CN116102163A - 一种在短程反硝化颗粒中富集厌氧氨氧化菌强化生活污水脱氮的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种在短程反硝化颗粒中富集厌氧氨氧化菌强化生活污水脱氮的装置与方法，属于污水污泥生物处理领域。所述装置包括：硝酸盐废水储存箱、生活污水储存箱、序批式反应器、出水箱。所述方法包括以下步骤：硝酸盐废水和生活污水进入序批式反应器，反硝化菌利用生活污水中的有机物将硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮，亚硝酸盐氮与生活污水中的氨氮在反应器中的长期存在为厌氧氨氧化菌提供充足底物，通过较短沉淀时间实现颗粒污泥的快速形成，为厌氧氨氧化菌提供适宜的生长环境，促使厌氧氨氧化菌在短程反硝化颗粒污泥中的原位富集，最终实现生活污水的深度脱氮。本发明操作方便，控制简单，能够大大降低费用，可广泛应用于生物脱氮技术领域中。
Description
技术领域
本发明涉及了一种在短程反硝化颗粒中富集厌氧氨氧化菌强化生活污水脱氮的装置与方法，属于污水生物处理技术领域，适用于在短程反硝化过程中富集厌氧氨氧化菌并最终实现硝酸盐废水和生活污水的深度脱氮，具有节能降耗的特点。
背景技术
厌氧氨氧化技术是指厌氧氨氧化菌将氨氮和亚硝酸盐氮转化为氮气和少量硝酸盐氮，该技术因其无需曝气、无需有机碳源、污泥产量低等特点，成为了备受关注的低能耗、高效率的自养脱氮技术之一。阻碍厌氧氨氧化技术大规模应用的难点主要有两个：一是传统的硝化/反硝化生物脱氮工艺和近年来发展迅速的短程硝化工艺无法为厌氧氨氧化过程提供稳定的亚硝酸盐氮基质；二是厌氧氨氧化菌生长缓慢，细胞产率低，世代周期长，在实际脱氮工艺中较难富集，且异位富集成功的厌氧氨氧化菌投入实际脱氮工艺中后其活性易受环境影响而有所损失。
短程反硝化是指将硝酸盐氮的还原过程控制到以亚硝酸盐氮为终产物的阶段。在本课题组的前期试验中，通过选用易降解碳源和调控运行参数的方法实现了稳定的短程反硝化过程，其中硝酸盐氮到亚硝酸盐氮的转化率>70％。颗粒污泥是在一定外在环境因素的诱导下通过细胞之间的自固定而形成的质地紧密、外形规则的微生物聚集体。相比于絮体污泥，颗粒污泥具有良好的沉降性能，能够有效持留大量微生物，容积去除负荷高，耐冲击性强。同时，颗粒污泥可以营造良好的缺氧微环境，为厌氧氨氧化在其内部的富集和生长提供适宜条件。目前，关于颗粒污泥的相关研究主要集中在好氧颗粒污泥和厌氧颗粒污泥，而对缺氧短程反硝化污泥的形成、特性及污染物去除效果研究甚少，且少有关于厌氧氨氧化菌在颗粒内部原位富集的相关研究。
本方法采用较短的沉淀时间排除絮体污泥，加快短程反硝化颗粒的形成，为厌氧氨氧化菌的原位富集提供适宜的缺氧微环境；利用硝酸盐废水和生物污水作为序批式SBR反应器的进水，以生活污水中有机物为碳源的短程反硝化过程能够将硝酸盐废水中的硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮，亚硝酸盐氮与生活污水中的氨氮可为厌氧氨氧化菌的原位富集提供良好基质条件。成功富集厌氧氨氧化菌的颗粒污泥可以实现对硝酸盐废水和生活污水的同步处理，由厌氧氨氧化过程产生的少量的硝酸盐氮可继续通过短程反硝化过程转化为亚硝态氮为厌氧氨氧化菌提供基质，避免了传统厌氧氨氧化工艺出水硝酸盐氮浓度过高的问题。该工艺控制简单，无需曝气，减少外碳源消耗量，脱氮效率和稳定性高，在生活污水深度脱氮方面具有重要优势。
发明内容
