公布日：2023.11.07
申請日：2023.08.31
分類號：C02F3/12(2023.01)I;C02F3/34(2023.01)I;C02F7/00(2006.01)I;C02F3/10(2023.01)I;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本發明提供了一種低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，本發明方法一體式淹沒式生物濾池(SBAF反應器)中利用單級硝化、反硝化來處理氨氮廢水，包括步驟，污泥接種、污泥掛膜、系統啟動、穩定運行，在污泥接種時控制選擇符合微生物群落分布的污泥，在系統啟動過程中，以一體式淹沒式生物濾池(SBAF反應器)中的污泥中微生物群落分布作為系統啟動成功的標志，在輸入待處理高濃度氨氮廢水處理期間使得好氧硝化菌和厭氧反硝化菌能夠更穩定的符合上述微生物群落分布，系統的穩定性更好，使得穩定運行的時間更長，穩定運行期間無需更換污泥重新啟動，連續運行的時間更長，能夠至少達到250天以上，減少了更換污泥重新啟動的頻率。
權利要求書
1.一種低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：(1)將經空氣曝氣后的種泥接種至一體式淹沒式生物濾池中，所述種泥中微生物的群落包括：酸桿菌門(Acidobacteria)的豐度為10.68％～11.80％，放線菌門(Actinobacteria)的豐度為5.81％～6.41％，擬桿菌門(Bacteroidetes)的豐度為13.35％～14.75％，綠彎菌門(Chloroflexi)的豐度為16.64％～18.39％，廣古菌門(Euryarchaeota)的豐度為1.10％～1.20％，厚壁菌門(Firmicutes)的豐度為14.77％～16.31％，芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的豐度為2.40％～2.65％，變形桿菌門(Proteobacteria)的豐度為24.20％～26.74％，以及疣微菌門(Verrucomicrobia)的豐度為1.91％～2.11％；(2)向一體式淹沒式生物濾池中通入惰性氣體進行生物掛膜，污泥顏色由黃褐色變為黑褐色停止惰性氣體通入并靜置后排出多余污泥；(3)向一體式淹沒式生物濾池的反應體系中輸入模擬氨氮廢水同時微氧曝空氣進行系統啟動，控制反應體系中DO為0.6～0.8mg/L，pH值為6.7～8.0，水溫控制在30.0～31.5℃范圍內，水力停留時間控制為18～24h；所述模擬氨氮廢水的參數包括pH7.60～8.80，CODcr0.0～16.0mg/L，NH4+-N102.0～165.0mg/L，NO2--N0.0～7.0mg/L，NO3--N0.6～3.0mg/L，磷濃度為6.7～8.3mg/L，所述模擬氨氮廢水中還含有鉀、鎂、鈣、鈉、鐵、錳、銅、鋅、鈷元素，多批次輸入模擬氨氮廢水，當一體式淹沒式生物濾池中活性污泥中的微生物群落符合以下條件時，系統啟動成功；所述一體式淹沒式生物濾池中活性污泥中的微生物群落包括以下豐度的微生物：酸桿菌門(Acidobacteria)的豐度為4.28％～4.45％，放線菌門(Actinobacteria)的豐度為1.18％～1.23％，擬桿菌門(Bactcroidetes)的豐度為21.90％～22.79％，綠菌門(Chlorobi)的豐度為4.32％～4.49％，綠彎菌門(Chloroflexi)的豐度為1.69％～1.76％，厚壁菌門(Firmicutes)的豐度為48.12％～50.08％，梭桿菌門(Fusobacteria)的豐度為2.04％～2.12％，芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的豐度為1.32％～1.37％，變形桿菌門(Proteobacteria)的豐度為11.70％～12.17％；(4)向步驟(3)中系統啟動成功的一體式淹沒式生物濾池中輸入待處理高濃度氨氮廢水，并穩定運行。
