专利名称：一种常温低氨氮cstr部分亚硝化出水氮素比例调控方法
技术领域：
本发明属于城市污水处理与资源化领域。具体涉及到常温条件下连续流完全混合式(CSTR)反应器处理低氨氮废水的部分亚硝化工艺稳定运行及控制适宜出水比例的方法，使CSTR在较高亚硝化率的条件下获得亚硝酸盐氮/氨氮为fl. 32:1的出水，以满足厌氧氨氧化工艺的进水需求。
背景技术：
控制污废水中氮素污染的问题是目前水污染控制领域的重要课题之一，且研究新型的节能降耗废水脱氮技术已成为水污染控制领域的热点问题。传统的硝化——反硝化工艺是一项较成熟且应用最为广泛的废水生物脱氮技术，但其存在的问题也日益凸显硝化反应需要的时间长且消耗的溶解氧量多；反硝化过程需外加碳源，抗冲击负荷能力弱，需进行酸碱中和等。部分亚硝化一厌氧氨氧化(Anammox)工艺与传统生物脱氮工艺相比仅将50°/Γ60%的ΝΗ/-Ν氧化至亚硝酸盐氮(Ν02_-Ν)，防止硝酸盐氮(Ν03_-Ν)的产生，在Anammox反应器中，于厌氧条件下无需外加碳源，直接将比例为Γ1. 32:1的NO2--N和ΝΗ4+-Ν转化为N2释放到大气中，实现氮素的去除。其具有耗氧量少，无需外加碳源，污泥产量低等优点而受到越来越多的研究者的青睐和关注。部分亚硝化工艺是实现Anammox自养脱氮的关键所在，需为厌氧氨氧化提供亚硝酸盐氮/氨氮1-1. 32:1的进水。但由于氨氧化菌(AOB)的自身特点，常温、低ΝΗ/-Ν废水与AOB的理想生长环境有较大差距，故该环境条件下的亚硝酸盐氮积累效果较难稳定维持。近年来亚硝化工艺的研究主要采用间歇式活性污泥法，而对于完全混合式连续流(CSTR)工艺的研究较少。由于CSTR反应器内不存在浓度梯度且反应器内无特定指示参数等特点，故如何维持系统的亚硝化效果及控制恒定的出水比例这一问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种常温条件下CSTR部分亚硝化工艺稳定、高效运行的方法，基于溶解氧(DO)或DO和水力停留时间(HRT)双重控制的原理而保证CSTR在较高的亚硝化率的条件下获得亚硝酸盐氮/氨氮为广I. 32:1的出水。本发明所提供的运行方法，是在常温条件下，以人工配置的低氨氮浓度废水为研究对象，主要通过DO或HRT和DO的同步控制来实现CSTR部分亚硝化反应器的高效、稳定运行。具体步骤如下步骤一 CSTR反应器搭建按照进水至出水的顺序依次设置水箱、曝气池和沉淀池。污水通过进水泵从水箱泵入曝气池，曝气池出水口经管道连通至沉淀池中心管，通过污泥回流泵将沉淀池内的污泥抽回至曝气池。曝气量通过转子流量计控制，完全混合式反应池内设置DO、pH和温度探头，对反应池内的参数进行监测。设置进水及回流流量计，便于HRT的调控。步骤二 CSTR反应器启动CSTR启动采用四阶段方式启动。接种城市污水处理厂曝气池硝化污泥，控制污泥浓度在 3000-4000mg/L，温度在 17_25°C。第一阶段，硝化性能强化阶段，采用SBR方式运行，控制进水氨氮浓度100-120mg/L，pH为7. 70-8. 00，DO为2. 0-3. Omg/L，进行周期实验，即每30min取水样一次，测定氨氮、亚硝酸盐及硝酸盐浓度。在氨氮剩余少于进水氨氮的10%前，停止曝气，确定反应时间，控制沉淀时间在O. 5-lh，排水，并以此确定SBR周期。计算一个周期内的氨氮氧化负荷，当氨氮氧化负荷(ALR)达到O. 20kgN/kgMLSS/d以上时，认为污泥硝化活性较高，本阶段结束进入下一阶段。