CN107253762A

CN107253762A - 一种短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化的快速启动方法

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Publication number: CN107253762A
Application number: CN201710542785.9A
Authority: CN
Inventors: 张淼; 张颖; 黄棚兰; 何成达; 吴军
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2017-07-05
Filing date: 2017-07-05
Publication date: 2017-10-17
Anticipated expiration: 2037-07-05
Also published as: CN107253762B

Abstract

一种短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化的快速启动方法，属于污水生物处理技术领域。本发明通过MBBR反应器内填料的氨氧化菌挂膜和A²/O反应器内厌氧氨氧化菌的驯化同时启动的方式，创造适合反硝化聚磷菌、厌氧氨氧化菌和短程硝化菌生长的最佳条件，厌氧氨氧化过程为自养脱氮，不消耗有机碳源，短程反硝化除磷进一步地节省碳源和曝气量，两种技术的耦合可最大程度地节能、降耗、节省反应时间。污泥产率低，缓解了污泥处置问题，降低运行成本。启动快且脱氮除磷效果稳定，尤其在污水碳源不足时能获得较高的脱氮除磷效率，更加适用于含氮、磷的城市生活污水的处理。

Description

一种短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化的快速启动方法

技术领域

本发明属于污水生物处理技术领域。

背景技术

反硝化除磷机理是反硝化聚磷菌（DPAOs）在厌氧条件下利用原水中有机物合成内碳源（PHAs），缺氧条件下以NO₃ ^--N或NO₂ ^--N为电子受体氧化分解体内的PHAs完成过量吸磷。与传统脱氮除磷工艺相比，短程反硝化除磷可节省50%的COD耗量、减少30%的曝气能耗和50%的污泥产量，在实际工程中有利于节省碳源和曝气量、缩小池容、减少运行与投资费用。

厌氧氨氧化机理是指在厌氧条件下厌氧氨氧化菌（Anammox）以NH₄ ⁺-N为电子供体、NO₂ ^--N为电子受体转化为N₂的过程。与传统脱氮技术相比，Anammox是化能自养菌，以无机碳作为碳源，实现有机碳源的零添加；厌氧氨氧化反应过程仅生成NO₃ ^--N和N₂，无温室气体N₂O产生，没有二次污染，脱氮效率和去除负荷高，污泥产量少，是一种新型的低能耗、高效率、环境友好型的自养脱氮技术。

短程硝化可实现NH₄ ⁺-N到NO₂ ^--N的高效转化，为反硝化除磷和厌氧氨氧化过程提供电子受体，同时还可充分利用原水碳源实现厌氧氨氧化产物——NO₃ ^--N的反硝化过程。

其中厌氧氨氧化工艺的启动过程有两个局限，一是厌氧氨氧化菌生长缓慢，运行条件严格苛刻；二是厌氧氨氧化菌受有机物的影响严重，上述缺点严重限制了厌氧氨氧化工艺的应用。硝化菌为自养菌，比增殖速率缓慢，且连续流系统中运行条件的多变性使得短程硝化很容易被破坏，亚硝积累率不稳定，从根本上实现亚硝酸盐氧化菌(NOB)的抑制和淘洗是至关重要的。

发明内容

针对现有技术以上缺陷，本发明提出一种短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化的快速启动方法，以实现在低C/N条件下的长期稳定运行以及深度脱氮除磷。

本发明技术方案是：

将待处理的污水通过进水泵与A²/O反应器的厌氧区的进水口连接，在A²/O反应器的好氧区排出口连接中间沉淀池，中间沉淀池的上清液排出口连接中间水箱的进水口，中间沉淀池的污泥出口连接A²/O反应器的厌氧区，中间水箱的出水口通过提升泵连接在MBBR反应器的进水端，MBBR反应器内设有填料，MBBR反应器还设有沉淀区，所述沉淀区设有溢流式排出口，在所述中间水箱和A²/O反应器的缺氧区之间通过第一回流泵连接回流管；在沉淀区的溢流式排出口和A²/O反应器的缺氧区之间通过第二回流泵连接回流管。

打开进水泵，向A²/O反应器通入待处理的污水，并于A²/O反应器中接种污泥，所述接种的污泥中硝化菌百分比占4～6%，聚磷菌的百分比含量为6.5～10%，A²/O反应器按照厌氧、缺氧和好氧的方式运行，打开连接在中间水箱和A²/O反应器的缺氧区之间的第一回流泵，使中间水箱的部分硝化液回流进A²/O反应器的缺氧区。

