CN109231481B - 一种短程硝化过程中积累亚硝氮的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种短程硝化过程中积累亚硝氮的系统，包括搅拌式升流反应器、沉淀池、水质监测装置、曝气装置以及酸碱调节装置；所述搅拌式升流反应器为高径比为10~15的圆柱形反应器，且在圆柱形反应器内设有搅拌装置，所述曝气装置包括设于搅拌式升流反应器顶部的表层曝气头以及通过气管与所述表层曝气头相连的气泵；所述水质监测装置包括pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头以及与各探头电连接的数字化水质分析仪。本发明还提供了上述系统积累亚硝氮的方法。本发明系统结构简单，投入成本低，且运行操作简便，工艺稳定性高，适宜推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及含氨氮污水处理技术领域，具体地说涉及一种短程硝化过程中积累亚硝氮的系统及方法。
背景技术
我国城市生活污水大多数C/N低，所以采用生物硝化-反硝化工艺需要额外添加有机碳源，造成运行成本高。而厌氧氨氧化工艺能够将氨氮与一定比例的亚硝氮直接生成氮气，具有不需要额外添加有机碳源，不需要曝气，不产生二次污染、运行管理成本低等优点。
目前厌氧氨氧化研究的主要方向为生活污水、垃圾渗滤液、工业废水、污泥上清液、制药废水治理等，但是我国污水中亚硝氮几乎没有，使含氨氮的污水转化到亚硝氮，进行初步处理，再将生成的亚硝氮与未转化的氨氮配成厌氧氨氧化工艺的进水，即可完成上述工艺，因此作为厌氧氨氧化工艺前置的亚硝化反应，是实现厌氧氨氧化工艺能够稳定运行的关键一环。
亚硝化菌是对含氨氮废水进行初步处理的耗氧细菌，使反应器内氨氮转化到亚硝氮，消碱产酸，使pH降低，因此维持一定范围的pH能够促进AOB的积累。大多数亚硝化菌是自养型细菌，能够适应我国低C/N废水情况。在常见的活性污泥中，除了有亚硝化菌的存在，还有亚硝酸盐氧化菌（NOB），要使亚硝氮能够有效转化和积累，首先应该让接种的活性污泥在设计的驯化装置及条件下存在并适应，进而逐渐淘汰亚硝酸盐氧化菌和反硝化菌等。因此驯化装置内溶解氧（DO）需要严格控制，溶解氧过高容易使NOB活性恢复，亚硝氮转化到硝氮；溶解氧过低，反硝化菌会大量繁殖和生长。目前驯化亚硝化菌反应器有SBR反应器、推流反应器等，但是大多数反应器都是采用限时曝气，需要实时监测反应器内溶解氧，这不仅为运行反应器带来极大不便，且工艺稳定性差，很容易产生曝气控制不当而使驯化失败的情形。
发明内容
本发明的目的之一就是提供了一种短程硝化过程中积累亚硝氮的系统，以解决现有系统运行不便，运行稳定性差的问题。
本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的：一种短程硝化过程中积累亚硝氮的系统，包括搅拌式升流反应器、沉淀池、水质监测装置、曝气装置以及酸碱调节装置；所述搅拌式升流反应器为高径比为10~15的圆柱形反应器，且在圆柱形反应器内设有搅拌装置，所述搅拌式升流反应器的底部通过进水管连接进水箱，所述搅拌式升流反应器的顶部通过反应器出水管与沉淀池相连，所述沉淀池通过沉淀池出水管连接出水箱，在所述沉淀池与搅拌式升流反应器的顶部之间设有污泥回流管，在所述污泥回流管上设有污泥回流泵；所述曝气装置包括设于搅拌式升流反应器顶部的表层曝气头以及通过气管与所述表层曝气头相连的气泵；所述水质监测装置包括pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头以及与各探头电连接的数字化水质分析仪，所述的pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头均设于搅拌式升流反应器的顶部。
所述酸碱调节装置包括碱性缓冲溶液桶和酸性缓冲溶液桶，所述碱性缓冲溶液桶和酸性缓冲溶液桶由双通道蠕动泵通过进液管与所述搅拌式升流反应器的顶部相连通。
在曝气装置的气管上设有气量调节阀和气体流量计。
在所述搅拌式升流反应器外部设有循环水浴保温套，所述循环水浴保温套通过管道与数显循环保温水箱相连。
所述搅拌装置包括沿搅拌式升流反应器轴线设置的搅拌杆、分布于所述搅拌杆的搅拌叶以及与所述搅拌杆相连的转速控制器。
