一種序批式全程自養(yǎng)脫氮顆粒污泥的高效運行方法
【專利摘要】一種序批式全程自養(yǎng)脫氮顆粒污泥的高效運行方法屬于高氨氮污廢水處理與再生領(lǐng)域。在序批式反應(yīng)器內(nèi)，應(yīng)用已經(jīng)啟動的CANON顆粒污泥的基礎(chǔ)上研究溶解氧對反應(yīng)器運行的影響，其步驟為：以CANON顆粒污泥為種泥，曝氣提供反應(yīng)所必需的溶解氧，在控制一定的溶解氧梯度的條件下，研究使反應(yīng)器高效運行的方法。本發(fā)明解決了長期以來不能確定的溶解氧對CANON顆粒污泥運行效能的影響，驗證了短時延時曝氣對反應(yīng)的較小影響，為CANON處理高氨氮廢水的工程化應(yīng)用提出了新思路。
【專利說明】一種序批式全程自養(yǎng)脫氮顆粒污泥的高效運行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于高氨氮污廢水處理與再生領(lǐng)域。具體涉及解決高氨氮條件下全程自養(yǎng)脫氮(CANON)工藝顆粒污泥的高效運行方法。
【背景技術(shù)】
[0002]科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為人類的生活提供了諸多方便，但是也使得人類社會和自然環(huán)境面臨嚴峻的考驗。以中國為例，2012年中國環(huán)境狀況公報中明確指出:2011年，全國地表水總體為輕度污染。湖泊(水庫)富營養(yǎng)化問題仍突出。其中長江支流、黃河、珠江水系氨氮污染仍是主要污染。這些水系中的氨氮污染絕大部分是人為排放造成的，尤其是工業(yè)排放的高氨氮廢水。目前，針對水中氨氮的去除，尤其是高氨氮廢水的處理你，主要采用物化法和生物法。物化法相對于生物法存在成本高、操作復(fù)雜且易造成二次污染等缺點。所以生物法處理高氨氮廢水是目前的主流工藝。
[0003]在諸多生物法處理高氨氮廢水工藝中，CANON(completely autotrophic nitrogenremoval over nitrite)工藝以其獨特的脫氮方式成為目前研究的熱點。CANON工藝由亞硝化反應(yīng)和厭氧氨氧化反應(yīng)組合而成，進行亞硝化反應(yīng)的亞硝化菌(AOB)將水中的氨氮氧化成亞硝酸鹽氮和厭氧氨氧化菌(Anammox)則利用氧化的亞硝酸鹽氮為電子供體,氨氮為電子受體進行反應(yīng)生成少量的硝酸鹽氮和N2,從而達到去除氨氮的目的。
[0004]CANON工藝反應(yīng)如下:
[0005]ΝΗ3+0.8 502 — 0.11N03>0.44N2+0.14H++1.43H20
[0006]CANON在氨氮去除方面有諸多優(yōu)點。首先無需外加有機碳源，節(jié)約大量的曝氣以及無機碳源，能降低投入資金；產(chǎn)物為少量污泥和N2，不會造成二次污染。理論上總氮去除率可以達到80%以上，是高效節(jié)能脫氮工藝的理想選擇。但是CANON工藝，尤其是CANON工藝的顆粒污泥的脫氮能力受溶解氧(DO)的影響較明顯，微小的溶解氧變化就會導(dǎo)致脫氮效果的顯著變化。
[0007]因此,針對CANON工藝顆粒污泥易受溶解氧影響的問題,如何解決這個問題使該工藝能夠高效穩(wěn)定運行，對于CANON工藝工程化應(yīng)用具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種使得序批式CANON顆粒污泥高效運行的方法。為達到上述技術(shù)效果，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
[0009]本發(fā)明是采用序批式運行CANON顆粒污泥的方法，CANON顆粒污泥是在前期的培養(yǎng)中得到，以曝氣提供上升流速和水力剪切力，使反應(yīng)器混合均勻。具體操作如下:
