基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)及其啟動方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及污水處理領(lǐng)域，具體為基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)及其啟動方法，配水池的出水管、U型水槽分別通過管道與兼氧段砂濾層連接；兼氧段砂濾層上安裝有在線溶氧儀；兼氧段砂濾層底部為礫石層，礫石層有兼氧段出水管；礫石層下方為隔水底板，隔水底板下方為厭氧段砂濾層，厭氧段砂濾層與隔水底板之間留有空腔，空腔有排氣孔；空腔還有厭氧段進水口,厭氧段進水口與兼氧段出水管連接；厭氧段砂濾層底部為下礫石層，下礫石層連接有厭氧段高位排水口；下礫石層下方為底座。該快速滲濾系統(tǒng)省略了后續(xù)亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮，節(jié)省了曝氣量，降低了能耗，污水中的有機物可最大限度地進行回收產(chǎn)甲烷，反應容積也減少。
【專利說明】
基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)及其啟動方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及污水處理領(lǐng)域，具體為基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)及 其啟動方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 針對小城鎮(zhèn)生活污水和受污染地表水的污水處理技術(shù)一人工快速滲濾系統(tǒng) (Constructed Rapid Infiltration system，簡稱CRI系統(tǒng))是中國地質(zhì)大學鐘佐燊教授在 快滲系統(tǒng)(RI)基礎上建立的一種新的污水生態(tài)處理方法。它由格柵池、預沉池、快滲池和出 水系統(tǒng)等組成。快滲池中填充一定高度的人工濾料，采用干濕交替的運轉(zhuǎn)方式進行污水處 理，水力負荷周期較短，即頻繁淹水頻繁落干，水力負荷為。介質(zhì)內(nèi)干濕交替的獨特環(huán)境使 得微生物菌十分豐富，且兼?zhèn)浜醚?、厭氧、兼氧的作用，廢水處理效果優(yōu)秀，C0DCT、氨氮、SS和 LAS的去除率均在85%以上，但CRT系統(tǒng)對總氮(TN)的去除率較低，僅10-30%，不能達標排 放，限制了 CRI的進一步推廣。
[0003] 針對CRI系統(tǒng)中氨氮去除率較高，而TN去除率較低的問題，許多學者專家進行了 CRI系統(tǒng)改進實驗，比如:在CRI系統(tǒng)中后置反硝化階段添加緩釋碳源(趙福祥等）；采用循環(huán) 砂濾，添加二外碳源（CHristopherson · S. H);選擇適當?shù)姆侄芜M水位置及進水比例提高 CRI系統(tǒng)對氮的去除率等。
[0004] 除添加額外碳源之外，分段進水或串聯(lián)對總氮的去除效果都不甚明顯，且曾大了 操作難度以及資金投入，至今仍沒有得到廣泛推廣的方式方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對傳統(tǒng)CRI系統(tǒng)氨氮去除率很高，總氮去除率很低的問題，本發(fā)明提供一種基于 厭氧氨氧化的兩段式人工快滲系統(tǒng)，結(jié)合短程硝化與厭氧氨氧化工藝，達到脫氮的目的。
[0006] 基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)，包括以下基本原理：
[0007]
