本發(fā)明涉及一種一體式自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的快速啟動方法，屬于高氨氮污水處理技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)背景

1994年，Mulder等人在Microbiology Ecology雜志上發(fā)表文章稱其在反硝化流化床反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)了厭氧條件下氨的氧化反應(yīng)，并將該過程稱為厭氧氨氧化反應(yīng)。后來研究發(fā)現(xiàn)，參與這種反應(yīng)的微生物為厭氧氨氧化細(xì)菌，它是一種自養(yǎng)細(xì)菌，能夠利用氨氮和亞硝酸鹽氮反應(yīng)生成氮氣，從而達(dá)到污水脫氮的目的。厭氧氨氧化細(xì)菌被發(fā)現(xiàn)以后，得到了污水處理工作者的極大關(guān)注，以厭氧氨氧化菌為基礎(chǔ)的新型脫氮工藝成為近年來研究的熱點。相比于傳統(tǒng)的硝化/反硝化工藝，厭氧氨氧化工藝可節(jié)省60％的曝氣量、100％的碳源和90％的污泥產(chǎn)量，極大的節(jié)省污水處理廠的運(yùn)行費(fèi)用。

由于厭氧氨氨氧化細(xì)菌需要以亞硝酸鹽氮為電子供體將氨氮轉(zhuǎn)化為氮氣，所以必須將污水中一部分氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮(短程硝化工藝)，然后再通過厭氧氨鹽化菌將氨氮和亞硝酸鹽氮同步去除。然而，溶解氧對厭氧氨氧化細(xì)菌具有抑制作用，所以早期的厭氧氨氧化工藝將短程硝化和厭氧氨氧化兩個過程分開，污水先進(jìn)入短程硝化反應(yīng)器，將一半的氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮，然后再進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器，將氨氮和亞硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮氣去除，稱為兩段式厭氧氨氧化工藝，比較有代表的為荷蘭鹿特丹污水處理廠的SHARON—ANAMMOX工藝。由于兩段式厭氧氨氧化工藝存在管理復(fù)雜，反應(yīng)器占地面積大，需要投加堿度調(diào)節(jié)pH等缺點。于是，一體式厭氧氨氧化工藝成為最近研究的熱點。一體式厭氧氨氧化工藝是將短程硝化與厭氧氨氧化結(jié)合在一個反應(yīng)器，通過間歇曝氣或者微氧連續(xù)曝氣的方式，實現(xiàn)短程硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌的協(xié)同脫氮。

一體式厭氧氨氧化工藝需要在一個反應(yīng)器中富集短程硝化細(xì)菌和厭氧氨氧化細(xì)菌。短程硝化細(xì)菌世代時間為8小時至數(shù)天，相對容易培養(yǎng)，而厭氧氨氧化細(xì)菌世代時間為8～11天，生長速度極為緩慢，直接以普通污泥培養(yǎng)厭氧氨氧化污泥的培養(yǎng)時間要100天以上，第一個工程應(yīng)用的厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動時間長達(dá)3.5年，并且厭氧氨氧化菌對溶解氧敏感，較低的溶解氧即可抑制其活性，不接種厭氧氨氧化污泥直接啟動CANON反應(yīng)器很難實現(xiàn)，所以一般啟動CANON反應(yīng)器的做法都是接種短程硝化污泥和厭氧氨氧化污泥。

付昆明等的“陶粒CANON反應(yīng)器的接種啟動與運(yùn)行”，見環(huán)境科學(xué)，2014，35(3)，第995-1001頁，接種CANON污泥，以陶粒為填料，采用上流式填料濾柱反應(yīng)器，并用連續(xù)曝氣方式，啟動CANON反應(yīng)器時間為60d，負(fù)荷達(dá)到0.79kgN/m³/d。韓曉宇,張樹軍,常江,甘一萍,阜崴的發(fā)明專利CN 105384237 A(2016-03-09)，“一種處理高氨氮廢水的自養(yǎng)脫氮一體化裝置及啟動方法”，通過接種厭氧氨氧化顆粒污泥和短程硝化污泥，采用連續(xù)曝氣逐步提高曝氣量的方式，運(yùn)行37d，氨氮負(fù)荷達(dá)到0.47kgN/m³/d。李冬，崔少明，梁瑜海的“溶解氧對序批式全程自養(yǎng)脫氮工藝運(yùn)行的影響”中國環(huán)境科學(xué)，2014,34(5)，第1131-1138頁，接種CANON污泥，采用連續(xù)曝氣逐步提高曝氣量的方式，運(yùn)行57d，總氮去除負(fù)荷從0.17kgN/m³/d上升到0.41kgN/m³/d。

