专利名称：高新联合fa和fna双重抑制培养短程硝化颗粒污泥的技术
技术领域：
本发明涉及一种短程颗粒污泥的培养方法，通过游离氨(Free Ammonia, FA)与游离亚硝酸(Free Nitrous Acid, FNA)的双重抑制培养短程硝化颗粒污泥的方法，属于废水生物脱氮处理技术领域。
背景技术：
氮、磷污染引起的水体富营养化问题一直都是世界各国面临的主要问题之一，也是水处理的难点和重点。我国的水污染不断加剧，城市污水处理厂的排放标准不断提高，而水资源短缺已经开始制约中国经济社会的发展，因此城市及其邻近地区污水的脱氮除磷处理已成为控制和改善我国水体富营养化污染现状的关键。传统生物硝化反硝化脱氮工艺是将废水中的氮素污染物转化为氮气，最终达到去除废水中氮素污染物的目的。硝化作用是生物脱氮工艺的关键，主要由硝化细菌完成，因而硝化菌对系统的脱氮能力起着决定性的作用。硝化菌生长缓慢，细胞产率低，导致传统反应器中硝化菌的生物量不易提高，使得目前多数硝化工艺氨氮氧化效率较低。人们开始利用硝化生物膜或生物包埋等固定化技术来提高硝化菌的数量，但这些都需要借助载体的帮助。污泥颗粒化是指废水生物处理系统中的微生物在适当的环境条件下，相互聚集形成一种密度较大、体积较大、体质条件较好的微生物聚集体。好氧颗粒污泥作为一种新兴的自固定化工艺，可大幅度提高污泥的沉降性能和污泥在反应器中的截留效率。硝化菌对好氧颗粒污泥的稳定性和脱氮能力起着决定性的作用，硝化颗粒污泥的形成不仅能够提高反应器内硝化污泥的浓度，而且可以改善反应器的生物脱氮能力，系统的稳定性大大提高。传统的生物脱氮是通过硝化将NH/-N转化为NO3–N,再通过反硝化将NO3–N转化成氮气，从而从水中除去。在硝化阶段，NH4+-N被转化成NO3–N是由两类独立的细菌完成的序列是反应，首先由氨氧化细菌将NH/-N转化成NO2–N,然后由亚硝酸盐氧化菌将NO2–N转化成Ν03_-Ν，随即由反硝化菌将Ν03_-Ν转化成队去除。短程硝化反硝化是指NH/-N的氧化控制在NO2–N阶段，防止NO2–N进一步向NO3–N转化，继而由反硝化菌将Ν02__Ν转化成N2去除。短程硝化反硝化具有如下优势节省25%的供氧量；节约40%反硝化碳源；随着氮转移途径的缩短，反应时间大大缩短，同时也减少污泥产量；反应器容积相应减少30% -40%。 因此短程硝化反硝化技术可以节省建设和运行费用。针对短程硝化反硝化的特点和好氧颗粒污泥的优势，如果能够将短程硝化技术和好氧颗粒污泥技术项耦合，在短程硝化的同时实现好氧颗粒污泥化，就可以显著改善反应器的生物脱氮能力，大量节省反硝化碳源，进而提高污水的脱氮效率，达到节能降耗的目的，同时还充分发挥了好氧颗粒污泥沉速快、泥水分离效果好、反应器排水比高等优点。
发明内容
本发明者经过长期的探索研究，结合好氧颗粒污泥技术和短程硝化技术，开发一种培养短程硝化颗粒污泥的方法。实现短程硝化反硝化的关键问题是实现亚硝酸细菌的富集，完成亚硝酸氮的积累而抑制硝酸细菌的增殖及硝态氮的产生。为此，必须仔细研究硝酸细菌与亚硝酸细菌的最适生长条件，找出其中的差异并在工程实际中加以控制，从而营造出有利于亚硝酸细菌在竞争中占优的环境条件。本发明提出一种通过FA和FNA的双重抑制培养短程硝化颗粒污泥的装置与方法。本发明借助SBR反应器，以低沉降时间作为选择压， 筛选沉降性能较好的活性污泥，同时通过FA和FNA的双重抑制提高亚硝态氮积累率(可达 95%)，实现短程硝化。本发明其特征在于(1)以颗粒污泥为介质，充分发挥了好氧颗粒污泥沉速快、活性高、结构密实、泥水分离效果好、微生物浓度及容积负荷高等优点，简化出水的分离和净化过程，增大了处理水量和排水比，使反应器容积缩小；(2)短程硝化反硝化生物脱氮工艺具有节省曝气能耗、缩短反应时间、节省反硝化碳源、减少污泥生成量、减少反应器有效容积和节约基建费用等优点。