CN110054284B - 城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于污水处理技术领域,具体涉及一种城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法。其包括如下步骤:接种;进水;亚硝化功能实现;半亚硝化维持。本发明提供的技术方案与现有技术方案相比具有如下优势:快速启动,设备要求低,适应范围广。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域,具体涉及一种城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法。
背景技术
厌氧氨氧化(ANaerobic AMMonium OXidation,简称ANAMMOX)反应是指,在厌氧条件下,厌氧氨氧化菌以CO2为碳源,以NO2 --N和NH4 +-N分别为电子受体以和电子供体产生氮气的生物过程。以传统硝化-反硝化生物脱氮技术相比,基于厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应的污水生物脱氮技术具有脱氮高效、运行稳定、能耗节省以及环境友好等优点,被认为是当今最具可持续发展的污水生物脱氮技术之一。
对于含NH4 +-N污水的处理,ANAMMOX过程的实现依赖于亚硝化(也称短程硝化)反应对NO2 --N的提供,即含NH4 +-N污水需要先在好氧条件下经过亚硝化反应将大约50%的NH4 +-N转化NO2 --N,同时无NO3 --N产生,该过程亦称为部分亚硝化或半亚硝化反应(PartialNitritation,简称PN)。
含NH4 +-N污水的亚硝化过程本质上是好氧氨氧化细菌(AOB)富集与亚硝酸盐氧化细菌(NOB)淘汰的综合过程,其中NOB的淘汰过程是亚硝化实现的瓶颈。现有亚硝化实现策略一般基于以下两种思路:(1)在不影响氨氧化细菌(AOB)生长和代谢的前提下,通过主动抑制NOB活性并缩减NOB数量实现NO2 --N的积累,具体有关措施包括严格控制系统pH值、缩短污泥龄(SRT)、营造高游离氨(FA)或游离亚硝酸(FNA)环境、限制NOB可利用基质(NO2 --N和O2)浓度、投加化学抑制剂以及引入基质竞争种群等;(2)通过优化AOB的生长代谢条件,扩大AOB较NOB在活性和数量上的优势,有关措施如营造较高的工艺运行温度(25~35℃)和适宜AOB生长的pH环境、供给充裕的生存基质(O2和NH4 +-N),同时缩短SRT洗脱NOB。上述措施或方法针对如垃圾渗滤液、污泥厌氧消化液、养殖污水厌氧处理出水以及其他高NH4 +-N污水的处理表现出较好的适用性,但在城市污水处理领域的有效性较差。
城市污水处理厂主流工艺在处理对象(进水NH4 +-N浓度低)、处理要求(出水排放限值低)以及环境条件(冬季运行温度低)等方面的特征使得主流自养脱氮工艺中NOB的抑制或淘洗更具挑战性。首先,由于主流工艺进水NH4 +-N浓度较低(20-70mg·L-1)且pH值一般在中性范围,FA/FNA抑制策略的作用效果难以保证。通过投加化学抑制剂的做法更是有悖于可持续发展模式而不被提倡。其次,在低温(<20℃)条件下,NOB比生长速率一般高于AOB,如经典SHARON工艺通过控制SRT洗脱NOB的策略难以适用。第三,近来的研究证实一般污水处理厂硝化工艺中的NOB是以Nitrospira为优势种群,尤其在NO2 --N基质贫乏、水温较低的场合,Nitrospira的种群丰度更会明显提高,Nitrospira作为寡营养型类群具有较高的氧亲和力,在低溶氧(DO)环境中也具有对氧气的较强竞争力,因此通过控制低氧环境抑制NOB的策略亦有待重新评估。再者,基于当生存环境从缺氧变为好氧时NOB一般比AOB需要更长的时间来恢复其正常代谢功能的现象,通过控制好氧/缺氧环境在时间或空间上的交替变换实现亚硝化过程的方法会使亚硝化工艺的处理能力大打折扣。需要指出的是,单一的控制策略很难有保证亚硝化过程的快速启动和长期稳定运行,如单独的缺氧抑制控制实现80%的亚硝化需要极长的时间(约300d)、控制SRT洗脱NOB必须是在NOB的生长受到抑制的前提下进行。因此,诸多文献报道的成功应用也多是以上多个策略联合作用的结果。总之,尽管现有亚硝化实现策略对特种污水的处理取得了良好效果,但在低温低NH4 +-N浓度的城市污水处理领域它们的可行性和高效性备受质疑。
