低碳氮比農(nóng)村生活污水處理工藝

1、低碳氮比農(nóng)村生活污水處理工藝北極星節(jié)能環(huán)保網(wǎng):近年來，隨著我國農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展與農(nóng)村生活水平的提高，越來越多的農(nóng)村生活污水進入水體，對水體環(huán)境產(chǎn)生嚴重污染。農(nóng)村生活污水的隨意排放是我國農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境污染的主要原因。如太湖水體富營養(yǎng)化的主要污染物中，25.1%的氮、60%的磷源于農(nóng)村生活污水。目前，國家已將農(nóng)村環(huán)境連片整治列入環(huán)境保護“十二五”規(guī)劃的重點治理項目，其中農(nóng)村生活污水的治理列為重點。脫氮是污水處理的重要功能之一，而目前傳統(tǒng)的生物脫氮方式主要是通過硝化過程將NH4+氧化成N03-,再通過反硝化過程將N03-還原為N2排入大氣。在反硝化過程中需要消耗大量的有機碳源,而目前的農(nóng)村生活污水C/N

2、較低,致使反硝化過程所需碳源不足,造成脫氮效率下降。因此研究和應(yīng)用節(jié)能高效的廢水脫氮工藝技術(shù),已成為當(dāng)今水污染控制領(lǐng)域的研究熱點。厭氧氨氧化(ANAMMOX)工藝，是由荷蘭Delft理工大學(xué)根據(jù)厭氧氨氧化原理研究開發(fā)的一種新型污水生物脫氮工藝。在此基礎(chǔ)上發(fā)展出了多種生物脫氮工藝，如:CANON、OLAND等。但實際氨氮廢水的產(chǎn)生中往往會有一定濃度的COD，限制了該技術(shù)在工程上的實際應(yīng)用。最近研究表明，ANAMMOX菌可成功的氧化丙酸，同時葡萄糖、甲酸、丙氨酸并不影響ANAMMOX過程，而且ANAMMOX菌能夠與異養(yǎng)反硝化菌競爭利用有機物，例如丙酸。因此對ANAMMOX與硝化/反硝化的相互關(guān)系的

3、研究相當(dāng)活躍，出現(xiàn)了同時亞硝化、ANAMMOX和反硝化工藝(SNAD)。本文以模擬廢水為原水，首先在厭氧水解酸化單元除去部分COD并同時將大分子碳源水解成小分子脂肪酸;然后進行SNAD處理單元，通過對其運行條件的控制，進行氮和COD的同時去除。本研究首先馴化培養(yǎng)亞硝化與反硝化菌種，然后進行SNAD生物膜的馴化培養(yǎng)；然后通過水解酸化+考察氮和COD的去除能力，實現(xiàn)自養(yǎng)、異養(yǎng)脫氮工藝的高效、低耗及長期穩(wěn)定運行。該組合工藝與傳統(tǒng)生物脫氮工藝相比大大降低了運行成本，為農(nóng)村生活污水的高效除碳脫氮的實現(xiàn)提供新工藝和新方法。以下為北極星節(jié)能環(huán)保網(wǎng)為您整理！1、材料與方法1.1、實驗原水原水采用人工模擬污水，

4、其營養(yǎng)鹽組成為:KHCO31.25，KH2PO40.025，CaCl2&dot；2H2O0.35，MgSO4&dot；7H2O0.2，F(xiàn)eSO40.00625，EDTA0.00625，KCl0.014，NaCl0.01g/L。進行亞硝化菌培養(yǎng)與SNAD填料掛膜時通過投加NH4Cl、乙酸與丙酸以提供NH4+-N(100150mg/L)與COD(1OOmg/L)。進行水解酸化-SNAD組合工藝連續(xù)實驗時，為體現(xiàn)農(nóng)村生活污水低C/N比的水質(zhì)特點,通過投加NH4CI與淀粉，模擬農(nóng)村生活污水COD配制為100150mg/L左右，NH+4-N濃度為50mg/L左右。1.2、實驗裝置圖1反應(yīng)器系統(tǒng)流程示心綠

