CN111333186A - 一种耦合生物滤柱反应器及两端分步快速启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种耦合生物滤柱反应器及两端分步快速启动方法，包括厌氧氨氧化顶端启动，向生物滤柱反应器内泵入絮状污泥和合成废水A，厌氧条件下，使絮体污泥与反应器中填料充分接触挂膜；控制反应器出水氨氮和总氮去除率进行厌氧氨氧化启动；部分短程硝化底端启动阶段，泵入预处理后的活性污泥和合成废水B并在底端曝气，控制亚硝氮积累率；控制反应器出水氨氮和总氮去除率进行部分短程硝化‑厌氧氨氧化耦合，以实现除碳预处理后的城市生活污水自养脱氮。本发明有效地解决了工艺运行中常出现厌氧氨氧化菌增殖速率慢、难富集和活性低的问题，能够实现经A/B工艺除碳处理后的低氨氮城市生活污水自养脱氮。

Description

一种耦合生物滤柱反应器及两端分步快速启动方法
技术领域
本发明涉及污水生物脱氮技术领域，具体涉及一种耦合生物滤柱反应器及两端分步快速启动方法。
背景技术
随着我国城市化进程的加快，城市用水量与日俱增，随之产生了大量生活污水。传统的硝化反硝化脱氮工艺脱氮效率低下无法快速处理大量生活污水，而且硝化反应需要曝气将氨氮氧化为硝态氮，研究表明曝气能耗占整个污水处理厂总能耗的50％。此外，在反硝化过程中由于缺乏足够的碳源无法将硝态氮全部转化为氮气，通常需要额外添加碳源，又增加了污水处理的成本。因此，为了满足城市快速发展的需要和达到日益严苛的排放标准，亟待开发一种高效节能的污水处理技术。
厌氧氨氧化作为一种高效节能低成本的新型污水生物脱氮工艺而被广泛研究，并已成功应用于高氨氮污废水处理。但在低氨氮污水处理方面的应用相对欠缺，其主要原因在于氨氧化细菌富集和稳定保持比较困难。而且对于低氨氮浓度的城市生活污水，高C/N是其运用厌氧氨氧化工艺的另一主要障碍。因此，仅用厌氧氨氧化工艺处理城市生活污水较为困难，需与其他工艺耦合共同处理城市生活污水。
与传统的硝化反硝化相比，部分短程硝化-厌氧氨氧化工艺，因其具有能节省约60％的需氧量、不需要外加碳源和减少80％的污泥量等优点而受到广泛关注。目前多级式部分短程硝化-厌氧氨氧化工艺研究较多，而一体式部分短程硝化-厌氧氨氧化工艺处理城市生活污水的研究明显不足。这是由于亚硝酸氧化菌和反硝化细菌均能与厌氧氨氧化菌竞争亚硝氮，因此在一体式反应器中积累亚硝氮并稳定保持比较困难以致脱氮效率降低，而且在工艺运行中常出现厌氧氨氧化菌增殖速率慢、难富集和活性低的问题。基于此，本发明提出一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，以期为该工艺的工程化应用提供一定的技术支持。
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耦合生物滤柱反应器及两端分步快速启动方法，在柱状反应器内将氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌分别富集在反应器的中下部和中上部，形成一体式生物滤柱反应器，使得该反应器同时具有部分短程硝化和厌氧氨氧化能力，实现了经A/B工艺除碳处理后的低氨氮生活污水一站式快速高效脱氮。
本发明提供的一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，包括以下步骤：
步骤一：厌氧氨氧化顶端启动
向反应器中加入具有一定厌氧氨氧化活性的絮状污泥，再泵入NH4 +-N和NO2 --N质量浓度比为1:1.17～2.33的合成废水A，在水温为28～35℃和厌氧条件下，污泥和合成废水A在反应器内静置24～72h，使絮体污泥与反应器中填料充分接触挂膜；
从反应器顶端连续泵入合成废水A，设定水力停留时间梯度由初始时间24h逐步缩短至1h，反应器出水氨氮小于5mg/L，总氮去除率大于80％，即厌氧氨氧化启动成功；
步骤二：部分短程硝化底端启动阶段
从反应器底端泵入预处理后的活性污泥，再泵入合成废水B并在底端曝气，水力停留时间梯度由初始时间12h缩短至1h，在反应器中下部亚硝氮积累率大于50％，即部分短程硝化启动成功；