2.根據權利要求1所述的低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，其特征在于，步驟(1)中，所述種泥中微生物的群落包括：酸桿菌門(Acidobacteria)的豐度為11.24％，放線菌門(Actinobacteria)的豐度為6.11％，擬桿菌門(Bacteroidetes)的豐度為14.05％，綠彎菌門(Chloroflexi)的豐度為17.52％，廣古菌門(Euryarchaeota)的豐度為1.15％，厚壁菌門(Firmicutes)的豐度為15.54％，芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的豐度為2.53％，變形桿菌門(Proteobacteria)的豐度為25.47％，以及疣微菌門(Verrucomicrobia)的豐度為2.01％。
3.根據權利要求1所述的低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，其特征在于，所述步驟(1)中，曝氣后種泥的污泥濃度為15000～23000mg/L，曝氣后種泥的MLSS為10000～13000mg/L范圍內，曝氣后種泥的MLVSS在4000～4500mg/L，曝氣后種泥的pH值在6.0～8.0。
4.根據權利要求1所述的低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，其特征在于，所述步驟(3)中，活性污泥中的微生物群落包括以下豐度的微生物：酸桿菌門(Acidobacteria)的豐度為4.37％，放線菌門(Actinobacteria)的豐度為1.21％，擬桿菌門(Bactcroidetes)的豐度為22.35％，綠菌門(Chlorobi)的豐度為4.41％，綠彎菌門(Chloroflexi)的豐度為1.73％，厚壁菌門(Firmicutes)的豐度為49.1％，梭桿菌門(Fusobacteria)的豐度為2.08％，芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的豐度為1.35％，變形桿菌門(Proteobacteria)的豐度為11.94％。
5.根據權利要求1所述的低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，其特征在于，所述步驟(4)中，待處理高濃度廢水中NH4+-N的濃度不低于100mg/L。
6.根據權利要求1所述的低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，其特征在于，所述步驟(4)中，控制反應體系中DO為0.6～0.8mg/L，pH為6.2～8.2，水溫為29.4～31.5℃范圍內，水力停留時間為18～20h。
7.根據權利要求1所述的低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，其特征在于，所述步驟(3)中，模擬氨氮廢水中包括以下成分：NH4Cl0.38～0.63g/L，KH2PO4·3H2O0.00～0.05g/L，MgSO40.00～0.02g/L，CaCl20.00～0.02g/L，NaHCO30.20～1.00g/L，微量元素溶液0.20～0.40ml/L；所述微量元素溶液成分及濃度分別為FeCl3·6H2O3.00～3.50g/L，MnCl2·4H2O0.30～0.40g/L，CuSO4·5H2O0.07～0.08g/L，ZnSO4·7H2O0.02～0.30g/L，CoCl2·6H2O0.30～0.40g/L。
8.根據權利要求1所述的低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，其特征在于，所述步驟(2)中，掛膜種泥用量與一體式淹沒式生物濾池有效體積比為1:2。
9.根據權利要求1所述的低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述惰性氣體為氮氣或者氦氣，通入惰性氣體控制一體式淹沒式生物濾池中的氣壓為0.2～0.5Mpa，通氣時間為24～72h，靜置時間為1～2h；所述一體式淹沒式生物濾池中設置有組合填料，所述組合填料由填料單片、塑料套管、中心銅管絲三部分組成，所述組合填料的結構是將塑料圓片壓扣成雙圈大塑料環，將滌綸絲壓在雙圈大塑料環的環圈上，使纖維束均勻分布；雙圈大塑料環的內圈是雪花狀塑料枝條。
10.根據權利要求1所述的低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，其特征在于，所述步驟(3)中，不排出底泥；所述步驟(4)中，不排出底泥，所述步驟(4)中的穩定運行時間至少為250天。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術存在的不足之處而提供一種低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法。
