CN108178302B - 基于羟胺快速启动与稳定维持短程硝化/厌氧氨氧化一体化的装置与方法 - Google Patents

基于羟胺快速启动与稳定维持短程硝化/厌氧氨氧化一体化的装置与方法 Download PDF

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Abstract

基于羟胺快速启动与稳定维持短程硝化/厌氧氨氧化一体化的装置与方法属于城市生活污水生物处理领域。对于短程硝化/厌氧氨氧化一体化工艺来说，短程硝化的稳定运行和与之匹配的厌氧氨氧化菌活性至关重要，而仅仅通过工艺参数的控制很难快速的启动并稳定维持城市污水的短程硝化/厌氧氨氧化的运行，本专利通过投加羟胺(HA)可以达到抑制亚硝酸盐氧化细菌活性的同时提高厌氧氨氧化活性的效果，在较短的时间内启动一体化短程硝化/厌氧氨氧化反应器并维持较好的处理效果。短程硝化/厌氧氨氧化一体化工艺，与传统的硝化‑反硝化脱氮工艺相比，节约曝气量，减少产泥量，节省碳源，尤其适用于低C/N的城市生活污水。

Description

基于羟胺快速启动与稳定维持短程硝化/厌氧氨氧化一体化 的装置与方法
技术领域
本发明相关的基于羟胺快速启动与稳定维持短程硝化/厌氧氨氧化一体化的装置与方法，属于污水生物处理领域，尤其适用于C/N较低的城市生活污水脱氮。
背景技术
近年来，在污水处理领域中具有突破性进展的研究就是厌氧氨氧化(anammox)过程的发现。在厌氧氨氧化过程中，氨氮与亚硝态氮在厌氧环境中进行反应生成氮气，其中亚硝态氮为氨氮的氧化提供电子。其反应计量式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
与传统的硝化/反硝化工艺相比，厌氧氨氧化脱氮技术有三大优点：(1)节省60％的曝气量；(2)节约100％的有机碳源；(3)污泥产量减少90％。但是对于厌氧氨氧化技术在城市污水处理中的应用存在着几大问题，其中的两大瓶颈包括(1)短程硝化的快速启动与稳定维持；(2)厌氧氨氧化生长缓慢。
为了探究实现短程硝化的方法进行了很多研究。全程硝化反应是分两步进行的，首先污水中的氨氮在氨氧化菌(AOB)的作用下被氧化为亚硝酸盐，然后亚硝酸盐在亚硝酸氧化菌(NOB)的作用下被氧化为硝态氮。所以基于AOB和NOB的生理结构和对环境改变的表现不同，探究了很多实现方法。包括高温、低溶解氧(DO)、游离亚硝酸(FNA) 和游离氨(FA)抑制、实时控制等。
但是这些方法存在着一些不可忽视的弊端，1、高温虽然能够扩大AOB和NOB生长速率的差距，但是对于城市污水来说，加热消耗的费用很大；2、AOB的氧饱和系数低于 NOB，较低的DO易于实现短程硝化，但是较低的DO同样也会降低AOB的活性，使氨氧化速率变慢；3、FA和FNA抑制来实现城市污水主流短程硝化需要旁侧处理，另建处理池；4、实时控制，即在氨氮氧化完前停止曝气，防止亚硝酸盐氧化为硝酸盐这一过程的进行。但是研究表明通过实时控制来实现短程硝化所需的时间很长。
羟胺(HA)是短程硝化的中间产物，氨氮在氨单加氧酶(AMO)的作用下氧化为羟胺，继而羟胺在羟胺氧化酶(HAO)的作用下氧化为亚硝酸盐。
AMO：NH3+2H++O2+2e-→NH2O+H2O
Figure DEST_PATH_IMAGE002
HA作为AOB的硝化底物，适量的投加可以提高氨氧化速率，使AOB的活性增强；而HA本身又是一种毒性物质，其对NOB具有毒性抑制作用，因此通过投加适量的HA可以快速实现短程硝化。同时，有研究表明羟胺可以活化厌氧氨氧化菌的活性并且加快其生长速率。基于以上论述提出了通过投加羟胺实现短程硝化/厌氧氨氧化一体化的快速启动与稳定运行的方法与装置。
发明内容
厌氧氨氧化脱氮技术，相比于传统的硝化/反硝化工艺节约60％曝气量，节省100％碳源，减少90％的污泥产量。但对于城市污水的处理来说，短程硝化的快速启动及稳定运行，和提高厌氧氨氧化的活性是两大难题，本发明提供了一种基于羟胺快速启动和稳定维持短程硝化/厌氧氨氧化一体化的方法，该方法启动短程硝化/厌氧氨氧化耗时短，效果稳定，操作简单方便，可以获得较好的生活污水处理效果，达到污水排放标准。本方法可以为短程硝化/厌氧氨氧化一体化的工程应用提供参考。
一种通过基于羟胺快速启动与稳定维持短程硝化/厌氧氨氧化一体化的装置，其特征在于，该装置由进水箱(1)，短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)连接而成；首先进水箱(1)通过进水泵(8)和进水阀(9)向短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)进水，短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)的出水由电动排水阀(11)排出；通过排泥阀(10)排泥；