第二阶段，SBR高氨氮亚硝化启动阶段，采用SBR方式运行，控制进水氨氮浓度180. 0 250· Omg/L, pH 为 7. 70 8· 00，DO 为 O. 50 0· 90mg/L,以高游离氨(FA)抑制 NOB 的生长。通过周期实验确定SBR周期，在氨氮剩余少于进水氨氮的10%前停止曝气，防止因延时曝气将已积累的亚硝酸盐被进一步氧化以利于NOB增殖。控制沉淀时间在O. 5-lh。当反应器亚硝化率(生成的亚硝酸盐氮/生成的亚硝酸盐氮、硝酸盐氮之和)连续7个周期达到90%以上，认为亚硝化反应器启动成功，进入下一阶段。第三阶段，SBR低氨氮亚硝化适应阶段，采用SBR方式运行，控制进水氨氮浓度为70. 0^90. Omg/L, pH为 · 60^7. 90，DO浓度为(λ 30^0. 50mg/L,通过周期实验确定周期，在氨氮剩余少于进水氨氮的10%前停止曝气，沉淀时间0. 4-0. 5h。当反应器连续10天亚硝化率在90%以上时，认为低氨氮亚硝化启动成功，进入下一阶段。第四阶段，SBR转CSTR运行阶段。利用SBR与CSTR污泥的氨氮氧化负荷不变，通过SBR控制参数确定CSTR控制参数。计算SBR低氨氮运行期连续10天亚硝化率在90%以上时的平均氨氮氧化负荷，采用该值的80%-100%作为CSTR氨氮氧化负荷ALR，设定氨氮氧化率为50%-60%，确定反应器的进水流量及HRT，且初始HRT在3. (T9. Oh,控制进水氨氮浓度70. 0 90· 0mg/L, pH为7. 60 7· 90，反应器内DO在0. 20 0· 50mg/L,污泥回流比为进水流量的10 30%。步骤三单控DO控制CSTR出水氮素比例策略以D0/ALR作为亚硝化系统维系的标志性参数推荐其值不大于I. 0mg02/gNd,以此作为DO与HRT调控标准。根据CSTR初期确定的ALR，进而确定DO上限值，在值域内调整D0，以调控出水亚硝酸盐和氨氮比例。当出水N02_-N/NH4+-N值大于I. 32时，降低反应器内DO浓度，当出水N02_-N/NH4+-N值小于I时，增大反应器内DO浓度至该比例在f I. 32:1范围内为止。每次DO改变不超过0. lmg/L，每次改变至少间隔3d。当出水氮素比例达到f I. 32:1，氨氮氧化负荷平均7天达到0. 20kgN/kg MLSS/d以上时，认为CSTR部分亚硝化氮素比例调控成功，若DO达到上限时，比例不能达到要求，或者比例达到要求但氨氮氧化负荷需进一 步提高，则需同步调控HRT与DO。通过测定出水氮素，调控DO虽然具有精度高的优点，但氮素测定较麻烦，并且不具有实时的操作性。通过研究表明，可通过对进出水PH值做差，得出ΛρΗ，利用ΛρΗ与出水亚硝酸盐与氨氮比值呈线性关系，推测出水比例，进而可更快速、更直观对反应器控制参数DO进行调整。以X为Λ pH, y为出水N02_-N/NH4+-N比例，建立y=ax线性关系，a为I. 5^2. O。
