CN110526528A

CN110526528A - 一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理快速启动方法及系统

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Publication number: CN110526528A
Application number: CN201910960068.7A
Authority: CN
Inventors: 张星星; 徐乐中; 吴鹏; 张钰; 陈茂林
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2019-10-10
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2019-12-03

Abstract

本发明属于污水生物脱氮处理技术领域，具体涉及一种一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理快速启动方法及系统。所述方法包括预处理工业硝酸盐废水、调配城市生活污水、混合废水和短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应。所述系统包括硝酸盐废水预处理水箱、城市污水稀释水箱、混合废水水箱、有机氮源水箱和UASB生物膜反应器。本发明提供的技术方案通过启动阶段进水方式、参数控制等可以实现短程反硝化原位耦合厌氧氨氧化反应对工业硝酸盐废水和城市生活污水处理的快速启动，高效和深度脱氮除碳，是一种经济节能且极具应用前景和价值的污水生物处理工艺。

Description

一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理快速启动方法及系统

技术领域

本发明属于污水生物脱氮处理技术领域，具体涉及一种一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理快速启动方法及系统。

背景技术

21世纪的今天，随着工业迅猛发展和人口数量剧增，产生大量工业硝酸盐废水和城市生活污水，氮素污染愈发严重导致我国水环境质量不容乐观。

传统的生物脱氮工艺已不能满足城市污水厂未来节能高效脱氮和可持续发展要求。短程反硝化作为一种不完全反硝化反应，可节省碳源需求、降低污泥产量、提升氮转化率，被认为是最具研究潜力的厌氧氨氧化底物供给技术。厌氧氨氧化工艺则在缺氧自养条件下实现氮素的去除，因其脱氮效率高、基建费用低、能源投入少等优点受到了广泛关注。

一体式短程反硝化-厌氧氨氧化是指短程反硝化与厌氧氨氧化反应原位耦合，减少了分体式耦合反应基建投资费用，可用于同时去除工业硝酸盐废水硝态氮和生活污水有机物及氨氮，满足国家规定污水污染物排放标准。

而以往实验研究单级反应器内短程反硝化厌氧氨氧化反应是建立在接种成熟短程反硝化污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥或成熟反硝化氨氧化污泥直接启动，这些污泥不易获取，且混合接种后易发生菌群拮抗作用降低初期反应器脱氮效果，极大的延长了反应器启动周期。此外，人工配水通常用作启动短程反硝化厌氧氨氧化一体式反应，鉴于城市生活污水及工业硝酸盐废水的复杂水质特性，仅通过配水驯化短程反硝化污泥与厌氧氨氧化污泥成功后很难直接运行实际污水，易产生较长的污泥适应期，而且有机物存在情况下反硝化菌增殖速率明显高于厌氧氨氧化菌，对一体式反应器内维持厌氧氨氧化优势脱氮地位造成极大威胁。

因此，短程反硝化厌氧氨氧化一体式反应器的快速启动及在真实污废水处理中应用是目前这一工艺技术亟需突破的难题。

发明内容

本发明提供了一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理快速启动方法及系统，用以解决目前一体式短程反硝化耦合厌氧氨氧化进行污废水处理时启动周期长的问题。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：所述一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理快速启动方法，其包括如下步骤：

1)预处理工业硝酸盐废水：对工业硝酸盐废水中对微生物有潜在毒害的物质进行预处理；

2)调配城市生活污水：城市生活污水用自来水随运行时间进行梯度稀释，并外投NH₄Cl和NaNO₂调节出水中氨氮浓度至稀释前城市生活污水中氨氮浓度；

3)混合废水：步骤2)的出水和步骤1)的出水按体积比10～100的进行混合；

4)短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应：将步骤3)的出水泵入UASB生物膜反应器，进行短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应。

预处理过程中对应不同种类工业硝酸盐废水所含的毒害有机物种类，如氟化物、重金属离子、氯化物，投加不同吸附降解药剂，采用公知技术即可。

通过直接运行实际城市污水和工业硝酸盐废水，避免以往基于人工配水启动一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器后运行实际污水需要较长的污泥适应期缺陷，同时在反应器启动初期从厌氧氨氧化污泥中驯化短程反硝化菌，利于短程反硝化菌与厌氧氨氧化菌发挥协同脱氮作用而非菌群竞争，减少启动一体式反应器运行实际污水所需时间。

