一种实现发酵型内碳源短程反硝化的装置与方法

1.本发明涉及一种实现发酵型内碳源短程反硝化的装置与方法，属于污水生物处理技术领域，本发明可在慢速可生物降解有机物充分利用、胞内储存的基础上，实现与厌氧氨氧化反应的高效耦合脱氮。


背景技术：

2.厌氧氨氧化脱氮技术，可在厌氧条件下将亚硝和氨氮同步脱除为氮气。与传统硝化反硝化技术相比，厌氧氨氧化可以节省100%的曝气能耗和100%的碳源消耗，有望使得污水处理实现能量自给自足。
3.亚硝作为厌氧氨氧化技术必需的反应基质在污水中很少存在，常需额外补给。短程反硝化，以有机物作为碳源将硝氮选择性还原为亚硝，是一种高效的亚硝产出途径，但是短程反硝化对于有机物类型具有偏好性。以乙酸，丙三醇为代表的快速可生物降解有机物有利于亚硝的积累，而污水中存在的这些有机物通常不充足，而大量存在的慢速可生物降解有机物又不能驱动亚硝的高效产出。目前常见的解决方法是引入发酵液来补充污水中短缺的快速可生物降解有机物。但是发酵液本身还是含有大量的慢速可生物降解有机物，引入快速可生物降解有机物的同时，又进一步加剧了慢速可生物降解有机物的浪费。
4.已有研究报道（参见中国专利公布号cn110668580a所公开的基于水解酸化耦合短程反硝化技术实现颗粒有机物去除以及no2
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n产出的装置与方法）通过原位发酵技术，将慢速可生物降解有机物转化为快速可生物降解有机物，再作为外碳源驱动短程反硝化，并富集出了兼具发酵与外源短程反硝化功能的菌种。这样就在充分利用污水中的大量慢速可生物降解有机物的前提下，实现了高效的亚硝产出。
5.但是上述发酵型外碳源短程反硝化技术具有以下局限性：（1）原位发酵阶段产出了大量的有机物，这些有机物在驱动短程反硝化的同时，也存在着会抑制厌氧氨氧化菌的风险；（2）外碳源有机物的存在也会助长其他异养菌的增长，存在其与厌氧氨氧化菌竞争亚硝的风险；（3）外碳源有机物驱动的短程反硝化中亚硝产生速率比厌氧氨氧化菌消耗亚硝的速率要快，这样就会出现亚硝产出与消耗速率不匹配的问题，使得产出的亚硝有进一步被反硝化为氮气的风险。
6.如果可以将原位发酵产生的有机物存储在细菌内部（例如聚羟基脂肪酸酯phas），再通过胞内碳源驱动短程反硝化产出亚硝，那么上述的风险就会得到解决。即在充分利用慢速可生物降解有机物的前提下，实现胞内碳源的储存，再实现内碳源短程反硝化。但是目前这种方法还尚未有报道。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是提供一种实现发酵型内碳源短程反硝化的装置与方法，以在充分利用慢速可生物降解有机物的前提下储存胞内碳源，进而驱动短程反硝化，以消除发酵型外碳源短程反硝化对于厌氧氨氧化脱氮过程的潜在不利影响。
8.本发明的技术原理如下：将含有发酵及反硝化菌的污泥投加至发酵型内碳源短程反硝化反应器内，慢速可生物降解有机物首先转化为快速可生物降解有机物，并作为外碳源驱动短程反硝化；当发酵型外源短程反硝化启动后，通过控制快速可生物降解有机物与硝态氮质量比为2以下以强化内碳源短程反硝化，最终实现发酵型内碳源短程反硝化的启动。本发明可在慢速可生物降解有机物充分利用、胞内储存的基础上，实现与厌氧氨氧化反应的高效耦合脱氮。
