CN107986434B - 一种餐厨厌氧废水半短程硝化反应器及半短程硝化启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种餐厨厌氧废水半短程硝化启动方法，属于餐厨污水处理领域。本发明针对废水高氨氮、低C/N比特性，通过短程硝化反应器，利用AOB和NOB氧饱和常数的区别，通过限制反应器内部DO浓度来富集AOB，同时控制温度、碱度等其他条件获得亚硝酸盐的积累，达到了快速启动半短程硝化工艺，出水亚硝化率稳定保持在90％以上，出水亚硝态氮与氨氮摩尔比为1.0～1.3:1。系统对COD去除率保持在60％～70％之间，出水满足后续厌氧氨氧化工艺进水需求。

Description

一种餐厨厌氧废水半短程硝化反应器及半短程硝化启动方法

技术领域

本发明涉及一种餐厨厌氧废水半短程硝化启动方法，属于餐厨污水处理领域。

背景技术

随着经济的快速增长、城市进程的加快，城市餐厨垃圾的产生量持续增长，由此对环境造成的污染也日益严重，餐厨垃圾的减量化、无害化、资源化处置已经成为当今研究的热点。餐厨垃圾是城市生活垃圾的主要组成部分，占城市生活垃圾的比例约为37～62％。据清华大学固体废物污染控制及资源化研究所的统计数据表明，我国城市每年产生餐厨垃圾6000万吨以上。餐厨垃圾以淀粉类、食物纤维素、动物脂肪类等有机物质为主要成分。

餐厨垃圾在处理过程中必然会产生餐厨废水，通常采用厌氧消化手段去除餐厨废水中大量的有机物，经过厌氧消化处理后的餐厨废水具有高COD、高NH₄ ⁺-N、低C/N等特点，如果采用传统脱氮工艺必然导致处理流程长，运行费用高，而且会因为其C/N失衡，反硝化过程碳源不足，导致TN去除率低，难以达标排放。近年来随着一些新型脱氮工艺的兴起，如厌氧氨氧化工艺、短程硝化反硝化工艺等，对于这种高COD、高NH₄ ⁺-N、低C/N 废水有了一些较好的处置方法。相比传统脱氮工艺，新型生物脱氮工艺在能源、碳源、占地面积等方面较传统脱氮工艺有着明显的优势。

短程硝化工艺可以将硝化过程控制在NO₂ ^--N阶段，积累大量的亚硝酸盐。半短程硝化可与反硝化或者厌氧氨氧化组成新的组合工艺，能够较好的进行生物脱氮，特别适用于高NH₄ ⁺-N、低C/N废水的处理。不论短程硝化与反硝化还是厌氧氨氧化工艺，如何将硝化过程控制在NO₂ ^--N阶段，积累大量的亚硝酸盐都是研究重点。当前针对短程硝化技术的研究主要是控制DO浓度、FA浓度、温度和pH等来实现。但针对如餐厨废水此类COD 浓度高于1500mg/L、NH₄ ⁺-N浓度高于1000mg/L且C/N较低的废水启动半短程硝化工艺需要进行适当稀释，逐步提高基质浓度，或需要外加化学抑制剂如氯酸钾(KClO₃)来抑制亚硝酸盐氧化细菌(NOB)活性，实现半短程硝化反应的启动和运行。

发明内容

本发明的目的是要提供一种餐厨厌氧废水半短程硝化工艺启动方法，为厌氧氨氧化工艺提供适宜的进水，解决餐厨厌氧废水TN去除率低等问题。

本发明的第一个目的是提供一种半短程硝化反应器，包括反应器本体、曝气装置、温度在线监测仪、DO在线监测仪、pH在线测定仪；和PLC控制系统；所述温度在线监测仪、 DO在线监测仪、pH在线测定仪分别通过探头伸入至反应器内部，另一端均与PLC控制系统连接；反应器本体的底部设置曝气装置，曝气装置与设置在反应器本体外部的空气泵连接；空气泵还与PLC控制系统连接；反应器侧壁设置加热装置，所述加热装置与PLC控制系统连接；反应器内部设置搅拌装置，所述搅拌装置与PLC控制系统连接。