[0008] 氨氮(順4+)在短程硝化段約50%被轉(zhuǎn)化為勵2一，在厭氧氨氧化段順4+與勵2一在厭氧 氨氧化菌(AnAOB)的作用下，反應生成他和少量的NOf。
[0009] 基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)，包括配水池、U型水槽，配水池的出 水管上連接有單向閥和水栗;水栗由繼電器控制；
[0010]配水池的出水管、U型水槽分別通過管道與兼氧段砂濾層連接;兼氧段砂濾層上安 裝有在線溶氧儀;兼氧段砂濾層底部為礫石層，礫石層有兼氧段出水管，兼氧段出水管上有 止水閥;礫石層下方為隔水底板，隔水底板下方為厭氧段砂濾層，厭氧段砂濾層與隔水底板 之間留有空腔，空腔有排氣孔；空腔還有厭氧段進水口，厭氧段進水口與兼氧段出水管連 接;厭氧段砂濾層底部為下礫石層，下礫石層連接有厭氧段高位排水口；下礫石層下方為底 座。
[0011] 基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)的啟動方法，包括以下過程：
[0012] 配水池的出水管與厭氧段砂濾層上方空腔的厭氧段進水口連接，配水池放入實驗 配置廢水，調(diào)配實驗配置廢水的初始濃度為：亞硝酸鹽初始濃度16_40mg/L，氨氮濃度14- 34mg/L，配水池內(nèi)用恒溫水浴加熱棒將實驗配置廢水保持在36 °C左右，用Na2C03將實驗配置 廢水pH調(diào)配在7.5-8.0;在厭氧段砂濾層接種氨氧化污泥;待短程硝化段與厭氧氨氧化段穩(wěn) 定啟動以后，再將配水池的出水管與兼氧段砂濾層連接;兼氧段砂濾層安裝在厭氧段砂濾 層上方，厭氧段砂濾層空腔的厭氧段進水口與兼氧段出水管連接。
[0013]其中，所述的實驗配置廢水成分:KH2P〇4 10mg/L，CaCl2.H20 5.6mg/L，MgS〇4· 7H20300mg/L，KHC03 1250mg/L;微量元素濃縮液I、II各1 · 25mL/L;微量元素濃縮液I的成分 為:EDTA 5g/L，F(xiàn)eS〇4 5g/L;微量元素濃縮液II的成分為：EDTA 15g/L，H3B〇4 0.014g/L， MnCh · 4H20 0.99g/L，CuS〇4 · 5H20 0.25g/L，ZnS〇4 · 7H20 0.43g/L，NiCl2 · 6H2O 0.19g/L， NaSe〇4· IOH2O 0.21g/L，NaMo〇4.2H20 0.22g/L;NH4+-N和NO2--N以（NH4)2S〇4和NaN〇2提供， 濃度根據(jù)需求調(diào)配。
[0014] 本發(fā)明提供的基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)及其啟動方法，由于厭 氧氨氧化工藝是在厭氧條件下直接將氨氮和亞硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣，同時在好氧段只需將部 分氨氮氧化為亞硝態(tài)氮，省略了后續(xù)亞硝態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮，所以節(jié)省了曝氣量，降低了能 耗。同時厭氧氨氧化菌將傳統(tǒng)煩硝化過程所需要的外加碳源全部省略，污水中的有機物可 最大限度地進行回收產(chǎn)甲烷，而不是被氧化成二氧化碳。另外由于反應流程大大減少，反應 容積也將大大減少，將節(jié)約30 %以上反應容積。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖2是本發(fā)明的厭氧氨氧化段啟動示意圖。
【具體實施方式】
[0017] 結(jié)合【附圖說明】本發(fā)明【具體實施方式】。
[0018] 如圖1所示，基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)，包括配水池2、U型水槽 6,配水池2的出水管上連接有單向閥3和水栗4;水栗4由繼電器5控制；
