一种序批式全程自养脱氮颗粒污泥的高效运行方法

摘要

一种序批式全程自养脱氮颗粒污泥的高效运行方法属于高氨氮污废水处理与再生领域。在序批式反应器内，应用已经启动的CANON颗粒污泥的基础上研究溶解氧对反应器运行的影响，其步骤为：以CANON颗粒污泥为种泥，曝气提供反应所必需的溶解氧，在控制一定的溶解氧梯度的条件下，研究使反应器高效运行的方法。本发明解决了长期以来不能确定的溶解氧对CANON颗粒污泥运行效能的影响，验证了短时延时曝气对反应的较小影响，为CANON处理高氨氮废水的工程化应用提出了新思路。

权利要求

1.一种序批式全程自养脱氮颗粒污泥的高效运行方法，采用周期培养方式，SBR反应器，其特征在于，包括如下步骤：

1）接种种泥：反应器中的种泥为CANON颗粒污泥，污泥粒径200-450nm，污泥浓度为

1.5-3g/L；

2）反应器运行方法为：每个周期包括进水、反应、沉淀、排水、闲置五个阶段；第I阶段：进水，采用人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为300-450mg/L，磷酸盐质量浓度为

5-10mg/L，碱度质量浓度以CaCO3计为1400-2000mg/L；第II阶段：反应，采用水浴加热，控制温度为27-33℃，进水pH为7.7-8.3，初始水中溶解氧浓度为0.1mg/L，当氨氮去除率在40%-95%稳定3-4天时，在下一周期提高溶解氧浓度0.05-0.15mg/L，最终溶解氧浓度为

0.5mg/L；水力停留时间HRT为12h；第III阶段：沉淀，沉淀时间为4-6min；第IV阶段：排水，换水比50%；第V阶段：闲置，闲置时间2-10h，闲置后循环进行下一周期；

3)高效运行：将总氮去除率大于75%且能连续稳定运行5天以上所对应的溶解氧浓度设定为反应器运行的溶解氧浓度；具体为：第I阶段：进水，采用人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为300-450mg/L，磷酸盐质量浓度为5-10mg/L，碱度质量浓度以CaCO3计为

1400-2000mg/L；第II阶段：反应，采用水浴加热，控制温度为27-33℃，进水pH为7.7-8.3，将总氮去除率大于75%且能连续稳定运行5天以上所对应的溶解氧浓度设定为反应器运行的溶解氧浓度；水力停留时间HRT为12h；第III阶段：沉淀，沉淀时间为4-6min；第IV阶段：排水，换水比50%；第V阶段：闲置，闲置时间2-10h，闲置后循环进行下一周期。

说明书

一种序批式全程自养脱氮颗粒污泥的高效运行方法

技术领域

[0001] 本发明属于高氨氮污废水处理与再生领域。具体涉及解决高氨氮条件下全程自养脱氮（CANON）工艺颗粒污泥的高效运行方法。

背景技术

[0002] 科学技术的发展为人类的生活提供了诸多方便，但是也使得人类社会和自然环境面临严峻的考验。以中国为例，2012年中国环境状况公报中明确指出：2011年，全国地表水总体为轻度污染。湖泊（水库）富营养化问题仍突出。其中长江支流、黄河、珠江水系氨氮污染仍是主要污染。这些水系中的氨氮污染绝大部分是人为排放造成的，尤其是工业排放的高氨氮废水。目前，针对水中氨氮的去除，尤其是高氨氮废水的处理你，主要采用物化法和生物法。物化法相对于生物法存在成本高、操作复杂且易造成二次污染等缺点。所以生物法处理高氨氮废水是目前的主流工艺。

[0003] 在诸多生物法处理高氨氮废水工艺中，CANON(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)工艺以其独特的脱氮方式成为目前研究的热点。CANON工艺由亚硝化反应和厌氧氨氧化反应组合而成，进行亚硝化反应的亚硝化菌（AOB）将水中的氨氮氧化成亚硝酸盐氮和厌氧氨氧化菌（Anammox）则利用氧化的亚硝酸盐氮为电子供体，氨氮为电子受体进行反应生成少量的硝酸盐氮和N2，从而达到去除氨氮的目的。

