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一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510981228.8

申請日:

2015.12.22

公開號:

CN105540844A

公開日:

2016.05.04

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):C02F 3/30申請日:20151222|||公開
IPC分類號: C02F3/30; C02F3/34 主分類號: C02F3/30
申請人: 安徽大學
發明人: 石先陽; 陶先超; 產丹丹; 汪博偉
地址: 230601 安徽省合肥市經濟技術開發區九龍路111號
優先權:
專利代理機構: 安徽匯樸律師事務所 34116 代理人: 洪玲
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510981228.8

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2019.03.05|||2016.06.01|||2016.05.04

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷方法,步驟包括:在MSBR的生物膜形成過程中,增加反硝化聚磷菌富集期,所述反硝化聚磷菌富集期的MSBR運行周期中,反應階段的運行方式為厭氧-缺氧-好氧,并在缺氧階段開始時添加硝態氮。本發明的基于MSBR的污水同步脫氮除磷方法可在單一反應器MSBR中富集硝化菌和反硝化聚磷菌,形成同步硝化反硝化除磷(SNDPR)反應體系,使一份碳源用于反硝化和除磷兩個過程,尤其對低碳/氮污水的同步脫氮除磷效果更佳,有利于提高污水氮磷去除效果和系統穩定性;該方法操作靈活、構造簡單、抗沖擊負荷強,且不需要反沖洗,維護費用低,確保MSBR反應系統更穩定。

權利要求書

1.一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷方法,所述MSBR序批式周期運行,每個運行
周期包括進水、反應、排水和閑置階段,所述反應階段的運行方式為厭氧-好氧-缺氧,其特
征在于,所述方法的步驟包括:在MSBR的生物膜形成過程中,增加反硝化聚磷菌富集期,
所述反硝化聚磷菌富集期的MSBR運行周期中,反應階段的運行方式為厭氧-缺氧-好氧,并
在缺氧階段開始時添加硝態氮。
2.根據權利要求1所述的一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷方法,其特征在于,所
述反硝化聚磷菌富集期的時間為MSBR運行的第30-56天。
3.根據權利要求1所述的一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷方法,其特征在于,所
述硝態氮的添加濃度為30mg/L。
4.根據權利要求1所述的一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷方法,其特征在于,所
述MSBR運行周期為480min,其中:進水15min、厭氧120min、好氧240min、缺氧60min、
排水5min、閑置40min。
5.根據權利要求1所述的一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷方法,其特征在于,所
述厭氧和缺氧階段輔助機械攪拌,所述機械攪拌的速率為110r/min。
6.根據權利要求1所述的一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷方法,其特征在于,所
述好氧階段的曝氣率為1L/min。

說明書

一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷方法

技術領域

本發明涉及的是一種污水處理方法,尤其涉及的是一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷
方法。

背景技術

市政污水、生活污水和部分工業廢水中存在較多的有機物及氮、磷等營養物質。含氮、
磷廢水的排放可引起水體富營養化,造成嚴重危害。相對于物理、化學等方法,生物法脫氮
除磷具有高效、經濟等優點。硝化菌和反硝化聚磷菌普遍存在于污水生物處理系統中,分別
在氮和磷的去除過程中起著重要作用。但污水中碳源比例較低、多種微生物競爭制約著傳統
生物脫氮除磷工藝效能的提升。

以懸浮填料上生長生物膜替代傳統序批式反應器(SBR)中的活性污泥,形成移動床序
批式反應器(Moving-bedSequenceBatchReactor,MSBR)。該反應器序批式運行,每個周期
設置進水、反應、沉淀、出水、閑置階段。污水進入反應器后,在反應階段,與懸浮填料充
分混合,懸浮填料上生長有生物膜,因溶解氧傳質作用,在生物膜中形成好氧區、缺氧區、
厭氧區,不同環境區域生長有不同功能的微生物,進行不同的生物反應。反應結束后經短暫
沉淀,處理后的水被排出反應器,而懸浮填料及其上生物膜被截留在反應器內。經一段時間
閑置,反應器重新進水進入下個運行周期。

污水中的氮主要以氨氮和蛋白質、尿素、胺類等有機氮形式存在,其中有機氮被異養菌
通過氨化作用轉化為氨氮。氨氮在好氧條件下被硝化菌(亞硝酸菌和硝酸菌)轉化為亞硝酸
鹽和硝酸鹽。在缺氧條件下,亞硝酸鹽和硝酸鹽作為電子受體,被反硝化菌還原為氮氣,達
到脫氮的目的。生物膜等系統因溶解氧梯度能夠同時提供硝化菌和反硝化菌生長的環境,使
硝化作用和反硝化作用在單一反應器中同時發生,即同步硝化反硝化。