步骤三：部分短程硝化-厌氧氨氧化耦合阶段
调整曝气量使反应器中下部溶解氧维持在1.0～1.5mg/L，反应器出水氨氮小于5mg/L，总氮去除率大于80％，即部分短程硝化-厌氧氨氧化耦合成功。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
进一步，所述步骤一中，具有厌氧氨氧化活性的絮状污泥氮去除负荷维持在3.0～5.0kg·(m3·d)-1，混合后反应器内MLSS为300～1000mg/L。
进一步，所述步骤一中，合成废水A包括氨氮、亚硝氮、常量元素和微量元素，所述氨氮以0.03～0.06gN/L铵盐、亚硝氮以0.04～0.07gN/L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：
KH2PO4·2H2O 0.005～0.01g/L、CaCl2·2H2O 0.01～0.015g/L、MgSO4·7H2O0.30～0.50g/L、KHCO3 0.30～0.60g/L。
进一步，所述微量元素包括在1L合成废水中分别添加1mL微量元素I和1mL微量元素II；
所述微量元素I为：EDTA 3～7g/L、FeSO4·7H2O 5～7g/L；
所述微量元素II为：EDTA-2Na 10～20g/L、ZnSO4·7H2O 0.4～0.7g/L、CoCl2·6H2O 0.1～0.6g/L、MnCl2·4H2O 0.3～1.5g/L、CuSO4·5H2O 0.1～0.5g/L、CuSO4·5H2O0.1～0.5g/L、NaMoO4·2H2O 0.1～0.4g/L、NiCl2·6H2O 0.1～0.5g/L、H3BO4 0.01～0.03g/L和Na2SeO4·10H2O 0.1～0.4g/L。
进一步，所述的步骤二中，合成废水B按照与合成废水A相同的方法制备，包括氨氮、常量元素和微量元素，不添加亚硝酸盐，合成废水B中铵盐0.10～0.15gN/L；常量元素中KHCO3 1.0～1.5g/L；微量元素与合成废水A相同。
进一步，所述的步骤一中，水力停留时间以1.3～3倍级差逐步缩短，直至缩短为1h。
进一步，所述的步骤二中，水力停留时间以2～3倍级差逐步缩短，直至缩短为1h。
进一步，所述的步骤二中反应器中下部溶解氧大于1.5mg/L时，即刻将曝气量从60mL/min降低到30mL/min，待溶解氧浓度恢复正常后再增大曝气量。
相应地，本发明上述方法采用的反应器为一体式生物滤柱反应器，包括上、中、下段，下段腔体底部设有一个与曝气泵连通的曝气头，下段底部连通进水箱；中段柱体上分别设有若干个取样口，上段分别设有排水口和排气口；反应器外部缠绕加热丝并用铝箔纸包裹。
反应器高径比为8～12，反应器柱体内填充轻质有机悬浮填料，填充比为100％。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
(1)低浓度氨氮合成废水是根据污水处理厂用A/B工艺除碳后的出水水质配制而成，使得本发明能较好地与实际污水脱氮处理相衔接。
(2)本发明采用两端分步快速启动方法，先在反应器中上部富集厌氧氨氧化细菌，再在反应器中下部富集氨氧化细菌，使得进水中的部分氨氮在反应器中下部被氧化为亚硝氮，产生的亚硝氮与剩余的氨氮在反应器中上部进行厌氧氨氧化反应，出水氨氮浓度小于5mg/L，总氮去除率大于80％，实现了低浓度氨氮废水快速高效脱氮。
(3)本发明采用一体式生物滤柱反应器，填料填充比为100％并通过逐级缩短水力停留时间以提高进水氮负荷，实现了氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌在填料上的快速富集从而形成了大量生物膜，使得反应器抗冲击能力强且能高效稳定脱氮。
(4)本发明在一个反应器内实现了部分短程硝化和厌氧氨氧化，使得反应器结构更简单，占地面积更小，操作管理更便利。
附图说明
此处所说明的附图是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为装置结构示意图；