總之，現(xiàn)有的一體式厭氧氨氧化工藝啟動時間很長(57天以上)，限制了該工藝的應(yīng)用。因此，需要開發(fā)一種快速啟動一體式厭氧氨氧化工藝的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對一體式自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)啟動時間長，總氮去除負(fù)荷低，運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，提供一種一體式自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的快速啟動方法，該方法適用于低碳氮比高氨氮廢水的處理。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明基于間歇曝氣一體式自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的運(yùn)行方式，通過接種短程硝化污泥和厭氧氨氧化污泥，在限制溶解氧的條件下，通過階段提高曝氣時間，縮短缺氧攪拌時間的方式，實現(xiàn)了SBR反應(yīng)器中一體式自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的快速啟動及總氮的高效去除。采用本方法，在27d內(nèi)總氮去除負(fù)荷就達(dá)到了0.63kgN/m³/d，大大提高了反應(yīng)器的啟動速率和脫氮負(fù)荷。

本發(fā)明的具體工藝如下：

第一步，一體式自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的建立

在序批式SBR反應(yīng)器中，先接種污泥，按質(zhì)量比量取短程硝化污泥:厭氧氨氧化污泥＝1:3～1:1；將它們接種到具有曝氣功能的SBR反應(yīng)器中，使混合后的污泥濃度為3000～4000mgSS/L；

然后，運(yùn)行反應(yīng)器，設(shè)定每一個周期由進(jìn)水、曝氣/缺氧反應(yīng)、攪拌脫氣、沉淀、排水、閑置六個步驟組成；根據(jù)待處理污水氨氮濃度，設(shè)定一定的沖水比，使反應(yīng)器內(nèi)初始氨氮濃度為150±20mg/L；通過投加NaHCO₃使反應(yīng)器中進(jìn)水堿度(以碳酸鈣計)和氨氮(以氮計)濃度比值為5左右；每個周期中的曝氣/缺氧反應(yīng)設(shè)定為3個循環(huán)，曝氣/缺氧交替進(jìn)行，每一個循環(huán)的曝氣段，通過調(diào)節(jié)曝氣量控制反應(yīng)器中的溶解氧為0.3～0.5mg/L，同時進(jìn)行攪拌，保證良好的混合效果，曝氣時間是以曝氣段結(jié)束后反應(yīng)器內(nèi)亞硝酸鹽氮積累量為20～30mg/L所需的時間為準(zhǔn)；缺氧段，只進(jìn)行攪拌，缺氧反應(yīng)時間是將曝氣階段所積累的亞硝酸鹽氮被完全消耗所需的時間為準(zhǔn)；在最后一個缺氧反應(yīng)段結(jié)束后繼續(xù)攪拌一個小時，以脫除污泥上附著的氣泡，保證污泥具有較好的沉降性能，經(jīng)過沉淀、排水、閑置后進(jìn)入下一個周期。

第二步，脫氮負(fù)荷的快速提升

監(jiān)測反應(yīng)器運(yùn)行過程中出水的氨氨濃度，在保證出水氨氮濃度為30mg/L的前提下，通過監(jiān)測反應(yīng)過程中pH的變化，調(diào)整曝氣和缺氧反應(yīng)時間，當(dāng)缺氧反應(yīng)過程中pH出現(xiàn)先上升后下降拐點，且拐點出現(xiàn)位置在缺氧反應(yīng)前半段時，保證曝氣/缺氧總時間不變的前提下，增加曝氣時間，縮短缺氧時間，使亞硝酸鹽氮供耗重新達(dá)到平衡。此時，可通過提高沖水比提高反應(yīng)器的初始氨氮濃度，使反應(yīng)器的脫氮負(fù)荷同步提升。通過上述方法，當(dāng)反應(yīng)器初始氨氮濃度從150±20mg/L提高到300mg/L時，保持進(jìn)水氨氮濃度和曝氣時間不變，通過縮短缺氧反應(yīng)時間，使曝氣階段積累的亞硝酸鹽氮恰好能在缺氧反應(yīng)末端消耗完。采用上述方法，在接種時反應(yīng)器總氮去除負(fù)荷為0.3kgN/(m³﹒d)的情況下，30天內(nèi)反應(yīng)器總氮去除負(fù)荷可達(dá)1kgN/(m³﹒d)。