可选地，所述步骤3)中还添加营养物质，所述营养物质由如下组分组成：KH₂PO₄、CaCl₂·2H₂O和MgSO₄·7H₂O。

可选地，所述营养物质的添加量为每升混合废水加1mL营养物质的水溶液，所述营养物质水溶液中各组分的浓度为KH₂PO₄为0.03g/L，CaCl₂·2H₂O为0.14g/L，MgSO₄·7H₂O为0.14g/L。

可选地，所述步骤3)中还添加微量元素浓缩液，所述微量元素浓缩液的添加量为每升混合废水加1mL，所述微量元素浓缩液由如下成分组成：

FeCl₃·6H₂O、CuSO₄·5H₂O、MnCl₂·4H₂O、Na₂MoO₄·2H₂O、ZnSO₄·7H₂O、CoCl₂·6H₂O、KI、H₃BO₄和EDTA。

可选地，所述微量元素浓缩液中各成分浓度如下：

微量元素浓缩液采用富含上述微量金属元素浓度的污废水替代。微量金属元素是微生物胞内酶形成的必需成分和辅助因子，它在促进菌群分化，调节微生物渗透压及酸碱平衡方面发挥重要作用，投加营养液有助于加速污泥中短程反硝化菌与厌氧氨氧化菌的分化代谢，从而缩短短程反硝化厌氧氨氧化一体式反应器启动周期。

可选地，所述步骤2)中梯度稀释具体为从开始自来水与城市生活污水的体积比为0.7:0.3直至无自来水稀释。

可选地，以城市生活污水中氨氮浓度为标准，通过调整所述步骤1)中的出水量和步骤2)中出水量的比例，控制混合废水的氨氮浓度。

可选地，所述UASB生物膜反应器的进水还包括外加有机碳源，所述外加有机碳源为乙酸盐水溶液。

可选地，控制所述有机碳源的添加量，每升混合废水添加COD的投加浓度与步骤3)混合废水中NO₃ ^--N的浓度比为1.5～3.0。

投加浓度是指外加物质，比如COD的质量与混合废水的体积比。

控制有机物与硝态氮之比既能够满足异养短程反硝化菌对易降解碳源的增殖需求，又不致异养菌大量繁殖抑制自养厌氧氨氧化菌的代谢，有利于驯化富集短程反硝化菌同时维持厌氧氨氧化菌优势脱氮地位，加速一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器启动。

可选地，所述UASB生物膜反应器的进水中NH₄ ⁺-N浓度为0.1～100mg/L，NO₂ ^--N浓度为0.1～100mg/L，NO₃ ^--N浓度为0.1～100mg/L，COD浓度为0.1～500mg/L，pH值范围为6～9。

可选地，所述UASB生物膜反应器的运行参数如下：水力停留时间为6～24小时，溶解氧浓度范围为0～0.5mg/L，反应器运行温度为10～30℃。

可选地，所述步骤4)的反应过程中，当UASB生物膜反应器中出现颗粒污泥且出现污泥上浮现象后，收集UASB生物膜反应器中排出的气体并使其回流到所述UASB生物膜反应器中，回流气体与UASB生物膜反应器进水量的体积比控制在10:1以下。

可选地，所述步骤4)的反应过程中，当UASB生物膜反应器出水中总氮浓度未达标时，则将出水回流到所述UASB生物膜反应器中进行再次反应，所述回流水量与进水量的体积比在100:1以下。

本发明还提供了一种一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理系统，其包括硝酸盐废水预处理水箱、城市污水稀释水箱、混合废水水箱、有机氮源水箱和UASB生物膜反应器；

所述硝酸盐废水预处理水箱出水口通过第一进水泵与所述混合废水水箱进水管相连，所述城市污水稀释水箱出水口通过第二进水泵与与所述混合废水水箱进水管相连，所述废水水箱的出水口通过第三进水泵与所述UASB生物膜反应器进水管相连，所述有机氮源水箱通过第四进水泵与所述UASB生物膜反应器进水管相连。

