CN111333181B

CN111333181B - 一种处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法

Info

Publication number: CN111333181B
Application number: CN202010209617.XA
Authority: CN
Inventors: 王怡; 卢欣欣; 黄小钟; 赵珂鑫
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: CN111333181A

Abstract

本发明公开了一种处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法，包括向生物滤柱反应器内泵入具有一定厌氧氨氧化活性的絮状污泥和NH₄ ⁺‑N与NO₂ ^‑‑N质量浓度比的合成废水，静置；在较低负荷下启动生物滤柱厌氧氨氧化反应器，随着接种污泥的适应和驯化，当总氮去除率大于80％时，即为启动完成，随后在此负荷下继续运行达到稳定；再在保持进水NH₄ ⁺‑N与NO₂ ^‑‑N浓度相对较低且稳定的条件下，通过逐步缩短水力停留时间的方式，不断提高反应器的氮负荷，有利于反应器中形成颗粒污泥及较厚的生物膜，使生物滤柱厌氧氨氧化反应器在处理低浓度含氮废水时对氮负荷具有较强的抗冲击能力且具有稳定的高脱氮效能。

Description

一种处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法

技术领域

本发明涉及污水生物处理技术领域，特别涉及一种生物滤柱反应器处理低浓度含氮废水时实现快滤模式厌氧氨氧化的运行方法。

背景技术

在传统的污水处理厂中，通常采用生物硝化-反硝化去除废水中的氮以避免过量氮排放进入附近的接纳水体中。硝化-反硝化过程的脱氮效率(NRE)由进水中有机碳与氮(C/N)的比值决定，如果进水碳源有限，则氮去除性能将受到显著影响。采用传统的硝化-反硝化来处理城市污水时，反硝化处理过程经常出现碳源短缺，为了满足氮排放要求，常需要增加碳源，并导致大量的额外成本。

厌氧氨氧化作为重要的自养脱氮工艺，在处理城市污水中，其与硝化/反硝化工艺相比，具有以下优点：(1)将节省一半的曝气能量，因为只有一半的氨氮需要被氧化成亚硝酸盐；(2)在脱氮过程中不需要消耗有机碳，很好地解决低C/N的问题且还有利于污水中有机物更多的回收；(3)厌氧氨氧化反应中释放出较少的温室气体，因为厌氧氨氧化细菌不是N₂O的生产者，并且它可以利用CO₂作为碳源来进行自养脱氮。且厌氧氨氧化工艺还具有脱氮效率高、污泥产率低且更少的空间需求的优点，因此，在自养脱氮工艺中，厌氧氨氧化被认为是一种有前途的替代方法。

目前采用厌氧氨氧化处理低氮废水时存在较多问题，如：抗氮负荷冲击能力差；出水不能达到城镇污水处理厂污染物排放一级A标准等。然而，脱氮率普遍较低且不稳定是厌氧氨氧化处理低氮废水时面临的最大问题，其往往导致大的反应器容积和不稳定的氮出水浓度。因此，寻求一种处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应器的启动及运行方法尤为重要。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应器的启动及运行方法，该方法可针对低浓度含氮废水，在生物滤柱反应器中采用向上连续流并逐级缩短水力停留时间的运行方式有效积累厌氧氨氧化菌，使反应器对氮负荷具有较强的抗冲击能力且具有稳定的高脱氮效能。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法，包括以下步骤：

步骤一：在生物滤柱反应器内接种具有一定活性的厌氧氨氧化絮状污泥，泵入NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为50-110mg/L的含氮模拟废水，控制含氮模拟废水中NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值为(1～1.32):1，在一定温度下静置36-72h；

步骤二：在低负荷下启动厌氧氨氧化反应器，连续泵入含氮模拟废水，控制含氮模拟废水中NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在(1～1.32):1，水力停留时间为8-12h，当总氮去除率大于80％时，启动完成；

