基于厌氧氨氧化型两段式人工快速渗滤系统及其启动方法

摘要

本发明涉及污水处理领域，具体为基于厌氧氨氧化型两段式人工快速渗滤系统及其启动方法，配水池的出水管、U型水槽分别通过管道与兼氧段砂滤层连接；兼氧段砂滤层上安装有在线溶氧仪；兼氧段砂滤层底部为砾石层，砾石层有兼氧段出水管；砾石层下方为隔水底板，隔水底板下方为厌氧段砂滤层，厌氧段砂滤层与隔水底板之间留有空腔，空腔有排气孔；空腔还有厌氧段进水口,厌氧段进水口与兼氧段出水管连接；厌氧段砂滤层底部为下砾石层，下砾石层连接有厌氧段高位排水口；下砾石层下方为底座。该快速渗滤系统省略了后续亚硝态氮氧化为硝态氮，节省了曝气量，降低了能耗，污水中的有机物可最大限度地进行回收产甲烷，反应容积也减少。

说明书

技术领域

本发明涉及污水处理领域，具体为基于厌氧氨氧化型两段式人工快速渗滤系统及其启动方法。

背景技术

针对小城镇生活污水和受污染地表水的污水处理技术—人工快速渗滤系统(ConstructedRapid Infiltration system，简称CRI系统)是中国地质大学钟佐燊教授在快渗系统(RI)基础上建立的一种新的污水生态处理方法。它由格栅池、预沉池、快渗池和出水系统等组成。快渗池中填充一定高度的人工滤料，采用干湿交替的运转方式进行污水处理，水力负荷周期较短，即频繁淹水频繁落干，水力负荷为。介质内干湿交替的独特环境使得微生物菌十分丰富，且兼备好氧、厌氧、兼氧的作用，废水处理效果优秀，COD_cr、氨氮、SS和LAS的去除率均在85％以上，但CRT系统对总氮(TN)的去除率较低，仅10-30％，不能达标排放，限制了CRI的进一步推广。

针对CRI系统中氨氮去除率较高，而TN去除率较低的问题，许多学者专家进行了CRI系统改进实验，比如：在CRI系统中后置反硝化阶段添加缓释碳源(赵福祥等)；采用循环砂滤，添加二外碳源(CHristopherson·S.H)；选择适当的分段进水位置及进水比例提高CRI系统对氮的去除率等。

除添加额外碳源之外，分段进水或串联对总氮的去除效果都不甚明显，且曾大了操作难度以及资金投入，至今仍没有得到广泛推广的方式方法。

发明内容

针对传统CRI系统氨氮去除率很高，总氮去除率很低的问题，本发明提供一种基于厌氧氨氧化的两段式人工快渗系统，结合短程硝化与厌氧氨氧化工艺，达到脱氮的目的。

基于厌氧氨氧化型两段式人工快速渗滤系统，包括以下基本原理：

氨氮(NH₄⁺)在短程硝化段约50％被转化为NO₂^—，在厌氧氨氧化段NH₄⁺与NO₂^—在厌氧氨氧化菌(AnAOB)的作用下，反应生成N₂和少量的NO₃^—。

基于厌氧氨氧化型两段式人工快速渗滤系统，包括配水池、U型水槽，配水池的出水管上连接有单向阀和水泵；水泵由继电器控制；

配水池的出水管、U型水槽分别通过管道与兼氧段砂滤层连接；兼氧段砂滤层上安装有 在线溶氧仪；兼氧段砂滤层底部为砾石层，砾石层有兼氧段出水管，兼氧段出水管上有止水阀；砾石层下方为隔水底板，隔水底板下方为厌氧段砂滤层，厌氧段砂滤层与隔水底板之间留有空腔，空腔有排气孔；空腔还有厌氧段进水口,厌氧段进水口与兼氧段出水管连接；厌氧段砂滤层底部为下砾石层，下砾石层连接有厌氧段高位排水口；下砾石层下方为底座。

基于厌氧氨氧化型两段式人工快速渗滤系统的启动方法，包括以下过程：

配水池的出水管与厌氧段砂滤层上方空腔的厌氧段进水口连接，配水池放入实验配置废水，调配实验配置废水的初始浓度为：亚硝酸盐初始浓度16-40mg/L，氨氮浓度14-34mg/L，配水池内用恒温水浴加热棒将实验配置废水保持在36℃左右，用Na₂CO₃将实验配置废水pH调配在7.5-8.0；在厌氧段砂滤层接种氨氧化污泥；待短程硝化段与厌氧氨氧化段稳定启动以后，再将配水池的出水管与兼氧段砂滤层连接；兼氧段砂滤层安装在厌氧段砂滤层上方，厌氧段砂滤层空腔的厌氧段进水口与兼氧段出水管连接。

