CN107986443B - 一种适用于cod/n波动大的污水的全程自养脱氮方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于COD/N波动大的污水的全程自养脱氮方法,属于高氨氮废水处理技术领域。第一步,CANON工艺系统的建立;第二步,确定不同COD/N条件下的CANON工艺运行方式,在不同运行条件下,将COD/N为0.28~1.07、氨氮浓度为600±50mg/L的氨氮废水输入装有经过第一步建立获得的稳定CANON工艺自养脱氮反应器,确定CANON工艺在不同COD/N条件下的最佳运行方式,得出不同COD/N条件下的CANON工艺运行方法。使用本发明的CANON工艺处理不同COD/N废水高效、稳定。对于不同COD/N废水的CANON自养脱氮处理方案的优化具有较好的工程意义,可广泛用于污水量不大,而COD/N波动大的分散型污水脱氮处理。

Description

一种适用于COD/N波动大的污水的全程自养脱氮方法
技术领域
本发明涉及一种适用于COD/N波动大的污水的全程自养脱氮方法,属于氨氮废水处理技术领域。
技术背景
近年来,随着我国城镇化和工业化的快速发展,人均用水量逐年增加,同时大量的污水和废水经简单处理或未经处理排入河流湖泊中,造成水污染状况日趋加剧。其中,以不同形式存在的各种含氮化合物进入水体后造成了严重的水体氮素污染和水体富营养化问题,已经成为影响水资源环境、制约经济与社会可持续发展的重要因素。我国在2003年7月实施的城镇污水处理厂污染物排放标准对氮素浓度提出了更高的要求,其中一级A标准要求NH4+-N≤5mg/L,TN≤15mg/L。所以,新建或者改建的污水处理厂都增加了生物脱氮功能。传统的生物脱氮工艺由于工艺流程长、曝气量大、需要外加碳源、污泥产量也较高,极大的增加了污水处理厂的运行维护成本。因此,新型自养脱氮工艺应运而生。
全程自养脱氮工艺(CANON工艺)是2002年由荷兰Delft大学提出的一种新型脱氮工艺。该工艺利用氨氧化细菌(AOB)和厌氧氨氧化细菌(anammox菌)的协同作用,在一个反应器中实现氨氧化成氮气的过程.由于AOB和anammox菌均为自养型细菌,因此CANON系统无需外加有机物质,可大幅降低处理成本.同时,与传统硝化反硝化脱氮工艺相比,CANON工艺理论上可节省约63%曝气量、减少90%剩余污泥产量,在处理含氮尤其是高氨氮废水时优势显著。
目前,CANON工艺已经成功运用于COD/N小于0.5的高氨氮废水的处理之中,主要处理对象为污泥消化液和垃圾渗滤液。李冬、吴青、梁瑜海等的发明专利CN 103482765A(2014-01-01),“一种常温低污水同时脱氮除COD工艺的快速启动方法”,通过接种CANON污泥挂膜,采用SNAD工艺,处理进水COD浓度为40mg/L,氨氮浓度为180~220mg/L的废水(即COD/N约为0.2)。15天后CANON工艺运行稳定,能同时进行脱氮除COD。然而,多数污水COD/N往往大于0.5,如果仍然按照现有的CANON工艺进行自养脱氮,大量COD的存在极易造成异养菌的增殖,使得系统稳定性降低,从而大大限制脱氮效果。所以目前主要通过前置有机物处理单元,将CANON进水COD/N降至0.5以下。但是此法不仅增加了处理费用,而且维护管理复杂,运行成本极高。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于COD/N波动大的污水的全程自养脱氮工艺。具体是通过优化CANON工艺本身的运行方法,使其不光能适用于低COD/N进水,也适应较高COD/N进水条件,使处理能力大大提高,同时降低处理成本。