所述短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)设有DO传感器(4)，pH传感器(5)和DO/pH 测定仪(3)，加热棒(7)，搅拌器(12)，曝气泵(13)，流量计(14)，曝气头(15)，加药泵(16)，其中DO/pH测定仪(3)与自控平台(6)相连接；
2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
短程硝化过程的启动：
1)首先在短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中接种硝化污泥：接种的硝化污泥为城市污水处理厂A2/O处理工艺的二沉池回流污泥，接种后硝化污泥浓度为2000-2500mg/L；
2)在常温条件下启动短程硝化，将生活污水由进水箱(1)通过进水泵(8)和进水阀(9)泵入短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中；
3)短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中的搅拌器(12)开启，缺氧搅拌30min-60min，利用进水中的有机碳源反硝化掉上一周期的亚硝态氮或硝态氮；
4)缺氧结束后，通过加药泵(13)投加一定量的羟胺，使短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中的羟胺浓度为2.5-4.5mgHA/L，每天只投加一次；同时曝气泵(13)开启，向短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)内鼓入空气，曝气过程中曝气量通过调节流量计(14) 调节使短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)内DO＝1-3mg/L，曝气时间90min-120min。通过 pH传感器(5)将pH信号传给自控平台(6)；5)曝气结束后曝气泵(13)关闭，通过排泥阀(10)每周期排泥保证SRT为20-25天；搅拌器(12)关闭，静沉短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)使泥水分离；
6)电动排水阀(11)开启，排水；短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)闲置；
7)曝气结束后检查短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)出水中亚硝积累率是否达到90％以上；若亚硝积累达到90％以上且稳定运行7天以上，说明短程硝化启动成功，此时减少投加羟胺的频率，改为5天投加一次；若出水亚硝酸盐积累率未达到90％以上，继续按照原有频率投加羟胺和运行，直至亚硝积累达到90％以上且稳定运行7天以上；
短程硝化/厌氧氨氧化过程的运行：
i)向已经成功启动短程硝化的短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中接种厌氧氨氧化颗粒污泥，接种后厌氧氨氧化污泥浓度达2500-3000mg/L；
ii)在35℃条件下启动短程硝化/厌氧氨氧化短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)，反应期间由加热棒(7)控制短程硝化/厌氧氨氧化短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)温度。生活污水由进水箱(1)通过进水泵(8)和进水阀(9)泵入短程硝化/厌氧氨氧化短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)；
iii)进水结束后短程硝化/厌氧氨氧化短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中的搅拌器(12) 开启，缺氧搅拌10min-30min，利用进水中的有机碳源反硝化掉上一周期的硝态氮；
iv)缺氧结束后通过加药泵(13)向短程硝化/厌氧氨氧化短程硝化/厌氧氨氧化反应器 (2)中投加一定量的羟胺，使短程硝化/厌氧氨氧化短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中的羟胺浓度为2.5-4.5mgHA/L，投加频率为5天投加一次；同时曝气泵(13)开启，向短程硝化/厌氧氨氧化短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)内曝气，通过调节流量计(14)，使短程硝化/厌氧氨氧化短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中DO＝0.5-1mg/L，曝气时间 260-300min。通过pH传感器(5)将pH信号传给自控平台(6)；