步骤三：随后在此负荷下继续运行，在总氮去除率大于85％的条件下稳定运行1-2个月；

步骤四：继续连续泵入含氮模拟废水，保持启动温度、进水NH₄ ⁺-N与NO₂ ^--N浓度稳定的条件下，生物滤柱反应器的向上连续流，并逐级缩短反应器的水力停留时间，在高氮负荷下，总氮去除率仍能稳定达到85％以上，出水总氮浓度稳定在15mg/L以下。反应器内形成了颗粒污泥和挂在其中的有机悬浮填料上超过1.0mm厚的生物膜，即完成了快滤式厌氧氨氧化反应器中高效厌氧氨氧化菌的培养。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述含氮模拟废水包括氨氮、亚硝氮、常量元素和微量元素，所述氨氮以铵盐添加、亚硝氮以亚硝酸盐添加。

进一步，所述常量元素含有如下质量比的原料：

K₂HPO₄·2H₂O 0.01g/L、CaCl₂·2H₂O 0.014g/L、MgSO₄·7H₂O 0.30g/L、KHCO₃0.40g/L。

进一步，所述微量元素包括在1L模拟废水中分别添加1mL微量元素I和1mL微量元素II；

微量元素I溶液：EDTA 5g/L、FeSO₄·7H₂O 5g/L；

微量元素II溶液：EDTA-2Na 15g/L、CuSO₄·5H₂O 0.25g/L、ZnSO₄·7H₂O 0.43g/L、NaMoO₄·2H₂O 0.22g/L、MnCl₂·4H₂O 0.99g/L、NiCl₂·6H₂O 0.19g/L、CoCl₂·6H₂O 0.24g/L、Na₂SeO4·10H₂O 0.21g/L、H₃BO₃ 0.014g/L。

进一步，在28-32℃温度下静置36-72h。

进一步，所述步骤四中，逐步缩短反应器的水力停留时间，从8-12h按一定梯度逐步缩短至16min。

进一步，步骤四中，生物滤柱反应器的向上连续流上升流速为0.05～1.8m/h。

进一步，步骤四中，逐级缩短反应器的水力停留时间，最终在氮负荷为4.86kgN/m³·d时，总氮去除率稳定达到85％以上，出水总氮稳定在15mg/L以下。

相应地，本发明上述方法采用的反应器生物滤柱反应器的高径比(H/D)为6～10，其中填充轻质有机悬浮填料填充比为100％。

本发明具有以下有益效果：

本发明中采用的模拟废水中NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度始终维持在50-110mg/L且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在(1～1.32):1之间。当氮负荷为4.86kgN/m³·d时，总氮去除率稳定达到85％以上，大约16-32min的水力停留时间出水总氮可稳定低于15mg/L。在这种生物滤柱反应器中逐步缩短HRT的方式导致反应器中上升流速为0.05-1.80m/h，形成了颗粒污泥和挂在其中的有机悬浮填料上超过1.0mm厚的生物膜，积累了大量厌氧氨氧化菌，使得反应器在处理低氮废水时对氮负荷具有较强的抗冲击能力且稳定的高脱氮效能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明中生物滤柱反应器装置示意图

图中：1.进水箱；2.蠕动泵；3.生物滤柱反应器；4.出水箱；5.加热系统。

图2(a)、图2(b)是具体实施例1的反应器在各运行阶段的性能参数指标图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照附图1所示，本发明提出的处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法，采用有效容积745mL的生物滤柱反应器3，总高度为47cm，内径为5cm，柱体内部填充有机悬浮填料K1，规格为直径10mm×高10mm，空隙率为80.42％，柱体外部设有电热丝加热系统5，使反应器内的温度保持在30±2℃，整个反应器置于避光环境。反应器通过蠕动泵2连通进水箱1和出水箱4，连续进水，下进上出。

本实施例处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法，步骤如下：

1)在生物滤柱反应器内接种具有一定活性的厌氧氨氧化絮状污泥，泵入含氮模拟废水，进水pH为7.7-8.1，NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度始终维持在50-110mg/L，控制模拟废水中NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值为(1～1.32):1，温度维持在28-32℃，静置36-72h；