为了达到上述目的,本发明通过接种成熟CANON污泥,在限氧条件下,通过投加乙酸钠模拟不同COD/N废水的方式,确定CANON工艺在不同COD/N条件下的最佳运行方式。使用本发明既可以维持不同COD/N下CANON工艺的脱氮性能,同时也消除了前置有机物处理单元带来的麻烦。且运行灵活多变,可调性强。非常适合污水量不大,而COD/N波动大的分散型污水脱氮处理。
本发明的具体工艺如下:
第一步,CANON工艺系统的建立
接种CANON污泥到具有曝气功能的自养脱氮SBR反应器中,混合后CANON污泥的污泥浓度为3000~4000mgSS/L;然后,将COD浓度为0g/L,氨氮浓度为600±50mg/L的氨氮废水进水输入反应器内,通过投加NaHCO3控制反应器内的碱度为3000mg/L左右,出水氨氮浓度控制在30mg/L以上。此时系统中COD/N平均为0.1。反应器内的搅拌速度为160~180r/min,充水比为0.4,温度30±1℃,反应器每天运行3个周期,每个周期8h。反应阶段总共7h,分6h曝气段和1h缺氧段。测定出水中的氨氮、硝氮、亚硝氮的浓度,数据稳定不变时,通过计算,出水亚硝酸盐浓度基本为0mg/L,出水硝氮浓度比较稳定,平均为60.0mg/L,出水硝氮与进水氨氮比值为0.11左右。平均氨氮去除率为95.2%,平均总氮去除率为84.6%,平均总氮去除负荷为0.56kg N/m3/d。在该阶段,最高氨氮去除率为100%,最高总氮去除率为88.7%,为CANON系统理论最大值。CANON工艺系统成功建立。
上述保证出水氨氮浓度控制在30mg/L以上的目的是防止由于氨氮不足造成溶解氧升高、亚硝酸盐积累和NOB增殖等问题。
上述保证出水氨氮浓度30mg/L的方法是:当出水氨氮浓度高于50mg/L时,减小进水的充水比,降低氨氮初始浓度,保证出水氨氮浓度30mg/L;当出水氨氮浓度低于10mg/L时,提高充水比,增加氨氮初始浓度,保证出水氨氮浓度30mg/L;
第二步,确定不同COD/N条件下的CANON工艺运行方式
阶段Ⅰ:将COD/N为0~0.28的氨氮废水进水输入装有经过第一步处理获得的稳定状态的CANON自养脱氮反应器中,控制反应器内的搅拌速度为160~180r/min,充水比为0.4,温度为30±1℃;反应阶段设7h,分1h缺氧段和6h曝气段,曝气量为0.24±0.02L/min,在此条件下运行14天左右,测定水中的氨氮、硝氮、亚硝氮的浓度数据,通过计算,平均氨氮去除率为88.6%,平均总氮去除率为83.2%,平均总氮去除负荷上升为0.59kg N/m3/d。
阶段Ⅱ:将阶段Ⅰ处理好的水排出,再将COD/N为0.28~0.59和0.59~0.82的氨氮废水分步输入,其特征在于提高曝气量至0.28±0.02L/min和0.34±0.02L/min,其他运行条件与阶段Ⅰ相同,在此条件下运行约31天,测定水中的氨氮、硝氮、亚硝氮的浓度数据,通过计算,平均氨氮去除率为89.7%,平均总氮去除率为85.3%,平均总氮去除负荷降低为0.58kg N/m3/d。
阶段Ⅲ:将阶段Ⅱ处理好的水排出,将COD/N为0.82~1.07的氨氮废水输入,其特征在于反应阶段设7h,分0.5h缺氧段和6.5h曝气段,适当提高曝气量至0.40±0.02L/min,其他运行条件与上述相同。在此条件下运行约34天,测定水中的氨氮、硝氮、亚硝氮的浓度数据,通过计算,总氮去除率为60.1%,总氮去除负荷为0.43kg N/m3/d。
上述不同COD/N下的氨氮废水的氨氮浓度为600±50mg/L;