在本发明的一种实施方式中，所述搅拌装置为精密搅拌器。

在本发明的一种实施方式中，所述PLC控制系统还与远程监控系统连接，并通过有线网络与远程监控系统交换数据信息和控制信息。

在本发明的一种实施方式中，所述反应器本体的侧壁上还设置排水阀和排泥阀；所述排泥阀设置在近反应器底部；所述排水阀设置于反应器本体上部。

在本发明的一种实施方式中，反应器底部设有进气口，进气口通过管道与空气泵连接，进气口和空气泵之间设置气体流量计。

在本发明的一种实施方式中，所述反应器由不锈钢材质制成。

在本发明的一种实施方式中，所述加热装置为硅胶加热带。

在本发明的一种实施方式中，所述硅胶加热带外侧还设置石棉层。

本发明的第二个目的是提供一种餐厨厌氧废水半短程硝化工艺的启动方法，所述方法是以餐厨废水处理过程中的好氧污泥为接种污泥，以餐厨垃圾厌氧废水作为进水，应用所述的反应器控制反应器DO在0.5～0.6mg/L进行半短程硝化工艺的启动。

在本发明的一种实施方式中，反应器的运行周期包括进水阶段、连续搅拌并曝气阶段、静置沉淀阶段和瞬时排水阶段。

在本发明的一种实施方式中，所述启动过程具体包括如下步骤：

1)接种来源于餐厨废水处理工艺、污泥浓度为4～6g/L并经过强曝气的好氧池污泥， DO浓度控制在6～8mg/L；

2)餐厨厌氧废水稀释率为：稀释5～0倍，分阶段逐步提高进水氨氮浓度；稀释5倍后，COD为356～487mg/L，NH₄ ⁺-N为156～262mg/L；稀释2倍后，COD 645～842mg/L， NH₄ ⁺-N553～731mg/L；不稀释餐厨厌氧原水COD为1510～2130mg/L，NH₄ ⁺-N为983～1510 mg/L，通过碳酸氢钠控制反应器进水pH保持在7～8；

3)采用SBR运行方式，运行周期包括：进水8～10min、连续搅拌并曝气6～8h、静置沉淀2～3h、排水8～15min，水力停留时间(HRT)为8～10h。

在本发明的一种实施方式中，所述步骤具体为：

1)接种餐厨废水处理工艺中好氧池污泥，污泥浓度为6g/L，取出的好氧污泥需进行强曝气1d，DO浓度控制在6～8mg/L，污泥具有完全硝化能力；

2)将餐厨厌氧废水设置3种不同的稀释率分别为：稀释5倍、2倍、0倍以逐步提高进水氨氮浓度；稀释5倍后，COD为356～487mg/L，NH₄ ⁺-N为156～262mg/L；稀释2 倍后，COD 645～842mg/L，NH₄ ⁺-N 553～731mg/L；不稀释餐厨厌氧原水COD为1510～2130 mg/L，NH₄ ⁺-N为983～1510mg/L，通过碳酸氢钠控制反应器进水pH保持在7～8；

3)试验采用SBR运行方式，运行周期包括：进水10min、连续搅拌并曝气8h、静置沉淀2h、排水10min，水力停留时间(HRT)为10h，每天运行两个周期，每个周期的进水量和排水量均为5L。

在本发明的一种实施方式中，启动过程的温度控制在30±1℃，通过在线温度控制系统和加热装置进行联动，保持反应器内部温度稳定。

在本发明的一种实施方式中，连续搅拌并曝气阶段控制DO在0.5～0.6mg/L。

有益效果：(1)经本发明通过限制系统的DO浓度，使系统中NOB受到抑制，AOB得到富集，能够快速实现半亚硝化系统的启动，稳定后系统NH₄ ⁺-N转化率为60％左右，亚硝化率达到90％以上，出水COD去除率保持在60％～70％之间，出水亚硝态氮与氨氮摩尔比为1.0～1.3:1，满足厌氧氨氧化进水要求，对餐厨厌氧废水深度脱氮处理提供基础条件。