本发明的目的是通过以下方式实现的通过FA和FNA的双重抑制培养短程硝化颗粒污泥的装置，其特征在于设有原水管1、进水水箱2、进水阀3、搅拌器4、鼓风机5、排水阀6、出水箱7和SBR反应器8。首先原水经过原水管1进入到水箱2中，打开进水阀3，启动水泵将待处理的废水注入SBR反应器 8，达到液位时，水泵停止运行；进水完毕，搅拌器4和鼓风机5启动，开始曝气搅拌，进行好氧硝化反应，有机物进行降解，氨氮被氧化成亚硝酸盐。硝化结束后，停止曝气、搅拌，进行沉淀，沉淀获得的上清液中含有亚硝酸盐，经排水阀6进入出水箱7中。本发明还提供了一种利用上述装置通过FA和FNA的双重抑制培养短程硝化颗粒污泥的方法，其特征包括以下步骤(1)系统启动首先将接种污泥清洗，以除去残存的有机底物及杂质，然后将污泥投入到SBR反应器8中，污泥浓度在4000-6000mg/L。(2)将含有COD和氨氮的废水作为进水放置于进水箱2中，废水经过进水阀3从反应器底部泵入，同时搅拌器4和鼓风机5同时启动，开始曝气搅拌，以提供颗粒污泥生长所需要的剪切力，进水PH在7. 5-8. 0之间。废水的具体成分是C0D的浓度在200mg/L至 800mg/L 之间，Ρ0/–Ρ 的浓度在 ang/L 至 5mg/L 之间，NH4+-N 的浓度在 50mg/L 至 500mg/ L之间，相应的FA浓度为5mg/L至50mg/L之间。此外还加入适量微量元素以保证微生物的生长，其中 CaCl2 · 2H20 0.01g/L, MgSO4 · 7H20 0. 02g/L，营养液;3ml/L(营养液包括 FeCl3 · 6H20 1. 5g/L, H3BO3 0. 15g/L, CuSO4 · 5H200. 03g/L, KI 0. 18g/L, MnCl2 · 4H20 0. 12g/ L, Na2MoO4 · 2H20 0. 06g/L, ZnSO4 · 7H20 0. 12g/L, CoCl2 · 6H20 0. 15g/L, EDTA lOg/L)(3)每天运行4-6个周期，每个周期4-Mi，每个周期包含8min进水，3. 5-5.证好氧曝气，沉淀时间从15-lmin递减，5min排水和2-16min闲置时间。具体运行方式为阶段I，污泥驯化阶段沉淀时间15min，闲置时间^iin ；阶段II，颗粒污泥聚集阶段沉淀时间lOmin，闲置时间7min ；阶段III，颗粒污泥形成阶段沉淀时间5min，闲置时间12min ；阶段IV，颗粒污泥稳定阶段沉降时间为lmin，闲置时间16min。反应结束后，氨氮全部氧化成亚硝态氮，生成的亚硝态氮浓度在720_780mg/L之间，对应的FNA为0. 04-0. 05mg HN02-N/L,此浓度足以抑制亚硝酸盐氧化。富含有亚硝态氮的污水经过排水阀6排出。整个过程通过定时器实现自动控制。(4)保持反应器温度在25_30°C，在曝气30min后，投加NaHCO3溶液，目的是维持硝化过程中的碱度，使PH保持在7. 5 8. 0之间，溶解氧在3-5mg/L，提供上升气流 1.0-1.5cm/so污泥龄12-15d。经过30-50天的培养，进水中的氨氮全部氧化成亚硝态氮， 在整个过程中没有硝态氮生成，反应器性能稳定，镜检发现，反应器的污泥有原来的黑色絮状变成棕黄色的颗粒污泥，这标志着短程硝化颗粒污泥培养成功。技术原理废水中的NH4+-N因pH和浓度的不同，分子态和离子态的氨以不同的比例存在。研究表明，FA和FNA对硝化过程有抑制作用。FA对硝化作用有明显的抑制作用，尤其是亚硝酸盐到硝酸盐的氧化。当FA在0. 1 1. Omg N/L时，亚硝酸盐氧化菌的活性就会受到抑制。 