与此同时，打开提升泵，将中间沉淀池的上清液泵入MBBR反应器，向MBBR反应器接种短程硝化污泥，在MBBR反应器内的填料表面形成AOB挂膜。

待A²/O反应器内污泥中聚磷菌百分比含量为20～30%时，向A²/O反应器缺氧区投放接种有厌氧氨氧化菌的载体进行驯化。

关闭第一回流泵，打开连接在沉淀区的溢流式排出口和A²/O反应器的缺氧区之间的第二回流泵将A²/O反应器和MBBR反应器串联运行，待沉淀区的溢流式排出口排出的水中NO₂ ^--N积累率≥70%，系统TN去除率为80～85%，TP去除率超过90%，且接种有厌氧氨氧化菌的载体上厌氧氨氧化菌含量提高2～3%时，短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化的快速启动完成。

本发明的启动法为双污泥系统启动法，可以创造适合反硝化聚磷菌、厌氧氨氧化菌和短程硝化菌生长的最佳条件，厌氧氨氧化过程为自养脱氮，不消耗有机碳源，短程反硝化除磷进一步地节省碳源和曝气量，两种技术的耦合可最大程度地节能、降耗、节省反应时间。污泥产率低，缓解了污泥处置问题，降低运行成本。启动快且脱氮除磷效果稳定，尤其在污水碳源不足时能获得较高的脱氮除磷效率，更加适用于含氮、磷的城市生活污水的处理。

本发明就目前A²/O - MBBR工艺中，将短程硝化以及厌氧氨氧化等新型脱氮技术与反硝化除磷过程相结合，可为各功能菌提供最佳生长环境，有效避免上述启动过程的缺陷，是一种节能降耗的深度脱氮除磷技术，特别适用于低碳氮比（C/N）污水的处理。当下需要迫切解决的一个技术问题就是如何实现上述耦合技术并使其成功应用在低C/N污水处理中。

进一步地，本发明A²/O反应器中接种污泥的浓度为4000～6000 mg/L，自接种污泥开始至投放接种有厌氧氨氧化菌的载体之前，将A²/O反应器的厌氧区、缺氧区、好氧区的容积比调整为1:2:4，水力停留时间12 h，污泥回流比为100%，中间水箱的硝化液回流比为300%。接种污泥的以上浓度的出发点是保证系统内有充足的生物量，通过容积比的调整有利于强化好氧生物除磷，而水利停留时间、污泥回流比以及硝化液回流比的设置都是为促进聚磷菌富集服务的。

本发明先将A²/O反应器的厌氧区、缺氧区、好氧区的容积比调整为1:5:1后，再向A²/O反应器的缺氧区投放接种有厌氧氨氧化菌的载体。一方面缩小好氧区，削弱溶解氧对厌氧氨氧化菌的影响；另一方面通过延长缺氧区强化反硝化，避免有机物抑制厌氧氨氧化菌活性。

所述接种有厌氧氨氧化菌的载体在A²/O反应器的缺氧区内的填充率为15～20%。填充率太低，则厌氧氨化菌含量不高，进而影响脱氮效率；而填充率过高，则会阻碍缺氧搅拌，容易导致厌氧氨化菌的流失，综合考虑选用15～20%的填充率。

所述接种有厌氧氨氧化菌的载体为边长为10～20 mm的立方体，载体的密度为0.20～0.25 g/cm³，孔隙率≥95%。载体密度小于水，可悬浮在水中，无需搅拌混合；孔隙率是影响微生物和基质传输性能的重要参数，较高的孔隙率有利于充分发挥厌氧氨氧化菌的生物活性。

另外，本发明所述挂膜分三个阶段；

第一阶段：接种短程硝化污泥时，短程硝化污泥在MBBR反应器内水体中的浓度为1000～1500 mg/L，调节MBBR反应器内的曝气量为0.2 m³/h，使短程硝化污泥吸附在填料表面，可观察到填料表面颜色由白色转为淡黄。加入低浓度接种污泥可增加反应器内的生物量且排空时不会堵塞填料，高曝气量增加微生物、填料、基质间的接触，使微生物较快的附着在填料表层，有利于缩短挂膜周期。

第二阶段：将接种的短程硝化污泥排出MBBR反应器，然后调节MBBR反应器内的曝气量为0.15 m³/h，并向中间水箱投加氯化铵，使MBBR反应器内的水体中游离氨浓度为3～5mg/L，以促进AOB的挂膜生长。悬浮接种污泥的排出有利于固定生物膜附着生长，降低曝气量的同时通过游离氨对AOB和NOB生长的抑制程度不同，使硝化过程控制在亚硝化阶段，抑制NOB的生长。

