一种厌氧氨氧化与反硝化耦合装置及其控制运行方法与流程

本发明属于污水生物处理技术领域，具体是涉及一种厌氧氨氧化与反硝化耦合装置及控制运行方法。

背景技术：
目前，生物脱氮法是国内外应用最为广泛的污水脱氮技术之一，厌氧氨氧化是新型高效生物脱氮技术，是氮循环中一个重要的反应，与传统硝化与反硝化相比，厌氧氨氧化具有需氧量低、不需外加碳源、污泥产量少等优点,节省了大量的运行费用。厌氧氨氧化原理是在厌氧或缺氧的条件下，厌氧氨氧化菌以亚硝态氮为电子受体，将NH4+-N直接氧化为N2过程，产氮过程中N2的两个氮原子分别来自NO2-N和NH4+-N。NH4++NO2-→N2+H2O(△G＝-297KJ/M)NH4+1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O厌氧氨氧化特别适合处理低碳高氨氮废水，近年来厌氧氨氧化已成国内外研究热点，然而在有机环境下，反应器系统中可能同时存在厌氧氨氧化与反硝化两种主要的厌氧脱氮反应，如能在同一反应器系统中实现厌氧氨氧化与反硝化脱氮的协同作用，则对生物脱氮技术开发具有重要意义。反硝化是指反硝化细菌在缺氧环境条件下，还原硝酸盐，释放出分子氮的过程，绝大部分消化细菌是厌氧异养菌，它以有机物为碳源和能量，进行无氧呼吸。在反硝化的生物过程中，产生能量的反应(异化作用)和细胞合成反应(内化作用)的公式1.6NO3-+CH3COOH→0.8N2+2CO2+1.2H2O+1.60H-(△G＝-843KJ/M)1.2NO3-+CH3COOH+0.1NH4+→0.1C5H7O2N+0.6N2+1.5CO2+1.1OH-+1.3H2O目前关于厌氧氨氧化与反硝化耦合工艺的研究还很少，厌氧氨氧化与反硝化耦合反应系统建立基于两种可能：一是通过一定条件的驯化培养，系统内存在两种功能的菌，即厌氧氨氧化菌和反硝化菌，它们在特殊的环境中能够共存，相互竞争，也相互促进；二是在这个耦合系统中存在一种特殊的脱氮功能菌，它同时具有厌氧氨氧化和反硝化特性，能够在有机碳源存在的情况下，利用氨氮和亚硝氮(控制一定比例条件)代谢，将氨氮和亚硝氮转化为氮气，最终达到脱氮效果。从厌氧氨氧化与反硝化的反应方程式来看，反硝化反应消耗有机物并产生CO2，为厌氧氨氧化反应消除了有机碳源的抑制作用并提供无机碳源，反硝化菌在电子供体不足的条件下将NO3--N还原为NO2--N，为厌氧氨氧化反应提供底物NO2—N；而厌氧氨氧化反应产生一定量的NO3--N能为反硝化提供电子受体，因此，两者共存，相互促进。从反应的吉布斯自由能来看，反硝化反应具有更低的自由能，当存在有机物时，反硝化菌比厌氧氨氧化菌更容易利用NO2--N，二者对反应底物NO2--N存在限制性竞争。厌氧氨氧化与反硝化耦合易受到条件因素的影响，如选择合适的反应器以及控制合适的水力停留时间；控制合适的环境条件，如DO浓度和pH值；控制合适的底物浓度，如NH4+、NO2－和COD浓度及C/N等，对系统建立具有重要意义。厌氧氨氧化与反硝化耦合系统通常进水氨氮和亚硝氮，厌氧氨氧化只能去除90％以氨和亚硝酸形式存在的氮，仍有10％的氮转化为硝态氮不能被去除；而污水中通常氨氮的浓度很高，亚硝氮浓度很低，甚至没有更不易大量积累，脱氮效果不是很好。而在有机环境条件下，耦合工艺中的反硝化菌可通过生物作用利用在环境中能够稳定存在的NO3-N，并转化成厌氧氨氧化菌可直接利用的NO2--N，解除了二者的限制性竞争，也克服了NO2--N难于高效积累的难题，同时厌氧氨氧化过程产生的NO3--N可再利用，这些都能提高脱氮的处理效果。

技术实现要素：
针对上述存在的技术问题，本发明提供一种厌氧氨氧化与反硝化耦合装置及控制运行方法，实现厌氧氨氧化在含有机碳源时与反硝化协同脱氮，使厌氧氨氧化与反硝化耦合系统控制良好，运行出水稳定。一种厌氧氨氧化与反硝化耦合装置，包括反应器、进水装置、氮气罐、水浴循环装置及排气装置，所述反应器进口端连接进水装置和氮气罐，出口端连接排气装置，在反应器外周设有水浴套，水浴套连接水浴循环装置；使用时，进水装置的进水箱内投放废水液体混合物。进一步地，所述进水装置包括进水箱、pH测量仪和计量泵，进水箱的出水口通过计量泵连接反应器进口端，在进水箱内设置pH测量仪。进一步地，所述水浴循环装置包括循环泵、水浴箱和温控仪，水浴箱通过循环泵连接反应器的水浴套进水口，水浴套的回水口通过回流管路连接水浴箱，在水浴箱内还设置有温控仪。