[0010]一種序批式全程自養(yǎng)脫氮顆粒污泥的高效運行方法，采用周期培養(yǎng)方式，SBR反應(yīng)器，其特征在于:包括如下步驟:
[0011]I)接種種泥:反應(yīng)器中的種泥為CANON顆粒污泥，污泥粒徑200-450nm，污泥濃度為 1.5-3g/L ；[0012]2)反應(yīng)器運行方法為:每個周期包括進水、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置五個階段。第I階段:進水，采用人工模擬配水，控制進水氨氮質(zhì)量濃度為300-450mg/L，磷酸鹽質(zhì)量濃度為5-10mg/L，堿度質(zhì)量濃度以CaCO3計為1400_2000mg/L ;第II階段:反應(yīng)，采用水浴加熱，控制溫度為27-33°C，進水pH為7.7-8.3，初始水中溶解氧濃度為0.lmg/L,當氨氮去除率在40%-95%穩(wěn)定3-4天時，在下一周期提高溶解氧濃度0.05-0.15mg/L，最終溶解氧濃度為
0.5mg/L ;水力停留時間HRT為12h ;第III階段:沉淀，沉淀時間為4_6min ;第IV階段:排水，換水比50% ;第V階段:閑置，閑置時間2-10h，閑置后循環(huán)進行下一周期。
[0013]3)高效運行:將總氮去除率大于75%且能連續(xù)穩(wěn)定運行5天以上所對應(yīng)的溶解氧濃度設(shè)定為反應(yīng)器運行的溶解氧濃度；具體為:第I階段:進水，采用人工模擬配水，控制進水氨氮質(zhì)量濃度為300-450mg/L，磷酸鹽質(zhì)量濃度為5_10mg/L，堿度質(zhì)量濃度以CaCO3計為1400-2000mg/L ;第II階段:反應(yīng)，采用水浴加熱，控制溫度為27_33°C，進水pH為7.7-8.3，將總氮去除率大于75%且能連續(xù)穩(wěn)定運行5天以上所對應(yīng)的溶解氧濃度設(shè)定為反應(yīng)器運行的溶解氧濃度；水力停留時間HRT為12h ;第III階段:沉淀，沉淀時間為4-6min ;第IV階段:排水，換水比50% ;第V階段:閑置，閑置時間2-10h，閑置后循環(huán)進行下一周期。
[0014]原理說明如下:
[0015]I)試驗中接種的種泥:通過前期培養(yǎng)得到平均粒徑大于300nm的CANON顆粒污泥，該顆粒污泥具有類圓形形狀，紅褐色，污泥濃度1.5-3g/L。
[0016]2)試驗中首先確定小的溶解氧值，首先維持DO值在0.05-0.lmg/L,當穩(wěn)定運行3-4天后即可不斷提高DO值使得氨氮和總氮去除率提高，DO濃度從0.1提高到0.4的過程中氨氮去除率和總氮去除率都不斷提高，反應(yīng)器運行穩(wěn)定。當DO提高到0.5mg/L時，反應(yīng)器立即出現(xiàn)大量的亞氮積累，通過幾天運行效果沒有變好的趨勢，但是在之后將DO降低到
0.4mg/L，處理效果能夠 得到明顯的恢復(fù)。
[0017]3)延時曝氣的影響:由于進水濃度及DO值的不同，必然會導(dǎo)致在HRT為14h時會出現(xiàn)延時曝氣現(xiàn)象。通過人為控制進水濃度使得延時曝氣l_2h，下一周期當恢復(fù)原來運行條件時，氨氮和總氮處理效果能很快恢復(fù)
[0018]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0019]I)在已經(jīng)培養(yǎng)成功的CANON顆粒污泥的基礎(chǔ)上進行實驗，大大縮短了運行周期；
[0020]2)確立了較為詳盡的溶解氧控制模式，發(fā)現(xiàn)在該試驗條件下較為適合的溶解氧控制范圍；
[0021]3)驗證了延時曝氣對CANON顆粒污泥的影響較小，以溶解氧測定儀控制溶解氧的延時曝氣時間，簡單易操作。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0022]圖1是本發(fā)明采用的CANON試驗裝置示意圖。
