CN109824145B - 调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮的装置与方法，属于废水处理方法领域。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。本发明通过控制条件，在过程中通过额外添加厌氧氨氧化颗粒污泥和即采用间歇曝气的方式来强化自养脱氮。本发明处理效率高，可靠性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种污水处理技术，具体是调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮的装置与方法，尤其是在活性污泥中快速实现自养脱氮的装置与方法，适用于城市生活污水的的脱氮处理，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。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。
活性污泥法中短程硝化过程容易被破坏，且厌氧氨氧化过程易受抑制，这阻碍了生活污水自养脱氮的实现。可以通过改变外界环境调控菌群结构来实现氨氧化、反硝化和厌氧氨氧化联合反应去除全程硝化过程中的总无机氮。这一方法的应用不仅解决了难于实现短程硝化和ANAMMOX菌缺少的问题，而且节约了能源与药剂费。
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％氨氮氧化为亚硝酸态氮，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，对快速实现生活污水自养脱氮发挥重要作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮的装置与方法，通过向活性污泥中添加厌氧氨氧化颗粒污泥的方法进行菌群调控，给出最优的环境控制参数，达到快速实现生活污水自养脱氮的效果。
本发明的技术方案是：
一种调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮的装置：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；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；另一部分是加添加厌氧氨氧化颗粒污泥的装置，圆柱型反应器侧面中下部设有投加氧氨氧化颗粒污泥口，氧氨氧化颗粒污泥通过此口加入到圆柱型反应器中；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。
所述的碳源优选为乙醇。
投加氧氨氧化颗粒污泥口通过蠕动泵或螺旋杆输送装置与厌氧氨氧化颗粒污泥连接，或手动从投加氧氨氧化颗粒污泥口加入氧氨氧化颗粒污泥。
排水管在圆柱型反应器底部1/5处与出水箱连通。
上述的调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮装置的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)启动及稳定运行阶段：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25±1℃；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0.5±0.1mg/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；直至即每个周期总氮去除不再发生变化时；进入下一阶段；
2)菌群调控阶段：以厌氧氨氧化颗粒污泥与全程硝化絮体活性污泥(污泥浓度优选为4482mg/L)质量比值为1:2(以污泥干重比来计)向装置中投加厌氧氨氧化颗粒污泥；厌氧氨氧化颗粒污泥投加完之后，打开进水阀门和潜水泵开始进水，将待处理的生活污水由圆柱形反应器顶部进入到反应器中，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0.5±0.1mg/L，生活污水中的大部分氨态氮在硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的作用下，转化为硝态氮和氮气；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，硝态氮在反硝化菌的作用下转化为氮气；静置沉淀后将出水排入到出水箱中，完成一个周期，换污水进入下一周期；直至即每个周期总氮去除不再发生变化时；进入下一阶段；
3)强化深度脱氮阶段：当菌群调控阶段处理效果稳定时，即步骤2)曝气后总氮去除不再发生变化时，改变运行模式进一步深度脱氮，即采用间歇曝气的方式来强化自养脱氮，在每30min的好氧搅拌后增加15min的缺氧搅拌，直至曝气结束；具体的运行模式为：将待处理的生活污水由圆柱形反应器顶部进入到反应器中(反应器中仍为步骤2)中的厌氧氨氧化颗粒污泥和全程硝化絮体活性污泥)，打开搅拌装置，使泥水充分混合，然后打开曝气装置，调节转子流量计使DO浓度在0.5±0.1mg/L，曝气30min后，关闭曝气装置，之后缺氧搅拌15min；接着再打开曝气装置，曝气30min后关闭曝气缺氧搅拌15min；如此反复直至曝气结束，曝气结束之后以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。
上述步骤(3)当DO浓度突然上升时曝气结束。
调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮在本质上是提高全程硝化絮体活性污泥中的厌氧氨氧化菌的数量和活性，从而提高曝气阶段的总氮去除效果。
本发明所提供的调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮的装置与方法是将提高厌氧氨氧化细菌和氨氧化细菌活性，降低亚硝酸盐氧化菌活性等因素综合在一起，具体包括：
1)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。
2)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。
3)相比于生物膜形态的厌氧氨氧化菌来说，厌氧氨氧化颗粒污泥取用更加方便且更容易适应SBR运行的水力条件。
4)由于厌氧氨氧化菌倍增时间长，相比于在硝化系统内培养和富集厌氧氨氧化菌来说，直接向系统内投加厌氧氨氧化颗粒污泥节省了时间，提供了处理效率。
5)采用间歇曝气的方式有利于提高总氮去除率。增加缺氧阶段有利于进一步去除好氧阶段产生的硝态氮，从而达到深度脱氮的目的。
本发明的调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮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：
1)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，然而低溶解氧和间歇曝气降低了电耗，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)处理效率高。直接投加厌氧氨氧化颗粒污泥大大提高了处理效率。
3)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。
4)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。
5)工艺简单，节省占地。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，布局紧凑。