其中，所述的实验配置废水成分：KH₂PO₄>2·H₂O>4·7H₂O300mg/L，KHCO₃>4>3BO₄>2·4H₂O>4·5H₂O>4·7H₂O>2·6H₂O>4·10H₂O>4·2H₂O>4⁺-N和NO₂^--N以(NH₄)₂SO₄和NaNO₂提供，浓度根据需求调配。

本发明提供的基于厌氧氨氧化型两段式人工快速渗滤系统及其启动方法，由于厌氧氨氧化工艺是在厌氧条件下直接将氨氮和亚硝态氮转化为氮气，同时在好氧段只需将部分氨氮氧化为亚硝态氮，省略了后续亚硝态氮氧化为硝态氮，所以节省了曝气量，降低了能耗。同时厌氧氨氧化菌将传统烦硝化过程所需要的外加碳源全部省略，污水中的有机物可最大限度地进行回收产甲烷，而不是被氧化成二氧化碳。另外由于反应流程大大减少，反应容积也将大大减少，将节约30％以上反应容积。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的厌氧氨氧化段启动示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明具体实施方式。

如图1所示，基于厌氧氨氧化型两段式人工快速渗滤系统，包括配水池2、U型水槽6，配水池2的出水管上连接有单向阀3和水泵4；水泵4由继电器5控制；

配水池2的出水管、U型水槽6分别通过管道与兼氧段砂滤层8连接；兼氧段砂滤层8上安 装有在线溶氧仪7；兼氧段砂滤层8底部为砾石层9，砾石层9有兼氧段出水管，兼氧段出水管上有止水阀11；砾石层9下方为隔水底板10，隔水底板10下方为厌氧段砂滤层13，厌氧段砂滤层13与隔水底板10之间留有空腔，空腔有排气孔12；空腔还有厌氧段进水口,厌氧段进水口与兼氧段出水管连接；厌氧段砂滤层13底部为下砾石层14，下砾石层14连接有厌氧段高位排水口16；下砾石层14下方为底座15。

配水池2中将采集的生活废水1的氨氮浓度调配在适宜浓度(40-60mg/L)，pH调配在7.5-8,由水泵4定时定量输送至短程硝化段。

U型水槽6的作用是限制每一次进水、出水过程中兼氧段砂滤层与大气之间的空气交换量，限制空气中氧的进入量。

在线溶氧仪7检测短程硝化段内氧气含量，通过反馈调节U型水槽6的水量，使氧气含量为大气中氧的1/3左右。

兼氧段砂滤层8，实现氨氮的短程硝化段，厚度80cm，填料为天然砂、大理石砂子和沸石砂按体积比85:5:10混合制成。在空气氧气含量为大气1/3时，砂滤层水中溶解氧为0.5-2mg/L(溶解氧浓度在砂滤层中从上至下递减)，在低氧和较高pH条件下，系统内氨氧化菌(AOB)较活跃而亚硝酸氧化菌(NOB)受到抑制，发生短程硝化，约50％的NH₄^-转化为NO₂^-，与全程硝化相比，节约60％需氧量。

砾石层9，粒径5-15mm，厚度10cm，防止出水口被细砂堵塞。

止水阀11，在厌氧段需要进行操作一些情况下可止住兼氧段水。

排气孔12，排出反硝化产生的氮气。

厌氧段砂滤层13，实现厌氧氨氧化段，厚度80cm，填料为级配良好的的天然河沙，在无氧条件下，NH₄⁺为还原剂，NO₂^—为氧化剂，被厌氧氨氧化菌合成为N₂，经上部排气孔排出。

下砾石层14，粒径5-15mm，厚度10cm，防止出水口被细砂堵塞。

厌氧段高位排水口16，抬高水位面，使厌氧氨氧化段饱水厌氧。

U型水槽6工作原理：由于整个短程硝化段相对封闭，进水时内部压力增大，迫使U U型水槽6与短程硝化段联通侧(图中左侧)水进入与大气联通测(图中右侧)，直至水被完全排至一侧时，部分空气溢出；出水时，短程硝化段由于水量排出，内部形成负压，U型水槽右侧水进入左侧，直至水全部进入左侧时，部分空气进入左侧。通过控制U型水槽内水量可以控制空气交换量，水量越多，则空气进入量越少，设计水量为进水量的1/3-1/2。

本发明提供的基于厌氧氨氧化型两段式人工快速渗滤系统，实现亚硝酸盐(NO₂^-)的积累，通过减少CRI系统内部与大气之间空气交换量实现缺氧。有研究表明当溶解氧被控制在0.5-3.0mg/L时，可实现亚硝酸盐的稳定积累，水中溶解氧与大气中氧气分压有如下关系：

