CN113683192B - 一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的装置与方法 - Google Patents

一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的装置与方法，属于污水生物处理领域。该系统由外源电子供体投加与控制系统、短程反硝化产亚硝态氮系统、参数采集与数据处理系统构成，运行方法是城市二级出水进入升流式短程反硝化颗粒污泥反应器，同时投加有机碳源作为电子供体，短程反硝化过程将硝态氮(NO3 ‑‑N)还原为亚硝态氮(NO2 ‑‑N)，为厌氧氨氧化脱氮工艺提供电子受体。本发明通过优化升流式短程反硝化颗粒污泥反应器运行模式，快速培养颗粒污泥，强化短程反硝化颗粒污泥活性，建立稳定NO2 ‑‑N积累的短程反硝化过程，为厌氧氨氧化应用于城市污水深度脱氮提供了新方法。

Description

一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程 反硝化颗粒污泥的装置与方法
技术领域
本发明提出了一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的装置与方法，属于污水生物脱氮技术领域。该方法是将城市二级出水池的出水与有机碳源按一定比例分别投加到升流式短程反硝化颗粒污泥反应器中，短程反硝化颗粒污泥以有机碳源为电子供体，还原二级出水池中的NO3 --N，产生较高的NO2 --N积累。该方法不仅可以为厌氧氨氧化过程提供较多的底物，还能有效去除城市二级出水中的NO3 --N。
背景技术
目前，我国水体富营养化现象严重，氮磷等污染物的超标排放严重影响着人们的生活水平和身体健康。同时，国家对于废水的排放标准日趋严格化，对于污水处理厂而言，传统的生物脱氮工艺(A/O工艺、氧化沟工艺、A/A/O工艺)具有污水处理成本高、运行能耗大、污泥产量多的特点，已不能满足节能降耗的要求，实施更加经济高效的脱氮除磷的方法迫在眉睫。
厌氧氨氧化作为一项新兴的生物脱氮技术因具有无需曝气、无需外加碳源、污泥产量低等优势特点逐渐得到广泛研究者的青睐。它是在厌氧条件下，以NO2 --N为电子受体与NH4 +-N发生反应，而其中底物NO2 --N的稳定来源是该研究领域的一个瓶颈。当前可以通过短程硝化和短程反硝化来获取NO2 --N，前者曝气能耗较高，亚硝酸盐氧化菌(NOB)的去除比较困难，并且反应不稳定；而后者因能够长期稳定运行，无需曝气，反应时间短等优势逐渐被广泛研究。
厌氧氨氧化反应产物中的氮素约有11％是以NO3 --N的形式存在的。对于NO3 --N的去除，短程硝化无能为力，需要通过反硝化的方式去除。与全程反硝化相比，短程反硝化可节省约40％的碳源，降低了处理污水的运行费用和能耗。基于以上因素，可以看到短程反硝化的应用前景和研究价值，短程反硝化不仅能去除含NO3 --N废水，还能经济有效的为厌氧氨氧化反应提供底物基质NO2 --N，为厌氧氨氧化在污水处理中的应用提供了有力的支撑。
发明内容
本发明提出了一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的装置与方法，该方法可以强化短程反硝化颗粒污泥的形成，并实现短程反硝化，将硝态氮(NO3 --N)还原至亚硝态氮(NO2 --N)，为厌氧氨氧化提供底物。
为了实现上述目的，本发明提出了一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的装置，包括外源电子供体投加与控制系统(1)、短程反硝化产亚硝态氮系统(2)、参数采集与数据处理系统(3)；外源电子供体投加控制系统包括外碳源储备装置(1.1)、外碳源投加泵(1.2)、碳源流量计(1.3)；短程反硝化产亚硝态氮系统包括城市污水二级出水池(2.1)，升流式短程反硝化反应器(2.2)，进水泵(2.3)，升流式短程反硝化反应器(2.2)自下而上依次设有进水口(2.4)、加药口(2.5)、回流进水口(2.6)、排泥口(2.7)、排水口(2.8)、回流口(2.9)，设有机械搅拌装置(2.10)，回流泵(2.11)，排水阀(2.12)，出水桶(2.13)；参数采集与数据处理系统(3)包括pH在线监测电极(3.1)、ORP在线监测电极(3.2)、多参数数据采集装置(3.3)、数据处理系统(3.4)。