图中：1为进水桶，2为进水泵，3为曝气泵，4为一体式生物滤柱反应器，4-1为进水口，4-2为进气口，4-3为第一取样口，4-4为第二取样口，4-5为第三取样口，4-6为第四取样口，4-7为排水口，4-8为第五取样口，4-9为第六取样口，4-10为第七取样口，4-11为第八取样口，4-12为排气口，5为加热丝。
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。
如图1所示，本发明提供的一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，采用的设备包括进水桶1和一体式生物滤柱反应器4。包括上、中、下段，下段腔体底部内置一个石英沙曝气头与曝气泵3相连，进水由进水泵2连通进水桶1与反应器底部进水口4-1泵入。在反应器柱体中段由下至上依次设置有第一取样口4-3、第五取样口4-8；第二取样口4-4、第六取样口4-9；第三取样口4-5、第七取样口4-10和第四取样口4-6、第八取样口4-11。反应器上段分别设有排水口4-7和排气口4-12。
一体式生物滤柱反应器由有机玻璃制成，反应器外部缠绕加热丝5并用铝箔纸包裹。反应器高径比为8～12，柱体高1030mm，圆锥段高75mm，直径为100mm。反应器柱体内部填充满有机轻质填料K1(有机轻质填料K1购自于河南源润水处理材料有限公司)，其规格为直径10mm×高10mm，空隙率为78％。锥体内全部填充材质相同的有机轻质填料K3(有机轻质填料K3购自于河南源润水处理材料有限公司)，规格为直径25mm×高10mm，空隙率为82％，填充比为100％。
本实施例耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，包括以下步骤：
步骤一：厌氧氨氧化顶端启动
(1)本实施例采用有效体积为6.3L的一体式生物滤柱反应器，向反应器内接种具有一定厌氧氨氧化活性的絮状污泥，该絮状污泥取自同一实验室内实验室规模的厌氧氨氧化反应器，该反应器已稳定运行270天，具有厌氧氨氧化活性的絮状污泥氮去除负荷维持在3.0～5.0kg·(m3·d)-1。接种混合后一体式生物滤柱反应器内MLSS＝300～800mg/L，再泵入NH4 +-N和NO2 --N质量浓度比为1:1.17的合成废水A。在水温为28～35℃、厌氧、避光以及不进水不出水下稳定24h，使絮体污泥与反应器中填料充分接触挂膜。
在另一个实施例中，接种混合后一体式生物滤柱反应器内MLSS＝600～1000mg/L，再泵入NH4 +-N和NO2 --N质量浓度比为1:2.33的合成废水A。在水温为28～35℃、厌氧、避光以及不进水不出水下稳定72h。
合成废水A包括氨氮、亚硝氮、常量元素和微量元素，所述氨氮以0.03～0.06gN/L铵盐、亚硝氮以0.04～0.07gN/L亚硝酸盐添加。
常量元素含有如下质量比的原料：KH2PO4·2H2O 0.005～0.01g/L、CaCl2·2H2O0.01～0.015g/L、MgSO4·7H2O 0.30～0.50g/L、KHCO3 0.30～0.60g/L。
微量元素包括在1L合成废水中分别添加1mL微量元素I和1mL微量元素II。
微量元素I为：EDTA 3～7g/L、FeSO4·7H2O 5～7g/L。
微量元素II为：EDTA-2Na 10～20g/L、ZnSO4·7H2O 0.4～0.7g/L、CoCl2·6H2O0.1～0.6g/L、MnCl2·4H2O 0.3～1.5g/L、CuSO4·5H2O 0.1～0.5g/L、CuSO4·5H2O0.1～0.5g/L、NaMoO4·2H2O 0.1～0.4g/L、NiCl2·6H2O 0.1～0.5g/L、H3BO40.01～0.03g/L和Na2SeO4·10H2O 0.1～0.4g/L。
(2)此后从反应器顶端连续泵入合成废水A，反应器中上部基质浓度较高有利于厌氧氨氧化菌的生长繁殖从而将厌氧氨氧化菌富集在反应器中上部；初始水力停留时间为24h，稳定运行10天后，出水NH4 +-N＝2.18mg/L，出水NO2 --N＝1.59mg/L，总氮去除率为88.94％。
(3)继续缩短水力停留时间为18h，稳定运行12天后，出水NH4 +-N＝3.54mg/L，出水NO2 --N＝1.83mg/L，总氮去除率为89.91％。
