专利名称：一种基于混合型连续流反应器转化活性污泥为自养脱氮污泥的方法
技术领域：
本发明属于污水处理领域，涉及一种新型高效节能的污水脱氮工艺处理技术。
背景技术：
现代工业与生活污水中存有大量含氮污染物，在水中化学与生物作用下，最终转 化为水中的氨氮、亚硝态氮与硝态氮等。水中大量的氮元素会导致水中总氮升高，诱发水体 富营养化，毒害人类与其他生物，严重污染环境。目前，传统生物脱氮技术存在能耗大，需要 外加有机碳源的缺点，无法应对日益严重的水体污染问题。随着研究与技术的发展，新型高 效节能的厌氧氨氧化技术应运而生。然而，此类脱氮工艺启动方法复杂，周期长，需要外加 亚硝酸盐的特点影响了实际工程推广应用。因此，为了运用该理念，目前主要采用或以下工 艺实现(1)亚硝化一厌氧氨氧化联合工艺；(2)亚硝化厌氧氨氧化复合工艺。前者需要将 亚硝化微生物与厌氧氨氧化微生物分别培养于两套反应器中，然后再连接两段工艺联合运 行，后者则将两者混合培养于一个单元，只需运行一套反应器，因此复合工艺比分别运行的 联合工艺更有优势。本专利所启动的反应器属于亚硝化厌氧氨氧化复合工艺。该工艺是利 用亚硝化微生物将水体中氨氮转化为亚硝酸盐，而厌氧氨氧化微生物利用亚硝酸盐与剩余 的氨氮产生氮气的过程，从而将水中总氮去除。整个过程皆由两类自养微生物完成，无需外 加碳源，适合于中低碳氮比的各类市政污水与工业污水。由于两类微生物生长较为缓慢，其中厌氧氨氧化微生物增殖期达11天，严重影响 该工艺的应用。此外，亚硝化微生物属于好氧一缺氧型微生物，厌氧氨氧化微生物为厌氧型 微生物，如何选取合适的污泥启动反应，创造好氧一厌氧共存环境对反应进行控制与优化 操作手段是要迫切解决的三大难题。申请号为201010131668. 1的专利申请公开了一种单级自养脱氮反应器的启动方 法，该技术涉及一种单级自养脱氮反应器的启动方法，其步骤为首先在限制性供氧和少 量有机碳源的条件下，构建以亚硝化菌和硝化菌为主导的微生物系统；然后通过限制供 氧，控制氨氮氧化至亚硝酸阶段，以富集亚硝化菌，抑制硝化菌的生长，建立以亚硝化菌 为主导的微生物系统；在稳定的亚硝酸系统基础上，通过调整曝气方式及控制溶解氧水 平，优化亚硝化菌及厌氧氨氧化菌共存的微环境，促使厌氧氨氧化菌的生长与富集，启动 单级自养脱氮系统。本发明解决了单级自养脱氮反应器接种物来源的难题，并且开发一种 简单易行的启动方式，降低了单级自养脱氮系统启动的难度，缩短了单级自养脱氮系统启 动的时间。申请号200910104417. 1的专利申请公开了一种在较高溶解氧水平下实现单级 自养脱氮的方，该技术涉及一种在较高溶解氧水平下实现单级自养脱氮的方法，处理高氨 氮低C/N比废水时，采用生物膜序批式反应器，反应器的运行方式为进水0. 5-1. 5小时、 反应20. 5-94. 5小时、沉淀与排水1. 0-2. 0小时，排水比为0. 5，在温度为25-35°C，PH值 7. 0-8. 5，水力停留48-192小时，间歇曝气且曝气时间停曝时间为1 1的条件下，控制曝气阶段反应器内的溶解氧浓度为1. 8-2. 5MG/L的较高水平、停曝阶段DO为0. 2-0. 5mg/ L的较低水平可实现单级自养脱氮工艺。本发明拓宽了实现单级自养脱氮工艺的溶解氧浓 度范围，降低了单级自养脱氮系统运行管理的难度，使单级自养脱氮系统的运行方式更加 灵活。申请号200910187822.4的专利申请公开了一种单级全程自养脱氮污水处理设 备及其工艺，其设备包括反应器、出水泵、搅拌器、分离膜组件和曝气膜组件，分离膜组件 安装在反应器内的中央位置，曝气膜组件由膜管组成，缠绕在反应器内壁；所述的进气管 与曝气膜组件连接，出水泵进水口通过管路与分离膜组件连接。