專利名稱：控制自由氨累積低溫下sbr亞硝化-反亞硝化實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫下SBR法(序批式活性污泥法)實(shí)現(xiàn)高氨氮廢水亞硝化-反 亞硝化的方法。
背景技術(shù)：
污水排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷收緊是目前世界各國的普遍發(fā)展趨勢(shì)；以控制富營養(yǎng)化為目 的的氮、磷去除及相關(guān)工藝能耗的降低已成為重要的研究方向。傳統(tǒng)的生物法通常采用全 程硝化-反硝化工藝脫氮，即好氧單元由氨氧化菌(Ammonia Oxidizing Bacteria, A0B)將 氨氮氧化成亞硝氮后，再由硝化菌(Nitrite Oxidizing Bacteria, NOB)氧化成硝態(tài)氮；兼 氧(厭氧)單元?jiǎng)t將生成的硝態(tài)氮還原成亞硝氮后再還原成氮?dú)?。這在實(shí)際應(yīng)用中，特別是 對(duì)高氨氮、低碳氮比廢水的處理過程中，氨氮氧化成硝氮的曝氣與硝氮還原成氮?dú)馑柰?部碳源的補(bǔ)充均會(huì)產(chǎn)生過高的運(yùn)行成本。因此，研究開發(fā)優(yōu)化能(資)源消耗的脫氮新工 藝顯得十分必要。1998年，Hellinga C等利用35°C條件下氨氧化菌世代時(shí)間短于硝化菌， 選擇合適的污泥停留時(shí)間(SRT)淘汰硝化菌而保留氨氧化菌，從而在單個(gè)反應(yīng)器中首先實(shí) 現(xiàn)了的亞硝化-反亞硝化過程，即氨氮被氧化成亞硝氮后直接被還原成氮?dú)?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)。該工藝相對(duì)全程硝化-反硝化最多可節(jié)省25%的曝氣量，40% 的外部碳源，并減少40%的生物增量。這引起世界各國廣泛關(guān)注，后續(xù)的研究工作旨在拓寬 亞硝化-反亞硝化的應(yīng)用范圍或降低其對(duì)運(yùn)行條件的要求。Blackburne R通過將溶解氧 (DO)控制在低濃度水平(< 0. 5mg/L)，利用氨氧化菌對(duì)溶解氧的親和性大于硝化菌，在室 溫條件下(19°C 23°C)實(shí)現(xiàn)亞硝化-反亞硝化(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條件下 用生物膜流化床處理高氨氮廢水，亞硝化率達(dá)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 等研究發(fā)現(xiàn)體系內(nèi)自由氨 濃度大于4mg/L時(shí)，會(huì)對(duì)亞硝氮的氧化產(chǎn)生明顯的抑制(Bae W，Baek S，Chung Jff, Lee Y. 2002. Optimal operation factors for nitrite accumulation in bach reactors. Biodegradation. 12 :359_366)。以上研究共同點(diǎn)在于，盡管新過程相對(duì)全程硝化_反硝化節(jié)能，但需要供熱設(shè)備 以將反應(yīng)體系維持在中高溫(20°C 35°C )，供熱所消耗的能量較高；所以不能在廢水的 將反應(yīng)體系維持在中高溫(20°C 35°C )，供熱所消耗的能量較高；所以不能在廢水的實(shí)際 處理中實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能降耗。因此，設(shè)法降低反應(yīng)溫度成為推廣該工藝的關(guān)鍵。而通過自 由氨濃度受控累積，或者根據(jù)PH連續(xù)監(jiān)測(cè)曲線實(shí)時(shí)優(yōu)化曝氣時(shí)間，在低溫條件下(10°C 18°C )實(shí)現(xiàn)高氨氮廢水亞硝化_反亞硝化的方法未有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低溫條件下采用SBR法(序批式活性污泥法)處理高濃 度氨氮廢水，通過亞硝化_反亞硝化途徑高效去除氮和C0D，并降低能耗的控制方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提出兩種控制方式，實(shí)現(xiàn)低溫下全程硝化_反硝化向 短程硝化_反硝化(亞硝化_反亞硝化)轉(zhuǎn)變，具體分別是a)優(yōu)化曝氣時(shí)間法SBR法全程硝化-反硝化脫氮穩(wěn)定后，在每輪循環(huán)的好氧單元，根據(jù)pH連續(xù)監(jiān)測(cè)曲 線上的“氨谷點(diǎn)，，實(shí)時(shí)控制好氧單元的時(shí)長，即先采用合適的曝氣流量持續(xù)曝氣，當(dāng)PH連 續(xù)監(jiān)測(cè)曲線出現(xiàn)“氨谷點(diǎn)”(ammonia valley)后立即停止曝氣。