9.本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种实现发酵型内碳源短程反硝化的装置，包括含慢速可生物降解有机物水箱、含硝酸盐废水箱、发酵型内碳源短程反硝化反应器、出水箱、以及在线监测与控制系统。其中所述含慢速可生物降解有机物水箱通过第一进水泵与发酵型内碳源短程反硝化反应器相连接；含硝酸盐废水箱通过第二进水泵与发酵型内碳源短程反硝化反应器相连接；出水箱通过电磁排水阀与发酵型内碳源短程反硝化反应器相连接；所述含慢速可生物降解有机物水箱内置有第一溢流阀、第一放空阀；所述含硝酸盐废水箱内置有第二溢流阀、第二放空阀；所述发酵型内碳源短程反硝化反应器内置有排泥阀、第一取样口、搅拌桨、ph传感器、硝态氮传感器、第二取样口、ph及硝态氮测定仪、搅拌电机；所述出水箱内置有第三溢流阀、第三放空阀；所述在线监测与控制系统包括计算机和可编程过程控制器；可编程过程控制器内置信号转换器ad转换接口、信号转换器da转换接口、ph及硝态氮测定仪数据信号接口、搅拌电机继电器接口、电磁排水阀继电器接口、第一进水泵继电器接口、第二进水泵继电器接口；其中，可编程过程控制器上的信号转换器ad转换接口通过电缆线与计算机相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机；计算机通过信号转换器da转换接口与可编程过程控制器相连接，将计算机的数字指令传递给可编程过程控制器；ph及硝态氮测定仪数据信号接口通过传感器导线与ph及硝态氮测定仪相连接；搅拌电机继电器接口与搅拌电机相连接；电磁排水阀继电器接口与电磁排水阀相连接；第一进水泵继电器接口与第一进水泵相连接；第二进水泵继电器接口与第二进水泵相连接。
10.本发明还提供了一种实现发酵型内碳源短程反硝化的方法，其具体步骤如下：1）将具有发酵以及反硝化功能的污泥投加至发酵型内碳源短程反硝化反应器内；2）启动第一进水泵，将含有慢速可生物降解有机物的废水泵入发酵型内碳源短程反硝化反应器内，进水体积控制在内碳源短程反硝化反应器有效体积的40%之内，并开启搅拌电机进行发酵反应；3）发酵过程中ph会持续下降并伴随溶解性快速可生物降解有机物的产出，当ph出现上升拐点时开启第二进水泵，将含硝酸盐废水泵入发酵型内碳源短程反硝化反应器内，并控制反应器内溶解性快速可生物降解有机物与硝态氮的质量比为5以上驱动外源短程反硝化，当反应器内硝态氮浓度低于5mg/l时关闭搅拌电机；4）静置实现泥水分离，当满足排水要求时，开启电磁排水阀排水；5）重复步骤2至步骤4，直至排水中硝氮到亚硝转化率稳定不变时，开始如下步骤;6）启动第一进水泵，将含有慢速可生物降解有机物的废水泵入发酵型内碳源短程反硝化反应器内，进水体积控制在内碳源短程反硝化反应器有效体积的40%之内，并开启搅
拌电机进行发酵反应；7）发酵过程中ph出现上升拐点时，开启第二进水泵，将含硝酸盐废水泵入发酵型内碳源短程反硝化反应器，并控制反应器内溶解性快速可生物降解有机物与硝态氮的质量比为2以下，以强化胞内碳源（例如聚羟基脂肪酸酯phas）的储存以及内碳源短程反硝化，当反应器内硝态氮浓度低于5mg/l时关闭搅拌电机；8）静置实现泥水分离，当满足排水要求时，开启电磁排水阀排水；9）重复步骤6至步骤8，直至发酵反应过程中溶解性快速可生物降解有机物的量没有明显上升而胞内碳源（例如聚羟基脂肪酸酯phas）呈现显著增长；与此同时排水中硝氮到亚硝转化率稳定高于60%，即表明发酵型内碳源短程反硝化启动成功。
11.本发明的一种实现发酵型内碳源短程反硝化的装置与方法，具有以下优点：1）与发酵型外碳源短程反硝化相比，在慢速可生物降解有机物充分转化储存的前提下高效地驱动了短程反硝化，创造性解决了因外源有机物存在导致厌氧氨氧化菌遭受抑制、亚硝产出速率无法匹配厌氧氨氧化菌消耗速率以及助长异养菌增长的难题。
