專利名稱：一種常溫低氨氮cstr部分亞硝化出水氮素比例調控方法
技術領域：
本發明屬于城市污水處理與資源化領域。具體涉及到常溫條件下連續流完全混合式(CSTR)反應器處理低氨氮廢水的部分亞硝化工藝穩定運行及控制適宜出水比例的方法，使CSTR在較高亞硝化率的條件下獲得亞硝酸鹽氮/氨氮為fl. 32:1的出水，以滿足厭氧氨氧化工藝的進水需求。
背景技術：
控制污廢水中氮素污染的問題是目前水污染控制領域的重要課題之一，且研究新型的節能降耗廢水脫氮技術已成為水污染控制領域的熱點問題。傳統的硝化——反硝化工藝是一項較成熟且應用最為廣泛的廢水生物脫氮技術，但其存在的問題也日益凸顯硝化反應需要的時間長且消耗的溶解氧量多；反硝化過程需外加碳源，抗沖擊負荷能力弱，需進行酸堿中和等。部分亞硝化一厭氧氨氧化(Anammox)工藝與傳統生物脫氮工藝相比僅將50°/Γ60%的ΝΗ/-Ν氧化至亞硝酸鹽氮(Ν02_-Ν)，防止硝酸鹽氮(Ν03_-Ν)的產生，在Anammox反應器中，于厭氧條件下無需外加碳源，直接將比例為Γ1. 32:1的NO2--N和ΝΗ4+-Ν轉化為N2釋放到大氣中，實現氮素的去除。其具有耗氧量少，無需外加碳源，污泥產量低等優點而受到越來越多的研究者的青睞和關注。部分亞硝化工藝是實現Anammox自養脫氮的關鍵所在，需為厭氧氨氧化提供亞硝酸鹽氮/氨氮1-1. 32:1的進水。但由于氨氧化菌(AOB)的自身特點，常溫、低ΝΗ/-Ν廢水與AOB的理想生長環境有較大差距，故該環境條件下的亞硝酸鹽氮積累效果較難穩定維持。近年來亞硝化工藝的研究主要采用間歇式活性污泥法，而對于完全混合式連續流(CSTR)工藝的研究較少。由于CSTR反應器內不存在濃度梯度且反應器內無特定指示參數等特點，故如何維持系統的亞硝化效果及控制恒定的出水比例這一問題亟待解決。
發明內容
本發明的目的在于提供一種常溫條件下CSTR部分亞硝化工藝穩定、高效運行的方法，基于溶解氧(DO)或DO和水力停留時間(HRT)雙重控制的原理而保證CSTR在較高的亞硝化率的條件下獲得亞硝酸鹽氮/氨氮為廣I. 32:1的出水。本發明所提供的運行方法，是在常溫條件下，以人工配置的低氨氮濃度廢水為研究對象，主要通過DO或HRT和DO的同步控制來實現CSTR部分亞硝化反應器的高效、穩定運行。具體步驟如下步驟一 CSTR反應器搭建按照進水至出水的順序依次設置水箱、曝氣池和沉淀池。污水通過進水泵從水箱泵入曝氣池，曝氣池出水口經管道連通至沉淀池中心管，通過污泥回流泵將沉淀池內的污泥抽回至曝氣池。曝氣量通過轉子流量計控制，完全混合式反應池內設置DO、pH和溫度探頭，對反應池內的參數進行監測。設置進水及回流流量計，便于HRT的調控。步驟二 CSTR反應器啟動CSTR啟動采用四階段方式啟動。接種城市污水處理廠曝氣池硝化污泥，控制污泥濃度在 3000-4000mg/L，溫度在 17_25°C。第一階段，硝化性能強化階段，采用SBR方式運行，控制進水氨氮濃度100-120mg/L，pH為7. 70-8. 00，DO為2. 0-3. Omg/L，進行周期實驗，即每30min取水樣一次，測定氨氮、亞硝酸鹽及硝酸鹽濃度。在氨氮剩余少于進水氨氮的10%前，停止曝氣，確定反應時間，控制沉淀時間在O. 5-lh，排水，并以此確定SBR周期。計算一個周期內的氨氮氧化負荷，當氨氮氧化負荷(ALR)達到O. 20kgN/kgMLSS/d以上時，認為污泥硝化活性較高，本階段結束進入下一階段。