CN113979539B

CN113979539B - 一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮技术及反应器

Info

Publication number: CN113979539B
Application number: CN202111338949.9A
Authority: CN
Inventors: 储昭瑞; 梁晓君; 黄丹丹; 荣宏伟
Original assignee: Guangzhou University
Current assignee: Guangzhou University
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-05-26
Anticipated expiration: 2041-11-12
Also published as: CN113979539A

Abstract

本发明提供一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮工艺，属于污水生物处理技术领域，通过投加生物膜载体与控制工艺参数的方法促使功能菌生态位分化，厌氧氨氧化菌主要存活于生物膜中，而包括好氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌等在内的硝化菌主要存活于活性污泥中，由此实现厌氧氨氧化菌的高效截留；进一步通过紫外光诱导细菌氧化应激方法选择性抑制活性污泥中亚硝酸盐氧化菌的生长，实现亚硝酸盐氧化菌的淘洗；最终通过系统内好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的协作，完成亚硝化‑厌氧氨氧化过程，实现城市污水的自养脱氮。

Description

一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮技术及反应器

技术领域

本发明涉及污水生物处理技术领域，具体涉及一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮技术及反应器。

背景技术

氮素作为我国水体污染物减排的主要指标之一，传统的硝化反硝化工艺则作为现今污水处理的主要脱氮技术，可其也存在曝气能耗高等问题，就污水脱氮而言，传统脱氮途径中，硝化过程需要消耗大量氧气，反硝化过程需要消耗较多的碳源(每脱除1g氮需消耗4.57g氧气和2.86g COD)，而我国70％以上城市污水有低碳氮比的特征，出水总氮达标需要投加大量外加碳源，这种高能耗、高消耗的脱氮模式与国家倡导的绿色节能政策相违背。在倡导低碳经济的今天，发展高效率且低能耗的新型生物脱氮技术已然成为污水脱氮领域中亟待解决的问题。

厌氧氨氧化(Anaerobic ammonium oxidation，Anammox)是指在厌氧的条件下，厌氧氨氧化菌将氨氮和亚硝酸盐氮转化成氮气的生物过程。它的发现改变了人们对自然界氮循环的认识，更是为污水生物脱氮技术提供了新的可能，开启了以Anammox为代表的新技术研究阶段。相比于传统硝化反硝化工艺，结合亚硝化-厌氧氨氧化的自养脱氮工艺能够有效缩减 100％的有机碳源、60％的需氧量、45％的碱度消耗量以及90％的污泥产量。因此，其被广泛认为是迄今为止最具经济有效性的生物脱氮工艺，成为了污水脱氮领域的研究前沿。

围绕厌氧氨氧化的基本原理，各种专利自养脱氮工艺得到蓬勃发展，诸如

等。目前，亚硝化-厌氧氨氧化工艺已成功应用于污泥消化液、垃圾渗滤液、制药废水等高氨氮废水处理工程，并取得了良好的处理效果和经济效益。

然而，对于氨氮浓度较低的城市污水，亚硝化-厌氧氨氧化工艺至今未实现规模化应用，遇到的挑战主要有如何在低温低氨氮浓度的城市污水中实现厌氧氨氧化菌的富集与截留，如何选择性抑制亚硝酸盐氧化菌生长等。

发明内容

针对现有技术的缺点与不足，解决常温、大流量或低氨氮浓度的城市污水自养脱氮工艺中厌氧氨氧化菌的截留或亚硝酸盐氧化菌的淘洗问题，本发明提供一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮技术及反应器。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮工艺，具体是：在污水与具有生物脱氮功能的活性污泥混合得到的泥水混合液中加入生物膜载体，在曝气充氧条件下进行自养脱氮，同时对所述泥水混合物进行长波紫外光辐照处理，脱氮完成后通过分离单元进行泥水分离。

厌氧氨氧化菌主要存活于生物膜中，通过投加生物膜载体，实现对厌氧氨氧化菌的高效截留；而包括好氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌等在内的硝化菌则主要存活于活性污泥中，通过光诱导细菌氧化应激方法选择性抑制活性污泥中亚硝酸盐氧化菌的生长，实现对亚硝酸盐氧化菌的淘洗；