(2)本发明的方法利用自主设计研发的半短程硝化反应器，将系统DO浓度和空气泵形成联动，限制系统中的DO浓度，同时控制反应温度和pH，获得较好的亚硝态氮累计，出水氨氮和亚硝酸盐氮比例适合厌氧氨氧化工艺，利用DO浓度的控制，富集大量AOB，淘汰NOB，采用此技术将氨氮控制在亚硝酸盐阶段，控制出水亚硝态氮与氨氮摩尔比为后续处理工艺提供有利条件，此方法相对于传统硝化反硝化可节省大量碳源和能源。由于反应器最后阶段进水COD为1510～2130mg/L，NH₄ ⁺-N为983～1510mg/L，本发明所述方法启动的半短程硝化工艺具有较高的氨氮和COD负荷，能够较好的处理高浓度氨氮废水。通过反应器运行效果见本发明所述方法启动的半短程硝化工艺运行稳定，能够长期保持较高的亚硝化率，出水亚硝态氮与氨氮摩尔比适合厌氧氨氧化工艺的进水需求。

附图说明

图1为本发明的半短程硝化反应器结构示意图；其中；1，空气泵；2，气体流量计；3，曝气装置；4，温度在线监测仪；5，精密搅拌器；6，DO在线监测仪；7，pH在线测定仪；. 8，加热装置；9，PLC控制系统；10，远程监控系统；11，排水阀；12，排泥阀；

图2为启动过程中三氮变化趋势；

图3为启动过程中COD变化趋势；

图4为DO浓度对半短程硝化系统运行效能的影响。

具体实施方式

式中:分别为进出水亚硝态氮和硝态氮的浓度差，mg/L。

实施例1

半短程硝化反应器为不锈钢筒状结构，设计参数：底部直径(φ)×高(H)＝30cm×30 cm，有效容积为15L，反应器底部的侧壁上设有进气口，进气口通过管道与空气泵1连接，空气泵1的另一端连接PLC控制系统9；进气口和空气泵1之间设置气体流量计2；反应器底部设置曝气装置3，空气由空气泵1通过气体流量计2到达反应器底部设置的曝气装置3，在曝气时间段采用空气泵1进行曝气，为系统内部提供溶解氧。所述曝气装置3是由16个微孔曝气头组成，通过通气管道由反应器底部中心位置向四周均匀发散分布，每个曝气头直径(φ)＝2cm。反应器侧壁设置排水阀11和排泥阀12，排泥阀12设置于近底部区域；每周期结束后由排水阀进行排水，同时，反应器定时排泥。反应器顶部设有精密搅拌器，搅拌器功率恒定为100W，转速0～300rpm，反应器还设有温度在线监测仪4、DO在线监测仪6、 pH在线测定仪7，分别与设置在反应器内部的探头连接，对反应器内部各参数进行监测；温度在线监测仪4、DO在线监测仪6、pH在线测定仪7还分别与PLC控制系统9连接，将信号传输至PLC控制系统9；DO探头将反应器内的DO浓度传递至PLC控制系统9，PLC控制系统反馈给空气泵1形成联动，以便更加精确的控制系统内DO浓度；反应器沿侧壁设置加热保温带8；所述加热保温带8为硅胶加热带，加热保温带8与PLC控制系统9连接，并与温度在线监测仪4形成联动，通过温度在线监测仪4监测反应器内部温度,将温度信息传输至PLC控制系统，再经PLC控制系统调节加热保温带8的加热状态，即当温度超过设定温度时，加热保温带8停止加热；当温度低于设定温度时，加热保温带8开始加热。硅胶加热带通过玻璃胶固定于池体不锈钢板，分布方式为据池体底部5、15、25cm处四周布置，加热带总功率为3×100W＝300W。在加热带外围设置石棉层进行保温，保温面积为0.25m²。

PLC控制系统9还与远程监控系统10连接，通过有线数据传输将反应器的实时数据传输至远程监控系统10，或将远程监控系统10的控制操作传输至PLC控制系统，实现反馈控制。

实施例2

向半短程硝化反应器接种污泥，接种污泥来自餐厨废水处理厂A³/O³工艺中好氧池污泥，污泥浓度为6g/L，接种后的污泥在反应器中强曝气1d，DO控制在6～8mg/L，温度控制30±1℃，让污泥具有完全硝化能力。

采用SBR运行方式，运行周期包括进水10min、连续搅拌并曝气8h、静置沉淀2h、排水10min。每天运行两个周期，每个周期的进水量和排水量均为5L。周期开始时将5L 进水通过蠕动泵进入反应器，并同时开始精密搅拌装置，使得泥水充分混合，当完成进水阶段后，开启空气泵对反应器进行曝气，控制DO浓度、反应器温度和搅拌速度。8h后对同时关闭搅拌和曝气装置，进入静置沉淀阶段，静置2h后，通过排水阀12进行排水5 L。试验阶段排泥频率为1次/周。