步骤四双控HRT与DO控制CSTR出水氮素比例策略以D0/ALR不大于I. Omg 02/gN d为标准，降低HRT会增大ALR，系统DO上限提高，每次HRT降低幅度为O. 5^1. Oh,每次调整间隔不少于10d，改变HRT后，以D0/ALR计算DO上限值，在值域内调整D0，以调控出水亚硝酸盐和氨氮比例。每次DO改变不超过O. lmg/L，每次改变至少间隔3d。当出水氮素比例达到f I. 32:1，氨氮氧化负荷平均7天达到O. 20kgN/kg MLSS/d以上时，认为CSTR部分亚硝化氮素比例调控成功。比较不同HRT下的出水N02_-N/NH4+-N及氨氮氧化速率(a) /亚硝酸盐氮生成速率(b)、亚硝酸盐氮生成速率(b)/硝酸盐氮生成速率(C)。不同工况的出水比例均值若均在Γ1. 32:1之间，则当b/a > O. 9且越接近I. O, b/c越大者，则越适宜作为系统长期运行的工况。与现有废水生物脱氮的处理方法相比较，本发明具有以下有益效果I)与传统硝化反硝化工艺相比，节省了曝气量，其出水通入Anammox工艺无需投加碳源，大大降低了废水处理的成本并缩短了反应时间，降低了反应器体积。2)反应器启动采用间歇运行、恒定曝气时间、高基质浓度向低基质浓度过渡的方式，短期内即可实现亚硝化反应器的快速启动。3)通过DO或HRT与DO的联合调控，获得了稳定的出水比例，使部分亚硝化技术在连续流反应器中的实现成为可能。4)提出了适宜判断CSTR部分亚硝化工艺处理效果的指示参数，并给出了二者之间的关系式。以下结合具体实施方式
对本发明做进一步描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
图I是完全混合式连续流试验装置示意图，其中I.水箱、2. CSTR反应器、3. 二沉池、4.进水泵、5.回流污泥泵、6.搅拌机、7.溶解氧在线测定仪、8.溶解氧探头、9. pH在线测定仪、10. PH探头、11.超声静音可调式气泵、12.曝气环。
图2是本发明采用间歇运行、恒定曝气时间、高基质浓度向低基质浓度过渡的方式启动反应器的效果图。图3是本发明在恒定HRT下，通过调控DO获得稳定出水比例的效果图。图4是本发明采用DO和HRT联合调控，获得稳定出水比例的效果图。图5是CSTR反应器进出水pH差值与出水比例的拟合关系曲线。
具体实施例方式试验以人工配置的低氨氮废水为基础用水并向其中添加部分原水，试验具体水质如下C0D < 50mg/L, ΝΗ4+_Ν=60· 8 85. Omg/L, NOf-N、NOf-N < 5. Omg/L, pH=7. 70 8. 20，TP
<I. Omg/L。温度为 17. 0 23· (TC。具体处理如下实施例I如图2所示，依据步骤二，污泥初始硝化性能较好，氨氮氧化负荷为0. 2kgN/kgMLSS/d。直接进入第二阶段，控制初始氨氮浓度在187. (Γ238. Omg/L, pH为7. 80，反应器内DO为O. 40mg/Lo保证出水氨氮浓度剩余70. Omg/L,依周期试验确定曝气时间为8h,每天2周期，经过34周期亚硝化率达到90%以上，而后运行7个周期，亚硝化率均在90%以上，亚硝化反应器启动成功进入第三阶段。控制进水氨氮浓度为71. 7^84. 6mg/L，依据周期试验确定曝气时间为5h，每天运行2周期，运行10d，亚硝化率均在90%以上，可转换运行方式。实施例2如图3所示，SBR低氨氮运行期的氨氮 转化负荷为O. 2kgN/kgMLSS/d,以该值为依据，当进水NH4+-N为75. Omg/L时，去除部分氨氮的量设定为38mg/L，V=30L，初始HRT为3. 0h，DO浓度为0. 35mg/L。依据步骤三，第I、2天DO为0. 35mg/L时出水Ν02、Ν/ΝΗ4+-Ν
