CN113697946A - 通过曝气吹脱快速启动短程反硝化耦合厌氧氨氧化的装置与方法 - Google Patents

Abstract

通过曝气吹脱快速启动短程反硝化耦合厌氧氨氧化的装置与方法，属于活性污泥法污水处理领域。其装置主要由原水水箱(1)、已接种全程反硝化生物膜填料(5)的SBR装置(8)、液封瓶(9)、氮气瓶(11)、出水水箱(12)组成。基于以上装置实现短程反硝化耦合厌氧氨氧化快速启动的方法包括1)短程反硝化实现阶段：在SBR反应器通过曝气吹脱驯化原全程反硝化生物膜，实现短程反硝化；2)厌氧氨氧化菌富集阶段：逐步提高氨氮基质浓度驯化生物膜实现厌氧氨氧化菌的富集。本专利首次提出通过氮气吹脱快速实现短程反硝化及通过逐步提高氨氮负荷富集厌氧氨氧化菌的方法，可实现短程反硝化厌氧氨氧化系统的快速启动。

Description

通过曝气吹脱快速启动短程反硝化耦合厌氧氨氧化的装置与 方法

技术领域

本发明涉及一种通过曝气吹脱快速启动短程反硝化耦合厌氧氨氧化的装置与方法，具体属于活性污泥法新型生物处理技术领域，适用于市政污水处理技术领域。

背景技术

生物脱氮技术能够利用微生物的代谢过程完成营养元素的去除，在节能降耗方面具有极大优势。厌氧氨氧化技术(Anammox)是近些年来新兴的一种脱氮技术，在厌缺氧的条件下以亚硝为电子受体，完成氨氮的氧化。该技术本身无需曝气和有机碳源。然而厌氧氨氧化菌世代周期长是目前厌氧氨氧化技术应用于污水处理的主要瓶颈。其中生物膜填料的应用增加了厌氧氨氧化菌的持留能力，在已有报道中达到富集效果。

短程硝化厌氧氨氧化技术由于NOB抑制困难，导致其不能保证与厌氧氨氧化的稳定耦合，从而导致出水氮素不能长期稳定达标。短程反硝化厌氧氨氧化工艺(DEAMOX工艺)则能够使厌氧氨氧化作为一种辅助脱氮措施，不完全依靠厌氧氨氧化自养脱氮，称为部分厌氧氨氧化。目前已有文献报道，在部分厌氧氨氧化贡献较低的情况下，已能大幅提高TIN去除率，对节能降耗及深度脱氮具有重要意义。然而目前的研究主要集中于短程反硝化和厌氧氨氧化的耦合。短程反硝化是厌氧氨氧化发生的前提，然而关于如何快速启动短程反硝化，完成厌氧氨氧化菌的富集，即快速启动DEAMOX系统的研究还比较少。

发明内容

本发明目的是提供一种通过曝气吹脱快速启动短程反硝化耦合厌氧氨氧化的装置和方法。本装置的特色在于通过曝气吹脱的方法快速实现短程反硝化，有效减少碳源投加。前期短程反硝化的实现提供了稳定且充足的亚硝。且通过投加填料为厌氧氨氧化菌提供富集的良好生长环境。在无厌氧氨氧化活性的系统内通过逐步提高氨氮负荷实现厌氧氨氧化富集。厌氧氨氧化自养脱氮的实现进一步降低了能源消耗，有利于污水的深度脱氮。

通过曝气吹脱快速启动短程反硝化耦合厌氧氨氧化的装置主要由进水水箱(1)、SBR反应装置(8)、液封瓶(9)、氮气瓶(11)、出水水箱(12)组成。需要说明的是氮气瓶(11)只为提供氮气，若条件允许可更改为其他氮气供给途径。原水水箱(1)通过进水泵(2)与SBR主体反应装置(8)相连接，通过一个阀门(3)的闭合控制管道连通；SBR主体反应装置(8)放置有聚乙烯空心环填料(5)，填充比为比表面积为200㎡/m³～800㎡/m³，其填充比设置为40～50％，初始接种为无厌氧氨氧化活性的全程反硝化生物膜；空心环填料(5)在反应运行过程中通过一造浪泵(4)完成流化效果，与生活污水充分结束混匀。造浪泵(4)只为达到流化填料的目的，若条件允许可更改为其他装置，如搅拌器；SBR反应器(8)通过气体通路与氮气瓶(11)相连，且设置有曝气头(6)；在曝气过程中多余的氮气通过液封瓶(9)排出系统；该装置通过DO、pH测定仪(7)实时控制检测系统的DO、pH、温度等重要参数，温度控制在22～25℃。

