一种在连续流条件下处理低基质废水的SPNA一体式脱氮方法与流程

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种在连续流条件下处理低基质废水的spna一体式脱氮方法。

背景技术：

随着工业化、现代化进程的加快，水体污染和富营养化问题日益突出，污水处理技术从过去以单一去除有机污染物为目的的阶段，进入既要去除有机物同时更要进行同步深度脱氮的处理阶段。以控制水体富营养化为目的的生物脱氮工艺成为当今污水处理领域的研究热点。据统计，截止2011年，我国城镇污水处理厂达3135座，其中有90％以上城市污水处理厂采用a/o、a²o、氧化沟、sbr，城镇污水处理率达到85％，但大多数污水厂仍面临着占地面积大、能耗高、运行费用高但出水难达标(国家一级a排放标准(gb18918-2002))等问题，开发节能、降耗的新型城市污水的脱氮技术势在必行。

传统的生物脱氮工艺主要包括硝化和反硝化两步生化反应过程，其中硝化过程需要消耗能量来创造好氧环境从而实现氨氮向硝态氮的转化，同时首先将nh4⁺-n通过氨氧化细菌(aob)转化为no2^--n，之后通过亚硝酸盐氧化细菌(nob)将no2^--n转化为no3^--n；反硝化过程需要消耗有机物最终将硝态氮转化为氮气(需现将no3^--n转化为no2^--n再转化氮气)；另外传统生物脱氮工艺会产生大量的剩余污泥，而这部分剩余污泥的运输和处理费用很高，可占到整个污水处理厂投资和运行费用的20～40％，有的地方甚至达到60％以上。由此可见，传统生物脱氮工艺是一项高能耗的污水处理工艺，需要消耗现有能源为前提来实现污水的处理，其不符合节能、降耗、可持续的发展原则。

nh4⁺+0.85o2→0.11no3^-+0.44n2+1.14h⁺+1.43h2o(3)

厌氧氨氧化(anaerobicammoniumoxidation，anammox)作为一种新型的生物脱氮工艺，可以在厌氧或缺氧条件下，不需要有机碳源，通过厌氧氨氧化菌(anaob)将nh4⁺-n和no2^--n转化为n2和少量no3^--n(式1)；短程硝化(partialnitrification,pn)工艺是将硝化过程控制在亚硝化阶段(式2)，节省了硝化阶段no2^--n转化为no3^--n所需要的能量，也减少了反硝化no3^--n转化为no2^--n的过程，同时可以为anammox提供no2^--n，短程硝化+厌氧氨氧化工艺实现了最短及高效的氨氮转化为氮气的路径，整个过程无需外加有机碳源，并可节省60％的曝气量，90％以上的剩余污泥处理和运输费用，引发了污水生物脱氮工艺的技术革新。而如果将短程硝化与厌氧氨氧化过程放在同一反应器内进行，可称为一体式短程硝化厌氧氨氧化工艺(simultaneouspartialnitrificationanammox，spna)(可用式3表示)，可进一步减少占地面积，达到节能、降耗的目的。

现有spna工艺存在的问题主要有：一是现有工艺只能处理高nh4⁺-n浓度废水，高nh4⁺-n浓度提供较高的游离氨(freeammonium,fa)和游离亚硝酸(freenitrite,fna)，可以有效抑制nob的生长，达到短程硝化的目的，而在低基质的城市污水条件下，由于缺少了fa和fna对nob的抑制，很难实现稳定的短程硝化；二是现有对spna工艺只能在间歇式反应器(sbr)内进行，即：曝气阶段先进行短程硝化，之后缺/厌氧阶段进行厌氧氨氧化，最终在厌氧段结束后进行排水，实现氮的去除，而对于连续流条件下，持续的曝气会阻碍anaob菌活性(anaob为厌氧菌)，同时持续的曝气也会影响短程硝化稳定性，因此至今没有spna工艺在连续流条件下稳定运行的报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，解决现有spna工艺的不足，设计提供一种新型的将间歇曝气、包埋固定化技术与spna工艺组合应用的处理工艺，使其可以在连续流条件下稳定处理低基质生活污水。

