CN113480001A - 一种以颗粒有机物为碳源实现氮素去除的两段式水解酸化短程反硝化厌氧氨氧化工艺 - Google Patents

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Abstract

一种以颗粒有机物为碳源实现氮素去除的两段式水解酸化短程反硝化厌氧氨氧化工艺属于污水生物处理领域。整套装置共包含进水箱、序批式水解酸化原位短程反硝化反应器、中间水箱、颗粒有机物储备罐、序批式厌氧氨氧化反应器以及PLC自动控制系统。整套装置采用两段式水解酸化短程反硝化+后置厌氧氨氧化工艺，并配合PLC自动控制系统，增加了整套工艺运行的智能性和灵活性，实现了氮素的高效去除。

Description

一种以颗粒有机物为碳源实现氮素去除的两段式水解酸化短 程反硝化厌氧氨氧化工艺
技术领域
本研究涉及一种以颗粒有机物为碳源实现氮素去除的两段式水解酸化短程反硝化厌氧氨氧化工艺，属于废水生物处理领域。
背景技术
随短程反硝化技术的发现和研究，以短程反硝化为亚硝供给途径的厌氧氨氧化工艺已经成为了研究热点；与硝化反硝化过程相比，短程反硝化厌氧氨氧化工艺的污泥产量减少了84％；较短程硝化厌氧氨氧化工艺来说，虽需外加0.78mg/L短程反硝化的碳源，但依然比传统生物脱氮节约了45％的曝气能耗和约80％的有机碳源投加，为同步处理生活污水与工业硝酸盐废水提供了一种新思路。
现有的关于短程反硝化厌氧氨氧化工艺的研究当中，学者们多采用如乙酸钠这样的小分子快速生物降解有机物作为短程反硝化过程中的碳源，而很少利用慢速生物降解有机物。实际的生活污水以及工业废水中含有大量的慢速生物降解有机物，作为污水的碳储库，存在着极高的开发与利用价值。如果我们能将原水中这大部分的慢速生物降解有机物加以利用，将其转化为易生物降解有机物为短程反硝化过程提供碳源的话，就能实现废水的深度脱氮除碳。
因化学性质独特、结构复杂且易获取等优势，颗粒淀粉常被学者们用作慢速生物降解有机物的代表物，基于此，本发明开发了一种以颗粒淀粉为碳源的两段式水解酸化短程反硝化厌氧氨氧化工艺，研究颗粒淀粉在优质短程反硝化碳源产出方面的应用潜能，以期为实现无外加碳源条件下的生活污水与工业硝酸盐废水深度脱氮除碳提供理论基础，最终目标是促进该工艺的大规模工程应用。
发明内容
本发明构建了一种以颗粒有机物为碳源实现氮素去除的两段式水解酸化短程反硝化厌氧氨氧化工艺。
一种以颗粒有机物为碳源实现氮素去除的两段式水解酸化短程反硝化厌氧氨氧化工艺，其特征在于：所用装置包括进水箱，序批式水解酸化原位短程反硝化反应器，颗粒有机物储备罐，中间水箱，序批式厌氧氨氧化反应器，出水箱，PLC控制柜和PLC自动控制系统；
其中进水箱(1)设置有进水箱放空阀(1.1)以及进水箱溢流管(1.2)，通过第一进水管(1.3)和第一进水泵(1.4)与序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)相连，序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中设置有第一加热棒(2.1)，第一机械搅拌装置(2.2)以及DO/pH在线监测装置(2.3)，通过第一电磁排水阀(2.4)与第一出水管(2.5)与中间水箱(4)相互连接起来；中间水箱(4)设置有中间水箱溢流管(4.1)以及中间水箱放空阀(4.2)，通过第三进水管(4.3)和第三进水泵(4.4)与序批式厌氧氨氧化反应器(5)相连接，(3)为颗粒有机物储备罐，内有磁子(3.2)，放置于磁力搅拌器(3.1)上，并通过第二进水管(3.3)以及第二进水泵(3.4)将颗粒有机物泵入序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中，序批式厌氧氨氧化反应器(5)中设置有第二加热棒(5.1)，第二机械搅拌装置(5.2)以及DO/ORP/pH在线监测装置(5.3)，通过第二电磁排水阀(5.4)以及第二出水管(5.5)与出水箱(6)相互连接。