為實現上述目的，本發明采取的技術方案為：一種低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，所述方法包括以下步驟：
(1)將經空氣曝氣后的種泥接種至一體式淹沒式生物濾池中，所述種泥中微生物的群落包括：酸桿菌門(Acidobacteria)的豐度為10.68％～11.80％，放線菌門(Actinobacteria)的豐度為5.81％～6.41％，擬桿菌門(Bacteroidetes)的豐度為13.35％～14.75％，綠彎菌門(Chloroflexi)的豐度為16.64％～18.39％，廣古菌門(Euryarchaeota)的豐度為1.10％～1.20％，厚壁菌門(Firmicutes)的豐度為14.77％～16.31％，芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的豐度為2.40％～2.65％，變形桿菌門(Proteobacteria)的豐度為24.20％～26.74％，以及疣微菌門(Verrucomicrobia)的豐度為1.91％～2.11％；
(2)向一體式淹沒式生物濾池中通入惰性氣體進行生物掛膜，污泥顏色由黃褐色(PGB(115，74，18))變為黑褐色(PGB(41，36，33))停止惰性氣體通入并靜置后排出多余污泥；
(3)向一體式淹沒式生物濾池的反應體系中輸入模擬氨氮廢水同時微氧曝空氣進行系統啟動，控制反應體系中DO為0.6～0.8mg/L，pH值為6.7～8.0，水溫控制在30.0～31.5℃范圍內，水力停留時間控制為18～24h；所述模擬氨氮廢水的參數包括pH7.60～8.80，CODcr0.0～16.0mg/L，NH4+-N102.0～165.0mg/L，NO2--N0.0～7.0mg/L，NO3--N0.6～3.0mg/L，磷濃度為6.7～8.3mg/L，所述模擬氨氮廢水中還含有鉀、鎂、鈣、鈉、鐵、錳、銅、鋅、鈷元素，多批次輸入模擬氨氮廢水，當一體式淹沒式生物濾池中活性污泥中的微生物群落符合以下條件時，系統啟動成功；
所述一體式淹沒式生物濾池中活性污泥中的微生物群落包括以下豐度的微生物(相對豐度大于％)：酸桿菌門(Acidobacteria)的豐度為4.28％～4.45％，放線菌門(Actinobacteria)的豐度為1.18％～1.23％，擬桿菌門(Bactcroidetes)的豐度為21.90％～22.79％，綠菌門(Chlorobi)的豐度為4.32％～4.49％，綠彎菌門(Chloroflexi)的豐度為1.69％～1.76％，厚壁菌門(Firmicutes)的豐度為48.12％～50.08％，梭桿菌門(Fusobacteria)的豐度為2.04％～2.12％，芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的豐度為1.32％～1.37％，變形菌門(Proteobacteria)的豐度為11.70％～12.17％；
(4)向步驟(3)中系統啟動成功的一體式淹沒式生物濾池中輸入待處理高濃度氨氮廢水，并穩定運行。
發明人在研究一體式淹沒式生物濾池(SBAF反應器)中利用單級硝化、反硝化來處理氨氮廢水的方法時，發現現有的一體式單級硝化、反硝化來處理氨氮廢水的方法，在啟動后，穩定運行時間短，最多在運行120～150天后，氨氮、總氮的去除率下降顯著，然后不得不更新污泥重新啟動。發明人經過研究發現，控制接種活性污泥中微生物的分布群落，并且在輸入模擬氨氮廢水啟動期間，通過研究控制不同的啟動成功的標志，發現以一體式淹沒式生物濾池(SBAF反應器)的污泥中的微生物群落分布作為啟動成功的標志，在輸入待處理高濃度氨氮廢水處理期間使得好氧硝化菌和厭氧反硝化菌能夠更穩定的符合上述微生物群落分布，系統的穩定性更好，使得穩定運行的時間更長。