常温下全程硝化生物脱氮系统实现短程硝化的方法

摘要

一种常温下全程硝化生物脱氮系统实现短程硝化的方法属于污水强化生物脱氮处理技术领域。目前短程硝化脱氮的实现多是在中高温状态下进行的，中低温下短程硝化启动难且启动周期长的问题大大限制了硝化脱氮的实际应用。本发明控制泥龄为50～60天，整个过程分为四个阶段，每个阶段采用恒定供气的曝气模式，控制DO水平为0.5～0.8mg/L，实验初期采用定时控制曝气时间，最终在pH曲线的氨谷点结束曝气。本发明提出了一种常温污水处理系统中硝化菌群AOB与NOB竞争优势的调控方法。此外，本发明由普通的全程硝化污泥启动并维持短程硝化，更加符合污水处理厂的实际运行，对在实际工程中的短程脱氮应用具有很强的指导意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种常温下全程硝化生物脱氮系统实现短程硝化的方法，用以在常温下处理城市污水，并在普通的全程硝化生物脱氮系统中启动并维持短程硝化。

背景技术

近年来，为控制水体富营养化，污水氮磷排放标准日益严格。国家新的污水排放标准规定氨氮浓度一级排放标准(A标准)不超过5mg/L，对出水氨氮提出了更高要求。因此研究和开发经济、高效、节能的生物脱氮技术是目前符合我国国情的研究热点。

新型生物脱氮技术包括短程硝化-反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷等。其中，易于工程实践、可操作性较强的就是短程硝化-反硝化。目前，短程硝化-反硝化以其高效、经济、节能的优势被国内外广泛采用。短程硝化-反硝化的实现关键在于短程硝化，使硝化菌群中亚硝化菌(AmmoniaOxidizing Bacteria，AOB)相对于硝化细菌(Nitrite Oxidizing Bacteria，NOB)成为优势菌群，将硝化过程控制在NO₂^--N阶段，维持稳定的NO₂^--N积累。

国内外研究都已表明温度是影响NO₂^--N积累的主要因素，较高温度(28℃～38℃)容易实现短程硝化。荷兰Delft University of Technology开发的SHARON工艺便是应用较高温度(30℃～35℃)实现短程脱氮的成功范例，但大量废水高昂的升温费用限制其应用。另外，FA(Free Ammonia，游离氨)选择抑制途径也是实现短程硝化的主要途径，处理高浓度氨氮废水(如垃圾渗滤液、厌氧消化液等)时，很容易通过控制FA质量浓度来抑制NOB的增长，使AOB成为优势菌种。但是，对于处理实际运行中的低氨氮城市污水，如何实现稳定的短程硝化一直是一个难点，也是短程生物脱氮技术推广的限制因素。首先，城市污水的氨氮浓度较低，无法像高浓度氨氮废(配)水那样采用游离氨选择抑制途径来形成AOB的优势竞争；其次，城市污水水温一般达不到文献里报道的实现短程的温度范围，很难保障AOB的优势竞争地位。目前人们对城市污水实现短程硝化的研究多集中在中高温启动，然后逐渐降温维持。虽然也有研究者在较低温度下启动了短程硝化，但接种污泥却是部分亚硝化的污泥(NO₂^--N/NO_x^--N≈50％)，弱化了启动期低温的不利影响。目前，常温下处理城市污水，在接种全程硝化污泥的系统中成功启动短程硝化的研究鲜有报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种常温污水处理系统中由全程硝化脱氮启动短程硝化脱氮的方法，以期在接种全程硝化污泥的系统中启动并维持短程硝化，解决以往短程脱氮在实际应用中碰到的技术难题，扩宽短程脱氮的应用范围。

