CN114229995A - 一种养猪废水同步脱氮除碳的系统及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种养猪废水同步脱氮除碳的方法，通过EGSB‑SMD与EGSB‑PNA两段式反应器将反硝化、甲烷化、短程硝化与厌氧氨氧化有机结合起来，两段式SMD‑PNA系统最大程度的提升了反应器中的功能菌优势，实现氨氮和有机碳的近乎完全去除，且易于培养，整套工艺稳定性和控制性强。在EGSB‑SMD中，颗粒污泥的缺氧‑厌氧结构有利于产甲烷菌与反硝化菌的协同共生，在兼顾原水及回流污水中NO2 ‑‑N、NO3 ‑‑N去除的同时具有更高的COD去除负荷，且SMD中内回流装置与PNA外回流装置稀释了进水浓度，降低底物抑制。在EGSB‑PNA中，内回流装置增加了上升流速，促进体积较大的颗粒污泥的形成，反应器内部软性与半软性组合填料促进生物膜形成并紧密附着，从而保持了反应器内部的生物量，维持了CANON工艺的稳定运行。

Description

一种养猪废水同步脱氮除碳的系统及工艺
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种养猪废水同步脱氮除碳的系统及工艺。
背景技术
我国是养殖大国，其中养猪产业在总体上呈规模化、集约化方向发展，造成其产生的污染物以相对集中的方式排放，并远远超出当地环境的自然承载能力，进而也将对环境造成严重的污染。据相关研究表明，养猪排放的废水主要由猪尿(粪)和猪舍的冲洗废水构成，废水中COD(化学需氧量)高达4500～20000mg/L，TN550～2100mg/L，NH4 +-N450～1500mg/L、TP100～330mg/L，可见猪场废水属于高浓度有机废水，其氮磷的含量也严重超标。若猪场废水不经有效处理直接排入环境，会对地表水、地下水、农田及大气环境形成严重污染，造成水体富营养化，也会导致寄生虫病的蔓延。为了对养猪废水进行治理，利用生化法处理养猪废水正在得到普遍的应用。目前畜禽养殖业所采用的单一的生化法处理技术，并不完全适用于高有机物和高氮磷含量的规模养猪废水的治理。并且存在能耗高，处理成本高的问题。
厌氧氨氧化作为一种新型脱氮技术，可以很好地解决传统脱氮曝气能耗高、需外加碳源、污泥产量高的问题。目前，已经有大量研究通过厌氧氨氧化或厌氧氨氧化耦合反硝化实现养殖废水中氮的去除，而对于高浓度有机碳去除不充分，故养殖废水中的有机碳污染还需要依托其他途径去除。相比于厌氧氨氧化或厌氧氨氧化耦合反硝化，甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化三者同时作用可以在兼顾NO2 --N和NH4 +-N去除的同时具有更高的COD去除负荷，可实现养殖废水同时脱氮除碳，作为高氨氮低碳氮比的主体工艺，应用前景广阔。但由于三种功能菌共生于同一体系，导致操控条件复杂，稳定性差，在反应过程中厌氧氨氧化的底物亚硝酸盐缺乏，高浓度有机物和游离氨易对厌氧氨氧化菌产生抑制。
一般污水中氮素以氨氮为主，亚硝酸盐含量很低。目前主要通过短程硝化为厌氧氨氧化反应提供电子受体亚硝酸盐，但是不少研究发现在低氨氮浓度废水中长期稳定维持短程硝化较困难，且厌氧氨氧化反应过程中约有10％的氮转化为硝酸盐，易使出水总氮浓度超过排放标准，且废水中含有的部分有机物无法去除。由于亚硝酸盐是反硝化过程的中间产物，厌氧氨氧化反应所需的电子受体亚硝酸盐可以通过部分反硝化反应来提供，故部分反硝化厌氧氨氧化(PDA工艺)工艺兴起。两菌群的耦合可以实现对反应体系内硝酸盐、铵盐、亚硝酸盐和有机物的同步去除。但对于高氨氮高有机碳废水来说，由于废水中硝酸盐含量相对不足，导致反应过程中亚硝酸盐积累量偏低，难以达到厌氧氨氧化所需基质理论配比(NH4 +-N:NO2 --N为1.32)，且在有机物含量充足的情况下，反硝化菌易成为体系内优势菌种，厌氧氨氧化菌在底物亚硝酸盐竞争过程中处于劣势，导致厌氧氨氧化反应受到抑制。其次，最佳耦合参数不明，耦合工艺的脱氮性能尚不稳定。再次，Do(溶解氧量)浓度过高会抑制反硝化菌和厌氧氨氧化菌活性，耦合效率会受到影响。
因此，提供一种养猪废水同步脱氮除碳的系统及工艺是十分必要的。
发明内容