上述保證出水氨氮濃度30mg/L的方法是：當(dāng)出水氨氮濃度高于50mg/L時，減小進(jìn)水的充水比，降低氨氮初始濃度，保證出水氨氮濃度30mg/L；當(dāng)出水氨氮濃度低于10mg/L時，提高充水比，增加氨氮初始濃度，保證出水氨氮濃度30mg/L；

上述調(diào)整曝氣和缺氧時間使亞硝酸鹽氮供耗重新達(dá)到平衡的方法是：在曝氣反應(yīng)段內(nèi)間隔相同時間取4個水樣，測定每個水樣的氨氮，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度，計算亞硝酸鹽氮積累速率；在缺氧反應(yīng)段內(nèi)間隔相同時間取6個水樣，測定每個水樣的氨氮，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度，計算亞硝酸鹽氮消耗速率，根據(jù)積累速率和消耗速率的比值，確定使曝氣反應(yīng)段積累的亞硝酸鹽氮恰好能夠在缺氧反應(yīng)段消耗完所需要的曝氣和缺氧時間。

本發(fā)明的有益結(jié)果：

1.本發(fā)明在接種短程硝化污泥和少量厭氧氨氧化污泥的情況下，控制溶解氧在0.3～0.5mg/L，通過梯度增加曝氣時間，減少缺氧時間的方式，可以在27天內(nèi)快速啟動一體式自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，速度加快1倍，總氮去除負(fù)荷可達(dá)到1kgN/(m³﹒d)。

2.本方法中控制的溶解氧濃度較低，氨氮濃度比較高，可有效地抑制亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的增殖，獲得較高的脫氮效率，總氮去除率可達(dá)80％以上，特別適用于低碳氮比高氨氮廢水的處理。

3.通過本方法培養(yǎng)馴化的污泥，可快速形成內(nèi)部為厭氧氨氧化菌，外部為短程硝化菌的顆粒結(jié)構(gòu)，抗溶解氧沖擊能力強(qiáng)，沉淀效果好。

4.由于本發(fā)明啟動方式為固定溶解氧濃度，通過逐級提高好氧曝氣時間縮短厭氧時間的方式維持亞硝酸鹽氮供耗平衡，從而快速的提升總氮去除負(fù)荷，而已有技術(shù)采用調(diào)控溶解氧濃度，初期溶解氧濃度較低，然后逐級提高溶解氧濃度，維持亞硝酸鹽氮供耗平衡，相比于現(xiàn)有系統(tǒng)，本發(fā)明運(yùn)行更為穩(wěn)定，啟動時間短。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的裝置示意圖

圖2為本發(fā)明的反應(yīng)過程中pH和DO的變化曲線圖

具體實施方式

第一步，一體式自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)的建立

1.接種本實驗室培養(yǎng)的3.5L短程硝化污泥和3L厭氧氨氧化污泥加入總體積為8L，有效體積為7L的SBR反應(yīng)器中(見圖1)，接種后反應(yīng)器中污泥濃度為3480mgSS/L。

2.根據(jù)所測定的亞硝酸鹽氮積累速率和消耗速率，確定SBR反應(yīng)器運(yùn)行方式是，每一個周期為：進(jìn)水20min，反應(yīng)360min(3個曝氣/缺氧段，每段曝氣時間30min，缺氧時間90min)，攪拌脫氣60min，沉淀30min，出水5min，閑置5min；每天3個周期，每一個周期為8個小時。

上述亞硝酸鹽氮積累速率測試：將高氨氮廢水加水稀釋通入到反應(yīng)器中使反應(yīng)器中氨氮濃度為150mg/L左右；控制反應(yīng)器溫度為33±1℃(具體溫度可根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行控制，本方法主要適用于溫度為30～35℃的高氨氮廢水)，溶解氧濃度為0.3～0.5mg/L，然后控制曝氣量恒定；在2h內(nèi)，每隔20min取一次水樣，測定氨氮和亞硝酸鹽氮的濃度，繪制氨氮降解曲線和亞硝酸鹽氮生成曲線，計算出氨氮氧化速率和亞硝酸鹽氮積累速率。

亞硝酸鹽氮消耗速率測試：上述實驗完成后，停止曝氣，使反應(yīng)器進(jìn)入缺氧狀態(tài)，在3h內(nèi)每隔30min取一次水樣，測定氨氮和亞硝酸鹽氮的濃度，繪制氨氮和亞硝酸鹽氮的降解曲線，計算氨氮和亞硝酸鹽氮的消耗速率。

