CN111410310A - 一种利用同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合驱动实现高效脱氮的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种利用同步短程硝化反硝化‑厌氧氨氧化耦合驱动实现高效脱氮的方法，涉及生物脱氮技术，属于水处理技术领域。第一段同步短程硝化反硝化段包括两步反应，在同一反应器中(A池)实现，第一步是反硝化段反应，热水解污泥消化液进入A池先通过缺氧搅拌去除部分氮和有机物，提升整体工艺氮去除负荷。第一段的第二步是短程硝化反应，通过低氧曝气主要是将氨氮氧化为亚硝氮，使得出水中氨氮和亚硝氮比例接近1:1.32。第二段厌氧氨氧化段在第二个反应器(B池)中实现脱氮过程，第一段出水进入B池，通过厌氧搅拌厌氧氨氧化作用将氨氮和亚硝氮以1：1.32的比例同步去除，氮去除率高于90％，实现了高效的脱氮功能。

Description

一种利用同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合驱动实现高 效脱氮的方法
技术领域
本发明属于水处理技术领域。
背景技术
随着我国城市化进程的不断加快，污水处理技术也在飞快发展，污泥作为污水处理的副产物，产量也在急剧上涨。污泥的处理与处置将消耗大量的人力、物力和财力，有统计显示，污泥的处理费用约占污水处理厂运营成本的25％～65％。因此，如何安全、高效、低成本地处理和处置这些污泥受到广泛关注，也是必须解决的问题。厌氧消化技术作为一种较成熟的污泥处理工艺，在实现污泥减量化、稳定化、无害化的同时，可极大地提高污泥资源化效率。污泥厌氧消化包括水解、酸化、产氢产乙酸和产甲烷四个阶段，其中，污泥絮体和细胞内的大分子有机物的水解过程是污泥厌氧消化的限速步骤，制约传统污泥厌氧消化的性能和能力。污泥的预处理技术可以促使污泥絮体解体和细胞破壁，从而释放大量可溶性有机物，提高污泥的生物可降解性及厌氧产气能力。在众多预处理手段中，热水解预处理技术不仅能打破常规厌氧消化的水解限速，提高污泥的水解效率和有机物降解率，增加沼气产量，缩短厌氧消化的停留时间，提高消化池处理能力，而且可使消化后的污泥易于脱水，减小污泥体积，节省占地面积和土建工程投资。但是该技术产生的热水解污泥消化液具有高氨氮浓度、高COD和高SS等特性，对我们后续的处理造成了巨大的阻碍。
目前，针对污泥消化液的处理，国内外主要使用的传统生物脱氮工艺有：硝化-反硝化工艺、短程硝化-反硝化工艺和同步硝化反硝化等工艺。但传统的生物脱氮技术存在曝气能耗大、碳源不足、碱度消耗量大、流程复杂、耐氨氮冲击负荷差等局限性。厌氧氨氧化(Anammox)生物脱氮技术相较于传统生物脱氮技术占地面积小、氮负荷高，且能节约62.5％的氧气，50％的碱度和100％的碳源。由于在经济方面的独特优势，成为近年来国内外研究的热点，是未来污水生物脱氮技术发展的主流。但厌氧氨氧化菌倍增时间长、启动时间长且易受多种不利因素影响导致活性下降，仍是目前制约该技术广泛应用的主要问题。针对厌氧氨氧化菌敏感的特性(对pH值、溶解氧和温度等均较为敏感)以及高COD与高氨氮对其具有抑制作用，因此对于开发Anammox工艺和其他废水处理技术的耦合技术，实现同步脱氮和去除有机物功能的研究仍是目前亟待解决的问题。
近年来，两段式短程硝化-厌氧氨氧化(PN-Anammox)新型脱氮技术作为一种经济、高效、环保的技术，在脱氮处理中得到了广泛的关注，该工艺为分段式，通过第一段的短程硝化反应将氨氮氧化为亚硝氮，为第二段厌氧氨氧化段提供氨氮：亚硝氮为1：1.32的进水。第二段为厌氧氨氧段，也是整个工艺的主体工艺，利用厌氧氨氧化菌的脱氮能力成比例同步去除短程硝化段出水中的氨氮和亚硝氮，从而达到高效脱氮的目的。
发明内容
