CN115385443B - 一种低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污水生物处理技术领域，尤其涉及一种低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法及其装置。本发明的技术问题为：现有技术中现有技术中短程硝化工艺的启动长于30天温度低于20℃时对亚硝酸盐氧化细菌的抑制被大幅削弱，且在亚硝酸盐氧化细菌的抑制中过于依赖氨氮浓度，不适于在氨氮浓度低于150mg/L的低氨氮废水中应用的问题。本发明的技术实施方案为：启动阶段：接种；在14～34℃下，向SBR反应器内接种带有异养硝化细菌和功能菌两种菌种的活性污泥；进水；使用进水蠕动泵将进水桶中的氨氮浓度低于150mg/L的氨氮废水抽入SBR反应器中。本发明实现既提高了短程硝化工艺的亚硝酸盐积累率，使启动时间小于30天。
Description
技术领域
本发明涉及污水生物处理技术领域，尤其涉及一种低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法及其装置。
背景技术
氨氮仍然是当前主要水体污染物之一；水体氨氮超标一方面导致富营养化问题威胁用水安全，另一方面氨氮会自然产生2A类致癌物质亚硝酸盐从而威胁人体健康；目前，高能耗是当前污水处理工艺面临的主要挑战之一，研发节能高效的脱氮新技术是目前的当务之急。
厌氧氨氧化技术是目前最具发展前景的新型脱氮技术；传统硝化/反硝化技术是好养环境下将氨氮依次氧化为亚硝态氮和硝态氮，而后在缺氧环境下通过外加有机碳源将硝态氮依次还原为亚硝态氮和氮气实现脱氮；而厌氧氨氧化技术仅需在短程硝化阶段将氨氮氧化为亚硝态氮，而后利用亚硝态氮将氨氮转化为氮气实现脱氮；因此，与硝化/反硝化技术相比，厌氧氨氧化技术可以减少90％以上的剩余污泥、节省60％以上的有机碳源、降低45％以上的曝气能耗，具有显著的成本优势；短程硝化是实现厌氧氨氧化技术的重要前置工艺，对于实现厌氧氨氧化技术具有至关重要的作用。
pH值作为影响酶活性的关键因素，对酶活性和细菌生长速率有着重要影响；一般认为硝化细菌的适宜pH值范围为6.5～8.2，因此许多研究者在短程硝化工艺启动时pH值一般设置为7.5～8.2；受制于功能菌富集缓慢和其他竞争细菌的干扰，短程硝化工艺面临着启动时间长、稳定运行难的问题；因此短程硝化工艺的快速启动和稳定运行的关键均在于对主要亚硝酸盐氧化细菌的高效稳定抑制；目前，短程硝化工艺的启动方法主要有高游离氨/游离亚硝酸策略、低溶解氧策略、高溶解氧策略、间歇曝气策略和低污泥停留时间策略等；这些方法均存在启动时间长于30天的缺陷；而且，当温度低于20℃时，亚硝酸盐氧化细菌对溶解氧和氨氮的竞争能力会显著超过亚硝化单胞菌属，这导致低溶解氧策略、高溶解氧策略、间歇曝气策略和低污泥停留时间策略等对亚硝酸盐氧化细菌的抑制被大幅削弱；高游离氨/游离亚硝酸策略对亚硝酸盐氧化细菌的抑制程度则取决于进水氨氮浓度，其不适于在氨氮浓度低于150mg/L的低氨氮废水中应用；因此急需开发一种低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置与方法。
发明内容
为了克服现有技术中短程硝化工艺的启动长于30天温度低于20℃时对亚硝酸盐氧化细菌的抑制被大幅削弱，且在亚硝酸盐氧化细菌的抑制中过于依赖氨氮浓度，不适于在氨氮浓度低于150mg/L的低氨氮废水中应用的缺点，本发明提供一种低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法及其装置。
本发明的技术实施方案为：一种低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法，包括如下步骤：
启动阶段：
步骤1：接种；在14～34℃下，向SBR反应器内接种带有异养硝化细菌和功能菌两种菌种的活性污泥；
步骤2：进水；使用进水蠕动泵将进水桶中的氨氮浓度低于150mg/L的氨氮废水抽入SBR反应器中；
步骤3：搅拌；开启恒速搅拌器实现活性污泥与水搅拌后均匀混合；