第三阶段：停止投加氯化铵，调节MBBR反应器内的曝气量为0.1 m³/h，实现AOB的自然富集。在低溶解氧条件下，利用AOB对溶解氧的亲和力大于NOB，使其在对O₂的竞争中占优势并得到富集，同时进一步节能降耗。

本发明以上填料可采用碳纤维材料，碳纤维材料的比表面积为1500～2000 m²/m³，碳纤维材料的孔隙率≥95%。由于较高的比表面积，填料表面生物量高，传质过程的溶解氧梯度易于形成短程，硝化效率高效稳定，抗冲击能力强。

碳纤维材料在MBBR反应器内的填充率为40～45%，以保证反应器内有足够的生物量实现短程硝化。

本发明综合优点如下：

1）双污泥系统可以创造适合反硝化聚磷菌、厌氧氨氧化菌和短程硝化菌生长的最佳条件，使系统处理性能达到最优。

2）组合填料比表面积大，生物量多，亚硝积累率最高可达90%，硝化效果稳定且节省曝气量。

3）厌氧氨氧化过程为自养脱氮，不消耗有机碳源，短程反硝化除磷进一步地节省碳源和曝气量，两种技术的耦合可最大程度的节能降耗。

4）污泥产率低，缓解了污泥处置问题，降低运行成本。

5）启动快且脱氮除磷效果稳定，尤其在污水碳源不足时能获得较高的脱氮除磷效率。

附图说明

图1为本发明所采用的装置的结构示意图。

具体实施方式

一、装置的结构说明：

图1中，1-原水水箱；2-进水泵；3-A²/O反应器；4-搅拌装置；5- A²/O反应器的厌氧区；6- A²/O反应器的缺氧区；7- A²/O反应器的好氧区；8-聚氨酯海绵；9-曝气头；10-中间沉淀池；11-中间水箱；12-提升泵；13-MBBR反应器；14-填料；15-沉淀区；16-溢流式排出口；17-出水水箱；18-鼓风机；19（19.1、19.2、19.3），20（20.1、20.2、20.3、20.4）-流量计；21（21.1、21.2）-硝化液回流泵；22-污泥回流泵；23-加药泵；24-加药罐。

A²/O反应器3由厌氧区5、缺氧区6和好氧区7顺序连接组成。

A²/O反应器3的厌氧区5和缺氧区6均设有搅拌装置4。

A²/O反应器3的缺氧区6的部分格室、好氧区7和MBBR反应器13底部均设有曝气头9，分别通过鼓风机18以及流量计19和流量计20实现对曝气量的调控。

原水水箱1的出水口通过进水泵2与A²/O反应器3的厌氧区的进水口连接，在A²/O反应器3的好氧区7排出口连接中间沉淀池10，中间沉淀池10的上清液排出口连接中间水箱11的进水口，中间沉淀池10的污泥出口分两路，一路直接排放，另一路通过污泥回流泵22连接A²/O反应器3的厌氧区5。中间水箱11的出水口通过提升泵12连接在MBBR反应器13的进水端，MBBR反应器13内设有填料14，MBBR反应器13还设有沉淀区15，沉淀区15设有溢流式排出口16。

在溢流式排出口16上连接出水水箱17，在出水水箱17的出水口上连接回流管，并通过硝化液回流泵21.2将回流管的另一端连接A²/O反应器的缺氧区6。

在中间水箱11的出水口上连接回流管，并通过硝化液回流泵21.1将回流管的另一端连接A²/O反应器的缺氧区6。

加药罐24通过加药泵23连接在中间水箱11的一个加药口上。

MBBR反应器13内填料14的材质为碳纤维，比表面积1500 ~ 2000 m²/m³，孔隙率大于95%，主要作用实现短程硝化，同时为缺氧区6中反硝化除磷以及厌氧氨氧化过程提供充足的电子受体。

二、快速启动工艺：

1、A²/O反应器3的启动：

取城市污水处理厂的二沉池排泥，经分析其成分中硝化菌质量含量为5%，聚磷菌质量含量为7.8%。

其符合接种污泥的要求，所以本工艺可以取其直接接种。

以城市污水处理厂的二沉池排泥作为接种污泥，控制接种污泥后A²/O反应器3内混合液平均污泥浓度为3000～4000 mg/L。开启鼓风机18和流量计20.1-20.4，即调节厌氧区5、缺氧区6、好氧区7容积分配比为1:2:4，水力停留时间12 h，污泥回流比100%，开启硝化液回流泵21.1，硝化液回流比300%，按照传统厌氧/缺氧/好氧的运行方式富集聚磷菌。