厌氧同时反硝化产甲烷工艺(SMD工艺)是在传统生物处理方法基础上发展起来的一种新型脱碳除氮工艺，用于处理高氮(通常包括氨、胺以及硝氮)、高浓度难降解有机废水。通过人工手段创造不同类型微生物共存的环境，让产甲烷反应和反硝化反应同时在一个厌氧反应器中完成，产甲烷细菌和反硝化细菌共同利用废水中的有机基质或水解产物，从而达到同时脱碳除氮的目标。部分硝化厌氧氨氧化工艺(PNA)因其无需外加有机碳源，运行成本低，脱氮效率高，污泥产量低等优势，在高氨氮污水处理领域得到广泛应用。在整个体系内，通过氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(AnAOB)间的协同作用，在不消耗有机碳源条件下实现生物脱氮。在实际污水处理系统中，由于废水中含有部分有机物，PNA反应器内往往会发生一体式短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化反应(SNAD)，促进了NO2 --N的积累，加速了体系中TN和有机物的去除。
基于以上分析，本发明提出了新的发明思路：
一种养猪废水的脱氮除碳系统，包括：
原水水箱(1)、厌氧同时反硝化产甲烷反应器(EGSB-SMD)(2)、中间水箱(3)、短程硝化厌氧氨氧化反应器(EGSB-PNA)(4)、排水桶(5)；
废水通过第一进水口(1.1)进入原水水箱(1)；原水水箱(1)第一出水口(1.2)通过第一进水蠕动泵(1.3)与EGSB-SMD(2)第二进水口(2.10)相连；EGSB-SMD(2)第二出水口(2.2)流经第一沉淀池(2.6)后与中间水箱(3)中的第三进水口(3.1)相连，第一出水回流口(2.11)通过第一出水回流泵(2.8)与第二进水口(2.10)相连，经第一沉淀池(2.6)沉淀后的污泥通过第一污泥回流泵(2.7)与第一污泥回流口(2.12)相连，在线pH控制仪(2.1)通过pH探头进入到反应器实时控制酸碱度，第一三相分离器(2.13)通过出气管与气体收集装置(2.3)相连，反应器反应区由第一污泥层(2.14)和沸石填料层(2.9)组成，在污泥层设置上下两个第一取样口(2.4)，其外部设置水浴保温层并保持温控装置(2.5)恒温；中间水箱(3)第三出水口(3.2)通过第二进水蠕动泵(3.3)与EGSB-PNA(4)第四进水口(4.12)相连；EGSB-PNA(4)第四出水口(4.2)流经第二沉淀池(4.6)后与排水桶(5)第五进水口(5.1)相连，第二出水回流口(4.13)通过第二出水回流泵(4.8)与第四进水口(4.12)相连，EGSB-PNA(4)第四出水口(4.2)经第二沉淀池(4.6)沉淀后的出水通过第三出水回流口(4.15)流经第三出水回流泵(4.11)后与EGSN-SMD(2)第二进水口(2.10)相连，第二沉淀池(4.6)沉淀后的污泥通过第二污泥回流泵(4.7)与第二污泥回流口(4.14)相连，在线DO、pH一体式控制仪(4.1)通过探头进入到反应器实时控氧和控制酸碱度，第二三相分离器(4.16)收集的气体通过出气管(4.3)排出，短程硝化厌氧氨氧化反应器(4)反应区第二污泥层(4.17)均匀设置三个第二取样口(4.4)，反应区内部设置软性与半软性组合填料(4.9)，净化后的出水通过排水桶(5)第五出水口(5.2)流出。
本发明还提供了一种养猪废水同步脱氮除碳的工艺，包括：
1)厌氧同时反硝化产甲烷工艺(SMD工艺)的驯化：
将反应器有效体积约3/4的厌氧颗粒污泥投加至EGSB-SMD反应器(2)，保持与EGSB-SMD接种污泥总体积不变，将部分硝化污泥与厌氧氨氧化污泥按照体积比为1:1(保持混合污泥中颗粒：絮状体积比为1:1-1:1.5)投加至EGSB-PNA反应器中(4)，接种前将污泥用磷酸缓冲溶液反复冲洗混合污泥3次以去除多余杂质；将养猪废水稀释后(COD稀释后浓度为1500±50mg/L，NO3-N(硝酸盐氮)浓度为37.5±1.25mg/L，C/N为40:1)通入原水水箱(1)，稀释后原水通过第二进水口(2.10)进入到EGSB-SMD反应器，控制反应器内pH为7.0-7.5并打开第一温控装置(4.5)，保持反应器内温度在30±5℃，初期每次提高COD浓度500mg/L，保持C/N为40:1，直至产甲烷菌活性恢复，待产甲烷菌活性恢复后，同时提高COD和NO3 --N(亚硝酸盐氮)浓度，降低碳氮比，最终提高COD浓度为4000-5000mg/L(接近养猪废水中COD浓度)，NO3 --N浓度提高至200-250mg/L；C/N比降低为20：1，通过观察COD与NO3 --N去除性能、产气量、辅酶F420、硝酸盐还原酶及微生物分析等指标确保反应器成功启动；
