CN109368784B - 一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺 - Google Patents

一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺，采用推流型厌氧污泥床反应器，所述反应器底部设有底部进水口，侧壁上设有中部进水口，顶部设有出水口，所述中部进水口与底部进水口之间距离是所述出水口与底部进水口之间距离的1/2～3/4；包括以下步骤：接种厌氧氨氧化颗粒污泥于所述反应器中；调节含氮废水的pH至7～8，将含氮废水从底部进水口泵入所述反应器内；含氮废水中，亚硝氮与氨氮浓度比为1～1.1∶1；将有机碳源溶液从中部进水口泵入所述反应器内；体系中，有机碳源溶液的COD浓度与亚硝氮浓度比为0.5～0.7∶1；反应出水从所述出水口排出。本发明的脱氮工艺可在厌氧条件下以较低的碳源需求，实现总氮的深度去除。

Description

一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，尤其涉及一种一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺。
背景技术
近年来，水污染已经成为制约我国经济社会可持续发展的重要因素，严重影响了生态平衡和人类健康。废水氮素排放是水体富营养化的重要致因，对水生生物产生毒性。2015年发布的《水污染防治行动计划》中首次提出了深化污染物排放总量控制，将对水环境质量有突出影响的总氮纳入流域、区域污染物排放总量控制约束性指标体系。
在水体中，氨氮和亚硝氮的危害性主要表现为：1)作为营养物质，诱发“富营养化”，造成水体生态系统功能紊乱；2)作为能源，氨氮和亚硝氮可消耗溶解氧，使水体缺氧，严重时可造成水体变黑发臭；3)作为毒物，氨氮可影响血液中氧的结合，使水生动物致死；亚硝氮可转化为亚硝胺或亚硝酞胺，有“三致”(致癌、致畸、致突变)作用。
生物脱氮是水体氮素污染控制的主要手段。常用的生物脱氮技术所基于的理论基础是微生物全程硝化和反硝化、微生物短程硝化和反硝化、好氧反硝化、厌氧氨氧化等。
厌氧氨氧化是生物脱氮的升级技术，该反应是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以亚硝态氮为电子受体，氨为电子供体，产生氮气并部分生产硝态氮的生物过程。与传统硝化-反硝化过程相比，该过程可降低曝气量、无需有机碳源、物N2O排放，且污泥产率低(约降低90％)，具有工艺流程短、操作简单、运行成本低等优点，是近年来新兴起的一种生物脱氮技术。
然而，根据厌氧氨氧化过程的计量学方程式可知，厌氧氨氧化工艺总氮去除率理论最大值仅为89％，仍有11％的氮素污染物以硝态氮形式残留，脱氮不完全。在工程规模的测流厌氧氨氧化反应器中(进水总氮浓度500～1000mg·L-1)，出水的硝氮可高达50～100mg·L-1。因此，厌氧氨氧化工艺的出水水质难以达到更为严格的排放标准。
一些反硝化菌因缺失一个或多个基因而无法表现全程反硝化功能，可导致亚硝氮的积累，即硝酸盐型短程反硝化工艺。目前，常将厌氧氨氧化与短程反硝化耦合使用。
但是，目前的技术很难获得高效稳定的亚硝氮积累率，更无法实现两种工艺的高效耦合，即无法在一个反应器中培养出和厌氧氨氧化菌协作的短程反硝化菌，将厌氧氨氧化反应产生的硝态氮转化为亚硝氮，再次被厌氧氨氧化菌作为基质利用。
授权公告号为CN104692525B的中国专利公开了一种连续流一体式硝酸盐氮和氨氮同步去除的装置和方法，该方法采用上流式污泥床反应器，将其从下到上分成短程反硝化反应区、中间水区和厌氧氨氧化反应区，废水中硝酸盐氮和氨氮在短程反硝化区以进水中有机碳源为电子供体将硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮，经过中间水区后，亚硝酸盐氮和氨氮在厌氧氨氧化反应区得到去除，实现污水高效脱氮。该方法适用于处理含氨氮、硝氮的废水。但是废水中的氮素常以氨氮形态存在，部分氨氮首先要经过全程硝化转化为硝氮之后才能使用上述方法进行脱氮。
