CN108439588A

CN108439588A - 亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置和方法

Info

Publication number: CN108439588A
Application number: CN201810100265.7A
Authority: CN
Inventors: 高大文; 彭正阳
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Beijing University of Civil Engineering and Architecture
Priority date: 2018-02-01
Filing date: 2018-02-01
Publication date: 2018-08-24
Anticipated expiration: 2038-02-01
Also published as: CN108439588B

Abstract

亚硝化‑厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置和方法。它涉及一种实现亚硝化‑厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置和方法。本发明是为了解决现有方法中目前主流亚硝化‑厌氧氨氧化工艺难以稳定运行，容易发生硝酸盐积累的技术问题。装置包括：进水管、进水槽、进水孔、固定填料槽、溶解氧温度在线监测探头、水浴加热装置、廊道隔板、出水堰、出水槽、出水管及曝气头，方法：一、接种污泥；二、启动装置。本发明将间歇曝气、曝气总量控制、低溶解氧浓度、剩余氨抑制等多种对亚硝酸盐氧化菌产生抑制的手段相结合，实现了主流亚硝化‑厌氧氨氧化工艺的稳定运行，抑制了亚硝酸盐氧化菌的活性，避免了硝酸盐的积累导致的反应器运行不稳定。

Description

亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置和方法

技术领域

本发明涉及一种实现亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置和方法。

背景技术

传统的生物脱氮技术是以硝化、反硝化为基础的污水脱氮技术。基于硝化、反硝化的多种污水处理工艺，如缺氧/好氧(A/O)工艺、厌氧/缺氧/好氧(A²/O)工艺等已经被广泛应用于各个污水处理厂。然而这些基于硝化、反硝化的脱氮过程，不仅前段硝化过程所需曝气量较大，而且后段反硝化工程常由于COD不足而需要外加碳源，投资与运营成本较高，也与国家倡导的节能、低耗的可持续发展方针不符。

厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌利用NH₄ ⁺-N(氨态氮)作为电子供体，NO₂ ^--N(亚硝态氮)作为电子受体，生成N₂(氮气)和少量NO₃ ^--N(硝态氮)的反应。亚硝化-厌氧氨氧化工艺是将AOB(氨氧化细菌)与厌氧氨氧化菌组合起来，去除污水中的氨氮。这种工艺与传统的硝化、反硝化工艺相比，具有多方面的优势：(1)无需投加有机物作为碳源，既节省了费用，又避免了二次污染；(2)耗氧量大为降低，能耗运行费用降低；(3)由于厌氧氨氧化反应仅用一步便可将氨氧化成氮气，故工艺本身的产酸量得到了大大下降，从而节省了中和试剂的使用。

自2002年第一座厌氧氨氧化实际工程建成以来，截至2014年，世界范围内已有超过100座使用亚硝化-厌氧氨氧化工艺的实际污水处理设施。然而，尽管近年来厌氧氨氧化获得了广泛的研究和长足的发展，但其实际应用多集中于市政污水测流处理、高氨氮污水等方面，主流亚硝化-厌氧氨氧化的应用还有许多难题尚未解决。相比于侧流处理的高温、高氨氮、低C/N比等诸多有利因素，主流亚硝化-厌氧氨氧化运行过程中，低进水氨氮使得没有足够高的游离氨对NOB(亚硝酸盐氧化菌)形成抑制，低温使得厌氧氨氧化活性降低而提高了NOB的竞争力，NOB的生长和较高的活性成了影响系统稳定运行的关键因素。现有的研究表明，在城市污水氨氮浓度下，剩余氨、溶解氧浓度和氨浓度比例控制、短暂的缺氧均有利与形成对NOB的抑制。然而，即使有一些有效的NOB抑制手段，亚硝化-厌氧氨氧化工艺在城市污水处理的过程中依然难以控制，容易发生硝酸盐积累，影响体系运行效果。