12.2）与引入发酵液驱动短程反硝化的方法相比，解决了发酵液中慢速可生物降解有机物无法驱动短程反硝化而造成大量有机碳源浪费的不足，此外也避免了因慢速可生物降解有机物存在导致厌氧氨氧化菌遭受抑制的风险。
13.3）与基于快速可生物降解有机物驱动的内碳源短程反硝化相比，本发明进一步解决了其只能利用快速可生物降解有机物为碳源，而无法利用慢速可生物降解有机物的不足。
14.4）本发明可在能源节约、碳源充分利用的基础上，为厌氧氨氧化提供稳定的亚硝来源，并有望实现与厌氧氨氧化反应的高效耦合脱氮。
附图说明
15.图1为本发明一种实现发酵型内碳源短程反硝化的装置的结构示意图。
16.图中1为含慢速可生物降解有机物水箱、2为含硝酸盐废水箱、3为发酵型内碳源短程反硝化反应器、4为出水箱、5为在线监测与控制系统；1.1为第一溢流阀、1.2为第一放空阀；2.1为第二溢流阀、2.2为第二放空阀；3.1为第一进水泵、3.2为第二进水泵、3.3为排泥阀、3.4为第一取样口、3.5为搅拌桨、3.6为ph传感器、3.7为硝态氮传感器、3.8为第二取样口、3.9为ph及硝态氮测定仪、3.10为搅拌电机；4.1为第三溢流阀、4.2为第三放空阀；5.1为计算机、5.2为可编程过程控制器、5.3为信号转换器ad转换接口、5.4为信号转换器da转换接口、5.5为ph及硝态氮测定仪数据信号接口、5.6为搅拌电机继电器接口、5.7为电磁排水阀继电器接口、5.8为第一进水泵继电器接口、5.9为第二进水泵继电器接口。
具体实施方式
17.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：如图1所示，一种实现发酵型内碳源短程反硝化的装置，包括含慢速可生物降解有机物水箱1、含硝酸盐废水箱2、发酵型内碳源短程反硝化反应器3、出水箱4、以及在线监测与控制系统5。其中所述含慢速可生物降解有机物水箱1通过第一进水泵3.1与发酵型内碳源短程反硝化反应器3相连接；含硝酸盐废水箱2通过第二进水泵3.2与发酵型内碳源短程反硝化反应器3相连接；出水箱4通过电磁
排水阀3.11与发酵型内碳源短程反硝化反应器3相连接；所述含慢速可生物降解有机物水箱1内置有第一溢流阀1.1、第一放空阀1.2；所述含硝酸盐废水箱2内置有第二溢流阀2.1、第二放空阀2.2；所述发酵型内碳源短程反硝化反应器3内置有排泥阀3.3、第一取样口3.4、搅拌桨3.5、ph传感器3.6、硝态氮传感器3.7、第二取样口3.8、ph及硝态氮测定仪3.9、搅拌电机3.10；所述出水箱4内置有第三溢流阀4.1、第三放空阀4.2；所述在线监测与控制系统5包括计算机5.1和可编程过程控制器5.2；可编程过程控制器5.2内置信号转换器ad转换接口5.3、信号转换器da转换接口5.4、ph及硝态氮测定仪数据信号接口5.5、搅拌电机继电器接口5.6、电磁排水阀继电器接口5.7、第一进水泵继电器接口5.8、第二进水泵继电器接口5.9；其中，可编程过程控制器5.2上的信号转换器ad转换接口5.3通过电缆线与计算机5.1相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机5.1；计算机5.1通过信号转换器da转换接口5.4与可编程过程控制器5.2相连接，将计算机5.1的数字指令传递给可编程过程控制器5.2；ph及硝态氮测定仪数据信号接口5.5通过传感器导线与ph及硝态氮测定仪3.9相连接；搅拌电机继电器接口5.6与搅拌电机3.10相连接；电磁排水阀继电器接口5.7与电磁排水阀3.11相连接；第一进水泵继电器接口5.8与第一进水泵3.1相连接；第二进水泵继电器接口5.9与第二进水泵3.2相连接。
