申请日2021.03.06
公开（公告）日2021.05.28
IPC分类号C02F3/30; C02F101/10; C02F101/16
摘要
一种基于短程硝化‑厌氧氨氧化‑硫自养反硝化新型自养体系的污水中同步脱氮除硫的装置和方法，属污水生物处理领域。装置包括含有NH4+、S2‑进水桶、水浴箱、氢氧化钠溶液以及短程硝化‑厌氧氨氧化‑硫自养反硝化一体化序批式生物过滤反应器。反应器分为上下两层，上层为好氧曝气区，通过空气泵进行间歇曝气，废水通过进水泵与回流泵在反应器内有效循环。通过控制曝气量在反应器下层厌氧污泥填料区实现短程硝化与厌氧氨氧化耦合，待反应器运行效果稳定后，向反应器中加入硫化物促进硫自养反硝化菌的生长，完成硫自养反硝化与PN/A工艺的耦合，实现氨氧化菌、厌氧氨氧化菌、硫自养反硝化菌协同合作完成深度脱氮除硫。本发明通过利用硫元素在控制曝气量的条件下实现了废水中总氮的深度去除，并完成了氮、硫在同一反应器中的同步去除。
权利要求书
1.一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除污水中氮、硫的方法，包括如下步骤：
（1）将培养好的PN/A活性污泥和前期培养的硫自养反硝化污泥的混合污泥用清水清洗后，转移至序批式生物过滤反应器中；转移混合污泥的体积为反应器有效体积的1/3~1/5；
（2）开启进水泵，向反应器中通入含NH4HCO3废水，废水中NH4+-N的浓度为80-120mg/L，反应器按照好氧曝气、缺氧厌氧方式运行，好氧曝气时间3.5-4.5h，曝气量保持在1-4mL/min，好氧曝气阶段溶解氧DO控制在2 mg/L，缺氧厌氧时间为3.4-4.0h，待出水水质稳定表明PN/A成功启动；
（3）调整含NH4HCO3废水中NH4+-N的浓度，向反应器中通入NH4+-N浓度为160-200 mg/L的含NH4HCO3废水增加反应器中氮负荷，反应器按照好氧曝气、缺氧厌氧方式运行；
（4）待步骤（3）出水水质稳定后，向反应器内通入含硫化物配水，反应器中硫化物的初始浓度为13-16mg/L，运行过程中，不断提高含硫化物配水中硫化物的浓度，使反应器出水中的NO3--N浓度和硫化物浓度低于10mg/L，在体系中AOB、Anammox和硫自养反硝化菌实现协同作用，且总氮以及硫化物的去除率都维持在较高水平。
2.根据权利要求1所述的一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除污水中氮、硫的方法，步骤（1）中，培养好的PN/A活性污泥和硫自养反硝化污泥均是由取自污水处理厂好氧池的活性污泥驯化而成。PN/A污泥的驯化方式详见步骤（2）；硫自养反硝化污泥在上流式厌氧污泥床反应器中驯化，驯化过程中加入含硫化物和硝酸盐废水到反应器，优选水力停留时间为10-12h，温度为25-35℃，pH保持在7.5±0.1。
3.根据权利要求1所述的一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除污水中氮、硫的方法，步骤（1）中，培养好的PN/A活性污泥与硫自养反硝化污泥混合的体积比为：1:1，混合污泥的MLSS为6500 ± 30 mg/L。
4.根据权利要求1所述的一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除污水中氮、硫的方法，步骤（2）中，废水中NH4+-N的浓度为100mg/L，好氧曝气时间4h，曝气量保持在2ml/min，好氧曝气阶段溶解氧DO控制在2mg/L，缺氧厌氧时间为3.8h。
5.根据权利要求1所述的一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除污水中氮、硫的方法，步骤（3）中，含NH4HCO3废水中NH4+-N的浓度为180mg/L，好氧曝气时间3.5-4.5h，曝气量保持在2ml/min，好氧曝气阶段溶解氧DO控制在2mg/L，缺氧厌氧时间为3.4-4.0h。
6.根据权利要求1所述的一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除污水中氮、硫的方法，步骤（4）中，含硫化物配水中Na2S·9H2O浓度梯度分别为15mg/L、30mg/L、50mg/L、100mg/L和150mg/L，NaHCO3浓度为500 mg/L。
