CN111547853A - 一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双短程硝化‑厌氧氨氧化的脱氮工艺，在一体化短程硝化‑厌氧氨氧化工艺之前采用部分短程硝化工艺或者部分短程硝化‑反硝化工艺，所述部分短程硝化工艺或者部分短程硝化‑反硝化工艺的出水进入一体化短程硝化‑厌氧氨氧化工艺的反应器，通过部分短程硝化工艺或者部分短程硝化‑反硝化工艺出水的氨氮NH₄ ⁺‑N与亚氮NO₂ ^‑‑N浓度比例控制短程硝化的反应状况，根据一体化短程硝化‑厌氧氨氧化工艺中的氨氧化菌AOB与厌氧氨氧化菌AAOB菌种的比例需求调整部分短程硝化工艺或者部分短程硝化‑反硝化工艺出水的氨氮NH₄ ⁺‑N与亚氮NO₂ ^‑‑N浓度比例。本发明技术方案兼具两段式反应和一体化反应的优点，具有工程启动快，AAOB菌种倍增迅速、易于富集，处理能力高及系统稳定性好的优势。

Description

一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺

技术领域

本发明属于环保工程生物脱氮领域，具体地涉及两段式厌氧氨氧化和一体化厌氧氨氧化工艺。

背景技术

厌氧氨氧化为主的一系列高效低耗组合脱氮工艺备受关注，但目前该技术尚未足够成熟，如何实现城市污水短程硝化厌氧氨氧化在污水处理主流工艺中的应用及城市污水短程硝化在连续反应器中的稳定运行仍是目前公认的难题。

目前厌氧氨氧化工艺主要有两种，一种是两段式工艺，即短程硝化和厌氧氨氧化反应分别在两个独立的反应器内进行；另一种是一体化工艺，即短程硝化和厌氧氨氧化反应在同一反应器内进行。

上述两种工艺各有其优缺点。两段式工艺，AOB与AAOB分别在两个独立的反应器中，AAOB菌种单独生长，易于富集，倍增迅速，系统启动迅速；但两段式工艺无法满足自我调节pH的需求，且后段的AAOB菌种容易受到前段短程硝化产生的NO₂ ^--N的抑制，导致系统难以稳定运行。而一体化工艺则反之，一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器中，AOB与AAOB共生于一个系统，实现自我调节pH的需求，利用短程硝化产生的酸度补充厌氧氨氧化造成的酸消耗；此外NO₂ ^--N边产生边消耗，AAOB不易受到NO₂ ^--N的抑制，易于实现系统的稳定运行。但一体化反应器的启动相对缓慢。

因为AOB世代周期短，产率高，AAOB世代周期较长，产率低，所以AOB为优势菌种，AAOB为劣势菌种，长期运行，菌种数量之比AOB：AAOB不断增加，AAOB的生存空间被AOB挤占，最终导致系统失稳直至崩溃。此时需要人为干预，将多余的AOB菌种洗出系统，但必须截留AAOB菌种，使AOB与AAOB的菌种量维持在正常比例，保证一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器长期稳定运行。目前，这种人为干预的方式一般为：通过旋流分离器实现AAOB颗粒污泥的截留，例如DEMON公司(瑞士注册)的技术。然而，旋流分离器依靠离心力的作用仅能截留比重较大的成熟颗粒污泥。AOB一般以絮状污泥状态存在，成熟的AAOB污泥一般以颗粒污泥状态存在，但是AAOB在生长的初期往往以絮状污泥或者细小颗粒污泥状态存在，因此，在厌氧氨氧化工程启动初期使用旋流分离器，会使絮状及细小颗粒状的AAOB随着絮状的AOB一起被洗出系统，AAOB富集困难从而导致启动周期漫长。

