能够高效处理含氮废水。本发明中反应器可以将污泥附着在填料上固定于反应器下层，可防止污泥流失，有效实现好氧层与厌氧层的分区。
(2)本发明所述的序批式生物反应器能够使得微生物固着在填料上生长，具有稳定的生态条件，易于生长繁殖，固体停留时间与水力停留时间相分离，能够存活世代时间较长的微生物，如硝化菌与厌氧氨氧化菌等，具有较高的脱氮能力。
(3)本发明所述的方法反应条件温和，在常温常压下就可以进行；且生成物无有毒有害物质，对环境安全无害；
(4)本发明可以经济、高效的处理高氨氮废水。
附图说明
图1为快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器的结构示意图；
其中，1、反应器，2、进水口，3、出水口，4、填料层，5、砾石层，6、聚乙烯填料颗粒，7、下隔板，8、上隔板，9、固定螺栓。
图2为本发明实施例5驯化过程中氨氮浓度的变化曲线图。
具体实施方式
以下结合说明书附图以及实施例对本发明做进一步说明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方法中所描述的范围。
实施例中使用的蠕动泵购自保定兰格恒流泵有限公司，型号是BT100-2J。
曝气所用高纯氮气购自济南德洋特种气体有限公司，规格为99.999％。空气压缩机为常规市购设备。
加热棒、进出水管、导气管均为常规市购设备。
实施例1
一种快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器，结构如图1所示，包括长柱形的反应器1，在反应器的底部设置有进水口2，侧壁上部设置有出水口3，在反应器内底部铺设有砾石层，砾石层的厚度为3cm，砾石层中砾石平均直径为5mm，在砾石层中铺设有进水管，进水管与进水口连接，在砾石层上方设置有带孔的下隔板7，在下隔板上设置有填料层4，填料层内部有空隙，填料层的孔隙率为0.7，填料层的厚度为反应器高度的1/2，填料层的顶部设置有带孔的上隔板8，在填料层的上部设置有曝气反应器。填料层是由若干内部带孔的聚乙烯填料颗粒6堆积形成，聚乙烯填料颗粒6的比表面积：680～710m2/m3。聚乙烯填料颗粒6包括圆环形的壳体，整体呈圆柱形，壳体内设置有十字交叉的隔板，壳体的外圆周面上均布有凸起的翅片，所述圆柱形的高度：10mm，直径：8mm。
反应器1包括上反应器和下反应器，上反应器与下反应器通过固定螺栓9密封扣合在一起，上隔板设置在上反应器与下反应器之间。
进水口2外接回流泵，回流泵通过管路与反应器的上部连接，将水从反应器的上部回流至反应器内。
实施例2
利用实施例1的反应器快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的方法，包括步骤如下：
(1)将1.5L活性污泥，投加至实施例1的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器的填料层区内，所述反应器的有效容积为5L，底部铺有厚度为3cm的直径为5mm的砾石层，进水管铺置在砾石层中；活性污泥为取自济南市光大水务排出的污泥经过滤、筛选、前期培养后制得，通过过滤、筛选去除污泥中的树叶、废弃纸张、废弃塑料等杂质，然后将污泥投加至序批式生物反应器的下层反应区内。
(2)向已投加污泥的填料层区内投加聚乙烯填料颗粒形成填料层，填料层的孔隙率为0.7，填料层的厚度为反应器高度的1/2，将聚乙烯填料颗粒与污泥搅拌混合均匀，使得污泥均匀覆盖在填料颗粒上，聚乙烯填料颗粒充满整个填料层区，用上隔板将填料层固定；
(3)从反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，根据反应器的体积调节蠕动泵转速以控制进水流速，控制进水流速为0.10L/h，使待处理污水在反应器内水力停留时间为48小时，通入待处理废水后的填料层区内污泥浓度为6000mg/L，反应器上层基本无污泥。同时采用加热带使反应器内部温度维持在32℃，并利用在线溶解氧仪严格控制DO在0.6mg/L，调节pH保持在7.3；
(4)序批式生物反应器运行105天后成功启动污泥厌氧氨氧化耦合亚硝化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入稳定阶段。稳定运行期间总氮去除负荷达到220±10mgN/L/d。
实施例3
利用实施例1的反应器快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的方法，包括步骤如下：
(1)将1.5L厌氧颗粒污泥，投加至实施例1的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器的填料层区内，所述反应器的有效容积为5L，底部铺有厚度为3cm的直径为5mm的砾石层，进水管铺置在砾石层中；厌氧颗粒污泥为取自淄博一造纸厂排出的污泥，污泥投加至序批式生物反应器的下层反应区内。
