CN105906042B - 一种适用于厌氧氨氧化反应的严格厌氧反应装置与运行方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于厌氧氨氧化反应的严格厌氧反应装置与运行方法涉及污水处理领域，针对厌氧氨氧化(Anammox)反应的严格厌氧式的反应装置以及运行方法。装置包括严格厌氧反应器、中间水箱、温控探头、电导率探头、集气瓶、蠕动泵、三通阀门Ⅰ、三通阀门Ⅱ、三通阀门Ⅲ、加热磁力搅拌器、磁力转子。厌氧氨氧化反应中常因进气带入一定量的溶解氧使好氧菌增长，反应受到抑制甚至遭到破坏。所述的运行方法是通过中间水箱向严格厌氧反应器中进水排水，使反应处于完全不受溶解氧抑制的严格厌氧环境，在此条件下厌氧氨氧化菌能够更高效的富集纯化，同时，通过电导率探头实时监控电导率的变化，判断反应的进程，及时进水排水提高运行效率。

Description

一种适用于厌氧氨氧化反应的严格厌氧反应装置与运行方法

技术领域

本发明涉及一种适用于厌氧氨氧化反应的严格厌氧反应装置与运行方法，属于污水生物处理领域。

背景技术

近年来，随着城市的快速发展，工业、农业以及生活污水中氮元素的含量逐渐增大。大量含氮的废水直接排入自然水体从而导致水污染的日益严重，蓝藻、赤潮等现象频频出现，因此如何处理水中氮元素的问题已成为人们研究的热点。传统生物脱氮方法为硝化—反硝化工艺，通过硝化菌在好氧条件下将氨氮氧化为硝态氮，通过反硝化菌在缺氧条件下将硝态氮还原为氮气。此工艺能够对废水有一定的处理效果，但也有很多缺陷，需要为硝化过程提供好氧环境，在反硝化时需要投加外碳源将硝态氮还原为氮气。曝气提高了工艺的能耗、外加碳源的投加提高了工艺的成本。

随着研究的不断深入，厌氧氨氧化脱氮工艺作为一种新工艺进入人们的视线，它的出现很好的解决了传统脱氮工艺存在的问题。作为脱氮新途径，厌氧氨氧化的反应方程式为：NH₄ ⁺+1.32NO₂ ^-+0.066HCO₃ ^-+0.13H⁺→1.02N₂+0.26NO₃ ^-+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O，厌氧氨氧化菌在厌氧条件下以NH₄ ⁺-N为电子供体，NO₂ ^--N为电子受体将污水中的N元素转化成氮气，从而实现脱氮的目的。与传统的硝化-反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺无需外加碳源、无需曝气耗能、产泥量少等显著优点使其具有良好的应用前景。但自身的限制条件也影响了它的广泛应用：厌氧氨氧化菌污泥龄长，传统工艺的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌的世代时间约为5-8天，而厌氧氨氧化菌的世代时间则长达11天以上。厌氧氨氧化反应要在厌氧条件下进行，一定浓度的溶解氧将会使厌氧氨氧化菌活性受到抑制甚至受损，从而影响出水水质，使出水难以达到排放标准。因此，如何保证厌氧氨氧化反应在厌氧环境中进行且不受到溶解氧的影响，使厌氧氨氧化菌有效地富集成为此工艺的重难点。为了解决上述难点，本发明针对厌氧氨氧化反应设计了严格厌氧的反应器以及运行方法，使厌氧氨氧化反应处于最佳的厌氧条件，不受溶解氧的影响，从而实现厌氧氨氧化菌的富集和纯化，达到高效脱氮的目的。

发明内容

本发明为解决溶解氧对厌氧氨氧化反应的抑制、厌氧氨氧化菌难以富集纯化的问题，为其提供一个严格厌氧的生长环境，从而实现富集纯化的目的。

一种适用于厌氧氨氧化反应的严格厌氧反应装置，其特征在于：

该装置包括严格厌氧反应器10、中间水箱5、温控探头1、电导率探头2、集气瓶3、蠕动泵4、三通阀门Ⅰ6、三通阀门Ⅱ7、三通阀门Ⅲ8、加热磁力搅拌器9、磁力转子11；其特征在于：将磁力转子11加入严格厌氧反应器10中并置于加热磁力搅拌器9上，插上温控探头1、电导率探头2、集气瓶3通过集气管与严格厌氧反应器10相连，中间安装三通阀门Ⅲ8，严格厌氧反应器10通过橡胶管与蠕动泵4连接，接入三通阀门Ⅱ7，橡胶管一端插入严格厌氧反应器10，橡胶管另一端插入中间水箱5底部，严格厌氧反应器10与中间水箱5用橡胶管相连，橡胶管中间连接三通阀门Ⅰ6形成回路；严格厌氧反应器10与中间水箱5以及集气瓶3相连通且与外界隔绝，形成一个封闭式的系统。