本发明的技术方案是采用接种全程硝化污泥的系统处理低C/N城市污水，通过控制限氧曝气使系统溶解氧处于较低水平，在同时含有AOB和NOB的系统中保持AOB的正常代谢和增殖，不断抑制NOB活性。同时每周期曝气时间随着NO₂^--N/NO_x^--N的提高而逐渐延长，启动初期采用短周期定时控制每周期曝气时间，每周期曝气时间参照pH“氨谷”保守设定，严格控制在氨氮降解结束前停止曝气，利用较高的氨氮负荷和较短的水力停留时间创造有利于AOB生存的最佳环境条件，最终在全程硝化脱氮系统中启动短程硝化。短程硝化成功启动后参照pH“氨谷”和DO突跃点实时控制曝气时间，维持短程硝化效果。上述提及的pH“氨谷”是指氨氮氧化结束时pH由前期缓慢下降变为突然上升出现的拐点，参照已有中国专利ZL 200610012076.1。

一种常温下全程硝化生物脱氮系统实现短程硝化的方法，其特征在于：

控制泥龄为50～60天，整个过程分为以下四个阶段：

阶段I 采用恒定供气的曝气模式，控制DO水平为0.5～0.8mg/L；定时控制曝气时间，每周期曝气时间为3h，待NO₂^--N/NO_x^--N上升至30～60％进入阶段II；

阶段II 采用恒定供气的曝气模式，控制DO水平为0.5～0.8mg/L；定时控制曝气时间，每周期曝气时间为4h，待NO₂^--N/NO_x^--N上升至60～85％进入阶段III；

阶段III 采用恒定供气的曝气模式，控制DO水平为0.5～0.8mg/L；定时控制曝气时间，每周期曝气时间为5h，待NO₂^--N/NO_x^--N上升至90～95％进入阶段IV；

阶段IV 采用恒定供气的曝气模式，控制DO水平为0.5～0.8mg/L；实时控制曝气时间，在pH曲线的氨谷点结束曝气；氨谷是指氨氮氧化结束时pH由下降变为上升出现的拐点。

本发明的控制要点为：

(1)采用限氧曝气控制。本发明中，维持系统中MLSS在3000～3500mg/L，控制曝气量为32～48L/h，使系统溶解氧处于较低水平，DO平均水平为0.5～0.8mg/L，在这样的DO环境下，不仅可以保障有机污染物的充分降解，而且可以使NOB的活性受到抑制，保障AOB的优势生长环境。更进一步，由于本发明采用限氧曝气，为保证系统中泥、水、气各相混合均匀，在反应阶段边曝气边搅拌。

(2)采用恒定供气的曝气方式。本发明中恒定每周期曝气量为32～48L/h，每个周期初期由于异养好氧菌氧化有机污染物，系统溶解氧浓度非常低，仅有0.10～0.25mg/L。待大部分易降解有机物降解完成后，硝化菌开始NH₄⁺-N的氧化，由于NH₄⁺-N底物的逐渐减少，硝化细菌需氧量减少，在采用恒定供气的曝气方式下，系统中的DO浓度会出现逐渐上升的梯度变化。本发明中要保证反应阶段末期最高DO水平在2.0mg/L以下。

(3)每周期曝气时间随着NO₂^--N/NO_x^--N的提高而逐渐延长。本发明中接种污泥为普通的全程硝化污泥，NO₂^--N/NO_x^--N几乎为0，初期采用短周期定时控制，在氨氮氧化结束前停止曝气，每周期曝气时间随着NO₂^--N/NO_x^--N的逐渐提高由3h延长至4h、5h，最后采用好氧硝化时间的过程控制，参照pH“氨谷”点和DO突跃点在氨氮氧化结束时结束曝气。

(4)较长污泥龄运行。荷兰Delft University of Technology开发的SHARON工艺的运行原理是在高温下控制较短污泥龄1.5d来淘洗NOB，从而实现AOB的竞争优势。与之不同，本发明控制泥龄长达50～60d，不仅在较低温度下保证了系统的有效生物量，同时延长的污泥龄也有利于AOB的优势生长。

本发明中启动并维持短程硝化的工作原理为：

(1)限氧运行。以往研究表明，AOB的氧饱和常数为0.25～0.5mg/L，NOB的氧饱和常数为0.82～1.84mg/L，所以AOB相对于NOB对溶解氧具有更强的亲和力，在低溶解氧环境中，AOB相对于NOB具有更强的生长优势。本发明控制DO平均水平为0.5～0.8mg/L，高于AOB的氧饱和常数，低于NOB的氧饱和常数，长期运行则会使NOB逐渐受抑制而被淘汰，AOB成为优势菌群；