[0004] CANON工艺反应如下：

[0005] NH3+0.85O2→0.11NO3-+0.44N2+0.14H++1.43H2O

[0006] CANON在氨氮去除方面有诸多优点。首先无需外加有机碳源，节约大量的曝气以及无机碳源，能降低投入资金；产物为少量污泥和N2，不会造成二次污染。理论上总氮去除率可以达到80%以上，是高效节能脱氮工艺的理想选择。但是CANON工艺，尤其是CANON工艺的颗粒污泥的脱氮能力受溶解氧（DO）的影响较明显，微小的溶解氧变化就会导致脱氮效果的显著变化。

[0007] 因此，针对CANON工艺颗粒污泥易受溶解氧影响的问题，如何解决这个问题使该工艺能够高效稳定运行，对于CANON工艺工程化应用具有重要意义。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于提供一种使得序批式CANON颗粒污泥高效运行的方法。为达到上述技术效果，本发明的技术方案是这样实现的：

[0009] 本发明是采用序批式运行CANON颗粒污泥的方法，CANON颗粒污泥是在前期的培养中得到，以曝气提供上升流速和水力剪切力，使反应器混合均匀。具体操作如下：

[0010] 一种序批式全程自养脱氮颗粒污泥的高效运行方法，采用周期培养方式，SBR反应器，其特征在于：包括如下步骤：

[0011] 1）接种种泥：反应器中的种泥为CANON颗粒污泥，污泥粒径200-450nm，污泥浓度为1.5-3g/L；

[0012] 2）反应器运行方法为：每个周期包括进水、反应、沉淀、排水、闲置五个阶段。第I阶段：进水，采用人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为300-450mg/L，磷酸盐质量浓度为5-10mg/L，碱度质量浓度以CaCO3计为1400-2000mg/L；第II阶段：反应，采用水浴加热，控制温度为27-33℃，进水pH为7.7-8.3，初始水中溶解氧浓度为0.1mg/L，当氨氮去除率在40%-95%稳定3-4天时，在下一周期提高溶解氧浓度0.05-0.15mg/L，最终溶解氧浓度为0.5mg/L；水力停留时间HRT为12h；第III阶段：沉淀，沉淀时间为4-6min；第IV阶段：排水，换水比50%；第V阶段：闲置，闲置时间2-10h，闲置后循环进行下一周期。

[0013] 3)高效运行：将总氮去除率大于75%且能连续稳定运行5天以上所对应的溶解氧浓度设定为反应器运行的溶解氧浓度；具体为：第I阶段：进水，采用人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为300-450mg/L，磷酸盐质量浓度为5-10mg/L，碱度质量浓度以CaCO3计为1400-2000mg/L；第II阶段：反应，采用水浴加热，控制温度为27-33℃，进水pH为7.7-8.3，将总氮去除率大于75%且能连续稳定运行5天以上所对应的溶解氧浓度设定为反应器运行的溶解氧浓度；水力停留时间HRT为12h；第III阶段：沉淀，沉淀时间为4-6min；第IV阶段：排水，换水比50%；第V阶段：闲置，闲置时间2-10h，闲置后循环进行下一周期。

[0014] 原理说明如下：

[0015] 1）试验中接种的种泥：通过前期培养得到平均粒径大于300nm的CANON颗粒污泥，该颗粒污泥具有类圆形形状，红褐色，污泥浓度1.5-3g/L。

[0016] 2）试验中首先确定小的溶解氧值，首先维持DO值在0.05-0.1mg/L，当稳定运行3-4天后即可不断提高DO值使得氨氮和总氮去除率提高，DO浓度从0.1提高到0.4的过程中氨氮去除率和总氮去除率都不断提高，反应器运行稳定。当DO提高到0.5mg/L时，反应器立即出现大量的亚氮积累，通过几天运行效果没有变好的趋势，但是在之后将DO降低到
0.4mg/L，处理效果能够得到明显的恢复。

[0017] 3）延时曝气的影响：由于进水浓度及DO值的不同，必然会导致在HRT为14h时会出现延时曝气现象。通过人为控制进水浓度使得延时曝气1-2h，下一周期当恢复原来运行条件时，氨氮和总氮处理效果能很快恢复