所述工艺，其特征在于，包含以下步骤：
(1)初期系统中各反应器启动阶段：
①序批式厌氧氨氧化反应器(5)的启动阶段：
序批式厌氧氨氧化反应器(5)的种泥是粒径在8～12mm的厌氧氨氧化颗粒污泥，设置排水比为60％，运行方式是缺氧搅拌，通过第二加热棒(5.1)控制反应器运行时的温度为30±2℃，以含有质量浓度为110～120mg/L的氯化铵和质量浓度为145～150mg/L的亚硝酸钠的废水来启动厌氧氨氧化过程，设定第一阶段进水中的NH4 +-N和NO2 --N的质量浓度均为30±5mg/L，待每阶段序批式厌氧氨氧化反应器(5)进出水总无机氮即TIN质量浓度之差与进水TIN质量浓度的比值高于0.8时，TIN质量浓度的计算公式为TIN＝NH4 +-N+NO2 --N+NO3 --N；以10mg/L为基质的质量浓度梯度，逐步提升进水中NH4 +-N和NO2 --N的质量浓度，直至最后一阶段进水中的NH4 +-N和NO2 --N的质量浓度为50±5mg/L时，序批式厌氧氨氧化反应器(5)进出水总无机氮即TIN质量浓度之差与进水TIN质量浓度的比值高于0.8并稳定维持10d以上，即认为序批式厌氧氨氧化反应器(5)成功启动；
②序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)的启动：
将室温条件下闲置的水解酸化短程反硝化剩余污泥投加到序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中，初始的污泥浓度为2000～3000mg/L,设置排水比为60％，第一机械搅拌装置(2.2)转速设置为60rpm，运行方式是厌-缺氧搅拌，具体的运行方式包括进颗粒有机物1min→厌氧搅拌449min→进硝酸盐废水3min→缺氧搅拌57min→沉淀30min→排水10min→闲置170min，颗粒有机物储备罐(3)中装有的淀粉胶体悬浊液的质量浓度为5g/L，每周期进入到序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中的淀粉质量浓度为0.24～0.35g/L，初始硝酸盐废水中的质量浓度为10±2mg/L，每一阶段以10mg/L为梯度提升进水中的NO3 --N质量浓度，直至进水中的NO3 --N质量浓度为150±2mg/L；通过检测进出水中硝酸盐和亚硝酸盐的浓度计算NO3 --N→NO2 --N转化率即NTR，从而判断序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)短程反硝化过程的启动情况，直至最后一个阶段NTR高于60％并稳定维持10d以上后进入下一阶段；
(2)系统启动阶段：
待序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)、序批式厌氧氨氧化反应器(5)均成功启动后，将进水箱(1)、序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)、颗粒有机物储备罐(3)、中间水箱(4)、序批式厌氧氨氧化反应器(5)、出水箱(6)及PLC柜(7)、PLC自动控制系统(8)进行连接，通过监测中间水箱(4)中的NO2 --N浓度以及出水箱(6)中的TIN质量浓度，调整序批式厌氧氨氧化反应器(5)的缺氧搅拌时间，调整范围为240～480min，直至序批式厌氧氨氧化反应器(5)出水中的TIN质量浓度在15mg/L以下并能稳定维持10d以上后进入下一阶段；
(3)整套系统稳定运行阶段：