发明内容

本发明提供一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，该工艺由一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺和前置的部分短程硝化工艺或者部分短程硝化-反硝化工艺组成，通过前置的部分短程硝化工艺或者部分短程硝化-反硝化工艺出水的氨氮与亚氮浓度比例控制一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器中主要进行的反应是厌氧氨氧化反应或者是短程硝化反应和厌氧氨氧化反应同时进行。通过控制厌氧氨氧化反应在一体化反应器中的反应状况实现控制AAOB的倍增富集速度和调控厌氧氨氧化反应器中的AOB和AAOB菌种的比例，满足启动阶段和运行阶段对AAOB的不同需求以及运行阶段的稳定运行需求，从而克服现有两段式厌氧氨氧化工艺和一体化厌氧氨氧化工艺的技术缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，其特征在于：在一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺之前采用部分短程硝化工艺或者部分短程硝化-反硝化工艺，所述部分短程硝化工艺或者部分短程硝化-反硝化工艺的出水进入一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺的反应器，通过前置的部分短程硝化工艺或者部分短程硝化-反硝化工艺出水的氨氮NH₄ ⁺-N与亚氮NO₂ ^--N浓度比例控制后置的一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺中的短程硝化的反应状况，根据后置的一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺中的氨氧化菌AOB与厌氧氨氧化菌AAOB菌种的比例需求调整前置的短程硝化工艺出水的氨氮NH₄ ⁺-N与亚氮NO₂ ^--N浓度比例。

所述部分短程硝化工艺或者部分短程硝化-反硝化工艺中的短程硝化为前置的短程硝化，所述一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺中的短程硝化为后置的短程硝化，前置的短程硝化和后置的短程硝化构成本技术方案的双短程硝化工艺。所述前置的短程硝化、后置的短程硝化具体是指部分短程硝化。

进一步地，部分短程硝化-反硝化工艺或者部分短程硝化工艺采用SBR反应器，一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺采用SBR反应器。

进一步地，在一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺启动阶段，控制部分短程硝化-反硝化工艺或者部分短程硝化工艺出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N的浓度比例NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N＝1:0.5～1:1.32，在一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器运行阶段，逐步提高部分短程硝化-反硝化工艺或者部分短程硝化工艺出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N的浓度比例，直至在一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺反应器中进行42％以上的短程硝化反应。

进一步地，当一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺中的厌氧氨氧化菌AAOB去除NO₂ ^--N的速率降低5％～30％，控制部分短程硝化-反硝化工艺或者部分短程硝化工艺出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N的浓度比例NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N＝1:0.5～1:1.32，使工艺总体倾向于短程硝化-厌氧氨氧化两段式反应。由于系统运行阶段，在水质、运行同等条件及相同情况下，厌氧氨氧化菌AAOB菌种去除NO₂ ^--N的速率降低，说明一体化工艺中菌种数量之比AOB：AAOB不断增加，AAOB的生存空间被AOB挤占，厌氧氨氧化菌AAOB菌种所占比例降低，此时控制部分短程硝化-反硝化工艺或者部分短程硝化工艺出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N的浓度比例NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N＝1:0.5～1:1.32，使一体化反应器中的主要反应是厌氧氨氧化反应，加快厌氧氨氧化菌AAOB菌种增殖。使菌种数量之比AOB：AAOB恢复平衡，厌氧氨氧化菌AAOB去除NO₂ ^--N的速率恢复正常，维持系统的稳定运行。

进一步地，所述部分短程硝化-反硝化工艺步骤包括进水-厌氧搅拌-好氧曝气-沉淀-出水-闲置。

进一步地，所述部分短程硝化工艺步骤包括进水-好氧曝气-沉淀-出水-闲置。

进一步地，以设定的pH值作为部分短程硝化-反硝化工艺或者部分短程硝化工艺的好氧曝气的终点，当pH值等于控制值时，停止曝气。根据实时pH变化曲线确定pH值的控制值。

进一步地，在所述好氧曝气步骤，控制溶解氧DO≤1.0mg/L。

进一步地，在所述部分短程硝化-反硝化工艺的厌氧搅拌步骤，所述厌氧搅拌的时间为0～180min。

进一步地，所述一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器曝气时，控制DO≤0.3mg/L，持续曝气。实现了低溶解氧条件下短程硝化的同时可进行厌氧氨氧化反应，无需厌氧好氧交替且反应可连续进行，无需间歇。

