专利名称：控制自由氨累积低温下sbr亚硝化-反亚硝化实现方法
技术领域：
本发明涉及一种低温下SBR法(序批式活性污泥法)实现高氨氮废水亚硝化-反 亚硝化的方法。
背景技术：
污水排放标准的不断收紧是目前世界各国的普遍发展趋势；以控制富营养化为目 的的氮、磷去除及相关工艺能耗的降低已成为重要的研究方向。传统的生物法通常采用全 程硝化-反硝化工艺脱氮，即好氧单元由氨氧化菌(Ammonia Oxidizing Bacteria, A0B)将 氨氮氧化成亚硝氮后，再由硝化菌(Nitrite Oxidizing Bacteria, NOB)氧化成硝态氮；兼 氧(厌氧)单元则将生成的硝态氮还原成亚硝氮后再还原成氮气。这在实际应用中，特别是 对高氨氮、低碳氮比废水的处理过程中，氨氮氧化成硝氮的曝气与硝氮还原成氮气所需外 部碳源的补充均会产生过高的运行成本。因此，研究开发优化能(资)源消耗的脱氮新工 艺显得十分必要。1998年，Hellinga C等利用35°C条件下氨氧化菌世代时间短于硝化菌， 选择合适的污泥停留时间(SRT)淘汰硝化菌而保留氨氧化菌，从而在单个反应器中首先实 现了的亚硝化-反亚硝化过程，即氨氮被氧化成亚硝氮后直接被还原成氮气(Hellinga C， Schellen AAJC, Mulder Jff, van LoosdrechtMCM, Heijen, JJ, 1998. The SHARON Process an innovative method for nitrogen removal from ammonium-rich wastewater. Water Sci. Technol. 37，135-142)。该工艺相对全程硝化-反硝化最多可节省25%的曝气量，40% 的外部碳源，并减少40%的生物增量。这引起世界各国广泛关注，后续的研究工作旨在拓宽 亚硝化-反亚硝化的应用范围或降低其对运行条件的要求。Blackburne R通过将溶解氧 (DO)控制在低浓度水平(< 0. 5mg/L)，利用氨氧化菌对溶解氧的亲和性大于硝化菌，在室 温条件下(19°C 23°C)实现亚硝化-反亚硝化(Blackburne R, Yuan ZG,Keller J. 2008. Partial nitrification to nitrite using low dissolved oxygen concentration as the main selection factor. Biodegradation. 19 :303_312)。Asian S 等在 21°C条件下 用生物膜流化床处理高氨氮废水，亚硝化率达到72% (Alan S，DahabM. 2008. Nitritation and denitritation of ammonium-rich wastewater using fluidized-bed biofilm reactors. J. Hazardous Materials. 156 :56_63)。此外，Bae W 等研究发现体系内自由氨 浓度大于4mg/L时，会对亚硝氮的氧化产生明显的抑制(Bae W，Baek S，Chung Jff, Lee Y. 2002. Optimal operation factors for nitrite accumulation in bach reactors. Biodegradation. 12 :359_366)。以上研究共同点在于，尽管新过程相对全程硝化_反硝化节能，但需要供热设备 以将反应体系维持在中高温(20°C 35°C )，供热所消耗的能量较高；所以不能在废水的 将反应体系维持在中高温(20°C 35°C )，供热所消耗的能量较高；所以不能在废水的实际 处理中实现真正的节能降耗。因此，设法降低反应温度成为推广该工艺的关键。而通过自 由氨浓度受控累积，或者根据PH连续监测曲线实时优化曝气时间，在低温条件下(10°C 18°C )实现高氨氮废水亚硝化_反亚硝化的方法未有报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温条件下采用SBR法(序批式活性污泥法)处理高浓 度氨氮废水，通过亚硝化_反亚硝化途径高效去除氮和C0D，并降低能耗的控制方法。