含有质量浓度分别为60±5和150±5mg/L的NH4 +-N和NO3 --N的废水首先进入到水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中，在此微生物将颗粒淀粉首先水解为糖类，后产生小分子有机酸为短程反硝化过程提供电子供体，将NO3 --N转化为NO2 --N，反应器中的污泥浓度维持在3500±500mg/L，水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中厌氧段的温度通过第一加热棒(2.1)控制在30±1℃，缺氧段的温度保持在25±1℃；含有NH4 +-N和NO2 --N的出水在第一电磁排水阀(2.4)的作用下通过第一出水管(2.5)进入至中间水箱(4)中，中间水箱(4)中的混合液第三进水泵(4.4)的作用下通过第三进水管(4.3)被泵入序批式厌氧氨氧化反应器(2)中，序批式厌氧氨氧化反应器(2)每天运行2个周期，每个周期的水力停留时间为10h，运行时通过第二加热棒(5.1)控制混合液温度为30±2℃，整套装置最终出水在第二电磁排水阀(5.4)的作用下通过第二出水管(5.5)进入到出水箱(7)中。
此发明与现有技术相比较，具有如下优势：
(1)整套装置均在厌缺氧的条件下运行，无需曝气，节省了运行能耗。
(2)整套装置应用PLC自动控制系统，运行起来智能、灵活、多变，出水效果有保证；反应器结构较简单且运行流程清晰。
(3)利用颗粒淀粉水解酸化的产物作为短程反硝化过程中的电子供体，无需额外投加小分子有机碳源，节省了处理成本。
(4)将水解酸化短程反硝化过程与厌氧氨氧化过程分别分在两个反应器中进行，避免了微生物对于生存空间、底物等因素的竞争，有利于各功能微生物在各自反应器中的生长繁殖，从而实现高效厌氧氨氧化生物脱氮。
(5)颗粒淀粉的投加促进了水解酸化短程反硝化反应器中污泥的颗粒化，增强了污泥的沉降性能，优化了泥水分离效果。
(6)厌氧氨氧化反应器中的颗粒污泥减少了厌氧氨氧化菌的流失，有利于厌氧氨氧化菌在反应器中的稳定持留，提高了脱氮效率。
附图说明
图1为整套以颗粒有机物为碳源的两段式水解酸化短程反硝化厌氧氨氧化工艺的试验装置图。
其中(1)为进水箱，(1.1)为进水箱放空阀，(1.2)为进水箱溢流管，(1.3)为第一进水管，(1.4)为第一进水泵，(2)为序批式水解酸化短程反硝化反应器，(2.1)为第一加热棒，(2.2)为第一机械搅拌装置，(2.3)为pH/DO在线监测装置，(2.4)为第一电磁排水阀，(2.5)为第一出水管，(3)为颗粒有机物储备罐，(3.1)为磁力搅拌器，(3.2)为磁子，(3.3)为第二进水管，(3.4)为第二进水泵，(4)为中间水箱，(4.1)为中间水箱溢流管，(4.2)为中间水箱放空阀，(4.3)为第三进水管，(4.4)为第三进水泵，(5)为序批式厌氧氨氧化反应器，(5.1)为第二加热棒，(5.2)为第二机械搅拌装置，(5.3)为pH/DO/ORP在线监测装置，(5.4)为第二电磁排水阀，(5.5)为第二出水管，(6)为出水箱，(7)为PLC控制柜，(8)为PLC自动控制系统。
具体实施方式
1.一种以颗粒有机物为碳源实现氮素去除的两段式水解酸化短程反硝化厌氧氨氧化工艺，其特征在于：(1)为进水箱，(2)为序批式水解酸化原位短程反硝化反应器，(3)为颗粒淀粉储备罐，(4)为中间水箱，(5)为序批式厌氧氨氧化反应器，(6)为出水箱，(7)为PLC控制柜，(8)为PLC自动控制系统。
其中进水箱(1)设置有进水箱放空阀(1.1)以及进水箱溢流管(1.2)，通过第一进水管(1.3)和第一进水泵(1.4)与序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)相连，序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中设置有第一加热棒(2.1)，第一机械搅拌装置(2.2)以及DO/pH在线监测装置(2.3)，通过第一电磁排水阀(2.4)与第一出水管(2.5)与中间水箱(4)相互连接起来；中间水箱(4)设置有中间水箱溢流管(4.1)以及中间水箱放空阀(4.2)，通过第三进水管(4.3)和第三进水泵(4.4)与序批式厌