2、在启动A²/O反应器3的同时，启动MBBR反应器13的挂膜：

生物膜挂膜采用填料14，填充率40～45%。MBBR反应器13的进水采用A²/O反应器3中间水箱11的出水，挂膜启动分为三个阶段：

第一阶段：接种短程硝化污泥时，短程硝化污泥在MBBR反应器13内水体中的浓度为1000～1500 mg/L，调节MBBR反应器13内的曝气量为0.2 m³/h，使短程硝化污泥吸附在填料表面，填料表面颜色由白色转为淡黄。

以上用于接种的短程硝化污泥的特性为：污泥浓度3500 mg/L左右，AOB的百分比含量为10 ~12%，NOB的百分比含量小于0.5%，亚硝积累率超过90%。

第二阶段：将接种的短程硝化污泥排出MBBR反应器13，然后调节MBBR反应器13内的曝气量为0.15 m³/h。开启加药泵23，从加药罐24向中间水箱11投加氯化铵，通过调节氨氮浓度，使MBBR反应器13内的水体中游离氨浓度为3～5mg/L，以促进AOB的挂膜生长。

第三阶段：关闭加药泵23，停止投加氯化铵，调节MBBR反应器13内的曝气量为0.1m³/h，实现AOB的自然富集。

3、对A²/O反应器3内厌氧氨氧化菌进行驯化：

接种有厌氧氨氧化菌的聚氨酯海绵8为边长为10～20 mm的立方体，其密度为0.20～0.25 g/cm³，孔隙率≥95%。外观呈铁红色，厌氧氨氧化菌的百分比含量为10%左右，其对亚硝酸盐和氨氮的去除率均超过95%。

待A²/O污泥中聚磷菌百分比含量为20～30%时，调节A²/O反应器3厌氧区5、缺氧区6、好氧区7的容积分配比为1:5:1，再向A²/O反应器3缺氧区6投放接种有厌氧氨氧化菌的聚氨酯海绵8，控制聚氨酯海绵8的填充率为15 ~ 20%。对A²/O反应器3内厌氧氨氧化菌进行驯化。

4、开启硝化液回流泵21.2，将A²/O反应器3和MBBR反应器13连续运行。

当MBBR反应器13沉淀区15的溢流式排出口16排出的水中NO₂ ^--N积累率≥70%，系统TN去除率稳定在80 ~ 85%，TP去除率超过90%，且聚氨酯海绵8上厌氧氨氧化菌含量较投放时提高2～3%时，短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化的快速启动完成。

三、正常运行：

原水水箱1中生活污水由进水泵2打入A²/O反应器3的厌氧区5，同时进入的还有经污泥回流泵22送来的回流污泥，污泥回流比100%；混合液与硝化液回流泵21.2送来的完成短程硝化的硝化液一起进入缺氧区6，进行短程反硝化除磷以及厌氧氨氧化反应。

经A²/O反应器3的好氧区7吹脱N₂后，进入中间沉淀池10进行泥水分离，分别取得上清液和污泥；污泥定期排放，控制污泥龄10 ~ 12 d，A²/O反应器3的容积分配比1:5:1，水力停留时间8 ~ 10 h。

中间沉淀池10中的上清液进入中间水箱11，经中间提升泵12进入内设填料14的MBBR反应器13，通过开启鼓风机18和调节流量计19.1-19.3使总曝气量为0.10 ~ 0.15 m³/h，水力停留时间1 ~ 2 h，生物膜平均生物量为1500 ~ 2000 mg/L。在好氧条件下进行短程硝化反应，硝化液进入沉淀区15，上清液通过溢流式排出口16进入出水水箱17，再由硝化液回流泵21.2送至缺氧区6为短程反硝化除磷和厌氧氨氧化提供电子受体。

为了维持系统的稳定运行，需要对各项指标和运行工况进行定期监测和调控。

四、应用：

采用本发明方法处理某校园内学生宿舍区化粪池的实际生活污水，系统稳定运行时的脱氮除磷性能如下：

项目	COD(mg/L)	NH₄ ⁺(mg/L)	NO₂ ^-(mg/L)	NO₃ ^- (mg/L)	TN(mg/L)	TP(mg/L)
							进水(mg/L)	185.7	56.9	0.09	0.21	58.3	5.42
出水(mg/L)	35.1	0.2	7.9	2.3	10.8	0.2
							去除率(%)	81.1	99.6	/	/	81.5	96.3