餐厨厌氧废水半短程硝化启动过程分为3个阶段，第一阶段将进水稀释5倍，出水亚消化率和氨氮转化率连续3～5个周期稳定后，进入第二阶段；第二阶段将进水稀释2倍，出水亚消化率和氨氮转化率连续3～5个周期稳定后，进入第3阶段。整个过程反应器温度控制30±1℃，曝气阶段DO浓度控制0.5～0.6mg/L。启动初期为了让污泥具有较好的适应性，将餐厨废水稀释5倍作为反应器进水，稀释后的COD为356～487mg/L，平均为404 mg/L，NH₄ ⁺-N为156～262mg/L，平均为199mg/L。前6个周期NH₄ ⁺-N转化率呈下降趋势(图1)，说明低的溶解氧阻碍了氨氧化作用，同时出水有NO₂ ^--N的积累，并没有如全程硝化完全转化成NO₃ ^--N，且前6个周期出水中的NO₃ ^--N浓度有小幅上升，但随着反应的进行，氨氮的转化率基本维持在60％左右，出水中NO₃ ^--N出现下降，亚硝化率不断上升，说明由于硝化细菌氧饱和常数高于亚硝化细菌的氧饱和常数，在较低DO环境下，硝化细菌的活性受到较大抑制，生长速率较慢，NO₂ ^--N转化成NO₃ ^--N的过程受到抑。由于反应器运行初期接种的污泥是经过强曝气的污泥异养菌活性较好，COD去除率保持在较高水平，随着对反应器进行限氧，抑制了异养菌的活性，在第10～24个周期，出水COD值明显呈现上升趋势，同时COD去除率维持在60％左右(图2)。

启动初期维持24个周期后，进入活性提高期，开始减小对餐厨废水的稀释率，稀释2倍后餐厨废水水质为COD 645～842mg/L，NH₄ ⁺-N 553～731mg/L。在活性提高期，NH₄ ⁺-N 转化率基本维持在60％左右。较低的DO环境致使硝酸细菌不能适应，其活性逐渐受到抑制，逐步被淘汰出整个亚硝化系统，进入第二个阶段以后出水中的NO₃ ^--N有下降的趋势，而NO₂ ^--N有平稳上升的趋势，整个过程亚硝化率上升明显，逐步增加至80％以上。活性提高期的前几个周期中COD去除率有明显下降，可能是由于COD负荷突然增加，异养菌未能适应，造成COD去除率低的现象。但随着反应器的运行，COD去除率有缓慢上升的趋势，最后也基本维持在63％左右。

第三阶段将不经稀释的餐厨废水直接加入反应系统中，COD为1510～2130mg/L，NH₄ ⁺-N为983～1510mg/L。在这个过程中NH₄ ⁺-N转化率基本维持在60％以上，出水NO₃ ^--N 继续下降，而NO₂ ^--N浓度继续上升，亚硝化率也随之上升，基本保持在90％以上，出水 COD去除率保持在60％～70％之间，出水亚硝态氮与氨氮摩尔比为1.0～1.3:1，满足后续处理的进水要求。此时半短程硝化系统已成功启动。

实施例3

具体实施方式同实施例2，区别在于，控制不同DO浓度，研究DO浓度对于反应体系的影响，在SBR工艺成功实现稳定NO₂ ^--N积累后，改变系统中的DO浓度，考察不同DO 浓度下亚硝化系统运行效能的影响。此阶段进水COD浓度平均为1874mg/L、NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、 NO₃ ^--N平均值为1231mg/L、2mg/L和29mg/L，设置6个不同的DO浓度阶段。

DO浓度低于0.5mg/L，系统COD去除率较低，亚消化率低，出水亚硝态氮与氨氮摩尔比为1:2～1:4；曝气时间增加，氧化相同量的NH₄ ⁺-N速率变慢，所需要的启动时间更长。但是过低的DO浓度在抑制NOB的同时也抑制了AOB的生长，所以亚硝化率也随之下降。