本技术方案的双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺的控制原理：

该工艺由一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺和前置的部分短程硝化工艺或者部分短程硝化-反硝化工艺组成，通过前置的部分短程硝化工艺或者部分短程硝化-反硝化工艺出水的氨氮与亚氮浓度比例控制一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器中主要进行的反应是厌氧氨氧化反应或者是短程硝化反应和厌氧氨氧化反应同时进行。通过控制厌氧氨氧化反应在一体化反应器中的反应状况，调控一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器中的AOB和AAOB菌种的比例。实现控制启动阶段的AAOB的倍增富集速度和运行阶段的调控厌氧氨氧化反应器中的AOB和AAOB菌种的比例，满足启动阶段和运行阶段对AAOB的不同需求以及运行阶段的稳定运行需求。

具体说明如下：

在工程启动阶段，将部分短程硝化反应器或者部分短程硝化-反硝化反应器的出水NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N比值控制在1:0.5～1:1.32，使工程启动阶段的一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器以厌氧氨氧化反应为主，在极限情况下，仅仅进行厌氧氨氧化反应，而没有短程硝化反应，从而使得启动阶段AAOB菌种得以成为一体化反应器中的优势菌种，利于实现AAOB菌种的倍增和富集，从而迅速启动工程，以缩短一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器漫长的启动过程。

在工程启动阶段，短程硝化的任务主要由前置的部分短程硝化反应器或者部分短程硝化-反硝化反应器承担；相对应地，一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器承担的短程硝化任务较少，甚至完全不承担，此时本工艺类似于两段式工艺，短程硝化和厌氧氨氧化反应分别在两个独立的反应器内进行。

在工程稳定运行阶段，控制部分短程硝化反应器或者部分短程硝化-反硝化反应器的出水中NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N的浓度比例逐步提高，高于启动阶段。由于部分短程硝化反应器或者部分短程硝化-反硝化反应器出水氨氮的比例提高，所以短程硝化发生在一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器中增多，满足一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器实现自我调节pH的需求，利用短程硝化产生的酸度补充厌氧氨氧化造成的酸消耗，系统酸度自给，解决了因厌氧氨氧化反应导致pH升高而需额外加酸的问题，节省药剂消耗；此外NO₂ ^--N边产生边消耗，AAOB不易受到NO₂ ^--N的抑制，易于稳定运行。

在工程稳定运行阶段，前置的部分短程硝化反应器或者部分短程硝化-反硝化反应器承担的短程硝化任务减少；相对应地，一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器承担的短程硝化任务增多。极限情况下，前置的部分短程硝化反应器或者部分短程硝化-反硝化反应器不承担短程硝化任务，而全部由后置的一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器来完成，此时前置的部分短程硝化反应器或者部分短程硝化-反硝化反应器的主要任务是脱碳，减少有机物对AAOB的影响，以利于一体化反应器的稳定运行。

本技术方案的技术效果：

启动阶段实现控制AAOB的倍增富集速度，运行阶段实现调控厌氧氨氧化反应器中的AOB和AAOB菌种的比例，满足启动阶段和运行阶段对AAOB的不同需求以及运行阶段的稳定运行需求，从而克服现有两段式厌氧氨氧化工艺和一体化厌氧氨氧化工艺的技术缺陷，兼具两段式和一体化反应的优点。在废水脱氮处理工程领域，本技术方案具有启动快、AAOB菌种倍增迅速、易于富集，处理能力高及系统稳定性好的优势。

附图说明

图1本技术方案的一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺流程图。

图2本技术方案的一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺的装置。

图3本技术方案的NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N值与pH值的关系曲线图。

图1中，1-原水池，2-进水管，3-进水泵，4-时间控制器，5-机械搅拌装置，6-pH测定仪，7-曝气装置，8-部分短程硝化-反硝化反应器，9-气体流量计，10-鼓风机，11-管阀，-12出水管，13-中间水池，14-进水管，15-进水泵，16-机械搅拌装置，17-曝气装置，18-一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器，19-气体流量计，20-鼓风机，21-管阀，22-出水管，23-DO测定仪。

