公布日：2023.11.07
申请日：2023.08.31
分类号：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
本发明提供了一种低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，本发明方法一体式淹没式生物滤池(SBAF反应器)中利用单级硝化、反硝化来处理氨氮废水，包括步骤，污泥接种、污泥挂膜、系统启动、稳定运行，在污泥接种时控制选择符合微生物群落分布的污泥，在系统启动过程中，以一体式淹没式生物滤池(SBAF反应器)中的污泥中微生物群落分布作为系统启动成功的标志，在输入待处理高浓度氨氮废水处理期间使得好氧硝化菌和厌氧反硝化菌能够更稳定的符合上述微生物群落分布，系统的稳定性更好，使得稳定运行的时间更长，稳定运行期间无需更换污泥重新启动，连续运行的时间更长，能够至少达到250天以上，减少了更换污泥重新启动的频率。
权利要求书
1.一种低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将经空气曝气后的种泥接种至一体式淹没式生物滤池中，所述种泥中微生物的群落包括：酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度为10.68％～11.80％，放线菌门(Actinobacteria)的丰度为5.81％～6.41％，拟杆菌门(Bacteroidetes)的丰度为13.35％～14.75％，绿弯菌门(Chloroflexi)的丰度为16.64％～18.39％，广古菌门(Euryarchaeota)的丰度为1.10％～1.20％，厚壁菌门(Firmicutes)的丰度为14.77％～16.31％，芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的丰度为2.40％～2.65％，变形杆菌门(Proteobacteria)的丰度为24.20％～26.74％，以及疣微菌门(Verrucomicrobia)的丰度为1.91％～2.11％；(2)向一体式淹没式生物滤池中通入惰性气体进行生物挂膜，污泥颜色由黄褐色变为黑褐色停止惰性气体通入并静置后排出多余污泥；(3)向一体式淹没式生物滤池的反应体系中输入模拟氨氮废水同时微氧曝空气进行系统启动，控制反应体系中DO为0.6～0.8mg/L，pH值为6.7～8.0，水温控制在30.0～31.5℃范围内，水力停留时间控制为18～24h；所述模拟氨氮废水的参数包括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，磷浓度为6.7～8.3mg/L，所述模拟氨氮废水中还含有钾、镁、钙、钠、铁、锰、铜、锌、钴元素，多批次输入模拟氨氮废水，当一体式淹没式生物滤池中活性污泥中的微生物群落符合以下条件时，系统启动成功；所述一体式淹没式生物滤池中活性污泥中的微生物群落包括以下丰度的微生物：酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度为4.28％～4.45％，放线菌门(Actinobacteria)的丰度为1.18％～1.23％，拟杆菌门(Bactcroidetes)的丰度为21.90％～22.79％，绿菌门(Chlorobi)的丰度为4.32％～4.49％，绿弯菌门(Chloroflexi)的丰度为1.69％～1.76％，厚壁菌门(Firmicutes)的丰度为48.12％～50.08％，梭杆菌门(Fusobacteria)的丰度为2.04％～2.12％，芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的丰度为1.32％～1.37％，变形杆菌门(Proteobacteria)的丰度为11.70％～12.17％；(4)向步骤(3)中系统启动成功的一体式淹没式生物滤池中输入待处理高浓度氨氮废水，并稳定运行。
2.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，其特征在于，步骤(1)中，所述种泥中微生物的群落包括：酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度为11.24％，放线菌门(Actinobacteria)的丰度为6.11％，拟杆菌门(Bacteroidetes)的丰度为14.05％，绿弯菌门(Chloroflexi)的丰度为17.52％，广古菌门(Euryarchaeota)的丰度为1.15％，厚壁菌门(Firmicutes)的丰度为15.54％，芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的丰度为2.53％，变形杆菌门(Proteobacteria)的丰度为25.47％，以及疣微菌门(Verrucomicrobia)的丰度为2.01％。
3.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，其特征在于，所述步骤(1)中，曝气后种泥的污泥浓度为15000～23000mg/L，曝气后种泥的MLSS为10000～13000mg/L范围内，曝气后种泥的MLVSS在4000～4500mg/L，曝气后种泥的pH值在6.0～8.0。