在一些的具体实施方式中，所述具有生物脱氮功能的活性污泥为城市污水处理厂曝气池活性污泥或二沉池剩余污泥。

优选为曝气池活性污泥。

在一些具体的实施方式中，所述生物膜载体为预挂膜活包埋厌氧氨氧化菌的载体。

在一些具体的实施方式中，所述生物膜载体为高密度聚乙烯载体、聚氨酯载体或聚乙烯醇凝胶球载体。

在一些具体的实施方式中，所述生物膜载体的填充体积百分比为30％-60％。

在一些具体的实施方式中，所述长波紫外光的辐照波长为320-420nm，辐照强度为500～1500μW/cm²。

在一些具体的实施方式中，所述污水为经预处理后的城市污水，所述城市污水经过一级处理(格栅+沉砂池)，其中主要水质指标：化学需氧量为50～250mg/L；氨氮浓度为20～60 mg-N/L；pH值为7.0～8.5；碱度(以CaCO₃计)为50～500mg/L。

本发明的目的还在于提供一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器，所述反应器包括主反应器、循环单元和分离单元，所述主反应器内设置有微孔曝气头和生物膜载体，所述循环装置包括循环泵和长波紫外光辐照单元；其中：

所述主反应器为污水提供处理空间，所述微孔曝气头通过曝气管路连接鼓风机对系统进行曝气充氧，所述生物载体用于厌氧氨氧化菌的附着生长，形成厌氧氨氧化生物膜，实现厌氧氨氧化菌的富集与截留；

所述循环装置用于将主反应器中的泥水混合物循环进行长波紫外光辐照处理，利用长波紫外光诱导细菌氧化应激，选择性抑制亚硝酸盐氧化菌的生长，经长波紫外光辐照的活性污泥自流回到主反应器，继续参与生化反应；

所述长波紫外光辐照单元的长波紫外光光源可选用高压汞灯、紫外发光二极管或利用太阳光中的长波紫外光；

所述分离单元用于分离处理后的污水。

在一些具体的实施方式中，所述主反应器内设置有推流搅拌装置，用于保证主反应器内生物膜载体、活性污泥与污水的均匀混合。

在一些具体的实施方式中，所述分离单元包括筛网、泥水分离装置、污泥回流泵和剩余污泥泵；其中：

所述筛网设置于所述主反应器的出水口处，用于拦截所述生物膜载体；

所述泥水分离装置用于将处理完成的污水进行泥水分离，其分离方式包括重力沉淀、膜分离等；

所述污泥回流泵用于将所述泥水分离装置分离得到的污泥回流至所述主反应器内，保证主反应器内污泥浓度恒定，所述剩余污泥泵用于调节污泥的回流比例，实现对系统污泥龄的控制。

本发明还提供了一种前述的基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器的运行方法，包括以下步骤：

(1)在主反应器内加入具有生物脱氮功能的活性污泥，并投加生物膜载体；

(2)启动循环泵和长波紫外光辐照单元，对污泥进行辐照处理；

(3)将预处理后的污水引入所述主反应器内，控制以下工艺参数：主反应器内的溶解氧浓度维持在1-3mg/L，运行温度为15-35℃，水力停留时间为3-18h，污泥浓度500-2000mg VSS/L；

(4)启动污泥回流泵和剩余污泥泵，并通过调节剩余污泥泵流量控制反应器内的污泥龄为20-40d；

(5)监测泥水分离装置出水中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的浓度。

经过15～120天的连续运行，氨氮去除率可达95％以上，总氮去除率可达80％以上。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮工艺，实现了城市污水高效、稳定亚硝化-厌氧氨氧化脱氮，是城市污水处理厂的亟需技术；具体的，利用厌氧氨氧化菌易于聚集形成生物膜的特点，本发明通过在主反应器中加入生物膜载体，形成泥膜复合系统，结合对反应器内污泥龄、溶解氧等工艺参数的控制，促进厌氧氨氧化菌和硝化菌(包括好氧氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌等)的生态位分化，使得厌氧氨氧化菌在生物膜载体上高效富集，而硝化菌在活性污泥中存活；进一步地，本发明通过循环泵将活性污泥输送至长波紫外光辐照单元，利用长波紫外光诱导细菌氧化应激，提高胞内活性氧水平，并基于好氧氨氧化菌消除活性氧能力远大于亚硝酸盐氧化菌的特点，通过合理控制长波紫外光辐照强度，选择性抑制亚硝酸盐氧化菌的生长；本发明结合污泥龄的控制，实现系统内亚硝酸盐氧化菌的淘洗；最终通过系统内好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的协作，完成亚硝化-厌氧氨氧化过程，实现城市污水的自养脱氮。