所述的方法主要是控制溶 解氧在0. 5-1. 0MG/L左右，使氨氮在氨氧化菌作用下发生部分短程硝化，然后停止曝气， 通过厌氧氨氧化作用完成脱氮，经过膜分离作用获得清洁出水。本发明将曝气膜和分离膜 安置在同一个反应器中，形成膜曝气分离反应器，实现无泡曝气、膜分离和生物降解的耦 合。利用膜曝气效率高，易于控制的特点实现含氮废水良好的短程硝化。但是，目前这些工艺仍存在着多种不足，申请号201010131668. 1的专利申请同时 使用好氧污泥与厌氧污泥为启动污泥，使用的反应器是生物膜序批式反应器，其中所存在 问题是生物膜反应器容易堵塞，设备较复杂，生物量不容易控制；申请号200910104417. 1 的专利申请使用膜序批反应器在实际使用中容易出现堵塞，需要定期清理，设备也不够廉 价与简单。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对启动污泥选择，运行过程的控制与 优化操作条件三方面的问题，本技术提出一种基于廉价，简便的完全混合连续流反应器为 载体，利用活性污泥，在常温、好氧的条件下快速启动自养脱氮工艺的解决方案。该方法具 有较广泛的应用价值，主要解决了自养脱氮工艺接种污泥选择困难，启动过程复杂，周期 长，运行参数不明确的问题。经实践证明能较稳定的长期运行，符合实际污水厂运行管理的 条件。本发明转化方法的原理是利用厌氧氨氧化微生物与亚硝化微生物可共生性，在 缺氧条件下，两者可以形成稳定的耦合系统。当富集较容易生长的亚硝化微生物的同时，为 厌氧氨氧化微生物创造生长环境，在控制氨氮浓度，溶解氧条件下令其同步增长，最终实现 完全自养脱氮生物系统。完全混合连续流反应器能使污泥完全混合保持悬浮状态，由于在 限制氧的状态下会形成氧气的梯度分布，能形成以厌氧氨氧化微生物为核心，亚硝化微生 物为外层的复合污泥结构，从而实现自养脱氮反应的稳定进行。发明通过或以下技术方案进行
一种基于混合型连续流反应器转化活性污泥为自养脱氮污泥的方法，包括或以下步 骤(1)污泥准备阶段将污泥与污水混合后进行曝气处理，使污泥上清液COD低于20mg/ L，总磷低于10mg/L，再排出水，成为启动污泥；(2)污泥驯化第一阶段在污水中加入缓冲 剂，保持PH值7. 5-8. 0，溶解氧1 一 0. 5mg/L,分四次调控连续流反应器的进水氨氮浓度 首次进水时氨氮浓度控制为40-50mg/L 之后每当连续流反应器出水的氨氮浓度为该次进 水的50%或或以下时即转入下一次调控，控制进水氨氮浓度提高为前一次的两倍，一共提 高三次至进水氨氮浓度达到350-450mg/L，当出水浓度亚硝酸盐累积率稳定到达60%或以上，氨氮去除率达80%或以上，即可结束第一阶段驯化；(3)污泥驯化第二阶段控制溶解 氧在0. 5 mg/L或以下，进水氨氮450-550mg/L，当出水亚硝酸盐累积率低于5%，氨氮去除率 达90%或以上，总氮去除率为60%或以上即可结束第二阶段驯化。(4)运行阶段保持pH 值7. 0 — 8. 0 ；进水的氨氮从350-450mg/L的高浓度开始，逐渐替换成目标污水降低氨氮浓 度，对目标污水进行处理；所处理的目标污水的氨氮浓度不低于60mg/L，水力停留时间3 — 4天。具体地阐释，本发明活性污泥转化自养脱氮污泥的实现可分为或以下四个步骤 发明中采用的污泥可以为污泥为厌氧污泥、缺氧污泥或回流污泥。