通過優(yōu)化曝氣時(shí)間以逐步 減少亞硝氮的氧化，從而使脫氮過程逐漸由全程硝化_反硝化轉(zhuǎn)變?yōu)槎坛滔趸聪趸瑏?硝化率可以持續(xù)增高并最終達(dá)到80%。b)自由氨受控累積法在SBR全程硝化_反硝化脫氮效果穩(wěn)定后，通過降低曝氣流量使反應(yīng)體系內(nèi)自由 氨濃度(Free ammonia,FA)升高至大于等于20mg/L，然后將曝氣流量恢復(fù)至合適的曝氣流 量持續(xù)曝氣直到亞硝化率達(dá)到80%以上，之后重新恢復(fù)正常進(jìn)出水處理循環(huán)，實(shí)現(xiàn)氨氮廢 水處理的亞硝化_反亞硝化。本發(fā)明中所述的SBR法全程硝化-反硝化脫氮穩(wěn)定，均是指SBR法運(yùn)行穩(wěn)定可使 NH3-N去除率達(dá)到80%，且出水中Ν03-Ν/ΤΝ大于70%。上述a)中所述“氨谷點(diǎn)”是指氨氮氧化結(jié)束時(shí)，dpH/dt由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎禃r(shí)的pH 值(即圖2中的V點(diǎn))。b)中所述降低曝氣流量是將曝氣流量降為合適的曝氣流量的1/10 1/15。所述合適的曝氣流量計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下Q = qXMLSSXIn(公式 1)其中，Q-合適的曝氣流量，單位為L/min ；MLSS-mixed liquor suspended solids (混合液懸浮物濃度)用來表示活性污泥 濃度，單位為mg · I/1 ；MLSS的值根據(jù)實(shí)際情況確定，但是對(duì)于本發(fā)明所處理的高氨氮廢水， MLSS 取值一般在 7000 12000mg/L。In-進(jìn)水 NH3-N 濃度，單位為 mg · L—1 ；q-經(jīng)驗(yàn)計(jì)算常數(shù)，來自于實(shí)驗(yàn)。對(duì)于合適的曝氣流量，其取值為200 400，單位 為(ml3 · mg"2 · miiT1)，表示單位時(shí)間內(nèi)為氧化單位濃度的進(jìn)水氨氮而提供給單位濃度活性 污泥的空氣量。方法a)是通過優(yōu)化反應(yīng)器好氧單元的曝氣時(shí)間，實(shí)現(xiàn)全程硝化向亞硝化轉(zhuǎn)變；方 法b)是通過抑制反應(yīng)器氧化亞硝酸鹽功能，實(shí)現(xiàn)亞硝化-反亞硝化。這兩種方式可分開使 用，也可被結(jié)合在一起使用。結(jié)合在一起使用時(shí)，可以先采用“自由氨受控累積”，再采用“優(yōu)化曝氣時(shí)間”的方 法。具體結(jié)合控制方法步驟如下1)在SBR法全程硝化-反硝化脫氮效果穩(wěn)定后，通過降 低曝氣流量使反應(yīng)體系內(nèi)自由氨濃度升高至大于等于20mg/L;2)經(jīng)步驟1)后，在SBR法每 輪循環(huán)的好氧單元根據(jù)PH連續(xù)監(jiān)測(cè)曲線上的氨谷點(diǎn)實(shí)時(shí)控制好氧單元時(shí)長，S卩先采用合適的曝氣流量持續(xù)曝氣，當(dāng)PH連續(xù)監(jiān)測(cè)曲線出現(xiàn)氨谷點(diǎn)后停止曝氣，體系由自由氨受控累 積迅速向亞硝化_反亞硝化轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定亞硝化脫氮時(shí)，出水Ν02-Ν/ΤΝ達(dá)到80%以上，從而實(shí) 現(xiàn)氨氮廢水處理的亞硝化_反亞硝化。也可先采用“優(yōu)化曝氣時(shí)間”，再采用“自由氨受控累積”的方法。這種結(jié)合方法的 主要目的是為了進(jìn)一步抑制反應(yīng)器氧化亞硝氮的性能，提高亞硝化率。例如其應(yīng)用的條件 是，當(dāng)“優(yōu)化曝氣時(shí)間”使全程硝化反硝化向短程硝化反硝化轉(zhuǎn)變時(shí)，轉(zhuǎn)變過程較慢(比如 大于30天或5個(gè)水力停留時(shí)間)，或是轉(zhuǎn)變后亞硝化率較低(比如低于50% )，這種情況 下，可以采用“自由氨受控積累方式”，將反應(yīng)器對(duì)亞硝酸鹽氧化能力進(jìn)行抑制，使氨氮的氧 化停留在亞硝氮這一步，從而提高亞硝化率。