其中A²/O反应器的启动历时8 d，与此同时MBBR单元挂膜完成需要10 d，接种厌氧氨氧化污泥驯化9 d， A²/O反应器与MBBR单元的串联运行历时10 d后脱氮除磷效果基本稳定，系统大概29 d（10 d + 9 d + 10 d）启动完成。虽然进水C/N仅为3.18，平均TN、TP去除率分别为81.5%和96.3%，亚硝积累率达到77.5%，出水COD、NH₄ ⁺-N、TN、TP等指标均优于一级A排放标准，实现了低C/N污水的深度脱氮除磷。

Claims

1.一种短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化的快速启动方法，其特征在于：

将待处理的污水通过进水泵与A²/O反应器的厌氧区的进水口连接，在A²/O反应器的好氧区排出口连接中间沉淀池，中间沉淀池的上清液排出口连接中间水箱的进水口，中间沉淀池的污泥出口连接A²/O反应器的厌氧区，中间水箱的出水口通过提升泵连接在MBBR反应器的进水端，MBBR反应器内设有填料，MBBR反应器还设有沉淀区，所述沉淀区设有溢流式排出口；在所述中间水箱和A²/O反应器的缺氧区之间通过第一回流泵连接回流管；在沉淀区的溢流式排出口和A²/O反应器的缺氧区之间通过第二回流泵连接回流管；

打开进水泵，向A²/O反应器通入待处理的污水，并于A²/O反应器中投加接种污泥，所述接种的污泥中硝化菌百分比占4～6%，聚磷菌的百分比含量为6.5～10%，A²/O反应器按照厌氧、缺氧和好氧的方式运行；打开连接在中间水箱和A²/O反应器的缺氧区之间的第一回流泵，使中间水箱的部分硝化液回流进A²/O反应器的缺氧区；

与此同时，打开提升泵，将中间沉淀池的上清液泵入MBBR反应器，向MBBR反应器接种短程硝化污泥，在MBBR反应器内的填料表面进行氨氧化菌挂膜；

待A²/O反应器内污泥中聚磷菌百分比含量为20～30%时，向A²/O反应器缺氧区投放接种有厌氧氨氧化菌的载体进行驯化；

2.根据权利要求1所述的快速启动方法，其特征在于：接种污泥后A²/O反应器混合液平均污泥浓度3000～4000 mg/L，自接种污泥开始至投放接种有厌氧氨氧化菌的载体之前，将A²/O反应器的厌氧区、缺氧区、好氧区的容积比调整为1:2:4，水力停留时间12 h，污泥回流比为100%，中间水箱的硝化液回流比为300%。

3.根据权利要求1所述的快速启动方法，其特征在于：先将A²/O反应器的厌氧区、缺氧区、好氧区的容积比调整为1:5:1后，再向A²/O反应器的缺氧区投放接种有厌氧氨氧化菌的载体。

4.根据权利要求3所述的快速启动方法，其特征在于：所述接种有厌氧氨氧化菌的载体在A²/O反应器缺氧区内的填充率为15～20%。

5.根据权利要求4所述的快速启动方法，其特征在于：所述接种有厌氧氨氧化菌的载体为边长为10～20 mm的立方体，载体的密度为0.20～0.25 g/cm³，孔隙率≥95%。

6.根据权利要求1所述的快速启动方法，其特征在于：所述挂膜分三个阶段；

第一阶段：接种短程硝化污泥时，短程硝化污泥在MBBR反应器内水体中的浓度为1000～1500 mg/L，调节MBBR反应器内的曝气量为0.2 m³/h，使短程硝化污泥吸附在填料表面；

第二阶段：将接种的短程硝化污泥排出MBBR反应器，然后调节MBBR反应器内的曝气量为0.15 m³/h，并向中间水箱投加氯化铵，使MBBR反应器内的水体中游离氨浓度为3～5mg/L，以促进AOB的挂膜生长；

第三阶段：停止投加氯化铵，调节MBBR反应器内的曝气量为0.1 m³/h，实现AOB的自然富集。

7.据权利要求6所述的快速启动方法，其特征在于：所述填料为碳纤维材料，碳纤维材料的比表面积为1500～2000 m²/m³，碳纤维材料的孔隙率≥95%。

8.据权利要求7所述的快速启动方法，其特征在于：碳纤维材料在MBBR反应器内的填充率为40～45%。