v)曝气结束后曝气泵(13)关闭，通过排泥阀(10)每周期排泥保证絮体污泥的SRT为20-25d，将排出的颗粒污泥返回短程硝化/厌氧氨氧化短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)；搅拌器(12)关闭，静沉短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)使泥水分离；
vi)电动排水阀(11)开启，排水；短程硝化/厌氧氨氧化短程硝化/厌氧氨氧化反应器 (2)闲置，为下一周期运行做准备；
vii)系统返回步骤i)进入下一周期。
本发明为基于羟胺快速启动与稳定维持短程硝化/厌氧氨氧化一体化的装置。本发明具有以下优点：
①系统可以快速启动短程硝化过程，亚硝积累大于90％，并稳定维持；
②羟胺的投加在维持短程的同时可以提高厌氧氨氧化的活性，有效解决厌氧氨氧化
工艺应用的瓶颈问题；
③本工艺采用短程硝化/厌氧氨氧化脱氮过程，节能降耗。
④反应器为SBR反应器具有序批式反应器应有的优势:工艺简单，运行灵活，反应推动力大，沉淀排水效果好，无污泥膨胀，耐冲击负荷，适合自动化操作；
⑤羟胺作为一种工业用品，用途广泛，廉价易得；同时其也是短程硝化过程和厌氧氨氧化过程的中间产物，适量添加出水中不会有羟胺的残留，不会对环境造成二次污染。
附图说明
图1为短程硝化/厌氧氨氧化一体化的装置的结构示意图；如图1：1-进水箱；2-短程硝化/厌氧氨氧化反应器；3-DO/pH测定仪；4-DO探头；5-pH探头；6-自控平台；7-加热棒；8-进水泵；9-进水阀；10-排泥阀；11-电动排水阀；12-搅拌器；13-曝气泵；14-流量计；15-曝气头；16-加药泵。
图2为短程硝化启动阶段的运行时序图；
图3为短程硝化/厌氧氨氧化反应器运行时序图。
具体实施方式
本方法采用的反应器为SBR，形状为圆柱形，有效容积为10L，由有机玻璃制成。短程硝化/厌氧氨氧化反应器底部安装有曝气装置，可通过调节流量计和DO在线反馈控制所需的溶解氧。短程硝化/厌氧氨氧化反应器内置搅拌器，保证在反应阶段泥水混合均匀。由蠕动泵进水，电动排水阀出水，反应过程由在线平台控制。羟胺的投加由加药泵实现，方便准确快捷。
实验期间进水水质具体情况如下表：
Figure BDA0001539906110000051
该系统运行期间，污水处理流程如下：首先进水箱(1)中的生活污水通过进水泵(8) 和进水阀(9)泵入短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)，进行缺氧搅拌，利用原水中的有机碳源反硝化掉上一周的硝态氮；缺氧反应结束后由加药泵向短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中投加一定量的HA，使反应器中HA的浓度为3.5mgHA/L，每5天投加一次；同时曝气泵(13)开始曝气，氨氮短程硝化产生亚硝态氮，氨氮和亚硝态氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气；继而排泥沉淀排水，短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)的出水由电动排水阀(11)排水；完成整个周期。
投加羟胺实现部分短程硝化-厌氧氨氧化的装置与方法，其特征在于,包括以下内容：周期运行操作步骤如下：
短程硝化过程的启动：
1)首先在反应器(2)中接种全程硝化污泥：接种的硝化污泥为某城市污水处理厂A2/O 处理工艺的二沉池回流污泥，接种后硝化污泥浓度为2000-2500mg/L；
2)在常温条件下启动短程硝化，将生活污水由进水箱(1)通过进水泵(8)和进水阀(9)泵入反应器(2)中，进水10min；
3)反应器(2)中的搅拌器(12)开启，缺氧搅拌30min，利用进水中的有机碳源反硝化掉上一周期的亚硝态氮或硝态氮；
4)缺氧结束后，通过加药泵(13)投加一定量的羟胺，使反应器(2)中的羟胺浓度为3.5mgHA/L，每天只投加一次；同时曝气泵(13)开启，向反应器(2)内鼓入空气，曝气过程中曝气量通过调节流量计(14)调节，通过DO传感器(4)将DO信号传给自控平台(6)以维持反应器(2)内DO＝1mg/L，曝气时间120min。通过pH传感器(5) 将pH信号传给自控平台(6)；自控平台(6)控制运行中反应器的进水，搅拌，曝气，排泥，排水，并实现短程硝化启动过程中反应器(2)的恒定溶解氧；
5)曝气结束后曝气泵(13)关闭，通过排泥阀(10)每周期排泥83ml(83ml/周期× 6周期/天＝498ml/天；SRT＝10000ml/498ml≈20d)；搅拌器(12)关闭，静沉反应器(2)30min，泥水分离；
6)电动排水阀(11)开启，排水10min，排水比为0.5；反应器(2)闲置50min，为下一周期运行做准备，