7.根据权利要求1所述的一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除污水中氮、硫的方法，步骤（2）、步骤（3）、步骤（4），反应器运行过程中，控制进水流速，反应器连续进水，使废水在反应器内水力停留时间为6~10小时，反应器内pH保持在7.5±0.1，控制反应器温度为25-35℃。
8.根据权利要求1所述的一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除污水中氮、硫的方法，步骤（2）中，所述的序批式生物过滤反应器系统包括含NH4HCO3废水储存桶、含硫化物配水储存桶和反应器本体，含NH4HCO3废水储存桶、含硫化物配水储存桶分别通过管路与反应器本体连通，在各自的管路上均设置有进水泵，反应器本体内设置有pH/DO测定仪，上层底部设置有曝气头、聚乙烯填料，曝气头与外界曝气设备连接。配制含硫化物配水所用的自来水在添加硫化物之前先用氮气瓶（2）中99.99%的高纯氮气吹扫10 min，以除去水中的溶解氧，并涂抹凡士林对进水桶进行密封处理，避免硫化物在进水桶（1）中发生氧化。
说明书
一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除 污水中氮、硫的方法
技术领域
本发明涉及一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除污水中氮、硫的方法，属污水生物处理领域。
背景技术
炼油、食品加工和采矿业等废水中除了含有无机氮外还含有硫化物，因此探索废水中氮素和硫化物同步脱除工艺的需求十分迫切。在传统的硝化反硝化技术中，污水厂为实现脱氮目的不仅需要较高的曝气量，同时，在反硝化过程中往往需要外加碳源（如乙醇，甲醇等），这在一定程度上均增加了处理的成本。而污水脱氮的前序工艺往往是厌氧消化，废水中含有的大量含硫蛋白物质在水解阶段形成氨基酸，经代谢后会生成具有生物毒性的H2S，同时，废水中的硫酸盐很容易转化成H2S转移到大气中并产生恶臭气味，而且H2S是一种急性剧毒气体，其毒性与氰酸气体相当，当其被吸入人体后，会对呼吸系统、消化系统以及神经系统造成不同程度的损害。
厌氧氨氧化是指在厌氧条件下以氨为电子供体，以亚硝酸盐为电子受体，将氨氧化成氮气的过程。相比于传统生物脱氮，厌氧氨氧化具有较高的脱氮效率，在处理高氨氮废水方面具备显著优势，同时该过程不需要外加碳源、无需曝气、剩余污泥产率低、占地面积小，可以节约运行成本。硫自养反硝化过程包括硫化物的氧化和硝酸盐的还原，硫自养反硝化菌利用还原性无机硫化物（S2-、S2O32-、SCN-、S0）为电子供体，将NO3-或NO2-还原为N2。
短程硝化/厌氧氨氧化（PN/A）工艺是一种完全自养型的脱氮工艺，包括两个连续的反应：首先氨氧化细菌（AOB）将NH4+部分氧化为NO2-；然后厌氧氨氧化菌（Anammox）将残留的NH4+和PN过程生成的NO2-转化成N2排放。PN/A工艺关键技术是短程硝化，即通过控制硝态氮生物氧化过程，将部分氨氮转化为亚硝酸盐累积。但是，短程硝化受水温、pH、泥龄、溶解氧等多指标影响，易受外部环境波动影响，工程化应用控制系统复杂、出水水质不稳定。另一方面，现有的PN/A工艺只能实现脱氮，而无法同步脱硫。由于厌氧氨氧化细菌和硫自养反硝化菌亲缘关系较远，在生态学方面的重复部分较少，因此有关短程硝化/厌氧氨氧化与硫自养反硝化耦合的工艺仍有待探究。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除污水中氮、硫的方法。
发明概述：
由于污泥接种初期功能菌的活性较差，对外部环境变化非常敏感，此时添加硫化物容易对微生物产生抑制作用，本发明首先通过控制曝气量实现短程硝化与厌氧氨氧化的工艺耦合，首先启动PN/A工艺，在第一阶段工艺稳定运行后进入第二阶段，第二阶段提高进水氨氮浓度增加反应器中氮负荷，反应器运行稳定后开始向反应器中添加硫化物，并根据出水氨素浓度逐步提高硫化物负荷，从而促进硫自养反硝化菌的生长；最终在一个体系中实现了AOB、Anammox和硫自养反硝化菌成功耦合，实现了AOB、Anammox和硫自养反硝化菌三者良好协同作用，并节约了运行成本，达到同步的深度脱氮除硫。
术语解释：
PN/A：短程硝化-厌氧氨氧化工艺。
为实现以上目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于短程硝化-厌氧氨氧化-硫自养反硝化体系同步去除污水中氮、硫的方法，包括如下步骤：
