专利名称：一种处理城市生活污水的厌氧氨氧化工艺启动及高效运行方法
技术领域：
本发明属于水环境恢复与再生领域。具体涉及用于常温、低氨氮城市生活污水生物膜法厌氧氨氧化(ΑΝΑΜΜ0Χ)工艺启动及高效运行的方法。
背景技术：
厌氧氨氧化工艺是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化细菌以N02_为电子受体，将NH4+直接氧化为N2的过程。该工艺为自养脱氮过程，同传统的脱氮过程相比，能够大幅度的节约能耗，无需外加碳源，且污泥产量小，具有广阔的发展前景。厌氧氨氧化技术的应用最多的为SHAR0N-ANAMM0X联合工艺及CANON工艺，前者具 有更高的处理效果而后者由于将短程硝化与厌氧氨氧化结合具有较大的经济优势。自荷兰鹿特丹第一座厌氧氨氧化水厂建成并投产后，越来越多的厌氧氨氧化水厂出现在了日本、德国等地，其反应器形式多种多样，处理效果差异大，但均高于传统的生物脱氮途径。但是大部分的厌氧氨氧化水厂均用于处理高温高氨氮污水，如垃圾渗滤液，对于常温低氨氮污水的处理还有待进一步研究。近年来，国内外学者对于常温厌氧氨氧化进行了深入的研究并取得了一定的成果。郑平(2010)等运行的中试级厌氧氨氧化反应器，总容积2. 5m3，进水总氮浓度为400-600mg/L,分别对温度在5_14°C、15-24°C >28-34°C的条件下的反应器运行状况进行了研究，三阶段的去除负荷分别维持在 O. 14±0. 05kg/m3/d、0. 60±0. 12kg/m3/d、2. 81kg/m3/d的水平；Tim L.G. Hendrickx (2011)等人采用一个容积为4. 5L的UASB反应器培养厌氧氨氧化污泥，通入氮气与二氧化碳的混合气体对污泥进行提升，控制进水PH在7. 5-8. 2，对温度在20°C、进水总氮浓度小于100mg/L的废水进行处理，最大总氮去除负荷达到O. 33kg/m3/d ；de Clippeleir et al (2011)采用 RBC 型 ANAMMOX 反应器处理温度为 25°C、进水总氮31mg/L的废水，其去除负荷为O. 84 kg/ m3/d ；de Graaff M.S.等人采用SBR反应器,在25°C、进水总氮897mg/L条件下，去除负荷为O. 5 kg/ m3/d -,Na zquez-Pa^ din etal. (2011)在20°C采用SBR反应器对进水总氮为225mg/L污水进行处理，总氮去除负荷为
O.9 kg/ m3/d ；Dosta et al. (2008)等采用SBR反应器在22°C条件下处理负荷为O. 3kg/m3/d。可见常温条件下的厌氧氨氧化工艺普遍存在着处理负荷较低的问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种处理城市生活污水的生物膜法厌氧氨氧化工艺启动及高效运行的方法。本发明中，首先降低进水基质浓度，使反应器对于低基质环境充分适应，之后再提升进水负荷，使反应器达到更高的处理能力，在过程中，滤池对于由于进水流量增加带来的高滤速适应较其对于基质的适应更为重要。一种处理城市生活污水的厌氧氨氧化工艺启动及高效运行方法，其特征在于
当生物滤池的某沿程断面的总氮去除负荷达到反应器总氮去除负荷的90%以上，则其所对应的滤层深度定义为有效滤层深度，若有效滤层深度大于等于滤层总深度的70%，则以HRT作为滤池控制指标，若有效滤层深度不足总滤层深度的70%，则以滤速作为滤池控制指标，步骤2)、3)、4)中厌氧氨氧化生物滤池控制指标选择应遵循上述原则；I)变基质启动阶段，反应器初始的总氮去除率超过70%，总氮去除负荷达到I. 5kg N · m_3 · Cf1以上，控制进水总氮浓度24(T260mg/L，逐次降低其进水总氮浓度，每次降低50%-60%，同时提高进水流量，使总氮去除负荷维持在初始值的80%以上，实现变基质过程，当总氮去除率连续7d以上超过70%后进行下轮调整，继续降低其进水总氮浓度，直至4(T50mg/L，当总氮去除率连续20d超过70%时，变基质启动阶段成功，进入变负荷启动阶段；2)变负荷启动阶段，控制进水氨氮浓度18 22mg/L，亚硝酸盐氮浓度22 26mg/L,总氮浓度4(T50mg/L，保持进水基质浓度不变，若以滤速为控制指标，初始滤速为