当DO高于0.6mg/L，系统COD去除率增加，亚硝化率降低，出水不能降氨氮氧化控制在亚硝态氮阶段，一大部分亚硝态氮会被氧化至硝态氮；提高DO浓度可能会破坏系统的稳定性，当DO浓度高于1.0mg/L时，DO浓度不再成为抑制NOB的影响因子，随着NOB 活性逐渐恢复，NO₃ ^--N被NOB进一步氧化成NO₃ ^—N，反应系统遭到破坏。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (8)

1.一种半短程硝化反应器，其特征在于，包括反应器本体、曝气装置、温度在线监测仪、DO在线监测仪、pH在线测定仪和PLC控制系统；所述温度在线监测仪、DO在线监测仪、pH在线测定仪的一端分别通过探头伸入至反应器本体内部，另一端均与PLC控制系统连接；DO探头将反应器内的DO浓度传递至PLC控制系统，PLC控制系统反馈给空气泵形成联动，以便更加精确的控制系统内DO浓度0.5～0.6mg/L；反应器本体的底部设置曝气装置，曝气装置与设置在反应器本体外部的空气泵连接；所述空气泵还与PLC控制系统连接；反应器侧壁设置加热装置，所述加热装置与PLC控制系统连接，并与温度在线监测仪形成联动，通过温度在线监测仪监测反应器内部温度，将温度信息传输至PLC控制系统，再经PLC控制系统调节加热装置的加热状态，即当温度超过设定温度时，加热装置停止加热；当温度低于设定温度时，加热装置开始加热，温度控制在29～31℃；反应器内部设置搅拌装置，所述搅拌装置与PLC控制系统连接；

以餐厨废水处理过程中的好氧污泥为接种污泥，以餐厨垃圾厌氧废水作为进水，应用所述半短程硝化反应器进行半短程硝化工艺的启动过程中包括：接种来源于餐厨废水处理工艺、污泥浓度为4～6g/L并经过强曝气的好氧池污泥，DO浓度控制在6～8mg/L。

2.根据权利要求1所述的一种半短程硝化反应器，其特征在于，所述加热装置为硅胶加热带。

3.根据权利要求2所述的一种半短程硝化反应器，其特征在于，所述硅胶加热带外还设置石棉层。

4.根据权利要求1所述的一种半短程硝化反应器，其特征在于，反应器本体的底部设有进气口，进气口通过管道与空气泵连接，进气口和空气泵之间设置气体流量计。

5.根据权利要求4所述的一种半短程硝化反应器，其特征在于，反应器本体的侧壁上还设置排水阀和排泥阀；所述排泥阀设置在近反应器底部；所述排水阀设置于反应器本体上部。

6.根据权利要求1～5任一所述的一种半短程硝化反应器，其特征在于，所述PLC控制系统还与远程监控系统连接，并通过有线网络与远程监控系统交换数据信息和控制信息。

7.一种餐厨厌氧废水半短程硝化工艺的启动方法，其特征在于，以餐厨废水处理过程中的好氧污泥为接种污泥，以餐厨垃圾厌氧废水作为进水，应用权利要求1～5任一所述的反应器进行半短程硝化工艺的启动；控制反应器DO在0.5～0.6mg/L；启动过程的温度控制在29～31℃；

启动过程具体包括如下步骤：

1)接种来源于餐厨废水处理工艺、污泥浓度为4～6g/L并经过强曝气的好氧池污泥，DO浓度控制在6～8mg/L；

2)餐厨厌氧废水稀释率为：稀释5～0倍，分阶段逐步提高进水氨氮浓度；第一阶段稀释后，COD为356～487mg/L，NH₄ ⁺-N为156～262mg/L；第二阶段稀释后，COD645～842mg/L，NH₄ ⁺-N 553～731mg/L；不经过稀释的餐厨厌氧原水COD为1510～2130mg/L，NH₄ ⁺-N为983～1510mg/L，通过碳酸氢钠控制反应器进水pH保持在7～8；

3)采用SBR运行方式，运行周期包括：进水8～10min、连续搅拌并曝气6～8h、静置沉淀2～3h、排水8～15min，水力停留时间(HRT)为8～10h。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，反应器的运行周期包括进水阶段、连续搅拌并曝气阶段、静置沉淀阶段和瞬时排水阶段。

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