具體結(jié)合控制方法步驟如下1) SBR法全程硝化-反硝化脫氮穩(wěn)定后，在SBR循環(huán) 中好氧單元采用合適曝氣量，并在PH連續(xù)監(jiān)測(cè)曲線出現(xiàn)氨谷點(diǎn)后立即停止曝氣，直至亞硝 化率逐漸升高至30% 60% ；(此過程經(jīng)歷的SBR循環(huán)數(shù)由亞硝化率升高快慢決定，一般 在1 5個(gè)水力停留時(shí)間之內(nèi))；2) SBR體系經(jīng)過步驟1)后，通過降低曝氣流量使反應(yīng)體系 內(nèi)自由氨濃度升高至大于等于20mg/L，然后立即將曝氣流量恢復(fù)至合適的曝氣流量持續(xù)曝 氣，全程硝化_反硝化向亞硝化_反亞硝化轉(zhuǎn)變得以加快，直至亞硝化率達(dá)到80%以上，之 后按照SBR法正常進(jìn)出水處理循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)氨氮廢水亞硝化_反亞硝化處理。本發(fā)明所述方法中，低溫所指溫度范圍為10°C 18°C。所述氨氮廢水中NH3-N濃度大于500mg/L。具體是指畜禽廢水，垃圾滲濾液，污泥 厭氧消化液和灰水。本方法的效果是，在10°C 18°C的低溫條件下，實(shí)現(xiàn)亞硝化_反亞硝化途徑處理 低C/N比廢水(亞硝化率達(dá)到80% )，保證反應(yīng)器高效去除氮(約95% TNJ々99% NH3-N) 及COD (約92% )，降低曝氣能耗，并節(jié)省外部碳源。


圖1為本發(fā)明所用反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施例1中15°C下根據(jù)pH實(shí)時(shí)曲線上“氨谷點(diǎn)”優(yōu)化曝氣時(shí)間實(shí)現(xiàn)亞硝 化-反亞硝化的示意圖。圖3為實(shí)施例2中15°C下控制自由氨濃度的亞硝化_反亞硝化運(yùn)行圖。圖4是實(shí)施例3中在10°C下根據(jù)pH實(shí)時(shí)曲線上“氨谷點(diǎn)”優(yōu)化曝氣時(shí)間的亞硝 化-反亞硝化運(yùn)行圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的方法進(jìn)行說明，但本發(fā)明并不局限于此。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如 無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。本發(fā)明所采用的“序批式活性污泥反應(yīng)器”(SBR)為公知技術(shù)，其每輪循環(huán)由進(jìn)水、 兼氧(厭氧)、好氧、沉淀和出水5個(gè)單元組成。本發(fā)明在此基礎(chǔ)上，建立實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)以加 強(qiáng)對(duì)反應(yīng)器的過程控制，反應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。如圖1所示，采用pH、D0(溶解氧) 及ORP (氧化還原電位)電極對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，其信號(hào)被輸入至計(jì)算機(jī)并被記錄和計(jì)算；計(jì)算機(jī)根據(jù)設(shè)定的程序控制進(jìn)出水泵、碳源投加泵、曝氣機(jī)及攪拌電機(jī)的啟停，從而實(shí) 時(shí)控制各反應(yīng)單元的交替進(jìn)行。此外，通過流量計(jì)調(diào)節(jié)好氧單元的曝氣流量合適的曝氣流 量根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷計(jì)算確定，過低的流量則約為前者的1/10。本發(fā)明通過下述兩種控制方式實(shí)現(xiàn)SBR法低溫下高氨氮廢水的亞硝化_反亞硝 化?？刂品绞絘)在好氧單元選用合適的曝氣流量，當(dāng)自控系統(tǒng)判斷出PH實(shí)時(shí)曲線出 現(xiàn)極小值點(diǎn)(“氨谷點(diǎn)”)后立即停止曝氣，從而優(yōu)化控制曝氣時(shí)間以逐步實(shí)現(xiàn)全程硝化向 短程硝化(即亞硝化)的轉(zhuǎn)變?？刂品绞絙)為了抑制反應(yīng)器氧化亞硝酸鹽的功能，先選用過低的曝氣流量，以使 體系內(nèi)自由氨(FA)在好氧單元不被完全氧化而產(chǎn)生可控的連續(xù)升高。當(dāng)體系中FA濃度超 過20mg/L時(shí)，立即改用合適的曝氣流量持續(xù)曝氣，直到亞硝化率升高至80%以上。下面由 實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。