申请日2018.11.09
公开(公告)日2019.02.01
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明公开一种基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法，通过计算单级自养脱氮颗粒污泥反应器内颗粒污泥好氧氨氧化活性与厌氧氨氧化活性的比值并记为K，判断反应器内部亚硝化反应与厌氧氨氧化反应的匹配程度，进而通过K值定向精准调控反应器的溶解氧浓度，使单级自养脱氮颗粒污泥反应器实现较好的脱氮性能。本发明原理符合氮转化规律，体现了准确性和可行性，且操作简单，可有效提升单级自养脱氮颗粒污泥反应器的脱氮性能。
权利要求书
1.一种基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法，其特征在于，通过计算单级自养脱氮颗粒污泥反应器内颗粒污泥好氧氨氧化活性与厌氧氨氧化活性的比值并记为K，判断所述反应器内部亚硝化反应与厌氧氨氧化反应的匹配程度;当K值为1.0～1.5，表明反应器内部发生的亚硝化反应与厌氧氨氧化反应匹配度较好，所述反应器具有良好的自养脱氮能力;当K值为0～1.0时，提高所述反应器的溶解氧浓度，调整K值至1.0～1.5;当K值大于1.5时，降低所述反应器的溶解氧浓度，调整K值至1.0～1.5。
2.根据权利要求1所述基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法，其特征在于，所述K值采用以下计算方法得到：
1)将单级自养脱氮颗粒污泥反应器内的颗粒污泥混合均匀后，取部分污泥平均分成三份，分别用以测定颗粒污泥的污泥浓度、颗粒污泥的好氧氨氧化活性和颗粒污泥的厌氧氨氧化活性;所述测定颗粒污泥的好氧氨氧化活性和颗粒污泥的厌氧氨氧化活性时，将所述颗粒污泥置于活性测试装置内;
其中，颗粒污泥的好氧氨氧化活性(AAOA)：
颗粒污泥的厌氧氨氧化活性(AnAOA)：
式中，△t为活性测试时间，X为活性测试装置中颗粒污泥的浓度，△NH4+-NAAOA为好氧氨氧化活性测试时间内活性测试装置氨氮浓度的变化量，△NH4+-NAnAOA为厌氧氨氧化活性测试时间内活性测试装置氨氮浓度的变化量;
2)将步骤1)得到的颗粒污泥的好氧氨氧化活性和颗粒污泥的厌氧氨氧化活性代入式(3)，即得到K值：
3.根据权利要求1所述基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法，其特征在于，所述反应器溶解氧的调节幅度为0.05～0.1mg/L。
4.根据权利要求2所述基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法，其特征在于，所述活性测试装置在活性测定时的水温和总氮浓度与所述单级自养脱氮颗粒污泥反应器运行时的水温和总氮浓度相同。
5.根据权利要求2所述基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法，其特征在于，所述用以测定污泥浓度的颗粒污泥的质量为10～20g。
6.根据权利要求2所述基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法，其特征在于，所述测定颗粒污泥的好氧氨氧化活性时，将颗粒污泥破碎至粒径小于200μm。
7.根据权利要求2所述基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法，其特征在于，所述测定颗粒污泥的厌氧氨氧化活性时，保持活性测试装置内氨氮浓度与亚硝氮浓度的比为1.32。
8.根据权利要求2所述基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法，其特征在于，所述测定颗粒污泥的好氧氨氧化活性时，控制测试装置内的溶解氧浓度为0.2～0.4mg/L;所述测定颗粒污泥的厌氧氨氧化活性时，控制测试装置内的溶解氧浓度小于0.1mg/L。