5、創(chuàng)環(huán)境本裝置是一種新型水解酸化-SNAD兩段式反應(yīng)器，其中SNAD單元采用拔風(fēng)濺水生物濾池。生物濾池的填料采用造價低、質(zhì)量輕、孔隙度大的無紡布填料（填料外形尺寸為40X20mm，無紡布在填料內(nèi)壁厚度為2mm，見圖1），填料共140個,濾池內(nèi)基質(zhì)以及氣液固三相混合均勻，溶解氧的控制簡便。無紡布有較大的孔隙度，表面粗糙，有利于微生物的附著、生長與繁殖，特別適合于生長緩慢的微生物的培養(yǎng)及其工藝的運行。生物濾池填料表面生物膜由內(nèi)向外依次為ANAMMOX菌、反硝化菌和亞硝化菌。濾池下部設(shè)置通風(fēng)口，污水從上部濺水盤滴下，與空氣流逆流接觸，同時發(fā)生亞硝化、反硝化和ANAMMOX反應(yīng)，同時除碳脫氮。如圖1所示

6、，水解酸化池有效容積為5L,為上流式水解反應(yīng)器，HRT為3.6h，實驗期間溫度保持室溫。生物濾池呈圓柱形，填料填充部分有效容積為6L（填料填充比為58%左右），拔風(fēng)管高度為1m,拔風(fēng)管口設(shè)有通氣閥門，調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部溶解氧，布水裝置為3條半管式溢流布水器，間距為2cm。濺水區(qū)由2塊交錯的開縫PVC板（上層盤縫隙寬度為5mm,板縫比為8:1;下層盤縫隙寬度為5mm,板縫比為4:1）組成，2塊板相距20cm。從反應(yīng)第20d起，生物濾池出水通過回流泵返回進水口（回流比為300%）。生物濾池外纏繞一層保溫水管，通過調(diào)整恒溫水浴使反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在341C左右（從反應(yīng)第21d開始）。用于培養(yǎng)亞硝化污泥的反應(yīng)

7、器呈圓柱形，設(shè)置攪拌器，有效體積為12L,溫度控制在30C左右，pH范圍控制在7.58.0,HRT為24h。出水進入沉淀池（有效體積為2L）,污泥通過蠕動泵回流至反應(yīng)器。用于ANAMMOX污泥培養(yǎng)與SNAD填料掛膜的反應(yīng)器為圓柱形的密閉的反應(yīng)容器，有效體積為15L,通過設(shè)置加熱管將溫度保持在30C左右，pH范圍控制在7.58.0,HRT為24h。出水進入沉淀池(有效體積為2L),污泥通過蠕動泵回流至反應(yīng)器。1.3、接種污泥接種好氧活性污泥取自大連凌水河污水處理廠,用于培養(yǎng)亞硝化污泥,接種污泥懸浮顆粒濃度為3000mg/L;填料上接種的反硝化菌與ANAMMOX菌種取自本實驗室，其中厭氧氨氧化活性

8、為30mmol/(g-d)。水解酸化污泥取自大連夏家河子污水處理廠，接種污泥懸浮顆粒濃度為3500mg/L。1.4、分析方法NH4+-N、NO2-N、NO3-N等均采用國家標(biāo)準方法分析，揮發(fā)性有機酸(VFA)采用氣相色譜法，COD采用重鉻酸鉀法，總氮采用TOC(TOC2VCPH,Shimadzu)分析儀測定。水中溶解氧濃度(DO)和pH分別采用溶解氧分析儀(YSI，Model55,USA)和pH計(SartoriusAG)測定。1.5、實驗步驟實驗主要分為兩個階段:第一階段:亞硝化污泥培養(yǎng)與SNAD填料掛膜首先，將凌水污水廠活性污泥投入亞硝化污泥培養(yǎng)反應(yīng)器，連續(xù)曝氣24h后，排出懸浮污泥。連續(xù)