下述實(shí)施例中對(duì)灰水、污泥厭氧消化液、垃圾滲濾液處理時(shí)，采用的反硝化碳源為 工業(yè)用甲醇。而畜禽廢水的處理為節(jié)約運(yùn)行成本采用畜禽糞便濃漿(Manure Slurry)作為 反硝化碳源。畜禽糞便濃漿制備方法為將豬糞研磨過篩后(10目)用水稀釋成濃漿狀， 其 COD 為 50000 100000mg/L。下述實(shí)施例中合適的曝氣流量，均根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷采用公式1計(jì)算確定。SBR運(yùn)行過 程中MLSS控制在約10000mg/L。實(shí)施例1、15°C下采用SBR法實(shí)現(xiàn)垃圾滲濾液的亞硝化-反亞硝化以實(shí)時(shí)控制SBR體系處理某垃圾滲濾液(水質(zhì)指標(biāo)見表1)，反應(yīng)器溫度控制在為 15士0.5°C。該實(shí)施例采用本發(fā)明控制方式a)實(shí)現(xiàn)亞硝化-反亞硝化。循環(huán)內(nèi)(循環(huán)過程 包括5個(gè)單元，進(jìn)水-兼氧(厭氧)_好氧-沉淀_出水)氮轉(zhuǎn)化及對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)曲線如圖2所 示。反應(yīng)器體系內(nèi)NH3-N和TN伴隨進(jìn)水發(fā)生躍升，兼氧階段向體系內(nèi)補(bǔ)充外部碳源，從而將 上一輪循環(huán)好氧單元產(chǎn)生的NO2-N和NO3-N全部還原成N2。隨后體系進(jìn)入好氧單元，采用合 適的曝氣流量(約3. 5L/min，根據(jù)進(jìn)水負(fù)荷采用公式1計(jì)算確定)持續(xù)曝氣，直到pH連續(xù) 監(jiān)測(cè)曲線出現(xiàn)局部最小值點(diǎn)(圖中所示的V點(diǎn)，8卩“氨谷點(diǎn)”)后，立即停止曝氣。曝氣過程 中，溶解氧濃度維持在0 3. 5mg/L的較低水平；氨氮氧化速率(約15. ImgN · IT1 · L—1)遠(yuǎn) 大于亞硝氮氧化速率(約2. 8mgN - Γ1)，反應(yīng)器出水NO2-N水平(約50mg/L)明顯高于 NO3-N (約 10mg/L)和 NH3-N ( < 3mg/L)，亞硝化率約為 83%。實(shí)施例1中，SBR在每輪循環(huán)兼氧單元，根據(jù)計(jì)算機(jī)讀取的ORP連續(xù)監(jiān)測(cè)值計(jì)算，以 判斷體系是否需要補(bǔ)充外部碳源(如果d0RP/dt < 5時(shí)，以脈沖方式補(bǔ)充碳源直到d20RP/ dt2 = 0時(shí)，停止補(bǔ)充碳源，即出現(xiàn)圖2中的K點(diǎn)時(shí)停止補(bǔ)充)。好氧單元?jiǎng)t根據(jù)計(jì)算機(jī)讀 取的PH連續(xù)監(jiān)測(cè)值計(jì)算dpH/dt，根據(jù)dpH/dt由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎蹬袛喑鰌H實(shí)時(shí)曲線出現(xiàn)局 部最小值點(diǎn)(“氨谷點(diǎn)”)，并以此點(diǎn)為該單元的時(shí)間終點(diǎn)，從而及時(shí)停止曝氣以免亞硝氮被 進(jìn)一步氧化成硝態(tài)氮。進(jìn)出水污染物濃度及去除率見表1。表1、15°C條件下垃圾滲濾液亞硝化_反亞硝化運(yùn)行結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種低溫下SBR法實(shí)現(xiàn)氨氮廢水亞硝化-反亞硝化的方法，包括下述步驟在SBR全 程硝化_反硝化脫氮效果穩(wěn)定后，通過降低曝氣流量使反應(yīng)體系內(nèi)自由氨濃度升高至大于 等于20mg/L，然后將曝氣流量恢復(fù)至合適的曝氣流量，持續(xù)曝氣直到亞硝化率達(dá)到80%以 上，之后重新恢復(fù)SBR法正常進(jìn)出水處理循環(huán)，實(shí)現(xiàn)氨氮廢水處理的亞硝化_反亞硝化；所述合適的曝氣流量是按照下述公式計(jì)算確定的Q = q X MLSS X In其中，Q-合適的曝氣流量，單位為L/min ；MLSS-混合液懸浮物濃度，用來表示活性污泥濃度，單位為mg · L—1 ；In-進(jìn)水NH3-N濃度，單位為mg · L—1 ；q_經(jīng)驗(yàn)計(jì)算常數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)為氧化單位濃度的進(jìn)水氨氮，而提供給單位濃度活 性污泥的空氣量；其取值為200 400，單位為ml3 · mg—2 · mirT1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述降低曝氣流量是將曝氣流量降至所 述合適的曝氣流量的1/10 1/15。