可选地，所述硝酸盐废水预处理水箱内设置有搅拌棒。

可选地，所述有机氮源水箱中为乙酸钠水溶液。

可选地，所述UASB生物膜反应器包括筒体、设置在筒体上部的三相分离器、分散在筒体内位于三相分离器下方的悬浮填料、分散在筒体内位于三相分离器下方的厌氧氨氧化污泥、设置在筒体底部的进水口、设置在筒体上部的排水口、设置在筒体顶部的排气口。采用直接接种挂膜填料及少量厌氧氨氧化污泥方式能够最大程度持留厌氧氨氧化菌，提升其微生物量，反应器运行过程厌氧氨氧化菌还可继续附着填料增加厌氧氨氧化菌生物膜厚度，进一步提升反应器脱氮效率。

可选地，所述悬浮填料填充体积占所述UASB生物膜反应器总有效体积的30～60％，所述厌氧氨氧化污泥体积占所述UASB生物膜反应器总有效体积的5～20％。

可选地，所述厌氧氨氧化污泥浓度为1000～3000mg MLSS/L，所述悬浮填料采用直径10～30mm聚乙烯空心环材质，其密度为0.95～1.00g/cm³，比表面积为400～700m²/m³，孔隙率为94～96％。

可选地，所述悬浮填料为已挂好厌氧氨氧化菌生物膜的悬浮填料。所述厌氧氨氧化污泥为经富集培养成功、具有一定厌氧氨氧化活性的污泥，可由实验室规模、中试规模或工程规模厌氧氨氧化反应器或特定条件下保存的厌氧氨氧化菌种提供；填充的挂膜成功厌氧氨氧化菌悬浮填料，为厌氧氨氧化污泥反应器中挂膜启动时间100天以上，所述挂膜厌氧氨氧化菌悬浮填料，可由实验室规模、中试规模或工程规模厌氧氨氧化膜填料反应器提供。

可选地，还包括水回流系统，所述水回流系统包括设置在筒体上部的回流出水口，所述回流出水口通过回流泵与所述进水口相连。回流水再进行原位短程反硝化厌氧氨氧化反应，降低出水总氮浓度达到深度脱氮效果

可选地，还包括气回流系统，所述气回流系统包括所述排气口处设置的带有两个出口的分流管，所述分流管其中一个出口通过空气泵和空气阀接入所述进水口。气回流系统是为了营造反应器内良好的无氧环境，且能够增大反应器水力混合程度和污泥流化态，防止反应器内偏低的水力混合程度降低污泥传质效率，但此空气回流设施必须待反应器内培养出成熟颗粒污泥后方可启动，避免前期污泥培养驯化时悬浮絮体污泥流失。

本发明提供的技术方案通过启动阶段进水方式、参数控制等可以实现短程反硝化原位耦合厌氧氨氧化反应对工业硝酸盐废水和城市生活污水处理的快速启动，高效和深度脱氮除碳，是一种经济节能且极具应用前景和价值的污水生物处理工艺。

附图说明

图1是本发明所述一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理系统一具体实施方式的结构示意图。

图中所示：

10-硝酸盐废水预处理水箱，11-搅拌棒，20-城市污水稀释水箱，30-混合废水水箱，40-有机氮源水箱，50-UASB生物膜反应器，51-筒体，52-三相分离器，53-悬浮填料，54-进水口，55-排水口，56-排气口，60-水回流系统，61-回流出水口，62-回流泵，70-气回流系统，71-分流管，72-出口，73-空气泵，74-空气阀，81-第一进水泵，82-第二进水泵，83-第三进水泵，84-第四进水泵。

具体实施方式

为了便于理解，下面结合实施例阐述所述一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理快速启动方法及系统，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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例

如图1所示，所述一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理系统，其包括硝酸盐废水预处理水箱10、城市污水稀释水箱20、混合废水水箱30、有机氮源水箱40、UASB生物膜反应器50、水回流系统60和气回流系统70。

继续参见图1，所述硝酸盐废水预处理水10的出水口通过第一进水泵81与所述混合废水水箱30进水管相连，所述城市污水稀释水箱20的出水口通过第二进水泵82与所述混合废水水箱30进水管相连，所述混合废水水箱30的出水口通过第三进水泵83与所述UASB生物膜反应器50进水管相连，所述有机氮源水箱40通过第四进水泵84与所述UASB生物膜反应器50进水管相连。