城市污水二级出水池(2.1)通过进水泵(2.3)与升流式短程反硝化反应器(2.2)进水口(2.4)相连；外碳源储备装置(1.1)通过外碳源投加泵(1.2)与升流式短程反硝化反应器(2.2)加药口(2.5)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)回流口(2.9)通过回流泵(2.11)与回流进水口(2.6)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)与pH在线监测电极(3.1)、ORP在线监测电极(3.2)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)排水口(2.8)通过排水阀(2.12)与出水桶(2.13)相连；外碳源投加泵(1.2)与数据处理系统(3.4)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)的机械搅拌装置(2.10)与数据处理系统(3.4)相连；多参数数据采集装置(3.3)与数据处理系统(3.4)相连；回流泵(2.11)与数据处理系统(3.4)相连；排水阀(2.12)与数据处理系统(3.4)相连。
一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)启动阶段：接种城市污水处理厂剩余污泥到升流式短程反硝化反应器，接种后污泥浓度为2.0～7.0gVSS/L；升流式短程反硝化反应器采用间歇进水与排水的周期性运行模式，每个周期包括：进水，碳源投加，搅拌，沉淀，排水和闲置，其中进水控制在10-12min，碳源投加控制在1-2min，搅拌控制在60-120min，沉淀控制在60-100min，排水控制在10-20min，闲置控制在120-180min。进水硝态氮(NO3 --N)浓度为15～40mg/L，水力停留时间为2.0～4.0h，搅拌装置转速为100-130rpm，通过调整外碳源投加泵流量，控制初始COD与NO3 --N质量浓度比为2.5～3.5；通过数据处理系统反馈出水亚硝态氮(NO2 --N)浓度变化曲线达到峰值点，关闭搅拌装置；当NO3 --N转化为NO2 --N的转化率达到80％以上并连续稳定运行7天以上，升流式短程反硝化反应器启动成功；
(2)稳定运行阶段：升流式短程反硝化反应器采用为连续进水和排水的运行模式，始终开启进水泵、排水泵和搅拌装置。搅拌装置转速为100-130rpm，调节碳源投加泵流量，控制有机物COD与NO3 --N质量浓度比为2.5～3.5，当NO3 --N转化为NO2 --N的转化率达到70％以上并连续运行14天以上，升流式短程反硝化反应器达到稳定运行；
(3)颗粒污泥驯化阶段：通过提高进水泵流量，控制水力停留时间为0.5～2.0h，污泥龄SRT为10～15d，调节搅拌装置转速为120-150rpm，回流泵开启，控制回流泵流量使回流量与进水流量之比为50％～200％，当平均粒径大于1.0mm的颗粒污泥干重占污泥干重的50％以上时，颗粒污泥驯化成功。
本发明提供的一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的装置与方法，具有以下特点和优势：
(1)充分结合升流式颗粒污泥床氮负荷较高、利于颗粒污泥形成的特点，本发明增加了搅拌装置，会产生水平方向的剪切力，与回流至反应器产生的垂直方向剪切力相结合，不仅有助于颗粒污泥形成，也可以在空间上实现污泥与基质间的充分混合，减少空间中死区的产生，提高了反应速率。
(2)能够在进水量升高时，发挥高负荷氮转化的作用，另一方面在较高负荷条件下，加速了短程反硝化颗粒污泥形成，增强NO3 --N的去除与NO2 --N积累的能力。
(3)搅拌装置产生的剪切力可以将污泥表面粘黏的气泡赶走，可以有效缓解污泥上浮。
(4)该装置以序批式进水模式启动，以连续进水模式运行，缩短启动时间，提高运行稳定性，强化短程反硝化颗粒污泥的形成。
附图说明