具体实施方式

下面结合具体实施方式及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施方式，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

本实施例用水来自广西某填埋场的封场期渗滤液，其COD浓度为1100mg/L左右，NH₄ ⁺-N浓度为1200mg/L左右，NO₂ ^--N及NO₃ ^--N均在5mg/L以下，TN浓度为1300mg/L左右，COD/N比约为0.85。

如图2所示，一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺的装置，其特征在于：包括原水池、部分短程硝化-反硝化反应器、一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器。

本发明装置如附图2所示，包括原水池(1)、进水管(2)、进水泵(3)；时间控制器(4)、机械搅拌装置(5)、pH测定仪(6)、曝气装置(7)、部分短程硝化-反硝化反应器(8)、气体流量计(9)、鼓风机(10)、管阀(11)及出水管(12)；中间水池(13)、进水管(14)、进水泵(15)；机械搅拌装置(16)、曝气装置(17)、一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器(18)、气体流量计(19)、鼓风机(20)、管阀(21)、出水管(22)及DO测定仪(23)。

本实施例中，原水池(1)有效尺寸为Φ1.8×2米，有效容积5立方米；部分短程硝化-反硝化反应器(8)有效尺寸为Φ1.8×4米，有效容积10立方米；一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器(18)有效尺寸为Φ1.8×4米，有效容积10立方米；

具体工艺过程如下：

一、启动阶段

(一)启动部分短程硝化-反硝化反应器：

以缫丝工业副产品加工废水处理工程中的短程硝化污泥为接种污泥，污泥接种量以MLSS计为2000mg/L，控制反应器温度为25～35℃。原水池(1)的废水经进水管(2)由进水泵(3)提升进入部分短程硝化-反硝化反应器(8)；部分短程硝化-反硝化反应器(8)以厌氧搅拌、好氧曝气交替循环方式运行，厌氧搅拌时开启机械搅拌装置(5)，好氧曝气时则开启鼓风机(10)，空气通过气体流量计(9)到达曝气装置(7)进行好氧曝气，pH测定仪(6)实时监控反应器中的pH值，控制部分短程硝化-反硝化反应器(8)的DO＝0.8mg/L。当出水亚氮累积率≥70％，部分短程硝化-反硝化反应器(8)启动完成。

短程硝化反应是一个致酸过程，NH₄ ⁺-N氧化成NO₂ ^--N的同时pH会下降，反硝化是一个致碱过程，NO₂ ^--N反硝化成N₂同时pH会升高，厌氧与好氧交替时，会伴随pH升降变化。如果将反应终点时出水NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N比值控制在预设值，需要监测NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N，NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N检测比较耗时，而pH测试简便，可快速实时显示结果，因此通过pH来控制反应终点更快捷有效。反应器稳定运行时通过一段时间监测pH、NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N，绘制出NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N值与pH值的关系曲线图，如图3所示，在曲线图上找出NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N值在预设值时对应的pH值，并以该PH值作为反应器运行的终点，从而控制出水NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N值。以pH判断反应终点，方便、快速、易操作，并可以在日常运行中不断修正曲线图，这样可以减少原水水质波动带来的影响。

(二)启动一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器

先在一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器(18)中接种AAOB菌种，接种量以MLSS计为100mg/L。为了快速实现AAOB菌种的倍增和富集，以缩短漫长的启动过程，此时对应控制部分短程硝化-反硝化反应器(8)的出水NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N约为1:1.2；此时一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器(8)不承担短程硝化任务，而是全部进行AAOB菌种的增殖。