进一步地，所述反应器为UASB反应器，其内设置三相分离器，反应器外周设置水浴套。进一步地，所述排气装置为气体收集瓶，反应器和三相分离器的出气口分别通过管道连接气体收集瓶。本发明厌氧氨氧化与反硝化耦合装置的控制运行方法，包括如下步骤：。第I步厌氧氨氧化系统培养驯化：1)以城市污水厂二沉池污泥为接种污泥，通过反应器培养驯化，反应采用连续流方式运行，进水主要控制进水氮源为氨氮(NH4—N)和硝态氮(NO2—N)，其中氨氮以NH4Cl提供，进水浓度120～180mg/L；亚硝氮以NaNO2提供，进水浓度150～200mg/L；2)以NaHCO3作为无机碳源，NaHCO3浓度为0.1～0.15g/L；同时NaHCO3作为缓冲剂调节pH值，pH值范围控制在6.5～8.5；3)控制水浴温度在20～35℃，用黑色塑料薄膜裹附于反应器表面以避光；4)其它元素进水指标：ρ(KH2PO4)＝6mg/L，ρ(MgSO4·7H2O)＝300mg/L，ρ(CaCl2·2H2O)＝56mg/L；微量元素I、II各1mL加入1L进水中，其中：微量元素I:ρ(EDTA)＝5000mg/L，ρ(FeSO4)＝5000mg/L；微量元素II:ρ(EDTA)＝15000mg/L，ρ(ZnSO4·7H2O)＝430mg/L，ρ(MnCl2·4H2O)＝990mg/L，CH3BO4)＝14mg/L，ρ(CuSO4·5H2O)＝250mg/L，ρ[(NaMoO4·2H2O]＝220mg/L，ρ[(NaSeO4·10H2O]＝210mg/L，ρ(NiCl2·6H2O)＝190mg/L；5)经过180d的驯化培养污泥80％比例鲜红色的椭球形、圆球状颗粒污泥，厌氧氨氧化系统建立并稳定运行；第II步厌氧氨氧化与反硝化耦合阶段：1)反应采用连续流方式运行，进水主要控制指标氨氮(NH4—N)和硝态氮(NO3—N)，进水中以NO3—N代替NO2—N，NO3—N由NaNO3提供，向系统提供氮源，其中NH4--N浓度为120～180mg/L，NO3—N浓度为165～198mg/L，进水中氨氮和硝态氮的浓度比为1：(1.08～1.32)；2)以NaOH调节pH值，pH值范围控制在6.5～8.5；3)以淀粉、乙酸钠、污水厂剩余污泥经水解发酵液其中一种或多种组合提供有机氮源，有机碳源COD浓度为180～240mg/L，保持C:N为0.4～0.6，以促进耦合工艺；4)以KH2PO4作为磷源，浓度65～70mg/L，保持N:P＝(3～5):1；5)其它元素进水指标ρ(MgSO4·7H2O)＝300mg/L，ρ(CaCl2·2H2O)＝56mg/L；微量元素I、II各1mL加入2L进水中，其中：微量元素I:ρ(EDTA)＝5000mg/L，ρ(FeSO4)＝5000mg/L；微量元素II:ρ(EDTA)＝15000mg/L，ρ(ZnSO4·7H2O)＝430mg/L，ρ(MnCl2·4H2O)＝990mg/L，CH3BO4)＝14mg/L，ρ(CuSO4·5H2O)＝250mg/L，ρ[(NaMoO4·2H2O]＝220mg/L，ρ[(NaSeO4·10H2O]＝210mg/L，ρ(NiCl2·6H2O)＝190mg/L；6)控制水浴温度在20～35℃，用黑色塑料薄膜裹附于反应器表面以避光；7)向反应器内连续通入氮气，形成不易解体的密实颗粒污泥。本发明的有益效果是：由于硝态氮的稳定性克服了亚硝态氮的难于积累的苛刻条件，为整个系统不断地提供氮源素物料，在反硝化菌的生物作用下，能够提供稳定浓度的亚硝态氮满足厌氧氨氧化过程的物料需求，促进整个厌氧氨氧化与反硝化耦合工艺的不断趋于稳定、高效。附图说明图1为本发明的耦合装置示意图。图2为本发明的控制运行方法原理图。图中，1、进水箱，2、pH测量仪，3、计量泵，4、氮气罐，5、循环泵，6、水浴箱，7、温控仪，8、三相分离器，9、气体收集瓶，10、反应器，11、水浴套，Ⅰ、水浴循环装置，Ⅱ、排气装置，Ⅲ、进水装置；a、NH4--N(NH4Cl)；b、NO3—N(NaNO3)或NO2—N(NaNO2)；c、碳源；d、KH2PO4；e、MgSO4·7H20；f、CaCl2·2H20。