本发明提出了一种在短程反硝化颗粒中富集厌氧氨氧化菌强化生活污水脱氮的装置与方法，具体是将短程反硝化污泥接种至序批式反应器，利用生活污水中的有机碳源将硝酸盐废水中的硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮，为厌氧氨氧化菌提供充足的底物基质，再通过较短沉淀时间实现颗粒污泥的快速形成，为厌氧氨氧化菌提供适宜的生长环境，促使厌氧氨氧化菌在短程反硝化颗粒污泥中的原位富集，最终实现生活污水的深度脱氮。
为了实现上述目的，本发明提供了在短程反硝化颗粒中富集厌氧氨氧化菌强化生活污水脱氮的装置，装置包括：硝酸盐废水储存箱(1)、生活污水储存箱(2)、序批式反应器(3)、出水箱(4)；硝酸盐废水储存箱(1)通过第一蠕动泵(1.1)与序批式SBR反应器(3)第一进水口(3.1)连接，生活污水储存箱(2)通过第二蠕动泵(2.1)与序批式反应器(3)第二进水口(3.2)连接，出水箱(4)通过排水阀(3.6)与序批式反应器(3)第一排水口(3.3)连接，pH在线测定仪(3.7)与在线参数测定仪主机(3.9)相连。
所述序批式反应器(3)设有第一进水口(3.1)、第二进水口(3.2)、第一排水口(3.3)、取样口(3.4)、搅拌器(3.5)、pH在线测定仪(3.7)、加热装置(3.8)；另外，设置与计算机(6)相连的过程控制器(5)，用以控制第一蠕动泵(1.1)、第二蠕动泵(2.1)、搅拌器(3.5)、排水阀(3.6)、加热装置(3.8)。过程控制器(5)与计算机(6)为自动控制系统。
其特征在于，包括以下步骤：
短程反硝化颗粒的形成：接种短程反硝化污泥，其硝酸盐转化为亚硝酸盐的转化率大于70％，接种后反应器内污泥浓度为2000-5000mgN/L。生活污水中氨氮质量浓度为50-90mgN/L，有机物质量浓度为150-250mgCOD/L，硝酸盐废水中硝酸盐氮质量浓度为50-150mgN/L，控制硝酸盐废水中的硝酸盐氮和生活污水中的氨氮质量浓度比为1.0-2.0。反应器运行包括进水、搅拌、沉淀、排水、闲置五个过程。进水时，生活污水与硝酸盐废水分别通过第一蠕动泵与第二蠕动泵进入序批式反应器，进水时间控制在5-10min，搅拌时搅拌器开启，污泥利用生活污水中的碳源作为电子供体实现短程反硝化过程，将硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮，搅拌时间控制在30-120min，沉淀时间控制在5-25min，排水时排水阀开启，排水比为40％-60％，排水时间控制在5-10min，闲置时间控制在10-120min；当出水中亚硝酸盐氮与进水中硝酸盐氮的质量浓度比>70％，且污泥粒径不小于1.0mm的颗粒污泥质量占所有污泥质量的比例>20％时，短程反硝化颗粒系统启动成功。
厌氧氨氧化菌的富集：通过向硝酸盐废水储存箱和生活污水储存箱内通入氮气的方法使反应器实现缺氧环境；开启加热装置，将反应器内水温控制在28-35℃；通过投加1mol/L HCl和1mol/L NaOH的方法控制反应器内pH在7.5-8.5范围内；调整反应器搅拌时间为60-240min，沉淀时间控制在5-25min，排水时排水阀开启，排水比为40％-60％，排水时间控制在5-10min，闲置时间控制在10-120min。当出水亚硝酸盐氮的质量浓度<5mg/L，且该系统氨氮与硝酸盐氮的去除率>70％，或利用定量PCR技术检测到厌氧氨氧化菌功能基因的拷贝数>104时，厌氧氨氧化菌的富集完成。