各阶段中反应器内污泥 的体积与水的体积比为每升水对3 - 6g碳酸氢钠缓冲剂。(1)准备阶段污泥应采用市政污水厂活性污泥，厌氧污泥，缺氧污泥或回流污泥 等。在准备阶段，污泥需要稳定，稳定的目的是通过曝气提高污泥活性，去除有机物与杂质。 污泥经处理后，可投加进反应器，同时加入市政污水(COD不高于45mg/L)，污泥与水比例为 1:5-1:3，运行体积为反应器有效容积60%-70%。充分曝气Mh，连续搅拌，使污泥保持悬浮 状态，按序批方式运行2-3天，直到污泥味道减轻，同时令污泥上清液COD低于20mg/L，总 磷低于10mg/L，然后排水50-80%，循环运行1_2次。(2)第一阶段亚硝化转化阶段。投加碳酸氢钠缓冲剂，按每升水4g比例混合，保 持驯化期间PH值7. 5-8. 0 ；鼓风曝气，溶解氧(DO)控制在1 一 0. 5mg/L，每当出水氨氮降解 率达50%或以上，就可提高进水氨氮浓度，提高过程为从50mg/L提至100mg/L为第一次； 100 - 200mg/L为第二次；200 — 400mg/L为第三次。需要连续搅拌，使污泥保持悬浮状态， 可连续排水，水力停留时间选择7天或以上，并注意污泥流失情况。出水氨氮，硝酸盐，亚硝 酸盐，总氮，亚硝酸盐累积率，D0，pH为监控条件。当亚硝酸盐累积率稳定到达60%或以上， 氨氮去除率达80%或以上，即可进入第二阶段培养。(3)第二阶段自养脱氮转化期。投加碳酸氢钠缓冲剂，按每升水4g比例混合，保 持驯化期间pH值7. 5 — 8. 0 ；间歇鼓风曝气，溶解氧(DO)控制在0. 5 mg/L或以下，进水氨 氮维持在400mg/L的条件。需要连续搅拌，使污泥保持悬浮状态，可连续排水或间歇排水， 水力停留时间选择5天或以上，并注意污泥流失情况。运行过程中进水氨氮，出水氨氮，硝 酸盐，亚硝酸盐，总氮，亚硝酸盐累积率，DO, pH为控制条件。当亚硝酸盐累积率低于5%，氨 氮去除率达90%或以上，总氮去除率为60%或以上即成功培养。同时会观察到大量的气泡 产生。(4)稳定期运行自养脱氮转化期。投加碳酸氢钠缓冲剂，按每升水2g比例混合， 保持驯化期间pH值7. 0 — 8. 0 ；控制溶解氧(DO)控制在0. 5或以下mg/L，进水氨氮维持在 400mg/L的条件。完全搅拌混合，连续排水。逐渐可用高氨氮污水代替投加氨氮，保持氨氮 浓度不低于60mg/L，需要根据污泥浓度调整运行时间，通过污泥回流系统，回流50%污泥， 保证VSS不低于0.8g/L水平。反应器停机或出现问题需要停止运行时，可采用定时投加药 剂维持污泥脱氮性能。研究表明，污水中出现甲醇乙醇等醇类物质，会导致脱氮效率下降， 应该避免；出现有机物浓度高于45mg/L时，运转1 一 2个月时间影响不大，长期运行会导致 脱氮效率下降，应该避免。与现有技术相比，本发明具有或以下有益效果
1.本发明提供一种基于通用型完全混合反应器为载体，利用活性污泥，在常温、好氧的条件下快速启动自养脱氮工艺的方法。该方法解决了自养脱氮工艺启动过程复杂，周期 长，需要投加较难获取的厌氧氨氧化污泥的问题，并能较稳定的长期运行，符合污水厂实际 运行管理的条件。2.而本申请仅通过分阶段连续培养启动自养脱氮反应，采用普通较容易获取的活 性污泥为种泥，使用的是完全混合连续流反应器，设备简易廉价，具有较好通用性与推广的 空间，简单易行的优点。3.本专利通过两阶段法，利用连续流反应器转化普通活性污泥为自养脱氮污 泥的具体过程。