申请日2010.01.08
公开(公告)日2010.07.07
IPC分类号C02F3/28; C02F101/16; C02F3/12
摘要
本发明提供一种基于甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化耦合过程的污水处理工艺，其特征在于：(1)在气提式厌氧反应器中，接种具有反硝化除磷功能的颗粒污泥，使反应器中的污泥浓度为5～10g/L;(2)将待处理的污水泵入气提式厌氧反应器中，所述待处理的污水中至少含有HCO3-、CO2、NH4+、SO42-、NO3-、PO43-;(3)利用内循环气体泵对泵入污水进行气提搅拌，在温度为32±1℃的无氧条件下厌氧反应3～5小时后沉淀;(4)沉淀后上清液排出系统;(5)当污泥体积大于反应器体积的30%时，排出10～40%体积份的污泥。本发明实现甲烷化、反硝化与厌氧氨氧化耦合，在气提式厌氧反应器中同时实现COD、氨氮、总氮的去除。
翻译权利要求书
1.一种基于甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化耦合过程的污水处理工艺，其特征在于：
(1)在气提式厌氧反应器中，接种具有反硝化除磷功能的颗粒污泥，使反应器中的污泥浓度为5～10g/L;
(2)将待处理的污水泵入气提式厌氧反应器中，所述待处理的污水中至少含有HCO3-、CO2、NH4+、SO42-、NO3-、PO43-;
(3)利用内循环气体泵对泵入污水进行气提搅拌，在温度为32±1℃的无氧条件下厌氧反应3～5小时后沉淀;
(4)沉淀后上清液排出系统;
(5)当污泥体积大于反应器体积的30%时，排出10～40%体积份的污泥。
2.根据权利要求1所述的基于甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化耦合过程的污水处理工艺，其特征在于：步骤(1)中所述具有反硝化除磷功能的颗粒污泥的培养过程为：
以城镇污水处理厂的二沉池排放的污泥作为接种污泥，经过如下两个阶段的培养：
(A)采取厌氧/好氧方式运行，目的是富集聚磷菌，淘汰其它菌属：在SBR反应器中，加入接种污泥和按照COD∶氨氮∶总磷=120～150∶3～10∶1～3的比例配制的人工合成污水，厌氧搅拌1～4h，然后曝气2～4h，曝气结束后静置沉淀0.5～2h，然后排水、进水，在室温28℃±2℃条件下每天运行2～4个周期;
(B)采用厌氧/缺氧方式运行，目的是富集利用硝态氮为电子受体的反硝化聚磷菌：在SBR反应器内厌氧搅拌1～4h，然后加入按照COD∶氨氮∶硝酸盐∶总磷=120～150∶3～10∶15～40∶1～3的比例配制的污水，缺氧搅拌2～4h，缺氧结束后静置沉淀0.5～2h，然后排水、进水，每天运行2～4个周期，每周期结束时检测除磷效果，直至除磷效率达到80%以上;
整个培养过程中控制污泥龄为25d，污泥浓度MLSS在2～5g/L，培养时间为15～30天。
3.根据权利要求1或2所述的基于甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化耦合过程的污水处理工艺，其特征在于：步骤(2)中的待处理的污水在泵入前进行曝氩气处理。
4.根据权利要求1或2所述的基于甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化耦合过程的污水处理工艺，其特征在于：步骤(2)中待处理的污水中加入有微量元素，所述微量元素为铁、铜、锰、钼、锌和/或钴盐。
说明书
一种基于甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化耦合过程的污水处理工艺