发明内容
本发明提供了一种一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺，可以以最低的碳源需求和供氧需求实现单位总氮的深度去除。
具体技术方案如下：
一种一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺，采用推流型厌氧污泥床反应器，所述反应器底部设有底部进水口，侧壁上设有中部进水口，顶部设有出水口，所述中部进水口与底部进水口之间距离是所述出水口与底部进水口之间距离的1/2～3/4；
包括以下步骤：
(1)接种厌氧氨氧化颗粒污泥于所述反应器中；
(2)调节含氮废水的pH至7～8，将含氮废水从底部进水口泵入所述反应器内；
含氮废水中，亚硝氮与氨氮浓度比为1～1.1∶1；
(3)将有机碳源溶液从中部进水口泵入所述反应器内；体系中，有机碳源溶液的COD与亚硝氮的质量比为0.5～0.7∶1；
(4)反应出水从所述出水口排出。
现有技术中通常将含氮废水与有机碳源溶液同时进入到反应器中，厌氧氨氧化反应与短程反硝化反应同时进行，但是，在有机物存在时，短程反硝化菌会与厌氧氨氧化菌竞争底物亚硝氮，优先消耗亚硝氮，抑制厌氧氨氧化菌的代谢，出水总氮积累。
本发明的脱氮工艺中，先将含氨氮与亚硝氮的废水进入反应器中，在厌氧氨氧化菌作用下进行厌氧氨氧化反应，将氨氮与亚硝氮转化成氮气与硝氮；有机碳源从中部进水口进入反应器内，在中部进水口与出水口之间厌氧氨氧化反应与短程反硝化反应同时进行(节约碳源投加量)，短程反硝化将厌氧氨氧化反应产生的硝氮转化成亚硝氮，再次被厌氧氨氧化菌作为基质回用，可同步高效去除进水中的氨氮和亚硝氮。
氨氮废水中的部分氨氮只需经过短程硝化预处理转化为亚硝氮(节约供氧能耗)，便可使用该工艺进行深度脱氮。与目前现有技术相比，本发明结合短程硝化工艺之后，可以以最低的碳源需求和供氧需求实现单位总氮的深度去除。
本发明的脱氮工艺适用于处理总氮浓度不大于700mg·L-1、且氮素以氨氮和亚硝氮形式存在的含氮废水。
步骤(1)中，所述的厌氧氨氧化颗粒污泥的平均粒径大于0.2mm，厌氧氨氧化菌的丰度高于10％，比厌氧氨氧化活性高于100mgN·g-1VSS·d-1。
优选的，步骤(1)中，所述的厌氧氨氧化颗粒污泥的平均粒径为0.2～3.5mm，厌氧氨氧化菌的丰度为30～50％，比厌氧氨氧化活性为420～500mgN·g-1VSS·d-1。
进一步的，所述的厌氧氨氧化颗粒污泥中，主导厌氧氨氧化菌为Ca.Kuenenia。
优选的，步骤(1)中，控制厌氧氨氧化颗粒污泥的接入量，使反应器中污泥浓度为10～20gVSS·L-1，动态泥床体积大于反应器容积的1/2。
在反应器下半部发生厌氧氨氧化反应，将含氮废水中的亚硝氮与氨氮比例调节至浓度比为1～1.1∶1时，可以使得厌氧氨氧化反应的效率更高。
为了使厌氧氨氧化菌能够存活并高效率地进行厌氧氨氧化反应，含氮废水中还需要含有必要的元素。
所述的含氮废水中还含有：
8～12mg·L-1NaH2PO4、55～60mg·L-1MgSO4·7H2O、5～8mg·L-1CaCl2·2H2O、0.5～2g·L-1KHCO3、微量元素I液和微量元素II液。
进一步的，含氮废水中，微量元素I液和微量元素II液的含量均为1～3m1·L-1；微量元素I液的组成为：5.00g·L-1EDTA和9.14g·L-1FeSO4；微量元素II液的组成为：15.0g·L-1EDTA、0.430g·L-1ZnSO4·7H2O、0.240g·L-1CoCl2·6H2O、0.990g·L-1MnCl2·4H2O、0.250g·L-1CuSO4·5H2O、0.220g·L-1NaMoO4·2H2O、0.210g·L-1NiCl2·6H2O、0.014g·L- 1H3BO4。