I.4" . 6cm/s,逐次提高滤速,每次提高O. I "O. 2cm/s,当总氮去除率连续7d以上超过70 %,进入下一轮提升，当总氮去除率连续20d以上不能达到70%时，认为滤池达到极限滤速，极限滤速最终达到3. 6 4. 5cm/s ;若以HRT为控制指标，初始HRT为O. 5^0. 6h，逐次降低HRT，每次降低O. 05、. 15h，当总氮去除率连续7d大于70%，进入下一轮降低，当总氮去除率超过15d不能达到70%时，认为滤池达到极限HRT，极限HRT最终达到O. 2^0. 3h ;当反应器达到极限滤速或HRT，且总氮去除负荷超过I. 4 kg N · m_3 · cf1，认为变负荷启动成功，进入生活污水启动阶段；3)生活污水启动阶段，采用城市生活污水经二级处理及亚硝化工艺处理后出水，氨氮浓度18 22mg/L，亚氮浓度22 26mg/L，COD小于35mg/L，BOD小于10mg/L，控制HRT在O. 3^0. 4h或滤速2. Γ2. 8cm/s,当连续7d以上总氮去除率超过75%，总氮去除负荷达到I. 4kg · m_3 · cf1以上，增加进水有机质含量，要求COD小于70mg/L，BOD小于20mg/L，控制HRT在O. 3^0. 4h或滤速2. Γ2. 8cm/s,当连续7d以上总氮去除率超过75%，总氮去除负荷达到1.4 kg · m_3 · cf1以上时，生活污水阶段启动成功；4)生活污水运行阶段，采用城市生活污水依次经二级处理、亚硝化工艺处理出水，氨氮浓度18 22mg/L，亚氮浓度22 26mg/L，COD小于70mg/L，BOD小于20mg/L，该阶段初始HRT在O. 3 O. 4h或滤速2. Γ2. 8cm/s，且每次调整幅度HRT不超过O. 05h或滤速不超过O. 2cm/s ;定义连续5d的总氮去除率平均值为标志去除率，当标志去除率连续5d大于75%时，减小HRT或增大滤速，当标志去除率连续5d小于70%时，增大HRT或减小滤速，当标志去除率处于709Γ75%时，维持目前运行工况。与现有的厌氧氨氧化工艺相比较，本发明具有以下有益效果I)本发明提出了依据有效滤层深度选取HRT或滤速作为控制参数的方法，并给出了选用原则；2)本发明提供了一种可行的由高基质厌氧氨氧化工艺启动处理生活污水厌氧氨氧化工艺的方法；3 )本发明提供了在常温低基质生活污水条件下，厌氧氨氧化工艺运行及维护的策略与方法。以下结合具体实施方式
对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
图I是本发明采用本发明的ANAMMOX试验装置示意图。图2是采用本发明方法的反应器沿程实验总氮变化与已去除负荷占总去除负荷百分比随滤层高度变化图，有效率层深度为总滤层深度的56%，应选用断面滤速作为控制参数。图3是采用本发明方法的反应器在步骤二阶段图，每次变基质前总氮去除率均已连续七天以上超过70%，第二次变基质前去除负荷为之前阶段的101%。 图4是采用本发明方法的反应器在步骤三阶段图，图中HRT为水力停留时间，Rl为去除亚氮/氨氮变化，R2为生成硝氮/氨氮变化，ALR为进水总氮负荷，ARR为总氮去除负荷，Λ TN为反应器去除总氮，TNefT为反应器出水总氮，TNR为反应器总氮去除率，ν为反应·器断面滤速。图5是采用本发明方法的反应器在步骤四、步骤五阶段图，图中HRT为水力停留时间，Rl为去除亚氮/氨氮变化，R2为生成硝氮/氨氮变化，ALR为进水总氮负荷，ARR为总氮去除负荷，Δ TN为反应器去除总氮，TNeff为反应器出水总氮，TNR为反应器总氮去除率，ν为反应器断面滤速，COD为反应器进水COD值。COD投加初期负荷降低，后缓慢升高，在COD再次增加时未对反应器产生明显影响。