为了达到上述目的，本发明提出两种控制方式，实现低温下全程硝化_反硝化向 短程硝化_反硝化(亚硝化_反亚硝化)转变，具体分别是a)优化曝气时间法SBR法全程硝化-反硝化脱氮稳定后，在每轮循环的好氧单元，根据pH连续监测曲 线上的“氨谷点，，实时控制好氧单元的时长，即先采用合适的曝气流量持续曝气，当PH连 续监测曲线出现“氨谷点”(ammonia valley)后立即停止曝气。通过优化曝气时间以逐步 减少亚硝氮的氧化，从而使脱氮过程逐渐由全程硝化_反硝化转变为短程硝化反硝化，亚 硝化率可以持续增高并最终达到80%。b)自由氨受控累积法在SBR全程硝化_反硝化脱氮效果稳定后，通过降低曝气流量使反应体系内自由 氨浓度(Free ammonia,FA)升高至大于等于20mg/L，然后将曝气流量恢复至合适的曝气流 量持续曝气直到亚硝化率达到80%以上，之后重新恢复正常进出水处理循环，实现氨氮废 水处理的亚硝化_反亚硝化。本发明中所述的SBR法全程硝化-反硝化脱氮稳定，均是指SBR法运行稳定可使 NH3-N去除率达到80%，且出水中Ν03-Ν/ΤΝ大于70%。上述a)中所述“氨谷点”是指氨氮氧化结束时，dpH/dt由负值转变为正值时的pH 值(即图2中的V点)。b)中所述降低曝气流量是将曝气流量降为合适的曝气流量的1/10 1/15。所述合适的曝气流量计算经验公式如下Q = qXMLSSXIn(公式 1)其中，Q-合适的曝气流量，单位为L/min ；MLSS-mixed liquor suspended solids (混合液悬浮物浓度)用来表示活性污泥 浓度，单位为mg · I/1 ；MLSS的值根据实际情况确定，但是对于本发明所处理的高氨氮废水， MLSS 取值一般在 7000 12000mg/L。In-进水 NH3-N 浓度，单位为 mg · L—1 ；q-经验计算常数，来自于实验。对于合适的曝气流量，其取值为200 400，单位 为(ml3 · mg"2 · miiT1)，表示单位时间内为氧化单位浓度的进水氨氮而提供给单位浓度活性 污泥的空气量。方法a)是通过优化反应器好氧单元的曝气时间，实现全程硝化向亚硝化转变；方 法b)是通过抑制反应器氧化亚硝酸盐功能，实现亚硝化-反亚硝化。这两种方式可分开使 用，也可被结合在一起使用。结合在一起使用时，可以先采用“自由氨受控累积”，再采用“优化曝气时间”的方 法。具体结合控制方法步骤如下1)在SBR法全程硝化-反硝化脱氮效果稳定后，通过降 低曝气流量使反应体系内自由氨浓度升高至大于等于20mg/L;2)经步骤1)后，在SBR法每 轮循环的好氧单元根据PH连续监测曲线上的氨谷点实时控制好氧单元时长，S卩先采用合适的曝气流量持续曝气，当PH连续监测曲线出现氨谷点后停止曝气，体系由自由氨受控累 积迅速向亚硝化_反亚硝化转变，稳定亚硝化脱氮时，出水Ν02-Ν/ΤΝ达到80%以上，从而实 现氨氮废水处理的亚硝化_反亚硝化。也可先采用“优化曝气时间”，再采用“自由氨受控累积”的方法。这种结合方法的 主要目的是为了进一步抑制反应器氧化亚硝氮的性能，提高亚硝化率。例如其应用的条件 是，当“优化曝气时间”使全程硝化反硝化向短程硝化反硝化转变时，转变过程较慢(比如 大于30天或5个水力停留时间)，或是转变后亚硝化率较低(比如低于50% )，这种情况 下，可以采用“自由氨受控积累方式”，将反应器对亚硝酸盐氧化能力进行抑制，使氨氮的氧 化停留在亚硝氮这一步，从而提高亚硝化率。具体结合控制方法步骤如下1) SBR法全程硝化-反硝化脱氮稳定后，在SBR循环 中好氧单元采用合适曝气量，并在PH连续监测曲线出现氨谷点后立即停止曝气，直至亚硝 化率逐渐升高至30% 60% ；(此过程经历的SBR循环数由亚硝化率升高快慢决定，一般 在1 5个水力停留时间之内)；2) SBR体系经过步骤1)后，通过降低曝气流量使反应体系 内自由氨浓度升高至大于等于20mg/L，然后立即将曝气流量恢复至合适的曝气流量持续曝 气，全程硝化_反硝化向亚硝化_反亚硝化转变得以加快，直至亚硝化率达到80%以上，之 后按照SBR法正常进出水处理循环，即可实现氨氮废水亚硝化_反亚硝化处理。本发明所述方法中，低温所指温度范围为10°C 18°C。所述氨氮废水中NH3-N浓度大于500mg/L。具体是指畜禽废水，垃圾渗滤液，污泥 厌氧消化液和灰水。本方法的效果是，在10°C 18°C的低温条件下，实现亚硝化_反亚硝化途径处理 低C/N比废水(亚硝化率达到80% )，保证反应器高效去除氮(约95% TNJ々99% NH3-N) 及COD (约92% )，降低曝气能耗，并节省外部碳源。