上述第一步,第二步的进水过程均需添加微量元素和市售分析纯商品,每次添加量如下:MgSO4·7H2O 200mg/L,KH2PO4 30mg/L,CaCl2 226mg/L,微量元素液Ⅰ:1.25mL/L,微量元素液Ⅱ:1mL/L;配水采用自来水进行配制。其中:
微量元素液Ⅰ组成为:EDTA 5g/L,FeSO4·7H2O 5g/L。
微量元素液Ⅱ组成为:EDTA·2Na为18.75mg/L,ZnSO4·7H2O为0.54mg/L,CoCl2·6H20为0.3mg/L,MnCl2·4H2O为1.24mg/L,CuSO4·5H2O为0.31mg/L,NaMoO4·2H2O为0.275mg/L,NiCl·6H2O为0.24mg/L,H3BO4为0.0175mg/L,NaSeO4·10H2O为0.26mg/L,NaWO4·2H2O为0.06mg/L。
本发明的有益结果:
1.本发明在接种CANON污泥的情况下,控制溶解氧在0.15~0.2mg/L,通过投加NaHCO3控制反应器内的碱度为3000mg/L左右,设置7h反应阶段,分6h曝气段和1h缺氧段,可成功构建稳定的CANON系统,总氮去除率最高可达88.7%。
2.本方法通过分步提高进水COD/N值,确定了针对不同COD/N下的CANON工艺最佳运行条件,为COD/N波动大的污水采用CANON工艺的使用提供了很好途径。
3.本发明适用于含有机物废水的自养脱氮处理,通过不同COD水平下的总氮去除率及出水亚硝酸盐的测定,确定COD增加时,确保CANON系统自养脱氮效果的调控方法。
附图说明
图1为本发明的装置示意图
图2为本发明的反应过程中COD/N的变化图
具体实施方式
第一步,建立CANON工艺系统
1.接种本实验室培养的2L CANON污泥,加水稀释到2.5L,投入总体积为3L,有效体积为2.5L的SBR反应器中(见图1),接种后反应器中污泥浓度为4105mgSS/L。
本实验室培养CANON污泥的方法为:接种粒径较小厌氧氨氧化颗粒污泥及短程硝化絮体污泥到SBR反应器中,调节进水氨氮浓度为300±20mg/L,进行曝气厌氧运行。
2.确定SBR反应器运行方式,设定每一个周期为:进水20min,反应420min(每段曝气时间360min,缺氧时间60min),沉淀30min,出水5min,闲置5min;采用全自动时控开关控制,每天3个周期,每一个周期为8个小时;利用水浴加热装置及蠕动泵,维持反应器温度在30±1℃。
3.反应器进水为上述人工模拟高氨氮废水,控制进水COD为0g/L,氨氮浓度为600±50mg/L,碱度为3000mg/L左右,每周期进水体积为1L。充水比为0.4;曝气段曝气量控制在0.24L/min,反应器中溶解氧为0.14mg/L左右;搅拌速度为170r/min。通过在线pH、DO、氨氮电极对反应器运行状态进行监测。反应相当的时间后进行取样,取样时间为曝停前后1min内,利用紫外分光光度计对吸光度进行测定,分析水样的氨氮、硝氮、亚硝氮的去除率;达到稳定时出水亚硝酸盐浓度基本为0mg/L,出水硝氮浓度平均为60.0mg/L,出水硝氮与进水氨氮比值为0.11左右。平均氨氮去除率为95.2%,平均总氮去除率为84.6%,平均总氮去除负荷为0.56kg N/m3/d。本阶段经历时间约为20天。
第二步,确定不同COD/N条件下的CANON工艺运行方式
1.按第一步建立起的CANON工艺自养脱氮系统,以人工配水的方式,通过配水时加入不同量的乙酸钠,得到COD/N从0.28到1.07的变化(COD/N值为0.28、0.59、0.82、1.07)的氨氮废水。