[0018] 本发明具有以下有益效果：

[0019] 1）在已经培养成功的CANON颗粒污泥的基础上进行实验，大大缩短了运行周期；

[0020] 2）确立了较为详尽的溶解氧控制模式，发现在该试验条件下较为适合的溶解氧控制范围；

[0021] 3）验证了延时曝气对CANON颗粒污泥的影响较小，以溶解氧测定仪控制溶解氧的延时曝气时间，简单易操作。附图说明：

[0022] 图1是本发明采用的CANON试验装置示意图。

[0023] 1.进水泵；2.空气泵；3.火山岩填料；4.取样口；5.取料口

[0024] 图2是采用本发明方法的反应器随时间的变化，氨氮去除率、总氮去除率与DO变化之间的关系。

[0025] 图3是采用本发明方法的反应器氨氧化速率、厌氧氨氧化反应速率随DO变化的变化关系。

具体实施方式

[0026] 以下结合具体实施方式对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不局限于此。

[0027] 本发明着眼于解决高氨氮污水CANON工艺颗粒污泥的高效运行方法，其思路为：在SBR反应器中，用已经培养出的CANON颗粒污泥为种泥，采用间歇周期运行的方式，运行阶段连续曝气并控制一定溶解氧浓度梯度的方法，研究溶解氧对全程自养脱氮过程的影响，溶解氧的大小主要影响亚硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的活性，曝气的作用不仅局限于提供一定浓度的溶解氧，同时通过曝气的控制上升流速，从而提供相应的水力剪切力，保证反应器的正常运行。

[0028] 本发明反应器种泥为已经培养出的CANON颗粒污泥。由于是CANON颗粒污泥，对于后续操作的条件有了提前适应，有利于缩短试验周期，也使得试验更容易成功。由于CANON工艺中起作用的两种菌是亚硝化细菌（AOB）和厌氧氨氧化细菌（Anammox），虽然Anammox是厌氧菌，但颗粒有一定的溶解氧纵深，可以允许一定的溶解氧浓度存在而不会抑制Anammox活性。

[0029] 氧穿透深度由如下公式计算：

[0030] δpf=((2D.Csi)/(qsmax.Cxf))1/2，其中：D：氧扩散系数（m2/s），Csi：生物膜和溶液界3 max 3
面氧浓度（mol/m），qs ：最大氧摄取速度（L/S），Cxf：生物膜上的生物量（mol/m ）。

[0031] 本发明采用运行阶段连续曝气，控制一定溶解氧浓度梯度的方法。开始时曝气要足够小，控制溶解氧在0.05-0.1mg/L，使反应器有一个适应过程。此后逐渐提高DO值，提高反应器的去除率。从反应器运行来看，进水采用人工模拟配水，控制进水氨氮质量浓度为300-450mg/L，磷酸盐质量浓度为5-10mg/L，碱度质量浓度以CaCO3计为1400-2000mg/L，同时加入微生物生长所必需的微量元素；反应阶段控制温度为27-33℃，进水pH为7.7-8.3，初始水中溶解氧浓度为0.1mg/L，当氨氮去除率稳定3-4天时，在下一周期提高溶解氧浓度
0.05-0.15mg/L，最终溶解氧浓度为0.5mg/L；水力停留时间（HRT）为12h；第III阶段：沉淀，沉淀时间为4-6min；第IV阶段：排水，换水比50%；第V阶段：闲置，闲置时间2-10h，闲置后循环进行下一周期。

[0032] 各个标准对于反应器效能的界定不一样，本发明最佳阶段平均总氮的去除率超过75%，最大去除率接近80%，达到预期的去除效果。本发明通过这种反馈调节的方式得到系统高效稳定运行的溶解氧条件。

[0033] 具体实施例一：

[0034] 序批式全程自养脱氮颗粒污泥的高效运行方法，进水是在自来水中添加一定量的(NH4)2SO4、NaHCO3和KH2PO4配置而成，同时添加适量的微量元素，具体水质如下：

[0035] 氨氮质量浓度380-420mg/L，磷酸盐质量浓度为5-10mg/L，碱度质量浓度（以CaCO3计）为1400-2000mg/L。微量元素混合液的投加量为1mg/L,包括（mg/L）：