氧氨氧化反应器(5)相连接，(3)为颗粒有机物储备罐，内有磁子(3.2)，放置于磁力搅拌器(3.1)上，并通过第二进水管(3.3)以及第二进水泵(3.4)将颗粒有机物泵入序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中，序批式厌氧氨氧化反应器(5)中设置有第二加热棒(5.1)，第二机械搅拌装置(5.2)以及DO/ORP/pH在线监测装置(5.3)，通过第二电磁排水阀(5.4)以及第二出水管(5.5)与出水箱(6)相互连接，(7)为PLC控制柜，(8)为PLC自动控制系统。
2.整套两段式水解酸化短程反硝化厌氧氨氧化装置的特征包含以下步骤：
(1)初期系统中各反应器启动阶段：
①序批式厌氧氨氧化反应器(5)的启动阶段：
序批式厌氧氨氧化反应器(5)的种泥是粒径在8～12mm的厌氧氨氧化颗粒污泥，设置排水比为60％，运行方式是缺氧搅拌，通过第二加热棒(5.1)控制反应器运行时的温度为30±2℃，以含有质量浓度为110～120mg/L的氯化铵和质量浓度为145～150mg/L的亚硝酸钠的废水来启动厌氧氨氧化过程，设定第一阶段进水中的NH4 +-N和NO2 --N的质量浓度均为30±5mg/L，待每阶段序批式厌氧氨氧化反应器(5)进出水总无机氮即TIN质量浓度之差与进水TIN质量浓度的比值高于0.8时，TIN质量浓度的计算公式为TIN＝NH4 +-N+NO2 --N+NO3 --N；以10mg/L为基质的质量浓度梯度，逐步提升进水中NH4 +-N和NO2 --N的质量浓度，直至最后一阶段进水中的NH4 +-N和NO2 --N的质量浓度为50±5mg/L时，序批式厌氧氨氧化反应器(5)进出水总无机氮即TIN质量浓度之差与进水TIN质量浓度的比值高于0.8并稳定维持10d以上，即认为序批式厌氧氨氧化反应器(5)成功启动；
②序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)的启动：
将室温条件下闲置的水解酸化短程反硝化剩余污泥投加到序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中，初始的污泥浓度为2000～3000mg/L,设置排水比为60％，第一机械搅拌装置(2.2)转速设置为60rpm，运行方式是厌-缺氧搅拌，具体的运行方式包括进颗粒有机物1min→厌氧搅拌449min→进硝酸盐废水3min→缺氧搅拌57min→沉淀30min→排水10min→闲置170min，颗粒有机物储备罐(3)中装有的淀粉胶体悬浊液的质量浓度为5g/L，每周期进入到序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中的淀粉质量浓度为0.24～0.35g/L，初始硝酸盐废水中的质量浓度为10±2mg/L，每一阶段以10mg/L为梯度提升进水中的NO3 --N质量浓度，直至进水中的NO3 --N质量浓度为150±2mg/L；通过检测进出水中硝酸盐和亚硝酸盐的浓度计算NO3 --N→NO2 --N转化率即NTR，从而判断序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)短程反硝化过程的启动情况，直至最后一个阶段NTR高于60％并稳定维持10d以上后进入下一阶段；
(2)系统启动阶段：
待序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)、序批式厌氧氨氧化反应器(5)均成功启动后，将进水箱(1)、序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)、颗粒有机物储备罐(3)、中间水箱(4)、序批式厌氧氨氧化反应器(5)、出水箱(6)及PLC柜(7)、PLC自动控制系统(8)进行连接，通过监测中间水箱(4)中的NO2 --N浓度以及出水箱(6)中的TIN质量浓度，调整序批式厌氧氨氧化反应器(5)的缺氧搅拌时间，调整范围为240～480min，直至序批式厌氧氨氧化反应器(5)出水中的TIN质量浓度在15mg/L以下并能稳定维持10d以上后进入下一阶段；