9.根据权利要求2所述基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法，其特征在于，所述测定颗粒污泥的好氧氨氧化活性时，测试装置内的溶解氧浓度通过氮气和氧气的混合比例来调节，所述测定颗粒污泥的厌氧氨氧化活性时，测试装置内的溶解氧浓度通过通入氩气和二氧化碳的混合气体来控制。
说明书
一种基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法
技术领域
本发明属于污水处理技术与环境保护技术领域，特别涉及一种基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法。
背景技术
随着经济的发展，日益加剧的人类活动破坏了自然界原有的物质循环，使得大量氮、磷污染物通过生活污水、工业废水以及农业废水等形式进入自然水体，严重危害了人类赖以生存的水环境。其中，氮素污染已成为当前急待解决的重大环保课题。
单级自养脱氮工艺是指在同一反应器内实现亚硝化反应与厌氧氨氧化反应耦合，进而实现氨氮至氮气的转化。与传统的硝化-反硝化工艺相比，单级自养脱氮工艺中的部分氨氮首先被好氧氨氧化菌氧化为亚硝氮，生成的亚硝氮与剩余的氨氮再被厌氧氨氧化菌转化为氮气。因此，单级自养脱氮工艺不需要外加有机碳源，且可减少约60%的耗氧量，符合废水处理节能降耗的要求。研究单级自养脱氮工艺有利于实现污水厂向资源、能源型工厂的转变。
单级自养脱氮工艺中，好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌是主要的功能菌。好氧氨氧化菌属于好氧菌，而厌氧氨氧化菌属于厌氧菌(当溶解氧浓度大于0.064mg/L时，其活性受抑制)。已有研究表明，受外部传质阻力等因素的影响，颗粒污泥内部形成的溶解氧浓度梯度，可同时为好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌提供适宜的生存环境，而颗粒污泥内部的溶解氧浓度与反应器溶解氧浓度相关。因此，如何精准调控反应器的溶解氧浓度以创造适于颗粒污泥内部好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌共存且具有较好自养脱氮性能的微区环境，是实现单级自养脱氮工艺高效稳定运行的关键。研究精准调控单级自养脱氮工艺适宜溶解氧浓度的方法，对提高单级自养脱氮工艺的脱氮性能有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法，解决现有技术还未实现精准调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器适宜溶解氧浓度的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：通过计算单级自养脱氮颗粒污泥反应器内颗粒污泥好氧氨氧化活性与厌氧氨氧化活性的比值并记为K，判断所述反应器内部亚硝化反应与厌氧氨氧化反应的匹配程度;当K值为1.0～1.5，表明反应器内部发生的亚硝化反应与厌氧氨氧化反应匹配度较好，所述反应器具有良好的自养脱氮能力;当K值为0～1.0时，提高所述反应器的溶解氧浓度，调整K值至1.0～1.5;当K值大于1.5时，降低所述反应器的溶解氧浓度，调整K值至1.0～1.5。
亚硝化反应：单级自养脱氮颗粒污泥的好氧氨氧化活性为颗粒污泥内部好氧氨氧化菌通过部分亚硝化反应转化氨氮的速率，厌氧氨氧化活性为颗粒污泥内部厌氧氨氧化菌通过厌氧氨氧化反应转化氨氮的速率。由亚硝化反应与厌氧氨氧化反应的化学反应计量学方程可知，当同一时间内颗粒污泥好氧氨氧化活性与厌氧氨氧化活性的比值K为1.32时，可实现完全自养脱氮。进一步发现，当颗粒污泥好氧氨氧化活性与厌氧氨氧化活性的比值K介于1.0～1.5时，颗粒污泥内部发生的亚硝化反应与厌氧氨氧化反应匹配较好，具有较好的自养脱氮能力。颗粒污泥作为单级自养脱氮颗粒污泥反应器的主要脱氮贡献者，其脱氮性能的好坏决定了反应器整体的脱氮性能。单级自养脱氮工艺中，颗粒污泥的好氧氨氧化活性和厌氧氨氧化活性受污泥内部溶解氧浓度的影响，而反应器的溶解氧浓度决定了颗粒污泥内部的溶解氧浓度，进而影响反应器内部亚硝化反应与厌氧氨氧化反应的匹配程度。为提升单级自养脱氮颗粒污泥反应器的脱氮效能，需精准调控反应器的溶解氧浓度，创造出适于颗粒污泥内部好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌共存且实现较好自养脱氮的微区环境。