本发明涉及一种同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化(SPND/A，SimultaneousPartial Nitritation and Denitrification/Anammox)耦合驱动脱氮工艺，采用生物相空间分离方法，通过空间异位差异化功能微生物培养，在分段式反应器内依次构建“亚硝酸盐型同步亚硝化反硝化——厌氧氨氧化”的阶梯式反应体系，实现同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合驱动的异位同步脱氮除碳作用。通过第一段反硝化短程硝化作用，脱除部分氮和有机物，提高整体工艺的氮负荷，减少有机物对后续厌氧氨氧化段的抑制毒害影响，适用于高氨氮高COD的热水解污泥消化液。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案：
一种利用同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合驱动实现高效脱氮的方法，用于高氨氮、高COD热水解污泥消化液的处理，其特征在于：该方法分为反硝化短程硝化段和厌氧氨氧化段，包括如下步骤：
第一段反硝化短程硝化段包括两步反应：
第一步是反硝化段反应，热水解污泥消化液进入A池先通过缺氧搅拌去除部分氮和有机物，提升整体工艺氮去除负荷。并通过反应提供部分碱度供给第二步反应使用，减少成本。
第二步是短程硝化反应，通过低氧曝气主要是将氨氮氧化为亚硝氮，使得出水中氨氮和亚硝氮比例接近1:1.32供给第二段厌氧氨氧化段使用。第一段反硝化短程硝化段实现了同步去除氮和部分有机物，氮去除率可以达到50％，有机物去除率同样可以达到50％，提升了整体工艺氮去除负荷的同时减少了有机物对第二段厌氧氨氧化段的不利影响。同时第一段反硝化短程硝化段通过生物吸附作用去除了热水解污泥消化液中的有毒有害物质，避免了第二段厌氧氨氧化微生物被有毒有害物质影响，降低活性。
第二段厌氧氨氧化段为该工艺主要氮去除阶段，第一段反硝化短程硝化出水进入B池，通过厌氧搅拌厌氧氨氧化作用将氨氮和亚硝氮以1：1.32的比例同步去除，氮去除率高于90％，实现了高效的脱氮功能，厌氧氨氧化工艺相较于传统硝化反硝化工艺占地面积较小且能节约62.5％的氧气，50％的碱度和100％的碳源，做到了高效低耗，具有明显的环境效益和经济效益。
对以上三个步骤的反应机理解释和条件控制：
热水解污泥消化液进入短程硝化池，先进行第一段反硝化短程硝化过程中第一步反硝化反应，进水完成后开始缺氧搅拌，整个反硝化短程硝化周期内控制反硝化时间比短程硝化时间为1：2.8，例如整个周期为10h，则反硝化时间为2.6h，短程硝化时间为7.4h。由于短程硝化氨氧化菌为嗜热菌属，控制反应温度为33℃。反硝化反应方程式如式(1)，式(2)所示。
Figure BDA0002427138670000032
Figure BDA0002427138670000033
反硝化过程结束后开始进行短程硝化反应，开始曝气搅拌，整个反硝化短程硝化周期内控制反硝化时间比短程硝化时间为1：2.8，例如整个周期为10h，则反硝化时间为2.6h，短程硝化时间为7.4h。溶氧控制在0.5-1.2mg/L，温度控制在33℃。短程硝化为在用氧的条件下，氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝氮，通过将进水中的部分氨氮氧化为亚硝氮，使得出水中氨氮比亚硝氮为1：1.32，为第二段厌氧氨氧化提供反应基质。此过程需要投加纯碱提供碱度，反硝化产生的碱度也在这一过程中消耗掉。短程硝化反应方程式如式(3)所示。
Figure BDA0002427138670000031