本发明的目的之二是提供了一种短程硝化过程中积累亚硝氮的方法。
本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的：一种短程硝化过程中积累亚硝氮的方法，包括以下步骤：
a、设置短程硝化过程中积累亚硝氮的系统，其结构包括搅拌式升流反应器、沉淀池、水质监测装置、曝气装置以及酸碱调节装置；所述搅拌式升流反应器为高径比为10~15的圆柱形反应器，且在圆柱形反应器内设有搅拌装置，所述搅拌式升流反应器的底部通过进水管连接进水箱，所述搅拌式升流反应器的顶部通过反应器出水管与沉淀池相连，所述沉淀池通过沉淀池出水管连接出水箱，在所述沉淀池与搅拌式升流反应器的顶部之间设有污泥回流管，在所述污泥回流管上设有污泥回流泵；所述曝气装置包括设于搅拌式升流反应器顶部的表层曝气头以及通过气管与所述表层曝气头相连的气泵；所述水质监测装置包括pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头以及与各探头电连接的数字化水质分析仪，所述的pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头均设于搅拌式升流反应器的顶部；
b、将取自污水处理厂曝气池的消化污泥加入到搅拌式升流反应器内，加入后MLSS控制在3000~4300mg/L，并将表层曝气头、pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头浸没在搅拌式升流反应器的控制段内；
c、驯化阶段：利用pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头对搅拌式升流反应器进行监测，使所述控制段的DO为0.6~0.7mg/L，pH为7.5~8.5，ORP为10~200mV，并以氨氮浓度为150mg/L和氨氮浓度为50mg/L的废水交替进水的方式进行驯化，直至搅拌式升流反应器内氨氧化率>70%；
d、提高阶段：控制搅拌式升流反应器控制段的DO为0.5~0.7mg/L，pH为7.5~8.0，ORP为10~200mV，开启搅拌装置，搅拌转速设置为30r/min，以氨氮浓度为250~300mg/L 的废水连续进水的方式运行，运行过程中搅拌式升流反应器内氨氧化率维持在70%以上；
e、积累阶段：以氨氮浓度为250~350mg/L 的废水连续进水的方式继续运行，控制水力停留时间为2~3d，氨氧化率＞80%，使搅拌式升流反应器出水亚硝氮浓度稳定在160mg/L以上；
f、对搅拌式升流反应器内驯化得到的微生物进行鉴定。
所述控制段为距离液面1~2倍反应器内径深度范围内。
搅拌式升流反应器运行过程中，曝气方式采用限氧连续表层曝气的方式。
所述酸碱调节装置包括碱性缓冲溶液桶和酸性缓冲溶液桶，所述碱性缓冲溶液桶和酸性缓冲溶液桶由双通道蠕动泵通过进液管与所述搅拌式升流反应器的顶部相连通；在曝气装置的气管上设有气量调节阀和气体流量计；所述搅拌装置包括沿搅拌式升流反应器轴线设置的搅拌杆、分布于所述搅拌杆的搅拌叶以及与所述搅拌杆相连的转速控制器。
在所述搅拌式升流反应器外部设有循环水浴保温套，所述循环水浴保温套通过管道与数显循环保温水箱相连，在搅拌式升流反应器运行过程中，通过数显循环保温水箱控制反应器温度为25~35℃。
本发明取得的有益效果如下：
1）本发明采用特定高径比的反应器和特殊的曝气方式，使得在连续曝气条件下，反应器内溶解氧在竖直方向上呈梯度分布，溶解氧随反应器深度逐渐降低，且自表层曝气头位置由上向下自动分布在0.1~0.7 mg/L范围内，更加便于反应器的运行和管理，利用表层限氧曝气的方式，可以有效减少曝气过多，降低反应器运行不稳定的风险。
2）基于本发明溶解氧的分布，更加利于亚硝化菌的驯化，使其他菌不断淘汰，反应器启动时间短，效率高，运行稳定性好。
3）本发明采用特殊的驯化工艺，可将污水中的氨氮有效转化到亚硝氮，工艺流程短，驯化效率高，出水亚硝氮可以持续稳定在170mg/L左右，可以为低于该浓度要求的厌氧氨氧化工艺提供必要的亚硝氮。
4）本发明反应器成功启动后可以适当调整进水氨氮浓度和水力停留时间，使该反应器出水亚硝氮更高，适用范围更广。