2.应用所述的严格厌氧反应装置的运行方式，特征在于：

①系统启动阶段：将污泥浓度为3000±100mg/L的厌氧氨氧化反应泥加入严格厌氧反应器10，进行污泥接种；利用盐酸调节pH为7.5，控制温度为35℃；通过氮气瓶向严格厌氧反应器10中通氮气，除去污泥中的溶解氧；将严格厌氧反应器10放在加热磁力搅拌器9上并放入磁力转子11，完成反应器系统的启动污泥的接种；

②严格厌氧装置的运行步骤：进水连通三通阀门Ⅱ7通过蠕动泵4打入中间水箱5，中间水箱5内的气体通过三通阀门Ⅰ6排出；进完水后将氮气瓶与三通阀门Ⅰ6相接，向中间水箱5内曝氮气，保证进水中的溶解氧被完全去除，废气从三通阀门Ⅰ6排出；此后通过三通阀门Ⅰ6、三通阀门Ⅱ7将严格厌氧反应器10、中间水箱5相连通，通过蠕动泵4将中间水箱5内已除氧基质的进水打入严格厌氧反应器10中进行厌氧氨氧化反应；在厌氧氨氧化反应过程中，严格厌氧反应器10与中间水箱5以及集气瓶3相连通且与外界隔绝，形成一个封闭式的系统，集气瓶3用于收集反应所产生的氮气；当反应结束，电导率波动范围不超过100μS/cm。

更为具体的：

在运行反应装置之前，首先要向反应器中接种启动泥。将污泥浓度为3000±100mg/L的厌氧氨氧化反应泥加入严格厌氧反应器中。将氮气瓶通过三通阀门Ⅰ与严格厌氧反应器相连，关闭三通阀门Ⅱ，转动三通阀门Ⅲ使严格厌氧反应器与大气相通。打开氮气瓶，向严格厌氧反应器中通氮气，除去接种污泥中的氧基质，废气通过三通阀门Ⅲ排出。转动三通阀门Ⅲ使集气瓶与严格厌氧反应器相连接，收集反应产生的氮气，关闭三通阀门ⅠⅡ防止进空气。将严格厌氧反应器放在加热磁力搅拌器上并放入转子，完成反应器系统启动污泥的接种。

3.严格厌氧反应装置运行的具体操作步骤是：

①通过三通阀门Ⅱ将进水打入中间水箱，打开三通阀门Ⅰ使中间水箱与空气相通，开蠕动泵向右转，调整转速，进水到达中间水箱体积的4/5时，关停蠕动泵，关闭三通阀门Ⅱ。在三通阀门Ⅰ上接氮气瓶，连通氮气瓶与中间水箱，往中间水箱中曝氮气5min，去除氧基质。

②转动三通阀门Ⅰ和三通阀门Ⅱ将严格厌氧反应器与中间水箱连通，使严格厌氧反应器与中间水箱成为气体相通的一体。开启蠕动泵，泵向左转，中间水箱内的配水进入严格厌氧反应器，5min后进水完成，关闭三通阀门Ⅰ、Ⅱ。厌氧氨氧化菌在严格厌氧反应器内得到反应基质开始发生厌氧氨氧化反应。

③厌氧氨氧化反应进行时，严格厌氧反应器上的电导率逐渐下降，当反应结束后电导率不再变化。通过电导率探头判断厌氧氨氧化反应进行的程度，进行及时的排水，提高运行效率。

④当电导率探头显示电导率不再变化，表示厌氧氨氧化反应完全结束，沉淀40min后进行排水。打开三通阀门ⅠⅡ，调整蠕动泵向右转，将严格厌氧反应器中的上清液排入中间水箱，避免直接从严格厌氧反应器排出系统外而带入空气抑制厌氧氨氧化反应。当严格厌氧反应器中的排水全被打入中间水箱后，关闭三通阀门Ⅰ、三通阀门Ⅱ。

