一种常温高氨氮全程自养脱氮工艺启动及高效运行方法
【专利摘要】一种常温高氨氮全程自养脱氮工艺启动及高效运行方法，属于水环境恢复与再生领域。全程自养脱氮（CANON）滤柱反冲洗的污泥接种到反应器，常温条件下经过挂膜阶段，变基质启动阶段、高效运行阶段三个阶段，在150天之内，达到处理780-820mg/L高氨氮污水的水平，总氮平均去除负荷达到3.03kg·m-3·d-1，这比日本的Furukawa等人（0.83kg·m-3·d-1）、西班牙的Vazquez-Padin（0.5kg·m-3·d-1）要高出数倍。
【专利说明】一种常温高氨氮全程自养脱氮工艺启动及高效运行方法【技术领域】[0001]本发明属于水环境恢复与再生领域。具体涉及用于各种常温、高氨氮污水生物膜法全程自养脱氮(CANON)工艺启动及高效运行的方法。【背景技术】[0002]全程自养脱氮工艺是指在好氧条件下，首先好氧氨氧化菌以O2为电子受体，以 NH4+-N为电子供体将NH4+氧化为NO2--N,同时厌氧氨氧化细菌以NO2--N为电子受体，将 NH/-N直接氧化为N2的过程。该工艺为全程自养脱氮过程，能处理只含有NH4+-N的污水，同传统的脱氮过程相比，无需外加碳源，能够节约大量能耗，且污泥产量小，具有广阔的应用前景。[0003]自从荷兰代尔夫特发现厌氧氨氧化技术并基于厌氧氨氧化技术开发出CANON等全程自养脱氮工艺后，全程自养脱氮工艺在荷兰、德国和亚洲的许多地方得到了广泛的应用，其反应器形式多种多样，处理效果差异大，但均高于传统的生物脱氮途径。[0004]近年来，国内外对于全程自养脱氮工艺进行了深入的研究并取得了一定的成果。 日本的Furukawa等人在反应条件为中高温30-35°C,氨氮浓度为600-1000mg/L, pH=7.5, 分别获得了较高的总氮去除负荷和总氮去除率，达到了 0.83kg.m_3.Cf1和91% ;瑞典的 J.D.Villegas等在温度为30°C，pH为7.5，DO为I~3mg/L条件下采用10倍稀释厌氧消化液NH4+-N=2.5g/L，采用CSTR (带有Biofilm载体)反应器接种具有亚硝化活性污泥在40 天有明显总氮损失，之后不断降低稀释倍数，最终总氮去除负荷可达0.33kg.m-3.cf1，总氮去除率可达80% ;西班牙的Vazquez-Padin等采用SBR反应器,最终去除效果为80%,去除负荷平均为0.5kg.m_3.Cf1。可见目前全程自养脱氮工艺主要应用于高温高氨氮领域，并且普遍存在着处理负荷较低的问题，对于常温高氨氮污水的处理还有待进一步研究。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种处理高氨氮废水的生物膜法全程自养脱氨工艺启动及高效运行的方法。[0006]本发明中，首先提高进水基质浓度，使反应器对于高氨氮基质环境充分适应，之后再提高进水负荷，使反应器达到更高的处理能力，在过程中，滤池对于由于进水流量和上升气速增加带来的高流速适应较其对于变化基质环境的适应更为重要。[0007]本发明适用于16_24°C常温条件，从处理高温中高氨氮的全程自养脱氮工艺，成功启动处理常温高氨氮污水的全程自养脱氮生物滤池；总氮去除率即氮素减少量与进水氮素总质量之比，总氮去除负荷即单位体积反应器每天所去除的氮素质量；方法的具体步骤如下:[0008]步骤一:反应器挂膜阶段 [0009]反应器采用火山岩填料，接种CANON滤柱反冲洗出来的絮状污泥。进水总氮质量浓度380-420mg/L，氨氮与亚硝酸盐氮质量浓度比为1:1，CaCO3碱度质量浓度800-1000mg/Lo采用间歇运行方式，设一台螺动泵，泵速70-130rpm/min,从反应器上部抽水,经底部回流进反应器，运行4-6周期，每周期I天。