此外，模拟废水中包括氨氮、亚硝氮、常量元素和微量元素，氨氮以铵盐添加、亚硝氮以亚硝酸盐添加。

常量元素含有如下质量比的原料：0.01gK₂HPO₄·2H₂O；0.014gCaCl₂·2H₂O；0.3gMgSO₄·7H₂O；0.4gKHCO₃。

并且1L模拟废水中分别添加1mL微量元素I和1mL微量元素II；

微量元素I溶液组成：EDTA 5g/L、FeSO₄·7H₂O 5g/L；

微量元素II溶液组成：EDTA-2Na 15g/L、CuSO₄·5H₂O 0.25g/L、ZnSO₄·7H₂O0.43g/L、NaMoO₄·2H₂O 0.22g/L、MnCl₂·4H₂O 0.99g/L、NiCl₂·6H₂O 0.19g/L、CoCl₂·6H₂O0.24g/L、Na₂SeO4·10H₂O 0.21g/L、H₃BO₃ 0.014g/L。

2)在低负荷下启动厌氧氨氧化反应器，连续泵入含氮模拟废水，控制含氮模拟废水中NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在(1～1.32):1，启动阶段水力停留时间为8-12h，当总氮去除率大于80％时，启动完成。

3)随后在此负荷下继续运行，在总氮去除率大于85％的条件下稳定运行1-2个月。

4)继续连续泵入含氮模拟废水，温度维持在28-32℃，在保持进水NH₄ ⁺-N与NO₂ ^--N浓度稳定的条件下，控制模拟废水中NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在(1～1.32):1，生物滤柱反应器的向上连续流，上升流速为0.05～1.80m/h，并逐级缩短反应器的水力停留时间，从8-12h按一定梯度逐步缩短至16-32min；最终在氮负荷为4.86kgN/m³·d时，总氮去除率仍能稳定达到85％以上，出水总氮稳定在15mg/L以下。反应器内形成了稳定的颗粒污泥和挂在其中的有机悬浮填料上超过1.0mm厚的生物膜，即完成了快滤式厌氧氨氧化反应器中高效厌氧氨氧化菌的培养。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明。

实施例1

1)在生物滤柱反应器内接种具有一定活性的厌氧氨氧化絮状污泥，泵入含氮模拟废水，进水pH为7.7，进水按照上述标准添加矿物元素和微量元素溶液，NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为110mg/L，且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在1.1：1，温度维持在30℃，静置36h；

2)连续泵入含氮模拟废水启动厌氧氨氧化反应器，温度维持在30℃，含氮模拟废水中NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为110mg/L，且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在1.1:1，水力停留时间为8h，在16天时，总氮去除率为83.91％(大于80％)，启动完成；

3)随后在此负荷下继续运行，NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为110mg/L且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值为1.1:1，稳定运行了36天；此时氮负荷为0.32kgN/m³·d，出水NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N和总氮的平均浓度分别为0.93、1.17和12.36mg/L，平均去除率分别为98.21％、97.80和87.57％。

4)反应器的水力停留时间从8h开始逐级缩短至5.33h、4h和2.67h时，氮负荷从0.32kgN/m³·d逐步增加到0.48、0.64和0.96kgN/m³·d，出水NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N浓度几乎没有波动，此过程共进行51d，整个过程中系统均维持较高的氮去除率，且表现出良好的稳定性。

继续缩短水力停留时间为1.78h时，氮负荷提高至1.44kgN/m³·d，经过9d时NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N和总氮的去除率分别达到98.01％、98.82％和87.49％。随后稳定运行15d，平均出水总氮浓度为12.71mg/L，总氮的平均去除率为87.95％。

继续缩短水力停留时间为1.19h时，氮负荷提高到2.16kgN/m³·d后，经过9d时NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N和总氮的去除率分别达到97.20％、98.74％和86.99％。随后稳定运行15d，平均出水总氮浓度为13.95mg/L，总氮的平均去除率为86.72％。

继续缩短水力停留时间为0.79h时，氮负荷提高到3.24kgN/m³·d，经过12d时NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N和总氮的去除率分别达到97.21％、97.71％和86.89％。随后稳定运行15d，平均出水总氮浓度为11.67mg/L，总氮的平均去除率为88.83％。

继续缩短水力停留时间为32min时，生物滤柱反应器的上升流速从0.06m/h增加至0.906m/h。氮负荷增加至4.86kgN/m³·d，经过24d的恢复期，NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N和总氮的去除率分别达到95.20％、95.48％和85.65％。随后稳定运行39d，平均出水总氮浓度为14.20mg/L，总氮的平均去除率为86.24％，仍能稳定达到85％以上，反应器内形成了稳定的颗粒污泥和挂在其中的有机悬浮填料上超过1mm厚生物膜，即完成了快滤式厌氧氨氧化反应器中高效厌氧氨氧化菌的培养。