文献报道，当FA为0. 2mg N/L时，系统中出现亚硝酸盐积累。同时废水中生成的Ν02__Ν，也应浓度和PH的不同，分子态和离子态的亚硝酸盐会以不同的比例存在。随着pH的降低和亚硝酸盐浓度的升高，FNA比例逐渐升高。FNA对氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化菌都有抑制作用，但是亚硝酸盐氧化菌比氨氧化菌更易受到FNA抑制。文献报道FNA在0.0Img N/L时就开始抑制亚硝酸盐氧化菌的生长，当浓度达到0.02mg N/L时，会完全停止生长。因此，在连续操作模式和特定FNA浓度下，亚硝酸盐氧化菌可以停止生长并从反应器中淘洗出去。本发明中进水氨氮的浓度由低到高，起始FA浓度逐渐增加，随着氨氮的氧化，FA逐渐变为零， FA不再抑制Ν0Β，同时，FNA的浓度随着亚硝酸盐的积累而增加。反应初期高FA和反应后期高FNA的共同作用是本发明专利中实现亚硝酸盐的积累获得短程硝化的关键因素。本发明设计的优点在于本发明培养的短程硝化特性的颗粒污泥，既可以有效提高脱氮系统的去除效率， 节省供氧量和反硝化碳源，减少污泥产量，节省建设和运行费用，又可以发挥好氧颗粒污泥充分发挥了好氧颗粒污泥沉速快、活性高、结构密实、泥水分离效果好、微生物浓度及容积负荷高等优点，简化出水的分离和净化过程，增大了处理水量和排水比，缩小反应器容积。
图1是本发明培养短程硝化颗粒污泥的SBR反应器的示意图；图2是本发明短程硝化颗粒污泥的镜检照片；图3是本发明短程硝化颗粒污泥反应器进出水水质和亚硝酸盐积累率；图4是本发明短程硝化颗粒污泥反应器反应起始FA和反应末期FNA浓度；
具体实施例方式实施例1 把处理城市生活污水的好氧活性污泥接种到SBR反应器中，污泥浓度5000mg/L， 该反应器的总体积是12L，有效容积11L。生活污水水中COD浓度为200-300mg/L，PO43^-P 的浓度为4-5mg/L，人工额外添加氯化铵，使得NH4+-N浓度为50_200mg/L，相应的FA浓度为 5mg/L至15mg/L之间，具体运行方式如下所示，还加入适量微量元素以保证微生物的生长， 其中 CaCl2 · 2H20 0. 01g/L, MgSO4 · 7H20 0. 02g/L，营养液 3ml/L。反应器的条件为进水 PH 7. 5，每天运行6个周期，每个周期4h，每个周期包含8min进水，3. 5h好氧曝气，5min排水和2-16min闲置时间，而沉淀时间分四个阶段进行阶段I (1 12周期)，污泥驯化阶段进水NH/-N的浓度为50mg/L，沉淀时间 15min，闲置时间2min ；阶段II (13 40周期)，颗粒污泥聚集阶段进水NH4+_N的浓度为100mg/L，沉淀时间lOmin，闲置时间7min ；阶段III (41 64周期)，颗粒污泥形成阶段进水NH4+_N的浓度为150mg/L，沉淀时间5min，闲置时间12min ；阶段IV (65 186周期)，颗粒污泥稳定阶段进水NH4+_N的浓度为200mg/L，沉降时间为lmin，闲置时间16min。曝气量恒定在0. 3m3/h，溶解氧保持在:3mg/L，提供上升气流1. 2cm/s，每个周期排水7L，进水7L，温度保持在25士0.5°C，污泥龄12d。由温度控制仪控制反应器内温度。在曝气30min后，投加NaHCO3溶液，目的是维持硝化过程中的碱度和碳源，使pH保持在7. 5 8. O之间。Multi340i型便携式多功能pH值、DO测定仪在线测定反应过程中的pH值和DO。 SBR反应器的运行通过时间程序控制器实现对反应过程的自动控制，运行10天后，可观察到细小棕黄色的颗粒污泥出现，随后颗粒污泥粒径逐渐增大，稳定运行30天左右，短程硝化颗粒污泥的粒径大多分布在1. 