因此，利用亚硝化-厌氧氨氧化工艺处理生活污水中的氨氮时，如何抑制NOB，避免硝酸盐积累显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有方法中目前主流亚硝化-厌氧氨氧化工艺难以稳定运行，容易发生硝酸盐积累的技术问题，提供了一种亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置和方法。

亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置包括：进水管、进水槽、进水孔、固定填料槽、溶解氧温度在线监测探头、水浴加热装置、廊道隔板、出水堰、出水槽、出水管及曝气头，所述固定填料槽的一端与进水槽和出水槽连接，固定填料槽与进水槽连接的端面上设有进水孔，固定填料槽与出水槽连接的端面上设有出水堰，进水槽上设有进水管，且进水管穿过水浴加热装置，出水槽上设有出水管，且出水管穿过水浴加热装置，固定填料槽的内部由廊道隔板分隔成两个廊道，两个廊道的一端联通，固定填料槽4的底部设有曝气头。

所述廊道中填充固定填料，溶解氧温度在线监测探头插入固定填料中。

所述固定填料是聚氨酯海绵由铜丝串连后固定在钢架上，再将钢架放置在廊道中。

亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法如下：

一、向固定填料槽内的固定填料接种厌氧氨氧化颗粒污泥100mL和沉淀后的AOB絮状污泥100mL，并在运行的第62天向固定填料槽内加入1.5L城市污水处理厂二沉池污泥，第89天向固定填料槽内加入0.5L城市污水处理厂二沉池污泥；

二、打开水浴加热装置，使水浴温度为30±2℃，在氨氮浓度为70mg/L、COD为70mg/L、C/N为1:1的条件下，启动亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置，利用碳酸氢钾调节进水pH值为7.5-8.0，调节进水管的进水流速，使水力停留时间为12小时，采用间歇曝气，根据出水水质情况控制调节曝气头曝气强度及曝气时间：(1)当出水没有亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N<5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N<0.11，氨氮有剩余，NH₄ ⁺-N>5mg/L时，提高5％-10％的曝气强度(通过延长间歇曝气过程中曝气阶段时长或增大曝气时气体流速控制，当间歇曝气调整至停曝15min、曝气30min后仅通过气体流速调整曝气强度)；(2)当出水亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N>5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N>0.11)时，降低5％-10％的曝气强度(通过降低曝气时气体流速控制)。随运行时间的延长，逐步根据上述策略提高曝气量，去除率也随之升高，当氨氮去除率达到90％，降低水力停留时间至8小时，并继续按出水水质情况控制调节曝气头曝气强度及曝气时间运行反应器，即完成亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法。

反应器采用推流式反应器，外部有水浴加热装置，维持反应器温度为30±2℃，反应器共两个廊道，廊道中填充有固定载体。载体采用聚氨酯海绵填料，利用铜丝串连后固定在钢架上，再将钢架放置在反应器廊道中，形成固定生物载体。污水先进入反应器前端的进水槽中，通过进水孔进入反应器中，在反应器两个廊道中自然推流，不设搅拌装置，最后在反应器末端溢流出水。在反应器中设有溶解氧温度在线监测探头，在线监测DO(溶解氧)及温度，在固定填料下部，设有曝气头，采取间歇曝气的运行方式，曝气量根据反应器出水调控，调控措施为：(1)若出水有剩余氨氮，而没有亚硝酸盐氮和硝酸盐氮过量积累，则增大曝气强度；(2)若出水有亚硝酸盐氮或硝酸盐氮积累，则减小曝气强度。

本发明利用模拟经预处理(高负荷活性污泥法、厌氧处理等)脱除大部分COD的生活污水实现对污水中氮的脱除。

本发明利用固定床生物膜法，在载体上形成了较为稳定的生物膜，利用生物膜不同深度处微生物生境的差异，使得在曝气阶段，生物膜表面的氨氧化细菌能够利用氧气将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，同时使得生物膜内部的厌氧氨氧化菌拥有更加厌氧的微环境，提高生物活性。