2.首先在COD/N为0.28条件下,控制运行条件为:反应器内的搅拌速度为160~180r/min,充水比为0.4,温度为30±1℃;反应阶段设7h,分1h缺氧段和6h曝气段,曝气量为0.24±0.02L/min。稳定时总氮、氨氮的去除率平均分别达到83.2%、95.2%,平均总氮去除负荷为0.59kg N/m3/d,出水硝氮浓度为29mg/L。本过程经历约14天的运行。
3.将处理好的水排出,再将进水COD/N平均为0.59的氨氮废水输入反应器。控制运行条件为:反应器内的搅拌速度为160~180r/min,充水比为0.4,温度为30±1℃;反应阶段设7h,分1h缺氧段和6h曝气段,曝气量为0.28±0.02L/min。测定水中的氨氮、硝氮、亚硝氮的浓度数据,得到平均氨氮去除率为89.7%,平均总氮去除率为85.3%,平均总氮去除负荷降低为0.58kg N/m3/d。之后为COD/N为0.82时,其运行条件与COD/N平均为0.59相近,不同的是在此条件下将曝气量增加至0.34±0.02L/min。稳定后系统脱氮性能与上述相似。本过程经历时间约为31天。
4.最后将进水COD/N平均为1.07的氨氮废水输入反应器,控制运行条件为:反应器内的搅拌速度为160~180r/min,充水比为0.4,温度为30±1℃;反应阶段设7h,分0.5h缺氧段和6.5h曝气段,曝气量为0.40±0.02L/min。氨氮和亚硝态氮的去除效率有所降低,乙酸钠出现严重积累。反应器出水亚硝酸盐出现较大波动,平均出水亚硝酸盐浓度为16mg/L,异养细菌的大量增殖和较高的出水亚硝酸盐浓度造成污泥沉降性能下降,污泥流失率提高。解决污泥流失的措施为:每天从反应器中取出100mL混合污泥,经过0.25mm的筛网将絮体冲洗出去,厌氧氨氧化颗粒倒回到反应器中。本阶段运行约34天。
实验过程中运行及分析数据如下表1、表2所示:
表1反应器运行阶段及运行参数
表2不同COD/N水平CANON工艺运行脱氮效果
通过以上数据得出CANON工艺对于不同COD/N的废水脱氮处理的运行调控方法。对于含有机物废水的CANON工艺自养脱氮处理方案的优化具有较好的工程意义。
经过长期数据监测,对研究的结果分析得出:在运行条件为:反应器内的搅拌速度为160~180r/min,充水比为0.4,温度为30±1℃;反应阶段设7h,分1h缺氧段和6h曝气段,曝气量为0.24±0.02~0.28±0.02L/min条件下,CANON工艺可处理进水COD/N小于0.59的废水,且在此范围内随着COD/N提高,反应器的脱氮效能随之提高,总氮去除率最高可达95.5%;在运行条件为:反应器内的搅拌速度为160~180r/min,充水比为0.4,温度为30±1℃;反应阶段设7h,分1h缺氧段和6h曝气段,曝气量为0.34±0.02L/min条件下,CANON工艺可处理进水COD/N在0.59~0.82的废水,但在此范围内提高COD/N不再提高反应器的脱氮效率,一部分COD将通过好氧去除,但对反应器的稳定运行没有影响;在运行条件为:反应器内的搅拌速度为160~180r/min,充水比为0.4,温度为30±1℃;反应阶段设7h,分0.5h缺氧段和6.5h曝气段,曝气量为0.40±0.02L/min条件下,CANON工艺可处理进水COD/N在0.82~1.07的废水。但此时大部分的COD将通过好氧去除,异养细菌与AOB竞争溶解氧并大量增殖,污泥膨胀导致AOB流失,反应器脱氮效能下降。所以在此运行条件下需不断将颗粒污泥回收至反应器中,从而保证体系微生物量。

Claims (1)

1.一种适用于COD/N波动大的污水的全程自养脱氮方法,其特征为:
第一步,CANON工艺系统的建立