步骤4：控制pH；通过pH控制系统向SBR反应器内投放NaOH溶液，将SBR反应器内pH值保持在8.7～9.2；
步骤5：曝气；开启间歇曝气系统曝气并根据进水氨氮浓度平均值、SBR反应器有效容积和曝气系数选定曝气速率，进行SBR反应器中有氧或缺氧环境的循环切换；
步骤6：静置；运行2～11h后关闭恒速搅拌器、pH控制系统和间歇曝气系统并静置30min；
步骤7：排水；打开第一电磁阀将SBR反应器内的净值沉淀后的上层溶液排放40％～60％至出水桶；
步骤8：循环：排水完成后开始下一周期，重复步骤2～8的工作，运行3～ 6天；
步骤9：完成启动；SBR反应器内的亚硝酸盐积累率达到90％，表明短程硝化工艺成功启动；
运行阶段：重复启动阶段步骤2～8的工作，长期运行。
启动阶段的第1～2天，较多不适应8.7～9.2的pH值在的细菌迅速凋亡，同时异养硝化细菌在合适的8.7～9.2的pH值和溶解氧条件下快速增长，并进一步挤压其他的生存空间，异养硝化细菌在细菌裂解碳源过程中8.7～9.2的合适pH值和溶解氧条件下进行短程硝化，将氨氮转化为亚硝酸盐，实现短程硝化工艺的快速启动，在快速启动过程中利用8.7～9.2的高pH值和低曝气速率 0.1mL/min对亚硝酸盐氧化细菌在缺氧后的延迟效应，9天内，功能菌丰度由 0.08％显著增加至29.09％，实现了对亚硝酸盐氧化细菌活性的快速抑制,达到对亚硝酸盐氧化细菌的选择性淘汰的目的，而后利用微生物种间竞争机制：K策略和r策略是生物的两类生存策略；异养硝化细菌属为r策略型生物，具有增长迅速和竞争力弱的特点；而功能菌为K策略型生物，具有增长缓慢和竞争力强的特点，亚硝酸盐氧化细菌被抑制和淘汰，裂解产物刺激了r策略型异养硝化细菌的大量增长；而后随着裂解产物的耗尽，竞争力强的K策略型功能菌逐渐取代异养硝化细菌成为主要细菌。
通过运行策略优化和利用微生物种间竞争机制，打破了原有“优先富集功能菌”的固定思维。即先利用异养硝化细菌的异养亚硝化过程实现短程硝化工艺的快速启动，而后使长期运行阶段平均亚硝酸盐积累率为94.11％～97.25％，进而实现功能菌的大量富集。
优选地，在步骤1中，所述异养硝化细菌为从毛单胞菌属，所述功能菌为亚硝化单胞菌属。
优选地，在步骤1中，所述接种的活性污泥静沉30min后体积不超过SBR 反应器有效容积的5％，所述SBR反应器的体积交换比为50％。
进一步地，所述SBR反应器包括有舱体、舱盖、出水口、进水口、第二电磁阀、pH调节口和第三电磁阀；所述舱体上端扣合有舱盖，所述舱体表面开设有出水口，所述出水口与出水桶导通，所述出水口处安装有电磁阀，所述舱盖上开设有进水口，所述进水口处安装有第二电磁阀，所述舱盖上开设有pH调节口，所述pH调节口处安装有第三电磁阀。
优选地，在步骤2中，所述进水水质控制在氨盐浓度为0～150mgN/L，碳酸氢盐浓度为0～150mgC/L，磷酸盐浓度为0～0.87mgP/L，碳氮比为1，磷氮比为1/172。
优选地，在步骤4中，所述NaOH溶液浓度为10～30g/L，所述NaOH溶液投加速率为2.4mL/min。
进一步地，所述的恒速搅拌器采用转速为130r/min。
进一步地，所述恒速搅拌器包括有电机、搅拌轴和桨叶；所述舱盖上固定有电机，所述电机与搅拌轴一端连接，所述搅拌轴穿过舱盖，所述搅拌轴另一端与桨叶固接。
更进一步地，所述恒速搅拌器还包括有顶块，固定架、安装套筒、限位销、 L型翘杆、打散叶和第一扭力弹簧；所述桨叶设置有顶块，所述搅拌轴外表面套有安装套筒，所述固定架固定于舱体内壁；所述固定架与安装套筒固接，所述安装套筒表面设置有多组限位销，所述限位销所在表面转动连接有L型翘杆，所述L型翘杆与打散叶固接，所述L型翘杆与限位销连接处设置有限制L型翘杆运动的第一扭力弹簧，所述L型翘杆一端可与顶块接触。
优选地，在步骤5中，所述曝气速率经验计算公式为：Q＝0.34×Vc×N4；式中，Q为曝气速率，mL/min；Vc为SBR反应器有效容积，m3；N4为进水氨氮平均浓度，mg/L。
优选地，在步骤5中，所述曝气系数为0.334mL/min/g，所述间歇曝气方式为每间隔30分钟向SBR反应器内以恒定曝气速率曝气30分钟。