技术领域
本发明属于环境保护、污水处理领域。具体涉及到一种基于甲烷化、厌氧氨氧化和反硝化耦合过程的污水生物处理工艺。
背景技术
厌氧氨氧化工艺(ANaerobic AMMonium OXidation，简称ANAMMOX)是荷兰Delft工业大学最早发现并命名的一种新型生物脱氮工艺，该工艺指在厌氧条件下，以亚硝酸盐为电子受体，将氨氮直接氧化成氮气从水中去除的过程，其生化反应方程式为：
NH4++1.32NO2-+H+→1.02N2+0.26NO3-+2H2O
在厌氧氨氧化过程中不但不需要有机物作为电子供体，反而有机物会对厌氧氨氧化作用产生抑制作用。然而厌氧氨氧化过程中会有10%的硝酸盐生成，这部分硝酸盐不能通过厌氧氨氧化途径被去除，因此限制了该技术的脱氮效果。
在传统生物脱氮除磷系统中，存在反硝化菌与聚磷菌对碳源的竞争，系统不能同时满足硝化菌、反硝化菌和聚磷菌的需求，硝化菌和聚磷菌所需的污泥龄不同等矛盾，因此，传统的生物脱氮除磷系统往往不能同时取得较好的脱氮、除磷效果。
反硝化除磷技术是指聚磷菌(Poly-P Accumulating Organisms，PAO)能在在没有O2的条件下利用NO3-作为吸磷的电子受体，PAO体内的聚羟基脂肪酸(Polyhydroxyalkanoates，PHA)并非像传统的好氧吸磷时被O2氧化去除，而是作为NO3-反硝化的碳源，富磷污泥以剩余污泥的形式被排除出系统。但是，反硝化除磷仍然存在一些不足：(1)NH4+-N只有全部被氧化为NO3--N，才能通过反硝化除磷途径被去除，根据反硝化聚磷理论设计的A2NSBR工艺脱氮效果就因此受到限制，而NH4+-N氧化则需要大量氧气;(2)典型城市污水TN/TP为6-12左右，而反硝化除磷缺氧段磷酸盐吸收量与硝酸盐消耗量的有一定的比例关系，因此，即便是NH4+-N全部被氧化，反硝化除磷技术在去除磷的同时也只能脱去一部分氮，其余的氮不能通过反硝化除磷途径被去除。因此，有必要寻求这一问题的解决途径。
甲烷化可与反硝化耦合且经驯化可适应NO3--N的毒性并能达到较佳的脱氮降解有机物的效果，有机物通过产甲烷而得以消耗，避免异养菌的过度生长影响厌氧氨氧化菌的作用的生长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在有机碳源条件下实现厌氧氨氧化、反硝化与甲烷化耦合的污水处理工艺，为污水中污染物的去除提供了一种新途径。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化耦合过程的污水处理工艺，其特征在于：
(1)在气提式厌氧反应器中，接种具有反硝化除磷功能的颗粒污泥，使反应器中的污泥浓度为5～10g/L;所述具有反硝化除磷功能的颗粒污泥具有如下特征：将硝酸还原呈阳性，菌体内又含聚磷颗粒，在缺氧状态下能以硝酸盐为电子受体同时反硝化吸磷脱氮的菌种，如假单胞菌属(Pseudomonas spp)，沙雷氏菌属(Serratia spp)和弧菌(Vibriospp);本发明使用的接种污泥能在缺氧的条件下利用NO3-作为吸磷的电子受体，此时，PAO体内的PHA并非像传统的好氧吸磷时被O2氧化去除，而是作为NO3-反硝化的碳源，实现了脱氮、除磷过程的耦合;
(2)将待处理的污水泵入气提式厌氧反应器中，所述待处理的污水中至少含有HCO3-、CO2、NH4+、SO42-、NO3-、PO43-，以提供甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化反应所需的基质条件;
(3)利用内循环气体泵对泵入污水进行气提搅拌，反应器按进水-反应-沉淀-排水-排泥(按需要)顺序进行，在温度为32±1℃的无氧条件下反应3～5小时，实现有机物以及氮、磷的去除，反应结束后沉淀，实现泥水的分离;
