CN109879418B - 一种厌氧氨氧化反应装置及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种厌氧氨氧化反应装置与运行方法，所述装置是集“SBR+ABR+分置式MBR+微生物固定化”于一体的装置，该装置由进水系统、反应器主体、液位控制系统、污泥回流系统、出水系统5部分组成。本发明装置可以在低HRT条件下，有效截留厌氧氨氧化菌体，同时大大减缓膜污染情况的发生，提高运行负荷。膜室内污泥定期回流至反应池，可有效提高反应器整体性能，保证良好的出水水质。

Description

一种厌氧氨氧化反应装置及运行方法

技术领域

本发明属于废水生物处理技术领域，具体涉及一种厌氧氨氧化反应装置及运行方法。

背景技术

我国经济水平的快速发展，致使城镇污水的排放量与日俱增。城镇污水中含有的氨氮和磷，是造成水体富营养化的主要因素。传统的硝化-反硝化工艺是目前应用最广泛的生物脱氮工艺。但硝化-反硝化工艺存在占地面积大、需要外源添加有机物和碱度、脱氮效率低和剩余污泥产生量大等一系列的缺点。随着污水处理排放标准的提高，高成本的硝化-反硝化工艺已不能满足当今形势的要求。

厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺作为新型生物脱氮工艺的代表，与传统硝化-反硝化工艺相比具有氮去除负荷高；过程不需要曝气；不需要外加有机碳源；剩余污泥量少；不需添加中和化学试剂等优势。但是，厌氧氨氧化菌生长十分缓慢且菌体在较短的水力停留时间(HRT)条件下易于流失。厌氧氨氧化工艺处理城镇污水，由于城镇污水氨氮浓度较低，而厌氧氨氧化反应氮去除负荷高，导致HRT大大缩短，因此选择合适的反应装置，降低ANAMMOX菌种的流失，是厌氧氨氧化工艺处理城镇污水的关键所在。目前应用厌氧氨氧化工艺的主要反应器类型有膜生物反应器(MBR)、序批式反应器(SBR)和折流板反应器(ABR)等。

采用MBR运行厌氧氨氧化工艺处理城镇污水，膜的高效截留作用能将微生物完全截留在反应器内，但存在膜污染严重的问题；采用SBR运行厌氧氨氧化工艺处理城镇污水，由于进水氨氮浓度较低，而工艺去除负荷较高，随着HRT的降低，菌种流失现象严重，反应器运行不稳定；而厌氧折流板反应器(ABR)虽具有较高的生物截留能力和较高的运行负荷，但也存在连续流运行条件下，各隔室菌种分布不均匀，反应器运行不稳定的缺点。

如若将将这三种反应器简单的串联组合运行，不仅会大大增加反应器的占地面积，而且无法避免各自独立运行出现的问题，也不能降低厌氧氨氧化工艺的启动时间。因此本发明采用集SBR、ABR和分置式膜生物反应器于一体的装置并结合微生物固定化技术运行厌氧氨氧化工艺处理低浓度城镇污水，不仅可以有效的避免低条件下厌氧氨氧化菌容易流失的问题，而且可以快速启动厌氧氨氧化。

发明内容

为了克服厌氧氨氧化工艺处理城镇污水的过程中菌体容易流失和反应器启动较慢的问题，本发明设计了一种集“SBR+ABR+微生物固定化+分置式MBR”于一体的新型厌氧氨氧化反应装置，为城镇污水的达标处理提供了有效的反应器形式。该反应装置制作简单，污泥截留及膜污染减轻效果显著。

本发明涉及一种厌氧氨氧化反应装置，装置由进水系统、反应器主体、液位控制系统、污泥回流系统和出水系统5个部分组成。

进水系统包括：进水管、进水流量控制阀、进水液体流量计、进水离心泵。进水管与短程硝化池出水管相连，通过进水离心泵将进水泵入反应器内，进水离心泵配有止回阀，防止进水的回流，进水管上设置进水流量控制阀和进水液体流量计可以控制进水流量。进水口位于反应器的上部边缘，可以防止进水的虹吸现象发生。