图1为本发明所用反应系统的结构示意图。图2为实施例1中15°C下根据pH实时曲线上“氨谷点”优化曝气时间实现亚硝 化-反亚硝化的示意图。图3为实施例2中15°C下控制自由氨浓度的亚硝化_反亚硝化运行图。图4是实施例3中在10°C下根据pH实时曲线上“氨谷点”优化曝气时间的亚硝 化-反亚硝化运行图。
具体实施例方式下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如 无特殊说明，均可从商业途径获得。本发明所采用的“序批式活性污泥反应器”(SBR)为公知技术，其每轮循环由进水、 兼氧(厌氧)、好氧、沉淀和出水5个单元组成。本发明在此基础上，建立实时控制系统以加 强对反应器的过程控制，反应系统的结构示意图见图1。如图1所示，采用pH、D0(溶解氧) 及ORP (氧化还原电位)电极对反应器进行连续监测，其信号被输入至计算机并被记录和计算；计算机根据设定的程序控制进出水泵、碳源投加泵、曝气机及搅拌电机的启停，从而实 时控制各反应单元的交替进行。此外，通过流量计调节好氧单元的曝气流量合适的曝气流 量根据进水负荷计算确定，过低的流量则约为前者的1/10。本发明通过下述两种控制方式实现SBR法低温下高氨氮废水的亚硝化_反亚硝 化。控制方式a)在好氧单元选用合适的曝气流量，当自控系统判断出PH实时曲线出 现极小值点(“氨谷点”)后立即停止曝气，从而优化控制曝气时间以逐步实现全程硝化向 短程硝化(即亚硝化)的转变。控制方式b)为了抑制反应器氧化亚硝酸盐的功能，先选用过低的曝气流量，以使 体系内自由氨(FA)在好氧单元不被完全氧化而产生可控的连续升高。当体系中FA浓度超 过20mg/L时，立即改用合适的曝气流量持续曝气，直到亚硝化率升高至80%以上。下面由 实施例进一步说明本发明。下述实施例中对灰水、污泥厌氧消化液、垃圾渗滤液处理时，采用的反硝化碳源为 工业用甲醇。而畜禽废水的处理为节约运行成本采用畜禽粪便浓浆(Manure Slurry)作为 反硝化碳源。畜禽粪便浓浆制备方法为将猪粪研磨过筛后(10目)用水稀释成浓浆状， 其 COD 为 50000 100000mg/L。下述实施例中合适的曝气流量，均根据进水负荷采用公式1计算确定。SBR运行过 程中MLSS控制在约10000mg/L。实施例1、15°C下采用SBR法实现垃圾渗滤液的亚硝化-反亚硝化以实时控制SBR体系处理某垃圾渗滤液(水质指标见表1)，反应器温度控制在为 15士0.5°C。该实施例采用本发明控制方式a)实现亚硝化-反亚硝化。循环内(循环过程 包括5个单元，进水-兼氧(厌氧)_好氧-沉淀_出水)氮转化及对应实时曲线如图2所 示。反应器体系内NH3-N和TN伴随进水发生跃升，兼氧阶段向体系内补充外部碳源，从而将 上一轮循环好氧单元产生的NO2-N和NO3-N全部还原成N2。随后体系进入好氧单元，采用合 适的曝气流量(约3. 5L/min，根据进水负荷采用公式1计算确定)持续曝气，直到pH连续 监测曲线出现局部最小值点(图中所示的V点，8卩“氨谷点”)后，立即停止曝气。曝气过程 中，溶解氧浓度维持在0 3. 5mg/L的较低水平；氨氮氧化速率(约15. ImgN · IT1 · L—1)远 大于亚硝氮氧化速率(约2. 8mgN - Γ1)，反应器出水NO2-N水平(约50mg/L)明显高于 NO3-N (约 10mg/L)和 NH3-N ( < 3mg/L)，亚硝化率约为 83%。实施例1中，SBR在每轮循环兼氧单元，根据计算机读取的ORP连续监测值计算，以 判断体系是否需要补充外部碳源(如果d0RP/dt < 5时，以脉冲方式补充碳源直到d20RP/ dt2 = 0时，停止补充碳源，即出现图2中的K点时停止补充)。好氧单元则根据计算机读 取的PH连续监测值计算dpH/dt，根据dpH/dt由负值转变为正值判断出pH实时曲线出现局 部最小值点(“氨谷点”)，并以此点为该单元的时间终点，从而及时停止曝气以免亚硝氮被 进一步氧化成硝态氮。进出水污染物浓度及去除率见表1。表1、15°C条件下垃圾渗滤液亚硝化_反亚硝化运行结果
权利要求