反硝化短程硝化段结束后，出水中氨氮：亚硝氮约为1：1.32进入厌氧氨氧化池进行厌氧氨氧化反应。厌氧氨氧化段全程厌氧搅拌，温度控制在34℃，pH控制在7.5-8.0。厌氧氨氧化菌以1：1.32的比例同步去除氨氮和亚硝氮，去除速率高，氮负荷高，平均氮去除率均在90％以上。反应过程中pH会升高，需要配制稀盐酸降低pH，避免高pH对厌氧氨氧化菌活性产生抑制。厌氧氨氧化反应方程式如式(4)所示。
Figure BDA0002427138670000041
本发明中的同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化(SPND/A，Simultaneous PartialNitritation and Denitrification/Anammox)耦合驱动脱氮工艺处理热水解污泥消化液，相比传统部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺(PN/A，partial nitrification-anammox)具有以下特点：第一段反应器基于间歇曝气及碱度调控的方式，实现同步亚硝化和亚硝酸盐型反硝化，通过增加亚硝酸盐型反硝化过程，提高了整体工艺的氮去除负荷，同时降解去除部分有机物，减少有机物对第二段反应器厌氧氨氧化菌段的抑制作用，解决了热水解污泥消化液有机物含量高毒害厌氧氨氧化菌的难题。同时通过反硝化作用产生了部分碱度供给短程硝化段使用，减少了运行成本。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：
1、第一段反硝化短程硝化段充分利用反硝化菌的作用，将亚硝氮、硝氮与有机物结合产生氮气排出系统，脱氮的同时去除了有机物，提高了整体工艺的氮去除负荷。
2、通过第一段的反硝化作用产生部分碱度供短程硝化使用，减少了运行成本。
3、短程硝化段通过高亚硝氮积累率，快速的将氨氮氧化为亚硝氮，并控制氨氮与亚硝氮的比为1：1.32供给第二段厌氧氨氧化段使用。
4、第二段厌氧氨氧化段占地面积小，氮去除负荷高，脱氮效率均在90％以上。
5、本方法实用、操作简单、运行简便可靠，具有明显的环境效益、社会效益和经济效益。
附图说明
图1是本发明的整体工艺流程图。
图2是本发明第一段反硝化短程硝化段流程示意图。
具体实施方式
本发明的同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化(SPND/A，Simultaneous PartialNitritation and Denitrification/Anammox)耦合驱动脱氮工艺处理热水解污泥消化液的工艺与方法，具体包括如下步骤(如图1、图2所示)：
第一步骤是热水解污泥消化液进入第一段反硝化短程硝化段进行第一步反硝化反应，在缺氧状态下搅拌实现反硝化作用脱除部分氮和有机物。
第二步骤是通过曝气搅拌过程实现短程硝化作用将氨氮氧化为亚硝氮，控制反应时间使得氨氮比亚硝氮为1：1.32，为厌氧氨氧化段提供反应基质。
第三步骤是第一段A池反应后的出水进入第二段B池，通过在缺氧状态下搅拌厌氧氨氧化作用同步成比例去除氨氮和亚硝氮。
第四步骤是厌氧氨氧化菌将反应基质消耗完成，将B池上清液排出进行后续处理。
下面结合图1和图2对本发明实施例进一步说明。
实施例
某污泥集中式厌氧消化处理工程，采用污泥热水解厌氧消化工艺，污泥消化液基本水质特征如下：氨氮为2000mg/L；COD为3000mg/L；pH为8.0；温度为45℃。
第一段反硝化短程硝化段采用序批式SBR运行模式，运行周期为24h，进水0.5h，反硝化反应5.3h，短程硝化反应14.7h，静置3h，排水0.5h，温度控制在33℃。热水解污泥消化液进入A池后第一步反硝化反应缺氧搅拌5.3h，随后开始曝气、好氧搅拌进行短程硝化反应14.7h，溶氧控制在0.5-1.2mg/L，加碱25kg。反应完成后静置3h再排水供给厌氧氨氧化段使用。此时出水指标：氨氮为450mg/L；亚硝氮为550mg/L；COD为1500mg/L；pH为6.0；温度为33℃。整个第一段反硝化短程硝化氮去除率为50％，COD去除率为50％。