(4)继续缩短水力停留时间为12h，稳定运行6天后，出水NH4 +-N＝2.18mg/L，出水NO2 --N＝1.80mg/L，总氮去除率为88.88％。
(5)继续缩短水力停留时间为6h，稳定运行12天后，出水NH4 +-N＝2.35mg/L，出水NO2 --N＝1.76mg/L，总氮去除率为86.21％。
(6)继续缩短水力停留时间为3h，稳定运行15天后，出水NH4 +-N＝2.90mg/L，出水NO2 --N＝1.64mg/L，总氮去除率为86.01％。
(7)最后缩短水力停留时间为1h，稳定运行15天后，出水NH4 +-N＝3.76mg/L，出水NO2 --N＝2.43mg/L，总氮去除率为86.32％，标志着厌氧氨氧化顶端启动成功。
步骤二：部分短程硝化底端启动阶段
(1)合成废水B按照与合成废水A相同的方法制备，合成废水B包括氨氮、常量元素和微量元素，氨氮以0.10～0.15gN/L铵盐添加。合成废水B中不添加亚硝酸盐。
常量元素含有如下质量比的原料：KH2PO4·2H2O 0.005～0.01g/L、CaCl2·2H2O0.01～0.015g/L、MgSO4·7H2O 0.30～0.50g/L、KHCO3 1.0～1.5g/L。
微量元素包括在1L合成废水B中分别添加1mL微量元素I和1mL微量元素II；其中微量元素与合成废水A相同。
(2)从反应器底端泵入预处理后的污水处理厂氧化沟活性污泥，活性污泥取自西安市第三污水处理厂氧化沟，在其泵入反应器前，做过50目筛并曝气12h的预处理。活性污泥接种量为2L，MLSS＝1.0g/L，MLSS/MLVSS＝1.72。再从底端连续泵入合成废水B。并在底端曝气，曝气量控制在20～60mL/min，水力停留时间调整为12h，稳定运行12天后，反应器中下部亚硝氮积累率为51.28％。
(3)继续缩短水力停留时间为6h，稳定运行15天后，反应器中下部亚硝氮积累率为52.54％。
(4)继续缩短水力停留时间为3h，稳定运行15天后，反应器中下部亚硝氮积累率为51.78％。
(5)最后缩短水力停留时间为1h，稳定运行15天后，反应器中下部亚硝氮积累率为52.18％，即部分短程硝化启动成功。
步骤三：部分短程硝化-厌氧氨氧化耦合阶段
(1)成功启动部分短程硝化后，调整曝气量使反应器中下部溶解氧维持在1.0mg/L，在另一个实施例中，调整曝气量使得溶解氧维持在1.5mg/L，反应器中下部溶解氧大于1.5mg/L时，即刻将曝气量从60mL/min降低到30mL/min，待溶解氧浓度恢复正常后再增大曝气量，以免影响反应器上部厌氧氨氧化菌的活性。稳定运行12天后，反应器出水NH4 +-N＝4.21mg/L，总氮去除率大于82.28％，即部分短程硝化-厌氧氨氧化耦合成功。
从以上实施例可以看出，采用本发明部分短程硝化-厌氧氨氧化耦合生物滤柱反应器的一种两端分步快速启动方法，有效地解决了工艺运行中常出现厌氧氨氧化菌增殖速率慢、难富集和活性低的问题。反应器中每个部分的出水氨氮小于5mg/L，总氮去除率大于80％，本发明方法为一种能够实现除碳预处理后的城市生活污水自养脱氮的确实有效可行的方案。
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 (10)

1.一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：厌氧氨氧化顶端启动
向反应器中加入具有一定厌氧氨氧化活性的絮状污泥，再泵入NH4 +-N和NO2 --N质量浓度比为1:1.17～2.33的合成废水A，在水温为28～35℃和厌氧条件下，污泥和合成废水A在反应器内静置24～72h，使絮体污泥与反应器中填料充分接触挂膜；
从反应器顶端连续泵入合成废水A，设定水力停留时间梯度由初始时间24h逐级缩短至1h，反应器出水氨氮小于5mg/L，总氮去除率大于80％，即厌氧氨氧化启动成功；
步骤二：部分短程硝化底端启动阶段
从反应器底端泵入预处理后的活性污泥，再泵入合成废水B并在底端曝气，水力停留时间梯度由初始时间12h逐级缩短至1h，在反应器中下部亚硝氮积累率大于50％，即部分短程硝化启动成功；