5）本发明可对现有污水处理厂进行改造，占地面积小，成本投入低。
6）本发明的建设面积比传统硝化/反硝化生物脱氮技术节省50%以上，建设费用节省30%以上，运行费用节省30%以上，整个过程不需向系统外排泥，具有环境友好和经济效益并举的特点，有利于提高污水治理的效率，缓解水资源短缺问题。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图。
图2是实施例2整个积累过程各指标随时间变化图。
图3是实施例2各阶段亚硝化菌属相对丰度对比图。
图中：1、搅拌式升流反应，2、竖流式沉淀池，3、搅拌装置，4、进水管，5、进水箱，6、反应器出水管，7、沉淀池出水管，8、出水箱，9、污泥回流管，10、污泥回流泵，11、表层曝气头，12、气泵，13、数字化水质分析仪，14、碱性缓冲溶液桶，15、酸性缓冲溶液桶，16、双通道蠕动泵，17、循环水浴保温套，18、数显循环保温水箱。
具体实施方式
下面以具体实施例详细描述本发明。
实施例1
如图1所示，本发明系统结构包括搅拌式升流反应1、竖流式沉淀池2、水质监测装置、曝气装置以及酸碱调节装置。搅拌式升流反应器1为高径比为10~15的圆柱形反应器，且在圆柱形反应器内设有搅拌装置3，搅拌装置3包括沿搅拌式升流反应器轴线设置的搅拌杆、分布于搅拌杆的搅拌叶以及与搅拌杆相连的转速控制器，运行时，可根据需要通过转速控制器控制搅拌装置在适宜的搅拌速率。
搅拌式升流反应器1的底部通过进水管4连接进水箱5，搅拌式升流反应器1的顶部通过反应器出水管6与竖流式沉淀池2相连，竖流式沉淀池2通过沉淀池出水管7连接出水箱8，在竖流式沉淀池2与搅拌式升流反应器1的顶部之间设有污泥回流管9，在污泥回流管9上设有污泥回流泵10。曝气装置包括设于搅拌式升流反应器顶部的表层曝气头11以及通过气管与表层曝气头11相连的气泵12；在曝气装置的气管上设有气量调节阀和气体流量计。水质监测装置包括pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头以及与各探头电连接的数字化水质分析仪13，其中，pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头均设于搅拌式升流反应器1的顶部，优选各探头与表层曝气头的高度一致。在运行时，各探头和表层曝气头浸没在距离液面1~2倍反应器内径深度范围内。
酸碱调节装置包括碱性缓冲溶液桶14和酸性缓冲溶液桶15，碱性缓冲溶液桶14和酸性缓冲溶液桶15由双通道蠕动泵16通过进液管与搅拌式升流反应器1的顶部相连通。本发明通过碱性缓冲溶液、酸性缓冲溶液来调节因反应器内微生物生命活动引起的pH变化。
在搅拌式升流反应器外部设有循环水浴保温套17，循环水浴保温套17通过管道与数显循环保温水箱18相连，通过数显循环保温水箱18可控制反应器的温度。
本发明系统还配有氮气罐，氮气罐主要在紧急情况下，如反应器内DO长时间过高时使用。
实施例2
本发明短程硝化过程中积累亚硝氮的方法，包括以下步骤：
a、设置上述积累亚硝氮的系统，其中搅拌式升流反应器高为115cm，内径为9.5cm。
b、将取自保定市污水处理厂曝气池的消化污泥加入到搅拌式升流反应器内，加入后MLSS为4189 mg/L，且表层曝气头、pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头浸没在液面以下17cm处。
c、驯化阶段：通过表层限氧曝气控制溶解氧探头处的DO为0.6~0.7mg/L，pH为7.5~8.5，ORP为10~200mV，温度为25~35℃，并以氨氮浓度为150mg/L和氨氮浓度为50mg/L的废水交替进水的方式进行驯化，直至搅拌式升流反应器内氨氧化率>70%；此阶段大概需要30~50d；
其中，进水为人工模拟废水，组成为（mg/L）KH2PO4 0.09，K2HPO4 0.07，MgSO4•7H2O0.04，CaCl2•2H2O 0.03，EDTA 0.02；微量元素组成（g/L）FeCl3•6H2O 1.5，H3BO40.15，CuSO4•5H2O 0.03，KI 0.03，MnCl2•4H2O 0.12，NaMoO4•2H2O 0.06，CoCl2•2H2O 0.15。微量元素按1mL/L投加到配水中。NH4Cl初始浓度为50mg/L，进水溶解氧8~9mg/L，随着反应运行方式的不同，添加的氨氮浓度有所不同。
