CN109748393B - 一种强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的装置与方法，属于废水处理领域。设有圆柱型反应装置、进水系统、排水系统、搅拌系统、曝气系统、温控系统、加药系统、DO和pH监测系统。强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除工艺的实现条件在本质上是硝化菌群(主要包括厌氧氨氧化细菌、氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌两大类细菌)结构的优化，即尽可能抑制系统中的亚硝酸氧化细菌，提高厌氧氨氧化细菌和氨氧化细菌的活性。
Description
技术领域
本发明涉及一种污水处理技术，具体是强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的装置与方法，尤其是在传统活性污泥法中强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的装置与方法，适用于城市生活污水的脱氮处理，有利于经济有效的控制水体氮素污染，提高污水脱氮效率，节省脱氮成本，属于废水处理方法领域。
背景技术
随着工农业的飞速发展以及人民生活水平的提高，水环境问题越来越引起人们的关注。传统活性污泥法是目前污水处理厂普遍采用的污水脱氮方法，主要包括硝化-反硝化过程。硝化过程是指首先在氨氧化细菌（AOB）的作用下，将氨态氮转化为亚硝态氮；然后亚硝态氮在亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的作用下，转化为硝态氮。反硝化作用是指在缺氧且存在有机碳源的条件下，硝态氮和亚硝态氮在反硝化菌的作用下还原为N2的过程。
序批式活性污泥法（SBR）是传统活性污泥法中的一种主要方法，其结合了进水、曝气、沉淀及排水的反应系统，具有流程简单、运行方式灵活、工艺调整方便、生化反应效果好等优点。目前污水处理厂对污水脱氮效率以及脱氮成本极为关注，而序批式活性污泥法曝气量大、需要外加大量的碳源。因此，可以通过强化活性污泥中厌氧氨氧化菌的活性来提高曝气阶段总氮去除，从而降低运行成本。
1977年奥地利科学家Broda提出了一种氧化氨态氮耦合硝态氮或亚硝态氮还原生成氮气的无机自养微生物；1995年，荷兰科学家Mulder在反硝化生物反应器中发现了厌氧氨氧化菌。厌氧氨氧化菌是一种自养细菌，属于浮霉菌门；它以二氧化碳或碳酸盐作为碳源，以铵盐作为电子供体、亚硝酸盐作为电子受体进行反应。厌氧氨氧化反应无需外加有机碳源作为电子供体，在节约成本的同时，防止了投加碳源产生的二次污染；只需将进水中约50%氨氮氧化为亚硝态氮， 节省了供氧动力消耗；反应过程中几乎不产生N2O，避免了传统硝化—反硝化工艺中产生的温室气体排放；微生物增值速度慢，产泥量少。因此，厌氧氨氧化菌是污水处理中重要的细菌，但是其在传统活性污泥法中会受到DO、有机物的抑制，这就需要一种强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的装置与方法，通过施加各种有利于强化厌氧氨氧化活性的调控方法，给出最优的环境控制参数，达到强化厌氧氨氧化活性的效果。
本发明的技术方案是：
一种强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的装置，其特征在于：设有圆柱型反应装置、进水系统、排水系统、搅拌系统、曝气系统、温控系统、加药系统、DO和pH监测系统，进水系统为：进水箱依次通过潜水泵、进水管与圆柱型反应器顶部连通；在圆柱型反应器底部向上1/5处设有排水系统，排水系统为：通过排水管与出水箱连通；搅拌系统：在圆柱型反应器顶部由电动机带动圆柱型反应器内部的搅拌桨转动；曝气系统：圆柱型反应器内底部装有一曝气圆盘，曝气圆盘通过气体转子流量计与空气泵连接，控制曝气量；温控系统：加热棒和温度探头均伸入到圆柱型反应器内，加热棒和温度探头均与温控装置连接，进行温度监测；加药系统包括两部分，一部分是加碳源的装置，在圆柱形反应装置顶端设有一加药口，用于加碳源；另一部分是加锰离子溶液的装置，圆柱型反应器侧面底部依次通过阀门和蠕动泵连接锰离子溶液；DO和pH监测系统：DO和pH探头分别伸入到圆柱型反应器内，用手持数字多参数计（WTW）连接的DO和pH探头分别监测DO和pH的变化。