具体实施方式：下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：实施例：如图1、图2所示，本发明一种厌氧氨氧化与反硝化耦合装置，包括反应器10、进水装置Ⅲ、氮气罐4、水浴循环装置Ⅰ及排气装置Ⅱ，所述反应器10进口端连接进水装置Ⅲ和氮气罐4，出口端连接排气装置Ⅱ，在反应器10外周设有水浴套11，水浴套11连接水浴循环装置Ⅰ；使用时，进水装置Ⅲ的进水箱1内投放废水液体混合物。所述废水液体混合物包含a、NH4--N(NH4Cl)；b、NO3—N(NaNO3)或NO2—N(NaNO2)；c、碳源；d、KH2PO4；e、MgSO4·7H20；f、CaCl2·2H20。所述进水装置Ⅲ包括进水箱1、pH测量仪2和计量泵3，进水箱1的出水口通过计量泵3连接反应器10进口端，在进水箱1内设置pH测量仪2。所述水浴循环装置Ⅰ包括循环泵5、水浴箱6和温控仪7，水浴箱6通过循环泵5连接反应器10的水浴套11进水口，水浴套11的回水口通过回流管路连接水浴箱6，在水浴箱6内还设置有温控仪7。所述反应器10为UASB反应器，其内设置三相分离器8，反应器10外周设置水浴套6。所述排气装置Ⅱ为气体收集瓶9，反应器10和三相分离器8的出气口分别通过管道连接气体收集瓶9。本发明的厌氧氨氧化与反硝化耦合装置的控制运行方法，包括如下步骤：。第I步厌氧氨氧化系统培养驯化：1)以城市污水厂二沉池污泥为接种污泥，通过反应器10培养驯化，反应采用连续流方式运行，进水主要控制进水氮源为氨氮(NH4—N)和硝态氮(NO2—N)，其中氨氮以NH4Cl提供，进水浓度120～180mg/L；亚硝氮以NaNO2提供，进水浓度150～200mg/L；2)以NaHCO3作为无机碳源，NaHCO3浓度为0.1～0.15g/L；同时NaHCO3作为缓冲剂调节pH值，pH值范围控制在6.5～8.5；3)控制水浴温度在20～35℃，用黑色塑料薄膜裹附于反应器表面以避光；4)其它元素进水指标：ρ(KH2PO4)＝6mg/L，ρ(MgSO4·7H2O)＝300mg/L，ρ(CaCl2·2H2O)＝56mg/L；微量元素I、II各1mL加入1L进水中，其中：微量元素I:ρ(EDTA)＝5000mg/L，ρ(FeSO4)＝5000mg/L；微量元素II:ρ(EDTA)＝15000mg/L，ρ(ZnSO4·7H2O)＝430mg/L，ρ(MnCl2·4H2O)＝990mg/L，CH3BO4)＝14mg/L，ρ(CuSO4·5H2O)＝250mg/L，ρ[(NaMoO4·2H2O]＝220mg/L，ρ[(NaSeO4·10H2O]＝210mg/L，ρ(NiCl2·6H2O)＝190mg/L；5)经过180d的驯化培养污泥80％比例鲜红色的椭球形、圆球状颗粒污泥，厌氧氨氧化系统建立并稳定运行；第II步厌氧氨氧化与反硝化耦合阶段：1)反应采用连续流方式运行，进水主要控制指标氨氮(NH4—N)和硝态氮(NO3—N)，进水中以NO3—N代替NO2—N，NO3—N由NaNO3提供，向系统提供氮源，其中NH4--N浓度为120～180mg/L，NO3—N浓度为165～198mg/L，进水中氨氮和硝态氮的浓度比为1：(1.08～1.32)；2)以NaOH调节pH值，pH值范围控制在6.5～8.5；3)以淀粉、乙酸钠、污水厂剩余污泥经水解发酵液其中一种或多种组合提供有机氮源，有机碳源COD浓度为180～240mg/L，保持C:N为0.4～0.6，以促进耦合工艺；4)以KH2PO4作为磷源，浓度65～70mg/L，保持N:P＝(3～5):1；5)其它元素进水指标ρ(MgSO4·7H2O)＝300mg/L，ρ(CaCl2·2H2O)＝56mg/L；微量元素I、II各1mL加入2L进水中，其中：微量元素I:ρ(EDTA)＝5000mg/L，ρ(FeSO4)＝5000mg/L；微量元素II:ρ(EDTA)＝15000mg/L，ρ(ZnSO4·7H2O)＝430mg/L，ρ(MnCl2·4H2O)＝990mg/L，CH3BO4)＝14mg/L，ρ(CuSO4·5H2O)＝250mg/L，ρ[(NaMoO4·2H2O]＝220mg/L，ρ[(NaSeO4·10H2O]＝210mg/L，ρ(NiCl2·6H2O)＝190mg/L；6)控制水浴温度在20～35℃，用黑色塑料薄膜裹附于反应器表面以避光；7)向反应器内连续通入氮气，促进气、液、固三相共同作用，在较强的水力条件下，可以形成密实的颗粒污泥，强化微生物和污染物的传质作用，污泥颗粒不易解体。