2)部分硝化厌氧氨氧化工艺(PNA)工艺的驯化：
在EGSB-PNA反应器中，通过配置模拟废水驯化PNA体系，启动初期氨氮投加量为50mg/L，亚硝：氨氮1:1添加，pH控制在7.2-8.5，温度控制在35±1℃。打开第二进水蠕动泵(3.3)、第二温控装置(4.5)与第二出水回流泵(4.8)，随后曝气盘(4.10)开始间歇曝气，初始曝停比为1:1；按照50mg/L-100mg/L-150mg/L-200mg/L-300mg/L的方式梯度提逐步提高氨氮浓度，并增加进水氨氮和亚硝配比，直至亚硝投加量为0mg/L，按照24-16-12-6h的方式缩短HRT(水力停留时间)，协同间歇曝气(Do控制在0.2-0.4mg/L，初始曝停比为1:1，后期根据氨氮与亚硝去除量逐步调整曝停比)，增大回流比(50％-100％-150％-200％)协同定期排泥的方式启动PNA反应器；
3)SMD-PNA体系的驯化：
SMD-PNA体系稳定运行后通过中间水箱(3)相连，设置最佳调控参数后首先通入稀释一倍后的养猪废水原水，并与第三出水回流口(4.11)(回流比根据进水浓度及反应器本身耐受情况设置，确保反应器稳定运行的同时稀释后的进水COD与氨氮浓度不对微生物造成抑制作用)流入的含硝氮废水和第一出水回流口(2.11)流入的含COD废水一起进入到EGSB-SMD反应器(维持SMD进水中COD≤4000mg/L，氨氮≤500mg/L)，SMD出水通过中间水箱(3)收集后，调控最佳CANON基质配比并通入PNA反应器，少量有机物的进入可以促进PNA反应器(4)中反硝化菌的富集，在PNA反应器实现一体式短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化(SNAD)过程，达到更好的去除效果，待去除效率稳定后逐步缩短沼液稀释倍数，直至稀释倍数为0(猪场沼液原水)，以此驯化SMD-PNA反应器。整个体系中两个反应器内微生物协同作用，以实现深度脱氮除碳，并减少了污泥产量，节约曝气能耗，实现了反应器的长久稳定高效运行。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过EGSB-SMD与EGSB-PNA两段式反应器将反硝化、甲烷化、短程硝化与厌氧氨氧化有机结合起来，可实现养猪废水高氨氮高有机碳沼液的同步高效脱氮除碳，有机物及TN去除率分别达到95％、90％以上；
(2)在EGSB-SMD中，颗粒污泥的缺氧-厌氧结构有利于产甲烷菌与反硝化菌的协同共生，在兼顾原水及回流污水中NO2 --N、NO3 --N去除的同时具有更高的COD去除负荷，且外回流装置稀释了进水浓度，降低底物抑制。SMD中的沸石填料层一方面可以防止反应器内污泥流失，另一方面可作为氨氮和硝氮的吸附材料，从而实现对氨氮的部分去除和硝氮的深度去除，沸石滤料平均吸附氨氮容量为127.58mmol/100g，平均吸附硝酸盐容量为35.71mmol/100g(以进水硝酸盐浓度为147mg/L，粒径为10mm的天然斜发沸石为例)；
(3)在EGSB-PNA中，外回流装置增加了上升流速，促进体积较大的颗粒污泥的形成，反应器内部软性与半软性组合填料促进生物膜形成并紧密附着，从而保持了反应器内部的生物量，维持了CANON工艺的稳定运行。少量有机物的进入促进体系内部反硝化菌的生长，从而避免了有机物对厌氧氨氧化菌的抑制作用。反应器未反应完全的硝氮随出水回流到SMD反应器被深度去除，在实现氨氮的高去除性能的同时还具有节省曝气、降低运行能耗、减少污泥产量、减少温室气体生成等优势，更加节能环保；
(4)整个SMD-PNA体系首先通过产甲烷和反硝化作用降低有机碳负荷，再通过短程硝化作用为厌氧氨氧化菌提供底物亚硝酸盐，最后通过厌氧氨氧化协同反硝化作用去除氨氮和剩余有机碳，两段式SMD-PNA系统可以将各自反应器中的功能菌优势最大化体现出来，实现氨氮和有机碳的全去除，且易于培养，整套工艺有更可靠的稳定性和控制性。
附图说明
图1为本发明涉及的养猪废水的脱氮除碳系统示意图。
图中：1—原水水箱；2—厌氧同时反硝化产甲烷反应器；3—中间水箱；4—短程硝化厌氧氨氧化反应器；5—排水桶；
1.1—第一进水口；1.2—第一出水口；1.3—第一进水蠕动泵；
2.1—在线pH控制仪；2.2—第二出水口；2.3—气体收集装置；2.4—第一取样口；2.5—温控装置；2.6—第一沉淀池；2.7—第一污泥回流泵；2.8—第一出水回流泵；2.9—沸石填料层；2.10—第二进水口；2.11—第一出水回流口；2.12—第一污泥回流口；2.13—第一三相分离器；第一污泥层(2.14)；