在圆柱形反应装置顶端设置的加药口，依次通过阀门和蠕动泵与乙醇溶液连接。
上述的强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的运行方法，其特征是设有以下步骤：
启动阶段：在进水之前，利用潜水泵将取自二沉池的活性污泥泵入到反应器中。之后利用潜水泵将进水箱的生活污水泵入到反应器中；打开搅拌装置，打开温控装置，使温度控制在20-35℃；打开空气泵，使气体流经玻璃转子流量计后通过曝气圆盘进入到反应器中，通过调节转子流量计将DO浓度控制在2.0-3.0mg/L，进入曝气搅拌阶段，此阶段连续监测系统中的DO和pH，当DO突然上升时，硝化过程结束，关闭曝气；以c(NOx -:COD)=4-5的比例（浓度比，单位为mg/L），向反应器中投加碳源，当pH稳定时，反硝化过程结束，关闭搅拌装置，静置，待泥水分离之后，通过排水管将水排出，一个反应周期结束，换污水进入下一个反应周期；如此往复7天，待种泥活性恢复之后，将DO浓度控制在0.4-0.6mg/L，继续进行上述硝化-反硝化过程，此后进入到正常运行阶段；
正常运行阶段：打开进水阀门，然后打开潜水泵进水，将待处理的生活污水由圆柱形反应器顶部进入到序批式生物反应器中，打开搅拌装置，使泥水充分混合，调节转子流量计使DO维持在0.4-0.6mg/L，生活污水在氨氧化细菌的作用下，将大部分氨态氮氧化为亚硝态氮，极少量氨态氮在厌氧氨氧化细菌的作用下转变为硝态氮和氮气，即当DO突然上升之后关闭曝气，以c(NOx -:COD)=4-5的比例（浓度比，单位为mg/L）投加碳源，污水在反硝化菌的作用下，将硝态氮还原为氮气；静置沉淀后将出水排入到出水箱中；
强化厌氧氨氧化活性阶段：当反应器处理效果稳定时，即步骤2）曝气后总氮去除不再发生变化时，开始向反应器中投加二价锰离子溶液，使得二价锰离子在体系中的浓度为3-5mg/L；首先通过潜水泵将生活污水泵入到反应器中，然后打开搅拌装置，同时将添加锰离子溶液的蠕动泵打开，以一定转速将锰离子溶液泵入到反应器中，之后打开空气泵曝气进行反应，当DO浓度突然上升时，关闭曝气；然后以c(NOx -:COD)=4-5的比例（浓度比，单位为mg/L）投加碳源；静置沉淀后排水。
强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除工艺的实现条件在本质上是硝化菌群（主要包括厌氧氨氧化细菌、氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌两大类细菌）结构的优化，即尽可能抑制系统中的亚硝酸氧化细菌，提高厌氧氨氧化细菌和氨氧化细菌的活性。
本发明所提供的强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的装置与方法是将提高厌氧氨氧化菌和氨氧化细菌活性，抑制亚硝酸盐氧化菌活性等因素综合在一起，具体包括：
系统控制在低溶解氧浓度下，有利于富集氨氧化细菌。根据两类微生物的生理特性，在好氧阶段，由于氨氧化细菌对氧的亲和能力比亚硝酸氧化细菌强，氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌的氧饱和常数分别为0.2-0.5mg/L和1.2-1.5mg/L。因此较低的溶解氧浓度下，氨氧化细菌的生长速率大于亚硝酸氧化细菌的生长速率。长期在此条件下运行，有利于富集氨氧化细菌。
系统控制在低氧浓度下，有利于厌氧氨氧化菌发挥作用。较高溶解氧会抑制厌氧氨氧化菌反应，较低浓度下的影响相对较小；且低氧条件下氨氧化细菌生长速率大于亚硝酸盐氧化细菌的生长速率，这就为亚硝的积累提供了可能，从而为厌氧氨氧化菌的反应提供了基质。
低氧条件下，系统运行温度控制在25℃，有利于提高氨氧化细菌活性。氨氧化细菌的最佳生长温度为25℃-30℃，因此控制系统运行温度在25℃，有利于氨氧的化细菌生长和富集。
低氧条件下，Mn2+能够提高厌氧氨氧化菌的活性。在代谢过程中，除了亚硝酸盐，Anammox菌还可利用Mn2+作为电子受体。
