CN116835769B - 基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法，属于污水处理技术领域，所述方法是利用焦化废水进水中的SCN‑对NOB菌的抑制进行短程硝化反应的强化，将进水中SCN‑浓度提升至50~65mg/L后持续运行5~7个反应周期；再降低进水中SCN‑浓度至30~50mg/L，继续运行5~7个反应周期；完成第一次强化，强化稳定运行过程包含单次或多次强化；当反应器中NO2‑积累率稳定达到90%以上时，即完成基于焦化废水短程硝化的强化稳定运行过程。本发明的方法利用焦化废水水质特点，对NOB菌形成长效抑制，可节省抑制剂的投加成本，同时操作简单，快速有效，提升运行稳定性。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，尤其涉及一种基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法。
背景技术
焦化废水是煤焦化过程产生的废水，焦化废水所含污染物包括酚类、多环芳香族化合物及含氮、氧、硫的杂环化合物等，是一种典型的成分复杂、含有高氮、高毒性和难降解的有机化合物的工业废水。目前，对于废水氮污染物的排放项目主要考察氨氮和总氮两项指标。在焦化行业，我国相继制定了更为严格的废水氮排放标准，2012年以前炼焦行业按照《钢铁工业水污染物排放标准》（GB13456-92）执行，其只规定了氨氮的排放限值。2012年，制定了标准《炼焦化学工业污染物排放标准》（GB 16171-2012），不仅把氨氮的排放限值降低，而且新增了总氮的排放限值。这些标准的提高给焦化废水处理中的脱氮技术的发展带来了新的挑战和机遇，如何追求低能耗、稳定高效是未来脱氮技术的发展方向。
目前，微生物脱氮是应用最为广泛和成熟的焦化废水氮污染物处理技术。近年来脱氮路径的研究热点，可大致分为传统硝化-反硝化、短程硝化-反硝化及短程硝化-厌氧氨氧化等。短程硝化是脱氮路径中具有高度适配性的中间工艺单元，短程硝化-反硝化生物脱氮法与传统硝化-反硝化生物脱氮法相比，具有许多优点，比如对于活性污泥法可节省氧供应量、降低能耗、节省反硝化所需碳源、在C/N比一定的情况下还能够提高总氮（TN）的去除率、缩短反应时间、减少反应器容积等。短程硝化-反硝化生物脱氮法的原理是在有氧条件下氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐，主要由AOB菌承担。与传统的硝化反应以硝酸盐为反应终点不同的是，短程硝化是以亚硝酸盐为反应终点。在短程硝化反应过程中，由于生成的亚硝酸盐极其不稳定，很容易在NOB菌作用下被进一步氧化为硝酸盐，从而对系统的稳定运行造成很大的影响，也对短程硝化反应的操控提出了更为严格的要求。因此，为保证短程硝化反应的稳定进行，并防止亚硝酸盐进一步被氧化成为硝酸盐，如何控制体系，抑制NOB菌活性同时对AOB菌无明显影响，以形成亚硝酸盐的稳定累积，使其在废水处理中应用更为广泛，已成为本领域研究的热点。为解决短程硝化体系稳定运行困难的问题，现有部分工艺通过外部投加抑制剂来抑制NOB菌的活性以期维持反应体系的稳定运行，但抑制剂的投加无疑又导致运行成本的增加。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法，所述方法是完成基于焦化废水短程硝化快速启动过程后，进行如下步骤：
1）提升进入反应系统中的经过降碳处理的焦化废水中硫氰酸盐（SCN-）浓度范围至50~65mg/L，维持经过降碳处理的焦化废水中硫氰酸盐的浓度为50~65mg/L持续运行5~7个反应周期；
2）下调进入反应系统中的经过降碳处理的焦化废水中硫氰酸盐浓度范围至30~50mg/L继续运行5~7个反应周期，即完成一次强化；
整个强化稳定运行过程包括单次或多次强化，当反应系统中的亚硝酸盐（NO2-）累积率稳定达到90%时，即完成基于焦化废水短程硝化的强化稳定运行过程。
