一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥培养装置及方法与流程

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥的培养装置及方法，适用于含氨氮污水的处理。

背景技术：

由于厌氧氨氧化(anammox，anaerobicammoniumoxidation)具有无需有机碳源、产泥量少等优势，基于anammox的技术和工艺在废水生物脱氮领域得到广泛关注。该技术常与传统脱氮技术耦合使用，使脱氮效率大大提高。其中，部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺(pna，partialnitritation/anammox)是处理城市污水的主要方式。该过程主要分为两个步骤。首先，氨氧化菌(aob，ammoniumoxidationbacteria)在好氧或微氧状态下将氨氮部分氧化为亚硝酸盐氮，之后，厌氧氨氧化菌(anaob，anaerobicammoniumoxidationbacteria)利用亚硝酸盐氮作电子受体，氧化剩余氨氮，生成氮气。由于一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化(spna，single-stagepna)工艺流程短，运行费用少，占地面积小，因此更具有优势，该工艺成为目前国内外本领域的研究热点；而spna微颗粒污泥系统，除了具有不需碳源、能量消耗少的优势以外，还具有污泥沉性能好、微生物量高等特点。在spna微颗粒污泥内，aob和anaob分工协作，共同实现对含氨氮废水的自养去除。首先微颗粒上aob将水中氨氮氧化为亚硝酸盐氮，然后微颗粒上的anaob将氨氮和亚硝酸盐氮转化为气态氮，从而实现污水的自养生物脱氮过程。在一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥系统内，aob和anaob通过絮凝作用共生在微颗粒上，aob的产物亚硝酸盐氮可以快速被anaob利用，因此反应迅速，更为关键的是，这种微颗粒具有良好的沉降性能，使得泥水分离简便易行，大大减少了反应器的占地面积。

目前，spna工艺可通过悬浮污泥法、颗粒污泥法及生物膜法来实现，其中，生物膜法的应用最为广泛。而spna微颗粒方面的工艺十分少见。从目前公开的文献来看，spna颗粒污泥的培养较为困难，因此研发有效培养spna微颗粒污泥的方法和装置十分必要。

颗粒污泥是微生物通过凝聚作用形成的颗粒状聚集体，系统的运行条件(例如进水负荷的变化等)会影响污泥颗粒的形成。颗粒污泥的形成需要在苛刻的条件下才能形成，如：反应器需要特定的有机负荷、水力剪切力、营养成分、水力停留时间运营模式、或者需要提供载体、防止毒性物质干扰等等因素。水力剪切力过小无法促进颗粒形成，过大又会破坏颗粒结构；提供的营养成分主要是氨氮，氨氮过低spna微颗粒污泥的培养效果不好，过高又会使系统内游离氨增加，对反应器内微生物产生抑制，严重时甚至会破坏整个反应系统。这些条件也是目前研究的重点。当前针对颗粒污泥形成的机理研究较多，也有针对于颗粒污泥形成方法的研究，但是，没有针对具有一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化功能的微颗粒污泥的培养装置和方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种在连续流条件下培养同时具有部分亚硝化及厌氧氨氧化功能的微颗粒污泥的装置及方法。在本装置中通过控制连续流反应器内的供气量，一方面来维持适宜的do浓度，另一方面可以维持合适的水力剪切力促进微颗粒污泥的形成，最终在同一个连续流反应器内实现部分亚硝化、厌氧氨氧化的长期稳定进行，最终实现高效稳定脱氮。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥的培养装置，包括：曝气系统、进水系统、反应器、指标监测系统、控温系统，所述曝气系统包括依次设置的曝气泵、气体流量计、进气管；所述进水系统包括原水桶、蠕动泵和连接管路；所述反应器包括反应单元、沉淀单元，反应单元内设有竖向隔板，反应单元和沉淀单元之间设有隔板且在下部连通，沉淀单元位于反应池内的底部设有斜板；所述指标监测系统包括位于反应单元的do监测仪和位于沉淀单元的ph监测仪，所述控温系统包括恒温槽；所述进气管一端位于反应单元内的底部，所述沉淀单元设有连通恒温槽的管路。

所述反应单元设置一竖向的隔板，所述隔板长度为反应单元有效水深的0.5～0.6倍，隔板距离反应单元底部的距离为本身长度的0.4～0.5倍。

所述进气管的出气孔直径为2～5mm。

所述斜板的倾斜角度在60～70°之间。

在反应单元中安装进气管，进气管提供直径2～6mm的气泡，在反应单元内形成内环流气体，在内环流气体推动力的驱动作用下，使混合液在反应单元进行回流并充分混合，沉淀单元设置斜板，倾斜角度在60～70°之间，一方面用于泥水分离，另一方面还可以防止最初沉降性较差时污泥的流失；空气由曝气泵通过固定的进气管供应至反应区底部，以提供连续的环流气体推动力和氧气扩散，用气体流量计调节供气量，原水通过蠕动泵转移到反应器中；反应器中混合液的温度通过恒温槽控制在30±1℃。反应单元中混合液的溶解氧浓度和沉淀单元中水的ph值定期使用溶解氧监测仪和ph监测仪进行测量。在整个操作过程中，沉淀单元内水的ph保持在8.0±0.3范围内。