通过曝气吹脱快速启动短程反硝化耦合厌氧氨氧化的方法，其特征在于以下步骤：

1.第一阶段——短程反硝化实现阶段

1)进水箱(1)中含硝氮的污水，以乙酸钠为碳源控制原水C/N比为1.5～2.0。原水通过进水泵(2)进入SBR主体反应装置(8)。完全进入后开启造浪泵(4)使全程反硝化生物膜填料(5)充分流化。该填料为无厌氧氨氧化活性的全程反硝化生物膜。进水的硝酸盐和乙酸钠为反硝化菌提供了充分的底物，完成反硝化过程以达到污染物质的降解。打开DO、pH测定仪(7)的开关对温度、DO、pH参数进行实时监测和控制。温度控制在22～25℃。同步打开氮气瓶(11)使氮气通过曝气头(6)对反应器进行曝气吹脱处理。控制氮气流量，使其能够满足DO稳定维持在0.1～0.5mg/L。曝气时间占总反应时间的15％～25％。曝气时间达到此要求时，关闭氮气瓶(11)阀门停止曝气。待反应结束后，关闭造浪泵(4)。纯生物膜系统无需沉淀静置，打开阀门(10)利用重力流进行排水。排水比设置为50％～60％。每天运行2～3个周期。

2)短程反硝化阶段结束的标志：待出水有稳定亚硝积累，出水亚硝浓度大于等于进水硝酸盐浓度的50％且能够稳定维持一周时间及以上，短程反硝化启动完成。

2.第二阶段——厌氧氨氧化菌富集阶段

1)进水箱(1)中含氨氮及硝氮的污水通过进水泵(2)进入SBR反应装置(8)，以乙酸钠作为碳源控制原水C/N比为1.5～2.0。开启DO、pH测定仪(7)的开关对温度、DO、pH参数进行实时监测和控制。温度控制为22～25℃。进水完成后，打开氮气瓶(11)使氮气通过曝气头(6)进行曝气吹脱，待DO、pH测定仪(7)显示的DO低于1.0mg/L时即停止曝气。开启造浪泵(4)使生物膜填料(5)充分流化，此时该填料为驯化后的无厌氧氨氧化活性、具有短程反硝化特性的生物膜填料。进水的硝酸盐和乙酸钠为反硝化菌提供了充足的底物，在其上进行短程反硝化及全程反硝化作用，生成一部分亚硝和氮气。基于此过程，全程反硝化过程提供了一部分的脱氮贡献。

2)进水氨氮、短程反硝化过程生成的亚硝为厌氧氨氧化菌提供了充足的底物条件。聚乙烯空心填料(5)则为厌氧氨氧化菌提供了较好的富集持留场所。与此同时较低的C/N比(1.5～2.0)、DO(1.0～1.5mg/L)和适宜的温度环境(22～25℃)使得厌氧氨氧化菌富集具有必然性。

3)当氨氮去除率大于等于80％且能稳定维持一周时间及以上时提高进水氨氮负荷。

4)在不断提高氨氮负荷的过程中，氨氮和亚硝出现同步降解。当氨氮浓度提升至出水亚硝浓度小于5mg/L、氨氮去除量大于等于80％且此现象维持一周时间及以上，即短程反硝化厌氧氨氧化系统启动完毕。

本发明专利具有以下优势：

1)首次提出前期通过曝气吹脱实现短程反硝化，完成短程反硝化的快速启动。空气中氮气体积分数约78％，若使用空气压缩器曝气吹脱，将有利于短程反硝化生物膜的产业化应用，启动时间短，仅前期投资且一次投资少。

2)提出在生物膜填料存在的条件下，通过逐步提高氨氮负荷放入方法富集厌氧氨氧化菌。

3)短程反硝化厌氧氨氧化系统的建立，脱氮效果稳定，工艺流程简单。部分厌氧氨氧化自养脱氮与反硝化异养脱氮相耦合，在保证出水稳定高效达标的同时，降低了碳源投加及能耗。

附图说明

图1为通过曝气吹脱快速启动短程反硝化耦合厌氧氨氧化的装置。

图1中：1-原水水箱；2-进水泵；3-进水阀；4-造浪泵；5-生物膜填料；6-曝气头；7-DO、pH测定仪；8-SBR反应装置；9-液封瓶；10-球阀；11-氮气瓶；12-出水水箱。

具体实施方式

为使本发明的实施方法更为清晰，结合具体实施例，参照附图，对发明进行进一步详细说明。需要注意的是，下述的实施例仅为举例说明，以帮助理解本发明的核心思想与技术方案。本发明的保护范围并不限于此。

1.短程反硝化实现阶段

1)进水箱(1)中含硝氮的污水通过进水泵(2)进入SBR反应装置(8)，以乙酸钠作为碳源控制原水C/N比为1.75。打开DO、pH测定仪(7)对系统温度、DO和pH进行实时监测；

