一种快速缓解厌氧氨氧化中亚硝酸盐抑制的方法

摘要

本发明公开了一种快速缓解厌氧氨氧化中亚硝酸盐抑制的方法：当反应器本体的亚硝氮浓度大于100mg/L时，停止厌氧氨氧化反应器的进水，启动回流蠕动泵，依次将氨基磺酸溶液和氢氧化钠溶液添加至厌氧氨氧化反应器出水口，回流反应2～3min，再重复依次将氨基磺酸溶液和氢氧化钠溶液交替加至反应器出水口，每次回流反应2～3min，如此循环往复进行，直至添加完厌氧氨氧化反应器亚硝氮浓度小于20mg/L、pH值为7.8～8.3时所需氨基磺酸及氢氧化钠投加量，停止回流，启动进水蠕动泵；本发明能在较短时间内缓解厌氧氨氧化亚硝酸盐的抑制，节约资源，确保了厌氧氨氧化菌的高活性，简便易行，减少了基建成本。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种快速缓解厌氧氨氧化中亚硝酸盐抑制的方法。

(二)背景技术

厌氧氨氧化是一种新型生物脱氮工艺，它能够在厌氧条件下以氨为电 子供体将亚硝氮还原为氮气。相比于传统生物脱氮工艺，厌氧氨氧化具有 脱氮效果好，无需氧气和外加有机碳源，剩余污泥产量少，运行成本低等 优点，拥有良好的工业应用前景。但厌氧氨氧化菌的生长条件要求苛刻， 对环境条件极其敏感，易受高浓度亚硝氮基质的抑制。且在受到亚硝酸盐 的抑制后，该工艺的恢复较为困难。

虽然亚硝氮是厌氧氨氧化菌的一种基质，但若其浓度超过100mg/L， 厌氧氨氧化工艺便会受到抑制。尽管在实验室规模条件下，可以通过稀释 进水等方法降低进水的亚硝氮浓度，进而缓解或避免厌氧氨氧化的亚硝酸 盐抑制作用。但是这些方法的作用极其有限，更不能为工业应用所采纳。 在工业应用中，由于水质波动，形成高浓度亚硝氮的水质冲击，厌氧氨氧 化工艺受抑制的状况较易发生。厌氧氨氧化工艺的亚硝酸盐抑制现象，是 限制该工艺工业化应用的重要障碍之一。

针对此问题，本发明利用氨基磺酸可与亚硝酸盐发生快速化学反应的 特点，在受亚硝酸盐抑制的厌氧氨氧化反应器中添加氨基磺酸，及时去除 反应器中累积的亚硝氮，降低厌氧氨氧化菌的亚硝氮暴露剂量。虽然氨基 磺酸和亚硝酸盐反应产酸，使pH偏离厌氧氨氧化反应的最适范围 (7.8～8.3)，影响厌氧氨氧化工艺的运行性能，但其反应产物为氮气，无 二次污染。且pH的变化可通过添加氢氧化钠进行调节。试验证明，据此 处理厌氧氨氧化反应器中亚硝酸盐的抑制问题，效果良好，省时高效。

(三)发明内容

本发明为了缓解厌氧氨氧化反应器中亚硝酸盐对厌氧氨氧化菌的抑 制作用，提供一种快速缓解厌氧氨氧化中亚硝酸盐抑制的方法。

本发明采用的技术方案是：

一种快速缓解厌氧氨氧化中亚硝酸盐抑制的方法，所述方法为：厌氧 氨氧化反应器系统包括反应器本体、进水箱、出水箱、进水蠕动泵、回流 蠕动泵和水封瓶，所述反应器本体底部设有进水口，上端有出水口，顶部 有出气口；所述进水箱与进水蠕动泵连接，所述进水蠕动泵通过三相阀A 与进水口连接，三相阀A的另一入口与回流蠕动泵连接，所述出水口通 过三相阀B分别与回流蠕动泵和出水箱连接，所述出气口与水封瓶连接， 所述水封瓶顶部有排气孔；开启三相阀A连通进水蠕动泵与进水口，启 动进水蠕动泵，跟踪检测反应器本体的亚硝氮浓度，当反应器本体中的亚 硝氮浓度大于100mg/L时，停止厌氧氨氧化反应器的进水，将三相阀A 连通进水口与回流蠕动泵，开启三相阀B连通出水口与回流蠕动泵，启 动回流蠕动泵，依次将质量浓度为20～40g/L氨基磺酸溶液和质量浓度为 10～20g/L氢氧化钠溶液添加至厌氧氨氧化反应器出水口，回流反应 2～3min，再重复依次将质量浓度为20～40g/L氨基磺酸溶液和质量浓度为 10～20g/L氢氧化钠溶液交替加至反应器出水口，每次回流反应2～3min， 每次回流量根据反应器本体的有效容积确定，如此循环往复进行，直至添 加完所需氨基磺酸及氢氧化钠投加量并且厌氧氨氧化反应器亚硝氮浓度 小于20mg/L、pH值为7.8～8.3时，停止回流，将三相阀B连通出水口与 出水箱，将三相阀A连通进水蠕动泵与进水口，启动进水蠕动泵，启动 厌氧氨氧化反应器；所述氨基磺酸的投加量m_(H2NSO2OH)根据公式(1)计 算，所述氢氧化钠投加量m′_(NaOH)根据公式(2)计算：