3.1—第三进水口；3.2—第三出水口；3.3—第二进水蠕动泵；
4.1—在线DO、pH一体式控制仪；4.2—第四出水口；4.3—出气管；4.4—第二取样口；4.5—第一温控装置；4.6—第二沉淀池；4.7—第二污泥回流泵；4.8—第二出水回流泵；4.9—软性与半软性组合填料；4.10—曝气盘；4.11—第三出水回流泵；4.12—第四进水口；4.13—第二出水回流口；4.14—第二污泥回流口；4.15—第三出水回流口；4.16—第二三相分离器；第二污泥层(4.17)；
5.1—第五进水口；5.2—第五出水口。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
实施例1
一种养猪废水同步脱氮除碳的系统，包括：
原水水箱(1)、厌氧同时反硝化产甲烷反应器(EGSB-SMD)(2)、中间水箱(3)、短程硝化厌氧氨氧化反应器(EGSB-PNA)(4)、排水桶(5)；
废水经过第一进水口(1.1)进入原水水箱(1)；原水水箱(1)第一出水口(1.2)通过第一进水蠕动泵(1.3)与EGSB-SMD(2)第二进水口(2.10)相连；EGSB-SMD(2)第二出水口(2.2)流经第一沉淀池(2.6)后与中间水箱(3)中的第三进水口(3.1)相连，第一出水回流口(2.11)通过第一出水回流泵(2.8)与第二进水口(2.10)相连，经第一沉淀池(2.6)沉淀后的污泥通过第一污泥回流泵(2.7)与第一污泥回流口(2.12)相连，在线pH控制仪(2.1)通过pH探头进入到反应器实时控制酸碱度，第一三相分离器(2.13)通过出气管与气体收集装置(2.3)相连，反应器反应区由第一污泥层(2.14)和沸石填料层(2.9)组成，在污泥层设置上下两个第一取样口(2.4)，其外部设置水浴保温层并保持温控装置(2.5)恒温；中间水箱(3)第三出水口(3.2)通过第二进水蠕动泵(3.3)与EGSB-PNA(4)第四进水口(4.12)相连；EGSB-PNA(4)第四出水口(4.2)流经第二沉淀池(4.6)后与排水桶(5)第五进水口(5.1)相连，第二出水回流口(4.13)通过第二出水回流泵(4.8)与第四进水口(4.12)相连，EGSB-PNA(4)第四出水口(4.2)经第二沉淀池(4.6)沉淀后的出水通过第三出水回流口(4.15)流经第三出水回流泵(4.11)后与EGSN-SMD(2)第二进水口(2.10)相连，第二沉淀池(4.6)沉淀后的污泥通过第二污泥回流泵(4.7)与第二污泥回流口(4.14)相连，在线DO、pH一体式控制仪(4.1)通过探头进入到反应器实时控氧和控制酸碱度，第二三相分离器(4.16)收集的气体通过出气管(4.3)排出，短程硝化厌氧氨氧化反应器(4)反应区第二污泥层(4.17)均匀设置三个第二取样口(4.4)，反应区内部设置软性与半软性组合填料(4.9)，净化后的出水通过排水桶(5)第五出水口(5.2)流出。
一种养猪废水同步脱氮除碳的工艺，包括：
1)厌氧同时反硝化产甲烷工艺(SMD工艺)的驯化：
将反应器有效体积约3/4的厌氧颗粒污泥投加至EGSB-SMD反应器(2)，保持与EGSB-SMD接种污泥总体积不变，将部分硝化污泥与厌氧氨氧化污泥按照体积比为1:1(保持混合污泥中颗粒：絮状体积比为1:1-1:1.5)投加至EGSB-PNA反应器中(4)，接种前将污泥用磷酸缓冲溶液反复冲洗混合污泥3次以去除多余杂质；将养猪废水稀释后(COD稀释后浓度为1500±50mg/L，NO3-N(硝酸盐氮)浓度为37.5±1.25mg/L，C/N为40:1)通入原水水箱(1)，稀释后原水通过第二进水口(2.10)进入到EGSB-SMD反应器，控制反应器内pH为7.0-7.5并打开第一温控装置(4.5)，保持反应器内温度在30±5℃，初期每次提高COD浓度500mg/L，保持C/N为40:1，直至产甲烷菌活性恢复，待产甲烷菌活性恢复后，同时提高COD和NO3 --N(亚硝酸盐氮)浓度，降低碳氮比，最终提高COD浓度为4000-5000mg/L(接近养猪废水中有机物浓度)，NO3 --N浓度提高至200-250mg/L；C/N比降低为20：1，通过观察COD与NO3 --N去除性能、产气量、辅酶F420、硝酸盐还原酶及微生物分析等指标确保反应器成功启动；