(2)向已投加污泥的填料层区内投加聚乙烯填料颗粒形成填料层，填料层的孔隙率为0.7，填料层的厚度为反应器高度的1/2，将聚乙烯填料颗粒与污泥搅拌混合均匀，使得污泥均匀覆盖在填料颗粒上，聚乙烯填料颗粒充满整个填料层区，用上隔板将填料层固定；
(3)从反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，根据反应器的体积调节蠕动泵转速以控制进水流速，控制进水流速为0.10L/h，使待处理污水在反应器内水力停留时间为48小时，通入待处理废水后的填料层区内污泥浓度为6000mg/L，反应器上层基本无污泥。同时采用加热带使反应器内部温度维持在35℃，并利用在线溶解氧仪严格控制DO在0.8mg/L，调节pH保持在7.5；
(4)序批式生物反应器运行96天后成功启动污泥厌氧氨氧化耦合亚硝化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入稳定阶段。稳定运行期间总氮去除负荷达到320±25mgN/L/d。
实施例4
利用实施例1的反应器快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的方法，包括步骤如下：
(1)将1.5L厌氧氨氧化污泥，投加至实施例1的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器的填料层区内，所述反应器的有效容积为5L，底部铺有厚度为3cm的直径为5mm的砾石层，进水管铺置在砾石层中；厌氧氨氧化污泥取自实验室反应器生产废弃的污泥制得，将厌氧氨氧化反应器生产废弃的污泥收集，以干净且密闭性良好的玻璃瓶作为保存容器，厌氧氨氧化污泥颜色为棕红色或者棕黄色。
(2)向已投加污泥的填料层区内投加聚乙烯填料颗粒形成填料层，填料层的孔隙率为0.7，填料层的厚度为反应器高度的1/2，将聚乙烯填料颗粒与污泥搅拌混合均匀，使得污泥均匀覆盖在填料颗粒上，聚乙烯填料颗粒充满整个填料层区，用上隔板将填料层固定；
(3)从反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，根据反应器的体积调节蠕动泵转速以控制进水流速，控制进水流速为0.10L/h，使待处理污水在反应器内水力停留时间为48小时，通入待处理废水后的填料层区内污泥浓度为6000mg/L，反应器上层基本无污泥。同时采用加热带使反应器内部温度维持在33℃，并利用在线溶解氧仪严格控制DO在0.5mg/L，调节pH保持在7.6；
(4)序批式生物反应器运行90天后成功启动污泥厌氧氨氧化耦合亚硝化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入稳定阶段。稳定运行期间总氮去除负荷达到480±15mgN/L/d。
实施例5
利用实施例1的反应器快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的方法，包括步骤如下：
(1)将0.5L亚硝化污泥和1L厌氧氨氧化污泥混合，投加至实施例1的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器的填料层区内，所述反应器的有效容积为5L，底部铺有厚度为3cm的直径为5mm的砾石层，进水管铺置在砾石层中；厌氧氨氧化污泥取自实验室反应器生产废弃的污泥制得，将厌氧氨氧化反应器生产废弃的污泥收集，以干净且密闭性良好的玻璃瓶作为保存容器，厌氧氨氧化污泥颜色为棕红色或者棕黄色。
(2)向已投加污泥的填料层区内投加聚乙烯填料颗粒形成填料层，填料层的孔隙率为0.7，填料层的厚度为反应器高度的1/2，将聚乙烯填料颗粒与污泥搅拌混合均匀，使得污泥均匀覆盖在填料颗粒上，聚乙烯填料颗粒充满整个填料层区，用上隔板将填料层固定；
(3)从反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，根据反应器的体积调节蠕动泵转速以控制进水流速，控制进水流速为0.10L/h，使待处理污水在反应器内水力停留时间为48小时，通入待处理废水后的填料层区内污泥浓度为6000mg/L，反应器上层基本无污泥。同时采用加热带使反应器内部温度维持在32℃，并利用在线溶解氧仪严格控制DO在0.3mg/L，调节pH保持在7.4；
(4)序批式生物反应器运行50天后成功启动污泥厌氧氨氧化耦合亚硝化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入稳定阶段。稳定运行期间总氮去除负荷达到610±20mgN/L/d。
本实施例驯化过程中氨氮浓度的变化如图2所示。
对比例1
一种启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的方法，同实施例1，不同之处在于：
上述反应在普通升流式厌氧反应器内进行，其他条件同实施例2。
该反应器运行1年后成功启动硝化-反硝化-厌氧氨氧化同步反应。