具体实施例方式本发明实例中，对于反应器基本状况进行了具体描述，但本方法并不局限于此参数反应器，一切火山岩填料的生物滤柱皆可应用此方法。本发明是在17_22°C常温条件下，从处理高氨氮的厌氧氨氧化工艺，成功启动处理生活污水的厌氧氨氧化生物滤池；总氮去除负荷即单位体积反应器每天所去除的氮素质量；当生物滤池的某沿程断面的总氮去除负荷达到反应器总氮去除负荷的90%，则其所对应的滤层深度定义为有效滤层深度，若有效滤层深度大于等于滤层总深度的70%，则以HRT作为滤池控制指标，若有效滤层深度不足总滤层深度的70%，则以滤速作为滤池控制指标，以下步骤三、四、五中厌氧氨氧化生物滤池控制指标选择按如上所述标准选取。方法的具体步骤如下步骤一反应器高基质启动概况反应器采用已成功启动的处理高氨氮厌氧氨氧化生物滤池，径深比为1:4-1:8，装填粒径4-15_的火山岩滤料，不均匀系数小于I. 2，在进水总氮浓度为240-260mg/L的条件下，总氮去除负荷超过I. 5 kg/m3/d，定义该去除负荷为初始总氮去除负荷；步骤二 变基质启动阶段控制进水总氮浓度240_260mg/L，逐次降低其进水总氮浓度，每次降低50%_60%，同时提高进水流量，使总氮去除负荷维持在初始值的80%以上，实现变基质过程，当总氮去除率连续7d以上超过70%后进行下轮调整，继续降低其进水总氮浓度，直至40-50mg/L，当总氮去除率连续20d超过70%时，变基质启动阶段成功，进入变负荷启动阶段。步骤三变负荷启动阶段
控制进水氨氮浓度18-22mg/L，亚硝酸盐氮浓度22_26mg/L，总氮浓度40_50mg/L，保持进水基质浓度不变，若以滤速为控制指标，初始滤速为I. 4-1. 6cm/s，逐次提高滤速，每次提高O. 1-0. 2cm/s,当总氮去除率连续7d以上超过70%,进入下一轮提升，当总氮去除率连续20d以上不能达到70%时，认为滤池达到极限滤速，极限滤速最终达到3. 6 -4. 5cm/s ；若以HRT为控制指标，初始HRT为O. 5-0. 6h，逐次降低HRT，每次降低O. 05-0. 15h，当总氮去除率连续7d大于70%，进入下一轮降低，当总氮去除率超过15d不能达到70%时，认为滤池达到极限HRT，极限HRT最终达到O. 2-0. 3h ;当反应器达到极限滤速或HRT，且总氮去除负荷超过I. 4kg/m3/d,认为变负荷启动成功,进入生活污水启动阶段。步骤四生活污水启动阶段用城市生活污水依次经二级处理、亚硝化工艺处理出水，氨氮浓度18_22mg/L，亚硝酸盐氮浓度22-26mg/L，COD小于35mg/L，BOD小于10mg/L，控制HRT在O. 3-0. 4h或滤速2. 4-2. 8cm/s,当连续7d以上总氮去除率超过75%，总氮去除负荷达到I. 4 kg/m3/d以上 时，保持氨氮及亚硝酸盐氮浓度不变，增加进水有机质含量，要求COD小于70mg/L，BOD小于20mg/L,控制HRT在O. 3-0. 4h或滤速2. 4-2. 8cm/s,当连续7d以上总氮去除率超过75%，总氮去除负荷达到1.4 kg/m3/d以上时，生活污水启动阶段成功。步骤五生活污水运行阶段采用城市生活污水经二级处理及亚硝化工艺处理后出水，氨氮浓度18_22mg/L，亚硝酸盐氮浓度22-26mg/L，COD小于70mg/L，BOD小于20mg/L，本阶段初始HRT在O. 3-0. 4h或滤速2. 4-2. 8cm/s，每次调整幅度HRT不超过O. 05h或滤速不超过O. 