2)部分硝化厌氧氨氧化工艺(PNA)工艺的驯化：
在EGSB-PNA反应器中，通过配置模拟废水驯化PNA体系，启动初期氨氮投加量为50mg/L，亚硝：氨氮1:1添加，pH控制在7.2-8.5，温度控制在35±1℃。打开第二进水蠕动泵(3.3)、第二温控装置(4.5)与第二出水回流泵(4.8)，随后曝气盘(4.10)开始间歇曝气，初始曝停比为1:1；按照50mg/L-100mg/L-150mg/L-200mg/L-300mg/L的方式梯度提逐步提高氨氮浓度，并增加进水氨氮和亚硝配比，直至亚硝投加量为0mg/L，按照24-16-12-6h的方式缩短HRT(水力停留时间)，协同间歇曝气(Do控制在0.2-0.4mg/L，初始曝停比为1:1，后期根据氨氮与亚硝去除量逐步调整曝停比)，增大回流比(50％-100％-150％-200％)协同定期排泥的方式启动PNA反应器；
3)SMD-PNA体系的驯化：
SMD-PNA体系稳定运行后通过中间水箱(3)相连，设置最佳调控参数后首先通入稀释一倍后的养猪废水原水，并与第三出水回流口(4.11)(回流比根据进水浓度及反应器本身耐受情况设置，确保反应器稳定运行的同时稀释后的进水有机物与氨氮浓度不对微生物造成抑制作用)流入的含硝氮废水和第一出水回流口(2.11)流入的含有机物废水一起进入到EGSB-SMD反应器(维持SMD进水中COD≤4000mg/L，氨氮≤500mg/L)，SMD出水通过中间水箱(3)收集后，调控最佳CANON基质配比并通入PNA反应器，少量有机物的进入可以促进PNA反应器(4)中反硝化菌的富集，在PNA反应器实现一体式短程硝化厌氧氨氧化耦合反硝化(SNAD)过程，达到更好的去除效果，待去除效率稳定后逐步缩短沼液稀释倍数，直至稀释倍数为0(猪场沼液原水)，以此驯化SMD-PNA反应器。整个体系中两个反应器内微生物协同作用，以实现深度脱氮除碳，并减少了污泥产量，节约曝气能耗，实现了反应器的长久稳定高效运行。
对比例1
同步甲烷化耦合反硝化和厌氧氨氧化(SMDA)
以某一常见SMDA启动方法为例。将SMDA系统构建过程分为3个阶段，分别是启动阶段、耦合阶段和稳定运行阶段。
(1)启动阶段：将产甲烷颗粒污泥接种于厌氧反应器，通过投加高浓度碳源使反应器中污泥产甲烷活性达到最佳状态，并在另一个反应器(可以是SBR(序批式反应器)、EGSB(膨胀颗粒污泥床反应器)、MBR(膜生物反应器)等任意有利于培养厌氧氨氧化菌的厌氧反应器)富集培养厌氧氨氧化菌；
(2)耦合阶段：进水中添加硝酸盐和亚硝酸盐，并适度提高氨氮浓度，调控有利于三种菌生长的最佳环境参数，形成有利于功能菌的生长条件，随后加入富集培养的厌氧氨氧化菌；
(3)稳定运行阶段：将耦合成功的反应器稳定运行，并逐渐调控参数，提高去除效率，实现三者的耦合。
具体SMDA工艺实例：将产甲烷颗粒污泥接种于有效容积为7.8L的UASB反应器中，最终污泥浓度达1.6935gVSS/L，保持体系中pH为8.0左右，水力停留时间(HRT)为16h，温度为35℃，有机负荷控制在0.75以下，亚硝酸盐和氨氮负荷控制在0.15和0.105，模拟废水中水质参数见表1，将启动过程分为三步，分别是启动阶段(阶段I)、耦合阶段(阶段II)和稳定阶段(阶段III)。
表1
项目 阶段I 阶段II 阶段III
蔗糖 800 375-800 375
CH3COONa 0 0-125 125
NH<sub>4</sub>Cl 20 20-70 70
NaNO<sub>2</sub> 0 20-100 100
NaNO<sub>3</sub> 0 10-50 10
KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub> 10 15 15
NaHCO<sub>3</sub> DN DN DN
反应器历时140d启动成功。稳定运行阶段，COD去除率稳定在75％，NH4 +-N去除率由40％增至48％，氮气和甲烷产量分别为75％和25％，产甲烷菌、反硝化菌及厌氧氨氧化菌相对丰度分别为10.8％、11.7％、0.964％，出水亚硝酸盐和硝酸盐去除率均稳定在99％以上。在该实例中，由于反应器内微生物之间关系较为复杂，实验过程中对各个阶段的pH、温度、进水基质等参数的调控存在难度，导致反应器启动时间长(140d)，且难以维稳；另一方面，由于进水有机物对厌氧氨氧化菌造成抑制，且厌氧氨氧化底物亚硝酸盐来源匮乏(亚硝酸盐去除率近乎100％，而氨氮去除率不足50％得以看出)，导致厌氧氨氧化过程氨氮去除率偏低，功能菌优势作用发挥不明显；再者，由于由于甲烷化和反硝化对有机物浓度要求较高(最佳COD/NO3 --N分别为75:5和1.5)，而有机物浓度过高对厌氧氨氧化菌会造成抑制作用，生态位差异导致三者在体系内丰度均偏低，在污水中难以达到污染物去除要求。