⑤在三通阀门Ⅱ上接一根橡胶管，用于排水。转动三通阀门Ⅰ，接通中间水箱与大气，三通阀门Ⅱ接通橡胶管与中间水箱，开蠕动泵，泵向左转，使中间水箱中的出水顺利排出。同时，空气从三通阀门Ⅰ进入中间水箱，保证内外气压相同，中间水箱中的出水能够顺利的排出。重复上述运行方式不断运行进入下一个周期。

运用严格厌氧反应装置进行厌氧氨氧化反应的优势在于：

1.严格厌氧反应装置提供严格的厌氧环境，在这样的环境中进行厌氧氨氧化反应，避免空气的进入，在溶解氧较低的状态下，是厌氧氨氧化最适宜的生存环境，因此氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌在菌群中所占的比例也会逐渐降低。对于较难培养，世代时间较长的厌氧氨氧化菌来说在严格厌氧的反应器中培养，较容易实现菌种的富集和纯化。

2.在严格厌氧反应装置中，培养厌氧氨氧化菌，从开始占总菌群数的少部分，逐渐百分比上升。厌氧氨氧化菌为反应的有效菌种，比例越高，反应效率越高，处理同等负荷的污水所需要的时间就越短，因此在严格厌氧反应装置中进行厌氧氨氧化反应有利于缩短反应周期。

3.在反应器上添加电导率探头，通过反应器内电导率的变化了解厌氧氨氧化反应的进程，在反应结束后及时排水进水。当反应稳定运行后，可调整为自动控制模式，提高反应器的运行效率。

附图说明

图1是严格厌氧反应装置示意图：

图1中1—温控探头；2—电导率探头(Cond)；3—集气瓶；4—蠕动泵；6—三通阀门Ⅰ；5—中间水箱；7—三通阀门Ⅱ；8—三通阀门Ⅲ；9—加热磁力搅拌器；10—严格厌氧反应器；11—磁力转子。

图2进出水水质变化折线图。

图3典型周期内的电导率变化趋势。

具体实施方式

利用严格厌氧反应装置与运行方法处理污水的实例如下：

1.严格厌氧反应装置的启动：向反应器中接种启动泥。向严格厌氧反应器中加入厌氧氨氧化反应，污泥浓度为3100mg/L。通过三通阀门Ⅰ将氮气瓶与严格厌氧反应器相连，关闭三通阀门Ⅱ，转动三通阀门Ⅲ使严格厌氧反应器与大气相通。转动氮气瓶阀门，向严格厌氧反应器中通氮气，除去接种污泥中的氧基质。关闭三通阀门Ⅰ防止进空气，转动三通阀门Ⅲ使集气瓶与严格厌氧反应器相连接，以便收集反应产生的氮气。将严格厌氧反应器放在加热磁力搅拌器上并放入磁力转子，完成反应器系统的启动污泥的接。

2.严格厌氧反应装置的实例运行：

①试验实验进水使用(NH₄)₂SO₄、NaNO₂、KHCO₃、MgSO₄、Cacl₂、KHPO₄配置成NH₄ ⁺浓度为30mg/L，NO₂ ^-浓度为40mg/L的模拟废水，用盐酸调节pH＝7.5。严格厌氧反应器与中间水箱都使用5L的SBR反应器。进水接入三通阀门Ⅱ，通过蠕动泵与中间水箱相连，三通阀门Ⅰ连通中间水箱与空气，使内外气压相同，顺利进水，开蠕动泵向右转，转速为50r/min，进水2min后，进水到达4L，液面处于中间水箱体积的4/5处，关停蠕动泵，关闭三通阀门Ⅱ。将进水管取下，接上氮气瓶，连通氮气瓶与中间水箱，向中间水箱中曝纯氮气5min，除氧基质。将三通阀门Ⅰ关闭，防止空气进入，关闭氮气瓶。

②转动三通阀门Ⅰ和三通阀门Ⅱ将严格厌氧反应器与中间水箱连通，使严格厌氧反应器与中间水箱成为气体相通的一体。开启蠕动泵，转速为20r/min，泵向左转，将中间水箱内的配水打进严格厌氧反应器，5min后，完成进水。厌氧氨氧化菌在严格厌氧反应器内得到反应基质开始发生厌氧氨氧化反应。

③厌氧氨氧化反应进行时，严格厌氧反应器内的电导率会逐渐下降，刚完成进水时的电导率为1425μS/cm，当反应11小时后，电导率在1170μS/cm附近波动，表明反应已结束，典型周期内的电导率变化趋势详见图3。

