一种基于微区分布调控单级自养脱氮颗粒污泥脱氮性能的方法与流程

本发明属于污水处理技术与环境保护技术领域，特别涉及一种基于微区分布调控单级自养脱氮颗粒污泥脱氮性能的方法。

背景技术：

随着经济的发展，日益加剧的人类活动破坏了自然界原有的物质循环，使得大量氮、磷污染物通过生活污水、工业废水以及农业废水等形式进入自然水体，严重危害了人类赖以生存的水环境。其中，氮素污染已成为当前急待解决的重大环保课题。

单级自养脱氮工艺是指在同一反应器内实现亚硝化反应与厌氧氨氧化反应耦合，进而实现氨氮至氮气的转化。与传统的硝化-反硝化工艺相比，单级自养脱氮工艺中的部分氨氮首先被好氧氨氧化菌氧化为亚硝氮，生成的亚硝氮与剩余的氨氮再被厌氧氨氧化菌转化为氮气。因此，单级自养脱氮工艺不需要外加有机碳源，且可减少约60％的耗氧量，符合废水处理节能降耗的要求。研究单级自养脱氮工艺有利于实现污水厂向资源、能源型工厂的转变。

单级自养脱氮工艺中，好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌是主要的功能菌。好氧氨氧化菌属于好氧菌，而厌氧氨氧化菌属于厌氧菌(研究发现当溶解氧浓度大于0.064mg/l时，其活性受抑制)。已有研究表明，受外部传质阻力等因素的影响，颗粒污泥内部形成的溶解氧浓度梯度，可同时为好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌提供适宜的生存环境。然而，颗粒污泥内部的溶解氧浓度与反应器的溶解氧浓度相关。因此，精准调控反应器的溶解氧浓度以创造适于颗粒污泥内部好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌共存的微区环境，实现颗粒污泥高效稳定地脱氮，可有效提升单级自养脱氮工艺的脱氮性能。但至今还未有相关报道。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于微区分布调控单级自养脱氮颗粒污泥脱氮性能的方法，解决现有技术还未使基于颗粒污泥的单级自养脱氮工艺实现高效脱氮的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：取单级自养脱氮颗粒污泥反应器内具有最大体积百分比粒径范围的颗粒污泥，计算颗粒污泥好氧氨氧化菌活性区氨氮转化量与厌氧氨氧化菌活性区氨氮转化量的比值，并记为p，根据p值判断颗粒污泥内部亚硝化反应与厌氧氨氧化反应是否匹配，进而判断颗粒污泥内部溶解氧的微区分布是否合理；当p值为1.0～1.6时，表明所述颗粒污泥内部亚硝化反应与厌氧氨氧化反应匹配度较好，颗粒污泥内部溶解氧的微区分布合理且具有良好的自养脱氮能力；当p值为0～1.0时，提高所述反应器的溶解氧浓度，调整p值至1.0～1.6；当p值大于1.6时，降低所述反应器的溶解氧浓度，调整p值至1.0～1.6。

亚硝化反应：

厌氧氨氧化反应：

由上述亚硝化反应与厌氧氨氧化反应的化学反应计量学方程可知，当单级自养脱氮颗粒污泥内部的好氧氨氧化菌在好氧氨氧化菌活性区通过亚硝化反应转化的氨氮量与内部的厌氧氨氧化菌在厌氧氨氧化菌活性区通过厌氧氨氧化反应转化的氨氮量的比值为1.32时(即p为1.32)，可实现完全自养脱氮。进一步，研究发现p值介于1.0～1.6时，单级自养脱氮颗粒污泥内部亚硝化反应与厌氧氨氧化反应匹配较好，具有较好的自养脱氮性能。颗粒污泥作为单级自养脱氮颗粒污泥反应器的主要脱氮贡献者，其脱氮性能的好坏决定了反应器整体的脱氮性能。单级自养脱氮工艺中，颗粒污泥内部好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌对氨氮的转化效率受内部溶解氧浓度的影响，而内部溶解氧浓度与反应器的溶解氧浓度相关。因此，为提升单级自养脱氮颗粒污泥反应器的脱氮性能，需精准调控反应器的溶解氧浓度，创造出适于颗粒污泥内部好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌共存的微区环境，使颗粒污泥具有较好的自养脱氮性能。

进一步，所述p值采用以下计算方法得到：

1)取单级自养脱氮颗粒污泥反应器内的颗粒污泥，测定其粒径分布，以确定所述反应器内具有最大体积百分比的颗粒污泥的粒径范围；

2)任取反应器内具有最大体积百分比粒径范围的颗粒污泥进行微电极测试，测定所述颗粒污泥内部不同深度的溶解氧浓度和氨氮浓度；

3)根据步骤2)测定的颗粒污泥内部不同深度的溶解氧浓度来确定颗粒污泥内部的好氧氨氧化菌活性区和厌氧氨氧化菌活性区，并分别计算所述选取颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区的体积和颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区的体积；