2)开启造浪泵(4)使聚乙烯空心环填料(5)充分流化。该原填料为无厌氧氨氧化活性的完全反硝化生物膜填料。同步打开氮气瓶(11)使氮气通过曝气头(6)进行曝气吹脱30～40min；

3)曝气结束后关闭氮气瓶(11)阀门停止曝气。反应时间为3h，在3h内全程反硝化生物膜利用原水的硝酸盐和乙酸钠为基质，完成污染物的去除。待反应结束后关闭造浪泵(4)；

4)该系统为纯生物膜系统，无需沉降，打开球阀通过重力流直接排水。排水比设置为50％，每天运行两个周期；

5)试验结果表明：进水硝酸盐浓度为40±2.0mg/L时，经过10个周期左右时间，出水亚硝达到10mg/L以上，后期则在20mg/L左右波动。即出水有稳定的亚硝积累(>10mg/L)，完成短程反硝化系统的快速启动。

2.厌氧氨氧化菌富集阶段

1)进水箱(1)中含氨氮及硝氮的污水通过进水泵(2)进入SBR反应装置(8)，以乙酸钠作为碳源控制C/N比为1.5～2.0。同步打开氮气瓶(11)使氮气通过曝气头(6)进行曝气吹脱，待DO、pH测定仪(7)显示的DO低于0.1mg/L时停止曝气。开启造浪泵(4)使聚乙烯空心环填料(5)充分流化，此时该填料为驯化后的无厌氧氨氧化活性、具有短程反硝化特性的生物膜填料。试验结果表明，即使不再连贯曝气吹脱，系统具有和第一阶段相同的亚硝积累能力；

2)充足的亚硝、氨氮底物以及生物膜填料(8)、低DO、低C/N的环境，有利于厌氧氨氧化菌的富集。试验结果表明，在氨氮进水浓度从5mg/L、8mg/L、12mg/L到18mg/L的各个阶段，氨氮去除率最终稳步提升至80％以上，实现了厌氧氨氧化菌的富集以及短程反硝化耦合厌氧氨氧化系统的启动。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘制或描述的实现方法，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方法，不可进行简单的更改或替换。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，均应该包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.通过曝气吹脱快速快速启动短程反硝化耦合厌氧氨氧化的装置，其特征在于：从左到右依次由原水水箱(1)、SBR反应装置(8)、液封瓶(9)、氮气瓶(11)、出水水箱(12)组成；原水水箱(1)中的污水通过进水泵(2)进入SBR反应器(8)，通过阀门(3)控制管道连通；该SBR反应器(8)放置有聚乙烯空心环生物膜填料(5)，比表面积为200㎡/m³～800㎡/m³，其填充比设置为40～50％；通过造浪泵(4)完成聚乙烯空心环填料(5)的流化效果，达到与污水充分接触混匀的目的；氮气通路通过氮气瓶(11)、曝气头(6)与SBR主体反应装置(8)相连接，以提供氮气，

多余的氮气则通过液封瓶(9)排出系统。

2.应用如权利要求1所述的装置进行一体化短程反硝化耦合厌氧氨氧化系统快速启动的方法，其特征在于，包括以下两个阶段：

第一阶段原水水箱(1)中的污水使用不含氨氮的硝酸盐废水对生物膜进行驯化，选择乙酸钠作为碳源，设置碳氮比为1.5～2；第一阶段初始生物膜为无厌氧氨氧化活性的全程反硝化生物膜填料，在曝气过程中使用DO、pH测定仪(7)实时监测DO，曝气吹脱流量需满足SBR反应器DO稳定维持在0.1～0.5mg/L；第一阶段SBR反应装置(8)反应的同时打开氮气瓶(11)阀门曝气吹脱，曝气吹脱时间占总反应时间的15％～25％，满足此时间后停止曝气吹脱；

第一阶段结束的标志为：出水亚硝浓度大于等于进水硝酸盐浓度的50％且能够稳定维持一周时间及以上，短程反硝化启动完成；

第二阶段原水水箱(1)中的污水使用同时含有氨氮和硝酸盐的废水对生物膜进行驯化，选择乙酸钠作为碳源维持碳氮比为1.5～2.0；第二阶段仅在SBR主体反应装置(8)反应前通过曝气吹脱的方式将反应器DO维持在1.0mg/L以下；反应过程中不再曝气吹脱；第二阶段当氨氮去除率大于等于80％且此现象维持一周以上时提高氨氮浓度；

在不断提高氨氮负荷的过程中，当氨氮浓度提升至出水亚硝浓度小于5mg/L、氨氮去除量大于等于80％，且此现象维持一周时间及以上则停止提高氨氮负荷,即短程反硝化厌氧氨氧化系统启动完毕。

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