第二階段，SBR高氨氮亞硝化啟動階段，采用SBR方式運行，控制進水氨氮濃度180. 0 250· Omg/L, pH 為 7. 70 8· 00，DO 為 O. 50 0· 90mg/L,以高游離氨(FA)抑制 NOB 的生長。通過周期實驗確定SBR周期，在氨氮剩余少于進水氨氮的10%前停止曝氣，防止因延時曝氣將已積累的亞硝酸鹽被進一步氧化以利于NOB增殖。控制沉淀時間在O. 5-lh。當反應器亞硝化率(生成的亞硝酸鹽氮/生成的亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮之和)連續7個周期達到90%以上，認為亞硝化反應器啟動成功，進入下一階段。第三階段，SBR低氨氮亞硝化適應階段，采用SBR方式運行，控制進水氨氮濃度為70. 0^90. Omg/L, pH為 · 60^7. 90，DO濃度為(λ 30^0. 50mg/L,通過周期實驗確定周期，在氨氮剩余少于進水氨氮的10%前停止曝氣，沉淀時間0. 4-0. 5h。當反應器連續10天亞硝化率在90%以上時，認為低氨氮亞硝化啟動成功，進入下一階段。第四階段，SBR轉CSTR運行階段。利用SBR與CSTR污泥的氨氮氧化負荷不變，通過SBR控制參數確定CSTR控制參數。計算SBR低氨氮運行期連續10天亞硝化率在90%以上時的平均氨氮氧化負荷，采用該值的80%-100%作為CSTR氨氮氧化負荷ALR，設定氨氮氧化率為50%-60%，確定反應器的進水流量及HRT，且初始HRT在3. (T9. Oh,控制進水氨氮濃度70. 0 90· 0mg/L, pH為7. 60 7· 90，反應器內DO在0. 20 0· 50mg/L,污泥回流比為進水流量的10 30%。步驟三單控DO控制CSTR出水氮素比例策略以D0/ALR作為亞硝化系統維系的標志性參數推薦其值不大于I. 0mg02/gNd,以此作為DO與HRT調控標準。根據CSTR初期確定的ALR，進而確定DO上限值，在值域內調整D0，以調控出水亞硝酸鹽和氨氮比例。當出水N02_-N/NH4+-N值大于I. 32時，降低反應器內DO濃度，當出水N02_-N/NH4+-N值小于I時，增大反應器內DO濃度至該比例在f I. 32:1范圍內為止。每次DO改變不超過0. lmg/L，每次改變至少間隔3d。當出水氮素比例達到f I. 32:1，氨氮氧化負荷平均7天達到0. 20kgN/kg MLSS/d以上時，認為CSTR部分亞硝化氮素比例調控成功，若DO達到上限時，比例不能達到要求，或者比例達到要求但氨氮氧化負荷需進一 步提高，則需同步調控HRT與DO。通過測定出水氮素，調控DO雖然具有精度高的優點，但氮素測定較麻煩，并且不具有實時的操作性。通過研究表明，可通過對進出水PH值做差，得出ΛρΗ，利用ΛρΗ與出水亞硝酸鹽與氨氮比值呈線性關系，推測出水比例，進而可更快速、更直觀對反應器控制參數DO進行調整。以X為Λ pH, y為出水N02_-N/NH4+-N比例，建立y=ax線性關系，a為I. 5^2. O。