5-2. 0mm。图2是本发明短程硝化颗粒污泥的镜检照片。图3是本发明短程硝化颗粒污泥反应器进出水水质和亚硝酸盐积累率。图4是本发明短程硝化颗粒污泥反应器反应起始FA和反应末期FNA浓度。从图中可以看出，短程硝化颗粒污泥表现出高效的短程硝化特性，出水NO3-N为0. 06mg/L，几乎没有硝酸盐生成，进水的硝酸盐全部转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐积累率达到95%以上。污泥从接种到培养成熟时，反应器运行良好，并且具有很高的稳定性。实施例2 把处理城市生活污水的好氧活性污泥接种到SBR反应器中，污泥浓度6000mg/L， 该反应器的总体积是12L，有效容积11L。采用实际生活污水，每天从某高校家属区化粪池抽取生活污水到贮水箱，进水PH值7. 8，其余水质指标为C0D 250 320mg/L，NH4+-N 40 80mg/L, Ρ0/–Ρ的浓度为ang/L。由于进水氨氮浓度较低，人工添加氯化铵，使得进水氨氮浓度在400-500mg/L，相应的FA浓度为30mg/L至40mg/L之间。每天运行6个周期，每个周期4h，每个周期包含8min进水，3. 5h好氧曝气，5min沉淀时间，5min排水和12min闲置时间。曝气量恒定在0. 3m3/h,溶解氧保持在％ig/L，提供上升气流1. 5cm/s,每个周期排水7L， 进水7L，温度保持在30°C，污泥龄12d。由温度控制仪控制反应器内温度。Multi340i型便携式多功能PH值、DO测定仪在线测定反应过程中的pH值和DO。运行30天后，可观察到黑色的颗粒污泥出现，随后颗粒污泥粒径逐渐增大，稳定运行50天左右，短程硝化颗粒污泥的粒径大多分布在0. 5-1. 0mm。短程硝化颗粒污泥表现出高效的短程硝化特性，出水NO3-N 为0. 06mg/L，几乎没有硝酸盐生成，进水的硝酸盐全部转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐积累率达到95%以上。实施例3 接种部分处理城市生活污水的活性污泥和处理实际生活污水的活性污泥到SBR 反应器中，两者比例约为1 1，接种污泥量为4L，浓度为4500mg/L。采用实际生活污水启动反应器，额外人工添加乙醇为有机碳源，保持400mg/L不变，使得NH/-N浓度为200-300mg/L，相应的FA浓度为15mg/L至25mg/L之间，其他营养成分与实施例1相同。保持反应器内温度恒定，进水pH在7. 5-8. 0，溶解氧保持在％ig/L，提供上升气流1. 5cm/s,污泥龄15d。 稳定运行10天左右观察到有细砂状小颗粒污泥生成，40天后颗粒污泥成长为深棕色的颗粒污泥。反应器对氨氮的去除可达到99%，亚硝酸盐积累率达98%，出水NO2-N低于0. 5mg/ L，没有硝酸盐生成，进水的氨氮全部转化为亚硝酸盐，出水硝酸盐浓度在180-200mg/L。
权利要求
1. 一种联合FA和FNA双重抑制培养短程硝化颗粒污泥的方法，应用以下装置，该装置设有原水管(1)、进水水箱(2)、进水阀(3)、搅拌器(4)、鼓风机(5)、排水阀(6)、出水箱(7) 和SBR反应器(8)；首先原水经过原水管(1)进入到水箱(2)中，打开进水阀(3)，启动水泵将待处理的废水注入SBR反应器(8)，达到液位时，水泵停止运行；进水完毕，搅拌器(4)和鼓风机( 启动，开始曝气搅拌，进行好氧硝化反应，有机物进行降解，氨氮被氧化成亚硝酸盐；硝化结束后，停止曝气、搅拌，进行沉淀，沉淀获得的上清液中含有亚硝酸盐，经排水阀(6)进入出水箱(7)中；其特征在于利用上述装置通过FA和FNA的双重抑制培养短程硝化颗粒污泥的方法，包括以下步骤1)系统启动首先将接种污泥清洗，以除去残存的有机底物及杂质，然后将污泥投入到SBR反应器(8)中，污泥浓度在4000-6000mg/L ；2)将含有COD和氨氮的废水作为进水放置于进水箱O)中，废水经过进水阀C3)从反应器底部泵入，同时搅拌器(4)和鼓风机(5)同时启动，开始曝气搅拌，以提供颗粒污泥生长所需要的剪切力，进水PH在7. 