进一步，所述K值采用以下计算方法得到：
1)将单级自养脱氮颗粒污泥反应器内的颗粒污泥混合均匀后，取部分污泥平均分成三份，分别用以测定颗粒污泥的污泥浓度、颗粒污泥的好氧氨氧化活性和颗粒污泥的厌氧氨氧化活性;所述测定颗粒污泥的好氧氨氧化活性和颗粒污泥的厌氧氨氧化活性时，将颗粒污泥置于活性测试装置内;优选的，所述用以测定污泥浓度和活性的颗粒污泥质量为10～20g。
其中，颗粒污泥的好氧氨氧化活性(AAOA)：
颗粒污泥的厌氧氨氧化活性(AnAOA)：
式中，△t为活性测试时间，X为活性测试装置中颗粒污泥的浓度，△NH4+-NAAOA为好氧氨氧化活性测试时间内活性测试装置氨氮浓度的变化量，△NH4+-NAnAOA为厌氧氨氧化活性测试时间内活性测试装置氨氮浓度的变化量;
2)将步骤1)得到的颗粒污泥的好氧氨氧化活性和颗粒污泥的厌氧氨氧化活性代入式(3)，即得到K值：
其中，测定颗粒污泥好氧氨氧化活性和厌氧氨氧化活性时，所取污泥为反应器混合均匀后的颗粒污泥。这是因为单级自养脱氮颗粒污泥反应器内不同粒径污泥的自养脱氮性能不同。小粒径污泥内部好氧微区与厌氧微区的比例相对较大，主要以亚硝化反应转化氨氮为主，而大粒径污泥具有相对较大的厌氧微区，除通过亚硝化反应转化氨氮外，还可通过厌氧氨氧化反应转化脱氮。因此，取混合均匀的颗粒污泥才能准确判断反应器好氧氨氧化活性和厌氧氨氧化活性。
进一步，所述反应器溶解氧的调节幅度为0.05～0.1mg/L。由于单级自养脱氮工艺对溶解氧浓度的适应范围很窄。溶解氧的调节幅度过高，会影响颗粒污泥内部的溶解氧，进而影响好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的活性，引起K值的迅速减小或增大。因此，反应器溶解氧的调节幅度不宜过高。
进一步，所述测定颗粒污泥好氧氨氧化活性和厌氧氨氧化活性时，需保持活性测试装置内的水温和总氮浓度与所述单级自养脱氮颗粒污泥反应器运行时的水温和总氮浓度相同。这样是为了准确模拟反应器的运行工况，进而通过测试结果准确判断反应器的溶解氧浓度是否适宜。
进一步，所述测定颗粒污泥好氧氨氧化活性时，需将颗粒污泥破碎至粒径小于200μm。这样是为了避免大粒径颗粒污泥内部的厌氧氨氧化菌通过厌氧氨氧化反应转化氨氮，影响测试的准确度。
进一步，所述测定颗粒污泥的厌氧氨氧化活性时，保持活性测试装置内氨氮浓度与亚硝氮浓度的比为1.32。由厌氧氨氧化反应的化学反应计量学方程可知，厌氧氨氧化菌转化1mol的氨氮需要消耗1.32mol的亚硝氮，而单级自养脱氮工艺进水中的亚硝氮浓度很低。因此，测定颗粒污泥的厌氧氨氧化活性时，需调整进水的基质浓度，为厌氧氨氧化菌提供足够的基质。
进一步，所述测定颗粒污泥的好氧氨氧化活性时，需调节测试装置内的溶解氧浓度为0.2～0.3mg/L。这是为了抑制反应器内部NOB和厌氧氨氧化菌的活性，避免因发生硝化反应和厌氧氨氧化反应而影响测试的准确度。所述测定颗粒污泥的厌氧氨氧化活性时，需控制测试装置内的溶解氧浓度小于0.1mg/L。这是由于受外部传质阻力等因素的影响，当反应器内的溶解氧浓度小于0.1mg/L时，颗粒污泥内部的溶解氧浓度低于溶解氧抑制厌氧氨氧化菌活性的阈值(0.064mg/L)，适于厌氧氨氧化菌的生长和代谢。此外，溶解氧浓度小于0.1mg/L时，可有效抑制污泥内的好氧氨氧化菌活性，避免因发生亚硝化反应而影响测试的准确度。
进一步，所述测定颗粒污泥的好氧氨氧化活性时，测试装置内的溶解氧浓度通过氮气和氧气的混合比例来调节，所述测定颗粒污泥的厌氧氨氧化活性时，测试装置内的溶解氧浓度通过通入氩气和二氧化碳的混合气体来控制。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明以单级自养脱氮颗粒污泥反应器内颗粒污泥好氧氨氧化活性与厌氧氨氧化活性的比值为基础，提出了一种基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法。本方法可对单级自养脱氮颗粒污泥反应器的溶解氧浓度是否适宜进行判断，同时提供了定向精准调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器适宜溶解氧浓度的技术手段，有助于实现单级自养脱氮颗粒污泥工艺高效稳定的脱氮，准确性高。