步驟四雙控HRT與DO控制CSTR出水氮素比例策略以D0/ALR不大于I. Omg 02/gN d為標準，降低HRT會增大ALR，系統DO上限提高，每次HRT降低幅度為O. 5^1. Oh,每次調整間隔不少于10d，改變HRT后，以D0/ALR計算DO上限值，在值域內調整D0，以調控出水亞硝酸鹽和氨氮比例。每次DO改變不超過O. lmg/L，每次改變至少間隔3d。當出水氮素比例達到f I. 32:1，氨氮氧化負荷平均7天達到O. 20kgN/kg MLSS/d以上時，認為CSTR部分亞硝化氮素比例調控成功。比較不同HRT下的出水N02_-N/NH4+-N及氨氮氧化速率(a) /亞硝酸鹽氮生成速率(b)、亞硝酸鹽氮生成速率(b)/硝酸鹽氮生成速率(C)。不同工況的出水比例均值若均在Γ1. 32:1之間，則當b/a > O. 9且越接近I. O, b/c越大者，則越適宜作為系統長期運行的工況。與現有廢水生物脫氮的處理方法相比較，本發明具有以下有益效果I)與傳統硝化反硝化工藝相比，節省了曝氣量，其出水通入Anammox工藝無需投加碳源，大大降低了廢水處理的成本并縮短了反應時間，降低了反應器體積。2)反應器啟動采用間歇運行、恒定曝氣時間、高基質濃度向低基質濃度過渡的方式，短期內即可實現亞硝化反應器的快速啟動。3)通過DO或HRT與DO的聯合調控，獲得了穩定的出水比例，使部分亞硝化技術在連續流反應器中的實現成為可能。4)提出了適宜判斷CSTR部分亞硝化工藝處理效果的指示參數，并給出了二者之間的關系式。以下結合具體實施方式
對本發明做進一步描述，但本發明的保護范圍并不局限于此。
圖I是完全混合式連續流試驗裝置示意圖，其中I.水箱、2. CSTR反應器、3. 二沉池、4.進水泵、5.回流污泥泵、6.攪拌機、7.溶解氧在線測定儀、8.溶解氧探頭、9. pH在線測定儀、10. PH探頭、11.超聲靜音可調式氣泵、12.曝氣環。
圖2是本發明采用間歇運行、恒定曝氣時間、高基質濃度向低基質濃度過渡的方式啟動反應器的效果圖。圖3是本發明在恒定HRT下，通過調控DO獲得穩定出水比例的效果圖。圖4是本發明采用DO和HRT聯合調控，獲得穩定出水比例的效果圖。圖5是CSTR反應器進出水pH差值與出水比例的擬合關系曲線。
具體實施例方式試驗以人工配置的低氨氮廢水為基礎用水并向其中添加部分原水，試驗具體水質如下C0D < 50mg/L, ΝΗ4+_Ν=60· 8 85. Omg/L, NOf-N、NOf-N < 5. Omg/L, pH=7. 70 8. 20，TP
<I. Omg/L。溫度為 17. 0 23· (TC。具體處理如下實施例I如圖2所示，依據步驟二，污泥初始硝化性能較好，氨氮氧化負荷為0. 2kgN/kgMLSS/d。直接進入第二階段，控制初始氨氮濃度在187. (Γ238. Omg/L, pH為7. 80，反應器內DO為O. 40mg/Lo保證出水氨氮濃度剩余70. Omg/L,依周期試驗確定曝氣時間為8h,每天2周期，經過34周期亞硝化率達到90%以上，而后運行7個周期，亞硝化率均在90%以上，亞硝化反應器啟動成功進入第三階段。控制進水氨氮濃度為71. 7^84. 6mg/L，依據周期試驗確定曝氣時間為5h，每天運行2周期，運行10d，亞硝化率均在90%以上，可轉換運行方式。實施例2如圖3所示，SBR低氨氮運行期的氨氮 轉化負荷為O. 2kgN/kgMLSS/d,以該值為依據，當進水NH4+-N為75. Omg/L時，去除部分氨氮的量設定為38mg/L，V=30L，初始HRT為3. 0h，DO濃度為0. 35mg/L。依據步驟三，第I、2天DO為0. 35mg/L時出水Ν02、Ν/ΝΗ4+-Ν