当总氮去除率超过50%并稳定运行3天以上认为挂膜成功。[0010]步骤二:变基质启动阶段[0011]本阶段运行方式为连续进水和连续出水,进水总氮质量浓度280-320mg/L，氨氮与亚硝酸盐氮质量浓度比值为2:1，控制反应器初始断面上升滤速0.45-0.55cm/min，总氮去除率仅有10-20%,总氮去除负荷0.36-0.4kg.m_3.d-1。当总氮去除率升高到20%以上并稳定3天以上后，进水总氮变为全部是氨氮，质量浓度为180-220mg/L，此时开始曝气提供溶解氧，控制初始溶解氧DO浓度0.2-0.4mg/L ;逐次升高其进水总氮质量浓度，每次升高30%-100%，同时调整反应器上升滤速，使总氮去除负荷维持在上阶段结束时负荷的 80%-100%，溶解氧的调节根据总氮消耗量与硝酸盐氮生成量的比值决定，当比值大于8且出水亚硝酸盐氮浓度小于10mg/L并稳定7天以上，提高溶解氧，每次提高50%-80%。为实现变基质过程，当总氮去除率连续7天以上超过70%后进行下一步调整，继续升高其进水总氮质量浓度，直至760-840mg/L。当总氮去除率连续10天超过80%时，变基质启动阶段成功。[0012]步骤三:高效运行阶段[0013]控制进水总氮质量浓度7 60-840mg/L，进水CaCO3碱度质量浓度3200_3600mg/L， 以上升滤速为控制指标。初始上升滤速为0.14-0.16cm/min，逐次提高上升滤速，每次提高0.03-0.06cm/min,当总氮去除率连续7天以上超过80%,进入下一轮提升。溶解氧的调整根据总氮消耗量与硝酸盐氮生成量的比值决定，当比值大于8且出水亚硝酸盐氮浓度小于10mg/L时,提高溶解氧,每次提高50%-80%。当总氮去除率连续7天以上都不能达到 80%时，认为调整前上升滤速达到极限，极限上升滤速最终可达到0.3-0.36cm/min，溶解氧5.5-6.0mg/L,总氮去除负荷能达到2.8-3.2kg.m_3.cf1，维持反应器在极限滤速的工况下运行。[0014]与现有的全程自养脱氮工艺相比较，本发明具有以下有益效果:[0015]I)本发明创造性的提出了间歇运行方式挂膜，使得生物附着成功率大大提高；[0016]2)本发明提出了依据总氮消耗量与硝酸盐氮生成量的比值以及亚硝酸盐氮浓度联合控制溶解氧的方法，并给出了选用原则；[0017]3 )本发明提供了在常温高基质条件下，全程自养脱氨工艺运行及维护的策略与方法。[0018]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。【专利附图】
【附图说明】:[0019]图1是本发明采用的全程自养脱氮试验装置示意图[0020]图2是采用本发明方法的反应器在第129、130两天实验总氮变化与已去除负荷占总去除负荷百分比随滤层高度变化图，有效率层深度为总滤层深度的64%，应选用断面上升滤速作为控制参数[0021]图3是采用本发明方法反应器的总氮负荷和浓度图，每次变基质前去除负荷为之前阶段的80-100%[0022]图4是采用本发明方法反应器的总氮去除率和运行参数图，每次变基质前总氮去除率均已连续7天以上超过70%，每次提高溶解氧前Λ TN/Δ NO3^N大于8并且出水亚硝酸盐氮浓度少于10mg/L超过7天。【具体实施方式】[0023]实施例1[0024]试验过程中温度始终恒定在16_24°C，试验装置为以火山岩为填料的生物滤池，如图1所示。试验装置由有机玻璃制成，内径28cm，高1.2m,总容积74L，有效容积64L。