[0019] 配水池2的出水管、U型水槽6分別通過管道與兼氧段砂濾層8連接;兼氧段砂濾層8 上安裝有在線溶氧儀7;兼氧段砂濾層8底部為礫石層9，礫石層9有兼氧段出水管，兼氧段出 水管上有止水閥11;礫石層9下方為隔水底板10,隔水底板10下方為厭氧段砂濾層13,厭氧 段砂濾層13與隔水底板10之間留有空腔，空腔有排氣孔12;空腔還有厭氧段進水口，厭氧段 進水口與兼氧段出水管連接;厭氧段砂濾層13底部為下礫石層14,下礫石層14連接有厭氧 段高位排水口 16;下礫石層14下方為底座15。
[0020] 配水池2中將采集的生活廢水1的氨氮濃度調(diào)配在適宜濃度(40-60mg/L)，pH調(diào)配 在7.5-8，由水栗4定時定量輸送至短程硝化段。
[0021] U型水槽6的作用是限制每一次進水、出水過程中兼氧段砂濾層與大氣之間的空氣 交換量，限制空氣中氧的進入量。
[0022]在線溶氧儀7檢測短程硝化段內(nèi)氧氣含量，通過反饋調(diào)節(jié)U型水槽6的水量，使氧氣 含量為大氣中氧的1/3左右。
[0023]兼氧段砂濾層8,實現(xiàn)氨氮的短程硝化段，厚度80cm，填料為天然砂、大理石砂子和 沸石砂按體積比85 :5:10混合制成。在空氣氧氣含量為大氣1/3時，砂濾層水中溶解氧為 0.5-2mg/L(溶解氧濃度在砂濾層中從上至下遞減），在低氧和較高pH條件下，系統(tǒng)內(nèi)氨氧化 菌(Α0Β)較活躍而亞硝酸氧化菌(Ν0Β)受到抑制，發(fā)生短程硝化，約50%的NH4_轉(zhuǎn)化為N〇2一， 與全程硝化相比，節(jié)約60%需氧量。
[0024] 礫石層9，粒徑5-15mm，厚度10cm，防止出水□被細砂堵塞。
[0025]止水閥11，在厭氧段需要進行操作一些情況下可止住兼氧段水。
[0026]排氣孔12,排出反硝化產(chǎn)生的氮氣。
[0027]厭氧段砂濾層13,實現(xiàn)厭氧氨氧化段，厚度80cm，填料為級配良好的的天然河沙， 在無氧條件下，NH4+為還原劑，N〇2^為氧化劑，被厭氧氨氧化菌合成為N2，經(jīng)上部排氣孔排 出。
[0028] 下礫石層14,粒徑5-15mm，厚度10cm，防止出水口被細砂堵塞。
[0029] 厭氧段高位排水口 16，抬高水位面，使厭氧氨氧化段飽水厭氧。
[0030] U型水槽6工作原理：由于整個短程硝化段相對封閉，進水時內(nèi)部壓力增大，迫使U U型水槽6與短程硝化段聯(lián)通側(cè)（圖中左側(cè))水進入與大氣聯(lián)通測（圖中右側(cè)），直至水被完全 排至一側(cè)時，部分空氣溢出；出水時，短程硝化段由于水量排出，內(nèi)部形成負壓，U型水槽右 側(cè)水進入左側(cè)，直至水全部進入左側(cè)時，部分空氣進入左側(cè)。通過控制U型水槽內(nèi)水量可以 控制空氣交換量，水量越多，則空氣進入量越少，設計水量為進水量的1/3-1/2。
[0031] 本發(fā)明提供的基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)，實現(xiàn)亞硝酸鹽(MV) 的積累，通過減少CRI系統(tǒng)內(nèi)部與大氣之間空氣交換量實現(xiàn)缺氧。有研究表明當溶解氧被控 制在0.5-3. Omg/L時，可實現(xiàn)亞硝酸鹽的穩(wěn)定積累，水中溶解氧與大氣中氧氣分壓有如下關(guān) 系：
[0032] D0 = 1.117X10-6e1746.5/T+273.15P(〇2) (1)
[0033] 式中：
[0034] DO--水中氧氣溶解量，單位mg/L;
[0035] T一一溫度，單位。C;
[0036] p(〇2)--氧氣分壓，單位Pa。
[0037] 由式（1)可知，室溫25°C時，若要達到飽和溶解氧2.5mg/L，氧氣分壓需要達到 6631.5pa，大氣壓中氧氣分壓21270pa，也就是需要達到大氣氧氣濃度約1/3的水平，試驗中 將控制在1/3到1/2之間(避免過大影響C0D去除率）。