图1为一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的装置结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1结构图所示，一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的装置与方法，包括外源电子供体投加与控制系统(1)、短程反硝化产亚硝态氮系统(2)、参数采集与数据处理系统(3)；外源电子供体投加控制系统包括外碳源储备装置(1.1)、外碳源投加泵(1.2)、碳源流量计(1.3)；短程反硝化产亚硝态氮系统包括城市污水二级出水池(2.1)，升流式短程反硝化反应器(2.2)，进水泵(2.3)，升流式短程反硝化反应器(2.2)自下而上依次设有进水口(2.4)、加药口(2.5)、回流进水口(2.6)、排泥口(2.7)、排水口(2.8)、回流口(2.9)，设有机械搅拌装置(2.10)，回流泵(2.11)，排水阀(2.12)，出水桶(2.13)；参数采集与数据处理系统(3)包括pH在线监测电极(3.1)、ORP在线监测电极(3.2)、多参数数据采集装置(3.3)、数据处理系统(3.4)。
城市污水二级出水池(2.1)通过进水泵(2.3)与升流式短程反硝化反应器(2.2)进水口(2.4)相连；外碳源储备装置(1.1)通过外碳源投加泵(1.2)与升流式短程反硝化反应器(2.2)加药口(2.5)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)回流口(2.9)通过回流泵(2.11)与回流进水口(2.6)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)与pH在线监测电极(3.1)、ORP在线监测电极(3.2)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)排水口(2.8)通过排水阀(2.12)与出水桶(2.13)相连；外碳源投加泵(1.2)与数据处理系统(3.4)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)的机械搅拌装置(2.10)与数据处理系统(3.4)相连；多参数数据采集装置(3.3)与数据处理系统(3.4)相连；回流泵(2.11)与数据处理系统(3.4)相连；排水阀(2.12)与数据处理系统(3.4)相连。
具体运行过程如下：
(1)启动阶段：接种城市污水处理厂剩余污泥到升流式短程反硝化反应器，接种后污泥浓度为2.6gVSS/L；升流式短程反硝化反应器采用间歇进水与排水的周期性运行模式，每个周期包括：进水，碳源投加，搅拌，沉淀，排水和闲置，其中进水控制在12min，碳源投加控制在1min，搅拌控制在90min，沉淀控制在90min，排水控制在10min，闲置控制在158min。进水硝态氮(NO3 --N)浓度为30mg/L，水力停留时间为2.3h，搅拌装置转速为125rpm，通过调整外碳源投加泵流量，控制初始COD与NO3 --N质量浓度比为2.5；通过数据处理系统反馈出水亚硝态氮(NO2 --N)浓度变化曲线达到峰值点，关闭搅拌装置；当NO3 --N转化为NO2 --N的转化率达到80％以上并连续稳定运行7天以上，升流式短程反硝化反应器启动成功；
(2)稳定运行阶段：升流式短程反硝化反应器采用为连续进水和排水的运行模式，始终开启进水泵、排水泵和搅拌装置。搅拌装置转速为125rpm，调节碳源投加泵流量，控制有机物COD与NO3 --N质量浓度比为3.0，当NO3 --N转化为NO2 --N的转化率达到70％并连续运行14天以上，升流式短程反硝化反应器达到稳定运行；
(3)颗粒污泥驯化阶段：通过提高进水泵流量，控制水力停留时间为0.7h，污泥龄SRT为12d，调节搅拌装置转速为125rpm，回流泵开启，控制回流泵流量使回流量与进水流量之比为200％，平均粒径大于1.0mm的颗粒污泥干重占污泥干重的77.5％，颗粒污泥驯化成功。
上述试验结果表明：该系统在此运行方式下能够长期稳定运行，NO3 --N转化为NO2 --N的转化率维持85％以上，出水NO3 --N<5mg/L，能够为厌氧氨氧化反应提供底物NO2 --N。