第一阶段通过控制有机物浓度(COD小于20mg/L)，水中溶解氧浓度 (l-0.5mg/L)，进水氨氮浓度(50-100mg/L)的条件首先转化厌氧或缺氧污泥进入亚硝化微 生物，厌氧氨氧化微生物共存，利用运行条件与连续流反应器洗出特性，逐步抑制其他微生 物的生长。反应器呈亚硝化状态，亚硝酸盐累积率超过60% ；第二阶段通过提高氨氮浓度 (200-400mg/L)，降低溶解氧(0. 5mg/L)，pH ((7. 5-8. 0)，从第一阶段亚硝化状态转化为自养 脱氮状态，形成亚硝化微生物与厌氧氨氧化微生物耦合系统，并能长期稳定运行。4.本发明通过连续流反应器的稀释功能，可以获得筛选驯化微生物的目的。经 过污泥准备阶段、污泥驯化第一阶段和第二阶段，驯化成一个稳定的微生物群落，经试验证 实在运行阶段对污水中的氨氮有很高的去除率；驯化中形成亚硝化微生物与厌氧氨氧化微 生物联合生长的态势，促进两者的富集，简化转化流程；通过该技术培养的自养脱氮污泥在 氨氮为400mg/L的条件下，总氮去除率可达70 — 80%，无需外加亚酸盐与有机碳源，能耐受 45mg/L的有机物浓度。5.本发明进入运行阶段后，可不进行曝气，仅依靠自然复氧或少量曝气维持反应。
图1为本发明所采用的连续流反应器示意图2为实例1实施过程中氨氮，亚硝酸盐，硝酸盐的变化图3为实例1实施过程中总氮去除率，氨氮去除率变化的情况；
图4为实例1实施过程中硝酸盐，亚硝酸盐与亚硝酸盐累积率变化的情况。
具体实施例方式实施例1
利用厌氧污泥作为种子污泥投加连续流反应器，(1)准备阶段污泥稳定期，目的通 过曝气稳定污泥，去除有机物与杂质。投加污泥进脱氮反应器，加入市政污水，污泥与水比 例为1 :5，充分曝气Mh，连续搅拌，序批式运行1天，然后排水80%。(2)第一阶段投加碳 酸氢钠缓冲剂，按每升水4g比例混合，保持驯化期间pH值7. 5 — 8. 0 ；鼓风曝气，DO控制 在1 一 0. 5mg/L，完全搅拌混合，连续排水，VSS保证在1. 5g/L或以上，水力停留时间1周。 同时，每周提高进水氨氮浓度，从50mg/L开始提至100mg/L ； 100 一 200mg/L为第二次；一 个月后进水氨氮提高至200 - 400mg/L。亚硝酸盐累积率达70-80%或以上，氨氮去除率达 80%或以上，总氮去除为20 - 40%之间。到达第80天然后进入第二阶段培养(具体结果见 图1，2，3)。(3)第二阶段投加碳酸氢钠缓冲剂，按每升水4g比例混合，保持驯化期间pH值7. 5 — 8. 0 ；鼓风曝气，溶解氧(DO)控制在0. 5或以下mg/L，进水氨氮维持在400mg/L的 条件。完全搅拌混合，连续排水，水力停留时间5天，VSS保证在1.0 g/L或以上。到达第 122天，亚硝酸盐累积率低于5%，氨氮去除率达80%或以上，总氮去除率为75-80%或以上 即成功培养。同时会观察到大量的气泡产生。(具体结果见图1，2，3)经过活性实与PCR — DGGE实验验证，存在亚硝化与厌氧氨氧化微生物群落。成功启动后，反应器稳定运行365 天，期间亚硝酸盐累积率低于2%，氨氮去除率达80%，总氮去除率为75%，VSS为0.8— Ig/ L0实施例2