结果分析：由实施例2-5与对比例1的成功启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应时间相比，在相同条件下，采用普通升流式厌氧反应器需要348天才能启动，稳定运行期间总氮去除负荷达为150±10mgN/L/d，分析可得厌氧菌生长于污泥颗粒内部，好氧菌生长于污泥颗粒外部，且运行条件苛刻，对溶解氧的要求很高，必须严格控制在0.3-0.5范围内，才能使得两种菌共存。
Claims (10)
1.一种快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器，包括长柱形的反应器，在反应器的底部设置有进水口，侧壁上部设置有出水口，其特征在于，在反应器内底部铺设有砾石层，砾石层的厚度为3～5cm，在砾石层上方设置有带孔的下隔板，在下隔板上设置有填料层，填料层内部有空隙，填料层的孔隙率为0.6～0.8，填料层的厚度为反应器高度的2/5～1/2，填料层的顶部设置有带孔的上隔板，在填料层的上部设置有曝气反应器。
2.根据权利要求1所述的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器，其特征在于，砾石层中砾石平均直径为2～8mm，在砾石层中铺设有进水管，进水管与进水口连接。
3.根据权利要求1所述的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器，其特征在于，所述的填料层是由若干内部带孔的聚乙烯填料颗粒堆积形成，聚乙烯填料颗粒的比表面积：680～710m2/m3。
4.根据权利要求3所述的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器，其特征在于，聚乙烯填料颗粒包括圆环形的壳体，整体呈圆柱形，壳体内设置有十字交叉的隔板，壳体的外圆周面上均布有凸起的翅片，所述圆柱形的高度：8～12mm，直径：6～10mm。
5.根据权利要求1所述的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器，其特征在于，所述的反应器包括上反应器和下反应器，上反应器与下反应器通过螺栓密封扣合在一起，上隔板设置在上反应器与下反应器之间。
6.根据权利要求1所述的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器，其特征在于，所述的进水口外接回流泵，回流泵通过管路与反应器的上部连接，将水从反应器的上部回流至反应器内。
7.利用权利要求1所述的反应器快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的方法，包括步骤如下：
(1)将污泥投加至快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的反应器的填料层区内，所述的污泥为亚硝化污泥与厌氧氨氧化污泥的混合污泥；
(2)向已投加污泥的填料层区内投加聚乙烯填料颗粒形成填料层，填料层的孔隙率为0.6～0.8，填料层的厚度为反应器高度的2/5～1/2，将聚乙烯填料颗粒与污泥搅拌混合均匀，使得污泥均匀覆盖在填料颗粒上，聚乙烯填料颗粒充满整个填料层区，上隔板将填料层固定；
(3)从反应器的底部利用蠕动泵通入待处理废水，根据反应器的体积调节蠕动泵转速以控制进水流速，使待处理污水在反应器内水力停留时间为6～60小时，通入待处理废水后的填料层区内污泥浓度为4000～9000mg/L，同时采用加热带或恒温循环水浴反应器使反应器内部温度维持在30～35度，并利用在线溶解氧仪严格控制DO在0.3-1mg/L，调节pH保持在7.0-7.8；
(4)反应器运行50～110天后成功启动污泥厌氧氨氧化耦合亚硝化反应，实现对污水中的氮素的高效脱除，然后进入稳定阶段，稳定运行期间总氮去除负荷达到610±20mgN/L/d以上。
8.根据权利要求7所述的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的方法，其特征在于，通入待处理废水后，会有少部分污泥流出，并利用蠕动泵对反应器上层液体进行回流至填料层区内，回流速率与进水速率的比值：15～22；启动阶段初始进水中氨氮浓度为90～150mgN/L，并且每天测定一次氮化合物浓度，启动阶段保持回流。
9.根据权利要求7所述的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的方法，其特征在于，所述的亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥的混合污泥中亚硝化污泥与厌氧氨氧化污泥的重量比为1：(1-2)。
10.根据权利要求7所述的快速启动厌氧氨氧化耦合亚硝化反应的方法，其特征在于，步骤(4)中利用NaHCO3调节pH。
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