(2)本发明利用厌氧氨氧化菌和好氧氨氧化菌生态位分化，实现了两种菌的单独调控与协作共存，在一个反应器内完成了亚硝化与厌氧氨氧化过程，具有工艺流程简单、造价低的优点。

(3)本发明利用长波紫外光诱导氧化应激技术，解决了亚硝酸盐氧化菌的抑制难题，使得工艺运行稳定、脱氮效率高、抗冲击能力强。

(4)本发明提供的一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮工艺采用连续流方式运行，且工艺参数的控制范围较宽，对自动化程度和精细化程度要求不高，运行管理方便。

(5)本发明利用长波紫外光辐照单元，抑制了活性污泥中部分菌群的生长，一方面实现了污泥的原位减量，降低了污泥处理成本。另一方面，污泥原位减量过程中释放的碳源，可进一步强化脱氮，提高了工艺的总氮去除效率。

(6)本发明提供的一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮工艺，仅需在城市污水处理厂原有工艺构筑物的基础上投加生物膜载体和增加长波紫外光辐照单元，方便污水处理厂的升级改造，具有适应性强、应用范围广的优点。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明所述基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器的结构示意图；

图2是实施例1所述基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器的结构示意图；

图3是实施例2所述基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器的结构示意图。

附图标记：

1-主反应器；2-进水泵；3-循环泵；4-推流搅拌装置；5-生物膜载体；6-筛网；7-泥水分离装置；8-微孔曝气头；9-鼓风机；10-污泥回流泵；11-长波紫外光；12-长波紫外光辐照单元； 13-剩余污泥泵。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明作进一步描述。

本发明的实施例涉及一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器，由进水系统、主反应器、循环系统、分离单元、进气系统和回流系统组成，参照附图1，其中，

所述进水系统包括进水泵2，污水在进水泵2的压力下通过进水管进入到主反应器1中；

所述主反应器1包括微孔曝气头8、生物膜载体5和推流搅拌装置4；

所述循环系统包括循环泵3和长波紫外光辐照单元12；

所述分离系统包括筛网6和泥水分离装置7，所述筛网6设置于所述主反应器1的出水口处；

主反应器1采用连续流运行方式，进水通过进水泵2从主反应器1前端进入，与主反应器1内活性污泥、生物膜载体5充分混合，在功能菌(厌氧氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌)的代谢作用下实现自养脱氮，然后，泥水混合物通过主反应器1后端的筛网6自流进入泥水分离装置7，而生物膜载体5被筛网6拦截，始终保留在主反应器1内；

所述进气系统包括鼓风机9，在鼓风机9的压力下通过进气管及微孔曝气头8对主反应器1内的污水进行曝气充氧；

所述回流系统包括污泥回流泵10和剩余污泥泵13，所述污泥回流泵10用于将所述泥水分离装置7分离得到的污泥回流至所述主反应器1内，保证主反应器1内污泥浓度恒定，所述剩余污泥泵13用于调节污泥的回流比例，实现对系统污泥龄的控制。

实施例1

本实施例涉及一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器，反应器结构示意图如附图2所示，采用重力沉淀池作为泥水分离装置，具体采用竖流式沉淀池形式，沉淀时间3h，采用紫外发光二极管作为长波紫外光光源，峰值波长365nm，辐照强度500μW/cm²；

所述污水为预处理后的城市污水，主要水质指标为：化学需氧量(COD)为150mg/L左右，氨氮浓度为50mg N/L左右，pH值为7.5左右，碱度(以CaCO₃计)为300mg/L左右；

具体运行及控制方法包括以下步骤：

(1)主反应器接种某A2/O工艺污水处理厂曝气池活性污泥，接种量为1500mg VSS/L，开启鼓风机曝气，控制溶解氧在3mg O₂/L，闷曝1天后进行活性污泥驯化；向主反应器内投加预挂膜的厌氧氨氧化载体，填充率为40％；

(2)启动循环泵和长波紫外光光源，连续不断地将活性污泥泵入长波紫外光辐照单元进行辐照，经辐照后的活性污泥返回至主反应器；

(3)向主反应器通入预处理的城市污水，开启污泥回流泵，污泥回流比为80％，并通过剩余污泥泵每天定时排泥，控制污泥龄在15天左右；

(4)每天监测泥水分离单元出水的氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮浓度；从反应器启动第 20天开始，出水中氨氮去除率达到95％以上，总氮去除率达到80％以上，且稳定运行1个月以上，表示城市污水脱氮过程稳定实现。

