CN115677031A - 一种用于一体式pn/a工艺中抑制硝态氮生成的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统及方法，该系统结合方法能够有效解决现有技术中在一体式部分硝化启动过程中NOB菌无法得到抑制，导致系统中生成大量NO3 ‑‑N的技术问题。当待处理废水浓度在250mg/L‑800mg/L，介体NQS添加浓度为200μmol/L，进水pH控制在7.6‑8.6，利用恒温水浴箱控制反应器内温度在7‑25℃，曝气量AR控制在0.4‑0.7L/min，HRT＝24，可以使得氧化还原介体对厌氧氨氧化菌的肼脱氢酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶在不同温度下的活性有不同程度提高，均能达到对一体式部分硝化过程中的亚硝态氮积累进行促进的效果。
Description
技术领域
本发明属于环境工程领域，涉及一体式PN/A工艺技术，尤其是一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统及方法。
背景技术
随着我国石油、化工、食品、制药、养殖业、农业等行业的发展，在原煤高温干馏等过程中产生的焦化废水、洗涤冷却过程中产生的煤气废水、味精废水、垃圾渗滤液中均产生大量含氮化合物。含氮化合物引起了水体富营养化、耗氧物质危害、NO2 --N和NO3 --N的危害等。
一体式部分硝化-厌氧氨氧化工艺(Partial ammonium oxidation-Anammox，PN/A)是将部分硝化工艺与厌氧氨氧化工艺联合的新型脱氮工艺。首先部分硝化过程在曝气条件下将废水中50％的氨氮转化为亚硝态氮，为Anammox工艺解决了NO2 --N的来源。厌氧氨氧化工艺利用部分硝化生成的亚硝态氮与剩余氨氮结合生成氮气，在同一反应器内实现亚硝态氮的积累和废水中氮的去除。
PN/A过程中的部分硝化过程可以实现NH4 +-N的最短途径转化，而厌氧氨氧化过程则解决了传统反硝化过程需要外加有机碳源的缺点。一体式PN/A工艺将部分硝化和厌氧氨氧化两种工艺放在同一反应器内，可以节省占地面积而且能够实现资源和能源消耗的最小化。
一体式PN/A工艺也同样存在不足，主要有：1、不同菌种在同一反应器中无法稳定存在。部分硝化过程中AOB菌属于好氧菌，在将NH4 +-N转化为NO2 --N过程中需要消耗氧气，而厌氧氨氧化菌属于厌氧菌，无法在好氧环境下生存；2、厌氧氨氧化菌生长周期慢，受温度及溶解氧变化影响大。3、系统中曝气量难以控制，NOB菌将NO2 --N大量转化为NO3 --N，导致一体式PN/A工艺启动困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统及方法，系统结合方法能够有效解决现有技术中在一体式部分硝化启动过程中NOB菌无法得到抑制，导致系统中生成大量NO3 --N的技术问题。尤其是该方法在不同温度和环境下都可取得较高的亚硝态氮积累率。在合适的曝气条件下，使用本方法可以使得氧化还原介体对厌氧氨氧化菌的肼脱氢酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶在不同温度下的活性有不同程度提高，均能达到对一体式部分硝化过程中的亚硝态氮积累进行促进的效果。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统及方法，具体方法包括：向反应器中加入氧化还原介体1,2-萘醌-4-磺酸来实现对系统中NOB菌的抑制，从而减小系统中NO3 --N的生成，待处理废水浓度在250mg/L-800mg/L，介体NQS添加浓度为200μmol/L。
反应器运行期间，利用蠕动泵控制反应器内进出水，进出水方式采用连续进水间歇出水，进水pH控制在7.6-8.6，利用恒温水浴箱控制反应器内温度在7-25℃，曝气量AR控制在0.4-0.7L/min，HRT＝24。
上述反应在一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统中进行，该系统包括反应器，该反应器下端设置进水口，上端设置出水口，进水口连接进水箱，进水泵和出水泵实现反应器的进水和出水功能，在所述反应器的上部插装有曝气管，该曝气管与空气泵连接，在反应器的一侧安装有循环蠕动泵以实现反应水的循环处理。
在所述的空气泵与曝气管之间设置有以控制曝气量的湿式流量计，在反应器的内壁设置有水浴隔层，该水浴隔层与恒温水浴箱连接，以实现为反应器提供恒温反应环境，在所述反应器的一侧设置有取样口。
在所述反应器的出水口端设置有出水膜组件，出水膜组件的材质为PVDF中空纤维U型微滤膜，膜孔径为0.22μm，膜有效表面积0.1m2，膜通量为30L/m2·h。
本发明的优点和积极效果是：