5-8. 0之间；废水的具体成分是C0D的浓度在200mg/L至 800mg/L之间，Ρ0/–Ρ的浓度在^g/L至5mg/L之间，NH4+_N的浓度在50mg/L至500mg/L之间，相应的FA浓度为5mg/L至50mg/L之间；此外还加入微量元素以保证微生物的生长，其中 CaCl2 CH2O 0. 01g/L，MgSO4 ·7Η20 0. 02g/L，营养液!3ml/L，营养液包括!^eCl3 ·6Η20 1. 5g/ L, H3BO3 0. 15g/L, CuSO4 · 5H20 0. 03g/L, KI 0. 18g/L, MnCl2 · 4H20 0. 12g/L, Na2MoO4 · 2H20 0. 06g/L, ZnSO4 · 7H20 0. 12g/L, CoCl2 · 6H20 0. 15g/L, EDTA lOg/L ；3)每天运行4-6个周期，每个周期4-他，每个周期包含8min进水，3.5-5.证好氧曝气， 沉淀时间从15-lmin递减，5min排水和2-16min闲置时间；具体运行方式为阶段I，污泥驯化阶段沉淀时间15min，闲置时间^iin ；阶段II，颗粒污泥聚集阶段沉淀时间lOmin，闲置时间7min ；阶段III，颗粒污泥形成阶段沉淀时间5min，闲置时间12min ；阶段IV，颗粒污泥稳定阶段沉降时间为lmin，闲置时间16min ；反应结束后，氨氮全部氧化成亚硝态氮，生成的亚硝态氮浓度在720-780mg/L之间，对应的FNASO. 04-0. 05mg HN02_N/L，此浓度足以抑制亚硝酸盐氧化；富含有亚硝态氮的污水经过排水阀(6)排出；4)保持反应器温度在25-30°C，在曝气30min后，投加NaHCO3溶液，使pH保持在7.5 8. 0之间，溶解氧在3-5mg/L，提供上升气流1. 0-1. 5cm/s ；污泥龄12_15d ；经过30-50天的培养，进水中的氨氮全部氧化成亚硝态氮，在整个过程中没有硝态氮生成，镜检发现，反应器的污泥有原来的黑色絮状变成棕黄色的颗粒污泥，这标志着短程硝化颗粒污泥培养成功。
全文摘要
一种联合FA和FNA双重抑制培养短程硝化颗粒污泥的方法属于废水生物脱氮处理技术领域。本发明包括如下步骤接种絮状活性污泥到SBR中，将含有COD和氨氮的废水作为进水从反应器底部泵入，到达液位后，搅拌器和鼓风机启动，进行好氧硝化，有机物进行降解，氨氮被氧化成亚硝酸盐。硝化结束后，停止曝气、搅拌，进行沉淀，沉淀获得的上清液中含有亚硝酸盐，污水经排水阀排出。培养条件反应器温度25-30℃，曝气30min后，投加NaHCO3溶液，使pH保持在7.5～8.0之间，溶解氧在3-5mg/L，提供上升气流1.0-1.5cm/s，污泥龄12-15d。经过30-50天的培养获得短程硝化颗粒污泥。本发明可有效提高脱氮系统的去除效率，节省供氧量和反硝化碳源，减少污泥产量，缩小反应器容积，节省建设和运行费用。
文档编号C02F11/02GK102173504SQ20111006380
公开日2011年9月7日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者刘旭, 吴蕾, 彭永臻, 李凌云, 王淑莹 申请人:北京工业大学