9、進入NH4+-N廢水，通過控制溶解氧濃度實現(xiàn)亞硝化污泥的馴化培養(yǎng)。亞硝化污泥馴化階段為45d。同時在培養(yǎng)ANAMMOX污泥的反應(yīng)器中投入填料與ANAMMOX污泥，繼續(xù)連續(xù)模擬氨氮廢水掛膜5d。將馴化的亞硝化污泥投入?yún)捬醢毖趸囵B(yǎng)反應(yīng)器中，控制好溫度、pH與溶解氧，掛膜24d。為避免原水COD對自養(yǎng)脫氮菌的干擾，最后將反硝化菌投入其中，進水中加入NH4+-N與有機碳源，掛膜12d。第二階段:水解酸化-SNAD反應(yīng)器處理模擬農(nóng)村生活廢水將已經(jīng)掛膜的SNAD填料投入SNAD生物濾池，同時啟動厭氧水解酸化與SNAD單元，形成組合工藝，并用模擬農(nóng)村生活污水進行貫通實驗驗證，實驗期間為40d。2、結(jié)果與討

10、論2.1、亞硝化污泥馴化培養(yǎng)在亞硝化污泥培養(yǎng)反應(yīng)器中馴化45d,分為亞硝化污泥的馴化(024d)以及亞硝化污泥的富集培養(yǎng)(2445d)兩個階段。在亞硝化污泥馴化階段，反應(yīng)器進水NH4+-N濃度控制在97.3mg/L左右。014d，出水NH4+-N濃度均大于進水NH4+-N濃度，先從初始的87.2mg/L增至154.7mg/L,然后逐漸降低。這主要是由于反應(yīng)器進水中沒有投加有機碳源，在限氧、缺乏營養(yǎng)物質(zhì)的條件下污泥中的好氧異養(yǎng)菌死亡后被厭氧分解，產(chǎn)生NH4+-N,從而使出水中NH4+-N濃度大于進水NH4+-N濃度。隨著馴化過程的進行，出水NH4+-N濃度逐漸降低，第24d降至40.1mg/L。

11、在亞硝化污泥富集培養(yǎng)階段，NH4+-N濃度提高至157.3mg/L,此時出水NH4+-N濃度從92.3mg/L降至72.5mg/L，NH4+-N的去除率提高至50.5%，此時污泥顏色為黃褐色，表明了反應(yīng)器污泥當(dāng)中亞硝化污泥占據(jù)主導(dǎo)地位，經(jīng)過半個多月時間的運行，反應(yīng)器亞硝化污泥活性再次達到穩(wěn)定狀態(tài)。-AMI，-*-：+木,-N亠山:-冷+J：-KNQ-NS15203(1354fiJ?5Q圖2叩圍億蘭培養(yǎng)階段理出水中熬化亍撈_濃度駆希時間的變化曲些綠創(chuàng)臥垣2.2、SNAD生物膜的馴化培養(yǎng)在已經(jīng)完成掛膜的ANAMMOX反應(yīng)器內(nèi)投入已馴養(yǎng)好的亞硝化污泥，通過控制溶解氧(0.81.2mg/L)，實現(xiàn)在一

12、個反應(yīng)器中同時進行半硝化和厭氧氨氧化反應(yīng)(CANON反應(yīng))。CANON反應(yīng)運行結(jié)果如圖3所示。在CANON工藝啟動與運行階段，反應(yīng)器進水NH4+-N濃度控制在150mg/L左右。-逍.Nlij-N出NH4-Nr岀蕊nd廣nf-山水wd；nQi*I丄MH丄十一f一0246BJfl121416lit20222426時伯id13口氐駅生撫膜培養(yǎng)階段進出水中義十_化合物濃度嗣桔時間的變比曲踐；睜創(chuàng)環(huán)境012d，反應(yīng)器出水NH4+-N濃度逐漸從48.4mg/L升至76.5mg/L。出水NO3-N濃度卻有所降低，這主要是因為通過調(diào)控及優(yōu)化溶解氧，水力停留時間等條件后，亞硝化菌在生物膜耗氧區(qū)將部分NH4+-