7)曝气结束后检查反应器(2)出水中亚硝积累率
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是否达到90％以上；若亚硝积累达到90％且稳定运行7天以上，说明短程硝化启动成功，此时减少投加羟胺的频率，改为5天投加一次；若出水亚硝酸盐积累率未达到90％以上，继续按照原有频率投加羟胺和运行。
短程硝化/厌氧氨氧化过程的启动与稳定运行：
i)向已经成功启动短程硝化的反应器(2)中接种厌氧氨氧化颗粒污泥，接种的厌氧氨氧化颗粒污泥为实验室的厌氧氨氧化颗粒污泥，厌氧氨氧化污泥浓度达2500mg/L；
ii)在35℃条件下启动短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)，反应期间由加热棒(7)控制短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)温度。生活污水由进水箱(1)通过进水泵(8)和进水阀(9)泵入短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)，进水10min；
iii)进水结束后短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中的搅拌器(12)开启，缺氧搅拌10min，利用进水中的有机碳源反硝化掉上一周期的硝态氮；
iv)缺氧结束后通过加药泵(13)向短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中投加一定量的羟胺，使短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中的羟胺浓度为3.5mgHA/L，投加频率为5 天投加一次；同时曝气泵(13)开启，向短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)内曝气，通过调节流量计(14)，使短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)中恒定DO＝0.5mg/L(降低DO 对厌氧氨氧化菌的抑制作用)，曝气时间290min。通过pH传感器(5)将pH信号传给自控平台(6)；自控平台(6)控制运行中反应器的进水，搅拌，曝气，排泥，排水，并实现短程硝化启动过程中反应器(2)的恒定溶解氧；
v)曝气结束后曝气泵(13)关闭，通过排泥阀(10)每周期排泥83ml(83ml/周期× 6周期/天＝498ml/天；SRT＝10000ml/498ml≈20d)，将排出的颗粒污泥返回短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)；搅拌器(12)关闭，静沉反应器(2)30min，泥水分离；
vi)电动排水阀(11)开启，排水10min，排水比为0.5；短程硝化/厌氧氨氧化反应器(2)闲置10min，为下一周期运行做准备；
vii)而后系统返回到步骤i)，重复以上步骤。
通过监测进出水中的氮素变化观察反应器的运行情况。
短程硝化/厌氧氨氧化反应器具体运行参数如下：
短程硝化启动阶段：进水为生活污水，排水比为0.5，每周期进5L生活污水。T＝4h:进水10min；缺氧30min；好氧曝气120min；沉淀30min；排水10min；闲置50min。
短程硝化/厌氧氨氧化运行阶段：进水为生活污水，排水比为0.5，每周期进5L水。T＝6h：进水10min；缺氧搅拌10min；好氧曝气290min；沉淀30min；排水10min；闲置 10min。
实验运行期间，反应器中pH也不刻意控制(原水pH在7.2-7.8之间)；对溶解氧有一定的控制要求，在短程硝化启动阶段，反应器的DO通过平台控制为1mg/L，在短程硝化/厌氧氨氧化运行期间反应器内溶解氧由平台控制为0.5mg/L(控制的DO下降是为了尽可能降低DO对厌氧氨氧化活性的抑制)；在短程硝化/厌氧氨氧化阶段温度为35℃。
短程硝化/厌氧氨氧化过程中，出水的平均COD，NH4 +-N，NO3 --N，NO2 --N浓度分别如下：37.06mg/L，1.02mg/L，6.28mg/L，0.68mg/L。上述出水指标稳定且均达到国家一级A标准。

Claims (1)

1.基于羟胺快速启动与稳定维持短程硝化/厌氧氨氧化一体化的方法，其特征在于,所应用装置由进水箱（1），短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）连接而成；首先进水箱（1）通过进水泵（8）和进水阀（9）向短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）进水，短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）的出水由电动排水阀（11）排出；通过排泥阀（10）排泥；