机械搅拌装置(16)打开，持续搅拌；开启进水泵(15)，废水从中间水池(13)经进水管(14)进入一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器(18)中，进水原则是控制一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器(18)的NO₂ ^--N≤80mg/L，以避免亚氮对AAOB的抑制；直至进水液位达高位时，关闭进水泵(15)。再厌氧搅拌120min，停止机械搅拌装置(16)，静置沉淀60min后，打开出水管阀(21)，出水经出水管(22)排走；当液位达低位时，关闭管阀(21)，反应器闲置等待下一周期进水。

当一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器(18)中AAOB增殖达到MLSS＝400mg/L左右时，接种AOB菌种(由部分短程硝化-反硝化反应器(8)提供)，使得一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器(18)的总MLSS≈1000mg/L。此时反应器启动完成。

二、运行阶段

一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器(18)运行阶段，控制部分短程硝化-反硝化反应器(8)的出水中NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N的浓度比例高于启动阶段，本实施例中，启动阶段NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N≈1:1.2，运行阶段逐步提高NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N比例至NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N≈1:0.4。此时前置的部分短程硝化-反硝化反应器(8)承担的短程硝化任务减少，约从100％短程硝化任务减少至52％短程硝化任务；相对应地，一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器(18)承担的短程硝化任务增多，约从0％短程硝化任务增加至48％短程硝化任务。一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器(18)实现自我调节pH的需求，保证pH在6.9～8.3之间。

本技术方案的实施例的出水TN均值降低至90mg/L左右，整体工艺TN去除率约93％，实现良好的废水脱氮效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，其特征在于：在一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺之前采用部分短程硝化工艺或者部分短程硝化-反硝化工艺，所述部分短程硝化工艺或者部分短程硝化-反硝化工艺的出水进入一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺的反应器，通过前置的部分短程硝化工艺或者部分短程硝化-反硝化工艺出水的氨氮NH₄ ⁺-N与亚氮NO₂ ^--N浓度比例控制后置的一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺中的短程硝化的反应状况，根据后置的一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺中的氨氧化菌AOB与厌氧氨氧化菌AAOB菌种的比例需求调整前置的部分短程硝化工艺出水的氨氮NH₄ ⁺-N与亚氮NO₂ ^--N浓度比例。

2.根据权利要求1所述的一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，其特征在于：部分短程硝化-反硝化工艺或者部分短程硝化工艺采用SBR反应器，一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺采用SBR反应器。

3.根据权利要求1所述的一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，其特征在于，在一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺启动阶段，控制部分短程硝化-反硝化工艺或者部分短程硝化工艺出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N的浓度比例NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N＝1:0.5～1:1.32，在一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器运行阶段，逐步提高部分短程硝化-反硝化工艺或者部分短程硝化工艺出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N的浓度比例，直至在一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺反应器中进行42％以上的短程硝化反应。

4.根据权利要求1所述的一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，其特征在于：当一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺中的厌氧氨氧化菌AAOB去除NO₂ ^--N的速率降低5％～30％时，控制部分短程硝化-反硝化工艺或者部分短程硝化工艺出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N的浓度比例NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N＝1:0.5～1:1.32。

5.根据权利要求1所述的一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，其特征在于：所述部分短程硝化-反硝化工艺步骤包括进水-厌氧搅拌-好氧曝气-沉淀-出水-闲置。

6.根据权利要求1所述的一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，其特征在于：所述部分短程硝化工艺步骤包括进水-好氧曝气-沉淀-出水-闲置。

7.根据权利要求5或6所述的一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，其特征在于：在所述好氧曝气步骤，控制溶解氧DO≤1.0mg/L。

8.根据权利要求5或6所述的一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，其特征在于：在所述好氧曝气步骤，根据实时pH变化曲线确定pH值的控制值，当pH值等于控制值时，停止曝气。

9.根据权利要求5所述的一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，其特征在于：在所述厌氧搅拌步骤，所述厌氧搅拌的时间为0～180min。

10.根据权利要求1所述的一种双短程硝化-厌氧氨氧化的脱氮工艺，所述一体化短程硝化-厌氧氨氧化反应器中，控制曝气时DO≤0.3mg/L，持续曝气。

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