MSBR作為一種生物膜系統,可實現在單一反應器中進行同步脫氮除磷,這種同步脫氮
除磷方法一般以厭氧好氧缺氧方式運行,在生物膜外部同時生長著硝化菌和聚磷菌,生物膜
內部為反硝化菌。但是,硝化菌與聚磷菌好氧時彼此競爭電子受體,影響硝化和聚磷效果;
同時厭氧期聚磷菌消耗大部分有機物,使反硝化階段缺乏可利用碳源,導致總氮去除率降低。
而我國南方等生活污水碳氮比普遍較低,尤其加劇了這一影響。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足,提供了一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷方
法,以解決傳統MSBR中硝化菌與聚磷菌好氧時彼此競爭電子受體,影響硝化和聚磷效果,
以及總氮去除率低等技術問題。

本發明是通過以下技術方案實現的:

本發明提供了一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷方法,所述MSBR序批式周期運行,
每個運行周期包括進水、反應、排水和閑置階段,所述反應階段的運行方式為厭氧-好氧-缺
氧,所述方法的步驟包括:在MSBR的生物膜形成過程中,增加反硝化聚磷菌富集期,所述
反硝化聚磷菌富集期的MSBR運行周期中,反應階段的運行方式為厭氧-缺氧-好氧,并在缺
氧階段開始時添加硝態氮,使聚磷菌在好氧之前以反硝化聚磷方式完成聚磷反應,富集聚磷
菌中的反硝化聚磷菌,最后好氧進行硝化反應。

所述反硝化聚磷菌富集期的時間為MSBR運行的第30-56天。

所述硝態氮的添加濃度為30mg/L。

所述MSBR運行周期為480min,其中:進水15min、厭氧120min、好氧240min、缺氧
60min、排水5min、閑置40min。

所述厭氧和缺氧階段輔助機械攪拌,所述機械攪拌的速率為110r/min。

所述好氧階段的曝氣率為1L/min。

本發明的原理為:本發明在MSBR生物膜形成過程中增加一段時間的厭氧-缺氧-好氧運
行過程,通過工藝的優化富集反硝化聚磷菌以替代生物膜同步硝化反硝化過程中的普通反硝
化菌,在單一反應器中同時富集硝化菌和反硝化聚磷菌,利用反硝化聚磷菌同步脫氮除磷可
使硝酸鹽還原和聚磷合成過程融為一體,只消耗相當于單獨生物脫氮或除磷所需有機物量,
即可達到氮和磷的同步去除,為解決有機物不足導致的脫氮除磷效率低下提供了一條新的思
路。該方法不但可提高碳/氮和碳/磷低時氮、磷的去除效率,亦可縮短工藝流程、減少構筑物。
此外利用還原的硝酸鹽代替氧氣作為吸收磷酸鹽的電子受體,節省了曝氣量,可降低能耗。
反硝化過程和除磷過程由一類菌完成,可減少污泥產量。

本發明相比現有技術具有以下優點:本發明提供了一種基于MSBR的污水同步脫氮除磷
方法,該方法在單一反應器MSBR中富集硝化菌和反硝化聚磷菌,形成同步硝化反硝化除磷
(SNDPR)反應體系,使一份碳源用于反硝化和除磷兩個過程,尤其對低碳/氮污水的同步脫
氮除磷效果更佳,有利于提高污水氮磷去除效果和系統穩定性。同步硝化反硝化除磷反應體
系能夠防止亞硝酸鹽和硝酸鹽積累,消除其對生物除磷的干擾,也可調節單獨硝化或反硝化
時的pH波動,確保MSBR反應系統更穩定。另外,該方法操作靈活、構造簡單、抗沖擊負
荷強,且不需要反沖洗,維護費用低。

附圖說明

圖1為典型周期內NH4+-N、NO2--N、NO3--N變化趨勢(A:第27天,B:第117天);

圖2為典型周期內VFA和TP變化趨勢(A:第27天,B:第117天);

圖3為反硝化除磷菌比例測定結果;

圖4為COD、NH4+-N、TN、TP的去除率結果。

具體實施方式

下面對本發明的實施例作詳細說明,本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施,
給出了詳細的實施方式和具體的操作過程,但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。