对比例2
部分反硝化耦合厌氧氨氧化(PDA)
目前运用较多的启动方式是：
(1)在厌氧反应器中首先接种厌氧颗粒污泥(接种污泥类型不定)，然后按化学计量比为1:1.32左右含有NH4 +-N和NO2 --N的人工配水启动厌氧氨氧化反应器，富集培养厌氧氨氧化菌；
(2)反应器厌氧氨氧化启动成功后，向反应器通入含NH4 +-N、NO3-N和有机物的进水，经过定期驯化与调控，启动培养厌氧氨氧化与反硝化耦合反应，通过考察反应器对氨氮、亚硝氮、硝氮及有机物的协同去除效果以及各污染物去除比例判定耦合反应是否启动成功。
具体PDA工艺实例：由于化肥制造、肉类和电子加工等行业产生的高浓度NO3 —N对人类生产生活产生困扰，现利用有效容积为5L的MBBR反应器接种某污水处理厂缺氧池污泥启动部分反硝化耦合厌氧氨氧化反应器。试验分为两个阶段，分别为部分反硝化启动驯化阶段(阶段I)和部分反硝化耦合厌氧氨氧化阶段(阶段II)，反应器运行参数及水质参数见表2与表3。PD阶段接种填料比表面积为500m2/m3，填充率为20％，C/N比保持在3.0，PD-ANAMMOX阶段接种的PD填料取自实验室稳定运行2a的固定床生物膜反应器，PD与ANAMMOX生物膜数量比为1:1.5，总填充率为25％。
表2
项目 天数/d 进水/min 搅拌/min 出水/min
阶段I 1-71 10 225 5
阶段II 72-120 10 465 5
表3
Figure BDA0003430955370000091
Figure BDA0003430955370000101
经过40d富集培养实现部分反硝化，NO2 --N积累率(NTR)能够达到(69.38+3.53)％，生物膜NO2 --N、NO3 --N还原酶活性分别为0.02、0.42umol/min.mg；PDA耦合试验经历120d成功启动，出水总氮(TN)仅(6.41±1.50)mg/L，TN去除率达88％以上，证明PD-ANAMMOX可行。在该对比例中，部分反硝化厌氧氨氧化(PDA)系统主要针对高硝氮浓度废水，而对于高氨氮高碳氮比废水来说，硝酸盐含量相对不足，导致亚硝酸盐来源不充分，从而使厌氧氨氧化反应进行不彻底，氨氮(NH4 +-N)去除率低；另一方面，由于技术的局限性，对亚硝盐积累的影响因素的研究还不够透彻，耦合反应最佳温度、碳氮比等的参数比较模糊，导致本对比例中亚硝积累率偏低，TN去除效率也不高(PDA过程理论TN去除率为100％)；再者，该对比例尚在实验室水平，实际应用中Do、温度、pH等限制可能会导致其处理效率更低。
试验例1：
采用两套相同的UASB反应器(U1和U2)，有效容积2.59L，接种污泥取自沈阳市某啤酒废水处理厂UASB反应器的厌氧颗粒污泥，维持反应器内混合液温度温度在35±1℃。碳源由葡萄糖或乙酸钠提供，氮源为硝酸钠，通过改变模拟污水的COD和NO3 --N浓度调节碳氮比，每升模拟废水加入1.0mL复合微量元素使用液，用碳酸氢钠调整pH至7.4±0.1。启动培养期以“适宜碳氮比、低负荷，后同时提高有机负荷减小碳氮比”的方式启动，反应器有机负荷为1kg COD/m3.d，碳氮比40：1。产甲烷菌富集成功后，逐渐提高有机负荷和氮负荷，同时碳氮比从40:1逐渐降至20:1，直至达到实验要求的COD浓度达到4000mg/L逐渐从40:1降至20:1，最终实现反硝化过程和产甲烷过程的耦合，完成厌氧同时反硝化产甲烷工艺的启动。另外，启动初期适当提高反应器的进水pH值和内回流流量。最终历时82d成功启动SMD反应器，COD去除率和产气量分别达到95.11％和8.26L/d，硝氮去除率可达到98.32％以上，实现了良好的脱氮除碳效果。
试验例2：
采用一套升流式生物膜反应器，有效容积3.4L，反应器底部设置钛合金曝气头，通过蠕动泵将空气由曝气头泵入反应器。反应器所选填料为悬挂针状弹性填料，填料占反应装置有效体积的20％-30％之间。接种污泥取自高碑店污水处理厂(中国，北京)二沉池回流区的活性絮体污泥，污泥浓度为8.48g/L。进水指标及浓度如表4所示：
表4进水指标及浓度(单位mg/L)