优选的，所述含氮废水的进水流量为20～30L·d-1。
步骤(3)中，从中部进水口泵入有机碳源溶液后，反应体系中会同时存在短程反硝化反应与厌氧氨氧化反应。短程反硝化反应将第一阶段厌氧氨氧化反应产生的硝氮转化成亚硝氮，为第二阶段的厌氧氨氧化反应所利用，实现了氮素基质的回用。
优选的，步骤(3)中，控制有机碳源溶液的COD浓度与进水流量，使得体系中，有机碳源溶液的COD与亚硝氮的质量比为0.5～0.7∶1。即：
A×QN×CN＝QC×CC；
其中：A＝0.5～0.7，QN(L·d-1)为含氮废水流量，CN为含氮废水中亚硝氮的浓度(mgN·L-1)，QC(L·d-1)为有机碳源溶液流量，CC为有机碳源溶液中COD浓度(mg·L-1)。
进一步优选的，中部进水口泵入的有机碳源溶液后，体系中有机碳源溶液的COD浓度与亚硝氮浓度比为0.5～0.6∶1。
通过控制含氮废水与有机碳源溶液的进水流量以及有机碳源与亚硝氮的浓度比例，使得在第二阶段中短程反硝化能顺利进行，厌氧氨氧化反应与短程反硝化反应能够较好的耦合。
所述的有机碳源为乙酸钠。
优选的，所述脱氮工艺的运行温度为30～35℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的脱氮工艺中将含氮废水与有机碳源分开进水，可实现厌氧氨氧化反应与短程反硝化反应能够较好的耦合，在厌氧条件下以较低的碳源需求高效去除氨氮和亚硝氮，实现总氮的深度去除。
附图说明
图1为反应装置的结构示意图。
1、底部进水口；2、中部进水口；3、出水口；4、出气口；5、集气罩；6、出水槽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
本发明的脱氮工艺所采用的反应装置如图1所示，为上流式厌氧污泥床反应器，其有效体积为1.5L，反应器内径为7cm，高径比为5。其底部设有底部进水口1，中上部设有中部进水口2，中部进水口2至其底部的距离是反应器本体高度的1/2～3/4。其顶部设有出水槽6，出水槽6的侧壁上设有出水口3。出水槽6上方设有集气罩5，集气罩5上设有出气口4。
以下实施例采用该反应器进行反应。
实施例1
工艺流程如下：
(1)将1.2L颗粒污泥接种于有效体积为1.5L的反应器中，初始污泥浓度为15.0gVSS L-1。
颗粒污泥取自在35±1℃环境下培养两年的厌氧氨氧化颗粒污泥反应器，平均粒径为1.7±1.4mm，比厌氧氨氧化活性为467.7±19.7mgN·g-1VSS·d-1，主导厌氧氨氧化菌为Ca.Kuenenia，相对丰度约为40％。
(2)调节含氮废水的pH至7.7～7.8，将含氮废水从底部进水口泵入反应器内，进水流量为25L·d-1。
进水亚硝氮浓度为280mg·L-1，亚硝氮和氨氮浓度比例为1∶1，含氮废水中的其他成分为NaH2PO4(10mg·L-1)，MgSO4·7H2O(58.6mg·L-1)，CaCl2·2H2O(5.65mg·L-1)，KHCO3(1g·L-1)，微量元素I液和II液(均为1.25ml·L-1)，微量元素I液组成为：EDTA 5.00g·L-1，FeSO4 9.14g·L-1；微量元素II液组成为：EDTA 15.0g·L-1，ZnSO4·7H2O 0.430g·L-1，CoCl2·6H2O 0.240g·L-1，MnCl2·4H2O 0.990g·L-1，CuSO4·5H2O 0.250g·L-1，NaMoO4·2H2O 0.220g·L-1，NiCl2·6H2O 0.210g·L-1，H3BO4 0.014g·L-1。
(3)从中部进水口泵入乙酸钠水溶液，乙酸钠水溶液的流量为25L·d-1，COD浓度为160mg·L-1。
