一种絮状污泥和颗粒污泥共存的自养脱氮系统启动及高效运行方法与流程

本发明属于污水生物脱氮领域，具体涉及一种絮状污泥和颗粒污泥共存的自养脱氮系统启动及高效运行方法。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，水体污染越来越严重，氮素是富营养化的主要污染物，对水体环境具有影响极大。目前，城市污水处理厂多采用A²/O、氧化沟等脱氮工艺。但是由于传统脱氮工艺需要外加有机碳源，消耗大量的碱度和能源。

自养脱氮是指通过氨氧化细菌(AOB)将氨氮氧化成亚硝态氮，厌氧氨氧化菌(AAOB)再将AOB产生的亚硝态氮和剩余的氨氮转化成氮气，实现污水脱氮处理。自Hipper上世纪九十年代提出单级自养脱氮以来，由于其全程自养，无需外加有机碳源，相对于传统生物脱氮工艺曝气量较小，能够适用于多种反应器等优点，被认为是高效节能脱氮工艺的理想选择，具有良好的发展前景。但是，现阶段由于全程自养脱氮系统的启动周期较长，菌群结构复杂，难以实现稳定高效的运行，阻碍了该工艺在实际中的应用和发展。近年来，厌氧氨氧化颗粒污泥因其具有沉降速率快，不易发生污泥膨胀等优点已成为研究的热点。由于单纯的厌氧氨氧化颗粒污泥难以适应好氧环境，通过加入絮状污泥可以消耗溶解氧，能够保护AAOB受到溶解氧的冲击，同时产生的亚硝态氮也AAOB代谢所必需的基质。因此通过成熟的短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥不仅能够实现该工艺的快速启动，同时多样化的菌群形式也提高了系统的稳定性，有利于不同菌群的快速生长，对于实现自养脱氮反应器的快速启动及其高效稳定运行具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种絮状污泥和颗粒污泥共存的自养脱氮系统启动及高效运行方法，能够实现全程自养脱氮工艺中絮状和颗粒污泥的稳定共存以及协同高效脱氮，简单易行，且对于其他絮状与颗粒共存的脱氮系统也具有一定的适用性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

1.一种絮状污泥和颗粒污泥共存的自养脱氮系统启动及高效运行方法，采用序批式反应器，包括如下步骤：

1)絮状及颗粒污泥接种比例设置：

接种污泥来自稳定运行的厌氧氨氧化反应器内的颗粒污泥和短程硝化反应器内的絮状污泥，絮状污泥浓度为3-4g/L，其氨氮去除负荷为0.35kgN/m³/d，颗粒污泥浓度为4-5g/L，厌氧氨氧化活性为0.22gN/gMLVSS/d。接种时絮状污泥和颗粒污泥的质量比为2-3；

2)絮状及颗粒污泥共存系统间歇曝气变基质启动阶段：

进水采用人工配制的模拟废水，进水pH控制在7.4-8.2，温度为28-32℃，溶解氧浓度为1.0-1.2mg/L，反应周期为12h；系统采用间歇曝气方式，曝气段与厌氧段时间的比例为1:2；首先控制进水氨氮质量浓度为100mg/L，当氨氮转化率达到85％以上时，提高进水氨氮质量浓度，每次提高的幅度为20mg/L；当进水氨氮质量浓度达到200mg/L，氨氮去除率连续3天达到85％时，间歇曝气变基质阶段启动完成；

3)絮状及颗粒污泥共存系统变曝气时间启动阶段：

本阶段保持进水氨氮浓度为200mg/L，缩短厌氧段时间，缩减幅度为1-2h，同时按10％-15％的幅度降低曝气量；每次调整后，待氨氮转化率和总氮去除率分别恢复至85％和75％，并稳定2-4天，再进行下一次调整，直到厌氧段时间为0h，反应器转为连续曝气运行模式，即曝气时间渐变阶段启动完成；

4)絮状及颗粒污泥共存系统污泥比例调控高效运行阶段：

进入絮状及颗粒高效运行阶段后，沉淀时间设置为8-12min，搅拌转速为80-100rpm/min，控制絮状污泥与颗粒污泥质量比在2.02-2.31之间，进水氨氮浓度继续保持200mg/L，若出水亚硝态氮浓度大于20mg/L，且氨氮转化率小于85％时，按10％-20％的幅度减小曝气量；若出水亚硝态氮浓度小于20mg/L，但氨氮转化率小于85％时，按10％-20％的幅度增大曝气量；当絮状与颗粒污泥比例小于2.02时，增加沉淀时间至12-15min，同时将出水水箱中的絮状污泥回加至反应器；当絮状与颗粒污泥比例大于2.31时，缩短沉淀时间至4-8min，同时将搅拌速率增大至110-130rpm/min。当氨氮转化率大于90％，总氮去除率大于80％时，反应周期缩减1-2h。

本发明的有益效果是：

①本发明根据絮状及颗粒污泥相互作用规律，创新性地提出控制絮状与颗粒污泥比例的方法，即通过污泥比例调控，使系统中不同形态的污泥维持在良好的生长状态，系统运行更加稳定。

②本发明所提出的变曝气时间的方法能够有效地使系统中厌氧菌群适应工况的变化，保持系统菌群结构的稳定。

③本发明中所涉及到的曝气时间减少的同时降低曝气量的方法有利于AAOB逐步适应有氧环境。

④本发明提出的启动及运行方法能高效地促进AOB在颗粒污泥表面的富集生长。在颗粒污泥表面富集的AOB能够消耗氧气，保护AAOB免受氧气冲击，同时AOB产生的亚硝酸盐也为AAOB提供了基质。