指标 NH<sub>4</sub><sup>+</sup>-N 碱度 TP K<sup>+</sup> Fe<sup>2+</sup> Ca<sup>2+</sup> Mg<sup>2+</sup> Na<sup>2+</sup>
浓度 200 1600 12 15 15 30 30 60
根据运行效能变化采用“逐步缩短HRT、提高曝气量，同时调整回流比平衡NIL和DO带来的影响”的方式来加速CANON的启动，启动历时120d。HRT、DO、回流比、NIL分别由启动初期的15h、＜0.15mg/L、50％、0.32kg/m3.d逐渐调整至稳定运行期的6h、0.3-0.6mg/L、200％及0.801kg/m3.d。稳定运行期平均氨氮和TN去除率达97.18％和85.87％，反应器对环境变化适应能力强，对Do耐受浓度高，有利于水质波动较大的实际废水的脱氮处理。
由上述数据可知，SMD-PNA综合系统可以稳定运行并达到理想的去除效果，实验室出水水质远优于一级A排放标准。本公开在上述实验室基础上对工艺条件与反应器装置进行了优化，新型养猪废水同步脱氮除碳的工艺系统较现有技术能够以更低的成本与能耗，实现更高效的污水处理效果，具有可行性。
综上所述，本发明通过EGSB-SMD与EGSB-PNA两段式反应器将反硝化、甲烷化、短程硝化与厌氧氨氧化有机结合起来，可实现养猪废水高氨氮高有机碳沼液的同步高效脱氮除碳，COD及TN去除率分别可达95％、90％以上。在EGSB-SMD中，颗粒污泥的缺氧-厌氧结构有利于产甲烷菌与反硝化菌的协同共生，在兼顾原水及回流污水中NO2 --N、NO3 --N去除的同时具有更高的COD去除负荷，且外回流装置稀释了进水浓度，降低底物抑制。SMD中的沸石填料层一方面可以防止反应器内污泥流失，另一方面可作为氨氮和硝氮的吸附材料，从而实现对氨氮的部分去除和硝氮的深度去除，沸石滤料平均吸附氨氮容量为127.58mmol/100g，平均吸附硝酸盐容量为35.71mmol/100g(以进水硝酸盐浓度为147mg/L，粒径为10mm的天然斜发沸石为例)。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内，包括：①本发明后端装置EGSB-PNA可用部分反硝化厌氧氨氧化体系(PDA)替代，部分反硝化和部分硝化均可解决厌氧氨氧化基质来源亚硝酸盐问题，但考虑到SMD出水硝酸盐含量不充分且波动性大、部分反硝化反应亚硝酸盐积累机制不明晰、DO浓度限制以及PDA主流应用实例较少等局限性，最后选择用可发生部分硝化厌氧氨氧化耦合反硝化(SNAD)反应的PNA反应器作为后端反应器。②本发明前后端反应器类型和接种污泥类型均可改进或替代，选择不唯一。由于前期在选用“EGSB+厌氧颗粒污泥”组合方式进行厌氧氨氧化菌富集实验时意外发现该组合方式有利于产甲烷菌和反硝化菌的富集，其丰度高达总菌群丰度的半数，且反应器脱氮效果稳定，故选择用EGSB反应器接种厌氧颗粒污泥进行实验设计。③填料类型与位置可替代。④沉淀池位置、进水口进水模式均可改进或替代。

Claims (10)

1.一种养猪废水的脱氮除碳系统，依次设有：
原水水箱(1)、厌氧同时反硝化产甲烷反应器(2)、中间水箱(3)、短程硝化厌氧氨氧化反应器(4)、排水桶(5)；
原水水箱(1)设置有第一进水口(1.1)与第一出水口(1.2)；
第一出水口(1.2)通过第一进水蠕动泵(1.3)与厌氧同时反硝化产甲烷反应器(2)的第二进水口(2.10)相连；
第二出水口(2.2)通过第一沉淀池(2.6)与中间水箱(3)中的第三进水口(3.1)相连，厌氧同时反硝化产甲烷反应器(2)的第一出水回流口(2.11)通过第一出水回流泵(2.8)与厌氧同时反硝化产甲烷反应器(2)的第二进水口(2.10)相连；
第一沉淀池(2.6)通过第一污泥回流泵(2.7)与第一污泥回流口(2.12)相连；
在线pH控制仪(2.1)通过pH探头插入厌氧同时反硝化产甲烷反应器(2)中，第一三相分离器(2.13)通过出气管与气体收集装置(2.3)相连，反应器反应区由第一污泥层(2.14)和沸石填料层(2.9)组成，在污泥层设置上下两个第一取样口(2.4)，污泥层外部设置温控装置(2.5)；
中间水箱(3)第三出水口(3.2)通过第二进水蠕动泵(3.3)与短程硝化厌氧氨氧化反应器(4)第四进水口(4.12)相连；