步骤三：部分短程硝化-厌氧氨氧化耦合阶段
调整曝气量使反应器中下部溶解氧维持在1.0～1.5mg/L，反应器出水氨氮小于5mg/L，总氮去除率大于80％，即部分短程硝化-厌氧氨氧化耦合成功。
2.根据权利要求1所述的一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，其特征在于，所述步骤一中，具有厌氧氨氧化活性的絮状污泥氮去除负荷维持在3.0～5.0kg·(m3·d)-1，接种混合后反应器内MLSS为300～1000mg/L。
3.根据权利要求1所述的一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，其特征在于，所述步骤一中，合成废水A包括氨氮、亚硝氮、常量元素和微量元素，所述氨氮以0.03～0.06gN/L铵盐、亚硝氮以0.04～0.07gN/L亚硝酸盐添加。
4.根据权利要求3所述的一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，其特征在于，所述常量元素含有如下质量比的原料：
KH2PO4·2H2O 0.005～0.01g/L、CaCl2·2H2O 0.01～0.015g/L、MgSO4·7H2O 0.30～0.50g/L、KHCO3 0.30～0.60g/L。
5.根据权利要求3所述的一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，其特征在于，所述微量元素包括在1L合成废水中分别添加1mL微量元素I和1mL微量元素II；
所述微量元素I为：EDTA 3～7g/L、FeSO4·7H2O 5～7g/L；
所述微量元素II为：EDTA-2Na 10～20g/L、ZnSO4·7H2O 0.4～0.7g/L、CoCl2·6H2O 0.1～0.6g/L、MnCl2·4H2O 0.3～1.5g/L、CuSO4·5H2O 0.1～0.5g/L、CuSO4·5H2O 0.1～0.5g/L、NaMoO4·2H2O 0.1～0.4g/L、NiCl2·6H2O 0.1～0.5g/L、H3BO4 0.01～0.03g/L和Na2SeO4·10H2O 0.1～0.4g/L。
6.根据权利要求5所述的一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，其特征在于，所述步骤二中，所述合成废水B包括氨氮、常量元素和微量元素，所述氨氮以0.10～0.15gN/L铵盐添加。
7.根据权利要求6所述的一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，其特征在于，所述常量元素含有如下质量比的原料：
KH2PO4·2H2O 0.005～0.01g/L、CaCl2·2H2O 0.01～0.015g/L、MgSO4·7H2O 0.30～0.50g/L、KHCO3 1.0～1.5g/L。
8.根据权利要求1所述的一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，其特征在于，所述步骤一中，水力停留时间以1.3～3倍级差逐步缩短，直至缩短为1h；
所述步骤二中，水力停留时间以2～3倍级差逐步缩短，直至缩短为1h。
9.根据权利要求1所述的一种耦合生物滤柱反应器的两端分步快速启动方法，其特征在于，所述的步骤三中，反应器中下部溶解氧大于1.5mg/L时，即刻将曝气量从60mL/min降低到30mL/min，待溶解氧浓度恢复正常后再增大曝气量。
10.一种权利要求1-9任一项方法采用的耦合生物滤柱反应器，其特征在于，反应器为一体式生物滤柱反应器，包括上、中、下段，下段腔体底部设有一个与曝气泵连通的曝气头，下段底部连通进水箱；中段柱体上分别设有若干个取样口，上段分别设有排水口和排气口；反应器外部缠绕加热丝并用铝箔纸包裹；
反应器高径比为8～12，反应器柱体内填充轻质有机悬浮填料，填充比为100％。
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