根據(jù)上述所測得的亞硝酸鹽氮積累速率和亞硝酸鹽氮消耗速率，確定反應(yīng)器曝氣和缺氧時間，使曝氣段積累的亞硝酸鹽氮剛好能夠在缺氧段消耗。同時控制曝氣段結(jié)束時亞硝酸鹽氮積累量為20～30mg/L。每個SBR反應(yīng)階段設(shè)置3個曝氣/缺氧段，最后一個缺氧段結(jié)束后繼續(xù)攪拌一個小時以脫除污泥上附著的氣泡，保證污泥具有較好的沉降性能。

3.反應(yīng)器進(jìn)水為人工模擬高氨氮廢水，第一天啟動時進(jìn)水氨氮濃度為300mg/L，堿度為1500mg/L，每周期進(jìn)水體積為3L，充水比為0.43，進(jìn)入反應(yīng)器后氨氮濃度在150mg/L左右；曝氣段曝氣量控制在0.54L/min，反應(yīng)器中溶解氧為0.35mg/L左右；反應(yīng)器溫度通過水浴進(jìn)行控制，溫度為33±1℃；攪拌速度為200r/min。

人工模擬高氨氮廢水組成為：NH₄Cl 1146mg/L，NaHCO₃ 2700mg/L，MgSO₄·7H₂O 200mg/L，KH₂PO₄ 30mg/L，CaCl₂ 226mg/L，微量元素液I1.25mL/L，微量元素液Ⅱ1.25mL/L；配水采用自來水進(jìn)行配制。其中微量元素液I組成為：EDTA 5g/L，F(xiàn)eSO₄·7H₂O 5g/L。微量元素液Ⅱ組成為：EDTA 15mg/L，ZnSO₄·7H₂O 0.43mg/L，CoCl₂·6H₂0 0.24mg/L，MnCl₂·4H₂O 0.99mg/L，CuSO₄·5H₂O 0.25mg/L，NaMoO₄·2H₂O 0.22mg/L，NiCl·6H₂O 0.19mg/L，H₃BO₄0.014mg/L，NaSeO₄·10H₂O 0.21mg/L，NaWO₄·2H₂O 0.05mg/L。

第二步，反應(yīng)器的運(yùn)行維護(hù)及總氮負(fù)荷的快速提升

1.按第一步建立起一體式自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)后，通過在線pH、DO、氨氮電極對反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。其中氨氮電極用于監(jiān)測進(jìn)出水氨氮濃度，保證出水氨氮濃度在30mg/L左右。方法為：當(dāng)出水氨氮濃度過高時(大于50mg/L)，減小充水比，降低氨氮初始濃度；當(dāng)出水氨氮濃度過低時(小于10m/L)，提高充水比，增加氨氮初始濃度。DO電極用于監(jiān)測反應(yīng)器中的溶解氧濃度，防止過量曝氣的產(chǎn)生。溶解氧濃度為0.3～0.5mg/L可認(rèn)為反應(yīng)器正常運(yùn)行，若DO長時間超過0.5mg/L，應(yīng)結(jié)合在線pH、氨氮電極找出原因。主要有以下幾種情況：(1)pH在正常范圍內(nèi)，氨氮濃度低于10mg/L；此時應(yīng)停止曝氣，并在下一周期增加進(jìn)水氨氮濃度。(2)pH濃度很低；此時進(jìn)水堿度不足，氨氧化菌活性受到抑制，應(yīng)投加生石灰等提高進(jìn)水堿度值。(3)pH和氨氮濃度都正常；此時應(yīng)檢查曝氣系統(tǒng)有無故障，如無故障可能是進(jìn)水中有毒物質(zhì)造成氨氧化菌活性受到抑制，應(yīng)降低曝氣量。pH在線電極用于監(jiān)測反應(yīng)器中的pH變化，防止pH過高或者過低對污泥活性造成影響，為反應(yīng)器運(yùn)行故障的診斷和排除提供參考，同時，根據(jù)pH在反應(yīng)過程中的變化情況，可以確定缺氧段亞硝酸鹽氮完全消耗所需要的時間，為反應(yīng)器負(fù)荷的提升做參考。pH正常變化范圍為7～8。