[0023]1.進水泵；2.空氣泵；3.火山巖填料；4.取樣口 ；5.取料口
[0024]圖2是采用本發(fā)明方法的反應(yīng)器隨時間的變化，氨氮去除率、總氮去除率與DO變化之間的關(guān)系。
[0025]圖3是采用本發(fā)明方法的反應(yīng)器氨氧化速率、厭氧氨氧化反應(yīng)速率隨DO變化的變化關(guān)系?！揪唧w實施方式】
[0026]以下結(jié)合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步描述，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此。
[0027]本發(fā)明著眼于解決高氨氮污水CANON工藝顆粒污泥的高效運行方法，其思路為:在SBR反應(yīng)器中，用已經(jīng)培養(yǎng)出的CANON顆粒污泥為種泥，采用間歇周期運行的方式，運行階段連續(xù)曝氣并控制一定溶解氧濃度梯度的方法，研究溶解氧對全程自養(yǎng)脫氮過程的影響，溶解氧的大小主要影響亞硝化細菌和厭氧氨氧化細菌的活性，曝氣的作用不僅局限于提供一定濃度的溶解氧，同時通過曝氣的控制上升流速，從而提供相應(yīng)的水力剪切力，保證反應(yīng)器的正常運行。
[0028]本發(fā)明反應(yīng)器種泥為已經(jīng)培養(yǎng)出的CANON顆粒污泥。由于是CANON顆粒污泥，對于后續(xù)操作的條件有了提前適應(yīng)，有利于縮短試驗周期，也使得試驗更容易成功。由于CANON工藝中起作用的兩種菌是亞硝化細菌(AOB)和厭氧氨氧化細菌(Anammox),雖然Anammox是厭氧菌，但顆粒有一定的溶解氧縱深，可以允許一定的溶解氧濃度存在而不會抑制Anammox活性。
[0029]氧穿透深度由如下公式計算:
[0030]Spf=((2D.Csi)/(qsmax.Cxf))1/2，其中:D:氧擴散系數(shù)(m2/s)，Cs1:生物膜和溶液界面氧濃度(mol/m3), qsmax:最大氧攝取速度(L/S), Cxf:生物膜上的生物量(mol/m3)。
[0031]本發(fā)明采用運行階段連續(xù)曝氣，控制一定溶解氧濃度梯度的方法。開始時曝氣要足夠小，控制溶解氧在0.05-0.lmg/L,使反應(yīng)器有一個適應(yīng)過程。此后逐漸提高DO值,提高反應(yīng)器的去除率。從反應(yīng)器運行來看，進水采用人工模擬配水，控制進水氨氮質(zhì)量濃度為300-450mg/L，磷酸鹽質(zhì)量濃度為5-10mg/L，堿度質(zhì)量濃度以CaCO3計為1400_2000mg/L，同時加入微生物生長所必需的微量元素；反應(yīng)階段控制溫度為27-33°C，進水pH為7.7-8.3，初始水中溶解氧濃度為0.lmg/L,當氨氮去除率穩(wěn)定3-4天時，在下一周期提高溶解氧濃度
`0.05-0.15mg/L，最終溶解氧濃度為0.5mg/L ;水力停留時間(HRT)為12h ;第III階段:沉淀，沉淀時間為4-6min ;第IV階段:排水，換水比50% ;第V階段:閑置，閑置時間2_10h，閑置后循環(huán)進行下一周期。
[0032]各個標準對于反應(yīng)器效能的界定不一樣，本發(fā)明最佳階段平均總氮的去除率超過75%，最大去除率接近80%，達到預(yù)期的去除效果。本發(fā)明通過這種反饋調(diào)節(jié)的方式得到系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行的溶解氧條件。
[0033]具體實施例一:
[0034]序批式全程自養(yǎng)脫氮顆粒污泥的高效運行方法，進水是在自來水中添加一定量的(NH4)2SO4, NaHCO3和KH2PO4配置而成，同時添加適量的微量元素，具體水質(zhì)如下:
[0035]氨氮質(zhì)量濃度380-420mg/L，磷酸鹽質(zhì)量濃度為5-lOmg/L，堿度質(zhì)量濃度(以CaCO3計)為1400-2000mg/L。微量元素混合液的投加量為lmg/L,包括(mg/L):
[0036]營養(yǎng)液1:EDTA5.00 FeSO4.7H205.00 營養(yǎng)液 I1:EDTA15.0OH3BO40.014MnCl2.4H200.099 CuSO4.5H200.25 ZnSO4.7H200.43NiCl2.6H200.19 Na2SeO4.1OH2O0.21Na2MoO4.2H200.22Naff04.2H20
[0037]反應(yīng)器形式:反應(yīng)器采用有機玻璃加工而成，圓柱形，內(nèi)徑7mm，總高度1000mm，總體積3.8L，有效容積3.4L。底部裝有微孔曝氣裝置，由氣體轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣量大小。
[0038]運行方式包括進水、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置五個階段。進水是由蠕動泵從底部進水；反應(yīng)階段控制水溫30土 TC，曝氣分別控制0.1,0.2,0.3,0.4,0.5mg/L五個濃度梯度，ρΗ8.0±0.1，HRT為Ilh ;沉淀時間5min ;排水時間1.5min，換水比50% ;閑置至下個周期。反應(yīng)器最大總氮去除負荷和最大穩(wěn)定平均總氮去除率分別可以達到0.45kg/(m3*d)和78%。
[0039]試驗初期確定溶解氧濃度為0.lmg/L,經(jīng)過12個周期運行，總氮去除率始終在30%左右波動，總氮去除效果較差，由于氨氮去除率同樣很低，且無亞硝酸鹽氮積累(小于7mg/L)，所以可以分析是由于DO較低，HRT較短導(dǎo)致，在不改變HRT的條件下，只能通過提高DO的方法。在此分析方法指導(dǎo)下不斷提高DO直到DO為0.4mg/L時，總氮去除率和DO值成正相關(guān)趨勢，最高達到78%左右穩(wěn)定。在第47、48兩天延時曝氣兩個小時,第49天恢復(fù)至以前的操作條件能很快恢復(fù)并穩(wěn)定運行，短期的延時曝氣不會對系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響。當DO值提高到0.5mg/L時，亞硝酸鹽氮急劇增加，最高達到190mg/L，總氮去除率降低到只有42%，可以說明DO到0.5mg/L時已經(jīng)超過反應(yīng)器的耐受極限。
[0040]本發(fā)明中，AOB和Anammox菌的反應(yīng)速率在DO為0.4mg/L時I禹合效能達到最大，穩(wěn)定平均總氮去除率最大達到85%,最大總氮容積負荷達到0.5kg/ (m3.d)。
[0041]具體實施例二:
[0042]實施例二的進水和實施例一基本相同，主要區(qū)別在反應(yīng)器的形式。
[0043]反應(yīng)器形式:反 應(yīng)器采用有機玻璃加工而成，圓柱形，內(nèi)徑15_，總高度500_，總體積8.83L，有效容積7L。由于反應(yīng)器橫截面積較大，普通的曝氣環(huán)存在曝氣不均勻的情況，所以底部改用砂盤曝氣裝置，由氣體轉(zhuǎn)子流量計控制曝氣量大小。種泥和實施例一來自同一個反應(yīng)器。
[0044]運行方式包括進水、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置五個階段。進水是由蠕動泵從上部進水；反應(yīng)階段控制水溫30土 TC，曝氣分別控制0.1,0.2,0.3,0.4,0.5mg/L五個濃度梯度，pH8.0±0.1，HRT為Ilh ;沉淀時間5min ;換水比50% ;閑置至下個周期。反應(yīng)器最大總氮去除負荷和最大穩(wěn)定平均總氮去除率分別可以達到0.4kg/(m3.d)和75%。