发明内容
本发明提供了一种城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法,用以解决目前城市污水处理的半硝化工艺在低温条件下效率低,可行性差的问题。
为了解决上述技术问题,本发明的技术方案是:所述城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法,其包括如下步骤:
1)接种:向连续流反应器中接种好氧颗粒污泥,接种后的污泥浓度(MLVSS)在1.5-3.5g VSS·L-1;
2)进水:控制进水中C/N比(即有机物与NH4 +-N浓度之比)在1以下;
3)亚硝化功能实现:将步骤2)中的进水连续导入步骤1中的反应器中,控制DO(溶解氧)与出水NH4 +-N浓度之比为0.15-0.25,直至NO2 --N累积率(即NO2 --N/(NO2 --N+NO3 --N)×100%)在80%以上;此过程也就是启动过程;
4)半亚硝化维持:待步骤3)完成后,持续调节反应器内曝气速率、反应器内DO值、进水流量和HRT中的一个或一个以上参数,维持反应器中DO与出水NH4 +-N浓度之比为0.15-0.25的同时,控制出水中NO2 --N与NH4 +-N浓度之比为1-1.3。
好氧颗粒污泥是多种微生物自发聚焦生长形成的一种有别于传统活性污泥的特殊污泥形态,其具有物种多样性高、沉降性能好、微生物浓度大以及抗冲击能力强等优点。颗粒污泥具有的良好微生物截留能力,不仅较好的解决了传统絮体污泥泥水分离时间长、易生物流失等难题,而且对于生长缓慢、世代时间长的微生物(如硝化细菌、厌氧氨氧化菌、产甲烷菌等)的足量富集提供了良好载体。此外,生长缓慢型微生物的富集也有利于改善好氧颗粒污泥结构的长期稳定性。
本发明提供的技术方案借助颗粒污泥的优良微生物截留功能,营造适于AOB高效代谢和繁殖的适宜生境,一方面通过颗粒污泥大量快速富集AOB,另一方面富集的AOB可以改善好氧颗粒污泥结构稳定性,最终快速实现含NH4 +-N污水的高效稳定半亚硝化。
可选地,所述好氧颗粒污泥的沉降速率在5m·h-1以上,平均粒径在0.3mm以上。
可选地,通过添加NaHCO3缓冲溶液,维持反应器中pH在7-8.5。
可选地,所述步骤3)中,DO(溶解氧)与出水NH4 +-N浓度之比通过如下方法进行调节:维持反应器在一个固定的氨氮容积负荷下运行,所述氨氮容积负荷在1.0kgN·m-3·d-1以上,然后调整反应器曝气速率,所述反应器中DO在1-6mg O2·L-1。
可选地,所述步骤3)中,DO与出水NH4 +-N浓度之比通过如下方法进行调节:维持反应器在一个固定的DO下运行,所述DO在1-6mg O2·L-1范围,然后调整反应器进水流量或HRT(水力停留时间)。
可选地,所述步骤3)中,DO与出水NH4 +-N浓度之比通过如下方法进行调节:反应器运行过程中,同时调节参数1和参数2,所述参数1为进水流量或HRT,所述参数2为曝气速率或DO值。
可选地,所述步骤4)中,出水中NO2 --N与NH4 +-N浓度之比通过如下方法进行调节:在进水NH4 +-N浓度和进水流量不变的条件下,通过调整曝气速率或反应器中DO值。
可选地,所述步骤4)中,出水中NO2 --N与NH4 +-N浓度之比通过如下方法进行调节:在进水NH4 +-N浓度和反应器中DO值不变的条件下,通过调整进水流量或HRT。
可选地,所述步骤4)中,出水中NO2 --N与NH4 +-N浓度之比通过如下方法进行调节:反应器运行过程中,同时调节参数1和参数2,所述参数1为进水流量或HRT,所述参数2为曝气速率或DO值。
可选地,所述反应器中DO与出水NH4 +-N浓度之比在20-35℃反应温度下,控制在0.2-0.25,在5-20℃反应温度下,控制在0.15-0.2。
本发明提供的技术方案与现有技术方案相比具有如下优势:
1)快速启动:好氧颗粒污泥亚硝化功能实现所需时间受具体应用情况影响(如接种颗粒污泥特征、水温等),一般在1-6周(高温条件下时间较短,低温条件下时间较长)即可实现,在亚硝化功能实现以后,半亚硝化一般在1天之内即可实现;