进一步地，所述曝气组件包括有进气嘴、伸缩管、导向板和曝气头；所述进气嘴与控制曝气量的气体流量计管道导通，所述进气嘴贯穿SBR反应器并将空气导入SBR反应器内，所述进气嘴与伸缩管导通，所述伸缩管外表面套有改变曝气走向的导向板，所述伸缩管末端与曝气头管道导通。
优选地，一种应用上述方法的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化装置，包括有进水桶、进水蠕动泵、恒速搅拌器、第一电磁阀、出水桶、pH 控制系统、间歇曝气系统和SBR反应器；所述进水桶与进水蠕动泵管道导通，所述进水蠕动泵出水口连接管道插入SBR反应器内，所述SBR反应器内安装有恒速搅拌器，所述SBR反应器与用以控制SBR反应器内pH的pH控制系统管道连通，所述SBR反应器与用以控制曝气流量的间歇曝气系统导通，进水桶中的氨氮废水通过进水蠕动泵进入SBR反应器，进水完毕后通过恒速搅拌器实现泥水均匀混合，通过pH控制系统实现SBR反应器内pH值的控制，通过间歇曝气系统实现SBR反应器内间歇曝气，处理完毕静置后通过第一电磁阀将出水排放至出水桶。
优选地，所述pH控制系统包括有pH探头、pH控制器、蠕动泵和贮存桶；所述pH控制器与安装于SBR反应器下部且低于出水后最低水位用以实时检测 SBR反应器内pH值的pH探头电连接，所述pH控制器与蠕动泵电连接，所述蠕动泵进液口与用以调节SBR反应器内pH的贮存桶管道连接，所述蠕动泵出液口通过管道置于SBR反应器内，当SBR反应器内pH值低于设定值时，pH控制器通过对蠕动泵通电将贮存桶内的NaOH溶液加入SBR反应器，实现SBR反应器内pH 值保持在8.7～9.2。
进一步地，所述pH探头的安装位置位于最低液位下10cm，在SBR反应器排水后依然可以检测SBR反应器内的pH值。
优选地，间歇曝气系统包括有间歇时间控制器、鼓风机、气体流量计和曝气组件；所述间歇时间控制器与用以将外部气体鼓入SBR反应器内的鼓风机电连接，所述鼓风机排气口与用以控制曝气量的气体流量计进气口管道导通，所述气体流量计出气口与用以促进气液混合和液体循环流动的曝气头管道导通，所述曝气头置于SBR反应器内，通过间歇时间控制器实现鼓风机的运作方式为间歇曝气，通过气体流量计设置曝气流量，通过曝气头增强曝气效率。
优选地，所述恒速搅拌器还包括有波纹套筒、第一拨杆、刮条、固定销、限位弹簧、通孔和固定座；所述桨叶叶背处设置有固定座，所述安装套筒下方与被搅拌轴贯穿的波纹套筒固接，所述固定座上设置有固定销，所述固定销外表面设置有限制固定销位置的限位弹簧，所述固定销与翻动舱体内底面污泥的刮条固接，所述刮条与第一拨杆一端固接，所述第一拨杆另一端穿过顶块开设的通孔，所述第一拨杆与波纹套筒持续接触。
更进一步地，所述恒速搅拌器还包括有竖槽，筛板、压板、第二扭力弹簧和第二拨杆；所述桨叶靠近舱体处开设有竖槽，所述舱体内壁设置有可穿过桨叶的第二拨杆，所述桨叶叶背处固接有筛板，所述筛板与压板转动连接，所述筛板与压板的连接转轴处设置有使压板贴近桨叶叶背的第二扭力弹簧，所述第二拨杆可与压板接触。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
工艺启动快，3～6天内即可成功实现短程硝化工艺的启动，与传统方法大于30天相比启动时间大大缩短；
运行效果好，长期运行阶段亚硝酸盐积累率高达94.11％～97.25％；
控制简便，启动策略明确了启动阶段的pH值、温度和曝气量等关键运行参数的选取原则及合适范围；
广泛适用处理低氨氮废水，适用且不限于适用处理氨氮浓度为30-150mg/L 的废水；
温度适应范围广，14～20℃的低温下即可启动，大大提升了本发明的应用范围。
总体而言，该方法及其装置既提高了短程硝化工艺的亚硝酸盐积累率，又打破了短程硝化工艺启动时间不低于30天的限制，启动时间大大缩短，不仅大量节省了启动阶段出水的重复处理费用，还为后续厌氧氨氧化/反硝化工艺的快速实现奠定了基础。高pH值运行对亚硝酸盐氧化细菌等竞争细菌的抑制显著增强，大大减少了氧气消耗量，从而降低了曝气能耗。
附图说明