系统中待处理的污水pH值在7.0-7.5范围内（即原水的pH值，没有外加药剂），有利于富集氨氧化细菌。氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌的最适pH范围有所差异，分别为7.0-8.5和6.5-7.5。因此长期在这种条件下运行，有利于氨氧化细菌的富集。
本发明的强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的装置与方法同现有处理城市生活污水的技术相比，具有下列优点：
节能降耗效果好。污水处理厂的大部分费用用于电耗及药耗，然而低溶解氧降低了电耗，厌氧氨氧化菌活性的提高降低了硝酸盐的产量，从而降低了药耗。
2）可靠性高。SBR适用于水质水量变化大的中小城镇的生活污水处理。
3）基建费用和运行费用低。SBR的基建费用和运行费用要低于普通活性污泥法的费用。
4）工艺简单。一般情况下可不设调节池和初次沉淀池，同时它还不需要设二次沉淀池、回流污泥设备，所有的工序通过时间上的安排，在一个池子内完成了进水、反应、沉淀和排水等一系列工艺过程。
5）节省占地。SBR布局紧凑，节省占地。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1 进水箱；2 潜水泵；3 进水管；4 温控装置；5 加热棒；6 取样口、排泥口；7搅拌机；8 搅拌桨；9 加药口10 锰离子溶液；11 蠕动泵1；12 空气泵；13 转子流量计；14曝气圆盘；15 DO探头；16 pH探头；17 手持数字多参数计（WTW）；18 排水管；19 出水箱；20圆柱形反应装置；21 乙醇溶液；22 蠕动泵2
图2为本发明实施例中稳定运行阶段处理效果图；
图3为本发明实施例中强化厌氧氨氧化活性阶段处理效果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例
参见附图1，强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的装置：设有圆柱型反应装置、进水系统、排水系统、搅拌系统、曝气系统、温控系统、加药系统、DO和pH监测系统。圆柱型反应器有效容积为20L（20），设置有5个阀门，取样口（6）和排泥口相同。进水系统通过进水箱（1）、潜水泵（2）、进水管（3）与圆柱型反应器顶部连通；在圆柱型反应器底部向上1/5处设有排水系统，通过排水管（18）与出水箱（19）连通；搅拌系统由搅拌机（7） 和搅拌桨（8）组成；反应器底部装有一曝气圆盘（14），曝气圆盘连接气体转子流量计（13），气体转子流量计连接空气泵（12），控制曝气量；温控装置（4）通过加热棒（5）调节反应装置温度；加药装置包括两部分，一部分是加碳源（21）的装置，通过进水管、蠕动泵2（22）与圆柱形反应装置顶端一加药口（9）连接；另一部分是加锰离子溶液（10）的装置，通过进水管、蠕动泵1（11）连接到底部第1个阀门处；利用手持数字多参数计（WTW）（17）连接的DO探头（15）和pH探头（16）分别监测DO和pH的变化。
强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的方法，以实际生活污水作为实验对象：NH4 +-N=60mg/L，pH=7.0-7.5，所选择的SBR容积为22L，运行方法按以下步骤完成：
1）启动阶段：在进水之前，利用潜水泵将取自二沉池的活性污泥泵入到反应器中。之后利用潜水泵将进水箱的生活污水泵入到反应器中，进水量为20L；打开搅拌装置，转速为160rpm；打开温控装置，使温度控制在25℃；打开空气泵，使气体流经玻璃转子流量计后通过曝气圆盘进入到反应器中，通过调节转子流量计将DO浓度控制在2.0-3.0mg/L左右，进入曝气搅拌阶段。此阶段连续监测系统中的DO和pH，当DO突然上升时，硝化过程结束，关闭曝气；利用蠕动泵以34rpm的转速将0.1L浓度为2%的乙醇溶液泵入到反应器中，当pH变化很缓慢即基本稳定时，反硝化过程结束，关闭搅拌装置；静置，待泥水分离之后，通过排水管将水排出，一个反应周期结束，换污水进入下一个反应周期。如此往复7天，待种泥活性恢复之后，将DO浓度控制在0.4mg/L-0.6mg/L左右，继续进行上述硝化-反硝化过程，此后进入到正常运行阶段。