将CANON污泥接种到具有曝气功能的自养脱氮SBR反应器中,混合后CANON污泥的污泥浓度为3000~4200mgSS/L;将SBR反应器运行方式设定为每天3个周期,每一个周期8h,包括进水,曝气缺氧反应,沉淀,出水,闲置;其中曝气反应6h,缺氧反应1h;将COD浓度为0g/L,氨氮浓度为600±50mg/L的氨氮废水输入反应器内,并通过投加NaHCO3控制反应器内的碱度为3000mg/L;此时SBR反应器内COD/N平均为0.1,在搅拌速度为160~180r/min,充水比为0.4,温度30±1℃下运行;控制出水氨氮浓度控制在30mg/L;测定出水中的氨氮、硝氮、亚硝氮的浓度,发现数据稳定不变时,通过计算,出水亚硝酸盐浓度为0mg/L,出水硝氮浓度稳定在60.0mg/L,出水硝氮与进水氨氮比值为0.11,平均氨氮去除率为95.2%,平均总氮去除率为84.6%,平均总氮去除负荷为0.56kg N/m3/d;在该阶段,最高氨氮去除率为100%,最高总氮去除率为88.7%,CANON工艺系统建立成功;
保证出水氨氮浓度30mg/L的方法是:当出水氨氮浓度高于50mg/L时,减小进水的充水比,降低氨氮初始浓度,保证出水氨氮浓度30mg/L;当出水氨氮浓度低于10mg/L时,提高充水比,增加氨氮初始浓度,保证出水氨氮浓度30mg/L,由此防止由于氨氮不足造成溶解氧升高、亚硝酸盐积累和NOB增殖问题;
第二步,确定不同COD/N条件下的CANON工艺运行方式
阶段Ⅰ:将COD/N为0~0.28的氨氮废水作为进水输入装有经过第一步处理获得的稳定状态的CANON自养脱氮反应器中,控制反应器内的搅拌速度为160~180r/min,充水比为0.4,温度为30±1℃;曝气缺氧反应7h,缺氧1h和曝气6h,曝气量为0.24±0.02L/min,在此条件下运行14天,测定水中的氨氮、硝氮、亚硝氮的浓度数据,通过计算,平均氨氮去除率为88.6%,平均总氮去除率为83.2%,平均总氮去除负荷上升为0.59kg N/m3/d;
阶段Ⅱ:将阶段Ⅰ处理好的水排出,再将COD/N为0.28~0.59和0.59~0.82的氨氮废水进水分步输入,将曝气量依次提高至0.28±0.02L/min和0.34±0.02L/min,其他运行条件与阶段Ⅰ相同,在此条件下运行31天,测定水中的氨氮、硝氮、亚硝氮的浓度数据,通过计算,平均氨氮去除率为89.7%,平均总氮去除率为85.3%,平均总氮去除负荷降低为0.58kg N/m3/d;
阶段Ⅲ:将阶段Ⅱ处理好的水排出,将COD/N为0.82~1.07的氨氮废水进水输入,0.5h缺氧和6.5h曝气反应,提高曝气量至0.40±0.02L/min,其他运行条件与上述相同,在此条件下运行34天,测定水中的氨氮、硝氮、亚硝氮的浓度数据,通过计算,总氮去除率为60.1%,总氮去除负荷为0.43kg N/m3/d;
上述第一步和第二步所有的进水过程均需添加微量元素和市售分析纯商品,每次添加量如下:MgSO4·7H2O为200mg/L,KH2PO4为30mg/L,CaCl2为226mg/L,微量元素液Ⅰ为1.25mL/L,微量元素液Ⅱ为1mL/L;
微量元素液Ⅰ组成为:EDTA 5g/L,FeSO4·7H2O 5g/L;
微量元素液Ⅱ组成为:EDTA·2Na为18.75mg/L,ZnSO4·7H2O为0.54mg/L,CoCl2·6H20为0.3mg/L,MnCl2·4H2O为1.24mg/L,CuSO4·5H2O为0.31mg/L,NaMoO4·2H2O为0.275mg/L,NiCl2·6H2O为0.24mg/L,H3BO4为0.0175mg/L,NaSeO4·10H2O为0.26mg/L,NaWO4·2H2O为0.06mg/L。
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