4.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中，活性污泥中的微生物群落包括以下丰度的微生物：酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度为4.37％，放线菌门(Actinobacteria)的丰度为1.21％，拟杆菌门(Bactcroidetes)的丰度为22.35％，绿菌门(Chlorobi)的丰度为4.41％，绿弯菌门(Chloroflexi)的丰度为1.73％，厚壁菌门(Firmicutes)的丰度为49.1％，梭杆菌门(Fusobacteria)的丰度为2.08％，芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的丰度为1.35％，变形杆菌门(Proteobacteria)的丰度为11.94％。
5.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，其特征在于，所述步骤(4)中，待处理高浓度废水中NH4+-N的浓度不低于100mg/L。
6.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，其特征在于，所述步骤(4)中，控制反应体系中DO为0.6～0.8mg/L，pH为6.2～8.2，水温为29.4～31.5℃范围内，水力停留时间为18～20h。
7.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中，模拟氨氮废水中包括以下成分：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浓度分别为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.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中，挂膜种泥用量与一体式淹没式生物滤池有效体积比为1:2。
9.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述惰性气体为氮气或者氦气，通入惰性气体控制一体式淹没式生物滤池中的气压为0.2～0.5Mpa，通气时间为24～72h，静置时间为1～2h；所述一体式淹没式生物滤池中设置有组合填料，所述组合填料由填料单片、塑料套管、中心铜管丝三部分组成，所述组合填料的结构是将塑料圆片压扣成双圈大塑料环，将涤纶丝压在双圈大塑料环的环圈上，使纤维束均匀分布；双圈大塑料环的内圈是雪花状塑料枝条。
10.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，其特征在于，所述步骤(3)中，不排出底泥；所述步骤(4)中，不排出底泥，所述步骤(4)中的稳定运行时间至少为250天。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种低碳氮比废水的生物脱氮处理方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将经空气曝气后的种泥接种至一体式淹没式生物滤池中，所述种泥中微生物的群落包括：酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度为10.68％～11.80％，放线菌门(Actinobacteria)的丰度为5.81％～6.41％，拟杆菌门(Bacteroidetes)的丰度为13.35％～14.75％，绿弯菌门(Chloroflexi)的丰度为16.64％～18.39％，广古菌门(Euryarchaeota)的丰度为1.10％～1.20％，厚壁菌门(Firmicutes)的丰度为14.77％～16.31％，芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的丰度为2.40％～2.65％，变形杆菌门(Proteobacteria)的丰度为24.20％～26.74％，以及疣微菌门(Verrucomicrobia)的丰度为1.91％～2.11％；
(2)向一体式淹没式生物滤池中通入惰性气体进行生物挂膜，污泥颜色由黄褐色(PGB(115，74，18))变为黑褐色(PGB(41，36，33))停止惰性气体通入并静置后排出多余污泥；
(3)向一体式淹没式生物滤池的反应体系中输入模拟氨氮废水同时微氧曝空气进行系统启动，控制反应体系中DO为0.6～0.8mg/L，pH值为6.7～8.0，水温控制在30.0～31.5℃范围内，水力停留时间控制为18～24h；所述模拟氨氮废水的参数包括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，磷浓度为6.7～8.3mg/L，所述模拟氨氮废水中还含有钾、镁、钙、钠、铁、锰、铜、锌、钴元素，多批次输入模拟氨氮废水，当一体式淹没式生物滤池中活性污泥中的微生物群落符合以下条件时，系统启动成功；