2）正常运行阶段：打开进水阀门，然后打开潜水泵进水，将待处理的生活污水由圆柱形反应器顶部进入到序批式生物反应器中，打开搅拌装置，使泥水充分混合，调节转子流量计使DO维持在0.5mg/L，生活污水在氨氧化细菌的作用下，将大部分氨态氮氧化为硝态氮，极少量氨态氮在厌氧氨氧化细菌的作用下转变为硝态氮和氮气，即当DO突然上升之后关闭曝气，利用蠕动泵以34rpm的转速将0.1L浓度为1.4%的乙醇溶液泵入到反应器中，污水在反硝化菌的作用下，将硝态氮还原为氮气；静置沉淀后将出水排入到出水箱中。
3）强化厌氧氨氧化活性阶段：当反应器曝气阶段的处理效果稳定时，开始向反应器中投加二价锰离子溶液。进水之前，首先利用MnCl2固体配制Mn2+溶液，Mn2+
浓度为600mg/L，体积为0.1L。通过潜水泵将生活污水泵入到反应器中，然后打开搅拌装置，同时将添加锰离子溶液的蠕动泵打开，以34rpm的转速将0.1L锰离子溶液在1min内泵入到反应器中，之后打开空气泵曝气进行反应，当DO浓度突然上升时，关闭曝气；利用蠕动泵以34rpm的转速将0.1L浓度为1.2%的乙醇溶液泵入到反应器中；静置沉淀后排水。
Claims (1)
1.一种强化厌氧氨氧化活性提高好氧氮去除的方法，其特征在于：采用的装置：设有圆柱型反应装置、进水系统、排水系统、搅拌系统、曝气系统、温控系统、加药系统、DO和pH监测系统，进水系统为：进水箱依次通过潜水泵、进水管与圆柱型反应器顶部连通；在圆柱型反应器底部向上1/5处设有排水系统，排水系统为：通过排水管与出水箱连通；搅拌系统：在圆柱型反应器顶部由电动机带动圆柱型反应器内部的搅拌桨转动；曝气系统：圆柱型反应器内底部装有一曝气圆盘，曝气圆盘通过气体转子流量计与空气泵连接，控制曝气量；温控系统：加热棒和温度探头均伸入到圆柱型反应器内，加热棒和温度探头均与温控装置连接，进行温度监测；加药系统包括两部分，一部分是加碳源的装置，在圆柱形反应装置顶端设有一加药口，用于加碳源；另一部分是加锰离子溶液的装置，圆柱型反应器侧面底部依次通过阀门和蠕动泵连接锰离子溶液；DO和pH监测系统：DO和pH探头分别伸入到圆柱型反应器内，用手持数字多参数计连接的DO和pH探头分别监测DO和pH的变化；
在圆柱形反应装置顶端设置的加药口，依次通过阀门和蠕动泵与乙醇溶液连接；
去除方法包括以下步骤：
启动阶段：在进水之前，利用潜水泵将取自二沉池的活性污泥泵入到反应器中；之后利用潜水泵将进水箱的生活污水泵入到反应器中；打开搅拌装置，打开温控装置，使温度控制在20-35℃；打开空气泵，使气体流经玻璃转子流量计后通过曝气圆盘进入到反应器中，通过调节转子流量计将DO浓度控制在2.0-3.0mg/L，进入曝气搅拌阶段，此阶段连续监测系统中的DO和pH，当DO突然上升时，硝化过程结束，关闭曝气；以c(NOx -:COD)=4-5的比例向反应器中投加碳源，上述c(NOx -:COD)为浓度比，浓度单位为mg/L，当pH稳定时，反硝化过程结束，关闭搅拌装置，静置，待泥水分离之后，通过排水管将水排出，一个反应周期结束，换污水进入下一个反应周期；如此往复7天，待种泥活性恢复之后，将DO浓度控制在0.4-0.6mg/L，继续进行上述硝化-反硝化过程，此后进入到正常运行阶段；
正常运行阶段：打开进水阀门，然后打开潜水泵进水，将待处理的生活污水由圆柱形反应器顶部进入到序批式生物反应器中，打开搅拌装置，使泥水充分混合，调节转子流量计使DO维持在0.4-0.6mg/L，生活污水在氨氧化细菌的作用下，将大部分氨态氮氧化为亚硝态氮，极少量氨态氮在厌氧氨氧化细菌的作用下转变为硝态氮和氮气，即当DO突然上升之后关闭曝气，以c(NOx -:COD)=4-5的比例投加碳源，上述c(NOx -:COD)为浓度比，浓度单位为mg/L，污水在反硝化菌的作用下，将硝态氮还原为氮气；静置沉淀后将出水排入到出水箱中；
3）强化厌氧氨氧化活性阶段：当反应器处理效果稳定时，即步骤2）曝气后总氮去除不再发生变化时，开始向反应器中投加二价锰离子溶液，使得二价锰离子在体系中的浓度为3-5mg/L；首先通过潜水泵将生活污水泵入到反应器中，然后打开搅拌装置，同时将添加锰离子溶液的蠕动泵打开，以一定转速将锰离子溶液泵入到反应器中，之后打开空气泵曝气进行反应，当DO浓度突然上升时，关闭曝气；然后以c(NOx -:COD)=4-5的比例投加碳源；静置沉淀后排水，上述c(NOx -:COD)为浓度比，浓度单位为mg/L。
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