利用缺氧污泥作为种子污泥投加连续流反应器，(1)准备阶段污泥稳定期，目的通 过曝气稳定污泥，去除有机物与杂质。投加污泥进脱氮反应器，加入市政污水，污泥与水比 例为1 :4，充分曝气36h，连续搅拌，序批式运行2天，然后排水75%。(2)第一阶段保持驯 化期间PH值7.8 — 8.0 ；鼓风曝气，DO控制在0.6mg/L，完全搅拌混合，连续排水，水力停留 时间6天。同时，每6天提高进水氨氮浓度，从50mg/L开始提至100mg/L — 200mg/L, 一个 月后进水氨氮提高至200 - 400mg/L。亚硝酸盐累积率达80%或以上，氨氮去除率达90%或 以上，总氮去除为20%间。到达第60天然后进入第二阶段培养，VSS保证在1.5g/L或以 上。(3)第二阶段投加碳酸氢钠缓冲剂，按每升水4g比例混合，保持驯化期间pH值7. 8 — 8. 0 ；鼓风曝气，溶解氧(DO)控制在0. 4或以下mg/L，进水氨氮维持在420mg/L的条件。完 全搅拌混合，连续排水，水力停留时间4. 5天。到达第120天，亚硝酸盐累积率低于1%，氨 氮去除率达75%或以上，总氮去除率为80%或以上成功培养，污泥VSS保证在1. Og/L或以 上。同时会观察到大量的气泡产生，污泥上升，需要污泥回流，每7天回流一次。经过活性 实与PCR - DGGE实验验证，存在亚硝化与厌氧氨氧化微生物群落。成功启动后，反应器稳 定运行370天，期间亚硝酸盐累积率低于2%，氨氮去除率约80%，总氮去除率约为75%，VSS 为 0. 8 — 1. lg/L。实施例3
利用二沉池回流污泥作为种子污泥投加连续流反应器，(1)准备阶段如上所述；(2) 第一阶段如上所述；进水期间PH值维持7. 8 — 8. 0 ；鼓风曝气，DO控制在lmg/L，完全搅 拌混合，连续排水，水力停留时间7天。同时，每周天提高进水氨氮浓度，从50mg/L开始提 至100mg/L - 200mg/L，一个月后进水氨氮提高至200 — 400mg/L。亚硝酸盐累积率达80% 或以上，氨氮去除率达90%或以上，总氮去除为20% - 25%间，VSS保证在1. 5g/L或以上。 到达第80天然后进入第二阶段培养。(3)第二阶段投加碳酸氢钠缓冲剂，按每升水4g比 例混合，保持驯化期间pH值7. 8 — 8. 0 ；鼓风曝气，溶解氧(DO)控制在0. 5或以下mg/L，进 水氨氮维持在400mg/L的条件。完全搅拌混合，连续排水，水力停留时间5天，VSS保证在 1. 0g/L或以上。到达第160天，亚硝酸盐累积率低于1%，氨氮去除率达78%或以上，总氮去 除率为76%或以上成功培养。同时会观察到大量的气泡产生，污泥上浮，每7天回流一次。 经过活性实与PCR - DGGE实验验证，存在亚硝化与厌氧氨氧化微生物群落。成功启动后，反 应器稳定运行360天，期间亚硝酸盐累积率低于1%，氨氮去除率达80%，总氮去除率为75%， VSS 为 0. 8 — 1. 0g/L。
权利要求
1.一种基于混合型连续流反应器转化活性污泥为自养脱氮污泥的方法，其特征在于包 括或以下步骤(1)污泥准备阶段将污泥与污水混合后进行曝气处理，使污泥上清液COD 低于20mg/L，总磷低于10mg/L，再排出上清液，完成启动污泥的前处理；(2)污泥驯化第一 阶段在污水加入缓冲剂，保持进水PH值为7. 5-8. 0之间，溶解氧为1 一 0. 5mg/L之间，分 四次调控连续流反应器的进水氨氮浓度首次进水时氨氮浓度控制为40-50mg/L 之后每 当反应器的氨氮去除率达到50%就可提高1倍进水氨氮浓度，一共经过三次提高进水氨氮 浓度至350-450mg/L，当出水浓度亚硝酸盐累积率稳定到达60%或以上，氨氮去除率达80% 或以上，即可结束第一阶段驯化；(3)污泥驯化第二阶段控制溶解氧在0. 5 mg/L或以下， 进水氨氮450-550mg/L，当出水亚硝酸盐累积率低于5%，氨氮去除率达80%或以上，总氮去 除率为60%或以上即可结束第二阶段驯化；(4)运行阶段加入缓冲剂，保持pH值7. 