[0045]試驗初期由于反應(yīng)器形式發(fā)生了較大變化，先經(jīng)過一個溶解氧適應(yīng)階段，確定溶解氧濃度為0.05mg/L，經(jīng)過5個周期運行，DO提高到0.lmg/L，此時總氮去除率只有25%左右。在DO為0.lmg/L條件下連續(xù)運行10個周期，總氮去除率能達到35%，此時氨氧化速率和厭氧氨氧化反應(yīng)速率都比開始時要大，系統(tǒng)中沒有亞硝酸鹽氮含量少于7mg/L，所以在不改變HRT的條件下，通過提高DO的方法來提高反應(yīng)器效率。在此分析方法指導(dǎo)下不斷提高DO直到DO為0.4mg/L時，總氮去除率和DO值成正相關(guān)趨勢，最高達到75%左右穩(wěn)定。當DO值提高到0.5mg/L時，亞硝酸鹽氮急劇增加，最高達到153mg/L，總氮去除率降低到只有45%,可以說明DO到0.5mg/L時已經(jīng)超過反應(yīng)器的耐受極限。
[0046]本發(fā)明系統(tǒng)中,AOB和Anammox菌的反應(yīng)速率在DO為0.4mg/L時I禹合效能達到最大，穩(wěn)定平均總氮去除率最大達到84%，最大總氮容積負荷達到0.44kg/ (m3.d)。
【權(quán)利要求】
1.一種序批式全程自養(yǎng)脫氮顆粒污泥的高效運行方法，采用周期培養(yǎng)方式，SBR反應(yīng)器，其特征在于，包括如下步驟: O接種種泥:反應(yīng)器中的種泥為CANON顆粒污泥，污泥粒徑200-450nm，污泥濃度為1.5-3g/L ； 2)反應(yīng)器運行方法為:每個周期包括進水、反應(yīng)、沉淀、排水、閑置五個階段；第I階段:進水，采用人工模擬配水，控制進水氨氮質(zhì)量濃度為300-450mg/L，磷酸鹽質(zhì)量濃度為，5-10mg/L,堿度質(zhì)量濃度以CaCO3計為1400-2000mg/L ;第II階段:反應(yīng)，采用水浴加熱，控制溫度為27-33°C，進水pH為7.7-8.3，初始水中溶解氧濃度為0.lmg/L,當氨氮去除率在40%-95%穩(wěn)定3-4天時，在下一周期提高溶解氧濃度0.05-0.15mg/L，最終溶解氧濃度為，0.5mg/L ;水力停留時間HRT為12h ;第III階段:沉淀，沉淀時間為4_6min ;第IV階段:排水，換水比50% ;第V階段:閑置，閑置時間2-10h，閑置后循環(huán)進行下一周期； 3)高效運行:將總氮去除率大于75%且能連續(xù)穩(wěn)定運行5天以上所對應(yīng)的溶解氧濃度設(shè)定為反應(yīng)器運行的溶解氧濃度；具體為--第I階段:進水，采用人工模擬配水，控制進水氨氮質(zhì)量濃度為300-450mg/L，磷酸鹽質(zhì)量濃度為5_10mg/L，堿度質(zhì)量濃度以CaCO3計為1400-2000mg/L ;第II階段:反應(yīng)，采用水浴加熱，控制溫度為27_33°C，進水pH為7.7-8.3，將總氮去除率大于75%且能連續(xù)穩(wěn)定運行5天以上所對應(yīng)的溶解氧濃度設(shè)定為反應(yīng)器運行的溶解氧濃度；水力停留時間HRT為12h ;第III階段:沉淀，沉淀時間為4-6min ;第IV階段:排水，換水比50% ;第 V階 段:閑置，閑置時間2-10h，閑置后循環(huán)進行下一周期。
【文檔編號】C02F3/30GK103787499SQ201310536201
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2013年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月3日
【發(fā)明者】李冬, 蘇慶嶺, 吳青, 梁瑜海, 崔少明, 張肖靜, 楊胤, 張翠丹, 范丹, 張玉龍, 周元正, 門絢, 何永平, 曾輝平, 張 杰 申請人:北京工業(yè)大學(xué)