以上对本发明所提供的一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的装置与方法进行了详细介绍，并且应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想：对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式上均会有改变之处，因此，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种培养与富集为厌氧氨氧化提供电子受体亚硝态氮的短程反硝化颗粒污泥的装置，其特征在于，包括外源电子供体投加与控制系统(1)、短程反硝化产亚硝态氮系统(2)、参数采集与数据处理系统(3)；外源电子供体投加控制系统包括外碳源储备装置(1.1)、外碳源投加泵(1.2)、碳源流量计(1.3)；短程反硝化产亚硝态氮系统包括城市污水二级出水池(2.1)，升流式短程反硝化反应器(2.2)，进水泵(2.3)，升流式短程反硝化反应器(2.2)自下而上依次设有进水口(2.4)、加药口(2.5)、回流进水口(2.6)、排泥口(2.7)、排水口(2.8)、回流口(2.9)，设有机械搅拌装置(2.10)，回流泵(2.11)，排水阀(2.12)，出水桶(2.13)；参数采集与数据处理系统(3)包括pH在线监测电极(3.1)、ORP在线监测电极(3.2)、多参数数据采集装置(3.3)、数据处理系统(3.4)；
升流式短程反硝化反应器(2.2)为增加了搅拌装置的升流式颗粒污泥床；
城市污水二级出水池(2.1)通过进水泵(2.3)与升流式短程反硝化反应器(2.2)进水口(2.4)相连；外碳源储备装置(1.1)通过外碳源投加泵(1.2)与升流式短程反硝化反应器(2.2)加药口(2.5)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)回流口(2.9)通过回流泵(2.11)与回流进水口(2.6)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)与pH在线监测电极(3.1)、ORP在线监测电极(3.2)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)排水口(2.8)通过排水阀(2.12)与出水桶(2.13)相连；外碳源投加泵(1.2)与数据处理系统(3.4)相连；升流式短程反硝化反应器(2.2)的机械搅拌装置(2.10)与数据处理系统(3.4)相连；多参数数据采集装置(3.3)与数据处理系统(3.4)相连；回流泵(2.11)与数据处理系统(3.4)相连；排水阀(2.12)与数据处理系统(3.4)相连。
2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)启动阶段：接种城市污水处理厂剩余污泥到升流式短程反硝化反应器，接种后污泥浓度为2.0～7.0gVSS/L；升流式短程反硝化反应器采用间歇进水与排水的周期性运行模式，每个周期包括：进水，碳源投加，搅拌，沉淀，排水和闲置，其中进水控制在10-12min，碳源投加控制在1-2min，搅拌控制在60-120min，沉淀控制在60-100min，排水控制在10-20min，闲置控制在120-180min；进水硝态氮浓度为15～40mg/L，水力停留时间为2.0～4.0h，搅拌装置转速为100-130rpm，通过调整外碳源投加泵流量，控制初始COD与NO3 --N质量浓度比为2.5～3.5；通过数据处理系统反馈出水亚硝态氮(NO2 --N)浓度变化曲线达到峰值点，关闭搅拌装置；当NO3 --N转化为NO2 --N的转化率达到80％以上并连续稳定运行7天以上，升流式短程反硝化反应器启动成功；
(2)稳定运行阶段：升流式短程反硝化反应器采用为连续进水和排水的运行模式，始终开启进水泵、排水泵和搅拌装置；搅拌装置转速为100-130rpm，调节碳源投加泵流量，控制有机物COD与NO3 --N质量浓度比为2.5～3.5，当NO3 --N转化为NO2 --N的转化率达到70％以上并连续运行14天以上，升流式短程反硝化反应器达到稳定运行；
(3)颗粒污泥驯化阶段：通过提高进水泵流量，控制水力停留时间为0.5～2.0h，污泥龄SRT为10～15d，调节搅拌装置转速为120-150rpm，回流泵开启，控制回流泵流量使回流量与进水流量之比为50％～200％，当平均粒径大于1.0mm的颗粒污泥干重占污泥干重的50％以上时，颗粒污泥驯化成功。
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