反应器主体包括：反应池、膜室、膜室隔板、搅拌电机、搅拌桨、膜组件、无纺布载体、折流板、反应器密闭盖板。反应池由PP板材制成，反应池的长200cm，宽175cm，高175cm，持水高度145cm，有效容积5m³，膜室和反应池相连，以高160cm的膜室隔板隔出膜室，膜室长40cm，宽175cm。膜组件放置于膜室内。反应池和膜室设置有反应器密闭盖板密闭，并在反应器密闭盖板上开一个2cm直径透气孔。折流板长115cm，宽7cm，高45cm，折流板两侧固定无纺布载体，折流板交错固定于反应池的底部，间距20cm。本发明所用无纺布载体具有良好的亲水性，耐生物降解，有利于厌氧氨氧化菌的附着。菌体被固定于载体上，可以提高微生物对有毒物质的耐受性，同时减轻膜污染的发生。搅拌装置放置于反应池的中部，搅拌桨将反应池底部水流形成循环的推流，中上部为完全混合流态，避免了折流板各个隔室间菌体分布不均匀的问题。

液位控制系统包括：液位计探头、液位计、进水离心泵、出水离心泵。液位计与液位计探头、进水离心泵以及出水离心泵相连，当进水达到持水水位时，进水离心泵停止运行，反应完成后，出水离心泵运行，出水达到设定位置后，液位计控制出水离心泵停止运行。

污泥回流系统包括：污泥回流管、污泥回流泵、污泥回流液体流量计和污泥回流流量控制阀，污泥回流泵连接在膜室的底部，定期打开污泥回流泵，将膜室内污泥回流到反应池，可大大减缓膜污染的发生。污泥回流管设置有污泥回流液体流量计和污泥回流流量控制阀，可控制回流流量。回流出水口设置在反应池密闭板上，可防止回流和虹吸现象的出现。

出水系统包括：反应池出水管、出水流量控制阀、出水液体流量计、出水离心泵、膜出水管、膜出水压力表、膜出水离心泵。可通过出水流量控制阀和出水液体流量计调节出水流量，出水离心泵配有止回阀，可防止液体回流现象发生。出水离心泵工作的同时，膜出水离心泵也开始工作，膜出水压力表可显示膜污染的情况。

凡是具有厌氧氨氧化功能的污泥均可用于启动本发明所述厌氧氨氧化反应装置。

本发明所用的载体具有良好的持水性及微生物负载量，有利于微生物的固定化，凡具有此作用的载体都用于微生物固定化。

利用上述的装置进行厌氧氨氧化处理城镇污水的方法包括以下步骤：

1)微生物固定化载体(无纺布)的制备

将18片长为115cm，宽为45cm的无纺布与厌氧氨氧化污泥(来自厌氧序批式反应器培养的优选的厌氧氨氧化菌，其内厌氧氨氧化菌的占比在50％-60％之间)闷曝三天，闷曝结束后厌氧氨氧化菌在无纺布表面很好的附着。

2)无纺布载体的固定和折流板的固定

将上述18片经过闷曝处理的无纺布载体用不锈钢铁丝固定在折流板的两侧。将两侧固定好无纺布的折流板交错固定在反应池的底部。

3)厌氧氨氧化反应装置的启动

泵进前端短程硝化处理好的NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N比例为1:1.2～1:1.32，C/N为1.2:1～2:1 的城镇污水，设置HRT为12h，搅拌桨转速为40-70转/分钟，沉降时间为30min，进出水时间10min，换水比为1/2，运行本发明厌氧氨氧化反应装置，当装置出水氨氮或亚硝酸盐氮浓度低于1.5mg/L时(国家污水处理厂出水一级A标准)，视为此反应器启动成功。

4)不断缩短反应器的HRT至3h

当反应器成功启动后，定时监测出水的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度和总氮浓度，当出水的氨氮或亚硝酸盐氮浓度低于1.5mg/L，总氮浓度小于10mg/L时，缩短反应器的 HRT直至3h，反应器能正常稳定运行，视为反应器运行成功。

5)定期回流膜室内的污泥至反应池内

反应池虽然能有效截留厌氧氨氧化菌，但仍会有部分絮状污泥会随出水流入膜室，膜组件可以将这部分污泥拦截。定期将膜室内的污泥回流至反应池，既能减缓膜污染情况，又能为反应池补充少量菌源，有利于提高反应器脱氮性能。