实施例2

本实施例涉及一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器，反应器结构示意图如附图3所示，采用膜过滤作为泥水分离单元，具体采用中空纤维微滤膜组件，膜通量为25L/m²/h，水力停留时间为12小时；当膜组件完全污染(跨膜压差>50kPa)后，取出膜组件用含有0.01 M的NaOH及200mg/L的次氯酸钠的化学清洗液浸泡1～2小时，经化学清洗后重复使用；采用紫外发光二极管作为长波紫外光光源，峰值波长365nm，辐照强度500μW/cm²；

具体运行及控制方法包括以下步骤：

(1)主反应器接种某A²/O工艺污水处理厂曝气池活性污泥，接种量为2000mgVSS/L，开启鼓风机曝气，控制溶解氧在3mg O₂/L，闷曝1天后进行活性污泥驯化；向主反应器内投加包埋厌氧氨氧化菌的聚乙烯醇载体，填充率为50％；

(3)打开进水泵向主反应器通入预处理的城市污水，开启膜组件上的抽吸装置实现连续进水、连续出水；开启污泥回流泵，污泥回流比为80％，并通过剩余污泥泵每天定时排泥，控制污泥龄在20天左右；

(4)每天监测膜组件出水的氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮浓度；从反应器启动第15天开始，出水中氨氮去除率达到98％以上，总氮去除率达到80％以上，且稳定运行1个月以上，表示城市污水自养脱氮过程稳定实现。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1. 一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮工艺，其特征在于，在污水与具有生物脱氮功能的活性污泥混合得到的泥水混合物中加入生物膜载体，在曝气充氧条件下进行自养脱氮，所述泥水混合物在反应器内的溶解氧浓度维持在1-3 mg/L，运行温度为15-35 ℃，水力停留时间为3-18h，污泥浓度500-2000mg VSS/L；同时对所述泥水混合物进行长波紫外光辐照处理，脱氮完成后通过分离单元进行泥水分离，将分离得到的污泥按比例回流至反应器，通过回流比例控制反应器内的污泥龄为20-40d；

所述生物膜载体为预挂膜或包埋厌氧氨氧化菌的载体；所述载体为高密度聚乙烯载体、聚氨酯载体或聚乙烯醇凝胶球载体。

2.根据权利要求1所述的一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮工艺，其特征在于，所述具有生物脱氮功能的活性污泥为城市污水处理厂曝气池活性污泥或二沉池剩余污泥。

3.根据权利要求1所述的一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮工艺，其特征在于，所述生物膜载体的填充体积百分比为30%-60%。

4.根据权利要求1所述的一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮工艺，其特征在于，所述长波紫外光的辐照波长为320-420nm，辐照强度为500~1500μW/cm²。

5.一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器，其特征在于，包括主反应器、循环单元和分离单元，所述主反应器内设置有微孔曝气头和生物膜载体，所述循环单元包括循环泵和长波紫外光辐照单元；其中：

所述主反应器为污水提供处理空间；

所述循环单元用于将主反应器中的泥水混合物循环进行长波紫外光辐照处理；

所述长波紫外光辐照单元中的长波紫外光光源为高压汞灯、紫外发光二极管或直接利用太阳光中的长波紫外光；

所述分离单元用于分离处理后的污水。

6.根据权利要求5所述的一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器，其特征在于，所述主反应器内设置有推流搅拌装置。

7.根据权利要求5所述的一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器，其特征在于，所述分离单元包括筛网、泥水分离装置、污泥回流泵和剩余污泥泵；其中：

所述泥水分离装置用于将处理完成的污水进行泥水分离；

所述污泥回流泵用于将所述泥水分离装置分离得到的污泥回流至所述主反应器内，所述剩余污泥泵用于调节污泥的回流比例。

8.根据权利要求5-7之一所述的一种基于光诱导的泥膜复合型自养脱氮反应器的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在主反应器内加入具有生物脱氮功能的活性污泥，并投加生物膜载体；

（2）启动循环泵和长波紫外光辐照单元，对污泥进行辐照处理；

（3）将预处理后的污水引入所述主反应器内，控制以下工艺参数：主反应器内的溶解氧浓度维持在1-3 mg/L，运行温度为15-35 ℃，水力停留时间为3-18h，污泥浓度500-2000mgVSS/L；

（4）启动污泥回流泵和剩余污泥泵，并通过调节剩余污泥泵流量控制反应器内的污泥龄为20-40d；

（5）监测泥水分离装置出水中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的浓度。