短程硝化厌氧氨氧化反应器(4)第四出水口(4.2)经第二沉淀池(4.6)与排水桶(5)的第五进水口(5.1)相连，第二出水回流口(4.13)通过第二出水回流泵(4.8)与第四进水口(4.12)相连；
第二沉淀池(4.6)经第三出水回流口(4.15)与第三出水回流泵(4.11)相连，第三出水回流泵(4.11)与厌氧同时反硝化产甲烷反应器(2)的第二进水口(2.10)相连；
第二沉淀池(4.6)通过第二污泥回流泵(4.7)与第二污泥回流口(4.14)相连；
在线DO、pH一体式控制仪(4.1)通过探头插入短程硝化厌氧氨氧化反应器(4)中，第二三相分离器(4.16)顶部设置一出气管(4.3)，短程硝化厌氧氨氧化反应器(4)反应区第二污泥层(4.17)均匀设置三个第二取样口(4.4)，反应区内部设置软性与半软性组合填料(4.9)；
第三出水回流口(4.15)与排水桶(5)相连，排水桶(5)设置一第五进水口(5.1)与第五出水口(5.2)。
2.一种养猪废水同步脱氮除碳的工艺，包括：
1)厌氧同时反硝化产甲烷工艺的驯化；
2)部分硝化厌氧氨氧化工艺工艺的驯化；以及
3)SMD-PNA体系的驯化。
3.根据权利要求2所述的工艺，其中：
步骤1)所述厌氧同时反硝化产甲烷工艺的驯化包括：
将反应器有效体积3/4的厌氧颗粒污泥投加至厌氧同时反硝化产甲烷反应器(2)中，保持两反应器接种污泥总体积相同，将部分硝化污泥与厌氧氨氧化污泥按照体积比为1:1投加至短程硝化厌氧氨氧化反应器中(4)，使混合污泥中颗粒与絮状体积比在1:1-1:1.5范围内，接种前将混合污泥用磷酸缓冲溶液反复冲洗3次以去除多余杂质；
将养猪废水稀释后通入原水水箱(1)，稀释后原水通过第二进水口(2.10)进入厌氧同时反硝化产甲烷反应器(2)中，控制反应器内pH为7.0-7.5，并打开第一温控装置(4.5)；初期每次提高COD浓度500mg/L，保持C/N为40:1，直至产甲烷菌活性恢复；
待产甲烷菌活性恢复后，同时提高COD和NO3 --N浓度，降低碳氮比，通过观察指标确保反应器成功启动。
4.根据权利要求3所述的工艺，其中：
所述养猪废水稀释后的标准为：
稀释后COD浓度为1500±50mg/L，稀释后NO3-N浓度为37.5±1.25mg/L，稀释后C/N为40:1。
5.根据权利要求3所述的工艺，其中：
所述COD提高的最终浓度为4000-5000mg/L；NO3 --N浓度提高至200-250mg/L；C/N比最终降低为20：1。
6.根据权利要求2所述的工艺，其中：
步骤2)所述部分硝化厌氧氨氧化工艺工艺的驯化包括：
在短程硝化厌氧氨氧化反应器(4)中，通过配置模拟废水驯化部分硝化厌氧氨氧化工艺体系；
启动初期氨氮投加量为50mg/L，亚硝与氨氮浓度比1:1，pH控制在7.2-8.5；
打开第二进水蠕动泵(3.3)、第二温控装置(4.5)与第二出水回流泵(4.8)，曝气盘(4.10)进行间歇曝气；
随后梯度提高氨氮浓度并增加进水氨氮和亚硝配比直至亚硝投加量为0mg/L；
缩短水力停留时间协同间歇曝气，逐渐增大回流比并定期排泥，启动PNA反应器。
7.根据权利要求6所述的工艺，其中：
所述间歇曝气为初始曝停比为1:1；
所述梯度提高氨氮浓度为50mg/L-100mg/L-150mg/L-200mg/L-300mg/L；
所述缩短水力停留时间为24-16-12-6h；
所述协同间歇曝气条件为：溶解氧量控制在0.2-0.4mg/L，初始曝停比为1:1；
所述逐渐增大回流比为50％-100％-150％-200％。
8.根据权利要求2所述的工艺，其中：
所述SMD-PNA体系的驯化包括：
SMD-PNA体系稳定运行后通过中间水箱(3)相连，设置调控参数后首先通入稀释1倍后的养猪废水原水，并与第三出水回流口(4.11)流入的含硝氮废水和第一出水回流口(2.11)流入的残余有机物废水一起进入到厌氧同时反硝化产甲烷反应器中；
出水通过中间水箱(3)收集后，调控CANON基质配比并通入短程硝化厌氧氨氧化反应器(4)中，待去除效率稳定后逐步缩短沼液稀释倍数，以此驯化SMD-PNA反应器。
9.根据权利要求8所述的工艺，其中：
所述厌氧同时反硝化产甲烷反应器进水中氨氮含量≤500mg/L，COD≤4000mg/L。
10.根据权利要求8所述的工艺，其中：
所述去除效率稳定标准为：去除率波动值≤5％并持续保持10d以上；
所述稀释倍数终点为0。
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