本发明设计科学合理，提供了一种在PN/A启动时能够对NOB菌进行有效抑制减小NO3 --N生成的系统及方法，在启动一体式部分硝化时投加氧化还原介体NQS(1,2-萘醌-4-磺酸)可以有效抑制NOB，实现N02 --N的积累，从而实现一体式部分硝化的快速启动。本发明的方法在低温下同样能够保持一体式部分硝化NO2 --N的积累，在温度为7±2℃时，系统中亚硝态氮积累率仍能保持在87％-91％。
附图说明
图1为本发明抑制硝态氮生成系统结构示意图；
图2为本发明实施例实验1#反应器常温下出水氮化合物浓度变化结果图；
图3为本发明实施例实验2#反应器常温下出水氮化合物浓度变化结果图；
图4为本发明实施例实验1#、2#反应器室温下出水硝态氮浓度对比结果图；
图5为本发明实施例实验1#反应器室温下出水氮化合物浓度对比结果图；
图6为本发明实施例实验2#反应器室温下出水氮化合物浓度对比结果图；
图7为本发明实施例实验1#、2#反应器低温下NO2 -—N/NH4 +—N比值对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
本发明提供一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统，包括反应器10，该反应器下端设置进水口，上端设置出水口，进水口连接进水箱8，进水泵(图中未示出)和出水泵1实现反应器的进水和出水功能。在所述反应器的上部插装有曝气管3，该曝气管与空气泵5连接，并设置有湿式流量计4，以控制曝气量。在反应器的一侧安装有循环蠕动泵7以实现反应水的循环处理，在反应器的内壁设置有水浴隔层9，该水浴隔层与恒温水浴箱11连接，以实现为反应器提供恒温反应环境。在所述反应器的一侧设置有取样口6，用于对反应液取样并检测处理效果。在所述反应器的出水口端设置有出水膜组件2。
反应器材质为有机玻璃，有效体积6L，高径比8：1。反应器表面包裹黑色保温棉，以减少与外界温度交换，保证反应器内部的低温状态。反应器的取样口端用有机玻璃将其与外界连接，套上塑胶软管并用止水夹止水，需要取样时取走止水夹取样。出水膜组件的材质为PVDF中空纤维U型微滤膜，膜孔径为0.22μm，膜有效表面积0.1m2，膜通量为30L/(m2·h)。
系统各组件之间用不同管径的塑胶软管连接，在需要变管径的地方使用变径的直通管连接，并用不锈钢箍喉保证其水密性。进水箱中待处理的废液从反应器的进水口进入，在反应器中反应后，在反应器的顶部部分经过出水膜组件过滤后从出水口流出，部分经循环蠕动泵回流到反应器内进行循环反应处理。
利用上述系统进行抑制硝态氮生成的方法，具体方法包括：向反应器中加入氧化还原介体NQS(1,2-萘醌-4-磺酸)来实现对系统中NOB菌的抑制，从而减小系统中NO3 --N的生成，反应器运行期间，利用蠕动泵控制反应器内进出水，进出水方式采用连续进水间歇出水(开8min停2min)，进水pH控制在7.6-8.6，运行期间不对反应器内pH进行调节，且启动与运行期间反应器不排泥，利用恒温水浴箱控制反应器内温度在7-25℃，曝气量AR控制在0.4-0.7L/min，HRT＝24，待处理废水浓度在250mg/L-800mg/L，介体NQS添加浓度为200μmol/L。
为实现及验证本发明的方法，在不同温度下进行对照实验，进水采用人工废水，人工废水中的氨氮由NH4Cl提供、磷源由KH2PO4、Na2HPO4提供，NaHCO3提供无机碳源并控制进水pH。HCO3 -与NH4 +摩尔比为2:1。一体式处理的氨氮废水组成如下表1：
表1：一体式人工废水组成
首先，在室温下逐步提升反应器脱氮能力，使反应器中亚硝态氮积累率达到80％以上。在1#反应器内投加介体NQS，2#反应器内不投加作为空白对照，1#、2#反应器进水氨氮浓度保持在800mg/L，HRT＝24h，ALR＝0.80gN/(L·d)，进水pH＝7.8-8.5。
1#反应器中投加介体NQS，浓度为200μmol/L。AR在前8天保持在0.45L/min，在第9天，增大至0.6L/min。根据AR的变化，从图2中可以看出，在前8天AR不做改变时，出水亚硝态氮浓度始终保持在340mg/L-450mg/L，而出水氨氮浓度始终高于出水亚硝态氮。在第9天，当AR增大至0.6L/min后，氨氮浓度逐渐下降，亚硝态氮浓度逐渐上升，出水亚硝态氮浓度逐渐大于出水氨氮浓度。
2#反应器中不投加介体。由图3可知，当AR保持在0.5/min时，2#反应器出水氨氮呈波动下降趋势，并逐渐稳定在450mg/L，亚硝态氮逐渐上升。在第9天，调整AR至0.6L/min后，出水亚硝态氮逐渐升高至480mg/L。
如图4所示，出水硝态氮浓度对比中发现，1#反应器保持在10-30mg/L，2#反应器保持在30-45mg/L，1#反应器略低于2#反应器。因此根据实验结果，介体NQS对于硝态氮的生成具有一定的抑制作用。在1#反应器曝气量及DO高于2#反应器的条件下，1#反应器内硝态氮浓度低于2#反应器，也说明介体NQS对于NOB菌的抑制效果比AOB菌更明显。