本发明在接种阶段向反应器中投加了大量普通城市污水处理厂二沉池污泥，使得反应器中存在大量氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化菌、异养好氧菌及反硝化菌等。而本发明独特的反应器构造及运行方式使得反应器中的大量亚硝酸盐氧化菌并没有表现出较高的活性，而大量氨氧化细菌及异养好氧菌利用氨氮及少量有机物在曝气阶段迅速消耗溶解进入体系中的溶解氧，使得曝气阶段溶解氧浓度也处于0.2mg/L以下。此外进水中的少量有机物也给反硝化菌提供了底物，发生了少量反硝化反应，进一步提升了出水水质。

本发明采取间歇曝气与曝气总量控制相结合的曝气策略，间歇曝气利用缺氧过后氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌活性恢复速度的差异，抑制亚硝酸盐氧化菌，避免硝酸盐积累。曝气总量控制通过出水水质情况调控而不是根据反应器中溶解氧浓度调控，若出水有剩余氨氮，而没有亚硝酸盐氮和硝酸盐氮过量积累，则增大曝气强度；若出水有亚硝酸盐氮或硝酸盐氮积累，则减小曝气强度。这种调控方式使得溶解进入反应器中的氧气几乎处于恰好够用的状态，溶解氧浓度始终处于0.2mg/L以下，有利于对亚硝酸盐氧化菌的抑制。

本发明采用自然推流的运行方式，不增加机械搅拌，只有曝气阶段的少量扰动，因此反应器内部氨氮浓度从进水端至出水端呈现逐渐下降的趋势，同时除了反应器末端以外，反应器内部始终存在剩余氨，这部分剩余氨的存在使得厌氧氨氧化菌拥有较为充足的底物，在与亚硝酸盐氧化菌竞争利用亚硝酸盐的过程中具有更大的优势，进一步抑制亚硝酸盐氧化菌的活性。

本发明将间歇曝气、曝气总量控制、低溶解氧浓度、剩余氨抑制等多种对亚硝酸盐氧化菌产生抑制的手段相结合，成功实现了主流亚硝化-厌氧氨氧化工艺的稳定运行，成功抑制了亚硝酸盐氧化菌的活性，避免了硝酸盐的积累导致的反应器运行不稳定。

附图说明

图1是本发明亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置的结构示意图；

图2是图1中的A-A剖面示意图；

图3是实验一中进、出水氨氮变化图；

图4是实验一中进、出水亚硝酸盐氮变化图；

图5是实验一中进、出水硝酸盐氮变化图；

图6是实验一比例变化图；

图7是实验一氨氮去除率及总氮去除负荷率图；

图8是实验一总氮去除负荷图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置包括：进水管1、进水槽2、进水孔3、固定填料槽4、溶解氧温度在线监测探头5、水浴加热装置6、廊道隔板7、出水堰8、出水槽9、出水管10及曝气头11，

所述固定填料槽4的一端与进水槽2和出水槽9连接，固定填料槽4与进水槽2连接的端面上设有进水孔3，固定填料槽4与出水槽9连接的端面上设有出水堰8，进水槽2上设有进水管1，且进水管1穿过水浴加热装置6，出水槽9上设有出水管10，且出水管10穿过水浴加热装置6，固定填料槽4的内部由廊道隔板7分隔成两个廊道，两个廊道的一端联通，固定填料槽4的底部设有曝气头11。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述廊道中填充固定填料，溶解氧温度在线监测探头5插入固定填料中。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述固定填料是聚氨酯海绵由铜丝串连后固定在钢架上，再将钢架放置在廊道中。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：采用具体实施方式一的亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置的反应方法如下：

一、向固定填料槽(4)内的固定填料接种厌氧氨氧化颗粒污泥100mL和沉淀后的AOB絮状污泥100mL，并在运行的第62天向固定填料槽(4)内加入1.5L城市污水处理厂二沉池污泥，第89天向固定填料槽(4)内加入0.5L城市污水处理厂二沉池污泥；