(4)沉淀后上清液排出系统;
(5)当污泥体积大于反应器体积的30%时，排除部分污泥，一般每隔一天排污泥1次，每次排除污泥不大于10～40%。
上述步骤(1)中所述具有反硝化除磷功能的颗粒污泥可以经过人工培养获得，培养过程为：
以城镇污水处理厂的二沉池排放的污泥作为接种污泥，经过如下两个阶段的培养：
(A)采取厌氧/好氧方式运行，目的是富集聚磷菌，淘汰其它菌属：在SBR反应器中，加入接种污泥和按照COD∶氨氮∶总磷=120～150∶3～10∶1～3的比例配制的人工合成污水，厌氧搅拌1～4h，然后曝气2～4h，曝气结束后静置沉淀0.5～2h，然后排水、进水，在室温28℃±2℃条件下每天运行2～4个周期;
(B)采用厌氧/缺氧方式运行，目的是富集利用硝态氮为电子受体的反硝化聚磷菌：在SBR反应器内厌氧搅拌1～4h，然后加入按照COD∶氨氮∶硝酸盐∶总磷=120～150∶3～10∶15～40∶1～3的比例配制的污水，所说的硝酸盐为KNO3，缺氧搅拌2～4h，缺氧结束后静置沉淀0.5～2h，然后排水、进水，每天运行2～4个周期，每周期结束时检测除磷效果，直至除磷效率达到80%以上;
通过对进水曝氩气30min以及用密封的方式严格控制反应器中厌氧、缺氧状态，整个培养过程中控制污泥龄为25d，污泥浓度MLSS在2～5g/L，培养时间一般为15～30天。
为了保证厌氧反应的无氧条件，步骤(2)中的待处理的污水在泵入前进行曝氩气处理，排除污水中的氧气，以维持厌氧环境。
为保证所培养的微生物生长、繁殖需要，步骤(2)中待处理的污水中加入有适当微量元素作为补充，所述微量元素为铁、铜、锰、钼、锌和/或钴盐。
本发明中，经过复杂的生化反应过程，污泥经过污泥适应与转化期、过渡期、稳定期等过程。污泥的适应与转化期：出水NH3-N不稳定，呈现较大的波动下降;与NH3-N的去除效果不同，NO2--N生成量呈波动性下降;与NO2--N对应的NO3--N去除率逐渐减少，说明硝化作用逐渐减弱;TN去除率先为负值而后去除率很低，除生物消耗外基本不去除;COD去除率逐渐增加。过渡期：出水的NO3--N与NO2--N之和大于进水的NO3--N，NH3-N的去除率呈现先降后升的趋势，COD去除率逐步提高。稳定期：NH3-N去除量与NO2--N生成量开始出现波动下降，说明反应器中已经出现厌氧氨氧化菌。反硝化作用逐渐减弱，厌氧氨氧化作用逐渐增强，实现了厌氧氨氧化与甲烷反硝化耦合，表现在NH3-N、TN、NO3--N和COD的持续稳定的去除。
本发明中，产甲烷菌能够在厌氧环境中降低有机物对厌氧氨氧化菌的影响。然而NO3--N对产甲烷菌具有抑制作用，需要反硝化菌为其解毒。
加强反硝化菌活性也加强了产甲烷菌活性，而加强产甲烷菌活性不影响反硝化菌活性;甲烷化可与反硝化耦合且经驯化可适应NO3--N的毒性并能达到较佳的脱氮降解有机物的效果。通过污泥消化产甲烷，NH4+-N部分氧化至NO2--N，然后以NH4+-N为电子供体厌氧氨氧化，即可实现了甲烷化和厌氧氨氧化。
即采用NO3--N部分反硝化至NO2--N，然后以NH4+-N为电子供体厌氧氨氧化，利用甲烷菌产甲烷降解有机物作用为厌氧氨氧化解除抑制，从而实现甲烷化、反硝化和厌氧氨氧化的耦合。
本发明的有益效果为：
1、本发明实现甲烷化、反硝化与厌氧氨氧化耦合，在气提式厌氧反应器中同时实现COD、氨氮、总氮的去除;
2、本发明方法操作步骤简单，对于NH3-N、TN、NO3--N和COD能够持续稳定去除，其NH3-N、TN、NO3--N及COD的去除率分别可达40～65%(平均45%)、58～79%(平均69%)、86～99%(平均94%)及76～87%(平均81%)。