图1展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置一种具体实施方式的结构示意图；
图2展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置一种具体实施方式的SBR反应器的结构示意图；
图3展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置一种具体实施方式的恒速搅拌器和SBR反应器组合结构示意图；
图4展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置一种具体实施方式的恒速搅拌器部分结构示意图；
图5展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置一种具体实施方式的恒速搅拌器部分结构示意图；
图6展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置一种具体实施方式的恒速搅拌器部分结构示意图；
图7展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置一种具体实施方式的恒速搅拌器部分结构示意图；
图8展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置一种具体实施方式的固定架、安装套筒、波纹套筒、限位销组合结构示意图；
图9展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置一种具体实施方式的A区放大图；
图10展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法一种具体实施方式的短程硝化工艺启动与长期运行进出水中氨氮、亚硝态氮和硝态氮浓度变化图；
图11展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法一种具体实施方式的短程硝化工艺启动与长期运行亚硝酸盐积累率和氨氮去除率变化图；
图12展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法一种具体实施方式的高通量基因测序结果揭示的功能菌种间竞争机制图；
图13展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法另一种具体实施方式的短程硝化工艺启动与长期运行进出水中氨氮、亚硝态氮和硝态氮浓度变化图；
图14展示的是本发明的低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法另一种具体实施方式的短程硝化工艺启动与长期运行亚硝酸盐积累率和氨氮去除率变化图。
附图标记说明：1-进水桶，2-进水蠕动泵，3-恒速搅拌器，311-电机，312- 搅拌轴，313-桨叶，313a-竖槽，3131-顶块，3131a-通孔，3132-固定座，321- 固定架，322-安装套筒，323-波纹套筒，324-限位销，325-L型翘杆，326-打散叶，327-第一扭力弹簧，331-第一拨杆，332-刮条，333-固定销，334-限位弹簧，341-筛板，342-压板，343-第二扭力弹簧，344-第二拨杆，4-第一电磁阀， 5-出水桶，6-pH探头，7-pH控制器，8-蠕动泵，9-贮存桶，10-间歇时间控制器，11-鼓风机，12-气体流量计，13-曝气组件，131-进气嘴，132-伸缩管，133- 导向板，134-曝气头，14-SBR反应器，141-舱体，142-舱盖，1411-出水口，1421- 进水口，1422-第二电磁阀，1423-pH调节口，1424-第三电磁阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步地进行说明。
实施例1