第二段厌氧氨氧化段采用序批式SBR运行模式，运行周期为6h，每天运行四个批次，进水10min，厌氧搅拌320min，静置20min，排水10min。温度控制在34℃，pH控制在7.5-8.0。第一段A池出水分批次进入B池后开始厌氧搅拌320min，氨氮和亚硝氮成1：1.32的比例同步去除，产生氮气排入空气中。此时出水指标：氨氮为20mg/L；硝氮为110mg/L；由于厌氧氨氧化为自养菌，不消耗有机物，COD为1500mg/L。将B池上清液排出进行下一步处理。
整体工艺氮去除率达到94％，有机物去除率达到50％。

Claims (7)

1.一种利用同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合驱动实现高效脱氮的方法，用于高氨氮、高COD热水解污泥消化液的处理，其特征在于：该方法包括下列步骤：
第一段反硝化短程硝化段包括两步反应：
第一步是反硝化段反应，热水解污泥消化液进入A池先通过缺氧搅拌去除部分氮和有机物；第二步是短程硝化反应，通过低氧曝气主要是将氨氮氧化为亚硝氮，使得出水中氨氮和亚硝氮比例接近1:1.32供给第二段厌氧氨氧化段使用；
第二段厌氧氨氧化段为该工艺主要氮去除阶段，第一段反硝化短程硝化出水进入B池，通过厌氧搅拌厌氧氨氧化作用将氨氮和亚硝氮以1：1.32的比例同步去除。
2.根据权利要求1所述的一种利用同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合驱动实现高效脱氮的方法，其特征在于：第一段反硝化短程硝化段第一步反硝化作用，进水水质特征为：氨氮为2000-3000mg/L；COD为2500-4000mg/L；pH为7.5-8.2；温度为40-50℃。
3.根据权利要求1所述的一种利用同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合驱动实现高效脱氮的方法，其特征在于：所述的第一段反硝化短程硝化段第一步反硝化反应为缺氧搅拌，去除氮和有机物的同时提供部分碱度，第一步反硝化反应时间与第二部短程硝化反应时间比约为1：2.8。
4.根据权利要求1所述的一种利用同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合驱动实现高效脱氮的方法，其特征在于：所述的第一段反硝化短程硝化段第二步短程硝化反应为好氧搅拌，溶氧控制在0.5-1.2mg/L，此期间需要投加碱度以满足氨氮氧化为亚硝氮所需；短程硝化段主要功能是将氨氮氧化为亚硝氮使得氨氮：亚硝氮约为1：1.32，为第二段厌氧氨氧化段提供反应基质。
5.根据权利要求1所述的一种利用同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合驱动实现高效脱氮的方法，其特征在于：所述的第二段厌氧氨氧化段为厌氧搅拌，进水水质特征为：氨氮为500-700mg/L；亚硝氮为600-900mg/L；COD为1500-2000mg/L；pH为6.0-7.0mg/L；温度为30-35℃。
6.根据权利要求1所述的一种利用同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合驱动实现高效脱氮的方法，其特征在于：所述的第二段厌氧氨氧化段运行过程中pH会升高，需要添加稀盐酸调节pH范围在7.5-8.0mg/L。
7.根据权利要求1所述的一种利用同步短程硝化反硝化-厌氧氨氧化耦合驱动实现高效脱氮的方法，其特征在于：所述的第二段厌氧氨氧化段中主要产生作用的微生物为厌氧氨氧化菌是一种嗜热菌属，池内温度需要控制在33℃左右。
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