图2(a)、图2(b)分别给出了反应器在各运行阶段的性能参数指标。

实施例2

1)在生物滤柱反应器内接种具有一定活性的厌氧氨氧化絮状污泥，泵入含氮模拟废水，进水pH为8.1，进水按照上述标准添加矿物元素和微量元素溶液，NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为55mg/L，且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在1.32：1，温度维持在28℃，静置48h；

2)连续泵入含氮模拟废水启动厌氧氨氧化反应器，温度维持在28℃，含氮模拟废水中NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为55mg/L，且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在1.32:1，水力停留时间为8h，在18天时出水NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N浓度分别为3.26mg/L和15.14mg/L，总氮去除率为70.09％。保持进水NH₄ ⁺-N浓度不变，调整NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值为1.15:1，随即总氮去除率达到84.71％(大于80％)，启动完成。

3)随后在此负荷下继续运行，进水NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为55mg/L且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值为1.15:1，稳定运行48天。

期间出水总氮的平均浓度达到8.48mg/L，平均去除率达到86.09％。

4)水力停留时间逐级递减方式同实施例1中4)相同。当氮负荷增加至4.86kgN/m³·d，水力停留时间缩短为16min，生物滤柱反应器的上升流速从0.05m/h增加至1.80m/h，平均出水总氮浓度为8.77mg/L，总氮的平均去除率为85.38％，仍能稳定达到85％以上，反应器内形成了稳定的颗粒污泥和挂在其中的有机悬浮填料上超过1mm厚生物膜，即完成了快滤式厌氧氨氧化反应器中高效厌氧氨氧化菌的培养。

实施例3

1)在生物滤柱反应器内接种具有一定活性的厌氧氨氧化絮状污泥，泵入含氮模拟废水，进水pH为8.0，进水按照上述标准添加矿物元素和微量元素溶液，NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为100mg/L，且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在1.32：1，温度维持在30℃，静置72h；

2)连续泵入含氮模拟废水启动厌氧氨氧化反应器，温度维持在32℃，含氮模拟废水中NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为100mg/L，且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在1.2:1，水力停留时间为12h，在22天时，总氮去除率为85.35％(大于80％)，启动完成；

3)随后在此负荷下继续运行，进水NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为110mg/L且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值为1.32:1，稳定运行了30天；

期间出水总氮的平均浓度为12.36mg/L，平均去除率为89.41％。

4)水力停留时间的逐级递减方式同实施例1中4)相同。当氮负荷增加至4.86kgN/m³·d，水力停留时间缩短为32min，生物滤柱反应器的上升流速从0.06m/h增加至1.00m/h，平均出水总氮浓度为13.07mg/L，总氮的平均去除率为85.49％，仍能稳定达到85％以上，反应器内形成了稳定的颗粒污泥和挂在其中的有机悬浮填料上超过1mm厚生物膜，即完成了快滤式厌氧氨氧化反应器中高效厌氧氨氧化菌的培养。

实施例4

1)在生物滤柱反应器内接种具有一定活性的厌氧氨氧化絮状污泥，泵入含氮模拟废水，进水pH为8.1，进水按照上述标准添加矿物元素和微量元素溶液，NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为110mg/L，且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在1：1，温度维持在32℃，静置72h；

2)连续泵入含氮模拟废水启动厌氧氨氧化反应器，温度维持在30℃，含氮模拟废水中NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为110mg/L，且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在1:1，水力停留时间为8h，在16天时总氮去除率达到80.95％(大于80％)，启动完成。

3)随后在此负荷下继续运行，进水NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为110mg/L且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值为1:1，稳定运行54天。

期间出水总氮的平均浓度达到13.20mg/L，平均去除率达到87.20％。

4)水力停留时间逐级递减方式同实施例1中4)相同。氮负荷增加至4.86kgN/m³·d，生物滤柱反应器的上升流速从0.06m/h增加至0.91m/h，平均出水总氮浓度为13.47mg/L，总氮的平均去除率为86.73％，仍能稳定达到85％以上，反应器内形成了稳定的颗粒污泥和挂在其中的有机悬浮填料上超过1mm厚生物膜，即完成了快滤式厌氧氨氧化反应器中高效厌氧氨氧化菌的培养。