采用如图1所示的SBR反应器14，SBR反应器14有效容积为4L，交换比为 50％；接种污泥为本地污水厂二沉池的剩余污泥，接种后SBR反应器14内悬浮污泥浓度为2000-2500mg/L；使用进水蠕动泵2将进水桶1中氨盐浓度150 mgN/L，磷酸盐浓度为150mgC/L，碳酸氢盐浓度为0.87mgP/L的氨氮废水抽入 SBR反应器14中；开启恒速搅拌器以转速为130r/min进行搅拌，实现活性污泥与水搅拌后均匀混合；SBR反应器14共运行50天，分为启动阶段0-3天和长期运行阶段4-50天；通过pH控制系统向SBR反应器14内投放30g/L的NaOH溶液，调节SBR反应器14内pH值为8.9±0.3；再通过间歇曝气系统以曝气速率为0.2mL/min曝气方式为每间隔30分钟向SBR反应器14内曝气30分钟；启动和运行阶段SBR反应器14处于室温下，温度范围为17-20℃。
低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置运行原理如下：
使用时，先开启舱盖142，将接种污泥加入舱体141中，然后关闭舱盖142，将进水口1421使用管道与蠕动泵8的出液口相连，将pH调节口1423与进水蠕动泵的出水口使用管道相连，将出水口1411与出水管相连，将进气嘴131与气泵相连，准备完毕后启动电机311，转动的电机311带动搅拌轴312旋转，然后通过搅拌轴312带动桨叶313转动，在桨叶313转动的过程中会不断地铲搅沉积于舱体141底部的接种污泥，使接种污泥沿着桨叶313的上表面由下而上移动，然后从桨叶313的最高处掉落回舱体141底部，如此不断重复，使沉积的接种污泥翻腾，在这一过程中通过第三电磁阀1424和第二电磁阀1422控制液体注入舱体141中，维持舱体141中的PH值稳定，保证接种污泥与废水能充分接触混合；
在桨叶313搅动接种污泥的同时，不断向进气嘴131通入空气，从进气嘴131进入的空气通过伸缩管132，最终抵达曝气头134并从曝气头134涌出，对泥水进行曝气处理，曝气产生的部分气泡上浮，与伸缩管132外表面、曝气头 134上方的导向板133相接触后，通过导向板133下部朝向舱体141的中心方向弯曲的曲面，将气泡向着舱体141中部引导，使舱体141中部的接种污泥也能充分接受曝气处理；
固定架321对搅拌轴312具有稳定支撑的作用，保证搅拌轴312稳定转动；固定架321下部连接的安装套筒322作为连接件，为限位销324和L型翘杆325 提供固定点，第一扭力弹簧327此时处于释放弹力的状态，具有推动L型翘杆 325和打散叶326转动的趋势，又因为限位销324对L型翘杆325产生阻挡，最终第一扭力弹簧327对L型翘杆325的推力与限位销324对L型翘杆325的阻力达到平衡，使L型翘杆325和打散叶326保持一个水平的状态；当顶块3131 随着313的转动，使顶块3131的顶部与L型翘杆325的弯弧部相接触时，顶块 3131会推动L型翘杆325的弯弧部向上偏转，对应的打散叶326则向下偏转，并且此时打散叶326下方正好是被桨叶313推挤上来的接种污泥团块，向下偏摆的打散叶326会将与之相接触的部分接种污泥从主体中打断分离出来，形成体积更小的条状接种污泥并向下拍压，通过打散叶326的拍压分离，扩大了接种污泥与泥水的接触面积，强化了接种污泥的处理效果；当顶块3131随着旋转与L型翘杆325的弯弧部脱离接触后，第一扭力弹簧327会释放弹力，推动L型翘杆325和打散叶326恢复到平衡状态；因为顶块3131和L型翘杆325均设置有四组，均为每九十度设置一组，所以每当顶块3131转动过九十度后就与触发一次L型翘杆325和打散叶326的偏转，强化了接种污泥的处理效果；
在打散叶326进行拍压将部分接种污泥从接种污泥主体上分离出来形成更小的条状接种污泥后，条状接种污泥会直接掉落到筛板341上，然后在筛板341 的携带下，向着第二拨杆344靠近；随着桨叶313的转动，第二拨杆344穿过竖槽313a然后与压板342接触，固定的第二拨杆344迫使压板342绕着其与筛板341相连的转轴、向着筛板341转动，同时转动的压板342会扭曲第二扭力弹簧343使其获得弹性势能，最终压板342与筛板341相接触，压板342将掉落在筛板341表面的条状接种污泥挤压使污泥穿过筛板341，穿过筛板341的污泥被进一步分散，进一步与污水相接触，因此也进一步被处理，提高了接种污泥的处理效果；随着桨叶313的转动，第二拨杆344与压板342从接触状态分离，第二扭力弹簧343释放弹性势能使压板342复位；