實施例1

一、實驗步驟

(1)接種廢水:

污泥取自合肥望塘污水處理廠氧化溝,經馴化接種于MSBR反應器中,MLSS控制為1
g/L。進水采用合成廢水,并按照第Ⅰ-Ⅲ不同階段,逐漸增加進水負荷,各階段接種的水質
成分見表1,用1mol/L的HCl和固體碳酸氫鈉調節pH至7.0左右。

表1:合成廢水水質


(2)第Ⅰ階段:生物膜初步形成期(第0-29天):

該時期以MSBR典型周期運行,即在運行周期中,反應階段的運行方式為厭氧-好氧-缺
氧,以在生物膜中富集硝化菌和聚磷菌;

(3)第Ⅱ階段:反硝化聚磷菌富集期(第30-56天)

該時期的MSBR運行周期中,反應階段的運行方式為厭氧-缺氧-好氧,并在缺氧階段開
始時添加硝態氮,所述硝態氮的添加濃度為30mg/L,使聚磷菌在好氧之前以反硝化聚磷方式
完成聚磷反應,富集聚磷菌中的反硝化聚磷菌,最后好氧進行硝化反應;

(4)第Ⅲ階段:生物膜成熟期(第57-140天):

該時期以MSBR典型周期運行,即在運行周期中,反應階段的運行方式恢復為厭氧-好氧
-缺氧,使硝化反應產生的硝酸鹽作為電子受體,供反硝化聚磷菌進行吸磷反應,強化生物膜
同步硝化反硝化除磷作用。

以上三個時期中,MSBR運行周期均為480min,其中:進水15min、厭氧120min、好氧
240min、缺氧60min、排水5min、閑置40min;同時,在厭氧和缺氧階段輔助機械攪拌,所
述機械攪拌的速率為110r/min,好氧階段的曝氣率為1L/min。

二、結果檢測

(1)硝化菌和聚磷菌活性檢測

硝化菌、聚磷菌的活性分別用硝化速率、厭氧釋磷速率、攝磷速率表示。生物膜硝化速
率為單位濃度污泥、單位需氧時間內NH4+-N濃度之差,厭氧釋磷速率為單位濃度污泥、單
位厭氧時間內TP濃度變化,攝磷速率為單位濃度污泥、單位需氧時間內TP濃度變化。同步
硝化反硝化率根據公式計算:

E S N D = ( 1 - NO X - r e m a i n e d - / NH 4 o x i d i z e d + ) × 100 ]]>

式中:為出水中剩余的硝態氮濃度,為反應中被氧化的氨氮濃度。

分別于第27(掛膜期)、117(生物膜成熟期)天取樣分析MSBR運行典型周期內VFA、
NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TP變化趨勢及功能菌群活性。進水有機物由乙酸鈉和丙酸鈉組
成,VFA表示廢水中有機物含量。

由圖1可知,NH4+-N濃度在厭氧階段基本保持不變,好氧后,開始快速氧化。掛膜間生
物膜較薄易于溶解氧傳遞,且無聚磷菌等細菌與硝化細菌競爭氧氣的利用,使得掛膜期間平
均硝化速率(2.56mg/(h·gMLSS))大于生物膜成熟期(2.37mg/(h·gMLSS)),但生物膜成熟
期NH4+-N去除率高于掛膜期。

隨生物膜成熟,好氧階段反應器中NO3--N累積降低了75%(從8.22mg/L到2.04mg/L),
根據公式計算得掛膜期、生物膜成熟期的同步硝化反硝化率分別為42.4%和89.7%。

圖2顯示了典型周期內VFA和TP變化。相對于掛膜期典型周期內TP濃度穩定不變,
生物膜成熟后典型周期中出現厭氧釋磷好氧攝磷現象,PAOs表現出較好的除磷能力。根據理
論計算,除磷系統中厭氧段釋放1molP需吸收2mol有機碳,即0.52mgP/mgVFA(以
CH3COOH計)。掛膜間,厭氧段無明顯釋磷現象,VFA平均吸收速率為17.99mg/(h·gMLSS),
生物膜成熟后厭氧段釋磷速率5.68mg/(h·gMLSS),VFA平均吸收速率為19.70mg/(h·g
MLSS),比值為0.29mgP/mgVFA。這表明掛膜期間VFA不用于合成PHAs,生物膜成熟后
55.8%的VFA用于合成PHAs。