深度脱氮的实现：当出水中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮质量浓度均>3mg/L时，延长搅拌时间，直至出水总无机氮质量浓度<5mg/L；当出水中亚硝酸盐氮或硝酸盐氮质量浓度<1mg/L而氨氮质量浓度>5mg/L时，增加硝酸盐废水箱中硝酸盐氮的质量浓度，直至出水总无机氮质量浓度<5mg/L；当出水中氨氮质量浓度<1mg/L而亚硝酸盐氮或硝酸盐氮质量浓度>5mg/L时，通过减少硝酸盐废水箱中硝酸盐氮的质量浓度，直至出水总无机氮质量浓度<5mg/L。
以上所述步骤中蠕动泵、搅拌器、加热装置、排水阀由自动控制系统进行控制。
本发明技术原理如下：
短程反硝化菌利用生活污水中的有机碳源将硝酸盐废水中的硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮，亚硝酸盐氮与生活污水中的氨氮为厌氧氨氧化菌提供充足的底物基质，再通过较短沉淀时间实现颗粒污泥的快速形成，为厌氧氨氧化菌提供适宜的生长环境，促使厌氧氨氧化菌的原位富集和有效持留，强化生活污水的深度脱氮。
本发明涉及的在短程反硝化颗粒中富集厌氧氨氧化菌强化生活污水脱氮的装置与方法具有以下优点：
(1)短程反硝化过程与短程硝化过程相比，控制更加简单，可为厌氧氨氧化提供更加稳定的亚硝酸盐氮基质；与传统的完全反硝化相比，只将硝酸盐氮还原至亚硝酸盐氮，所需碳源少，污泥产量低，降低后续污泥处理难度和费用。
(2)将以生活污水中的有机物为碳源的短程反硝化技术用于硝酸盐废水的脱氮处理中可为厌氧氨氧化菌的原位富集提供氨氮和亚硝酸盐氮；短程反硝化颗粒可为厌氧氨氧化菌提供适宜的缺氧环境，有效持留厌氧氨氧化菌，实现水力停留时间与厌氧氨氧化污泥龄分离，提高其生物量，加速原位富集。
(3)在生活污水中原位富集的厌氧氨氧化菌相较于异位富集的厌氧氨氧化菌，在处理实际废水过程中其活性更不易受环境影响，鲁棒性更强，脱氮效率更高。
(4)与传统生物硝化/反硝化脱氮工艺相比，短程反硝化联合厌氧氨氧化过程无需曝气，碳源需求量小，可充分利用生活污水中的有机物，避免外加碳源，节省了运行成本；厌氧氨氧化产生的硝酸盐氮可被原位去除，通过控制硝酸盐废水和生活污水的进水比例及反应时间即可实现对硝酸盐废水和生活污水的同步深度处理，操作、运行简单方便，脱氮效率高、效果好。
附图说明：
图1是本发明的装置示意图。
其中：硝酸盐废水储存箱(1)、第一蠕动泵(1.1)、生活污水储存箱(2)、第二蠕动泵(2.1)、序批式反应器(3)、第一进水口(3.1)、第二进水口(3.2)、第一排水口(3.3)、取样口(3.4)、搅拌器(3.5)、排水阀(3.6)、pH在线测定仪(3.7)、加热装置(3.8)、在线参数测定仪主机(3.9)、出水箱(4)、过程控制器(5)、计算机(6)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图1为在短程反硝化颗粒中富集厌氧氨氧化菌强化生活污水脱氮的装置，其特征在于：包括硝酸盐废水储存箱(1)、生活污水储存箱(2)、序批式反应器(3)、出水箱(4)；硝酸盐废水储存箱(1)通过第一蠕动泵(1.1)与序批式反应器(3)第一进水口(3.1)连接，生活污水储存箱(2)通过第二蠕动泵(2.1)与序批式反应器(3)第二进水口(3.2)连接，出水箱(4)通过排水阀(3.6)与序批式反应器(3)第一排水口(3.3)连接，pH在线测定仪(3.7)与在线参数测定仪主机(3.9)相连。
所述序批式反应器(3)设有第一进水口(3.1)、第二进水口(3.2)、第一排水口(3.3)、取样口(3.4)、搅拌器(3.5)、pH在线测定仪(3.7)、加热装置(3.8)；另外，设置与计算机(6)相连的过程控制器(5)，用以控制第一蠕动泵(1.1)、第二蠕动泵(2.1)、搅拌器(3.5)、排水阀(3.6)、加热装置(3.8)。过程控制器(5)与计算机(6)为自动控制系统。