固定在桨叶313表面的固定座3132支撑着固定销333，固定销333侧部设置的限位弹簧334一直处于被压缩的状态，因此限位弹簧334一直处于对固定销333释放弹性势能的状态，即限位弹簧334一直处于推动固定销333向着波纹套筒323的状态，进而通过固定销333推动刮条332向着波纹套筒323，进而通过刮条332推动第一拨杆331向着波纹套筒323，最终结果是使第一拨杆331 持续保持与波纹套筒323相接触的状态，又因为波纹套筒323侧面间隔设置有凹槽，所以随着第一拨杆331的转动，第一拨杆331会交替与凹槽和非凹槽区接触，致使第一拨杆331的“向着舱体141中心”与“远离舱体141中心”这两个运动状态交替出现，，最终结果使刮条332以及其下方设置的弧形件做同样的往复运动，刮条332底部的弧形件与舱体141底面相接触，就会对舱体141 底面进行剐蹭，因为桨叶313在搅动接种污泥的过程中，桨叶313底部并不能完全与舱体141底面相接触，二者之间存在间隙，处在这个间隙中的接种污泥无法被桨叶313搅动，无法充分被处理，所以通过刮条332底部的弧形件就能对这部分接种污泥进行补充处理，达到对接种污泥充分处理的效果。
测定指标分析：
在进水和出水样品经定性分析滤纸过滤后进行测定；NH4+-N、NO2--N和 NO3 --N的浓度测试都是按照中国环境保护总局编制的《水和废水检测分析方法》(第四版)的标准方法进行；其中NH4 +-N定量检测采用纳氏试剂分光光度法；NO2 --N定量检测采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；NO3 --N定量检测采用氨基磺酸紫外分光光度法；分别在第3、6、9和50天从SBR反应器14内取得污泥样品，并进行高通量测序和微生物群落分析，亚硝酸盐积累率和氨氮去除率等效能参数的计算公式如下：
NAR＝NO2 - EFF/(NO2 - EFF+NO3 - EFF)
ANR＝(NH4 + INF-NH4 + EFF)/NH4 + INF
式中，NAR为亚硝酸盐积累率，％；NO2 - EFF为出水亚硝态氮浓度，mgN/L； NO3 - EFF为出水硝态氮浓度，mgN/L；ANR为氨氮去除率，％；NH4 + INF为进水氨氮浓度，mgN/L；NH4 + EFF为出水氨氮浓度，mgN/L。
如图2和图3所示，第3天亚硝酸盐积累率达到95.79％，其超过90％表明本发明提出的方法下3天内实现了短程硝化工艺的启动成功；第3-50天的平均亚硝酸盐积累率为96.73±2.10％，证实本发明提出的方法能够长期稳定的实现亚硝酸盐的高效转化。
高通量测序的结果揭示，如图4所示，第0、3、6和9天的从毛单胞菌属丰度分别为0.01％、13.27％、6.43％和2.71％；第0、3、6和9天的亚硝化单胞菌属丰度分别为0.08％、1.28％、14.91％和29.09％。这证实了本发明提出的方法利用种间竞争机制实现了亚硝化单胞菌属的快速富集。
实施例2
采用如图1所示的SBR反应器14，SBR反应器14有效容积为4L，交换比为 50％；接种污泥为本地污水厂二沉池的剩余污泥，接种后SBR反应器14内悬浮污泥浓度为2000-2500mg/L；使用进水蠕动泵2将进水桶1中氨盐浓度50mgN/L，磷酸盐浓度为50mgC/L，碳酸氢盐浓度为0.87mgP/L的氨氮废水抽入SBR反应器14中；开启恒速搅拌器以转速为130r/min进行搅拌，实现活性污泥与水搅拌后均匀混合；SBR反应器14共运行30天，分为启动阶段0-3天和长期运行阶段4-30天；通过pH控制系统向SBR反应器14内投放10g/L的NaOH溶液，调节SBR反应器14内pH值为8.9±0.3；再通过间歇曝气系统以曝气速率为0.07 mL/min曝气方式为每间隔30分钟向SBR反应器14内曝气30分钟；启动和运行阶段SBR反应器14处于室温下，温度范围为14-20℃
低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的装置采用与实施例1相同的运行方式。