1.本发明采用固定于折流板两侧的无纺布为载体，可以有效的附着厌氧氨氧化菌并增强菌体对有毒物质的耐性。载体对菌体的吸附可以大大减缓膜污染，同时序批式反应器也可以使污颗粒化，增强污泥沉降性能，和低温抗性，使反应器负荷提高，运行稳定。因此本发明采用SBR耦合折流板反应器和分置式膜生物反应器并结合微生物固定化技术的厌氧氨氧化反应装置运行厌氧氨氧化工艺处理低浓度城镇污水，确保在低的HRT条件下有效截留厌氧氨氧化菌，快速启动厌氧氨氧化。本发明的一种厌氧氨氧化反应装置及运行方法与现有工艺相比有如下优点：氮去除负荷高，无需额外投加有机碳源，无需曝气，剩余污泥量小，工艺流程简单，易于操作。

2.SBR耦合折流板和分置式膜生物反应器组成的厌氧氨氧化反应装置可以有效的拦截生长缓慢的厌氧氨氧化菌，同时使菌体颗粒化并大大减缓膜污染情况，保证良好的出水水质。

3.无纺布载体能有效固定厌氧氨氧化菌和增强对有毒物质的抗性，提高反应器的氮去除负荷。

4.污泥回流系统可以进一步的减缓膜污染情况，并在一定程度上增强装置性能。

附图说明

图1是厌氧氨氧化反应装置的结构示意图。

图2是装置的俯视结构图。

图3是厌氧氨氧化反应装置中具体进水和出水的氨氮浓度、亚硝酸盐氮浓度和硝酸盐氮浓度。

其中，1.进水离心泵，2.进水流量控制阀，3.进水液体流量计，4.进水口，5.反应器密闭盖板，6.搅拌电机，7.搅拌桨，8.折流板，9.无纺布载体，10.膜室隔板，11.污泥回流进水口，12.污泥回流泵，13.污泥回流流量控制阀，14.污泥回流液体流量计，15.污泥回流出水口，16.反应池出水口，17.出水离心泵，18.出水流量控制阀，19.出水液体流量计，20.反应池出水口，21.膜组件，22.膜出水压力表，23.膜出水离心泵，24，液位计探头，25.液位计，26.密闭盖板通气孔，27.反应池，28.膜室。

本发明的装置的外形并不受此图的限制，仅外形和尺寸的改变也属于本发明的保护范围。

具体实施方式

结合附图对本发明进一步说明：如图1所示，一种厌氧氨氧化反应装置及运行方法：该装置由进水系统、反应器主体、液位控制系统、污泥回流系统和出水系统5个部分组成。

进水系统包括进水离心泵(1)、进水流量控制阀(2)、进水液体流量计(3)和进水管。进水管与前端短程硝化出水管相连，进水离心泵(1)内置有止回阀(防止进水后液体回流)，进水流量控制阀(2)和进水液体流量计(3)可控制进水流量，进水口(4)设置在反应器密闭盖板(5)边缘。

反应器主体包括反应池(27)、膜室(28)、膜室隔板(10)、搅拌电机(6)、搅拌桨(7)、膜组件(21)、无纺布载体(9)、折流板(8)、反应器密闭盖板(5)，反应器密闭盖板上设有密闭盖板通气孔(26)，可保持进出水时装置内外压强平衡。反应池(27)内设有搅拌桨(7)、折流板(8)、无纺布载体(9)，无纺布载体固定在折流板的两侧，折流板间隔交错固定在反应池底部。膜室(28)与反应池(27)以膜室隔板(10)为边界，内设膜组件(21)，膜组件置于膜室的底部，为保障膜组件的正常运行部，膜组件上部于模式内液面高度差最少维持在35cm，膜组件的高度为100cm。膜室隔板(10)的高为160cm，低于反应器的高度，这样设置可以防止由于膜污染，造成膜室出水流量变小，膜室液位升高而溢出的情况。

液位控制系统包括液位计探头(24)、液位计(25)、进水离心泵(1)、出水离心泵(17)。液位计探头(24)设置于反应池底部，其将液体液位变化的压力信号转化为电信号，控制进水离心泵泵(1)和出水离心泵(17)的运行和停止，进而控制反应池的水位。

污泥回流系统包括污泥回流管、污泥回流泵(12)、污泥回流流量控制阀(13)、污泥回流液体流量计(14)。污泥回流进水口(11)设置于膜室的底部，定期利用污泥回流泵(12)将膜室内沉降的污泥回流至反应池，可以减缓膜污染的情况，同时增强装置性能，保证稳定的运行。污泥回流出水口(15)设置于反应器密闭盖板(5)的边缘，可防止虹吸现象的出现。