0 — 8. 0 ；控制溶解氧(DO)控制在0. 5 mg/L或以下，进水的氨氮从350_450mg/L分阶段逐渐降 低至与目标污水氨氮浓度一致，进入实际运行阶段。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(4)所述的目标污水的氨氮浓度不低于 60mg/L，水力停留时间可缩短至3 — 4天。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(4)中，运行时采用污泥回流形式，回流 30-50%污泥，保证VSS不低于0. 8g/L水平。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的缓冲剂为碳酸氢钠或其他碳酸氢盐缓 冲剂。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)所述污泥与污水混合的比例为体积 比1:5-1:3，处理污泥后需要排出上清液。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)所述污泥在与污水混合前，还经过曝 气处理，去除有机物与杂质。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)加入的污水为COD不高于45mg/L的 市政污水。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的污泥可用厌氧污泥、缺氧污泥或回流 污泥。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(2)所述的污泥驯化第一阶段中VSS保 持在1. 5g/L或以上，溶解氧控制1 一 0. 5mg/L, pH为7. 5 — 8. 0，水力停留时间为7天或以上。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(3)所述的污泥驯化第二阶段中VSS保 持在1. 0 g/L或以上，溶解氧控制0. 5mg/L或以下，pH为7. 5 — 8. 0，水力停留时间为7天 或以上。
全文摘要
本发明属于污水处理领域，提供一种基于混合型连续流反应器转化活性污泥为自养脱氮污泥的方法。具体过程是通过两阶段法，利用连续流反应器转化普通活性污泥为自养脱氮污泥。第一阶段通过控制有机物浓度(COD小于20mg/L)，水中溶解氧浓度(1-0.5mg/L)，进水氨氮浓度(50-450mg/L)的条件首先转化厌氧或缺氧污泥进入亚硝化的状态，利用运行条件与连续流反应器洗出特性，逐步抑制其他微生物的生长。当亚硝酸盐累积率超过60%，可进入第二阶段；而第二阶段利用提高氨氮浓度(450-550mg/L)，降低溶解氧(0.5mg/L),保持一定pH值((7.5-8.0)的条件，促使亚硝化状态转化为自养脱氮状态，形成亚硝化微生物与厌氧氨氧化微生物耦合系统，实践证明，此系统能长期稳定运行。进入污水处理实际运行阶段后，可不进行曝气，仅依靠自然复氧或少量曝气维持反应，氨氮去除率与总氮去除率分别达到80%与70%或以上。
文档编号C02F3/30GK102115259SQ201110029289
公开日2011年7月6日 申请日期2011年1月27日 优先权日2011年1月27日
发明者张再利, 贾晓珊, 钟玉鸣 申请人:中山大学