公式(1)m_(H2NSO2OH)＝90.09(C₀-C_e)V/4.6×10^-4

公式(2)${m^{\prime }}_{\left(\mathrm{NaOH}\right)}=40V[(C_0-C_e)/4.6\times {10}^{-4}+1000({10}^{-{\mathrm{pH}}_b}-{10}^{{-\mathrm{pH}}_a})]$

公式(1)、公式(2)中各自的C₀、C_e、V分别相同，其中C₀为厌 氧氨氧化反应器中亚硝氮初始浓度，单位为mg/L；C_e为出水中亚硝氮的 目标浓度，单位为mg/L；V是厌氧氨氧化反应器的有效容积，单位为m³；

公式(2)中pH_a是厌氧氨氧化反应器中停止进水时pH值，pH_b是厌 氧氨氧化菌最适pH值。

所述氨基磺酸溶液和氢氧化钠溶液采用循环间歇添加方式：先添加 质量浓度为20～40g/L氨基磺酸溶液至反应器出水口，回流反应2～3min， 回流量为24Vm³/d，再添加质量浓度为20～40g/L氢氧化钠溶液至反应器 出水口，回流反应2～3min，回流量为24V m³/d，如此循环添加氨基磺酸 溶液和氢氧化钠溶液，直至厌氧氨氧化反应器中亚硝氮浓度小于20mg/L、 pH值为7.8～8.3时，停止回流，启动进水蠕动泵，所述回流量中V是厌 氧氨氧化反应器的有效容积，单位为m³。

更进一步，所述的快速缓解厌氧氨氧化中亚硝酸盐抑制的方法按如下 步骤进行：当厌氧氨氧化反应器本体的亚硝氮浓度大于100mg/L时，停 止厌氧氨氧化反应器的进水，开启三相阀A连通进水口与回流蠕动泵， 开启三相阀B连通出水口与回流蠕动泵，启动回流蠕动泵，依次将质量 浓度为20g/L氨基磺酸溶液和质量浓度为10g/L氢氧化钠溶液循环间歇添 加至厌氧氨氧化反应器本体出水口中，回流量为24V m³/d，当厌氧氨氧化 反应器本体的亚硝氮浓度小于20mg/L、pH值为7.8～8.3时，停止回流； 所述氨基磺酸和氢氧化钠的循环间歇添加根据酸值比N按下述方法进行： n＝[N]([N]是指对N取整)且N≥1，n为投加次数，从第1次至第n次 每次投加氨基磺酸的最大量为公式(4)所述H_{(max，H2NSO2OH)}，每次投加 完毕回流2～3min，氢氧化钠每次的最大投加量为公式(5)所述H_(max，NaOH)， 每次投加完毕回流2～3min，第n+1次投加完根据公式(1)计算的剩余氨 基磺酸，回流2～3min，然后添加根据公式(2)计算的剩余氢氧化钠，回 流2～3min，回流结束，跟踪检测厌氧氨氧化反应器本体的亚硝氮浓度小 于20mg/L、pH值为7.8～8.3，静置5～10min，将三相阀B连通出水口与 出水箱，将三相阀A连通进水蠕动泵与进水口，开启进水蠕动泵，启动 厌氧氨氧化反应器；所述酸值比N根据公式(3)计算；

公式(3)N＝n(H⁺)/n′(H⁺)

公式(4)H_{(max，H2NSO2OH)}＝90.09n′(H⁺)

公式(5)H_(max，NaOH)＝40n′(H⁺)

公式(3)中n(H⁺)为总产酸量，单位为moL；公式(3)～公式(5) 中n′(H⁺)为将反应器中pH值从pH_a降到pH_c对应酸量，单位为moL，其 中n(H⁺)＝(C₀-C_e)V/4.6×10^-4，n′(H⁺)＝1000(10^-pHc-10^-pHa)V；