<1.0，故于第三天增大00濃度至0.4511^/1，此時出水勵2-4/順4+4在1 1.32:1間。而當第9天DO濃度為0. 39mg/L時，出水比例為I. 63 > I. 32，故應降低DO濃度。在HRT=3. Oh下運行34d，該階段出水N02_-N/NH4+-N在f I. 32:1間的時間長于7d，認為出水Ν02_-Ν/ΝΗ4+_Ν調控成功，并確定出水NCV-N/NH/-N在f I. 32:1間時對應的D0/ALR為0. 75mg02/g N d
<I. 0mg02/g N d，保證了該階段亞硝化率均值為96%。實施例3如圖4所示，為提高反應器的氨氮氧化負荷，仍控制恒定的D0/ALR值為0.75mg02/g N d，依據步驟四，HRT從上階段的3. Oh降至2. 5h。采取步驟三的DO濃度調整方法，在第53飛2d出水比例均值為I. 04，認為出水比例調控成功且該階段氨氮轉化負荷達到0. 27kgN/ (kgMLSS-(I)0繼續提高反應器的氨氮氧化負荷，HRT降至I. 5h，仍采取步驟三的DO濃度調整方法。第88、8d出水比例均值為I. 18，認為出水比例調控成功，該階段氨氮轉化負荷達到 0. 54kgN/ (kgMLSS · d)。當HRT為3. Oh、2. 5h和I. 5h時平均亞硝酸鹽氮增長速率與平均硝酸鹽氮的增長速率的比值b/c分別為22. 829、13. 673和16. 080，平均亞硝酸鹽氮增長速率與平均氨氮氧化速率的比值b/a分別為:0· 913,0. 888和0. 894。HRT=3. Oh時的平均b/c較高且b/a >0. 9更接近于1，因此確定HRT=3. Oh更適宜作為亞硝化系統長期的運行工況。實施例4因為HRT=L 5h時反應器內污泥濃度波動較大，影響了 DO的測定，故只對前70d的進出水PH值進行測定。反應器的Λ pH與出水比例的關系大致滿足下式設X為ApH，y為出水N02--N/NH4+-N比例，對二者進行擬合，得出y=l. 62467x的關系式。當ΛρΗ在0. 62、· 81范圍內時，出水比例在廣I. 32:1間，若觀測的Λ pH < 0. 62，應在恒定HRT下增大DO濃度；若觀測的Λ pH > 0. 81，則應在恒定HRT下降低DO濃度。
權利要求
1.一種常溫低氨氮CSTR部分亞硝化出水氮素比例調控方法，其特征在于 DCSTR四階段啟動接種城市污水處理廠曝氣池硝化污泥，污泥濃度在3000-4000mg/L ;第一階段，硝化性能強化階段，采用SBR方式運行，控制進水氨氮濃度100-120mg/L，pH為7. 70-8. 00，DO為2. 0-3. Omg/L，在氨氮剩余少于進水氨氮的10%前，停止曝氣，確定反應時間，控制沉淀時間在0. 5-lh，排水，直到氨氮氧化負荷達到0. 20kgN/kgMLSS/d以上；第二階段，SBR高氨氮亞硝化啟動階段，采用SBR方式運行，控制進水氨氮濃度180. (T250. Omg/L，pH為7. 70 8. 00，DO為0. 50 0. 90mg/L,在氨氮剩余少于進水氨氮的10%前，停止曝氣，控制沉淀時間在0. 5-lh，排水，直到反應器亞硝化率，即生成的亞硝酸鹽氮與生成的亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮之和的比值，連續7天達到90%以上；第三階段，SBR低氨氮亞硝化適應階段，采用SBR方式運行，控制進水氨氮濃度70. 0 90. Omg/L, pH為7. 60 7. 90，DO為·0.30、. 50mg/L,在氨氮剩余少于進水氨氮的10%前，停止曝氣，沉淀時間0. 4-0. 