进一步的，基于焦化废水短程硝化快速启动过程包括以下步骤：
S1、取具有硝化菌的污泥接种至反应系统内；
S2、取经过降碳处理的焦化废水进入反应系统，开启搅拌和曝气，使经过降碳处理的焦化废水与接种的污泥充分混合，开启整个启动过程；其中，整个启动过程包括多个反应周期；
在整个启动过程中，启动初期，所得体系中溶解氧浓度控制在1.5~2.0mg/L，在此溶解氧浓度下运行4~5个反应周期后，梯度下调单个反应周期内体系中的溶解氧浓度；每下调一个梯度，在此溶解氧浓度下运行4~5个反应周期，至体系中溶解氧浓度控制在0.4~0.7mg/L之间，停止曝气，在搅拌方式下继续运行多个反应周期至运行平稳，完成整个基于焦化废水短程硝化快速启动过程。
进一步的，步骤S1中，在污泥接种至反应系统内后且步骤S2经过降碳处理的焦化废水进入反应系统前，还需在反应系统内投加填料。
进一步的，填料的种类为弹性填料、粒径为1~2cm、型状为立方体；填料在反应系统中的填充度为5~10%。
进一步的，基于焦化废水短程硝化快速启动过程和基于焦化废水短程硝化的强化稳定运行过程中，控制反应系统内的温度为30~34℃、污泥浓度为1000~3000mg/L、pH值为8.0~8.5。
进一步的，基于焦化废水短程硝化的强化稳定运行过程完成后，持续控制反应系统内的溶解氧浓度为0.4~0.7mg/L。
进一步的，基于焦化废水短程硝化快速启动过程初期，控制经过降碳处理的焦化废水的氨氮初始浓度≤100mg/L；
基于焦化废水短程硝化快速启动过程中，控制经过降碳处理的焦化废水中硫氰酸盐浓度≤50mg/L。
进一步的，基于焦化废水短程硝化快速启动过程中，伴随体系中溶解氧浓度调整过程进行，还需在体系中进行氨氮负荷提升。
进一步的，在氨氮负荷提升过程中，经过降碳处理的焦化废水的氨氮浓度以20~40mg/L为单次上调梯度。
进一步的，基于焦化废水短程硝化快速启动过程和基于焦化废水短程硝化的强化稳定运行过程均包括多个反应周期；
单个反应周期为24h，包括进水阶段、反应阶段、静置阶段和排水阶段共四个阶段，其中进水阶段的时间为2~4h、静置阶段和排水阶段的时间总共为2h、反应阶段的时间为单个反应周期内的其余时间；
进水阶段和反应阶段均进行搅拌，静置阶段和排水阶段关闭搅拌。
本发明的基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法的有益效果为：
1、运行稳定性强：本发明的基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法，充分利用焦化废水中的SCN-浓度对NOB菌进行抑制并形成长效机制，同时强化优势菌种AOB在填料中的富集，系统经过强化运行后，能够有效提升亚硝态氮的累积率，降低硝态氮的产生浓度，从而大大提升焦化废水进行短程硝化处理过程的高效性和稳定性；
2、节约成本：通过利用焦化废水中的SCN-成分作为短程硝化抑制剂，不仅在短期内快速提升短程硝化效果的效率和稳定性，与其它短程硝化过程中使用外部投加的抑制剂来抑制NOB菌活性相比，节省运行成本；
3、启动周期快：本发明通过梯度下调溶解氧浓度并投加填料，利用低溶氧抑制硝化菌中NOB菌，同时使用填料快速富集功能菌（AOB菌），进行短程反硝化，提升反应效率，缩短启动时间，实现了针对焦化废水的短程硝化的快速启动，快速启动的时间仅需15~30d；
在启动初期，亚硝酸盐累积率随曝气量的波动变化较大，使用填料能够有效应对溶氧冲击，在填料上形成一个稳定的溶氧环境，有利于优势菌群的驯化，提升启动初期体系中短程硝化反应稳定性；
4、运行能耗低：由于进入反应器的经过降碳处理的焦化废水自身的溶解氧浓度为4~6mg/L，其在进入反应器后，可补充SBR反应器内所得体系中的溶解氧，且进水中的COD浓度较低，可继续氧化有机物的需氧量较低，通过搅拌装置搅拌，即可维持体系中溶解氧浓度维持在0.4~0.7mg/L之间，节省曝气成本，大幅降低运行能耗和投资成本；