其中，颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区的体积(vaob)：

颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区的体积(vanaob)：

式中，r为所述选取颗粒污泥的半径，ra为所述选取颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区的半径；

4)根据步骤2)测定的颗粒污泥内部不同深度的氨氮浓度，分别计算所述选取颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区氨氮浓度的变化和颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区氨氮浓度的变化；

其中，颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区氨氮浓度的变化(△nh4⁺-naob)：

颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区氨氮浓度的变化(△nh4⁺-nanaob)：

式中，caob-o为颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区外边界的氨氮浓度，caob-i为颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区内边界的氨氮浓度，canaob-o为颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区外边界的氨氮浓度，canaob-i为颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区中心的氨氮浓度；

5)将步骤3)获得的vaob和vanaob及步骤4)获得的△nh4⁺-naob和△nh4⁺-nanaob代入式(5)，即得到p值；

进一步，所述粒径范围内的最大值与最小值相差100～200μm。

进一步，所述反应器内的颗粒污泥的粒径大于200μm。

进一步，所述颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区为溶解氧浓度大于0.064mg/l的区域，所述厌氧氨氧化菌活性区为溶解氧浓度小于0.064mg/l的区域。由于单级自养脱氮颗粒污泥内部的好氧氨氧化菌主要富集在好氧氨氧化菌活性区，通过亚硝化反应转化氨氮，而污泥内部的厌氧氨氧化菌主要富集在厌氧氨氧化菌活性区，通过厌氧氨氧化反应转化氨氮。当污泥内部的溶解氧浓度大于0.064mg/l时，厌氧氨氧化菌的活性会受抑制，因此选择该浓度作为好氧氨氧化菌活性区和厌氧氨氧化菌活性区的分界点。

进一步，所述反应器溶解氧的调节幅度为0.05～0.1mg/l。由于单级自养脱氮工艺对溶解氧浓度的适应范围很窄。溶解氧的调节幅度过高，会影响颗粒污泥内部的溶解氧，进而影响好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的活性，引起p值的迅速减小或增大。因此，反应器溶解氧的调节幅度不宜过高。

进一步，所述微电极测试时的环境与所述单级自养脱氮颗粒污泥反应器运行时的环境相同，主要包括水温、溶解氧浓度和总氮浓度。这样是为了准确模拟反应器的运行工况，进而通过测试结果准确判断反应器的溶解氧浓度是否适宜。

进一步，所述微电极测试采用连续曝气的方式，溶解氧浓度通过氮气和氧气的混合比例来调节。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明以单级自养脱氮颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区发生的亚硝化反应与厌氧氨氧化菌活性区发生的厌氧氨氧化反应的匹配程度为基础，提出了一种基于微区分布调控单级自养脱氮颗粒污泥脱氮性能的方法。本方法可对单级自养脱氮颗粒污泥反应器的溶解氧浓度是否适宜进行判断，同时提供了定向精准调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器适宜溶解氧浓度的技术手段，有助于实现单级自养脱氮颗粒污泥工艺高效稳定的脱氮，准确性高。

2、本发明仅通过测定单级自养脱氮颗粒污泥反应器内具有最大体积百分比粒径范围的颗粒污泥内部不同深度的溶解氧浓度和氨氮浓度，计算颗粒污泥好氧氨氧化菌活性区氨氮转化量与厌氧氨氧化菌活性区氨氮转化量的比值，可判断颗粒污泥内部亚硝化反应与厌氧氨氧化反应是否匹配，进而判断颗粒污泥内部溶解氧的微区分布是否合理。根据p值可定向精准调控反应器的溶解氧浓度，使反应器内最大体积百分比粒径范围的污泥实现较好的脱氮，提升反应器的脱氮性能。本发明原理符合氮转化规律，体现了准确性和可行性，且操作简单，可有效提升单级自养脱氮颗粒污泥反应器的脱氮性能。

附图说明

图1为实施例中颗粒污泥内部溶解氧浓度的空间分布图；

图2为实施例中颗粒污泥内部氨氮浓度的空间分布图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例

采用单级自养脱氮工艺实现自养脱氮时，理论上氨氮去除率为100％，总氮去除率可达88％，但实际运行中却很难实现。本发明基于以亚硝化-厌氧氨氧化为主要脱氮途径的单级自养脱氮egsb反应器作为实施例，说明本方法的可行性。单级自养脱氮egsb反应器内溶解氧浓度为0.45mg/l，水温为32℃，总氮浓度为100mg/l，其中氨氮浓度为100mg/l。

一种基于微区分布调控单级自养脱氮颗粒污泥脱氮性能的方法：

1)取单级自养脱氮egsb反应器内的颗粒污泥，测定其粒径分布。经测定，反应器内具有最大体积百分比的颗粒污泥的粒径范围为900～1000μm，约占反应器污泥总体积的20％。