2cm/s ;定义连续5d的总氮去除率平均值为标志去除率，当标志去除率连续5d大于75%时，减小HRT或增大滤速，当标志去除率连续5d小于70%时，增大HRT或减小滤速，当标志去除率处于70%-75%时，维持目前运行工况。实施例I试验装置为以火山岩为填料的传统生物滤池，如图I所示。试验装置由有机玻璃制成，内径500mm，高2. Om,总容积216L，有效容积185L。柱内装填级配火山岩填料，装填高度为I. 8m,装填粒径分别为12-15mm、8-10mm、4-6mm,装填高度分别为O. 2m、0. 8m、0. 2m。滤池壁上每IOOmm设有一个取样口，水流方向为上向流，最上端设有一个出水口。经过180d的培养，反应器在进水配水TN=240mg/L的条件下已成功启动并在相对稳定状态下运行，平均总氮去除负荷为I. 73kg/m3/d，去除率为73%。降低进水TN至原来的50%，通过提升进水流量，总氮平均去除负荷最终达到了 1.75 kg/m3/d，达到之前阶段的101%，去除负荷维持在70%以上的较高水平，继续降低进水TN为前述的42%，保持HRT不变，在之后的22天时间里，总氮去除率均超过70%，变基质启动阶段成功，进入变负荷启动阶段。控制进水氨氮浓度18-22mg/L，亚硝酸盐氮浓度22_26mg/L，总氮浓度40_50mg/L，保持进水基质浓度不变，以HRT作为控制指标，初始HRT为O. 55h，经过9天时间，去除负荷提升至O. 91 kg/m3/d,去除率超过80%，降低HRT至O. 45h，经过13天时间，负荷达到了 I. 36 kg/m3/d，去除率超过70%，继续降低HRT至O. 35h，本阶段开始出现了负荷逆增长状态，最低降至了 O. 92 kg/m3/d，经过7天适应后，负荷渐渐恢复并开始缓慢增加最高达到了 I. 48 kg/m3/d，再次降低HRT至O. 27h，负荷同样出现下降再提升过程，最终达到了 I. 53 kg/m3/d，总氮去除率连续21d不超过70%，变负荷阶段成功，进入生活污水启动阶段。
将HRT升回O. 35h，引入COD的影响，以某小区生活污水依次经厌氧/好氧生物除磷二级处理、短程硝化处理出水为基础用水，具体水质如下C0D〈35mg/L ；B0D5<10mg/L ；SS〈10mg/L ；NH4+-N=18-22mg/L, NO2二N=22_26mg/L NH4+_N/N02二N ^ 1:1. 2, TP 彡 0. 5 mg/L,ρΗ=7. 0-8. 0ο在最初的5d内出现了负荷下降的现象，5d后负荷渐渐恢复并升高，经过15d运行达到了 I. 45 kg/m3/d,并在后9天中总氮去除率均高于75%，生活污水启动阶段成功，进入生活污水运行阶段。改变前端进水水质，使基础用水变为C0D〈70mg/L,其他水质指标不变化，处理效果无明显变化，经过10天时间，标志去除率超过75%，为76. 1%，降低HRT至O. 30h，在40天时间内标志去除率在70%-75%之间，效果稳定，平均总氮去除负荷为I. 51kg/m3/cL
权利要求
1.一种处理城市生活污水的厌氧氨氧化工艺启动及高效运行方法，其特征在于 当生物滤池的某沿程断面的总氮去除负荷达到反应器总氮去除负荷的90%以上，则其所对应的滤层深度定义为有效滤层深度，若有效滤层深度大于等于滤层总深度的70%，则以HRT作为滤池控制指标，若有效滤层深度不足总滤层深度的70%，则以滤速作为滤池控制指标，步骤2)、3)、4)中厌氧氨氧化生物滤池控制指标选择应遵循上述原则； 1)变基质启动阶段，反应器初始的总氮去除率超过70%，总氮去除负荷达到1.5kgN · m_3 · Cf1以上，控制进水总氮浓度24(T260mg/L，逐次降低其进水总氮浓度，每次降低50%-60%，同时提高进水流量，使总氮去除负荷维持在初始值的80%以上，实现变基质过程，当总氮去除率连续7d以上超过70%后进行下轮调整，继续降低其进水总氮浓度，直至4(T50mg/L，当总氮去除率连续20d超过70%时，变基质启动阶段成功，进入变负荷启动阶段； 2)变负荷启动阶段，控制进水氨氮浓度18 22mg/L，亚硝酸盐氮浓度22 26mg/L，总氮·浓度4(T50mg/L，保持进水基质浓度不变，若以滤速为控制指标，初始滤速为I. ri. 6cm/s,逐次提闻滤速，每次提闻O. I O. 2cm/s,当总氣去除率连续7d以上超过70%,进入下一轮提升，当总氮去除率连续20d以上不能达到70%时，认为滤池达到极限滤速，极限滤速最终达到3. 6 4. 5cm/s ;若以HRT为控制指标，初始HRT为O. 5^0. 6h，逐次降低HRT，每次降低O.05、. 15h，当总氮去除率连续7d大于70%，进入下一轮降低，当总氮去除率超过15d不能达到70%时，认为滤池达到极限HRT，极限HRT最终达到O. 2^0. 3h ;当反应器达到极限滤速或HRT，且总氮去除负荷超过I. 4 kg N · m_3 · cf1，认为变负荷启动成功，进入生活污水启动阶段；· 3)生活污水启动阶段，采用城市生活污水经二级处理及亚硝化工艺处理后出水，氨氮浓度18 22mg/L，亚氮浓度22 26mg/L，COD小于35mg/L，BOD小于10mg/L，控制HRT在.O.3^0. 4h或滤速2. Γ2. 8cm/s,当连续7d以上总氮去除率超过75%，总氮去除负荷达到I. 4kg · m_3 · cf1以上，增加进水有机质含量，要求COD小于70mg/L，BOD小于20mg/L，控制HRT在O. 3^0. 4h或滤速2. Γ2. 8cm/s,当连续7d以上总氮去除率超过75%，总氮去除负荷达到.1.4 kg · m_3 · cf1以上时，生活污水阶段启动成功； 4)生活污水运行阶段，采用城市生活污水依次经二级处理、亚硝化工艺处理出水，氨氮浓度18 22mg/L，亚氮浓度22 26mg/L，COD小于70mg/L，BOD小于20mg/L，该阶段初始HRT在O. 3 O. 4h或滤速2. 4 2. 8cm/s,且每次调整幅度HRT不超过O. 05h或滤速不超过O. 2cm/s ;定义连续5d的总氮去除率平均值为标志去除率，当标志去除率连续5d大于75%时，减小HRT或增大滤速，当标志去除率连续5d小于70%时，增大HRT或减小滤速，当标志去除率处于70% 75%时，维持目前运行工况。
全文摘要
一种处理城市生活污水的厌氧氨氧化工艺启动及高效运行方法属于水环境恢复与再生领域。本发明提出了依据有效滤层深度选取HRT或滤速作为控制参数的方法，并给出了选用原则；本发明提供了一种可行的由高基质厌氧氨氧化工艺启动处理生活污水厌氧氨氧化工艺的方法；本发明提供了在常温低基质生活污水条件下，厌氧氨氧化工艺运行及维护的策略与方法。常温条件下，适应高基质的厌氧氨氧化反应器，经过变基质启动阶段、变负荷启动阶段、生活污水启动阶段及生活污水运行阶段四个阶段，在180d之内，达到处理40-50mg/L生活污水的水平，在满足出水水质一级A标准的前提下，负荷达到1.5-1.6kg/m3/d，这比在相近温度下国内外研究者如郑平(0.60±0.12 kg/ m3/d)、Va′zquez-Pa′din et al.(0.9 kg/ m3/d)要高出60%以上。
文档编号C02F3/28GK102897910SQ201210410850
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月24日 优先权日2012年10月24日
发明者李冬, 高伟楠, 杨卓, 吴迪, 李德祥, 梁瑜海, 王斌, 崔少明, 杨胤, 何永平, 张翠丹, 张玉龙, 吴青, 周元正, 苏庆岭, 门绚, 曾辉平, 张 杰 申请人:北京工业大学