(2)AOB的“饱食饥饿”特性(feast-famine)。本发明采用间歇曝气，系统中溶解氧会经历周期性的有无交替，并且由于采用恒定供气的曝气方式，初期由于异养好氧菌氧化有机物和硝化菌的硝化作用，系统溶解氧浓度很低，后期又逐渐升高，因此每个曝气周期内溶解氧水平具有一定的变化幅度。正是由于“饱食饥饿”特性使AOB能够经受住剧烈或缓和的溶解氧变化，逐渐成为优势菌群；

(3)好氧曝气时间的控制。以往研究表明，严格控制曝气时间、及时停止曝气是实现短程极为重要的因素。本发明参考pH曲线确定曝气时间，在氨氮氧化结束前停止曝气，可以避免较长水力停留时间对短程硝化的不利影响。此外，在启动初期曝气时间的设定相对保守，短的曝气时间虽然会降低NH₄⁺-N去除率，但可以使NH₄⁺-N负荷较高，有利于AOB的优势生长。随着NO₂^--N/NO_x^--N的提高逐渐延长曝气时间，不仅可以提高NH₄⁺-N去除率，也可以使AOB逐渐适应延长的曝气时间，NOB逐渐被淘汰。

(4)长污泥龄的控制。常温下硝化菌生长非常缓慢，较低温度下AOB相对NOB比增殖速率低，如果采用短泥龄不断排泥，则系统中AOB的比例就会下降，NOB的比例就会上升。本发明控制污泥龄长达50～60天，不仅在较低温度下保证了系统的有效生物量，使得系统去除有机物和脱氮的性能一直很高，同时延长的污泥龄也有利于AOB的优势生长。

本发明的创新点：

(1)本发明在较低温度下运行，提出了一种常温污水处理系统中硝化菌群AOB与NOB竞争优势的调控方法，为常温短程脱氮的实现提供了技术支持。

(2)本发明处理实际生活污水，由普通的全程硝化污泥启动并维持短程硝化，更加符合污水处理厂的实际运行，对在实际工程中的短程脱氮应用具有很强的指导意义。

附图说明：

图1运行阶段曝气时间及溶解氧的控制模式

图2SBR典型周期的控制模式(以实时控制为例)

具体实施方式

本发明的具体实施方式为：(见附图1)

阶段I 采用恒定供气和限氧曝气的曝气模式，使系统溶解氧处于较低水平，DO平均水平为0.5～0.8mg/L。通过每周期好氧阶段末的规律性排泥控制泥龄在50～60d。短周期定时控制曝气时间，每周期曝气时间为3h，采用实验室常规水质监测方法测定进、出水水质变化，待出水NO₂^--N/NO_x^--N上升至30～60％进入阶段II，同时阶段性采集泥样进行FISH检测，确定AOB和NOB占总菌群的比例，为系统菌群结构的动态变化提供分子生物学方面的证据；

阶段II 采用恒定供气和限氧曝气的曝气模式，使系统溶解氧处于较低水平，DO平均水平为0.5～0.8mg/L。通过每周期好氧阶段末的规律性排泥控制泥龄在50～60d。短周期定时控制曝气时间，每周期曝气时间为4h，待NO₂^--N/NO_x^--N上升至60～85％进入阶段III，同时FISH检测AOB与NOB占总菌群的比例；

阶段III采用限氧曝气和恒定供气的曝气模式，使系统溶解氧处于较低水平，DO平均水平为0.5～0.8mg/L。通过每周期好氧阶段末的规律性排泥控制泥龄在50～60d。短周期定时控制曝气时间，每周期曝气时间为5h，待NO₂^--N/NO_x^--N上升至90～95％进入阶段IV，同时FISH检测AOB与NOB占总菌群的比例；