继续参见图1，所述硝酸盐废水预处理水箱10内设置有搅拌棒11。

所述有机氮源水箱40中为乙酸钠水溶液。

所述UASB生物膜反应器由有机玻璃制作，有效容积为6L，在遮光密闭室温条件下，混合污水和外有机碳源在进水泵抽吸下进入反应器进行连续培养启动。继续参见图1，所述UASB生物膜反应器50包括筒体51、设置在筒体51上部的三相分离器52、分散在筒体51内位于三相分离器52下方的悬浮填料53、分散在筒体51内位于三相分离器52下方的厌氧氨氧化污泥(图中未示)、设置在筒体51底部的进水口54、设置在筒体51上部的排水口55、设置在筒体51顶部的排气口56。其中悬浮填料53采用直径10mm聚乙烯空心环材质，其密度为0.98g/cm³，比表面积为700m²/m³，孔隙率为96％，悬浮填料53填充体积约占反应器总有效体积的50％，接种厌氧氨氧化污泥体积约占反应器总有效体积的10％。

继续参见图1，所述水回流系统60包括设置在筒体51上部的回流出水口61，所述回流出水口61通过回流泵62与所述进水口54相连。

继续参见图1，所述气回流系统70包括所述排气口56处设置的带有两个出口的分流管71，所述分流管71其中一个出口72通过空气泵73和空气阀74接入所述进水口54。

结合上述系统详细阐述所述一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理快速启动方法的过程如下：

1.接种污泥及悬浮填料

接种实验室氮去除负荷为0.2kg N/(m³·d)厌氧氨氧化活性污泥，接种后反应器内污泥浓度为2000mg MLSS/L且600mg MLVSS/L；填充的挂膜成功厌氧氨氧化菌悬浮填料，为实验室厌氧氨氧化污泥反应器中挂膜启动时间130天，氮去除负荷达0.5kg N/(m³·d)。

2.参数控制

本实施例中具体实验用水为化肥厂企业硝酸盐废水，其NO₃ ^--N浓度为600mg/L，含有硫化物、氰化物浓度约50mg/L，城市污水氨氮浓度为60mg/L，COD浓度为300mg/L，亚硝态氮浓度低于0.2mg/L(～0)，硝态氮浓度低于0.2mg/L(～0)，有机碳源水箱COD浓度为400～500mg/L。

启动阶段分四个阶段进行，四个阶段中自来水对城市生活污水呈梯度稀释，UASB生物膜反应器50的进水中氨氮、亚硝态氮、硝态氮、COD浓度见表1，以NaHCO₃控制pH为7.5～8.0，按每升进水添加1mL的比例向UASB生物膜反应器50中加营养液，所述营养液由如下浓度的组分组成：KH₂PO₄为0.03g/L，CaCl₂·2H₂O为0.14g/L，MgSO₄·7H₂O为0.14g/L。按每升进水添加1mL的比例向UASB生物膜反应器50中加微量元素浓缩液，所述微量元素浓缩液由如下浓度的组分组成：1.5g/L FeCl₃·6H₂O，0.03g/L CuSO₄·5H₂O，0.12g/L MnCl₂·4H₂O，0.06g/L Na₂MoO₄·2H₂O，0.12g/L ZnSO₄·7H₂O，0.15g/L CoCl₂·6H₂O，0.18g/L KI，0.15g/L H₃BO₄，10g/L EDTA。

表1进水参数示意表

其中稀释比是指城市污水稀释水箱20的出水量和硝酸盐废水预处理水箱10的出水量的体积比。

其中外投数据是指根据混合废水水箱30的出水量通过有机碳源添加的各成分的量，也就是投加浓度，比如第一阶段外投40mg/L的COD，是指每升混合废水中外加40mgCOD，而对于COD浓度为400mg/L的有机碳源水溶液来说，只需要添加0.1L。

UASB生物膜反应器参数控制：反应器覆有黑色塑料布以避免光照对厌氧氨氧化菌抑制，在严格厌氧避光室温情况下采用连续运行模式，以保持稳定的进水基质浓度及有利菌种生长条件；反应器水力停留时间HRT控制在10小时，溶解氧浓度范围为0～0.5mg/L，反应器温度为室温10～30℃；回流泵回流水量与进水水量的体积比为2:1；当UASB生物膜反应器中出现颗粒污泥且出现污泥上浮现象后，开启空气泵73，回流气体量与进水量的体积比为1:1。