2)设备要求低:对所用反应器无特殊要求,只要能够实现泥水混合良好、颗粒污泥不会大量流失即可适用;
3)适应范围广:所述技术方案在低温(5-20℃)条件下和高温(20-35℃)条件下均可正常运行,不受环境温度影响,并且可适用处理低氨氮(30-100mg N·L-1)污水,亦可用于处理高氨氮(>100mg N·L-1)污水。
附图说明
图1是本发明所述反应系统一具体实施方式的示意图;
图2是本发明所述反应系统中进出水中氮浓度随运行时间变化的散点图;
图3是本发明所述反应系统中水温及DO值随运行时间变化的关系图;
图4是本发明所述反应系统中HRT及容积负荷随运行时间变化的关系图。
图中所示:
10-污水存储区,20-进水泵,30-反应器,31-反应区,32-沉淀区,41-曝气砂盘,42-充氧泵,43-空气流量计,51-碱液池,52-导管,53-阀门,61-检测探头,62-控制系统。
具体实施方式
为了便于理解,下面结合实施例阐述所述一种城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法,应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
以人工配制的模拟城市污水为处理对象,具体水质如下(每升):NH4 +-N为0.2gNH4Cl,0.3g NaHCO3,0.05K2HPO4,0.03g K2HPO4,0.02g CaCl2·2H2O,0.025g MgSO4·7H2O以及1ml微量元素;
微量元素组成(每升):15g EDTA,0.43g ZnSO4·7H2O,0.24g CoCl2·6H2O,1.0gMnCl2·4H2O,0.25g CuSO4·5H2O,0.22g(NH4)6Mo7O24·4H2O,0.20gNiCl2·6H2O,0.09gHNaSeO3,0.014g H3BO3,0.054g Na2WO4·2H2O。
如图1所示,整个反应系统包括污水存储区10、将污水存储区10内污水导入反应器的进水泵20、与进水泵20相连的一体式连续流反应器30,所述反应器30包括1.7L的反应区31和0.3L的沉淀区32,处理后的污水从沉淀区32上部流出;另外还设有曝气系统,具体包括反应区31下部还设有曝气砂盘41、与曝气砂盘41相连的充氧泵42和设置在曝气砂盘33和充氧泵42之间的空气流量计43;为了控制反应区31的pH值,还设有碱液池51、将碱液导入到反应区31的导管52和设置在导管52中间控制碱液输送量的阀门53;此外还设有监控反应区31内DO值和pH值的检测探头61和从检测探头61提取数据的控制系统62,所述控制系统62根据提取的数据输出相关指令到空气流量计43和阀门53,从而实现整个工艺过程的控制。需要指出的是,此处连续流反应器是一体式的,但其他非一体式的反应器也可实现这一工艺过程。
具体控制过程如下:
1)在反应器30中接种浓度约1.8g VSS·L-1好氧颗粒污泥,颗粒污泥的平均粒径为0.3mm,平均沉降速度为10.3m·h-1。
2)接种完成以后开始连续进水运行。如图2所示,进水氨氮浓度为50-70mg N·L-1,因配水中无外加有机物质,因此进水C/N比基本为零。运行过程中通过投加碱液池51中NaHCO3缓冲溶液维持反应器内pH维持在7-7.5。反应器在室温下运行,如图3所示,整个运行过程中的水温逐渐从25℃降低至10℃。
3)0-45d为颗粒污泥亚硝化功能启动阶段,该阶段通过调控反应器HRT(由1.0h逐渐降低至0.4h,参见图4)改变进水氨氮容积负荷(由1.5kgN·m-3·d-1逐渐升至3.1kg N·m-3·d-1,参见图4),同时调控反应器内DO浓度(由1.0mg O2·L-1逐渐升至1.8mg O2·L-1,参见图3),控制DO与出水NH4 +-N浓度之比在0.15-0.25。继续参见图1,运行三周后,出水中NO2 --N开始快速积累,第35d时NO2 --N累积率达80%,第45d时NO2 --N累积率达95%以上。需要指出的是,除了同时调节HRT和DO值外,还可以在恒定氨氮容积负荷的条件下调节反应器曝光速率或DO值;或者在恒定DO值下调节反应器进水流量或HRT的方式控制DO与出水NH4 +-N浓度之比在0.15-0.25,直至亚硝化功能实现。