为了实现上述目的，本发明在连续流条件下处理低基质废水的spna一体式脱氮过程为：

(1)在连续流条件下采用间歇曝气手段，实现spna工艺前半段稳定的短程硝化：先打开曝气装置5-30分钟，此时进行全程硝化，aob与nob都有活性，之后关闭曝气5-30分钟之后再次进行曝气，如此反复间歇曝气；

(2)采用包埋固定化手段，将硝化细菌或硝化污泥，以及厌氧氨氧化菌或厌氧氨氧化污泥采用包埋剂制作成包埋菌颗粒，采用上向流反应器，底部进水，上部出水，反应器底部放置硝化包埋菌颗粒，上部放置厌氧氨氧化菌包埋颗粒，硝化包埋菌颗粒和厌氧氨氧化菌包埋颗粒采用常规格网或塑料大孔球等手段进行分层后继续脱氮处理，实现在连续流条件下低基质废水的spna一体式脱氮处理。

本发明所述在连续流条件下采用间歇曝气手段，实现spna工艺前半段稳定的短程硝化的工作原理为：在关闭曝气的厌氧或无氧条件下，aob与nob都无活性，此时重新曝气，aob马上显示出活性，但nob的活性恢复需要5-30分钟，当nob活性即将恢复时，再次关闭曝气，nob活性再次受到抑制，如此反复间歇曝气，反应器中aob具有活性，但nob活性会持续受到抑制，最终被淘汰出反应体系，因此曝气阶段只有aob具有活性，反应工艺只进行短程硝化，即将nh4⁺-n氧化为no2^--n但并不会被进一步氧化为no3^--n，从而实现处理低基质浓度生活污水条件下的短程硝化。

本发明所述包埋剂采用人工高分子材料(如水性聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺等)或天然高分子材料(如明胶、卡拉胶、海藻酸盐等)以及二者的联用，之后通过常规凝胶体系(如过硫酸钾-四甲基乙二胺体系、饱和硼酸、氯化钙等凝胶体系)制作包埋菌颗粒。

本发明所述上向流反应器能用下向流或推流式反应器替代，在下向流或推流式反应器的进水口处安装曝气设备且放置硝化包埋菌颗粒，出水口前放置厌氧氨氧化包埋颗粒。

本发明将硝化包埋菌颗粒和厌氧氨氧化菌包埋颗粒进行分层有两个优点，一是将厌氧氨氧化菌包埋，可以有效抵抗溶解氧(do)对厌氧氨氧化菌的毒害作用，做到在连续流条件下间歇曝气，无氧阶段和有氧阶段都能进行稳定的厌氧氨氧化脱氮；二是放置的硝化包埋菌先进行短程硝化，进一步保护了上部厌氧氨氧化菌活性，可以使硝化细菌和厌氧氨氧化菌这两种分别好氧和厌氧的细菌存在于同一反应器内，并同时具有生物活性，同步进行反应，这是采用包埋固定化技术的优势，而非包埋的絮状污泥反应器无法具有这种优势。