（1）将培养好的PN/A活性污泥和前期培养的硫自养反硝化污泥的混合污泥用清水清洗后，转移至序批式生物过滤反应器中；转移混合污泥的体积为反应器有效体积的1/3~1/5；
（2）开启进水泵，向反应器中通入含NH4HCO3废水，废水中NH4+-N的浓度为80-120mg/L，反应器按照好氧曝气、缺氧厌氧方式运行，好氧曝气时间3.5-4.5h，曝气量保持在1-4mL/min，好氧曝气阶段溶解氧DO控制在2 mg/L，缺氧厌氧时间为3.4-4.0h，待出水水质稳定表明PN/A成功启动；
（3）调整含NH4HCO3废水中NH4+-N的浓度，向反应器中通入NH4+-N浓度为160-200mg/L的含NH4HCO3废水以增加反应器中氮负荷，反应器按照好氧曝气、缺氧厌氧方式运行；
（4）待步骤（3）出水水质稳定后，向反应器内通入含硫化物配水，反应器中硫化物的初始浓度为13-16mg/L，运行过程中，不断提高含硫化物配水中硫化物的浓度，使反应器出水中的NO3--N浓度和硫化物浓度低于10mg/L，在体系中AOB、Anammox和硫自养反硝化菌实现协同作用，且总氮以及硫化物的去除率都维持在较高水平。
根据本发明优选的，步骤（1）中，培养好的PN/A活性污泥和硫自养反硝化污泥均是由取自污水处理厂好氧池的活性污泥驯化而成。PN/A污泥的驯化方式详见步骤（2）；硫自养反硝化污泥在上流式厌氧污泥床反应器中驯化，驯化过程中加入含硫化物和硝酸盐废水到反应器，水力停留时间为10-12h，温度为25-35℃，pH保持在7.5±0.1。
根据本发明优选的，步骤（1）中，培养好的PN/A活性污泥与硫自养反硝化污泥混合的体积比为：1:1，混合污泥的MLSS为6500 ± 30 mg/L。
根据本发明优选的，步骤（2）中，废水中NH4+-N的浓度为100mg/L，好氧曝气时间4h，曝气量保持在2mL/min，好氧曝气阶段溶解氧DO控制在2mg/L，缺氧厌氧时间为3.8h。
根据本发明优选的，步骤（3）中，含NH4HCO3废水中NH4+-N的浓度为180mg/L，好氧曝气时间3.5-4.5h，曝气量保持在2ml/min，好氧曝气阶段溶解氧DO控制在2mg/L，缺氧厌氧时间为3.4-4.0h。
根据本发明优选的，步骤（4）中，含硫化物配水中Na2S·9H2O浓度梯度分别为15mg/L、30mg/L、50mg/L、100mg/L和150mg/L，NaHCO3浓度为500 mg/L。
根据本发明优选的，步骤（2）、步骤（3）、步骤（4）反应器运行过程中，控制进水流速，反应器连续进水，使废水在反应器内水力停留时间为6~10小时，反应器内pH保持在7.5±0.1，控制反应器温度为25-35℃。
根据本发明优选的，步骤（2）中，所述的序批式生物过滤反应器系统包括含NH4HCO3废水储存桶、含硫化物配水储存桶和反应器本体，含NH4HCO3废水储存桶、含硫化物配水储存桶分别通过管路与反应器本体连通，在各自的管路上均设置有进水泵，反应器本体内设置有pH/DO测定仪，上层底部设置有曝气头、聚乙烯填料，曝气头与外界曝气设备连接。
配制含硫化物配水所用的自来水在添加硫化物之前先用氮气瓶（2）中99.99%的高纯氮气吹扫10 min，以除去水中的溶解氧，并涂抹凡士林对进水桶进行密封处理，避免硫化物在进水桶（1）中发生氧化。
本发明具有如下特点及优点：
1、本发明通过控制曝气量实现短程硝化与厌氧氨氧化的工艺耦合，首先启动PN/A工艺运行，在第一阶段工艺稳定运行后进入第二阶段，第二阶段提高进水氨氮浓度增加反应器中氮负荷，反应器运行状况稳定后开始向反应器中添加硫化物，并根据出水氨素浓度逐步提高硫化物负荷，从而促进硫自养反硝化菌的生长；最终在一个体系中实现了AOB、Anammox和硫自养反硝化菌成功耦合，实现了AOB、Anammox和硫自养反硝化菌三者良好协同作用，并节约了运行成本，达到同步的深度脱氮除硫。
2、本发明在一个体系中实现了AOB、Anammox和硫自养反硝化菌成功耦合，反应器运行稳定，可以通过出水水质基本判定反应器内实现了AOB、Anammox、硫自养反硝化菌的共存。
3、本发明向反应体系中加入硫化物，利用硫自养反硝化与短程硝化为厌氧氨氧化过程供应可持续的亚硝酸盐，在完全自养的体系中实现了氮、硫的同时去除，有效的节省了曝气能耗和外加碳源，具有能耗少、运行成本低的优点。
4、本发明通过在一个反应器中将短程硝化、厌氧氨氧化与硫自养反硝化过程耦合，提高了总氮的去除率与硫化物的去除，整个过程为完全自养反应，不需要外加碳源，曝气量低，结构简单，具有经济、高效的优势。
（发明人：倪寿清;李永强）