采用与实施例1相同的测定指标分析方法,分别在第3、6、9和30天从SBR 反应器14内取得污泥样品，并进行高通量测序和微生物群落分析。
如图5和图6所示，第6天亚硝酸盐积累率达到92.28％，其超过90％表明本发明提出的方法下6天内实现了短程硝化工艺的启动成功；第6-30天的平均亚硝酸盐积累率为94.78±2.13％，证实本发明提出的方法能够长期稳定的实现亚硝酸盐的高效转化。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (1)
1.一种低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
启动阶段：
步骤1：接种；在14～34℃下，向SBR反应器（14）内接种带有异养硝化细菌和功能菌两种菌种的活性污泥；
步骤2：进水；使用进水蠕动泵（2）将进水桶（1）中的氨氮浓度低于150 mg/L的氨氮废水抽入SBR反应器（14）中；
步骤3：搅拌；开启恒速搅拌器（3）实现活性污泥与水搅拌后均匀混合；
步骤4：控制pH；通过pH控制系统向SBR反应器（14）内投放NaOH溶液，将SBR反应器（14）内pH值保持在8.7～9.2，并通过pH探头（6）持续监测；
步骤5：曝气；开启间歇曝气系统曝气并根据进水氨氮浓度平均值、SBR反应器（14）有效容积和曝气系数选定曝气速率，进行SBR反应器（14）中有氧或缺氧环境的循环切换；
步骤6：静置；运行2～11h后关闭恒速搅拌器（3）、pH控制系统和间歇曝气系统并静置30min；
步骤7：排水；打开第一电磁阀（4）将SBR反应器（14）内的净值沉淀后的上层溶液排放40%～60%至出水桶（5）；
步骤8：循环：排水完成后开始下一周期，重复步骤2～8的工作，运行3～6天；
步骤9：完成启动；SBR反应器（14）内的亚硝酸盐积累率达到90%，表明短程硝化工艺成功启动；
运行阶段：重复启动阶段步骤2～8的工作，长期运行；
在步骤1中，所述异养硝化细菌为从毛单胞菌属，所述功能菌为亚硝化单胞菌属；
在步骤1中，所述接种的活性污泥静沉30min后体积不超过SBR反应器（14）有效容积的5%，所述SBR反应器（14）的体积交换比为50%；
所述SBR反应器（14）包括有舱体（141）、舱盖（142）、出水口（1411）、进水口（1421）、第二电磁阀（1422）、pH调节口（1423）和第三电磁阀（1424）；所述舱体（141）上端扣合有舱盖（142），所述舱体（141）表面开设有出水口（1411），所述出水口（1411）与出水桶（5）导通，所述出水口（1411）处安装有电磁阀（4），所述舱盖（142）上开设有进水口（1421），所述进水口（1421）处安装有第二电磁阀（1422），所述舱盖（142）上开设有pH调节口（1423），所述pH调节口（1423）处安装有第三电磁阀（1424）；
在步骤2中，所述进水水质控制在氨盐浓度为0～150 mgN/L，碳酸氢盐浓度为0～150mgC/L，磷酸盐浓度为0～0.87 mgP/L，碳氮比为1，磷氮比为1/172；在步骤4中，所述NaOH溶液浓度为10～30 g/L，所述NaOH溶液投加速率为2.4 mL/min；
在步骤3中，所述恒速搅拌器（3）采用转速为130r/min；
所述恒速搅拌器（3）包括有电机（311）、搅拌轴（312）和桨叶（313）；所述舱盖（142）上固定有电机（311），所述电机（311）与搅拌轴（312）一端连接，所述搅拌轴（312）穿过舱盖（142），所述搅拌轴（312）另一端与桨叶（313）固接；
所述恒速搅拌器（3）还包括有顶块（3131），固定架（321）、安装套筒（322）、限位销（324）、L型翘杆（325）、打散叶（326）和第一扭力弹簧（327）；所述桨叶（313）设置有顶块（3131），所述搅拌轴（312）外表面套有安装套筒（322），所述固定架（321）固定于舱体（141）内壁；所述固定架（321）与安装套筒（322）固接，所述安装套筒（322）表面设置有多组限位销（324），所述限位销（324）所在表面转动连接有L型翘杆（325），所述L型翘杆（325）与打散叶（326）固接，所述L型翘杆（325）与限位销（324）连接处设置有限制L型翘杆（325）运动的第一扭力弹簧（327），所述L型翘杆（325）一端可与顶块（3131）接触；