<1.0，故于第三天增大00浓度至0.4511^/1，此时出水勵2-4/順4+4在1 1.32:1间。而当第9天DO浓度为0. 39mg/L时，出水比例为I. 63 > I. 32，故应降低DO浓度。在HRT=3. Oh下运行34d，该阶段出水N02_-N/NH4+-N在f I. 32:1间的时间长于7d，认为出水Ν02_-Ν/ΝΗ4+_Ν调控成功，并确定出水NCV-N/NH/-N在f I. 32:1间时对应的D0/ALR为0. 75mg02/g N d
<I. 0mg02/g N d，保证了该阶段亚硝化率均值为96%。实施例3如图4所示，为提高反应器的氨氮氧化负荷，仍控制恒定的D0/ALR值为0.75mg02/g N d，依据步骤四，HRT从上阶段的3. Oh降至2. 5h。采取步骤三的DO浓度调整方法，在第53飞2d出水比例均值为I. 04，认为出水比例调控成功且该阶段氨氮转化负荷达到0. 27kgN/ (kgMLSS-(I)0继续提高反应器的氨氮氧化负荷，HRT降至I. 5h，仍采取步骤三的DO浓度调整方法。第88、8d出水比例均值为I. 18，认为出水比例调控成功，该阶段氨氮转化负荷达到 0. 54kgN/ (kgMLSS · d)。当HRT为3. Oh、2. 5h和I. 5h时平均亚硝酸盐氮增长速率与平均硝酸盐氮的增长速率的比值b/c分别为22. 829、13. 673和16. 080，平均亚硝酸盐氮增长速率与平均氨氮氧化速率的比值b/a分别为:0· 913,0. 888和0. 894。HRT=3. Oh时的平均b/c较高且b/a >0. 9更接近于1，因此确定HRT=3. Oh更适宜作为亚硝化系统长期的运行工况。实施例4因为HRT=L 5h时反应器内污泥浓度波动较大，影响了 DO的测定，故只对前70d的进出水PH值进行测定。反应器的Λ pH与出水比例的关系大致满足下式设X为ApH，y为出水N02--N/NH4+-N比例，对二者进行拟合，得出y=l. 62467x的关系式。当ΛρΗ在0. 62、· 81范围内时，出水比例在广I. 32:1间，若观测的Λ pH < 0. 62，应在恒定HRT下增大DO浓度；若观测的Λ pH > 0. 81，则应在恒定HRT下降低DO浓度。
权利要求
1.一种常温低氨氮CSTR部分亚硝化出水氮素比例调控方法，其特征在于 DCSTR四阶段启动接种城市污水处理厂曝气池硝化污泥，污泥浓度在3000-4000mg/L ;第一阶段，硝化性能强化阶段，采用SBR方式运行，控制进水氨氮浓度100-120mg/L，pH为7. 70-8. 00，DO为2. 0-3. Omg/L，在氨氮剩余少于进水氨氮的10%前，停止曝气，确定反应时间，控制沉淀时间在0. 5-lh，排水，直到氨氮氧化负荷达到0. 20kgN/kgMLSS/d以上；第二阶段，SBR高氨氮亚硝化启动阶段，采用SBR方式运行，控制进水氨氮浓度180. (T250. Omg/L，pH为7. 70 8. 00，DO为0. 50 0. 90mg/L,在氨氮剩余少于进水氨氮的10%前，停止曝气，控制沉淀时间在0. 5-lh，排水，直到反应器亚硝化率，即生成的亚硝酸盐氮与生成的亚硝酸盐氮、硝酸盐氮之和的比值，连续7天达到90%以上；第三阶段，SBR低氨氮亚硝化适应阶段，采用SBR方式运行，控制进水氨氮浓度70. 0 90. Omg/L, pH为7. 60 7. 90，DO为·0.30、. 50mg/L,在氨氮剩余少于进水氨氮的10%前，停止曝气，沉淀时间0. 4-0. 