13、N氧化成NO2-N,使生物膜內(nèi)層進行變?yōu)閰捬醐h(huán)境有利于厭氧氨氧化反應(yīng)的進行，使有一部分硝化菌由于環(huán)境條件，種間斗爭被分解。并且在此期間內(nèi)，亞硝化細菌與ANAMMOX菌協(xié)同共生需要一段適應(yīng)期，因此氮的轉(zhuǎn)化形式并不吻合CANON反應(yīng);隨著實驗的進行，亞硝化在生物膜好氧區(qū)開始逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，亞硝化細菌消耗生物膜內(nèi)部的溶解氧將部分NH4+-N氧化NO2-N，為下一步ANAMMOX反應(yīng)提供厭氧條件，此時ANAMMOX菌趨向于生物膜內(nèi)側(cè)生長并在在厭氧環(huán)境下將剩余的NH4+-N和亞硝化產(chǎn)生的亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化成氮氣。1224d，出水NH4+-N濃度基本保持穩(wěn)定趨勢降低，從76.5mg/L降低至30.3mg/L,

14、NH4+-N去除率從47.5%增至73.3%，TN的去除率達到了70%左右，兩種菌群對底物的去除達到平衡，從而使得NH4+-N與NO2-N、NO3-N都能得到有效去除，實現(xiàn)CANON自養(yǎng)脫氮。向已經(jīng)完成掛膜的CANON的反應(yīng)器內(nèi)投入已馴養(yǎng)好的反硝化污泥，原水中加入COD,進行SNAD生物膜的掛膜過程。如圖4所示，12d以內(nèi)，出水COD濃度由87.1mg/L降至47.2mg/L，出水NH4+-N濃度由50.7mg/L降低到36.9mg/L,NO2-N濃度與NO3-N濃度在12d時都已降至3mg/L，表明反硝化污泥效果良好。12d內(nèi)COD與TN去除率分別為53.4%與71.6%,反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥濃

15、度低于100mg/L，表明SNAD填料基本完成掛膜過程。IIII憎t?ikNO.-NY倉加TOO水圏4沐AD生物，徑培養(yǎng)階段進出水中熬牝合物濃度隨看時間的變化曲議猱刖環(huán)境t鼻一L中I*,I2JS6時間皿2.3、水解酸化-SNAD工藝啟動與運行2.3.1、水解酸化單元運行效果控制厭氧水解酸化HRT為3.6h，整個工藝運行階段，反應(yīng)器進出水COD濃度、COD去除率變化如圖5所示。進水COD為156.2mg/L,此時C/N比為3：1。經(jīng)過水解酸化后，出水COD濃度從140mg/L降至61mg/L，去除率逐漸提高至56.74%。在開始的4d內(nèi)，COD去除率較低。T水CODfor?去沐血05iO1?20

16、23JO354Q45100旳帥70陽50403普總8圖弓水解菠牝元進出水屮：劇糧虛歹_CUD去除率龍首時関的變化曲飯殊創(chuàng)環(huán)垣510d內(nèi)出水COD濃度不斷降低，從137mg/L降至80mg/L，接種水解酸化菌逐漸適應(yīng)新的環(huán)境。1018d，出水COD濃度保持在70mg/L左右，表明水解酸化單元去除COD已經(jīng)達到穩(wěn)定階段。此時出水的C/N比約為1.4：1。Chen等人在SNAD實驗研究中認為最優(yōu)的C/N比為1:2，因此進一步降低進水COD濃度至100mg/L,原水C/N比保持為2：1。經(jīng)過20多天的連續(xù)反應(yīng)，出水COD降至30mg/L左右,COD去除率升至69.0%,相較進水150mg/L時去除率有