所述一体式淹没式生物滤池中活性污泥中的微生物群落包括以下丰度的微生物(相对丰度大于％)：酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度为4.28％～4.45％，放线菌门(Actinobacteria)的丰度为1.18％～1.23％，拟杆菌门(Bactcroidetes)的丰度为21.90％～22.79％，绿菌门(Chlorobi)的丰度为4.32％～4.49％，绿弯菌门(Chloroflexi)的丰度为1.69％～1.76％，厚壁菌门(Firmicutes)的丰度为48.12％～50.08％，梭杆菌门(Fusobacteria)的丰度为2.04％～2.12％，芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的丰度为1.32％～1.37％，变形菌门(Proteobacteria)的丰度为11.70％～12.17％；
(4)向步骤(3)中系统启动成功的一体式淹没式生物滤池中输入待处理高浓度氨氮废水，并稳定运行。
发明人在研究一体式淹没式生物滤池(SBAF反应器)中利用单级硝化、反硝化来处理氨氮废水的方法时，发现现有的一体式单级硝化、反硝化来处理氨氮废水的方法，在启动后，稳定运行时间短，最多在运行120～150天后，氨氮、总氮的去除率下降显著，然后不得不更新污泥重新启动。发明人经过研究发现，控制接种活性污泥中微生物的分布群落，并且在输入模拟氨氮废水启动期间，通过研究控制不同的启动成功的标志，发现以一体式淹没式生物滤池(SBAF反应器)的污泥中的微生物群落分布作为启动成功的标志，在输入待处理高浓度氨氮废水处理期间使得好氧硝化菌和厌氧反硝化菌能够更稳定的符合上述微生物群落分布，系统的稳定性更好，使得稳定运行的时间更长。研究发现，一体式淹没式生物滤池中活性污泥中的微生物群落包括以下丰度的微生物(相对丰度大于％)：酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度为4.28％～4.45％，放线菌门(Actinobacteria)的丰度为1.18％～1.23％，拟杆菌门(Bactcroidetes)的丰度为21.90％～22.79％，绿菌门(Chlorobi)的丰度为4.32％～4.49％，绿弯菌门(Chloroflexi)的丰度为1.69％～1.76％，厚壁菌门(Firmicutes)的丰度为48.12％～50.08％，梭杆菌门(Fusobacteria)的丰度为2.04％～2.12％，芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的丰度为1.32％～1.37％，变形菌门(Proteobacteria)的丰度为11.70％～12.17％作为本发明低碳氮比废水的生物脱氮处理方法第(3)步中系统成功启动的标志，启动时间稍微延长，在45～50天左右，此时氨氮转化率超过90.0％、总氮去除率超过70.0％，但控制微生物群落分布，启动成功后，输入待处理高浓度氨氮废水稳定运行，微生物群落分布基本保持不变，稳定运行期间无需更换污泥重新启动，连续运行的时间更长，能够至少达到250天，上述种泥、生物滤池中活性污泥所列微生物并非种泥、生物滤池中活性污泥中的全部微生物，但只需控制种泥、生物滤池中活性污泥包含上列微生物并是生物群落丰度符合上列即可实现发明目的。
优选地，步骤(1)中，所述种泥中微生物的群落包括：酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度为11.24％，放线菌门(Actinobacteria)的丰度为6.11％，拟杆菌门(Bacteroidetes)的丰度为14.05％，绿弯菌门(Chloroflexi)的丰度为17.52％，广古菌门(Euryarchaeota)的丰度为1.15％，厚壁菌门(Firmicutes)的丰度为15.54％，芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的丰度为2.53％，变形菌门(Proteobacteria)的丰度为25.47％，以及疣微菌门(Verrucomicrobia)的丰度为2.01％。
优选地，所述步骤(1)中，曝气后种泥的污泥浓度为15000～23000mg/L，曝气后种泥的MLSS为10000～13000mg/L范围内，曝气后种泥的MLVSS在4000～4500mg/L，曝气后种泥的pH值在6.0～8.0。
发明人通过研究发现，接种的上述种泥，包含不同类的好氧硝化菌和厌氧反硝化菌，对氨氮废水中氨氮、总氮的去除效率更高，稳定运行时间更长。
优选地，所述步骤(3)中，活性污泥中的微生物群落包括以下丰度的微生物：
酸杆菌门(Acidobacteria)的丰度为4.37％，放线菌门(Actinobacteria)的丰度为1.21％，拟杆菌门(Bactcroidetes)的丰度为22.35％，绿菌门(Chlorobi)的丰度为4.41％，绿弯菌门(Chloroflexi)的丰度为1.73％，厚壁菌门(Firmicutes)的丰度为49.1％，梭杆菌门(Fusobacteria)的丰度为2.08％，芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的丰度为1.35％，变形菌门(Proteobacteria)的丰度为11.94％。
优选地，所述步骤(4)中，待处理高浓度废水中NH4+-N的浓度不低于100mg/L。
上述低碳氮比废水的生物脱氮处理方法能够处理NH4+-N的浓度不低于100mg/L的氨氮废水，高浓度氨氮废水中的氨氮转化率为84.4％～100.0％、氨氮平均转化率不低于96.0％；高浓度氨氮废水中总氮去除率为77.8％～98.3％，总氮平均去除率不低于88.2％。