2、本发明仅通过测定单级自养脱氮颗粒污泥反应器内颗粒污泥好氧氨氧化活性和厌氧氨氧化活性，可判断单级自养脱氮颗粒污泥反应器内部的溶解氧浓度是否适宜完成自养脱氮。本发明原理符合氮转化规律，体现了准确性和可行性，且操作简单，可有效提升单级自养脱氮颗粒污泥反应器的脱氮性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例
理论上，单级自养脱氮工艺实现完全自养脱氮时，氨氮去除率为100%，总氮去除率可达88%，但实际运行中却很难实现。本发明基于以亚硝化-厌氧氨氧化为主要脱氨途径的单级自养脱氮EGSB反应器作为实施例，说明本方法的可行性。单级自养脱氮EGSB反应器内溶解氧浓度为0.45mg/L，水温为32℃，总氮浓度为100mg/L，其中氨氮浓度为100mg/L。
一种基于微生物活性调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器性能的方法：
1)将EGSB反应器内的颗粒污泥混合均匀后，取30g颗粒污泥，完全混合后平均分成三份，每份10g。一份用以测定颗粒污泥的污泥浓度，其余两份分别测定颗粒污泥的好氧氨氧化活性和厌氧氨氧化活性。
测定污泥浓度时，对颗粒污泥进行干燥至恒重，测定污泥的干重，最后计算出污泥浓度。
测定颗粒污泥好氧氨氧化活性时，将污泥研磨破碎至粒径小于200μm，并控制测试装置内溶解氧浓度为0.2～0.4mg/L，水温为32℃，总氮浓度为100mg/L，其中氨氮浓度为100mg/L，分别记录4h前后测试装置内的氨氮浓度。
测定颗粒污泥厌氧氨氧化活性时，控制测试装置内溶解氧浓度小于0.1mg/L，水温为32℃，总氮浓度为100mg/L，其中氨氮浓度为57mg/L，亚硝氮浓度为43mg/L，分别记录4h前后测试装置内的氨氮浓度。
经测定，颗粒污泥的浓度为1.50VSS/L，4h内好氧氨氧化活性测试中测试装置的氨氮浓度降低了18.18mg/L，即△NH4+-NAAOA为18.18mg/L，4h内厌氧氨氧化活性测试中测试装置的氨氮浓度降低了12.99mg/L，即△NH4+-NAnAOA为12.99mg/L。
将上述数据分别代入式(1)和式(2)，得到颗粒污泥的好氧氨氧化活性(AAOA)为0.07kgN/(kgVSS·d)，颗粒污泥的厌氧氨氧化活性(AnAOA)为0.05kgN/(kgVSS·d)。
式中，△t为活性测试时间，X为活性测试装置内颗粒污泥的浓度，△NH4+-NAAOA为好氧氨氧化活性测试时间内活性测试装置氨氮浓度的变化量，△NH4+-NAnAOA为厌氧氨氧化活性测试时间内活性测试装置氨氮浓度的变化量。
2)将步骤1)得到的颗粒污泥的好氧氨氧化活性和颗粒污泥的厌氧氨氧化活性代入式(3)，得到K值为1.4
由实施例可知，单级自养脱氮EGSB反应器内的溶解氧浓度为0.45mg/L时，颗粒污泥好氧氨氧化活性与厌氧氨氧化活性的比值K介于1.0～1.5，表明反应器内部发生的亚硝化反应与厌氧氨氧化反应匹配度较好，反应器具有良好的自养脱氮能力。此外，通过对反应器实际脱氮性能的测量，发现当单级自养脱氮EGSB反应器内的溶解氧浓度为0.45mg/L时，反应器出水中的氨氮浓度、亚硝氮浓度和硝氮浓度保持稳定，实际氨氮去除率和总氮去除率可维持在93.0%和79.0%，表明反应器具有较高的自养脱氮性能。可见，本方法对单级自养脱氮颗粒污泥反应器内部溶解氧浓度是否适宜与反应器运行结果所获得的结果相一致，说明了本发明具有可行性和准确性。
综上，本发明通过测定单级自养脱氮颗粒污泥反应器内颗粒污泥好氧氨氧化活性和厌氧氨氧化活性，可判断反应器内部的溶解氧浓度是否适宜完成自养脱氮。本发明原理符合氮转化规律，体现了准确性和可行性。本方法操作简单，可通过获得的K值定向精准调控单级自养脱氮颗粒污泥反应器适宜的溶解氧浓度，有效提升单级自养脱氮颗粒污泥反应器的脱氮性能。本方法具有良好的应用前景，可为单级自养脱氮工艺实际工程的应用提供理论依据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。