C₀为厌氧氨氧化反应器中亚硝氮初始浓度(以氮浓度计)，单位为 mg/L；C_e为出水中亚硝氮的目标浓度(以氮浓度计)，单位为mg/L；V 是厌氧氨氧化反应器的有效容积，单位为m³；

pH_a是厌氧氨氧化反应器停止进水时反应器内的pH值，pH_c是添加 氨基磺酸后不影响反应器中厌氧氨氧化菌的最低pH，所述pH_c是7.3～7.8。

一般情况下，回流量为24V m³/d，其中V为厌氧氨氧化反应器的有 效容积，单位为m³，回流所起搅拌作用已经足够，搅拌装置无需添加； 若实际情况中混匀效果不好，可适当增大回流量，或增设搅拌装置。考虑 到较高的搅拌速度会打破反应器中原有的菌落结构，对原有反应器处理效 能产生一定的不利影响，此时搅拌装置的转速不宜过高。

通常厌氧氨氧化反应器本体中的亚硝氮浓度与厌氧氨氧化反应器本 体出水口中亚硝氮浓度相同，因此跟踪检测厌氧氨氧化反应器本体中亚硝 氮浓度，即跟踪检测厌氧氨氧化反应器本体出水口的出水中亚硝氮浓度即 可；厌氧氨氧化反应器本体出现亚硝氮抑制情况跟厌氧氨氧化菌及反应器 的运行情况有关，根据出水亚硝氮浓度即可获知厌氧氨氧化反应器抑制情 况。

本发明所述氨基磺酸与亚硝酸盐反应方程式为：

2NaNO₂+2(HO-SO₂-NH₂)＝2N₂+Na₂SO₄+H₂SO₄+2H₂O

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：①按照本发明所述 方法通过添加氨基磺酸溶液与亚硝酸盐发生快速反应，能在较短时间内缓 解厌氧氨氧化亚硝酸盐的抑制，为厌氧氨氧化技术的工业化应用扫除了障 碍；②氨基磺酸和氢氧化钠根据需要定量添加，既节约资源，又避免二次 污染；③氨基磺酸和氢氧化钠的多次交替添加方式在缓解亚硝酸盐抑制的 同时，避免反应器中溶液pH的大幅波动，确保了厌氧氨氧化菌的高活性； ④通过混合液回流确保反应器中良好的混合特性，有利于氨基磺酸与亚硝 酸盐反应完全，无需外加机械搅拌装置，可在原有反应器系统基础上进行 相关操作，简便易行，同时减小了基建占地面积，减少了基建成本。

(四)附图说明

图1上流式厌氧氨氧化反应器系统示意图：1-进水箱；2-进水蠕动泵； 3-反应器本体；4-出水箱；5-水封瓶；6-排气口；7-回流蠕动泵；8- 进水口，9-出水口，10-出气口，11-三相阀A；12-三相阀B。

(五)具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围 并不仅限于此：

本发明以上流式厌氧氨氧化反应器举例说明，并不限于上流式厌氧氨 氧化反应器，所有厌氧氨氧化反应器均适用。

实施例1：

上流式厌氧氨氧化反应器(有效体积0.1m³)运行良好，所述反应器 结构如图1所示，厌氧氨氧化反应器系统包括反应器本体3、进水箱1、出 水箱4、进水蠕动泵2、回流蠕动泵7和水封瓶5构成，所述反应器本体3底 部设有进水口8，上端有出水口9，顶部有出气口10；所述进水箱1与进水 蠕动泵2连接，所述进水蠕动泵2通过三相阀A11与进水口连接，三相阀A 的另一入口与回流蠕动泵连接，所述出水口通过三相阀B12分别与回流蠕 动泵7和出水箱4连接，所述出气口与水封瓶5连接，所述水封瓶5顶部有排 气孔6。