2)取粒径为1000μm的颗粒污泥进行微电极测试，微电极测试环境与反应器保持一致(即溶解氧浓度为0.45mg/l，水温为32℃，总氮浓度为100mg/l，其中氨氮浓度为100mg/l)，测定颗粒污泥内部不同深度的溶解氧浓度和氨氮浓度。结果如图1和图2所示。

从图1可知，随着颗粒污泥内部深度的增加，其溶解氧浓度逐渐降低。当颗粒污泥内部深度为165μm时，溶解氧浓度为0.064mg/l。由此，可认为粒径为1000μm的颗粒污泥表面至内部165μm的区域为好氧氨氧化菌活性区，颗粒污泥内部165μm至中心的区域为厌氧氨氧化菌活性区，即r为500μm，ra为335μm。

从图2可知，颗粒污泥表面的氨氮浓度为70.17mg/l，即颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区外边界的氨氮浓度(caob-o)为70.17mg/l。颗粒污泥内部165μm处的氨氮浓度为64.57mg/l，即颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区内边界与厌氧氨氧化菌活性区外边界的氨氮浓度(caob-i与canaob-o)为64.57mg/l。颗粒污泥内部500μm处的氨氮浓度为52.01mg/l，即颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区中心的氨氮浓度(canaob-i)52.01mg/l。

3)将步骤2)得到的r值和ra值分别带入公式(1)和(2)，计算出好氧氨氧化菌活性区的体积vaob为3.66×10⁸μm³，厌氧氨氧化菌活性区的体积vanaob为1.57×10⁸μm³。

其中，vaob为颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区体积(μm³)，vanaob颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区体积(μm³)，r为颗粒污泥半径(μm)，ra为颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区半径(μm)。

4)将步骤2)得到的caob-o，caob-i，canaob-o和canaob-i带入公式(3)和(4)，计算出颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区氨氮浓度的变化△nh4⁺-naob为5.6mg/l，厌氧氨氧化菌活性区氨氮浓度的变化△nh4⁺-nanaob为12.56mg/l。

其中，△nh4⁺-naob为颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区氨氮浓度的变化值(mg/l)，△nh4⁺-nanaob为颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区氨氮浓度的变化值(mg/l)，caob-o为颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区外边界的氨氮浓度，caob-i为颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区内边界的氨氮浓度，canaob-o为颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区外边界的氨氮浓度，canaob-i为颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌活性区中心的氨氮浓度。

5)将vaob值，vanaob值，△nh4⁺-naob值及△nh4⁺-nanaob值带入式(5)，计算得到粒径为1000μm的颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区氨氮转化量与厌氧氨氧化菌活性区氨氮转化量的比值p为1.04。

采用上述方法求得粒径为900μm的颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区氨氮转化量与厌氧氨氧化菌活性区氨氮转化量的比值p为1.57。

由此可知，单级自养脱氮egsb反应器内的溶解氧浓度为0.45mg/l时，粒径为900μm～1000μm的颗粒污泥内部好氧氨氧化菌活性区氨氮转化量与厌氧氨氧化菌活性区氨氮转化量的比值p均介于1.0～1.6，表明该溶解氧浓度下，粒径为900μm～1000μm的颗粒污泥内部溶解氧的微区分布合理，污泥内部亚硝化反应与厌氧氨氧化反应匹配度较好且具有良好的自养脱氮能力。此外，通过对反应器实际脱氮性能的测量，发现当单级自养脱氮egsb反应器内的溶解氧浓度为0.45mg/l时，反应器出水中的氨氮浓度、亚硝氮浓度和硝氮浓度保持稳定，实际氨氮去除率和总氮去除率可达到在93.0％和79.0％，表明反应器具有较高的自养脱氮性能。可见，本方法对单级自养脱氮颗粒污泥反应器内部溶解氧浓度是否适宜与反应器运行结果所获得的结果相一致，说明了本发明具有可行性和准确性。

综上，本发明通过测定单级自养脱氮颗粒污泥反应器内具有最大体积百分比粒径范围的颗粒污泥内部不同深度的溶解氧浓度和氨氮浓度，计算颗粒污泥好氧氨氧化菌活性区氨氮转化量与厌氧氨氧化菌活性区氨氮转化量的比值，可判断颗粒污泥内部亚硝化反应与厌氧氨氧化反应是否匹配，进而判断颗粒污泥内部溶解氧的微区分布是否合理。根据p值可定向精准调控反应器的溶解氧浓度，使反应器内最大体积百分比粒径范围的污泥实现较好的脱氮，提升反应器的脱氮性能。本发明原理符合氮转化规律，体现了准确性和可行性。本方法操作简单，可通过获得的p值定向精准调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器适宜的溶解氧浓度，有效提升单级自养脱氮颗粒污泥反应器的脱氮性能。本方法具有良好的应用前景，可为单级自养脱氮工艺实际工程的应用提供理论依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。