④当电导率探头显示电导率不再变化后，厌氧氨氧化反应完全结束，沉淀40min后进行排水，提高反应运行效率。打开三通阀ⅠⅡ，将蠕动泵转向调整，调整为向右转20r/min，使严格厌氧反应器与中间水箱相连接，将严格厌氧反应器中厌氧氨氧化反应后的的排水打入中间水箱，这样可以避免在排水直接从反应器排出系统外时带入空气抑制反应的进行。5min后严格厌氧反应器中的上清液全被排入中间水箱，关闭三通阀门ⅠⅡ。

⑤在三通阀门Ⅱ上接一根橡胶管用于排水。三通阀门Ⅰ接通中间水箱与大气，三通阀门Ⅱ接通橡胶管与中间水箱，开蠕动泵，调整泵向左转，泵转速为50r/min，经过2min，将中间水箱中厌氧氨氧化反应的出水顺利排出。同时，空气从三通阀门Ⅰ进入中间水箱，保证内外气压相同，中间水箱中的出水能够顺利的排出。完成一个周期的运行。重复上述运行方式不断运行。

⑥每天两个周期，按照上述运行方式。两天检测一次进出水水质状况，通过厌氧氨氧化反应去除NH₄ ⁺、NO₂ ^-的能力判断反应器内厌氧氨氧化菌的生长情况。检测的指标有NH₄ ⁺、NO₂ ^-、NO₃ ^-、Cond。

连续反应20天，40个周期后，从出水NH₄ ⁺、NO₂ ^-的浓度可知，脱氮效果明显变好。第17天之后，出水NH₄ ⁺浓度小于5mg/L，NO₂ ^-浓度小于1mg/L，且能稳定出水水质。进出水变化趋势详见图2。

Claims (2)

1.一种适用于厌氧氨氧化反应的严格厌氧反应装置，

该装置包括严格厌氧反应器(10)、中间水箱(5)、温控探头(1)、电导率探头(2)、集气瓶(3)、蠕动泵(4)、三通阀门Ⅰ(6)、三通阀门Ⅱ(7)、三通阀门Ⅲ(8)、加热磁力搅拌器(9)、磁力转子(11)；其特征在于：将磁力转子(11)加入严格厌氧反应器(10)中并置于加热磁力搅拌器(9)上，插上温控探头(1)、电导率探头(2)、集气瓶(3)通过集气管与严格厌氧反应器(10)相连，中间安装三通阀门Ⅲ(8)，严格厌氧反应器(10)通过橡胶管与蠕动泵(4)连接，接入三通阀门Ⅱ(7)，橡胶管一端插入严格厌氧反应器(10)，橡胶管另一端插入中间水箱(5)底部，严格厌氧反应器(10)与中间水箱(5)用橡胶管相连，橡胶管中间连接三通阀门Ⅰ(6)形成回路；严格厌氧反应器(10)与中间水箱(5)以及集气瓶(3)相连通且与外界隔绝，形成一个封闭式的系统。

2.应用权利要求1所述的严格厌氧反应装置的方法，其特征在于：

①系统启动阶段：将污泥浓度为3000±100mg/L的厌氧氨氧化反应泥加入严格厌氧反应器(10)，进行污泥接种；利用盐酸调节pH为7.5，控制温度为35℃；通过氮气瓶向严格厌氧反应器(10)中通氮气，除去污泥中的溶解氧；将严格厌氧反应器(10)放在加热磁力搅拌器(9)上并放入磁力转子(11)，完成反应器系统的启动污泥的接种；

②严格厌氧装置的运行步骤：进水连通三通阀门Ⅱ(7)通过蠕动泵(4)打入中间水箱(5)，中间水箱(5)内的气体通过三通阀门Ⅰ(6)排出；进完水后将氮气瓶与三通阀门Ⅰ(6)相接，向中间水箱(5)内曝氮气，保证进水中的溶解氧被完全去除，废气从三通阀门Ⅰ(6)排出；此后通过三通阀门Ⅰ(6)、三通阀门Ⅱ(7)将严格厌氧反应器(10)、中间水箱(5)相连通，通过蠕动泵(4)将中间水箱(5)内已除氧基质的进水打入严格厌氧反应器(10)中进行厌氧氨氧化反应；在厌氧氨氧化反应过程中，严格厌氧反应器(10)与中间水箱(5)以及集气瓶(3)相连通且与外界隔绝，形成一个封闭式的系统，集气瓶(3)用于收集反应所产生的氮气；当反应结束，电导率波动范围不超过100μS/cm。