d、提高阶段：通过表层限氧曝气控制溶解氧探头处的DO为0.5~0.7mg/L，pH为7.5~8.0，ORP为10~200mV，温度为25~35℃，开启搅拌装置，以氨氮浓度为300mg/L 的废水连续进水的方式运行，运行过程中搅拌式升流反应器内氨氧化率维持在60%以上；此阶段大概需要14~28d；
上述步骤c和d均可采用连续曝气的方式运行，通过调整气量调节阀使溶解氧探头处DO维持在限定范围内，随着反应器深度增加，DO不断下降，表1为采用哈希溶解氧仪，测取的溶解氧分布情况，在运行过程中，溶解氧自动分布，无需工作人员持续关注和调节DO。
上层（0~20cm）进行表层曝气属于好氧区，中层（20~70cm）为缺氧区，下层（70cm以下）为厌氧区，其中，反应器出水管和污泥回流管对应好氧层，进水管对应厌氧层。中下层溶解氧可以很好地控制在亚硝化菌活性不受影响，亚硝酸盐氧化菌因反应器内溶解氧减少而活性受抑制，经过一段时间淘汰和驯化可以筛选出亚硝化菌，淘汰亚硝酸盐氧化菌，反硝化菌也会因为连续曝气不断淘汰。
e、积累阶段：以氨氮浓度为250mg/L 的废水连续进水的方式继续运行，控制水力停留时间为2~3d，污泥回流比为60%~80%，氨氧化率＞80%，使搅拌式升流反应器出水亚硝氮浓度稳定在160 mg/L以上；其他控制参数同步骤d。
f、对搅拌式升流反应器内驯化得到的微生物进行鉴定，取出水口流出的活性污泥，进行16S rRNA鉴定，Nitrosomonas相对丰度达11.86%。
本实施例运行过程中各参数变化如图2和图3所示。由图可知，反应器初始氨氧化率为负值，最主要原因是活性污泥发生水解自溶现象，导致出水氨氮高于进水浓度。初始亚硝化菌主要为Nitrosomonas，其相对丰度为0.92%，采用高低氨氮法刺激亚硝化菌生长和繁殖，运行58天，氨氧化率提高到75%，此时反应器内亚硝化菌相对丰度提高到1.13%。
在提高阶段，为使反应器内亚硝氮有效积累，采用高氨氮连续进水运行反应器95d，反应器内的亚硝化率稳步提高，进水氨氮约250mg/L，出水亚硝氮能够维持在86mg/L左右，氨氧化率能够维持在65%左右。高氨氮能够为AOB提供丰富的营养物质，溶液中产生的游离氨会对NOB活性起到抑制作用，进而使NOB逐步淘汰。
在积累阶段，在反应器进水氨氮浓度相对稳定条件下（也可适当提高进水氨氮浓度，最高不超过350 mg/L），根据污泥活性和污泥浓度调节水力停留时间，水力停留时间设置为2~3d，污泥回流比为60%~80%，使反应器内的亚硝氮进一步提高，反应器主体溶解氧分布在0.1~0.7mg/L，在该溶解氧范围内，AOB的活性不受抑制，NOB的活性因溶液中溶解氧不足而受到抑制，所以在此条件下使得反应器内的亚硝化菌能够持续富集，亚硝酸盐氧化菌不断被淘汰，反硝化菌也会因为连续曝气不断淘汰。运行反应器至128d，亚硝酸盐出水浓度为162.5mg/L。此时取出水口流出的活性污泥，进行16S rRNA鉴定，Nitrosomonas相对丰度为11.86%。
经过本发明短程硝化反应器处理后，氨氮55mg/L左右，亚硝氮165mg/L左右，硝氮20mg/L左右，在低于该亚硝氮浓度水平的厌氧氨氧化工艺皆可以使用该搅拌式升流反应器。在持续运行过程应该注意反应器内DO、pH的变化，亚硝化过程是利用AOB在有氧的环境里将氨氮转化到亚硝氮的过程，该过程是耗氧消碱产酸的过程，如果反应器长时间在高溶解氧条件下运行可以通过气量调节阀以及备用的氮气来控制，反应器内DO低，可以调节进气量。如果pH低可以利用备用药物碳酸盐或碳酸氢盐来调节，使反应器顺利稳定运行。
对比例1
试验装置由推流式反应器与竖流式二沉池组成。其中，推流式反应器分为 4 个等容格室，总容积为1.2 m3( 2.0 m×0.6 m×1. 0 m) ，相邻格室间由不锈钢板分隔，并设置导流孔，以防止返混，保证连续流运行时形成推流的水力条件。二沉池由有机玻璃制成，总容积为300 L。进水及污泥回流采用蠕动泵，用液体转子流量计标记流量，每个格室装有单独的气体流量计，可以据需要灵活控制各格室的曝气量。