本实施例中序批式SBR反应器有效容积为10L。
具体操作过程如下：
短程反硝化颗粒的形成：接种短程反硝化污泥，其硝酸盐转化为亚硝酸盐的转化率大于70％，接种后反应器内污泥浓度为2000-5000mgN/L。生活污水中氨氮质量浓度为50-90mgN/L，有机物质量浓度为150-250mgCOD/L，硝酸盐废水中硝酸盐氮质量浓度为50-150mgN/L，控制硝酸盐废水中的硝酸盐氮和生活污水中的氨氮质量浓度比为1.0-2.0。反应器运行包括进水、搅拌、沉淀、排水、闲置五个过程。进水时，生活污水与硝酸盐废水分别通过第一蠕动泵与第二蠕动泵进入序批式SBR反应器，进水时间控制在5-10min，搅拌时搅拌器开启，污泥利用生活污水中的碳源作为电子供体实现短程反硝化过程，将硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮，搅拌时间控制在30-120min，沉淀时间控制在5-25min，排水时排水阀开启，排水比为40％-60％，排水时间控制在5-10min，闲置时间控制在10-120min；当出水中亚硝酸盐氮与进水中硝酸盐氮的质量浓度比>70％，且污泥粒径不小于1.0mm的颗粒污泥质量占所有污泥质量的比例>20％时，短程反硝化颗粒系统启动成功。
厌氧氨氧化菌的富集：通过向硝酸盐废水储存箱和生活污水储存箱内通入氮气的方法使反应器实现缺氧环境；开启加热装置，将反应器内水温控制在28-35℃；通过投加1mol/L HCl和1mol/L NaOH的方法控制反应器内pH在7.5-8.5范围内；调整反应器搅拌时间为60-240min，沉淀时间控制在5-25min，排水时排水阀开启，排水比为40％-60％，排水时间控制在5-10min，闲置时间控制在10-120min。当出水亚硝酸盐氮的质量浓度<5mg/L，且该系统氨氮与硝酸盐氮的去除率>70％，或利用定量PCR技术检测到厌氧氨氧化菌功能基因的拷贝数>104时，厌氧氨氧化菌的富集完成。
深度脱氮的实现：当出水中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮质量浓度均>3mg/L时，延长搅拌时间，直至出水总无机氮质量浓度<5mg/L；当出水中亚硝酸盐氮或硝酸盐氮质量浓度<1mg/L而氨氮质量浓度>5mg/L时，增加硝酸盐废水箱中硝酸盐氮的质量浓度，直至出水总无机氮质量浓度<5mg/L；当出水中氨氮质量浓度<1mg/L而亚硝酸盐氮或硝酸盐氮质量浓度>5mg/L时，通过减少硝酸盐废水箱中硝酸盐氮的质量浓度，直至出水总无机氮质量浓度<5mg/L。
以上所述步骤中蠕动泵、搅拌器、加热装置、排水阀由自动控制系统进行控制。
连续试验结果表明，以硝酸盐废水和生活污水为处理对象，运行120天，污泥粒径≥2.0mm的颗粒污泥占全部污泥质量比例达到28％，总无机氮去除率>90.7％，出水氨氮质量浓度<3mg/L，亚硝酸盐氮质量浓度<3mg/L，硝酸盐氮质量浓度<3mg/L，系统能够实现厌氧氨氧化菌的原位富集和生活污水的深度脱氮。
Claims (2)
1.在短程反硝化颗粒中富集厌氧氨氧化菌强化生物脱氮的装置，其特征在于：包括硝酸盐废水储存箱(1)、生活污水储存箱(2)、序批式反应器(3)、出水箱(4)；硝酸盐废水储存箱(1)通过第一蠕动泵(1.1)与序批式反应器(3)第一进水口(3.1)连接，生活污水储存箱(2)通过第二蠕动泵(2.1)与序批式反应器(3)第二进水口(3.2)连接，出水箱(4)通过排水阀(3.6)与序批式反应器(3)第一排水口(3.3)连接，pH在线测定仪(3.7)与在线参数测定仪主机(3.9)相连；