[0038]根據(jù)菲克第一定律：
[0039] (2)
[0040] 式中：
[0041 ] ~--濃度梯度，單位距離濃度的變化量(mol/m4);
[0042] J--擴散通量，單位時間內(nèi)通過單位截面的質(zhì)點數(shù)(mol/s · m2);
[0043] D一一擴散系數(shù)，單位濃度梯度的擴散量(m2/S);
[0044] C--質(zhì)點數(shù)濃度，單位體積質(zhì)量數(shù)(mol/m3)。
[0045]由式(2)中可知，當擴散距離非常短，而濃度變化較大時，擴散通量將急劇增大。人 工快滲系統(tǒng)中砂礫表面水膜非常薄，可認為膜內(nèi)溶解氧一直處于接近飽和的狀態(tài)。即通過 控制空氣中氧氣分壓可以間接控制CRI系統(tǒng)中砂礫水膜溶解氧量。在缺氧條件下NH4+在氨氧 化菌(Α0Β)作用下發(fā)生短程硝化，產(chǎn)生亞硝酸鹽(NOf)，而亞硝酸鹽氧化菌(Ν0Β)因缺氧活性 受到抑制，N〇2得到積累。
[0046] 在缺氧段約50%的NH4+被氧化成NOf，進入?yún)捬醵蜰H4+與Ν0Γ在厭氧氨氧化菌的作 用下生N2和N〇3-，實現(xiàn)脫氮。
[0047] 本發(fā)明提供的基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)，厭氧氨氧化的啟動很 快。短程硝化與厭氧氨氧化的啟動時間差距很大，因此將兩個過程分開啟動。厭氧氨氧化菌 的倍增時間很長(lld)，細胞產(chǎn)率極低(O.llgVSS/gNH/-N)，因此厭氧氨氧化段的啟動格外 緩慢，歷史上第一個生產(chǎn)性Anammox反應器的啟動過程長達3.5年（Van der Star WRL, AbmaffR,BlommersD,etal. Startup of reactors for anoxic ammonium oxidation: Experience from the first full-scale anammox reactor in Rotterdam.Water Res, 2007,41(18):4149-4163.)〇
[0048] 為克服厭氧氨氧化啟動慢這一問題，本發(fā)明提供的快速滲濾系統(tǒng)，通過投加少量 厭氧氨氧化污泥(短程硝化污泥、硝化煩硝化污泥、厭氧絮體污泥、厭氧顆粒污泥)加速厭氧 氨氧化段的啟動進程，將啟動時間縮短至60天以內(nèi)。待短程硝化段與厭氧氨氧化段穩(wěn)定啟 動以后，再將兩段組合起來。厭氧氨氧化段啟動示意圖如圖2所示。
[0049]采用實驗配制廢水，亞硝酸鹽濃度過高會抑制厭氧氨氧化菌的生長，亞硝酸鹽初 始濃度取16_40mg/L，氨氮濃度取14-34mg/L，有利于厭氧氨氧化菌的生長，待厭氧氨氧化啟 動并穩(wěn)定后可逐步提高，宜穩(wěn)定在70_80mg/L。同時配水池2用恒溫水浴加熱棒20加熱，使水 溫保持在36°C (厭氧氨氧化菌最適溫度為30-40°C)，使用Na2C03將pH調(diào)至7.5-8.0，增強厭氧 氨氧化菌的活性。
[0050] 實驗配置廢水成分：其組成（mg/L)為：KH2P〇4 10，CaCl2 · H20 5.6，MgS〇4 · 7H20 300，KHC03 1250;微量元素濃縮液I、II各1.25mL/L。微量元素濃縮液I的成分（g/L)為： EDTA5，F(xiàn)eS〇4 5;微量元素濃縮液II的成分（g/L)為：EDTA 15，H3B〇4 0.014，MnCl2.4H20 0.99,CuS04· 5H20 0.25,ZnS04· 7H20 0.43,NiCl2 · 6H20 0.19,NaSe04· 10H20 0.21, NaMo〇4 · 2H200 . 22。順4+，和NO2--N以（NH4)2S〇4和NaN02提供，濃度根據(jù)需求調(diào)配。