5、操作便捷：与传统短程硝化反应的操作要求严格且运行条件不易控制相比，本发明针对焦化废水进行短程硝化的快速启动方法，工艺操作更加简便、运行过程易于控制；
6、产泥量低：本发明的反应体系为泥膜共生体系，体系中污泥浓度为1000~3000mg/L，同时填料上的生物膜脱落形成的悬浮物很低，使得整个体系内的产泥量较低，能够有效节省运行费用。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
一种基于焦化废水短程硝化快速启动和强化运行的方法，包括基于焦化废水短程硝化快速启动过程和强化运行过程。
一、基于焦化废水短程硝化快速启动过程，包括以下步骤：
S1、构建反应器，取具有硝化菌的污泥接种至反应器内并投加填料；
S2、取经过降碳处理的焦化废水（简称进水）进入反应器内进行启动，启动初期，控制体系中溶解氧浓度在1.5~2.0mg/L运行4~5个反应周期后，梯度下调溶解氧浓度，并在每次梯度下调后的溶解氧浓度条件下运行4~5个反应周期，至溶解氧浓度为0.4~0.7mg/L之间，停止曝气，在搅拌方式下运行平稳后，完成整个基于焦化废水短程硝化快速启动过程。
基于焦化废水短程硝化快速启动过程还需伴随溶解氧浓度调整过程，提升体系中氨氮负荷。
二、强化稳定运行过程包括以下步骤：
完成基于焦化废水短程硝化快速启动过程后，在同一反应器内通过调控进水中硫氰酸盐（SCN-）浓度对NOB菌进行抑制，强化短程硝化系统的稳定性能，单次强化包括多个反应周期。
整个强化稳定运行过程至少包括一次强化，且反应器内的亚硝酸盐累积率稳定达到90%时，即完成强化稳定运行过程。
整个基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法涉及的工艺参数见下表：
表1 基于焦化废水短程硝化快速启动及强化稳定运行过程工艺参数一览表
本发明在实际快速启动过程和强化稳定运行过程中，反应器内设有溶氧控制系统、至少一台机械搅拌装置以及加热装置，用于控制反应器内各项工艺参数，并非用于限定本发明的保护范围，但凡不违背本发明技术方案所作出的任何改变，均属于本发明的保护范围。
实施例1 一种基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法
本实施例为一种基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法，采用经过降碳处理的蒸氨废水作为待处理的进水，包括基于焦化废水短程硝化快速启动过程和强化稳定运行过程。
一、本实施例中基于焦化废水短程硝化快速启动过程包括以下步骤：
1）构建SBR反应器，反应器为圆形有机玻璃柱体，总有效容积为8L，处理水量为3L/d，单个进水周期为24h，进水的时间为2h、反应的时间为22h、静置和排水的时间总共为2h，其中进水过程中也进行反应；
取焦化废水处理厂中生化处理好氧池中的具有硝化菌的污泥接种至SBR反应器内并投加填料，接种的污泥浓度为1956mg/L，投加量为5L；填料采用粒径为2cm的聚氨酯填料，填充度为8%（即投加的聚氨酯填料的体积量占SBR反应器有效容积的8%）；
2）取经过降碳处理的蒸氨废水（已将大部分硫氰酸盐转化为氨氮）进入SBR反应器，启动搅拌和曝气使得泥水充分混合，控制进水中氨氮初始浓度为93.34mg/L，并投加碳酸钠进行碱度调整，使得废水中的碱度和氨氮的比例为9.2；
采用间歇曝气方式控制SBR反应器内的溶解氧浓度，使所得体系中溶解氧浓度控制在1.5~2.0mg/L，在此溶解氧浓度下运行4个反应周期后，梯度下调单个反应周期内体系中的溶解氧浓度，梯度下调后的溶解氧浓度分别为1.0~1.5mg/L、0.5~1.0mg/L、0.4~0.7mg/L，每下调一个梯度，在此溶解氧浓度下运行4个反应周期；当溶解氧浓度控制在0.4~0.7mg/L之间，停止曝气（即关闭曝气控制系统，彻底停止对SBR反应器内进行曝气），在搅拌方式下继续运行多个反应周期至运行稳定。