所述序批式反应器(3)设有第一进水口(3.1)、第二进水口(3.2)、第一排水口(3.3)、取样口(3.4)、搅拌器(3.5)、pH在线测定仪(3.7)、加热装置(3.8)；另外，设置与计算机(6)相连的过程控制器(5)，用以控制第一蠕动泵(1.1)、第二蠕动泵(2.1)、搅拌器(3.5)、排水阀(3.6)、加热装置(3.8)；过程控制器(5)与计算机(6)为自动控制系统。
2.应用权利要求1所述装置进行富集厌氧氨氧化菌强化生物脱氮的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)短程反硝化颗粒的形成：接种短程反硝化污泥，其硝酸盐转化为亚硝酸盐的转化率大于70％，接种后反应器内污泥浓度为2000-5000mgN/L；生活污水中氨氮质量浓度为50-90mgN/L，有机物质量浓度为150-250mg COD/L，硝酸盐废水中硝酸盐氮质量浓度为50-150mgN/L，控制硝酸盐废水中的硝酸盐氮和生活污水中的氨氮质量浓度比为1.0-2.0；反应器运行包括进水、搅拌、沉淀、排水、闲置五个过程；进水时，生活污水与硝酸盐废水分别通过第一蠕动泵与第二蠕动泵进入序批式SBR反应器，进水时间控制在5-10min，搅拌时搅拌器开启，污泥利用生活污水中的碳源作为电子供体实现短程反硝化过程，将硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮，搅拌时间控制在30-120min，沉淀时间控制在5-25min，排水时排水阀开启，排水比为40％-60％，排水时间控制在5-10min，闲置时间控制在10-120min；当出水中亚硝酸盐氮与进水中硝酸盐氮的质量浓度比>70％，且污泥粒径不小于1.0mm的颗粒污泥质量占所有污泥质量的比例>20％时，短程反硝化颗粒系统启动成功；
(2)厌氧氨氧化菌的富集：通过向硝酸盐废水储存箱和生活污水储存箱内通入氮气的方法使反应器实现缺氧环境；开启加热装置，将反应器内水温控制在28-35℃；通过投加1mol/L HCl和1mol/L NaOH的方法控制反应器内pH在7.5-8.5范围内；调整反应器搅拌时间为60-240min，沉淀时间控制在5-25min，排水时排水阀开启，排水比为40％-60％，排水时间控制在5-10min，闲置时间控制在10-120min；当出水亚硝酸盐氮的质量浓度<5mg/L，且氨氮与硝酸盐氮的去除率>70％，或利用定量PCR技术检测到厌氧氨氧化菌功能基因的拷贝数>104时，厌氧氨氧化菌的富集完成；
(3)深度脱氮的实现：当出水中氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮质量浓度均>3mg/L时，延长搅拌时间，直至出水总无机氮质量浓度<5mg/L；当出水中亚硝酸盐氮或硝酸盐氮质量浓度<1mg/L而氨氮质量浓度>5mg/L时，增加硝酸盐废水箱中硝酸盐氮的质量浓度，直至出水总无机氮质量浓度<5mg/L；当出水中氨氮质量浓度<1mg/L而亚硝酸盐氮或硝酸盐氮质量浓度>5mg/L时，通过减少硝酸盐废水箱中硝酸盐氮的质量浓度，直至出水总无机氮质量浓度<5mg/L；
以上所述步骤中蠕动泵、搅拌器、加热装置、排水阀由自动控制系统进行控制。
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