反应出水从出水口排出。
运行时间为20d，整个运行过程中反应温度控制在30～35℃。反应器的脱氮性能如表1所示，可见该工艺能实现较高的总氮去除率和总氮负荷。
实施例2
与实施例1相比，不同之处在于：(1)底部分水口进水中，亚硝氮浓度为280mg·L-1，亚硝氮和氨氮浓度比例为1.1∶1；(2)运行时间为14d。
反应器的脱氮性能如表1所示，可见该工艺能实现较高的总氮去除率和总氮负荷。
表1一体式推流型厌氧氨氧化工艺的脱氮性能
Figure BDA0001835258230000061
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺，其特征在于，采用推流型厌氧污泥床反应器，所述反应器底部设有底部进水口，侧壁上设有中部进水口，顶部设有出水口，所述中部进水口与底部进水口之间距离是所述出水口与底部进水口之间距离的1/2～3/4；
包括以下步骤：
(1)接种厌氧氨氧化颗粒污泥于所述反应器中；
(2)调节含氮废水的pH至7～8，将含氮废水从底部进水口泵入所述反应器内；
含氮废水中，亚硝氮与氨氮浓度比为1～1.1∶1；
(3)将有机碳源溶液从中部进水口泵入所述反应器内；体系中，有机碳源溶液的COD与亚硝氮的质量比为0.5～0.7∶1；
(4)反应出水从所述出水口排出。
2.根据权利要求1所述的一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺，其特征在于，所述的厌氧氨氧化颗粒污泥的平均粒径大于0.2mm，厌氧氨氧化菌的丰度高于10％，比厌氧氨氧化活性高于100mgN·g-1VSS·d-1。
3.根据权利要求1所述的一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺，其特征在于，所述的厌氧氨氧化颗粒污泥中，主导厌氧氨氧化菌为Ca.Kuenenia。
4.根据权利要求1所述的一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺，其特征在于，步骤(1)中，控制厌氧氨氧化颗粒污泥的接入量，使反应器中污泥浓度为10～20gVSS·L-1，动态泥床体积大于反应器容积的1/2。
5.根据权利要求1所述的一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺，其特征在于，所述的含氮废水中还含有：8～12mg·L-1NaH2PO4、55～60mg·L-1MgSO4·7H2O、5～8mg·L-1CaCl2·2H2O、0.5～2g·L-1KHCO3、微量元素I液和微量元素II液。
6.根据权利要求5所述的一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺，其特征在于，含氮废水中，微量元素I液和微量元素II液的含量均为1～3m1·L-1；微量元素I液的组成为：5.00g·L-1EDTA和9.14g·L-1FeSO4；微量元素II液的组成为：15.0g·L-1EDTA、0.430g·L- 1ZnSO4·7H2O、0.240g·L-1CoCl2·6H2O、0.990g·L-1MnCl2·4H2O、0.250g·L-1CuSO4·5H2O、0.220g·L-1NaMoO4·2H2O、0.210g·L-1NiCl2·6H2O、0.014g·L-1H3BO4。
7.根据权利要求1所述的一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺，其特征在于，所述含氮废水的进水流量为20～30L·d-1。
8.根据权利要求1所述的一体式推流型完全厌氧氨氧化脱氮工艺，其特征在于，运行温度为30～35℃。
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