5h，排水，直到反应器连续10天亚硝化率在90%以上；第四阶段，SBR转CSTR运行阶段，计算SBR低氨氮运行期连续10天亚硝化率在90%以上时的平均氨氮氧化负荷,采用该值的80%-100%作为CSTR氨氮氧化负荷ALR，设定氨氮氧化率为50%-60%，确定反应器的进水流量及HRT，且初始HRT在3. 0 9. 0h，控制进水氨氮浓度70. 0^90. Omg/L,pH为7. 60 7. 90，反应器内DO在0. 20、. 50mg/L，污泥回流比为进水流量的10 30% ； 2)单控DO控制CSTR出水氮素比例策略以D0/ALR作为亚硝化系统维系的标志性参数其值不大于I. 0mg02/gN d，以此作为DO与HRT调控标准；根据CSTR初期确定的ALR，进而确定DO上限值，在值域内调整D0，以调控出水亚硝酸盐和氨氮比例；每次DO改变不超过0. lmg/L，每次改变至少间隔3d ;当出水氮素比例达到f I. 32:1，氨氮氧化负荷平均7天达到0. 20kgN/kg MLSS/d以上时，认为CSTR部分亚硝化氮素比例调控成功，若DO达到上限时，比例不能达到要求，或者比例达到要求但氨氮氧化负荷需进一步提高，则需同步调控HRT 与 DO ； 3)双控HRT与DO控制CSTR出水氮素比例策略以D0/ALR不大于I.0mg02/gN d为标准，降低HRT，会增大ALR，系统DO上限提高，每次HRT降低幅度为0. 5^1. Oh,每次调整间隔不少于10d，改变HRT后，以D0/ALR计算DO上限值，在值域内调整D0，以调控出水亚硝酸盐和氨氮比例；每次DO改变不超过0. lmg/L，每次改变至少间隔3d ;当出水氮素比例达到ri. 32:1，氨氮氧化负荷平均7天达到0. 20kgN/kg MLSS/d以上时，认为CSTR部分亚硝化氮素比例调控成功； 4)不同HRT与DO组合亚硝化稳定性比较比较不同HRT下的出水N02_-N/NH4+_N及氨氮氧化速率(a) /亚硝酸盐氮生成速率(b)、亚硝酸盐氮生成速率(b) /硝酸盐氮生成速率(c);不同工况的出水比例均值若均在f I. 32:1之间，则当b/a >0.9且越接近I. 0，b/c越大者，则越适宜作为系统长期运行的工况。
全文摘要
一种常温低氨氮CSTR部分亚硝化出水氮素比例调控方法属于城市废水处理与资源化领域。采用四阶段启动，以SBR低氨氮运行期间氨氧化负荷的80%-100%作为CSTR的初始氨氧化负荷，确定CSTR的HRT。以DO/ALR作为亚硝化系统维系的标志性参数，推荐其值不大于1.0mgO2/g N d，以此作为DO与HRT调控标准。先恒定HRT单控DO，若不能达到比例或氨氧化负荷不足，可同步调控HRT与DO。比较出水NO2--N/NH4+-N及氨氮氧化速率(a)/亚硝酸盐氮生成速率(b)、亚硝酸盐氮生成速率(b)/硝酸盐氮生成速率(c)。不同工况的出水比例均值若均在1~1.32:1之间，则当b/a＞0.9且越接近1.0，b/c越大者，则越适宜作为系统长期运行的工况。本发明保证CSTR反应器出水NO2--N/NH4+-N在1~1.32:1间，以满足厌氧氨氧化工艺的进水需求。
文档编号C02F101/16GK102701441SQ201210152750
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月16日 优先权日2012年5月16日
发明者仲航, 刘丽倩, 吴迪, 周利军, 孙宇, 崔少明, 张功良, 张昭, 张 杰, 曾辉平, 李冬, 李德祥, 杨卓, 王斌, 苏东霞, 高伟楠 申请人:北京工业大学