[0036] 营 养 液 I：EDTA5.00 FeSO4.7H2O5.00 营 养 液 II:EDTA15.00H3BO40.014 MnCl2.4H2O0.099 CuSO4.5H2O0.25 ZnSO4.7H2O0.43NiCl2.6H2O0.19 Na2SeO4.10H2O0.21 Na2MoO4.2H2O0.22NaWO4.2H2O

[0037] 反应器形式：反应器采用有机玻璃加工而成，圆柱形，内径7mm，总高度1000mm，总体积3.8L，有效容积3.4L。底部装有微孔曝气装置，由气体转子流量计控制曝气量大小。

[0038] 运行方式包括进水、反应、沉淀、排水、闲置五个阶段。进水是由蠕动泵从底部进水；反应阶段控制水温30±1℃，曝气分别控制0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mg/L五个浓度梯度,pH8.0±0.1，HRT为11h；沉淀时间5min；排水时间1.5min，换水比50%；闲置至下个周3
期。反应器最大总氮去除负荷和最大稳定平均总氮去除率分别可以达到0.45kg/(m·d)和
78%。

[0039] 试验初期确定溶解氧浓度为0.1mg/L，经过12个周期运行，总氮去除率始终在30%左右波动，总氮去除效果较差，由于氨氮去除率同样很低，且无亚硝酸盐氮积累（小于7mg/L），所以可以分析是由于DO较低,HRT较短导致，在不改变HRT的条件下，只能通过提高DO的方法。在此分析方法指导下不断提高DO直到DO为0.4mg/L时，总氮去除率和DO值成正相关趋势，最高达到78%左右稳定。在第47、48两天延时曝气两个小时，第49天恢复至以前的操作条件能很快恢复并稳定运行，短期的延时曝气不会对系统产生较大影响。当DO值提高到0.5mg/L时，亚硝酸盐氮急剧增加，最高达到190mg/L，总氮去除率降低到只有42%，可以说明DO到0.5mg/L时已经超过反应器的耐受极限。

[0040] 本发明中，AOB和Anammox菌的反应速率在DO为0.4mg/L时耦合效能达到最大，3
稳定平均总氮去除率最大达到85%，最大总氮容积负荷达到0.5kg/(m·d)。

[0041] 具体实施例二：

[0042] 实施例二的进水和实施例一基本相同，主要区别在反应器的形式。

[0043] 反应器形式：反应器采用有机玻璃加工而成，圆柱形，内径15mm，总高度500mm，总体积8.83L，有效容积7L。由于反应器横截面积较大，普通的曝气环存在曝气不均匀的情况，所以底部改用砂盘曝气装置，由气体转子流量计控制曝气量大小。种泥和实施例一来自同一个反应器。

[0044] 运行方式包括进水、反应、沉淀、排水、闲置五个阶段。进水是由蠕动泵从上部进水；反应阶段控制水温30±1℃，曝气分别控制0.1、0.2、0.3、0.4、0.5mg/L五个浓度梯度,pH8.0±0.1，HRT为11h；沉淀时间5min；换水比50%；闲置至下个周期。反应器最大总3
氮去除负荷和最大稳定平均总氮去除率分别可以达到0.4kg/(m·d)和75%。

[0045] 试验初期由于反应器形式发生了较大变化，先经过一个溶解氧适应阶段，确定溶解氧浓度为0.05mg/L，经过5个周期运行，DO提高到0.1mg/L，此时总氮去除率只有25%左右。在DO为0.1mg/L条件下连续运行10个周期，总氮去除率能达到35%，此时氨氧化速率和厌氧氨氧化反应速率都比开始时要大，系统中没有亚硝酸盐氮含量少于7mg/L，所以在不改变HRT的条件下，通过提高DO的方法来提高反应器效率。在此分析方法指导下不断提高DO直到DO为0.4mg/L时，总氮去除率和DO值成正相关趋势，最高达到75%左右稳定。当DO值提高到0.5mg/L时，亚硝酸盐氮急剧增加，最高达到153mg/L，总氮去除率降低到只有45%，可以说明DO到0.5mg/L时已经超过反应器的耐受极限。

[0046] 本发明系统中，AOB和Anammox菌的反应速率在DO为0.4mg/L时耦合效能达到最3
大，稳定平均总氮去除率最大达到84%，最大总氮容积负荷达到0.44kg/(m·d)。