在步骤5中，所述曝气速率经验计算公式为：Q=0.34×Vc×N4；式中，Q为曝气速率，mL/min；Vc为SBR反应器（14）有效容积，m3；N4为进水氨氮平均浓度，mg/L；所述曝气系数为0.334 mL/min/g，所述步骤5中间歇曝气方式为每间隔30分钟向SBR反应器（14）内以恒定曝气速率曝气30分钟；
所述低温低氨氮废水快速启动和稳定运行短程硝化的方法所采用的装置包括有进水桶（1）、进水蠕动泵（2）、恒速搅拌器（3）、第一电磁阀（4）、出水桶（5）、pH控制系统，间歇曝气系统和SBR反应器（14）；所述进水桶（1）与进水蠕动泵（2）管道导通，所述进水蠕动泵（2）出水口连接管道插入SBR反应器（14）内，所述SBR反应器（14）内安装有恒速搅拌器（3），所述SBR反应器（14）与用以控制SBR反应器（14）内pH的pH控制系统管道连通，所述SBR反应器（14）与用以控制曝气流量的间歇曝气系统导通；
所述pH控制系统包括有pH探头（6）、pH控制器（7）、蠕动泵（8）和贮存桶（9）；所述pH控制器（7）与安装于SBR反应器（14）下部且低于出水后最低水位用以实时检测SBR反应器（14）内pH值的pH探头（6）电连接，所述pH控制器（7）与蠕动泵（8）电连接，所述蠕动泵（8）进液口与盛放NaOH溶液用以调节SBR反应器（14）内pH的贮存桶（9）管道连接，所述蠕动泵（8）出液口通过管道置于SBR反应器（14）内；
所述间歇曝气系统包括有间歇时间控制器（10）、鼓风机（11）、气体流量计（12）和曝气组件（13）；所述间歇时间控制器（10）与用以将外部气体鼓入SBR反应器（14）内的鼓风机（11）电连接，所述鼓风机（11）排气口与用以控制曝气量的气体流量计（12）进气口管道导通，所述气体流量计（12）出气口与用以促进气液混合和液体循环流动的曝气组件（13）管道导通，所述曝气组件（13）置于SBR反应器（14）内；
所述曝气组件（13）包括有进气嘴（131）、伸缩管（132）、导向板（133）和曝气头（134）；所述进气嘴与控制曝气量的气体流量计（12）管道导通，所述进气嘴（131）贯穿SBR反应器（14）并将空气导入SBR反应器（14）内，所述进气嘴（131）与伸缩管（132）导通，所述伸缩管（132）外表面套有改变曝气走向的导向板（133），所述伸缩管（132）末端与曝气头（134）管道导通；
所述恒速搅拌器（3）还包括有波纹套筒（323）、第一拨杆（331）、刮条（332）、固定销（333）、限位弹簧（334）、通孔（3131a）和固定座（3132）；所述桨叶（313）叶背处设置有固定座（3132），所述安装套筒（322）下方与被搅拌轴（312）贯穿的波纹套筒（323）固接，所述固定座（3132）上设置有固定销（333），所述固定销（333）外表面设置有限制固定销（333）位置的限位弹簧（334），所述固定销与翻动舱体（141）内底面污泥的刮条（332）固接，所述刮条（332）与第一拨杆（331）一端固接，所述第一拨杆（331）另一端穿过顶块（3131）开设的通孔（3131a），所述第一拨杆（331）与波纹套筒（323）持续接触；
所述恒速搅拌器（3）还包括有竖槽（313a），筛板（341）、压板（342）、第二扭力弹簧（343）和第二拨杆（344）；所述桨叶（313）靠近舱体（141）处开设有竖槽（313a），所述舱体（141）内壁设置有可穿过桨叶（313）的第二拨杆（344），所述桨叶（313）叶背处固接有筛板（341），所述筛板（341）与压板（342）转动连接，所述筛板（341）与压板（342）的连接转轴处设置有使压板（342）贴近桨叶（313）叶背的第二扭力弹簧（343），所述第二拨杆（344）可与压板（342）接触。
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