[0051] 水栗4將配水池2中的水定時定量地輸送至厭氧段砂濾層13。
[0052] 厭氧段砂濾層13,填料為級配良好的河沙，柱體內(nèi)接種活性污泥，包括短程硝化污 泥、硝化煩硝化污泥、厭氧絮體污泥、厭氧顆粒污泥，水力停留時間控制在16h，水力負荷 0·4m/d 〇
[0053] 為了解決厭氧氨氧化啟動慢的問題，在厭氧段砂濾層13接種污泥，減少厭氧氨氧 化菌(AnAOB)細胞數(shù)倍增時間，同時使用試驗配置廢水，調(diào)配其初始濃度(亞硝酸鹽初始濃 度取16-40mg/L，氨氮濃度取14-34mg/L)，用恒溫水浴加熱棒20將廢水保持在36°C左右，用 Na2C03將廢水pH調(diào)配在7.5-8.0，是AnAOB能良好地生長。
【主權(quán)項】
1. 基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)，其特征在于:包括配水池(2)、u型水槽 (6)，配水池(2)的出水管上連接有單向閥（3)和水栗(4);水栗(4)由繼電器(5)控制;配水池 (2)的出水管、U型水槽(6)分別通過管道與兼氧段砂濾層(8)連接;兼氧段砂濾層(8)上安裝 有在線溶氧儀(7);兼氧段砂濾層(8)底部為礫石層(9)，礫石層(9)有兼氧段出水管，兼氧段 出水管上有止水閥（11);礫石層(9)下方為隔水底板(10)，隔水底板(10)下方為厭氧段砂濾 層（13)，厭氧段砂濾層（13)與隔水底板(10)之間留有空腔，空腔有排氣孔(12);空腔還有厭 氧段進水口，厭氧段進水口與兼氧段出水管連接;厭氧段砂濾層(13)底部為下礫石層（14)， 下礫石層(14)連接有厭氧段高位排水口（16);下礫石層(14)下方為底座(15)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)的啟動方法，其 特征在于:包括以下過程： 配水池(2)的出水管與厭氧段砂濾層（13)上方空腔的厭氧段進水口連接，配水池（2)放 入實驗配置廢水，調(diào)配實驗配置廢水的初始濃度為:亞硝酸鹽初始濃度16_40mg/L，氨氮濃 度14-34mg/L，配水池（2)內(nèi)用恒溫水浴加熱棒（20)將實驗配置廢水保持在36°C左右，用 Na2C03將實驗配置廢水pH調(diào)配在7.5-8.0;在厭氧段砂濾層（13)接種氨氧化污泥;待短程硝 化段與厭氧氨氧化段穩(wěn)定啟動以后，再將配水池(2)的出水管與兼氧段砂濾層(8)連接;兼 氧段砂濾層(8)安裝在厭氧段砂濾層（13)上方，厭氧段砂濾層（13)空腔的厭氧段進水口與 兼氧段出水管連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于厭氧氨氧化型兩段式人工快速滲濾系統(tǒng)的啟動方法，其 特征在于：所述的實驗配置廢水成分:KH2P〇4 10mg/L，CaCl2 · H20 5.6mg/L，MgS〇4 · 7H20 300mg/L，KHC03 1250mg/L;微量元素濃縮液I、II各1 · 25mL/L;微量元素濃縮液I的成分為： EDTA 5g/L，F(xiàn)eS〇4 5g/L;微量元素濃縮液II的成分為：EDTA 15g/L，H3B〇4 0.014g/L， MnCh · 4H20 0.99g/L，CuS〇4 · 5H20 0.25g/L，ZnS〇4 · 7H20 0.43g/L，NiCl2 · 6H2O 0.19g/L， NaSe〇4· IOH2O 0.21g/L，NaMo〇4.2H20 0.22g/L;NH4+-N和NO2--N以（NH4)2S〇4和NaN〇2提供， 濃度根據(jù)需求調(diào)配。
【文檔編號】C02F3/04GK105836888SQ201610428030
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】許文來, 唐敏, 簡悅, 王璟, 黃愛民, 劉雅雪
【申請人】成都理工大學