开启三相阀A连通进水箱与进水口，启动进水蠕动泵，跟踪检测反应 器本体中亚硝氮浓度(即出水口亚硝氮浓度)，因进水基质(氨和亚硝氮) 浓度突增导致的冲击影响，出水亚硝氮浓度高达C₀＝120mg/L，产生了亚 硝酸盐抑制，停止反应器进水。开启三相阀A连通进水口与回流蠕动泵， 开启三相阀B连通出水口与回流蠕动泵，启动回流蠕动泵，依次将质量浓 度为20～40g/L氨基磺酸溶液和质量浓度为10～20g/L氢氧化钠溶液添加至 厌氧氨氧化反应器出水口，回流反应2～3min，再重复依次将氨基磺酸溶 液和氢氧化钠溶液交替加至反应器出水口，每次回流反应2～3min，如此 循环进行，直至添加完所需氨基磺酸及氢氧化钠投加量并且厌氧氨氧化反 应器中亚硝氮浓度小于20mg/L、pH值为7.8～8.3时，停止回流，将三相阀 B连通出水口与出水箱，将三相阀A连通进水蠕动泵与进水口，开启进水 蠕动泵，启动厌氧氨氧化反应器。

具体操作为：反应器中原有的pH_a＝9.03，根据出水用途设定亚硝氮的 目标浓度C_e＝20mg/L，选定适于厌氧氨氧化菌的pH_b为7.8，添加氨基磺酸 溶液后反应器中最低pH_c为7.3，结合氨基磺酸与亚硝酸化学反应方程式， 根据公式(1)计算得出添加氨基磺酸(以质量浓度20g/L氨基磺酸溶液的 形式加入)的总量为m_(H2NSO2OH)＝19.5848g，总产酸n(H⁺)＝0.2174moL，添 加氢氧化钠(以质量浓度10g/L氢氧化钠溶液的形式加入)的总量m′_(NaOH)为8.8924g。将pH由pH_a降为pH_c，对应产酸量n′(H⁺)＝4.9186×10^-3moL。N 值为44.198，则循环间歇添加次数n为45次。先向反应器中添加0.4431g氨 基磺酸，混合液回流3min，回流量为24V m³/d，然后再添加0.1967g氢氧 化钠，回流3min，回流量为24V m³/d，如此循环间歇添加44次，每次添 加的氨基磺酸不超过0.4431g，每次回流3min，回流量为24V m³/d，每次 添加的氢氧化钠量不超过0.1967g，每次回流3min，回流量为24V m³/d， 最后一次(第45次)投加完剩余的氨基磺酸量0.0879g回流3min，回流量 为24V m³/d，投加氢氧化钠0.0987g，回流3min，回流量为24V m³/d。历 时4.5h，添加完毕，pH7.8，停止回流。静置10min，将三相阀B连通出水 口与出水箱，将三相阀A连通进水口与进水蠕动泵，打开进水蠕动泵，进 水恢复正常。运行10min后，测定出水亚硝氮浓度为20mg/L，可知抑制得 到有效缓解。由此可知，上述方法可使厌氧氨氧化反应器中在pH不影响 厌氧氨氧化菌生长的情况下，省时高效的缓解厌氧氨氧化反应器中亚硝酸 盐对厌氧氨氧化菌的抑制。

公式(1)m_(H2NSO2OH)＝90.09(C₀-C_e)V/4.6×10^-4

公式(2)${m^{\prime }}_{\left(\mathrm{NaOH}\right)}=40V[(C_0-C_e)/4.6\times {10}^{-4}+1000({10}^{-{\mathrm{pH}}_b}-{10}^{{-\mathrm{pH}}_a})]$

公式(1)、公式(2)中各自为C₀、C_e、V分别相同，其中C₀为厌 氧氨氧化反应器中亚硝氮初始浓度，单位为mg/L；C_e为出水中亚硝氮的 目标浓度，单位为mg/L；V是厌氧氨氧化反应器的有效容积，单位为m³；

公式(2)中pH_a是厌氧氨氧化反应器中停止进水时pH值，pH_b是厌 氧氨氧化菌最适pH值。

公式(3)N＝n(H⁺)/n′(H⁺)

公式(4)H_{(max，H2NSO2OH)}＝90.09n′(H⁺)

公式(5)H_(max，NaOH)＝40n′(H⁺)

公式(3)中n(H⁺)为总产酸量，单位为moL；公式(3)～公式(5) 中n′(H⁺)为将反应器中pH值从pH_a降到pH_c对应酸量，单位为moL，其 中n(H⁺)＝(C₀-C_e)V/4.6×10^-4，n′(H⁺)＝1000(10^-pHc-10^-pHa)V；

C₀为厌氧氨氧化反应器中亚硝氮初始浓度，单位为mg/L；C_e为出 水中亚硝氮的目标浓度，单位为mg/L；V是厌氧氨氧化反应器的有效容 积，单位为m³；

pH_a是厌氧氨氧化反应器停止进水时反应器内的pH值，pH_c是添加 氨基磺酸后不影响反应器中厌氧氨氧化菌的最低pH，所述pH_c是7.3～7.8。