本发明还提供了一种一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥的培养方法，它使用上述一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥的培养装置，包括以下步骤：

步骤一、接种污泥及启动阶段：在反应器内先接种具有传统硝化反硝化功能的悬浮污泥，此时反应单元内的污泥浓度mlss在3800～4500mg/l；再加入厌氧氨氧化接种污泥，使得反应单元内的污泥浓度为mlss在4000～5000mg/l；

步骤二、运行阶段：将接种污泥置于反应器中后，连续流向所述反应器中通入原水并连续曝气，反应单元内的气体表观上升流速为1.0～1.5cm/s，反应单元内混合液的do浓度在0.03～0.10mg/l之间，使反应器内保持微氧环境，并使所述反应器内污泥与进水完全混合，直至微颗粒污泥形成。

步骤一所述厌氧氨氧化接种污泥原有的运行工艺为升流式厌氧污泥床工艺，在30～32℃下运行，进水氨氮浓度在90～110mg/l，do低于0.5mg/l，厌氧氨氧化接种污泥的污泥浓度为7500～8500mg/l，加入接种污泥的体积为反应单元有效体积的5％～10％。

步骤二所述原水氨氮浓度为100～400mg/l，总磷浓度为15～25mg/l，原水在反应器内的平均停留时间为6h。

所述原水氨氮浓度随着所述运行时间由100mg/l逐步增加至400mg/l。

9.根据权利要求8所述的一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥培养方法，其特征在于，第1～15天，所述原水氨氮浓度为100mg/l；第15～35天，所述原水氨氮浓度为150mg/l；第35～40天，所述原水氨氮浓度为200mg/l；第40～110天，所述原水氨氮浓度为250mg/l；第110～160天，所述原水氨氮浓度为275mg/l；第160～180天；所述原水氨氮浓度为300mg/l，第180～195天，所述原水氨氮浓度为350mg/l；第195～205天，所述原水氨氮浓度为400mg/l。

所述反应器运行过程中反应单元内的气体表观上升流速为1.0～1.5cm/s，混合液的do浓度保持在0.03～0.10mg/l之间，温度控制在30±1℃，沉淀单元内水的ph值保持在8.0±0.3。

将接种污泥置于反应器中后，向所述反应器中连续通入原水并连续曝气，在内环流气体推动力的驱动作用下，混合液可在反应单元内完全混合，直至微颗粒污泥形成；通过控制供气量控制反应单元内混合液的do浓度，使反应单元内保持微氧环境，此外也可控制反应单元内水力剪切力在一定范围内；通过阶梯式提高原水氨氮浓度的方法，逐步提高反应器的进水氮负荷，同时逐渐提高供气量，以维持反应单元内混合液合适的do浓度，也使得水力剪切力逐渐加大，加速微颗粒污泥的形成；该培养方法与装置可以在200天内形成平均粒径在0.2～0.3mm的spna微颗粒污泥，沉降性能好且具有清晰外轮廓、氨氮去除率达85％以上、总氮去除率达75％以上的成熟spna微颗粒污泥。

本发明的有益效果是：利用控制反应单元内混合液的do浓度、并不断提高气体剪切力和氨氮负荷的方法，培养出一种可以实现同步部分亚硝化、厌氧氨氧化的微颗粒污泥，颗粒污泥沉淀性能良好，装置简单，系统脱氮性能稳定、有效。

附图说明

图1为本发明第一实施例中的spna微颗粒污泥反应器的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中培养至第90天时spna微颗粒污泥的粒径分布图；

图3为本发明第二实施例中培养至第205天时spna微颗粒污泥的粒径分布图；

图4为本发明第二实施例中spna微颗粒污泥反应器运行粒径变化图；

图5为本发明第二实施例中成熟spna微颗粒污泥的照片；

图6为本发明第二实施例中所形成的成熟spna微颗粒污泥的电镜图。

图中：

1、曝气泵2、气体流量计3、进气管

4、原水桶5、蠕动泵6、do监测仪

7、ph监测仪8、恒温槽

ⅰ、反应单元ⅱ、沉淀单元

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，一种一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥培养装置，包括：曝气系统、进水系统、反应器、指标监测系统、控温系统，反应器设有反应单元、沉淀单元，曝气系统包括曝气泵、气体流量计、进气管，进气管材质为有机玻璃；进水系统包括原水桶、蠕动泵；指标监测系统包括：do监测仪、ph监测仪；控温系统主要为恒温槽。