控制SBR反应器内的温度为30~34℃、污泥浓度为1000~2000mg/L、pH值为8.0~8.5；控制进水中COD浓度≤400mg/L、硫氰酸盐浓度≤50mg/L，由于进水水质随时间变化会有所波动，基于焦化废水短程硝化快速启动过程中仅需控制进水水质在上述范围内即可；
二、完成反应器的启动后，采用以下步骤进行反应器的强化运行：
1）完成基于焦化废水短程硝化快速启动过程后，维持反应器启动过程中的运行条件，仅提升进入反应器内的焦化废水中的硫氰酸盐（SCN-）浓度范围至50~65mg/L并持续运行5~7个反应周期；
2）在第一步基础上，下调进入反应器内的焦化废水中的硫氰酸盐（SCN-）浓度范围至30~50mg/L继续运行5~7个反应周期，即完成单次强化过程；
整个强化稳定运行过程包括单次或多次强化，当反应器内的亚硝酸盐（NO2-）累积率稳定达到90%时，即完成基于焦化废水短程硝化的强化稳定运行过程。
另外，基于焦化废水短程硝化快速启动过程中，伴随体系中溶解氧浓度调整过程进行，同时进行氨氮负荷提升，本实施例中的单次上调梯度以表1为准。氨氮负荷提升过程以所需处理的废水中的氨氮负荷作为提升终点，本实施表1中的氨氮负荷提升过程仅为说明本发明的效果，并不用于限定本发明的权利要求的保护范围。
整个基于焦化废水短程硝化快速启动过程的启动时间为18d，强化周期为10d。
采用上述基于焦化废水短程硝化快速启动和强化运行的方法进行快速启动和强化的过程及结果，见下表：
表2 基于焦化废水短程硝化快速启动过程及强化过程结果一览表
表3 基于焦化废水短程硝化快速启动及强化过程参数一览表
由表2可以看出，在污泥驯化阶段，随着反应周期的增加，反应后的出水中亚硝态氮累积浓度逐渐上升，说明利用本发明的基于焦化废水短程硝化快速启动的方法进行污泥驯化阶段，具有良好的处理效果；在强化稳定运行过程中，随着硫氰酸盐浓度增加，反应后的出水中硝态氮浓度下降，恢复原有硫氰酸盐浓度后，硝态氮能够继续维持在较低水平，说明利用本发明的强化稳定运行的方法（控制硫氰酸盐浓度）进行强化，能够对体系中的NOB菌形成了长效抑制，证明了本发明的方法具有较好的强化运行的效果。
为了进一步验证，强化稳定运行过程后对焦化废水短程硝化的稳定性，模拟实际水厂运行过程中进水水质波动的情况，在强化稳定运行过程后对进水中氨氮进行调整，具体试验结果见下表：
表4 强化稳定运行完成后对焦化废水处理的结果一览表
由表4可以看出，进水水质波动对强化后稳定运行阶段中短程硝化的亚硝态氮累积率影响较小，均在90%以上，出水中硝态氮持续维持在低水平，说明采用本发明的方法处理获得的体系能够有较提升反应器运行的稳定性。
实施例2~6 基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法
实施例2~6分别为一种基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法，它们的步骤与实施例1基本相同，不同之处仅在于：
实施例2中仅将启动步骤1）中填料的粒径调整为1cm、填充比为10%；
实施例3中仅将启动步骤1）中填料的填充比调整为5%，接种污泥浓度为2952mg/L，运行过程中的污泥浓度为2000~3000mg/L；
实施例4中仅将启动步骤1）中进水的时间调整为4h；
实施例5中仅将强化步骤1）中进水的时间调整为4h，并控制进水中硫氰酸盐浓度平均为56mg/L；
实施例6中仅将强化步骤1）中进水硫氰酸盐浓度提升至69mg/L；
分别采用实施例2~6的一种基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法对焦化废水进行处理，具体效果见下表：
表5 启动及完成强化后对焦化废水的处理结果一览表