反应器采用圆柱形反应器，径深比为1:3-1: 8，装填粒径8-15mm的火山岩滤料，不均匀系数小于1.2，接种CANON滤柱反冲洗出来的絮状污泥。柱内装填火山岩填料，装填高度为1.lm，装填粒径为7-9mm。反应器底部装有曝气环，滤池壁上每IOcm设有一个取样口，采用蠕动泵进水，水流方向为上向流，最上端设有出水口。[0025]反应器接种CANON滤柱反冲洗出来的絮状污泥，经过147天的培养，反应器经过一系列的改变负荷和运行条件的情况下，成功启动并能稳定运行。[0026]首先是挂膜阶段，在进水氨氮和亚硝酸盐氮质量浓度比为1:1，总氮TN为 390-420mg/L,进水CaCO3碱度质量浓度为900mg/L的条件下采用间歇运行方式，具体为用一台蠕动泵，从反应器上部抽水，再从反应器底部循环进入反应器，泵速lOOrpm/min，运行 5个周期，每个周期I天，各个运行周期之间没有闲置时间，使接种的污泥能成功附着在滤料上，经过5个周期的运行总氮去除率超过50%并能稳定运行3天。[0027]挂膜完毕后进入变基质启动阶段，反应器运行方式变为连续进水、连续出水。第一步降低进水总氮至290-300mg/L,氨氮和亚硝酸盐氮质量浓度之比2:1, CaCO3碱度质量浓度为1000mg/L，这时控制断面上升滤速为0.49cm/min，初始总氮去除率只有18.1%，总氮去除负荷0.36kg.m_3.cf1，运行7天后总氮去除率升高到20%以上并能稳定运行3天。第二步进水总氮只有氨氮，进水总氮降低至190-220mg/L，CaCO3碱度质量浓度为1000mg/L， 此时开始曝气提供溶解氧，初始溶解氧浓度0.3mg/L,上升滤速降低到0.36cm/min,该阶段初始总氮去除负荷NRR为上一阶段结束时的96%，经过34天运行总氮平均去除负荷达到0.78kg.π-3.cf1,溶解氧的调节根据总氮消耗量与硝酸盐氮生成量的比值决定，当比值大于 8且出水亚硝酸盐氮浓度小于10mg/L并稳定7天以上，提高溶解氧，第25天溶解氧提高50% 达到0.45mg/L，第36天提高66%达到0.75mg/L。第三步升高进水总氮质量浓度为上一阶段的150%，达到280-320mg/L，CaCOJ^度质量浓度为1300mg/L，降低上升滤速到0.28cm/min, 总氮去除负荷为上一阶段的85%，经过19天时间，去除负荷提升至1.02kg.π-3 ?0-1，去除率超过70%，第59天溶解氧提高60%达到1.2mg/L。第四步提高总氮质量浓度为上一阶段的 200%，达到590-610mg/L，CaCO3碱度质量浓度为2600mg/L，降低上升滤速到0.21cm/min,总氮去除负荷为上一阶段的94%，经过15天时间，总氮去除负荷达到了 1.32kg.π-3 ^cT1,去除率超过70%，第69天溶解氧提高58%达到1.9mg/L。第五步提高总氮质量浓度为上一阶段的133%，达到780-820mg/L，CaCOJ^度质量浓度为3350mg/L，上升滤速降低到0.15cm/min, 总氮去除负荷为上一阶段的80%，经过29天时间，总氮去除负荷达到了 1.41kg.π-3 ^cT1,总氮去除率超过80%并能稳定运行10天，此时溶解氧达到1.9mg/L，变基质启动阶段成功。[0028]高效运行阶段，本阶段进水总氮质量浓度780_820mg/L，CaCO3碱度质量浓度为3350mg/L，通过提高断面上升滤速和溶解氧使得反应器的总氮去除负荷提高。第一步上升 滤速提高到0. 203cm/min，溶解氧增大至IJ 3. Omg/L,初始总氮去除负荷为1. 66kg ? nT3 ? cf1, 经过11天运行，总氮去除负荷能达到2. 0kg ? m_3 ? cf1，总氮去除率能达到80%且能稳定运 行7天。