优选地，所述步骤(4)中，控制反应体系中DO为0.6～0.8mg/L，pH为6.2～8.2，水温为29.4～31.5℃范围内，水力停留时间为18～20h。
优选地，所述步骤(3)中，模拟氨氮废水中包括以下成分：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浓度分别为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。
优选地，所述步骤(1)中，种泥用量与一体式淹没式生物滤池有效体积比为1:1。
优选地，所述步骤(2)中，所述惰性气体为氮气或者氦气，通入惰性气体控制一体式淹没式生物滤池中的气压为0.2～0.5Mpa，通气时间为24～72h，静置时间为1～2h。
优选地，所述一体式淹没式生物滤池中设置有组合填料，所述组合填料由填料单片、塑料套管、中心铜管丝三部分组成，所述组合填料的结构是将塑料圆片压扣成双圈大塑料环，将涤纶丝压在双圈大塑料环的环圈上，使纤维束均匀分布；双圈大塑料环的内圈是雪花状塑料枝条。
上述一体式淹没式生物滤池中设置有组合填料，既能挂膜，又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率，因而水气生物膜得到充分交换，使得水中的氮素得到高效处理。
优选地，所述步骤(3)中，不排出底泥；所述步骤(4)中，不排出底泥。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种低碳氮比废水的生物脱氮处理方法，本发明的低碳氮比废水的生物脱氮处理方法通过控制接种活性污泥中微生物的分布群落，并且在输入模拟氨氮废水启动期间，以一体式淹没式生物滤池(SBAF反应器)的污泥中的微生物群落分布作为启动成功的标志，在输入待处理高浓度氨氮废水处理期间使得好氧硝化菌和厌氧反硝化菌能够更稳定的符合上述微生物群落分布，系统的稳定性更好，使得稳定运行的时间更长，稳定运行期间无需更换污泥重新启动，连续运行的时间更长，能够至少达到250天以上，减少了更换污泥重新启动的频率。
本发明的低碳氮比废水的生物脱氮处理方法与现有技术相比，还具有以下优势：
(1)工艺性能的整体优越。常规生物脱氮技术采用硝化-反硝化组合方法，于两个不同反应器内分别运行。在实际污泥驯化与运行中，不同反应器的环境条件参数差异较大，且存在氨氮硝化效果较好，但反硝化能力有限、工艺流程长、耗氧和有机碳源需求量大、剩余污泥产量高等常规问题，导致硝化-反硝化整体生化技术对含氨氮废水的处理效果受限。本发明技术选用的一体化SABF反应装置富集Firmicutes和Bacteroidetes，可在同一反应器内有效实现氨氮和总氮去除，且节约62.5％耗氧量、节省100％有机碳源和50％耗碱量、工艺流程减半、污泥产生量减少90％，这些均体现出该生物脱氮方法在技术和经济上的优势。
(2)脱氮性能的有效提升。常规硝化反硝化生物脱氮在启动和运行时，采用控制温度、溶解氧、进水氨氮负荷、水力停留时间等方式，使得氨氮转化率约为80％，总氮去除率约为67％之间。本发明技术在此基础上，在系统启动、稳定运行这两个不同阶段，分别对体系内温度、溶解氧、pH、水力停留时间进行参数调整，且体系全程不需排泥。该体系在启动期间，氨氮转化率从22.7％提升至100.0％，总氮去除率从0.0％提升至89.0％。在运行期间，氨氮转化率在76.3～100.0％，平均转化率为96.0％，总氮去除率在68.0～96.5％，平均去除率为88.1％。这在技术上已体现出本发明的优越性。
(3)反应副产物的有效抑制。传统硝化-反硝化生物脱氮在运行过程中，因为游离氨和游离亚胺的存在，硝化菌的生长富集会受到影响，因此硝化反应不完全，这会影响该反应体系的氨氮去除性能。本发明技术在系统启动、稳定运行这两个阶段，分别对体系内温度、溶解氧、pH、水力停留时间进行参数调整，可以有效稳定好氧亚硝化菌和硝化菌的活性与生长，提升氨氮的平均去除率，这对于提升生物脱氮性能有着显著的促进作用。
(4)有机碳源的节省。传统硝化-反硝化生物脱氮在运行过程中，反硝化阶段需要消耗大量有机碳源，才能保证反硝化细菌的正常生长繁殖，确保反硝化的高效运行。本发明技术在一体化SABF反应体系内运行，不需要消耗有机碳源，即可保证Firmicutes和Bacteroidetes的有效生长繁殖，确保反硝化的顺利运行，从而稳定总氮的去除性能。
(5)技术应用的有效拓展。传统硝化-反硝化生物脱氮在启动和运行时，对温度、溶解氧、进水氨氮负荷、水力停留时间等关键条件控制在很严格窄阈的范围内，这对实际工程中的自控设备的设计精密度和运营人员的技能水平要求很高。本发明技术针对系统启动、稳定运行这两个不同阶段对条件参数范围的需求不同，分别对体系内温度、溶解氧、pH、水力停留时间进行参数调整(阈值范围有一定拓展)，来提升反应体系的脱氮性能，这对于实际工程中的自控设备设计调控和运营人员技能水平有着更为切实有效的可行性，从而更有助于该技术的广泛应用。
(6)技术运行成本的优化。本发明技术在启动和运行时，可有效节约土建成本(工艺流程减半)，减少62.5％耗氧量和能耗成本，节省100％有机碳源和50％耗碱量，减少90％污泥产量。本发明技术不仅具有以上优点，而且在启动和运行时，污泥产量极低，整个流程中不需要排除剩余污泥，这对于污泥减量化、碳达峰和碳中和具有重要意义。
（发明人：岳秀;萧晓彤;邝培霖;柯泽健;赖敏成）