所述短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）设有DO传感器（4），pH传感器（5）和DO/pH测定仪（3），加热棒（7），搅拌器（12），曝气泵（13），流量计（14），曝气头（15），加药泵（16），其中DO/pH测定仪（3）与自控平台（6）相连接；
包括以下步骤：
短程硝化过程的启动：
1)首先在短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）中接种硝化污泥：接种的硝化污泥为城市污水处理厂A2/O处理工艺的二沉池回流污泥，接种后硝化污泥浓度为2000-2500mg/L；
2)在常温条件下启动短程硝化，将生活污水由进水箱（1）通过进水泵（8）和进水阀（9）泵入短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）中；
3)短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）中的搅拌器（12）开启，缺氧搅拌30min-60min，利用进水中的有机碳源反硝化掉上一周期的亚硝态氮或硝态氮；
4)缺氧结束后，通过加药泵（13）投加一定量的羟胺，使短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）中的羟胺浓度为2.5-4.5mgHA/L，每天只投加一次；同时曝气泵（13）开启，向短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）内鼓入空气，曝气过程中曝气量通过调节流量计（14）调节使短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）内DO=1-3mg/L，曝气时间90min-120min；通过pH传感器（5）将pH信号传给自控平台（6）；5)曝气结束后曝气泵（13）关闭，通过排泥阀（10）每周期排泥保证SRT为20-25天；搅拌器（12）关闭，静沉短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）使泥水分离；
6)电动排水阀（11）开启，排水；短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）闲置；
7)曝气结束后检查短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）出水中亚硝积累率是否达到90%以上；若亚硝积累达到90%以上且稳定运行7天以上，说明短程硝化启动成功，此时减少投加羟胺的频率，改为5天投加一次；若出水亚硝酸盐积累率未达到90%以上，继续按照原有频率投加羟胺和运行，直至亚硝积累达到90%以上且稳定运行7天以上；
短程硝化/厌氧氨氧化过程的运行：
i)向已经成功启动短程硝化的短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）中接种厌氧氨氧化颗粒污泥，接种后厌氧氨氧化污泥浓度达2500-3000mg/L；
ii)在35℃条件下启动短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2），反应期间由加热棒（7）控制温度；生活污水由进水箱（1）通过进水泵（8）和进水阀（9）泵入；
iii)进水结束后,短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）中的搅拌器（12）开启，缺氧搅拌10min-30min，利用进水中的有机碳源反硝化掉上一周期的硝态氮；
iv)缺氧结束后通过加药泵（13）向短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）中投加一定量的羟胺，使羟胺浓度为2.5-4.5mgHA/L，投加频率为5天投加一次；同时曝气泵（13）开启，向短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）内曝气，通过调节流量计（14），使DO=0.5-1mg/L，曝气时间260-300min；通过pH传感器（5）将pH信号传给自控平台（6）；
v)曝气结束后曝气泵（13）关闭，通过排泥阀（10）每周期排泥保证絮体污泥的SRT为20-25d，将排出的颗粒污泥返回短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）；搅拌器（12）关闭，静沉使泥水分离；
vi)电动排水阀（11）开启，排水；短程硝化/厌氧氨氧化反应器（2）闲置，为下一周期运行做准备；
vii)系统返回步骤i）进入下一周期。
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