由表5中的实施例2~5可以看出，采用本发明的基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法，能够快速启动对于焦化废水的短程硝化处理工艺，且能够有效强化短程硝化过程的稳定性，从而使处理后的出水中亚硝化率较高、硝态氮含量较低。实施例6中，将进水中的硫氰酸盐浓度提升至超出强化范围后，系统中的亚硝态氮累积浓度明显下降，说明此浓度下的硫氰酸盐浓度对AOB菌也形成了抑制，反而降低了短程硝化的反应效率，故强化短程硝化稳定运行的硫氰酸盐浓度要控制在一定范围之内。
显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法，其特征在于，所述方法是先进行基于焦化废水短程硝化快速启动过程，包括以下步骤：
S1、取具有硝化菌的污泥接种至反应系统内；
S2、取经过降碳处理的焦化废水进入反应系统，开启搅拌和曝气，使经过降碳处理的焦化废水与接种的污泥充分混合，开启整个启动过程；其中，整个启动过程包括多个反应周期；
在整个启动过程中，启动初期，所得体系中溶解氧浓度控制在1.5~2.0mg/L，在此溶解氧浓度下运行4~5个反应周期后，梯度下调单个反应周期内体系中的溶解氧浓度；每下调一个梯度，在此溶解氧浓度下运行4~5个反应周期，至体系中溶解氧浓度控制在0.4~0.7mg/L之间，停止曝气，在搅拌方式下继续运行多个反应周期至运行平稳，完成整个基于焦化废水短程硝化快速启动过程；
基于焦化废水短程硝化快速启动过程初期，控制经过降碳处理的焦化废水的氨氮初始浓度≤100mg/L；
基于焦化废水短程硝化快速启动过程中，控制经过降碳处理的焦化废水中硫氰酸盐浓度≤50mg/L；并伴随体系中溶解氧浓度调整过程进行，还需在体系中进行氨氮负荷提升；在氨氮负荷提升过程中，经过降碳处理的焦化废水的氨氮浓度以20~40mg/L为单次上调梯度；
完成基于焦化废水短程硝化快速启动过程后，进行如下步骤：
1）提升进入反应系统中的经过降碳处理的焦化废水中硫氰酸盐浓度范围至50~65mg/L，维持经过降碳处理的焦化废水中硫氰酸盐的浓度为50~65mg/L持续运行5~7个反应周期；
2）下调进入反应系统中的经过降碳处理的焦化废水中硫氰酸盐浓度范围至30~50mg/L继续运行5~7个反应周期，即完成一次强化；
整个强化稳定运行过程包括单次或多次强化，当反应系统中的亚硝酸盐累积率稳定达到90%时，即完成基于焦化废水短程硝化的强化稳定运行过程；
基于焦化废水短程硝化快速启动过程和基于焦化废水短程硝化的强化稳定运行过程均包括多个反应周期；
单个反应周期为24h，包括进水阶段、反应阶段、静置阶段和排水阶段共四个阶段，其中进水阶段的时间为2~4h、静置阶段和排水阶段的时间总共为2h、反应阶段的时间为单个反应周期内的其余时间；
进水阶段和反应阶段均进行搅拌，静置阶段和排水阶段关闭搅拌。
2.根据权利要求1所述的基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法，其特征在于，步骤S1中，在污泥接种至反应系统内后且步骤S2经过降碳处理的焦化废水进入反应系统前，还需在反应系统内投加填料。
3.根据权利要求2所述的基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法，其特征在于，填料的种类为弹性填料、粒径为1~2cm、型状为立方体；填料在反应系统中的填充度为5~10%。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法，其特征在于，基于焦化废水短程硝化快速启动过程和基于焦化废水短程硝化的强化稳定运行过程中，控制反应系统内的温度为30~34℃、污泥浓度为1000~3000mg/L、pH值为8.0~8.5。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于焦化废水短程硝化快速启动和强化稳定运行的方法，其特征在于，基于焦化废水短程硝化的强化稳定运行过程完成后，持续控制反应系统内的溶解氧浓度为0.4~0.7mg/L。
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