其次，在低温环境中，保持进水氨氮浓度为800mg/L，1#反应器投加介体200μmol/L，2#反应器不投加介体。两反应器AR控制在0.8-1.2L/min，DO保持在0.5-4.0mg/L。如图5所示，1#反应器整体低温运行阶段中，在反应器内温度从室温降低至15±2℃一周后，出水氨氮浓度迅速上升，最终稳定在300-450mg/L，出水亚硝态氮浓度迅速降为96.9mg/L，在系统稳定后亚硝态氮浓度逐渐上升至360mg/L。进一步降低至10±2℃后，出水氨氮浓度有所减小，亚硝态氮浓度增加，说明降温至10±2℃，AOB活性未受低温影响。在7±2℃时反应器内亚硝态氮浓度减小，与10±2℃相比，出水亚硝态氮由10±2℃稳定时的355.59mg/L减小至254.8mg/L，反应器内AOB菌受到抑制。出水硝态氮浓度在整体降温过程中呈现小幅上升趋势。
从2#反应器整体在低温下的运行状态来看，如图6所示，水温从室温降至15±2℃一周后，出水亚硝态氮浓度迅速下降，出水氨氮浓度先呈现下降趋势后逐渐上升并趋于稳定，最终，出水氨氮浓度稳定在400-420mg/L，出水亚硝态氮稳定在300-320mg/L，出水硝态氮浓度始终稳定在40±5mg/L。
1#、2#反应器在低温下均实现稳定运行，如图7所示，1#出水NO2 --N/NH4 +-N比值保持在0.8-1.0之间，2#出水NO2 --N/NH4 +-N比值保持在范围内0.8-1.2之间，由于在室温内投加介体环境中，未加介体反应器(2#)出水NO2 --N/NH4 +-N比值明显大于投加介体反应器(1#)，而温度降低后，1#和2#反应器出水NO2 --N/NH4 +-N比值无明显差异，因此，介体投加对于温度降低后AOB菌的氨氮转化能力具有一定促进作用。
通过在室温和低温下的实验结果得知：在不同温度环境中，通过在进水中投加氧化还原介体，均能够达到对一体式部分硝化中亚硝态氮积累的促进作用，亚硝态氮的积累率均能达到80％-90％。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例所公开的内容。
Claims (10)
1.一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统，其特征在于：包括反应器(10)，该反应器下端设置进水口，上端设置出水口，进水口连接进水箱(8)，进水泵和出水泵(1)实现反应器的进水和出水功能，在所述反应器的上部插装有曝气管(3)，该曝气管与空气泵(5)连接，在反应器的一侧安装有循环蠕动泵(7)以实现反应水的循环处理。
2.根据权利要求1所述的一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统，其特征在于：在所述的空气泵与曝气管之间设置有以控制曝气量的湿式流量计(4)。
3.根据权利要求1所述的一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统，其特征在于：在反应器的内壁设置有水浴隔层(9)，该水浴隔层与恒温水浴箱(11)连接，以实现为反应器提供恒温反应环境。
4.根据权利要求1所述的一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统，其特征在于：在所述反应器的一侧设置有取样口(6)。
5.根据权利要求1所述的一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统，其特征在于：在所述反应器的出水口端设置有出水膜组件(2)。
6.根据权利要求5所述的一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统，其特征在于：出水膜组件的材质为PVDF中空纤维U型微滤膜，膜孔径为0.22μm，膜有效表面积0.1m2，膜通量为30L/m2·h。
7.一种利用如权利要求1所述的系统用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的方法，其特征在于：方法包括：向反应器中加入氧化还原介体1,2-萘醌-4-磺酸来实现对系统中NOB菌的抑制，从而减小系统中NO3 --N的生成。
8.根据权利要求7所述的一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统，其特征在于：反应器运行期间，利用蠕动泵控制反应器内进出水，进出水方式采用连续进水间歇出水，进水pH控制在7.6-8.6，利用恒温水浴箱控制反应器内温度在7-25℃，曝气量AR控制在0.4-0.7L/min，HRT＝24。
9.根据权利要求7所述的一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统，其特征在于：待处理废水浓度在250mg/L-800mg/L，介体NQS添加浓度为200μmol/L。
10.根据权利要求7所述的一种用于一体式PN/A工艺中抑制硝态氮生成的系统，其特征在于：进出水方式采用连续进水间歇出水，具体为开8min停2min，运行期间不对反应器内pH进行调节，且启动与运行期间反应器不排泥。
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