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投加厌氧氨氧化颗粒污泥口；11厌氧氨氧化颗粒污泥；12空气泵；13转子流量计；14曝气圆盘；15DO探头；16pH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。
图2为本发明实施例中菌群调控和强化深度脱氮处理的效果图；具体实施方法
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，调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮的装置：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，取样口和排泥口相同(6)。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；加碳源装置(21)，通过进水管、蠕动泵(22)与圆柱形反应装置顶端一加药口(9)连接；厌氧氨氧化颗粒污泥(11)直接从投加厌氧氨氧化颗粒污泥口(10)倒入圆柱形反应装置中；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。
调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮的方法，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)启动及稳定运行阶段：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，转速设置为160rpm；打开温控装置，使温度控制在25±1℃；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0.5±0.1mg/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；利用蠕动泵以34rpm的转速将0.1L浓度为1.6％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；
2)菌群调控阶段：以厌氧氨氧化颗粒污泥(污泥本身浓度为44504mg/L)与全程硝化絮体活性污泥(体系中污泥浓度为4482mg/L)比值为1:2(以污泥干重比来计)向装置中投加厌氧氨氧化颗粒污泥，优选向装置中投加的厌氧氨氧化颗粒污泥的量为1L。厌氧氨氧化颗粒污泥投加完之后，打开进水阀门和潜水泵开始进水，将待处理的生活污水由圆柱形反应器顶部进入到反应器中，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0.5±0.1mg/L，生活污水中的大部分氨态氮在硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的作用下，转化为硝态氮和氮气；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0.9％的乙醇溶液泵入到反应器中，硝态氮在反硝化菌的作用下转化为氮气；静置沉淀后将出水排入到出水箱中；
3)强化深度脱氮阶段：当菌群调控阶段处理效果稳定时，即步骤2)曝气后总氮去除不再发生变化时，改变运行模式进一步深度脱氮，即采用间歇曝气的方式来强化自养脱氮。在每30min的好氧搅拌后增加15min的缺氧搅拌，直至曝气结束。具体的运行模式为：将待处理的生活污水由圆柱形反应器顶部进入到反应器中(反应器中仍为步骤2)中的厌氧氨氧化颗粒污泥和全程硝化絮体活性污泥)，打开搅拌装置，使泥水充分混合，然后打开曝气装置，调节转子流量计使DO浓度在0.5±0.1mg/L，曝气30min后，关闭曝气装置，之后缺氧搅拌15min；接着再打开曝气装置，曝气30min后关闭曝气缺氧搅拌15min；如此反复直至曝气结束。曝气结束之后利用蠕动泵以34rpm的转速将0.1L浓度为0.75％的乙醇溶液泵入到反应器中；静置沉淀后排水。
Claims (5)
1.一种调控菌群结构快速实现生活污水自养脱氮的方法，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；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；另一部分是加添加厌氧氨氧化颗粒污泥的装置，圆柱型反应器侧面中下部设有投加氧氨氧化颗粒污泥口，氧氨氧化颗粒污泥通过此口加入到圆柱型反应器中；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；快速实现生活污水自养脱氮的方法具体包括以下步骤：
1)启动及稳定运行阶段：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25±1℃；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0.5±0.1mg/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，上述为浓度比，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；直至即每个周期总氮去除不再发生变化时；进入下一阶段；
2)菌群调控阶段：以厌氧氨氧化颗粒污泥与全程硝化絮体活性污泥质量比值为1:2向装置中投加厌氧氨氧化颗粒污泥；厌氧氨氧化颗粒污泥投加完之后，打开进水阀门和潜水泵开始进水，将待处理的生活污水由圆柱形反应器顶部进入到反应器中，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0.5±0.1mg/L，生活污水中的大部分氨态氮在硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的作用下，转化为硝态氮和氮气；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，硝态氮在反硝化菌的作用下转化为氮气；静置沉淀后将出水排入到出水箱中，完成一个周期，换污水进入下一周期；直至即每个周期总氮去除不再发生变化时；进入下一阶段；
3)强化深度脱氮阶段：当菌群调控阶段处理效果稳定时，即步骤2)曝气后总氮去除不再发生变化时，改变运行模式进一步深度脱氮，即采用间歇曝气的方式来强化自养脱氮，在每30min的好氧搅拌后增加15min的缺氧搅拌，直至曝气结束；具体的运行模式为：将待处理的生活污水由圆柱形反应器顶部进入到反应器中，打开搅拌装置，使泥水充分混合，然后打开曝气装置，调节转子流量计使DO浓度在0.5±0.1mg/L，曝气30min后，关闭曝气装置，之后缺氧搅拌15min；接着再打开曝气装置，曝气30min后关闭曝气缺氧搅拌15min；如此反复直至曝气结束，曝气结束之后以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。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的碳源为乙醇。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，投加氧氨氧化颗粒污泥口通过蠕动泵或螺旋杆输送装置与厌氧氨氧化颗粒污泥连接，或手动从投加氧氨氧化颗粒污泥口加入氧氨氧化颗粒污泥。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，排水管在圆柱型反应器底部1/5处与出水箱连通。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)当DO浓度突然上升时曝气结束。
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