反应器设有两个搅拌机，可以根据需要在不同的格室布置。接种污泥为某污水厂曝气池末端的硝化污泥，硝化性能良好。接种污泥量为 600 L，污泥浓度为6 650 mg / L，接种后反应器内 MLSS 为 3 500 mg / L，以 A/O 除磷工艺出水为原水连续运行 3 个月，亚硝酸盐氮积累甚微，未能实现亚硝化的启动，而后MLSS 降低到 2 750 mg / L 左右。为更快地启动短程硝化，在进水中添加( NH4)2SO4使氨氮平均浓度为 300 mg /L，采用 SBR运行方式对硝化污泥进行驯化，包括进水( 0.5 h) 、曝气、沉淀( 1 h) 、排水( 1 h) 、闲置五个阶段，每天运行两个周期。在初期并未发现 NO－2－N 的积累，当亚硝化率超过 90%时直接以 A/O 工艺出水为原水，仍采用 SBR 方式运行，使短程硝化污泥逐步适应较低的氨氮浓度，最后转变为低氨氮连续流运行，逐步调整各格室的曝气量及DO、HRT 等参数，控制出水 NO－2－N / NH+4－N 值稳定在 1.0 左右，为后续的 ANAMMOX 提供合适的进水。
通过实施例2和对比例1可知，实施例2是在反应器上方加了表层曝气，并通过持续曝气为反应器内的活性污泥提供持续而适量的溶解氧，反应器运行过程中不需要持续关注反应器内的溶解氧变化。而对比例1采取限时曝气策略，需要实时监测发现pH“拐点”后停止曝气，本发明相比对比例1有着更大的优势，能够极大的方便运行和维护，经验证，本发明稳定性强，有便于大规模应用的优势，且无需工作人员持续关注和调节反应器参数，对含氨氮污水短程硝化的稳定进行具有重要意义。
Claims (2)
1.一种短程硝化过程中积累亚硝氮的方法，其特征是，包括以下步骤：
a、设置短程硝化过程中积累亚硝氮的系统，其结构包括搅拌式升流反应器、沉淀池、水质监测装置、曝气装置以及酸碱调节装置；所述搅拌式升流反应器为高径比为10~15的圆柱形反应器，且在圆柱形反应器内设有搅拌装置，所述搅拌式升流反应器的底部通过进水管连接进水箱，所述搅拌式升流反应器的顶部通过反应器出水管与沉淀池相连，所述沉淀池通过沉淀池出水管连接出水箱，在所述沉淀池与搅拌式升流反应器的顶部之间设有污泥回流管，在所述污泥回流管上设有污泥回流泵；所述曝气装置包括设于搅拌式升流反应器顶部的表层曝气头以及通过气管与所述表层曝气头相连的气泵；所述水质监测装置包括pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头以及与各探头电连接的数字化水质分析仪，所述的pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头均设于搅拌式升流反应器的顶部；
b、将取自污水处理厂曝气池的消化污泥加入到搅拌式升流反应器内，加入后MLSS控制在3000~4300mg/L，并将表层曝气头、pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头浸没在搅拌式升流反应器的控制段内；所述搅拌式升流反应器运行过程中，曝气方式采用限氧连续表层曝气的方式；
c、驯化阶段：利用pH探头、溶解氧探头和氧化还原电位探头对搅拌式升流反应器进行监测，使所述控制段的DO为0.6~0.7mg/L，pH为7.5~8.5，ORP为10~200mV，并以氨氮浓度为150mg/L和氨氮浓度为50mg/L的废水交替进水的方式进行驯化，直至搅拌式升流反应器内氨氧化率>70%；d、提高阶段：控制搅拌式升流反应器控制段的DO为0.5~0.7mg/L，pH为7.5~8.0，ORP为10~200mV，开启搅拌装置，搅拌转速设置为30r/min，以氨氮浓度为250~300mg/L的废水连续进水的方式运行，运行过程中搅拌式升流反应器内氨氧化率维持在60%以上；
e、积累阶段：以氨氮浓度为250~350mg/L 的废水连续进水的方式继续运行，控制水力停留时间为2~3d，氨氧化率＞80%，使搅拌式升流反应器出水亚硝氮浓度稳定在160 mg/L以上；
f、对搅拌式升流反应器内驯化得到的微生物进行鉴定。
2.根据权利要求1所述的短程硝化过程中积累亚硝氮的方法，其特征是，所述控制段为距离液面1~2倍反应器内径深度范围内。
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