研究發現，一體式淹沒式生物濾池中活性污泥中的微生物群落包括以下豐度的微生物(相對豐度大于％)：酸桿菌門(Acidobacteria)的豐度為4.28％～4.45％，放線菌門(Actinobacteria)的豐度為1.18％～1.23％，擬桿菌門(Bactcroidetes)的豐度為21.90％～22.79％，綠菌門(Chlorobi)的豐度為4.32％～4.49％，綠彎菌門(Chloroflexi)的豐度為1.69％～1.76％，厚壁菌門(Firmicutes)的豐度為48.12％～50.08％，梭桿菌門(Fusobacteria)的豐度為2.04％～2.12％，芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的豐度為1.32％～1.37％，變形菌門(Proteobacteria)的豐度為11.70％～12.17％作為本發明低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法第(3)步中系統成功啟動的標志，啟動時間稍微延長，在45～50天左右，此時氨氮轉化率超過90.0％、總氮去除率超過70.0％，但控制微生物群落分布，啟動成功后，輸入待處理高濃度氨氮廢水穩定運行，微生物群落分布基本保持不變，穩定運行期間無需更換污泥重新啟動，連續運行的時間更長，能夠至少達到250天，上述種泥、生物濾池中活性污泥所列微生物并非種泥、生物濾池中活性污泥中的全部微生物，但只需控制種泥、生物濾池中活性污泥包含上列微生物并是生物群落豐度符合上列即可實現發明目的。
優選地，步驟(1)中，所述種泥中微生物的群落包括：酸桿菌門(Acidobacteria)的豐度為11.24％，放線菌門(Actinobacteria)的豐度為6.11％，擬桿菌門(Bacteroidetes)的豐度為14.05％，綠彎菌門(Chloroflexi)的豐度為17.52％，廣古菌門(Euryarchaeota)的豐度為1.15％，厚壁菌門(Firmicutes)的豐度為15.54％，芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的豐度為2.53％，變形菌門(Proteobacteria)的豐度為25.47％，以及疣微菌門(Verrucomicrobia)的豐度為2.01％。
優選地，所述步驟(1)中，曝氣后種泥的污泥濃度為15000～23000mg/L，曝氣后種泥的MLSS為10000～13000mg/L范圍內，曝氣后種泥的MLVSS在4000～4500mg/L，曝氣后種泥的pH值在6.0～8.0。
發明人通過研究發現，接種的上述種泥，包含不同類的好氧硝化菌和厭氧反硝化菌，對氨氮廢水中氨氮、總氮的去除效率更高，穩定運行時間更長。
優選地，所述步驟(3)中，活性污泥中的微生物群落包括以下豐度的微生物：
酸桿菌門(Acidobacteria)的豐度為4.37％，放線菌門(Actinobacteria)的豐度為1.21％，擬桿菌門(Bactcroidetes)的豐度為22.35％，綠菌門(Chlorobi)的豐度為4.41％，綠彎菌門(Chloroflexi)的豐度為1.73％，厚壁菌門(Firmicutes)的豐度為49.1％，梭桿菌門(Fusobacteria)的豐度為2.08％，芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)的豐度為1.35％，變形菌門(Proteobacteria)的豐度為11.94％。
優選地，所述步驟(4)中，待處理高濃度廢水中NH4+-N的濃度不低于100mg/L。
上述低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法能夠處理NH4+-N的濃度不低于100mg/L的氨氮廢水，高濃度氨氮廢水中的氨氮轉化率為84.4％～100.0％、氨氮平均轉化率不低于96.0％；高濃度氨氮廢水中總氮去除率為77.8％～98.3％，總氮平均去除率不低于88.2％。
優選地，所述步驟(4)中，控制反應體系中DO為0.6～0.8mg/L，pH為6.2～8.2，水溫為29.4～31.5℃范圍內，水力停留時間為18～20h。
優選地，所述步驟(3)中，模擬氨氮廢水中包括以下成分：NH4Cl0.38～0.63g/L，KH2PO4·3H2O0.00～0.05g/L，MgSO40.00～0.02g/L，CaCl20.00～0.02g/L，NaHCO30.20～1.00g/L，微量元素溶液0.20～0.40ml/L；所述微量元素溶液成分及濃度分別為FeCl3·6H2O3.00～3.50g/L，MnCl2·4H2O0.30～0.40g/L，CuSO4·5H2O0.07～0.08g/L，ZnSO4·7H2O0.02～0.30g/L，CoCl2·6H2O0.30～0.40g/L。
優選地，所述步驟(1)中，種泥用量與一體式淹沒式生物濾池有效體積比為1:1。
優選地，所述步驟(2)中，所述惰性氣體為氮氣或者氦氣，通入惰性氣體控制一體式淹沒式生物濾池中的氣壓為0.2～0.5Mpa，通氣時間為24～72h，靜置時間為1～2h。