⑤本发明中所提到的接种污泥的比例是结合絮状、颗粒污泥浓度及其处理氨氮的能力所确定，使不同形态的污泥能够更快地适应单级自养脱氮系统。

⑥本发明通过沉淀时间和搅拌速率进行污泥比例的调控，能较快的达到控制比例的目的。

⑦本发明接种成熟的短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥，污泥适应能力更强，启动时间更短。

⑧本发明提供的启动及高效运行方法与传统污水生物脱氮工艺相比，不需要额外添加有机碳源，且所需曝气量更低，大大节约了运行成本。

⑨本发明既适用于单级自养脱氮工艺在高氨氮条件下的快速启动，同时也适用于该工艺在城市污水中的快速启动。

附图说明

图1是本发明所采用的SBR试验装置示意图；

图2是本发明启动及高效运行阶段进出水NH₄⁺、NO₂^-、NO₃^-质量浓度变化曲线图；

图3是本发明启动及高效运行阶段氨氮及总氮去除率变化曲线图。

图中：1、进水水箱；2、进水水泵；3、电机；4、水浴层出水口；5、水浴层；6、曝气盘；7、水浴层进水口；8、搅拌桨；9、出水水泵；10、空气泵；11、出水水箱。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。

实施例1，见图1至图3：

本发明提供一种絮状污泥和颗粒污泥共存的自养脱氮系统启动及高效运行方法，反应器采用机玻璃制成的圆柱形SBR反应器，高40cm，直径15cm，有效体积为4L，每次出水2L，反应器系统包括进水水箱1、进水水泵2、电机3、水浴层出水口4、水浴层5、曝气盘6、水浴层进水口7、搅拌桨8、出水水泵9、空气泵10、出水水箱11(附图1)，采用周期式培养方式，包括如下步骤：

1)絮状及颗粒污泥接种比例设置：

接种污泥为实验室培养成熟的短程硝化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥，进水氮负荷分别为其氨氮去除负荷为0.35kgN/m³/d，厌氧氨氧化活性为0.22gN/gMLVSS/d，按质量比为2将短程硝化絮状污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥进行混合，接种总体积为1.2L；

2)絮状及颗粒污泥共存系统间歇曝气变基质启动阶段：

进水采用人工配水，由NH₄Cl、NaNO₂与NaHCO₃配制而成，进水氨氮浓度为100mg/L，磷酸盐浓度为2-4mg/L，pH为7.56-8.07，曝气采用空气压缩机进气，由转子流量计控制曝气量，控制反应温度在28-32℃，启动初期的水力停留时间根据接种污泥原有的状态进行设定，反应周期为12h，分为曝气阶段和厌氧阶段，运行时间分别为4h和8h，曝气量初始设定为1.1L/min。在接种污泥后启动的第1天，氨氮转化率只有65％，从第3天起逐步增加，到第5天，氨氮转化率已经超过85％。随后继续提高系统进水氨氮浓度。每次调整后氨氮转化率均有一定程度的下降，下降幅度最大时降低到68％，在此阶段氨氮转化率基本均维持在70％以上。系统氨氮转化率重新达到85％以上的时间一般为2-4天，恢复时间较短，启动经过35天，反应器内曝气量调整到0.8L/min，且氨氮转化率达到90％以上，进入下一阶段；

3)絮状及颗粒污泥共存系统变曝气时间启动阶段：

稳定两天后，第37天厌氧时间减少到4h，氨氮去除率仍达到88％，在之后的两天一直保持在85％以上。第39天，将厌氧段时间缩减至2h，调整一天后，氨氮去除率达到91％。第41天曝气模式完全转变为连续曝气模式。与此同时每次缩减厌氧段时间后适当调低反应器曝气量。为了保证系统的稳定，曝气量按照10-15％的幅度进行调整，直到最后曝气量降到0.6L/min。第45天氨氮转化率仍保持在85％以上，总氮去除率在80％以上，认为该阶段成功启动，进入高效运行阶段；

4)絮状及颗粒污泥共存系统污泥比例调控高效运行阶段：

此阶段进水氨氮浓度为180-220mg/L，反应器曝气量在0.4-0.6L/min之间，维持絮状污泥和颗粒污泥的质量比在2.02-2.23之间。运行至第46天，氨氮去除率保持在85％以上，将反应器运行周期缩短为11h，以维持高效低耗的脱氮目的。调整后氨氮转化率变化不大，在80％-90％之间。在第48天，系统内絮状污泥量减少，絮状污泥和颗粒污泥的质量比降低1.95，通将沉淀时间延长至13min，搅拌速度设置为110rpm/min同时将排出的絮状污泥重新加回到反应器内。在第52天絮状污泥和颗粒污泥的质量比恢复到2.02以上。整个高效运行期间，出水氨氮、亚硝态氮和硝态氮浓度均较低，氨氮转化率保持在85％以上，总氮去除率基本保持在75％以上。第53天，反应器运行周期缩短至9h，氨氮转化率降低到82％，此时增大溶解氧到0.5mg/L。运行到第55天，氨氮转化率恢复至90％，总氮去除率为85％。此后每次缩短1h的运行时间。到第74天，反应器周期为4h，溶解氧浓度为0.49-0.55mg/L，系统总氮去除负荷稳定在2.4-2.7kgN/m³/d之间。

实验过程中，对反应器启动及高效运行阶段进出水NH₄⁺、NO₂^-、NO₃^-质量浓度变化进行了跟踪测试，结果见附图2；启动及高效运行阶段氨氮及总氮去除率变化情况见附图3。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。