二、打开水浴加热装置(6)，使水浴温度为30±2℃，在氨氮浓度为70mg/L、COD为70mg/L、C/N为1:1的条件下，启动亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置，利用碳酸氢钾调节进水pH值为7.5-8.0，调节进水管(1)的进水流速，使水力停留时间为12小时，采用间歇曝气，根据出水水质情况控制调节曝气头(11)曝气强度及曝气时间：(1)当出水没有亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N<5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N<0.11，氨氮有剩余，NH₄ ⁺-N>5mg/L时，提高5％-10％的曝气强度(通过延长间歇曝气过程中曝气阶段时长或增大曝气时气体流速控制，当间歇曝气调整至停曝15min、曝气30min后仅通过气体流速调整曝气强度)；(2)当出水亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N>5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N>0.11)时，降低5％-10％的曝气强度(通过降低曝气时气体流速控制)。随运行时间的延长，逐步根据上述策略提高曝气量，去除率也随之升高，当氨氮去除率达到90％，降低水力停留时间至8小时，并继续按出水水质情况控制调节曝气头(11)曝气强度及曝气时间运行反应器，即完成亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四不同的是步骤二中所述启动亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置，利用碳酸氢钾调节进水pH值为7.6。其他与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本具体实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是步骤二中当出水没有亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N<5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N<0.11，氨氮有剩余，NH₄ ⁺-N>5mg/L时，提高6％的曝气强度。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本具体实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是步骤二中当出水没有亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N<5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N<0.11，氨氮有剩余，NH₄ ⁺-N>5mg/L时，提高7％的曝气强度。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本具体实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是步骤二中当出水没有亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N<5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N<0.11，氨氮有剩余，NH₄ ⁺-N>5mg/L时，提高8％的曝气强度。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本具体实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是步骤二中当出水亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N>5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N>0.11)时，降低7％的曝气强度。其它与具体实施方式一至八之一相同。

具体实施方式十：本具体实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是步骤二中当出水亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N>5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N>0.11)时，降低8％的曝气强度。其它与具体实施方式一至九之一相同。

采用下述实验验证本发明效果：

实验一：

亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法如下：

一、向固定填料槽4内的固定填料接种厌氧氨氧化颗粒污泥100mL和沉淀后的AOB絮状污泥100mL，并在第62天、第89天分别向固定填料槽4内加入城市污水处理厂二沉池污泥各1.5L、0.5L；

二、打开水浴加热装置6，使水浴温度为30℃，在氨氮浓度为70mg/L、COD为70mg/L、C/N为1:1的条件下，启动亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置，利用碳酸氢钾调节进水pH值为7.5-8.0，调节进水管1的进水流速，使水力停留时间为12小时，采用间歇曝气，根据出水水质情况控制调节曝气头11曝气强度及曝气时间：(1)当出水没有亚硝酸盐、硝酸盐积累(NO₂ ^--N<5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N<0.11)，氨氮有剩余(NH₄ ⁺-N>5mg/L)时，提高5％-10％的曝气强度(通过延长间歇曝气过程中曝气阶段时长或增大曝气时气体流速控制，当间歇曝气调整至停曝15min、曝气30min后仅通过气体流速调整曝气强度)；(2)当出水亚硝酸盐、硝酸盐积累(NO₂ ^--N>5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N>0.11)时，降低5％-10％的曝气强度(通过降低曝气时气体流速控制)。随运行时间的延长，逐步根据上述策略提高曝气量，去除率也随之升高，当氨氮去除率达到90％，降低水力停留时间至8小时，并继续按上述策略运行反应器。