出水系统包括反应池出水管、出水离心泵(17)、出水流量控制阀(18)、出水液体流量计(19)、膜组件(21)、膜出水管、膜出水压力表(22)、膜出水离心泵(23)。当反应完成且沉降完毕后，出水离心泵(17)自反应池出水口(16)将出水泵入膜室，同时膜出水离心泵(23)开始运行，将出水导出。保持反应池出水的流量等于膜出水的流量，且当膜出水压力表(22)的读书大于0.05MPa时，需要对膜组件进行清洗。

具体操作方法如下：

1)微生物固定化载体(无纺布)制备

将18片长为115cm，宽为45cm的无纺布与35L的厌氧氨氧化污泥(所述厌氧氨氧化污泥可以在厌氧的条件下使NH₄ ⁺与NO₂ ^-直接反应生成N₂，优选的，来自厌氧序批式反应器培养的厌氧氨氧化菌，其内厌氧氨氧化菌的占比在50％-60％之间)同时放于一个800L 的反应器内闷曝两天，闷曝结束后大部分厌氧氨氧化菌在无纺布表面附着，将无纺布从反应器内取出以继续使用。

2)无纺布载体的固定和折流板的固定

将上述闷曝处理后的18片无纺布载体用不锈钢丝固定在长115cm，宽7cm，高45cm，不锈钢网结构的折流板两侧，将9个固定好载体的折流板交错固定在反应池的底部。

3)厌氧氨氧化反应装置的启动

装置内保持厌氧环境，进水为前端短程硝化反应器处理城镇污水完成后的出水，出水的NH₄ ⁺-N:NO₂ ^--N浓度比为1:1.2～1:1.32，C/N为1.2:1～1.5:1，水力停留时间设置为12h，设置搅拌桨转速为40-70转/分钟，沉降时间为30min，进出水时间10min，换水比为1/2，运行本发明的新型厌氧氨氧化反应装置，当反应装置出水氨氮或亚硝酸盐氮浓度低于1.5mg/L时(国家污水处理厂出水一级A标准)，视为此反应器启动成功。

4)缩短反应器的HRT至3h

当厌氧折流板反应器成功启动后，每日检测出水的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮和总氮的浓度。当出水的氨氮或亚硝酸盐氮浓度低于1.5mg/L时，总氮浓度低于10mg/L时，且情况连续出现两天，逐步缩短反应器的HRT直至3h，且反应器在3h的HRT条件下，出水能够达到国家污水处理厂一级A标准时，认为反应器运行成功。

5)定期回流膜室内的污泥至反应池内

反应池虽能够有效的拦截绝大部分的活性污泥，但是任然会有部分絮状污泥在短的 HRT条件下随反应池出水流至膜室内，这些污泥在膜室被膜组件拦截，沉降到膜室底部，因此定期将膜室内的污泥回流至反应池内，可以有效地减缓膜污染情况，同时提高反应器的脱氮性能。

实施例1

本实施例涉及在实验室条件下使用相等有效体积的序批式厌氧氨氧化反应器(SBR)、折流板反应器(ABR)和本发明等比例缩小的新型厌氧氨氧化装置为处理污水的反应装置，在接种等量的厌氧氨氧化污泥，相同的搅拌速度和沉降时间以及水力停留时间的条件下，利用短程硝化-厌氧氨氧化工艺处理污水成功启动时间和MLVSS的比较，具体包括如下步骤：

取有效体积为15L的序批式反应器(SBR)、折流板反应器(ABR)和本发明等比例缩小的厌氧氨氧化反应装置，分别接种150ml的厌氧氨氧化污泥，MLVSS约1100mg/L, 调节SBR反应器和本发明装置的转速为40-70转/分钟，水力停留时间设置为8h，折流板反应器为连续流，水力停留时间保持8h。采用人工配制的废水，保持进水的氨氮浓度为 15mg/L，亚硝酸盐氮浓度为20mg/L，C/N为2:1。连续运行13天，检测各反应器每个反应周期的出水氨氮浓度、亚硝酸盐浓度和硝酸盐浓度，同时检测第13天时，各反应器的 MLVSS情况。第13天时各反应器的出水氮素浓度和MLVSS情况如下表所示：