DO＝1.117×10^-6e^{1746.5/T+273.15}ρ(O₂)>

式中：

DO——水中氧气溶解量，单位mg/L；

T——温度，单位℃；

ρ_(O2)——氧气分压，单位Pa。

由式(1)可知，室温25℃时，若要达到饱和溶解氧2.5mg/L，氧气分压需要达到6631.5pa，大气压中氧气分压21270pa，也就是需要达到大气氧气浓度约1/3的水平，试验中将控制在1/3到1/2之间(避免过大影响COD去除率)。

根据菲克第一定律：

$J=D\frac{\partial C}{\partial x}---\left(2\right)$

式中：

——浓度梯度，单位距离浓度的变化量(mol/m⁴)；

J——扩散通量，单位时间内通过单位截面的质点数(mol/s·m²)；

D——扩散系数，单位浓度梯度的扩散量(m²/s)；

C——质点数浓度，单位体积质量数(mol/m³)。

由式(2)中可知，当扩散距离非常短，而浓度变化较大时，扩散通量将急剧增大。人工快渗系统中砂砾表面水膜非常薄，可认为膜内溶解氧一直处于接近饱和的状态。即通过控制空气中氧气分压可以间接控制CRI系统中砂砾水膜溶解氧量。在缺氧条件下NH₄⁺在氨氧化菌(AOB)作用下发生短程硝化，产生亚硝酸盐(NO₂^-)，而亚硝酸盐氧化菌(NOB)因缺氧活性受到抑制，NO₂^-得到积累。

在缺氧段约50％的NH₄⁺被氧化成NO₂^-，进入厌氧段NH₄⁺与NO₂^-在厌氧氨氧化菌的作用下生N₂和NO₃^-，实现脱氮。

本发明提供的基于厌氧氨氧化型两段式人工快速渗滤系统，厌氧氨氧化的启动很快。短程硝化与厌氧氨氧化的启动时间差距很大，因此将两个过程分开启动。厌氧氨氧化菌的倍增时间很长(11d)，细胞产率极低(0.11gVSS/gNH₄⁺—N)，因此厌氧氨氧化段的启动格外缓慢，历史上第一个生产性Anammox反应器的启动过程长达3.5年(Van>

为克服厌氧氨氧化启动慢这一问题，本发明提供的快速渗滤系统，通过投加少量厌氧氨 氧化污泥(短程硝化污泥、硝化烦硝化污泥、厌氧絮体污泥、厌氧颗粒污泥)加速厌氧氨氧化段的启动进程，将启动时间缩短至60天以内。待短程硝化段与厌氧氨氧化段稳定启动以后，再将两段组合起来。厌氧氨氧化段启动示意图如图2所示。

采用实验配制废水，亚硝酸盐浓度过高会抑制厌氧氨氧化菌的生长，亚硝酸盐初始浓度取16-40mg/L，氨氮浓度取14-34mg/L，有利于厌氧氨氧化菌的生长，待厌氧氨氧化启动并稳定后可逐步提高，宜稳定在70-80mg/L。同时配水池2用恒温水浴加热棒20加热，使水温保持在36℃(厌氧氨氧化菌最适温度为30-40℃)，使用Na₂CO₃将pH调至7.5-8.0，增强厌氧氨氧化菌的活性。

实验配置废水成分：其组成(mg/L)为：KH₂PO₄>2·H₂O>4·7H₂O>3>4>3BO₄>2·4H₂O>4·5H₂O>4·7H₂O>2·6H₂O>4·10H₂O>4·2H₂O0.22。NH₄⁺-N和NO₂^--N以(NH₄)₂SO₄和NaNO₂提供，浓度根据需求调配。

水泵4将配水池2中的水定时定量地输送至厌氧段砂滤层13。

厌氧段砂滤层13，填料为级配良好的河沙，柱体内接种活性污泥，包括短程硝化污泥、硝化烦硝化污泥、厌氧絮体污泥、厌氧颗粒污泥，水力停留时间控制在16h，水力负荷0.4m/d。

为了解决厌氧氨氧化启动慢的问题，在厌氧段砂滤层13接种污泥，减少厌氧氨氧化菌(AnAOB)细胞数倍增时间，同时使用试验配置废水，调配其初始浓度(亚硝酸盐初始浓度取16-40mg/L，氨氮浓度取14-34mg/L)，用恒温水浴加热棒20将废水保持在36℃左右，用Na₂CO₃将废水pH调配在7.5-8.0，是AnAOB能良好地生长。