17、明顯提高。此時出水C/N比約為3:5。VFAs的組成的對于厭氧水解酸化反應(yīng)的效果直接相關(guān)，尤其在隨后的脫氮碳源選擇和對ANAMMOX菌的生長代謝上有較大的影響。在本實驗中，VFAs產(chǎn)物主要是乙酸，丙酸，異丁酸，正丁酸（圖6）。ID（W4J、6分別裘示第113、20、弘、鄒、40d的樣品）圖5出水中脳濃度分布滋一昜辺環(huán)境從圖6可以看出，乙酸是厭氧水解酸化反應(yīng)的主要產(chǎn)物，占據(jù)了總產(chǎn)物含量的70%以上。當(dāng)投加碳源COD為150mg/L左右時，前3個樣品的VFAs/COD分別為0.35、0.34和0.38,4種酸所占比例則大致相似，在VFAs含量中所占比例平均為75%，7.5%、9%及8.5%。當(dāng)投加

18、碳源COD為100mg/L左右時，COD去除率提高到69%,VFAs/COD分別為0.71、0.72和0.75，VFAs/COD提高一倍左右，同時乙酸平均含量提高到88.4%,而異丁酸的濃度則變?yōu)?。這主要是因為pH值是影響水解酸化的重要因素之一，尤其對乙酸更為明顯，由于正常情況下產(chǎn)乙酸只消耗一個三磷酸腺苷，在低pH條件下，一個三磷酸腺苷已經(jīng)不滿足產(chǎn)乙酸的能量，投加碳源COD為100mg/L時水解酸化反應(yīng)器內(nèi)pH值的提高（提高大約0.3左右）加快了乙酸的產(chǎn)生。此外，異丁酸的消失可能是由于進水COD的降低導(dǎo)致低碳氮比從而影響對異丁酸菌活性的抑制。水解酸化單元進出水NH4+-N濃度基本保持在50m

19、g/L左右。2.3.2、SNAD單元運行效果水解酸化出水進入拔風(fēng)濺水生物濾池，整個工藝運行階段，反應(yīng)器進出水氮化合物及COD濃度及去除率變化如圖7所示。018d時，反應(yīng)器NH4+-N濃度由34.9mg/L降低到23.5mg/L,NO2-N與NO3-N平均濃度分別為5mg/L與16mg/L;COD的去除率在50%左右。Lit.水:MHn-N-HI/kNHj-NHikNO?-NLBAXO.-N山水CODf-C：Qg隱車252151553u5)0152fl2S丸笳40時間W朗ZD生物濾池進出水中氮優(yōu)合物嶼COD劇變峙去徐率陡召時間的變心i處邨;闔此期間內(nèi)總氮去除率不足10%，主要因為拔風(fēng)管通風(fēng)流速過

20、慢且反應(yīng)器內(nèi)外溫差過小使通風(fēng)效果不佳導(dǎo)致溶解氧濃度較低，造成NH+4-N去除率只有47.1%左右;而反應(yīng)開始至第18d,反應(yīng)器處于室溫條件下(12C),此溫度下不利于亞硝化菌的生長代謝，因此產(chǎn)物大多為NO3-N,該溫度也極大地抑制了ANAMMOX反應(yīng)并影響了反硝化速率;此階段水解酸化出水的VFAs/COD較低，同時出水未回流，導(dǎo)致反硝化脫氮效率較低;此外生物濾池進水C/N比約為1.2:1,也影響了SNAD反應(yīng)的效果。因此，從第19d起，通過加熱手段將反應(yīng)器內(nèi)溫度控制在341C左右，同時調(diào)節(jié)通風(fēng)孔流速，提高反應(yīng)器內(nèi)部溶解氧，濾池出水回流至進水端，提高濺水溶氧的效果并強化反硝化反應(yīng)。出水NH4+-N、NO3-N及COD濃度逐漸降低，第40d時分別為3、4與7mg/L，出水NO2-N濃度為1mg/L;COD與總氮去除率分別達到76.7%與84.1%。此外第32d進水C/N比降至1:1，至第40d降至3：5。由圖7可以看出，反應(yīng)器C/N小于1時，NO3-N與NO2-N濃度分別從27.8、8mg/L降至9、1mg/L,TN去除率增至84.1%，COD去除率提高到76.7%，反應(yīng)器運行良好，COD去除率在C/N為3