(3)整套系统稳定运行阶段：
含有质量浓度分别为60±5和150±5mg/L的NH4 +-N和NO3 --N的废水首先进入到水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中，在此微生物将颗粒淀粉首先水解为糖类，后产生小分子有机酸为短程反硝化过程提供电子供体，将NO3 --N转化为NO2 --N，反应器中的污泥浓度维持在3500±500mg/L，水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中厌氧段的温度通过第一加热棒(2.1)控制在30±1℃，缺氧段的温度保持在25±1℃；含有NH4 +-N和NO2 --N的出水在第一电磁排水阀(2.4)的作用下通过第一出水管(2.5)进入至中间水箱(4)中，中间水箱(4)中的混合液第三进水泵(4.4)的作用下通过第三进水管(4.3)被泵入序批式厌氧氨氧化反应器(2)中，序批式厌氧氨氧化反应器(2)每天运行2个周期，每个周期的水力停留时间为10h，运行时通过第二加热棒(5.1)控制混合液温度为30±2℃，整套装置最终出水在第二电磁排水阀(5.4)的作用下通过第二出水管(5.5)进入到出水箱(7)中。

Claims (2)

1.一种以颗粒有机物为碳源实现氮素去除的两段式水解酸化短程反硝化厌氧氨氧化工艺，其特征在于：所用装置包括进水箱，序批式水解酸化原位短程反硝化反应器，颗粒有机物储备罐，中间水箱，序批式厌氧氨氧化反应器，出水箱，PLC控制柜和PLC自动控制系统；
其中进水箱(1)设置有进水箱放空阀(1.1)以及进水箱溢流管(1.2)，通过第一进水管(1.3)和第一进水泵(1.4)与序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)相连，序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中设置有第一加热棒(2.1)，第一机械搅拌装置(2.2)以及DO/pH在线监测装置(2.3)，通过第一电磁排水阀(2.4)与第一出水管(2.5)与中间水箱(4)相互连接起来；中间水箱(4)设置有中间水箱溢流管(4.1)以及中间水箱放空阀(4.2)，通过第三进水管(4.3)和第三进水泵(4.4)与序批式厌氧氨氧化反应器(5)相连接，(3)为颗粒有机物储备罐，内有磁子(3.2)，放置于磁力搅拌器(3.1)上，并通过第二进水管(3.3)以及第二进水泵(3.4)将颗粒有机物泵入序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中，序批式厌氧氨氧化反应器(5)中设置有第二加热棒(5.1)，第二机械搅拌装置(5.2)以及DO/ORP/pH在线监测装置(5.3)，通过第二电磁排水阀(5.4)以及第二出水管(5.5)与出水箱(6)相互连接。
2.根据权利要求1所述工艺，其特征在于，包含以下步骤：
(1)初期系统中各反应器启动阶段：
①序批式厌氧氨氧化反应器(5)的启动阶段：
序批式厌氧氨氧化反应器(5)的种泥是粒径在8～12mm的厌氧氨氧化颗粒污泥，设置排水比为60％，运行方式是缺氧搅拌，通过第二加热棒(5.1)控制反应器运行时的温度为30±2℃，以含有质量浓度为110～120mg/L的氯化铵和质量浓度为145～150mg/L的亚硝酸钠的废水来启动厌氧氨氧化过程，设定第一阶段进水中的NH4 +-N和NO2 --N的质量浓度均为30±5mg/L，待每阶段序批式厌氧氨氧化反应器(5)进出水总无机氮即TIN质量浓度之差与进水TIN质量浓度的比值高于0.8时，TIN质量浓度的计算公式为TIN＝NH4 +-N+NO2 --N+NO3 --N；以10mg/L为基质的质量浓度梯度，逐步提升进水中NH4 +-N和NO2 --N的质量浓度，直至最后一阶段进水中的NH4 +-N和NO2 --N的质量浓度为50±5mg/L时，序批式厌氧氨氧化反应器(5)进出水总无机氮即TIN质量浓度之差与进水TIN质量浓度的比值高于0.8并稳定维持10d以上，即认为序批式厌氧氨氧化反应器(5)成功启动；