(2)成熟生物膜中硝化菌和聚磷菌的比例

利用FISH技術分析成熟生物膜中各菌種比例,結果發現生物膜硝化菌中AOB、NOB占
總菌比例分別為40.45±10.89%和5.74±1.27%,其中AOB占優勢,而NOB優勢不明顯。AOB
的大量存在,表明生物膜對NH4+-N有較高去除能力。在AOB較多而NOB較少的情況下,
系統內無NO2--N積累,推測有短程硝化反硝化反應的存在。這解釋了在好氧段碳源不足情況
下,生物膜同步硝化反硝化率依然處于較高水平的現象。

生物膜中聚磷菌(PAOs)和聚糖菌(GAOs)占總菌比例分別為4.10±0.85%和26.00±6.25%。
相對豐富的GAOs在厭氧段與PAOs競爭碳源,使得生物膜除磷功能不穩定,同時亦表明釋
磷量/VFA吸收量小于理論值。較高含量GAOs存在,充分保證了MSBR好氧段在無外碳源
時的反硝化水平。PAOs含量低于文獻報道的占總菌4-22%,但92.3%的PAOs為反硝化聚磷
菌。這是因為生物膜表面聚磷菌與硝化菌競爭不占優勢,僅在生物膜內部生長有反硝化聚磷
菌,導致生物膜中PAOs含量較低。

(3)聚磷菌中反硝化聚磷菌比例

缺氧和好氧狀態下最大攝磷速率比值即為反硝化聚磷菌占聚磷菌比例。成熟期生物膜最
大釋磷速率、最大好氧攝磷速率和最大缺氧攝磷速率的測定結果如圖3示。經線性擬合,厭
氧段最大釋磷速率為268mg/(h·gMLSS),最大好氧攝磷速率為13mg/(h·gMLSS),最大缺氧
攝磷速率為12mg/(h·gMLSS),生物膜中反硝化聚磷菌占聚磷菌比例為92.3%。

(4)脫氮除磷效果檢測

MSBR脫氮除磷效果見圖4。在第Ⅰ階段(0-29天)生物膜初步形成。掛膜初期,因污
泥的排出而生物膜又未形成,COD、NH4+-N和TP去除率處于較低水平。COD去除率最低為
26.2%,隨生物膜生長,其去除率逐步提高,至第26天時為51.3%。掛膜10天內,NH4+-N
去除率最大為48.4%。第10天以后,生物膜快速生長及AOB含量增高使NH4+-N平均去除率
達90.2%。此階段,反應器中TP平均去除率僅為10.1%,這表明PAOs處于適應階段而不能
有效除磷,或需一段時間累積聚羥基烷酸酯(PHAs)和聚磷,未能立刻表現出除磷能力。

第Ⅱ階段(30-56d),為富集反硝化聚磷菌,反應器運行方式調整為厭氧-缺氧-好氧。結
果顯示,COD平均去除率從第Ⅰ階段的48.8%升至73.3%,NH4+-N去除率在84.6-100%之間
波動。此階段TP平均去除率為12.3%,具有反硝化能力的聚磷菌得到富集,其他聚磷菌逐漸
被淘汰,反應器總體除磷效果增加不顯著。

第Ⅲ階段(57-140d),反應器運行恢復為厭氧-好氧-缺氧,生物膜進入成熟期。出水COD
平均濃度為24.7mg/L,去除效果穩定。NH4+-N保持良好去除性能,出水濃度始終低于0.5
mg/L,去除率高于98.75%。此時,出水NO2--N、NO3--N平均濃度分別為1.20mg/L、4.93mg/L,
TN去除率達81.9%。反應器除磷效果也明顯提升,TP最大去除率為97.7%,平均去除率為
72.7%。

當進水COD為300mg/L,NH4+-N為40mg/L,TP為8mg/L,MSBR能實現同步脫氮除
磷,好氧階段SND率達89.7%,COD、TN、TP去除率分別為91.1%、81.9%、72.7%。成熟
生物膜中AOB、NOB、PAOs、GAOs占總菌比例分別為40.45±10.89%、5.74±1.27%、4.10±0.85%、
26.00±6.25%。反硝化聚磷菌占聚磷菌比例為92.3%,說明在MSBR單一反應器中成功富集了
硝化菌和反硝化聚磷菌,并實現了良好的同步脫氮除磷效果。

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一種 基于 MSBR 污水 同步 方法
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