4)随后为颗粒污泥半亚硝化稳定运行阶段。本阶段运行过程中,需要继续维持DO与出水NH4 +-N浓度之比在0.15-0.25,并且使得反应器出水中NO2 --N与NH4 +-N浓度之比迅速达到1-1.3,控制方法为调节DO浓度由1.8mg O2·L-1逐渐提升5.9mg O2·L-1(如图3所示),同时调节HRT由0.4h逐渐降低至0.17h(如图4所示),如图2所示,在此过程中NO2 --N与NH4 +-N浓度之比为1-1.3,并在随后的运行中保持稳定。参见图4,反应器进水氨氮容积负荷最高达到6.8kg N·m-3·d-1以上,体现了本发明所追求的高效半亚硝化目标。需要指出的是,除了上述方法,还可以在进水NH4 +-N浓度和进水流量一定的条件下调整曝气速率或反应器中DO值;或者在进水NH4 +-N浓度和反应器中DO值一定的条件下,通过调整进水流量或HRT来实现NO2 --N与NH4 +-N浓度之比在1-1.3范围内。
最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换,而这些修改或替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)接种:向连续流反应器中接种好氧颗粒污泥,接种后的污泥浓度在1.5-3.5g VSS·L-1;
2)进水:控制进水中C/N比在1以下;
3)亚硝化功能实现:将步骤2)中的进水连续导入步骤1中的反应器中,控制DO与出水NH4 +-N浓度之比为0.15-0.25,直至NO2 --N累积率在80%以上;
4)半亚硝化维持:待步骤3)完成后,持续调节反应器内曝气速率、反应器内DO值、进水流量和HRT中的一个或一个以上参数,维持反应器中DO与出水NH4 +-N浓度之比为0.15-0.25的同时,控制出水中NO2 --N与NH4 +-N浓度之比为1-1.3;
所述步骤3)中,DO与出水NH4 +-N浓度之比通过如下方法进行调节:维持反应器的进水氨氮容积负荷不变,所述氨氮容积负荷在1.0kgN·m-3·d-1以上,然后调整反应器曝气速率,所述反应器中DO在1-6mg O2·L-1。
2.根据权利要求1所述城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法,其特征在于,所述好氧颗粒污泥的沉降速率在5m·h-1以上,平均粒径在0.3mm以上。
3.根据权利要求1所述城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法,其特征在于,所述步骤4)中,出水中NO2 --N与NH4 +-N浓度之比通过如下方法进行调节:在进水NH4 +-N浓度和进水流量不变的条件下,通过调整曝气速率或反应器中DO值。
4.根据权利要求1所述城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法,其特征在于,所述步骤4)中,出水中NO2 --N与NH4 +-N浓度之比通过如下方法进行调节:在进水NH4 +-N浓度和反应器中DO不变的条件下,通过调整进水流量或HRT。
5.根据权利要求1所述城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法,其特征在于,所述步骤4)中,出水中NO2 --N与NH4 +-N浓度之比通过如下方法进行调节:反应器运行过程中,同时调节参数1和参数2,所述参数1为进水流量或HRT,所述参数2为曝气速率或DO值。
6.根据权利要求1所述城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法,其特征在于,所述反应器中DO与出水NH4 +-N浓度之比在20-35℃反应温度下,控制在0.2-0.25,在5-20℃反应温度下,控制在0.15-0.2。
7.根据权利要求1所述城市污水处理的半亚硝化工艺启动与控制方法,其特征在于,通过添加NaHCO3缓冲溶液,维持反应器中pH在7-8.5。
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GR01 | Patent grant | ||
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