阶段IV采用限氧曝气和恒定供气的曝气模式，使系统溶解氧处于较低水平，DO平均水平为0.5～0.8mg/L。实时控制曝气时间，参照pH“氨谷”点(见附图2“A”点)和DO突跃点(见附图2“B”点)在氨氮氧化结束时结束曝气，强化AOB的竞争优势，进一步抑制并淘汰NOB，不仅使NO₂^--N/NO_x^--N稳定维持在95％以上，而且在进水水质波动的条件下，也实现了NH₄⁺-N的完全去除。阶段性FISH检测AOB与NOB占总菌群的比例。

实施例1：

采用11L的SBR反应器进行试验，所用污水取自居民生活区的实际生活污水，属典型的低C/N废水。其水质指标为：COD＝121～416mg/L，NH₄⁺-N＝54～78mg/L，NO₃^--N＝0～0.21mg/L，NO₂^--N＝0～0.09mg/L，pH＝7.46～8.01，总碱度＝455.6～556mg/L(CaCO₃计)，C/N为1.89～2.51。接种污泥取自北京某城市污水处理厂二沉池回流污泥，属全程硝化污泥，FISH检测表明AOB占总菌群的比例为1.98％，NOB为8％。通过温控装置将反应器内水温控制在(19℃±1℃)，通过每周期好氧阶段末的规律性排泥控制泥龄为50天。

(1)阶段I：限氧曝气控制DO平均水平为0.46mg/L，每周期曝气时间为3h。运行17天NO₂^--N/NO_x^--N由0上升至50％。此时FISH检测表明AOB占总菌群的比例为4.36％，NOB为5.35％；

(2)阶段II：限氧曝气控制DO平均水平为0.52mg/L，每周期曝气时间为4h。运行15天NO₂^--N/NO_x^--N由50％上升至80％。此时FISH检测表明AOB占总菌群的比例为9.97％，NOB为0.49％；

(3)阶段III：限氧曝气控制DO平均水平为0.62mg/L，每周期曝气时间为5h。运行13天NO₂^--N/NO_x^--N由80％上升至95％。此时FISH检测表明AOB占总菌群的比例为10.13％，NOB为<0.2％；

(4)阶段IV：限氧曝气控制DO平均水平为0.65mg/L，在线监测pH，参照pH“氨谷”点实时控制曝气时间。稳定运行30天NO₂^--N/NO_x^--N保持在95％以上，NH₄⁺-N去除率>97％。此时FISH检测表明AOB占总菌群的比例为10.09％，未检测出NOB；

实施例2：

采用6.5L的SBR反应器进行试验，实验用水为北京工业大学家属区生活污水。其水质指标为：COD＝101～236mg/L，NH₄⁺-N＝34～68mg/L，NO₃^--N＝0～0.17mg/L，NO₂^--N＝0～0.04mg/L，pH＝7.24～8.31，总碱度＝405.6～581mg/L(CaCO₃计)，C/N为1.54～2.89。接种污泥取自某中试脱氮反应器二沉池污泥，脱氮性能良好，属全程硝化污泥，FISH检测表明AOB占总菌群的比例为4.98％，NOB为9.4％。不控温，水温范围为8.2℃～16.7℃，通过排泥控制泥龄为65天。

(1)阶段I：限氧曝气控制DO平均水平为0.34mg/L，每周期曝气时间为3h。运行22天NO₂^--N/NO_x^--N由0上升至45％。此时FISH检测表明AOB占总菌群的比例为6.36％，NOB为5.13％；

(2)阶段II：限氧曝气控制DO平均水平为0.56mg/L，每周期曝气时间为4h。运行16天NO₂^--N/NO_x^--N由45％上升至72％。此时FISH检测表明AOB占总菌群的比例为10.97％，NOB为0.429％；

(3)阶段III：限氧曝气控制DO平均水平为0.67mg/L，每周期曝气时间为5h。运行15天NO₂^--N/NO_x^--N由72％上升至96％。此时FISH检测表明AOB占总菌群的比例为12％，NOB未检出；

(4)阶段IV：限氧曝气控制DO平均水平为0.76mg/L，在线监测pH，参照pH“氨谷”点实时控制曝气时间，稳定运行30天NO₂^--N/NO_x^--N保持在96％以上，NH₄⁺-N去除率为99％。此时FISH检测表明AOB占总菌群的比例为12.03％，未检测出NOB。