本发明和现有技术相比，具有如下优点和效果：一是可以处理低基质浓度生活污水，传统spna工艺只能处理以高氨氮浓度进水的污水，主要是依靠高氨氮浓度污水中的游离氨(fa)抑制nob活性实现短程硝化，而本发明利用nob在由厌氧段(无曝气)转化为好氧曝气过程中，活性恢复存在延迟的原理，采用间歇曝气手段抑制nob活性，不但可以与传统spna工艺一样实现处理高氨氮浓度污水，也可在处理低基质浓度的生活污水时，实现稳定短程硝化；二是可在连续流条件下实现spna工艺在间歇曝气条件下的稳定出水，传统spna工艺主要通过间歇式反应器(sbr)进行，在连续流条件下，曝气阶段厌氧氨氧化菌活性是受到抑制的，因此在连续流条件下不能保证出水水质的稳定。本发明通过包埋固定手段，将厌氧氨氧化菌制作成包埋菌颗粒，有效抵御溶解氧的抑制作用，其原理是在实验中我们发现包埋菌外部会长有大量aob，aob消耗掉水中do，保护内部厌氧氨氧化菌活性；其次包埋菌为固体颗粒，可以方便的实现物理分层，即反应器底部放置硝化包埋菌，首先反应消耗do，之后上部厌氧氨氧化包埋菌反应，进一步防止了do对厌氧氨氧化菌的抑制，保证整个连续流间歇曝气条件下稳定的出水；三是提高生物量，有效解决菌体流失的问题，硝化细菌(aob、nob)与厌氧氨氧化细菌均为自养型微生物，生长缓慢且易随出水流出反应器，采用包埋固定化技术将硝化细菌与厌氧氨氧化菌制成包埋颗粒，有效防止菌体流失，增加反应器内生物量，保证spna工艺快速的启动和运行稳定。

附图说明：

图1为本发明上述厌氧氨氧化包埋菌clsm荧光图片，其中1为厌氧氨氧化菌，2为aob菌，厌氧氨氧化包埋菌外部的aob可有效消耗水中溶解氧，保证内部厌氧氨氧化菌活性。

图2为本发明所述上向流反应器的运行示意图，其中(1)为采用格网将硝化包埋菌与厌氧氨氧化包埋菌分隔，(2)为将硝化包埋菌和厌氧氨氧化包埋菌分别放入塑料大孔球中，再将塑料大孔球放入反应器，实现两种包埋菌颗粒的分隔。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例：

本实施例在连续流条件下处理低基质废水的spna一体式脱氮过程为：

(1)在连续流条件下采用间歇曝气手段，实现spna工艺前半段稳定的短程硝化：先打开曝气装置5-30分钟，此时进行全程硝化，aob与nob都有活性，之后关闭曝气5-30分钟之后再次进行曝气，如此反复间歇曝气；

(2)采用包埋固定化手段，将硝化细菌或硝化污泥，以及厌氧氨氧化菌或厌氧氨氧化污泥采用包埋剂制作成包埋菌颗粒，采用上向流反应器，底部进水，上部出水，反应器底部放置硝化包埋菌颗粒，上部放置厌氧氨氧化菌包埋颗粒，硝化包埋菌颗粒和厌氧氨氧化菌包埋颗粒采用常规格网或塑料大孔球等手段进行分层后继续脱氮处理，实现在连续流条件下低基质废水的spna一体式脱氮处理。

本实施例所述在连续流条件下采用间歇曝气手段，实现spna工艺前半段稳定的短程硝化的工作原理为：在关闭曝气的厌氧或无氧条件下，aob与nob都无活性，此时重新曝气，aob马上显示出活性，但nob的活性恢复需要5-30分钟，当nob活性即将恢复时，再次关闭曝气，nob活性再次受到抑制，如此反复间歇曝气，反应器中aob具有活性，但nob活性会持续受到抑制，最终被淘汰出反应体系，因此曝气阶段只有aob具有活性，反应工艺只进行短程硝化，即将nh4⁺-n氧化为no2^--n但并不会被进一步氧化为no3^--n，从而实现处理低基质浓度生活污水条件下的短程硝化。

本实施例所述包埋剂采用人工高分子材料(如水性聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙二醇、聚丙烯酰胺等)或天然高分子材料(如明胶、卡拉胶、海藻酸盐等)以及二者的联用，之后通过常规凝胶体系(如过硫酸钾-四甲基乙二胺体系、饱和硼酸、氯化钙等凝胶体系)制作包埋菌颗粒。

本实施例所述上向流反应器能用下向流或推流式反应器替代，在下向流或推流式反应器的进水口处安装曝气设备且放置硝化包埋菌颗粒，出水口前放置厌氧氨氧化包埋颗粒。