18.实验过程中，具体用水水质如下：1）慢速可生物降解有机物选用颗粒淀粉和自来水模拟，慢速可生物降解有机物浓度为10000 mg 颗粒淀粉/l；2）硝氮废水采用硝酸钠，自来水和0.3 ml/l营养液配置，其中硝态氮浓度根据需要调节为40 mg氮/l或者为300 mg氮/l，营养液组分如表1。
19.表1 硝态氮模拟废水营养液配置组分试验系统如图1所示，反应器采用有机玻璃制作，发酵型内碳源短程反硝化反应器3有效容积为10l。具体运行步骤如下：1）将具有发酵以及反硝化功能的污泥投加至发酵型内碳源短程反硝化反应器3）内，使反应器内污泥浓度达到5000 mg/l；2）启动第一进水泵3.1，将含有慢速可生物降解有机物的废水泵入发酵型内碳源短程反硝化反应器3内，进水体积为1l，并开启搅拌电机3.10进行发酵反应；3）发酵过程中ph会持续下降并伴随溶解性快速可生物降解有机物的产出，当ph出现上升拐点时开启第二进水泵3.2，此时溶解性快速可生物降解有机物浓度为200 mg/l，将5l浓度为40 mg氮/l的硝酸盐废水泵入发酵型内碳源短程反硝化反应器3内，使得反应器内
溶解性快速可生物降解有机物与硝态氮的质量比大于等于5，实现外源短程反硝化的驱动，当反应器内硝态氮浓度低于5mg/l时关闭搅拌电机3.10；4）静置40分钟实现泥水分离后，开启电磁排水阀3.11排水6l；5）重复步骤2至步骤4，连续运行63个周期后，发酵末溶解性快速可生物降解有机物浓度由200 mg/l逐步提高并稳定在500～600 mg/l，硝氮到亚硝转化率也稳定在65%～75%，第64个周期开始以下步骤运行；6）启动第一进水泵3.1，将含有慢速可生物降解有机物的废水泵入发酵型内碳源短程反硝化反应器3内，进水体积为1l，并开启搅拌电机3.10进行发酵反应；7）发酵过程中ph出现上升拐点时，开启第二进水泵3.2，将含硝酸盐废水泵入发酵型内碳源短程反硝化反应器3，并调节硝氮浓度为300 mg/l使得反应器内溶解性快速可生物降解有机物与硝态氮的质量比小于2，以强化胞内碳源（例如聚羟基脂肪酸酯phas）的储存以及内碳源短程反硝化，当反应器内硝态氮浓度低于5mg/l时关闭搅拌电机3.10；8）静置40分钟实现泥水分离后，开启电磁排水阀3.11排水6l；9）重复步骤6至步骤8，连续运行105个周期后发现，发酵末溶解性快速可生物降解有机物浓度由500～600 mg/l逐步下降为100 mg/l以下，而胞内碳源phas增加量为300mg cod/l以上；与此同时排水中硝氮到亚硝转化率稳定在70%以上，表明发酵型内碳源短程反硝化启动成功。
20.试验结果表明：经过169个周期的连续运行，在慢速可生物降解有机物浓度为10000 mg 颗粒淀粉/l（进水1l），硝态氮浓度为300 mg氮/l（进水5l）的条件下，发酵末胞内phas增加量为300mg cod/l以上，发酵末溶解性快速可降解有机物浓度稳定在100 mg/l以下，硝氮到亚硝转化率稳定在70%以上，表明发酵型内碳源短程反硝化启动成功。与专利cn201910899114.7相比，本发明在慢速可生物降解有机物充分利用的基础上，进一步消除了发酵末产出的外碳源有机物对于厌氧氨氧化菌生长的潜在负面影响。