優選地，所述一體式淹沒式生物濾池中設置有組合填料，所述組合填料由填料單片、塑料套管、中心銅管絲三部分組成，所述組合填料的結構是將塑料圓片壓扣成雙圈大塑料環，將滌綸絲壓在雙圈大塑料環的環圈上，使纖維束均勻分布；雙圈大塑料環的內圈是雪花狀塑料枝條。
上述一體式淹沒式生物濾池中設置有組合填料，既能掛膜，又能有效切割氣泡，提高氧的轉移速率和利用率，因而水氣生物膜得到充分交換，使得水中的氮素得到高效處理。
優選地，所述步驟(3)中，不排出底泥；所述步驟(4)中，不排出底泥。
本發明的有益效果在于：本發明提供了一種低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法，本發明的低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法通過控制接種活性污泥中微生物的分布群落，并且在輸入模擬氨氮廢水啟動期間，以一體式淹沒式生物濾池(SBAF反應器)的污泥中的微生物群落分布作為啟動成功的標志，在輸入待處理高濃度氨氮廢水處理期間使得好氧硝化菌和厭氧反硝化菌能夠更穩定的符合上述微生物群落分布，系統的穩定性更好，使得穩定運行的時間更長，穩定運行期間無需更換污泥重新啟動，連續運行的時間更長，能夠至少達到250天以上，減少了更換污泥重新啟動的頻率。
本發明的低碳氮比廢水的生物脫氮處理方法與現有技術相比，還具有以下優勢：
(1)工藝性能的整體優越。常規生物脫氮技術采用硝化-反硝化組合方法，于兩個不同反應器內分別運行。在實際污泥馴化與運行中，不同反應器的環境條件參數差異較大，且存在氨氮硝化效果較好，但反硝化能力有限、工藝流程長、耗氧和有機碳源需求量大、剩余污泥產量高等常規問題，導致硝化-反硝化整體生化技術對含氨氮廢水的處理效果受限。本發明技術選用的一體化SABF反應裝置富集Firmicutes和Bacteroidetes，可在同一反應器內有效實現氨氮和總氮去除，且節約62.5％耗氧量、節省100％有機碳源和50％耗堿量、工藝流程減半、污泥產生量減少90％，這些均體現出該生物脫氮方法在技術和經濟上的優勢。
(2)脫氮性能的有效提升。常規硝化反硝化生物脫氮在啟動和運行時，采用控制溫度、溶解氧、進水氨氮負荷、水力停留時間等方式，使得氨氮轉化率約為80％，總氮去除率約為67％之間。本發明技術在此基礎上，在系統啟動、穩定運行這兩個不同階段，分別對體系內溫度、溶解氧、pH、水力停留時間進行參數調整，且體系全程不需排泥。該體系在啟動期間，氨氮轉化率從22.7％提升至100.0％，總氮去除率從0.0％提升至89.0％。在運行期間，氨氮轉化率在76.3～100.0％，平均轉化率為96.0％，總氮去除率在68.0～96.5％，平均去除率為88.1％。這在技術上已體現出本發明的優越性。
(3)反應副產物的有效抑制。傳統硝化-反硝化生物脫氮在運行過程中，因為游離氨和游離亞胺的存在，硝化菌的生長富集會受到影響，因此硝化反應不完全，這會影響該反應體系的氨氮去除性能。本發明技術在系統啟動、穩定運行這兩個階段，分別對體系內溫度、溶解氧、pH、水力停留時間進行參數調整，可以有效穩定好氧亞硝化菌和硝化菌的活性與生長，提升氨氮的平均去除率，這對于提升生物脫氮性能有著顯著的促進作用。
(4)有機碳源的節省。傳統硝化-反硝化生物脫氮在運行過程中，反硝化階段需要消耗大量有機碳源，才能保證反硝化細菌的正常生長繁殖，確保反硝化的高效運行。本發明技術在一體化SABF反應體系內運行，不需要消耗有機碳源，即可保證Firmicutes和Bacteroidetes的有效生長繁殖，確保反硝化的順利運行，從而穩定總氮的去除性能。
(5)技術應用的有效拓展。傳統硝化-反硝化生物脫氮在啟動和運行時，對溫度、溶解氧、進水氨氮負荷、水力停留時間等關鍵條件控制在很嚴格窄閾的范圍內，這對實際工程中的自控設備的設計精密度和運營人員的技能水平要求很高。本發明技術針對系統啟動、穩定運行這兩個不同階段對條件參數范圍的需求不同，分別對體系內溫度、溶解氧、pH、水力停留時間進行參數調整(閾值范圍有一定拓展)，來提升反應體系的脫氮性能，這對于實際工程中的自控設備設計調控和運營人員技能水平有著更為切實有效的可行性，從而更有助于該技術的廣泛應用。
(6)技術運行成本的優化。本發明技術在啟動和運行時，可有效節約土建成本(工藝流程減半)，減少62.5％耗氧量和能耗成本，節省100％有機碳源和50％耗堿量，減少90％污泥產量。本發明技術不僅具有以上優點，而且在啟動和運行時，污泥產量極低，整個流程中不需要排除剩余污泥，這對于污泥減量化、碳達峰和碳中和具有重要意義。
（發明人：岳秀;蕭曉彤;鄺培霖;柯澤健;賴敏成）