1.一种低温下SBR法实现氨氮废水亚硝化-反亚硝化的方法，包括下述步骤在SBR全 程硝化_反硝化脱氮效果稳定后，通过降低曝气流量使反应体系内自由氨浓度升高至大于 等于20mg/L，然后将曝气流量恢复至合适的曝气流量，持续曝气直到亚硝化率达到80%以 上，之后重新恢复SBR法正常进出水处理循环，实现氨氮废水处理的亚硝化_反亚硝化；所述合适的曝气流量是按照下述公式计算确定的Q = q X MLSS X In其中，Q-合适的曝气流量，单位为L/min ；MLSS-混合液悬浮物浓度，用来表示活性污泥浓度，单位为mg · L—1 ；In-进水NH3-N浓度，单位为mg · L—1 ；q_经验计算常数，表示单位时间内为氧化单位浓度的进水氨氮，而提供给单位浓度活 性污泥的空气量；其取值为200 400，单位为ml3 · mg—2 · mirT1。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述降低曝气流量是将曝气流量降至所 述合适的曝气流量的1/10 1/15。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述低温为10°C 18°C。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于所述氨氮废水中NH3-N浓度大 于 500mg/L。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述氨氮废水选自下述任意一种畜禽养 殖废水、垃圾渗滤液、污泥消化液和灰水。
6.一种低温下SBR法实现氨氮废水亚硝化-反亚硝化的方法，包括下述步骤1)在SBR法全程硝化-反硝化脱氮效果稳定后，通过降低曝气流量使反应体系内自由 氨浓度升高至大于等于20mg/L ；2)经步骤1)后，在SBR法每轮循环的好氧单元根据pH连续监测曲线上的氨谷点实时 控制好氧单元时长，即先采用合适的曝气流量持续曝气，当PH连续监测曲线出现氨谷点 后停止曝气，实现氨氮废水处理的亚硝化_反亚硝化；所述氨谷点是指氨氮氧化结束时，dpH/dt由负值转变为正值时的pH值；所述合适的曝气流量是按照下述公式计算确定的Q = q X MLSS X In其中，Q-合适的曝气流量，单位为L/min ；MLSS-混合液悬浮物浓度，用来表示活性污泥浓度，单位为mg · L—1 ；In-进水NH3-N浓度，单位为mg · L—1 ；q_经验计算常数，表示单位时间内为氧化单位浓度的进水氨氮，而提供给单位浓度活 性污泥的空气量；其取值为200 400，单位为ml3 · mg—2 · mirT1。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤1)中所述降低曝气流量是将曝气流 量降至所述合适的曝气流量的1/10 1/15。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于所述低温为10°C 18°C。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的方法，其特征在于所述氨氮废水中NH3-N浓度大 于 500mg/L。
10.根据权利要求9中所述的方法，其特征在于所述高氨氮废水选自下述任意一种 畜禽养殖废水、垃圾渗滤液、污泥消化液和灰水。
全文摘要
本发明公开了一种低温下序批式活性污泥反应器亚硝化-反亚硝化控制方法。该方法是在传统的序列兼氧-好氧间歇式活性污泥法基础上，采用pH，氧化还原电位(ORP)，溶解氧(DO)作为实时监测参数建立自控系统。在10℃～18℃条件下，通过控制反应器体系内自由氨(FA)浓度从而抑制亚硝酸盐的氧化，或根据pH实时曲线上的“氨谷点”优化控制曝气时间，从而实现亚硝化-反亚硝化处理高浓度氨氮废水。该方法亚硝化率可达80％，对TN，NH3-N和COD去除率分别达到95％，99％和90％以上。
文档编号C02F3/30GK102001750SQ201010508420
公开日2011年4月6日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者强志民, 方会, 杨敏, 秦德韬, 陈梅雪, 齐嵘 申请人:中国科学院生态环境研究中心