第二步在上一步的基础上提升上升滤速0. 05cm/min,达到0. 252cm/min,溶解氧增 大到4. 8mg/L,经过9天运行,总氮去除负荷能达到2. 5kg ? nT3 ? cf1,总氮去除率能达到80% 且能稳定运行7天。第三步上升滤速达到0. 305cm/min,溶解氧增大到5. 6mg/L,经过11天 运行，总氮去除负荷能达到3. 03kg ?cf1，总氮去除率能达到80%且能稳定运行7天。第 四步上升滤速达到0. 357cm/min，但是经过15天运行，总氮去除率一直没有达到80%。所以 最终当上升滤速达到0. 305cm/min,溶解氧浓度5. 6mg/L时，达到稳定高效的全程自养脱氮 效果，此时总氮平均去除率达到87%，接近理论全程自养脱氮89%的总氮去除率，总氮去除 负荷高达3. 03kg ?nT3 ? cf1，高于大部分国内外研究成果。维持反应器在极限上升滤速的工 况下运行，能持续稳定运行。
【权利要求】
1.一种常温高氨氮全程自养脱氮工艺启动及高效运行方法，其特征在于:.O挂膜阶段:反应器采用火山岩填料，接种CANON滤柱反冲洗出来的絮状污泥；进水总氮TN质量浓度380-420mg/L，氨氮与亚硝酸盐氮质量浓度比为1:1，CaCO3碱度质量浓度 800-1000mg/L ;采用间歇运行方式，设一台蠕动泵，泵速70-130rpm/min，从反应器上部抽水，经底部回流进反应器，运行4-6周期，每周期I天；当总氮去除率超过50%并稳定运行3 天以上认为挂膜成功；2)变基质启动阶段:本阶段运行方式为连续进水和连续出水，进水总氮质量浓度 280-320mg/L，氨氮与亚硝酸盐氮质量浓度比值为2:1，控制反应器初始断面上升滤速.0.45-0.55cm/min,总氮去除率仅有10-20%,总氮去除负荷0.36-0.4kg.πm3.0-1 ;当总氮去除率升高到20%以上并稳定3天以上后，进水总氮变为全部是氨氮，质量浓度为180-220mg/ L，此时开始曝气提供溶解氧，控制初始溶解氧DO浓度0.2-0.4mg/L ;逐次升高其进水总氮质量浓度，每次升高30%-100%，同时调整反应器上升滤速，使总氮去除负荷维持在上阶段结束时负荷的80%-100%，溶解氧的调节根据总氮消耗量与硝酸盐氮生成量的比值决定，当比值大于8且出水亚硝酸盐氮浓度小于10mg/L并稳定7天以上，提高溶解氧，每次提高 50%-80% ;为实现变基质过程，当总氮去除率连续7天以上超过70%后进行下一步调整，继续升高其进水总氮质量浓度，直至760-840mg/L ;当总氮去除率连续10天超过80%时，变基质启动阶段成功；3)高效运行阶段:控制进水总氮质量浓度760-840mg/L，进水CaCO3碱度质量浓度 3200-3600mg/L,以上升滤速为控制指标；初始上升滤速为0.14-0.16cm/min，逐次提高上升滤速，每次提高0.03-0.06cm/min,当总氮去除率连续7天以上超过80%,进入下一轮提升；溶解氧的调整根据总氮消耗量与硝酸盐氮生成量的比值决定，当比值大于8且出水亚硝酸盐氮浓度小于10mg/L时，提高溶解氧，每次提高50%-80% ;当总氮去除率连续7天以上都不能达到80%时，认为调整前上升滤速达到极限，维持反应器在极限滤速的工况下运行。
【文档编号】C02F3/30GK103601297SQ201310576762
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月17日 优先权日:2013年11月17日
【发明者】李冬, 苏庆岭, 吴青, 梁瑜海, 曾辉平, 张 杰 申请人:北京工业大学