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述低溫為10°C 18°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述氨氮廢水中NH3-N濃度大 于 500mg/L。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述氨氮廢水選自下述任意一種畜禽養(yǎng) 殖廢水、垃圾滲濾液、污泥消化液和灰水。
6.一種低溫下SBR法實(shí)現(xiàn)氨氮廢水亞硝化-反亞硝化的方法，包括下述步驟1)在SBR法全程硝化-反硝化脫氮效果穩(wěn)定后，通過降低曝氣流量使反應(yīng)體系內(nèi)自由 氨濃度升高至大于等于20mg/L ；2)經(jīng)步驟1)后，在SBR法每輪循環(huán)的好氧單元根據(jù)pH連續(xù)監(jiān)測(cè)曲線上的氨谷點(diǎn)實(shí)時(shí) 控制好氧單元時(shí)長，即先采用合適的曝氣流量持續(xù)曝氣，當(dāng)PH連續(xù)監(jiān)測(cè)曲線出現(xiàn)氨谷點(diǎn) 后停止曝氣，實(shí)現(xiàn)氨氮廢水處理的亞硝化_反亞硝化；所述氨谷點(diǎn)是指氨氮氧化結(jié)束時(shí)，dpH/dt由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎禃r(shí)的pH值；所述合適的曝氣流量是按照下述公式計(jì)算確定的Q = q X MLSS X In其中，Q-合適的曝氣流量，單位為L/min ；MLSS-混合液懸浮物濃度，用來表示活性污泥濃度，單位為mg · L—1 ；In-進(jìn)水NH3-N濃度，單位為mg · L—1 ；q_經(jīng)驗(yàn)計(jì)算常數(shù)，表示單位時(shí)間內(nèi)為氧化單位濃度的進(jìn)水氨氮，而提供給單位濃度活 性污泥的空氣量；其取值為200 400，單位為ml3 · mg—2 · mirT1。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于步驟1)中所述降低曝氣流量是將曝氣流 量降至所述合適的曝氣流量的1/10 1/15。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其特征在于所述低溫為10°C 18°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求6-8中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于所述氨氮廢水中NH3-N濃度大 于 500mg/L。
10.根據(jù)權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于所述高氨氮廢水選自下述任意一種 畜禽養(yǎng)殖廢水、垃圾滲濾液、污泥消化液和灰水。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低溫下序批式活性污泥反應(yīng)器亞硝化-反亞硝化控制方法。該方法是在傳統(tǒng)的序列兼氧-好氧間歇式活性污泥法基礎(chǔ)上，采用pH，氧化還原電位(ORP)，溶解氧(DO)作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)參數(shù)建立自控系統(tǒng)。在10℃～18℃條件下，通過控制反應(yīng)器體系內(nèi)自由氨(FA)濃度從而抑制亞硝酸鹽的氧化，或根據(jù)pH實(shí)時(shí)曲線上的“氨谷點(diǎn)”優(yōu)化控制曝氣時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)亞硝化-反亞硝化處理高濃度氨氮廢水。該方法亞硝化率可達(dá)80％，對(duì)TN，NH3-N和COD去除率分別達(dá)到95％，99％和90％以上。
文檔編號(hào)C02F3/30GK102001750SQ201010508420
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15日
發(fā)明者強(qiáng)志民, 方會(huì), 楊敏, 秦德韜, 陳梅雪, 齊嶸 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心