反应器水质情况如图3-图5所示，比例变化情况如图6所示，去除率及去除负荷如图7-图8所示，在经过90天的启动期后，进入了较为稳定的运行状态，氨氮去除率约90％，Δ总氮/Δ氨氮，Δ硝酸盐氮/Δ氨氮均在亚硝化-厌氧氨氧化反应理论比值附近波动。反应器进入稳定阶段后，曝气不足时呈现氨氮、总氮去除率下降，但增加曝气强度后去除率会迅速提升；曝气过量时出现硝酸盐积累现象，但降低曝气强度后硝酸盐积累现象迅速消失。

Claims

1.亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置，其特征在于亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置包括：进水管(1)、进水槽(2)、进水孔(3)、固定填料槽(4)、溶解氧温度在线监测探头(5)、水浴加热装置(6)、廊道隔板(7)、出水堰(8)、出水槽(9)、出水管(10)及曝气头(11)，所述固定填料槽(4)的一端与进水槽(2)和出水槽(9)连接，固定填料槽(4)与进水槽(2)连接的端面上设有进水孔(3)，固定填料槽(4)与出水槽(9)连接的端面上设有出水堰(8)，进水槽(2)上设有进水管(1)，且进水管(1)穿过水浴加热装置(6)，出水槽(9)上设有出水管(10)，且出水管(10)穿过水浴加热装置(6)，固定填料槽(4)的内部由廊道隔板(7)分隔成两个廊道，两个廊道的一端联通，固定填料槽(4)的底部设有曝气头(11)。

2.根据权利要求1所述亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置，其特征在于所述廊道中填充固定填料，溶解氧温度在线监测探头(5)插入固定填料中。

3.根据权利要求2所述亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置，其特征在于所述固定填料是聚氨酯海绵由铜丝串连后固定在钢架上，再将钢架放置在廊道中。

4.亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法，其特征在于亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法如下：

二、打开水浴加热装置(6)，使水浴温度为30±2℃，在氨氮浓度为70mg/L、COD为70mg/L、C/N为1:1的条件下，启动亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置，利用碳酸氢钾调节进水pH值为7.5-8.0，调节进水管(1)的进水流速，使水力停留时间为12小时，采用间歇曝气，根据出水水质情况控制调节曝气头(11)曝气强度及曝气时间：(1)当出水没有亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO2^--N<5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N<0.11，氨氮有剩余，NH₄ ⁺-N>5mg/L时，提高5％-10％的曝气强度；(2)当出水亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N>5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH4⁺-N>0.11)时，降低5％-10％的曝气强度，当氨氮去除率达到90％，降低水力停留时间至8小时，并继续按出水水质情况控制调节曝气头(11)曝气强度及曝气时间运行反应器，即完成亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法。

5.根据权利要求4所述亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法，其特征在于步骤二中所述启动亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应装置，利用碳酸氢钾调节进水pH值为7.6。

6.根据权利要求4所述亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法，其特征在于步骤二中当出水没有亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N<5mg/L，ΔNO3^--N/ΔNH₄ ⁺-N<0.11，氨氮有剩余，NH₄ ⁺-N>5mg/L时，提高6％的曝气强度。

7.根据权利要求4所述亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法，其特征在于步骤二中当出水没有亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO2^--N<5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH4⁺-N<0.11，氨氮有剩余，NH4⁺-N>5mg/L时，提高7％的曝气强度。

8.根据权利要求4所述亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法，其特征在于步骤二中当出水没有亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO2^--N<5mg/L，ΔNO3^--N/ΔNH4⁺-N<0.11，氨氮有剩余，NH₄ ⁺-N>5mg/L时，提高8％的曝气强度。

9.根据权利要求4所述亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法，其特征在于步骤二中当出水亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N>5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N>0.11)时，降低7％的曝气强度。

10.根据权利要求4所述亚硝化-厌氧氨氧化工艺稳定运行的推流式反应方法，其特征在于步骤二中当出水亚硝酸盐、硝酸盐积累，NO₂ ^--N>5mg/L，ΔNO₃ ^--N/ΔNH₄ ⁺-N>0.11)时，降低8％的曝气强度。