3.运行操作

化肥厂生产硝酸盐废水将首先通入硝酸盐废水预处理水箱10，通过投入除硫和除氟剂预处理其含有的硫化物、氰化物等对微生物有潜在毒害的物质，之后出水经第一进水泵81泵入混合废水水箱30，通过调整硝酸盐废水预处理水箱10的出水量和城市污水稀释水箱20的出水量的比例，控制混合废水的氨氮浓度接近城市生活污水中氨氮浓度，预处理后的工业硝酸盐废水与调配后的城市生活污水混合比为1:30～1:10；在厌氧、避光室温条件下，混合废水经第三进水泵83泵入UASB生物膜反应器50进行短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应的启动。

启动第四进水泵84抽有机氮源水箱40水至管道接口，与第三进水泵83出水混合流入UASB生物膜反应器50；开启回流泵将UASB生物膜反应50回流泵62抽回至进水口；UASB生物膜反应器50排水由排水口55流出。当出水低于《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918-2002)》一级A标准(NH₄ ⁺-N≤5mg/L，TN≤15mg/L)，且氨氮、硝态氮去除率不低于90％，表明一体式短程反硝化厌氧氨氧化反应器启动成功。

4.运行结果

水处理系统运行30天启动成功，出水COD浓度为20～45mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为0.5～4mg/L，NO₂ ^--N浓度为0～0.6mg/L，NO₃ ^--N浓度为1～10mg/L，TN浓度为10～14mg/L，低于排放限值标准。

本发明采用UASB生物膜反应器，以厌氧氨氧化菌挂膜填料和少量厌氧氨氧化污泥作为接种物，自来水渐进稀释城市污水并混合少量工业硝酸盐废水作为进水，并外投乙酸盐有机碳源，延长水力停留时间和以城市污水低基质负荷运行反应器连续运行。这一技术方案实现了短时间内短程反硝化厌氧氨氧化反应的快速启动，并可直接用于城市生活污水和工业硝酸盐废水的污染物降解过程。

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

1.一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理快速启动方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)中还添加营养物质，所述营养物质由如下组分组成：KH₂PO₄、CaCl₂·2H₂O和MgSO₄·7H₂O。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)中还添加微量元素浓缩液，所述微量元素浓缩液的添加量为每升混合废水加1mL，所述微量元素浓缩液由如下成分组成：FeCl₃·6H₂O、CuSO₄·5H₂O、MnCl₂·4H₂O、Na₂MoO₄·2H₂O、ZnSO₄·7H₂O、CoCl₂·6H₂O、KI、H₃BO₄和EDTA。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤2)中梯度稀释具体为从开始自来水与城市生活污水的体积比为0.7:0.3，直至不稀释。

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，控制所述有机碳源的添加量，每升混合废水添加COD的投加浓度与步骤3)混合废水中NO₃ ^--N的浓度比为1.5～3.0。

6.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述UASB生物膜反应器的运行参数如下：水力停留时间为6～24小时，溶解氧浓度范围为0～0.5mg/L，反应器运行温度为10～30℃。

7.一体式短程反硝化厌氧氨氧化水处理系统，其特征在于，包括硝酸盐废水预处理水箱、城市污水稀释水箱、混合废水水箱、有机氮源水箱和UASB生物膜反应器；

8.根据权利要求7所述系统，其特征在于，所述UASB生物膜反应器包括筒体、设置在筒体上部的三相分离器、分散在筒体内位于三相分离器下方的悬浮填料、分散在筒体内位于三相分离器下方的厌氧氨氧化污泥、设置在筒体底部的进水口、设置在筒体上部的排水口、设置在筒体顶部的排气口。

9.根据权利要求8所述系统，其特征在于，所述悬浮填料填充体积占所述UASB生物膜反应器总有效体积的30～60％，所述厌氧氨氧化污泥体积占所述UASB生物膜反应器总有效体积的5～20％。

10.根据权利要求7所述系统，其特征在于，还包括水回流系统和气回流系统，所述水回流系统包括设置在筒体上部的回流出水口，所述回流出水口通过回流泵与所述进水口相连；所述气回流系统包括所述排气口处设置的带有两个出口的分流管，所述分流管其中一个出口通过空气泵和空气阀接入所述进水口。