通过实验室条件下反应器预实验发现，在相同条件下，第13天出水，本发明的新型厌氧氨氧化反应装置已经成功启动，且出水水质已经达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2016)》一级A排放标准，且MLVSS大于初始接种量，由此可知，本发明的新型厌氧氨氧化反应装置相较于序批式反应器和折流板反应器，可大大缩短反应器的成功启动时间，同时可以有效的防止厌氧氨氧化菌体的流失。

实施例2

本实施例涉及在中试规模条件下应用本发明的厌氧氨氧化反应装置启动厌氧氨氧化反应器，具体包括如下步骤：

使用本发明的厌氧氨氧化反应装置，接种厌氧氨氧化污泥35L，接入前端短程硝化处理后的城镇污水，其进水的NH₄ ⁺-N:NO₂ ^--N浓度比为1:1.2～1:1.32，设置水力停留时间为12h，搅拌桨转速为40-70转/分钟，沉降时间为30min，进出水时间10min，换水比为1/2，装置内保持厌氧环境运行装置。每天检测装置出水的氨氮浓度、亚硝酸盐氮浓度和硝酸盐氮浓度，连续运行直到反应装置成功启动。具体进水和出水的氨氮浓度、亚硝酸盐氮浓度和硝酸盐氮浓度如图3所示。

通过中试条件下反应器的出水氮素浓度变化发现，本发明的新型厌氧氨氧化反应装置在15天时成功启动了厌氧氨氧化。出水水质已经达到城《镇污水处理厂污染物排放标准 (GB18918-2016)》一级A排放标准。从中试的角度证明了本发明装置可以快速启动厌氧氨氧化反应器的特点。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (2)

1.一种厌氧氨氧化反应装置，其具体特征是：采用集“SBR+ABR+分置式MBR+微生物固定化”于一体的装置来处理城镇污水，所述装置由进水系统、反应器主体、液位控制系统、污泥回流系统和出水系统五个部分组成；其中所述的反应器主体包括：反应池、膜室、膜室隔板、搅拌电机、搅拌桨、膜组件、无纺布载体、折流板、反应器密闭盖板；折流板两侧固定无纺布载体，折流板交错固定于反应池的底部， 搅拌装置放置于反应池的中部，搅拌桨将反应池底部水流形成循环的推流，中上部为完全混合流态，避免了折流板各个隔室间菌体分布不均匀的问题；

液位控制系统包括：液位计探头、液位计、进水离心泵、出水离心泵；液位计与液位计探头、进水离心泵以及出水离心泵相连，当进水达到持水水位时，进水离心泵停止运行，反应完成后，出水离心泵运行，出水达到设定位置后，液位计控制出水离心泵停止运行。

2.一种利用权利要求1所述的装置处理城镇污水的运行方法，具体特征包括以下的步骤：

1)微生物固定化无纺布载体制备

将无纺布载体与35L的厌氧氨氧化污泥闷曝两天，闷曝结束后大部分厌氧氨氧化菌在无纺布载体表面附着，所述厌氧氨氧化污泥来自厌氧序批式反应器培养的厌氧氨氧化菌，其内厌氧氨氧化菌的占比在50％-60％之间，在厌氧的条件下使NH₄ ⁺与NO₂ ^-直接反应生成N₂；

2)无纺布载体的固定和折流板的固定

将经过闷曝处理的无纺布载体用不锈钢铁丝固定在折流板的两侧；将两侧固定好无纺布载体的折流板交错固定在反应池的底部；

3)厌氧氨氧化反应装置的启动

泵进前端短程硝化处理好的NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N比例为1:1.2～1:1.32，C/N为1.2:1～2:1的城镇污水，设置HRT为12h，搅拌桨转速为40-70转/分钟，沉降时间为30min，进出水时间10min，换水比为1/2，当装置出水氨氮或亚硝酸盐氮浓度低于1.5mg/L时，达到国家污水处理厂出水一级A标准，视为此反应器启动成功；

4)不断缩短反应器的HRT至3h

当反应器成功启动后，定时监测出水的氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度和总氮浓度，当出水的氨氮或亚硝酸盐氮浓度低于1.5mg/L，总氮浓度小于10mg/L时，缩短反应器的HRT直至3h，反应器能正常稳定运行，视为反应器运行成功；

5)定期回流膜室内的污泥至反应池内

定期将膜室内的污泥回流至反应池，既能减缓膜污染情况，又能为反应池补充少量菌源，有利于提高反应器脱氮性能。

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