②序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)的启动：
将室温条件下闲置的水解酸化短程反硝化剩余污泥投加到序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中，初始的污泥浓度为2000～3000mg/L,设置排水比为60％，第一机械搅拌装置(2.2)转速设置为60rpm，运行方式是厌-缺氧搅拌，具体的运行方式包括进颗粒有机物1min→厌氧搅拌449min→进硝酸盐废水3min→缺氧搅拌57min→沉淀30min→排水10min→闲置170min，颗粒有机物储备罐(3)中装有的淀粉胶体悬浊液的质量浓度为5g/L，每周期进入到序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中的淀粉质量浓度为0.24～0.35g/L，初始硝酸盐废水中的质量浓度为10±2mg/L，每一阶段以10mg/L为梯度提升进水中的NO3 --N质量浓度，直至进水中的NO3 --N质量浓度为150±2mg/L；通过检测进出水中硝酸盐和亚硝酸盐的浓度计算NO3 --N→NO2 --N转化率即NTR，从而判断序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)短程反硝化过程的启动情况，直至最后一个阶段NTR高于60％并稳定维持10d以上后进入下一阶段；
(2)系统启动阶段：
待序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)、序批式厌氧氨氧化反应器(5)均成功启动后，将进水箱(1)、序批式水解酸化原位短程反硝化反应器(2)、颗粒有机物储备罐(3)、中间水箱(4)、序批式厌氧氨氧化反应器(5)、出水箱(6)及PLC柜(7)、PLC自动控制系统(8)进行连接，通过监测中间水箱(4)中的NO2 --N浓度以及出水箱(6)中的TIN质量浓度，调整序批式厌氧氨氧化反应器(5)的缺氧搅拌时间，调整范围为240～480min，直至序批式厌氧氨氧化反应器(5)出水中的TIN质量浓度在15mg/L以下并能稳定维持10d以上后进入下一阶段；
(3)整套系统稳定运行阶段：
含有质量浓度分别为60±5和150±5mg/L的NH4 +-N和NO3 --N的废水首先进入到水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中，在此微生物将颗粒淀粉首先水解为糖类，后产生小分子有机酸为短程反硝化过程提供电子供体，将NO3 --N转化为NO2 --N，反应器中的污泥浓度维持在3500±500mg/L，水解酸化原位短程反硝化反应器(2)中厌氧段的温度通过第一加热棒(2.1)控制在30±1℃，缺氧段的温度保持在25±1℃；含有NH4 +-N和NO2 --N的出水在第一电磁排水阀(2.4)的作用下通过第一出水管(2.5)进入至中间水箱(4)中，中间水箱(4)中的混合液第三进水泵(4.4)的作用下通过第三进水管(4.3)被泵入序批式厌氧氨氧化反应器(2)中，序批式厌氧氨氧化反应器(2)每天运行2个周期，每个周期的水力停留时间为10h，运行时通过第二加热棒(5.1)控制混合液温度为30±2℃，整套装置最终出水在第二电磁排水阀(5.4)的作用下通过第二出水管(5.5)进入到出水箱(7)中。
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