反应单元中安装有进气管，进气管提供中气泡，用以使反应单元内的混合液完全混合，沉淀单元设有斜板，斜板的倾斜角度在60～70°之间。在内环流气体推动力的驱动作用下，使混合液在反应单元进行循环流动并充分混合。

空气由曝气泵通过固定的进气管供应至反应单元底部，以提供连续的内环流气体推动力和氧气扩散。用气体流量计调节供气量。原水通过蠕动泵转移到反应单元中。反应器中混合液的温度主要通过恒温槽水浴装置来控制。反应区中混合液的溶解氧浓度和沉淀单元内水的ph值定期使用溶解氧监测仪和ph监测仪进行测量。

本发明的一种一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥培养方法，包括如下步骤：

1)接种污泥及启动阶段

先接种具有传统硝化反硝化功能的悬浮污泥，再接种厌氧氨氧化污泥，使得反应单元混合液污泥浓度mlss为4000～5000mg/l。

2)运行阶段

将接种污泥置于反应器中后，连续流向所述反应器中通入原水并连续曝气，使反应器内保持微氧环境，并使所述反应器内污泥与进水完全混合，直至微颗粒污泥形成。

实施例1

一种一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥培养装置，包括曝气系统、进水系统、反应器、指标监测系统、控温系统五个部分，曝气系统包括串接相连的曝气泵、气体流量计、进气管，进水系统包括原水桶及蠕动泵，反应器包括反应单元、沉淀单元，指标监测系统包括do监测仪与ph监测仪，控温系统为恒温槽。

反应器高度为700mm，宽为500mm，有效体积8l。原水取自原水桶3，通过蠕动泵4转移到反应单元中。当曝气泵1开始运行时，空气通过气体流量计2，经进气管3对反应单元内的混合液进行供气，以提供连续的内环流气体推动力和氧气扩散，使反应单元内的混合液完全混合，并通过气体流量计2调节供气量。沉淀单元设有斜板区，其倾斜角度在60～70°之间，用以泥水分离及防止污泥流失。反应单元中的溶解氧浓度和沉淀单元的ph值通过溶解氧监测仪6和ph监测仪7实时进行监测。反应单元内混合液的温度通过使用恒温槽8进行控制，使反应单元内混合液温度保持在30±1℃。

实施例2

一种一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥培养方法，它使用实施例1的一段式部分亚硝化-厌氧氨氧化微颗粒污泥培养装置，包含以下步骤：

在装置的反应器内，先接种mlss为4300mg/l、具有传统硝化反硝化功能的悬浮污泥7300ml，再接种mlss为8000mg/l的厌氧氨氧化污泥700ml。原水自行配置，氨氮浓度为100～400mg/l，总磷浓度在15～25mg/l范围内，将接种污泥放入反应器中后，原水从反应器的反应单元上部进水。原水在所述反应器内的平均停留时间为6h，即反应器内进水每天更新4次。向所述反应器中通入原水并连续供气，反应单元气体表观上升流速为1.0～1.5cm/s范围内，使反应单元内混合液保持微氧环境(do＝0.03～0.06mg/l)，在内环流气体推动力的驱动作用下，混合液在反应单元内完全混合。在第110天前，污泥粒径没有明显增长，如图2所示。第110天时，反应器内初步形成spna微颗粒污泥，平均粒径为0.15mm；在第160～180天时，氨氮浓度为300mg/l，spna微颗粒污泥的粒径逐渐增大，沉降性能进一步提升；在第180～195天时，氨氮浓度为350mg/l，spna微颗粒污泥的粒径进一步增大；第195～205天，所述原水氨氮浓度为400mg/l，由图3中所示粒径在0.50～0.84mm之间的微颗粒污泥占污泥总量的41％；且污泥平均粒径增至247μm，反应器内形成成熟spna微颗粒污泥，如图4所示。

图5中所示为本实施例中培养形成的成熟spna微颗粒污泥。其形状呈圆形或椭圆形，且颗粒颜色为红色。图6为该微颗粒污泥的电镜图，可观察到颗粒污泥表面充满孔隙，有利于营养物质传递及微生物代谢。溶解氧从富集aob的颗粒污泥外表面通过传质进入富集anaob的颗粒内部，形成溶解氧梯度，在颗粒污泥外部形成好氧区，内部形成兼氧或缺氧区，有利于增强微生物脱氮性能。

微颗粒污泥培养成功后，运行稳定期内原水总氮的去除率可达80％以上，氨氮去除率可达90％以上。

以上对本发明所提供的spna微颗粒污泥培养方法及培养装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。