5h，排水，直到反應器連續10天亞硝化率在90%以上；第四階段，SBR轉CSTR運行階段，計算SBR低氨氮運行期連續10天亞硝化率在90%以上時的平均氨氮氧化負荷,采用該值的80%-100%作為CSTR氨氮氧化負荷ALR，設定氨氮氧化率為50%-60%，確定反應器的進水流量及HRT，且初始HRT在3. 0 9. 0h，控制進水氨氮濃度70. 0^90. Omg/L,pH為7. 60 7. 90，反應器內DO在0. 20、. 50mg/L，污泥回流比為進水流量的10 30% ； 2)單控DO控制CSTR出水氮素比例策略以D0/ALR作為亞硝化系統維系的標志性參數其值不大于I. 0mg02/gN d，以此作為DO與HRT調控標準；根據CSTR初期確定的ALR，進而確定DO上限值，在值域內調整D0，以調控出水亞硝酸鹽和氨氮比例；每次DO改變不超過0. lmg/L，每次改變至少間隔3d ;當出水氮素比例達到f I. 32:1，氨氮氧化負荷平均7天達到0. 20kgN/kg MLSS/d以上時，認為CSTR部分亞硝化氮素比例調控成功，若DO達到上限時，比例不能達到要求，或者比例達到要求但氨氮氧化負荷需進一步提高，則需同步調控HRT 與 DO ； 3)雙控HRT與DO控制CSTR出水氮素比例策略以D0/ALR不大于I.0mg02/gN d為標準，降低HRT，會增大ALR，系統DO上限提高，每次HRT降低幅度為0. 5^1. Oh,每次調整間隔不少于10d，改變HRT后，以D0/ALR計算DO上限值，在值域內調整D0，以調控出水亞硝酸鹽和氨氮比例；每次DO改變不超過0. lmg/L，每次改變至少間隔3d ;當出水氮素比例達到ri. 32:1，氨氮氧化負荷平均7天達到0. 20kgN/kg MLSS/d以上時，認為CSTR部分亞硝化氮素比例調控成功； 4)不同HRT與DO組合亞硝化穩定性比較比較不同HRT下的出水N02_-N/NH4+_N及氨氮氧化速率(a) /亞硝酸鹽氮生成速率(b)、亞硝酸鹽氮生成速率(b) /硝酸鹽氮生成速率(c);不同工況的出水比例均值若均在f I. 32:1之間，則當b/a >0.9且越接近I. 0，b/c越大者，則越適宜作為系統長期運行的工況。
全文摘要
一種常溫低氨氮CSTR部分亞硝化出水氮素比例調控方法屬于城市廢水處理與資源化領域。采用四階段啟動，以SBR低氨氮運行期間氨氧化負荷的80%-100%作為CSTR的初始氨氧化負荷，確定CSTR的HRT。以DO/ALR作為亞硝化系統維系的標志性參數，推薦其值不大于1.0mgO2/g N d，以此作為DO與HRT調控標準。先恒定HRT單控DO，若不能達到比例或氨氧化負荷不足，可同步調控HRT與DO。比較出水NO2--N/NH4+-N及氨氮氧化速率(a)/亞硝酸鹽氮生成速率(b)、亞硝酸鹽氮生成速率(b)/硝酸鹽氮生成速率(c)。不同工況的出水比例均值若均在1~1.32:1之間，則當b/a＞0.9且越接近1.0，b/c越大者，則越適宜作為系統長期運行的工況。本發明保證CSTR反應器出水NO2--N/NH4+-N在1~1.32:1間，以滿足厭氧氨氧化工藝的進水需求。
文檔編號C02F101/16GK102701441SQ201210152750
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月16日 優先權日2012年5月16日
發明者仲航, 劉麗倩, 吳迪, 周利軍, 孫宇, 崔少明, 張功良, 張昭, 張 杰, 曾輝平, 李冬, 李德祥, 楊卓, 王斌, 蘇東霞, 高偉楠 申請人:北京工業大學