2.反應(yīng)器運(yùn)行一段時間后(7～14天)，由pH在線電極監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，厭氧段pH呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其拐點可以認(rèn)為是亞硝酸鹽氮完全消耗的點(見圖2)。這是由于厭氧氨氧化菌有了一定的增殖，同時內(nèi)層為厭氧氨氧化菌，外層為氨氧化細(xì)菌的顆粒污泥逐步形成，厭氧氨氧化菌對溶解氧的適應(yīng)能力逐漸增強(qiáng)，并開始在曝氣階段去除一部分的氨氮和亞硝酸鹽氮。因此，曝氣段積累的亞硝酸鹽氮逐漸降低，而缺氧段厭氧氨氧化菌能夠消耗的亞硝酸鹽氮逐漸增多；這就造成曝氣段積累的亞硝酸鹽氮與缺氧段可消耗的亞硝酸鹽氮出現(xiàn)不平衡，當(dāng)拐點出現(xiàn)時間在厭氧段的前半段時，需要調(diào)整曝氣和缺氧時間使其重新達(dá)到平衡。具體方法如下：在曝氣段間隔相同時間取4個水樣，測定氨氮，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度，計算亞硝酸鹽氮積累速率；在缺氧段間隔相同時間取6個水樣測定氨氮，亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮濃度，計算亞硝酸鹽氮消耗速率。根據(jù)積累速率和消耗速率的比值確定曝氣缺氧時間，使曝氣段積累的亞硝酸鹽氮恰好能夠在缺氧段消耗完。此時，需要提高充水比，增加反應(yīng)器中初始氨氮濃度，以保證出水氨氮濃度在30mg/L左右，防止氨氮濃度不足時溶解氧濃度升高造成亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的增殖。

3.當(dāng)反應(yīng)器中初始氨氮濃度增加到300mg/L時，再次增加氨氮濃度會對厭氧氨氧化細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用?；蛘呤軓U水氨氮濃度的限制，初始氨氮濃度無法再提升，此時，保持進(jìn)水氨氮濃度和曝氣時間不變，通過縮短缺氧時間的方式使曝氣段亞硝酸鹽氮積累量和缺氧段消耗量達(dá)到平衡，同時縮短水力停留時間(HRT)，增加進(jìn)水氨氮負(fù)荷，使脫氮負(fù)荷進(jìn)一步提高，從而提高總氮去除負(fù)荷。按照這種方式運(yùn)行，反應(yīng)器總氮去除負(fù)荷可快速達(dá)到1kgN/(m³﹒d)。

根據(jù)反應(yīng)器進(jìn)水氨氮濃度和曝氣/缺氧時間的不同，反應(yīng)器運(yùn)行可分為3個階段：階段I對應(yīng)0～7d，每天3個周期，每一個周期為8個小時，周期設(shè)定為進(jìn)水20min，反應(yīng)360min(3個曝氣/缺氧段，每段曝氣時間30min，缺氧時間90min)，攪拌脫氣60min，沉淀30min，出水5min，閑置5min；階段Ⅱ?qū)?yīng)7～17d，每天3個周期，每一個周期為8個小時，周期設(shè)定為進(jìn)水20min，反應(yīng)360min(3個曝氣/缺氧段，每段曝氣時間45min，缺氧時間75min)，攪拌脫氣60min，沉淀30min，出水5min，閑置5min；階段Ⅲ對應(yīng)17～27d，每天3個周期，每一個周期為8個小時，周期設(shè)定為進(jìn)水20min，反應(yīng)360min(3個曝氣/缺氧段，每段曝氣時間60min，缺氧時間60min)，攪拌脫氣60min，沉淀30min，出水5min，閑置5min。各階段反應(yīng)器運(yùn)行情況如下:

表1各階段反應(yīng)器的運(yùn)行參數(shù)及脫氮負(fù)荷

根據(jù)以上方式運(yùn)行，第三階段反應(yīng)器出水平均氨氮濃度為30mg/L，氨氮去除率在90％以上；出水硝酸鹽氮50mg/L左右，出水總氮80±20mg/L，總氮去除率可達(dá)80％以上，總氮去除負(fù)荷為0.63kgN/(m³﹒d)，達(dá)到反應(yīng)器設(shè)定的目標(biāo)，反應(yīng)器啟動成功。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，按本發(fā)明所述方法啟動反應(yīng)器，總氮去除負(fù)荷并不限于上述實施例中的0.63kgN/(m³﹒d)，根據(jù)實際污水處理的需要，采用上述方法，總氮負(fù)荷可達(dá)1kgN/(m³﹒d)。