总体而言，以上案例中的生物滤柱反应器处理低氮废水(NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为50-110mg/L，且NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在1～1.32之间)时效果良好，在氮负荷为4.86kgN/m³·d时，总氮的平均去除率稳定在85％以上，16-32min的水力停留时间即可实现出水氮的达标排放。反应器内的上升流速从0.06m/h逐渐增加到1.80m/h，随着上升流速的稳步增加，最终在生物滤柱反应器内形成了颗粒污泥和生物膜的混合状态，生物量浓度达到21.61gSS/L且厌氧氨氧化活性达到823mgN/gVSS·d。同时，生物滤柱反应器的这种启动及运行方式有效的积累了大量厌氧氨氧化菌，微生物鉴定表明反应器中每个部分的厌氧氨氧化菌的相对丰度均达到了50％以上，且在生物膜中Candidatus Brocadia菌的相对丰度达到了71.10％。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在生物滤柱反应器内接种具有一定活性的厌氧氨氧化絮状污泥，泵入NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N总浓度为50-110mg/L的含氮模拟废水，控制含氮模拟废水中NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值为（1~1.32）:1，在一定温度下静置36-72h；

步骤二：在低负荷下启动厌氧氨氧化反应器，连续泵入含氮模拟废水，控制含氮模拟废水中NO₂ ^--N与NH₄ ⁺-N浓度比值在（1~1.32）:1，水力停留时间为8-12h，当总氮去除率大于80%时，启动完成；

步骤三：随后在此负荷下继续运行，在总氮去除率大于85%的条件下稳定运行1-2个月；

步骤四：继续连续泵入含氮模拟废水，保持启动温度、进水NH₄ ⁺-N与NO₂ ^--N浓度稳定的条件下，生物滤柱反应器向上连续流，并逐级缩短反应器的水力停留时间，从8-12h按一定梯度逐步缩短至16min；在高氮负荷为4.86kgN/m³·d时，总氮去除率仍能稳定达到85%以上，出水总氮稳定在15mg/L以下；反应器内形成了颗粒污泥和挂在其中的有机悬浮填料上超过1.0mm厚的生物膜，即完成了快滤式厌氧氨氧化反应器中高效厌氧氨氧化菌的培养。

2.根据权利要求1所述的处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法，其特征在于，所述含氮模拟废水包括氨氮、亚硝氮、常量元素和微量元素，所述氨氮以铵盐添加、亚硝氮以亚硝酸盐添加。

3.根据权利要求2所述的处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法，其特征在于，所述常量元素含有如下质量比的原料：

K₂HPO₄·2H₂O 0.01g/L、CaCl₂·2H₂O 0.014g/L、MgSO₄·7H₂O 0.30g/L、KHCO₃ 0.40g/L。

4.根据权利要求2所述的处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法，其特征在于，所述微量元素包括在1L模拟废水中分别添加1mL微量元素I和1mL微量元素II；

微量元素I溶液：EDTA 5g/L、FeSO₄·7H₂O 5g/L；

微量元素II溶液：EDTA-2Na 15g/L、CuSO₄·5H₂O 0.25g/L、ZnSO₄·7H₂O 0.43 g/L、NaMoO₄·2H₂O 0.22g/L、MnCl₂·4H₂O 0.99 g/L、NiCl₂·6H₂O 0.19 g/L、CoCl₂·6H₂O0.24g/L、Na₂SeO4·10H₂O 0.21 g/L、H₃BO₃ 0.014 g/L。

5.根据权利要求1所述的处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法，其特征在于，在28-32℃温度下静置36-72h。

6.根据权利要求1所述的处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法，其特征在于，步骤四中，生物滤柱反应器的向上连续流上升流速为0.05~1.80m/h。

7.根据权利要求1-6任一项所述的处理低浓度含氮废水的快滤式厌氧氨氧化反应方法，其特征在于，生物滤柱反应器的高径比为6~10，其中填充轻质有机悬浮填料填充比为100%。