主流单级自养脱氮系统接种污泥、装置即系统水处理系统启动方法

本发明属于水处理领域，涉及一种接种污泥、水处理装置以及水处理理系统启动方法。

背景技术：

单级自养脱氮是一种基于厌氧氨氧化原理的新型污水脱氮处理工艺，该工艺将短程硝化、厌氧氨氧化两个过程结合在一起，短程硝化为后续厌氧氨氧化过程提供必要的基质no2^--n，厌氧氨氧化过程直接将nh4⁺-n转化为n2，从而实现了污水高效脱氮的目的。与传统硝化-反硝化过程相比，基于厌氧氨氧化的单级自养脱氮工艺降低60％的曝气能耗、避免额外的有机碳源的添加，具有显著地优势。随着单级自养脱氮工程应用技术的愈加成熟，越来愈多的中试乃至生产性的厌氧氨氧化反应器全世界范围内相继建立起来。根据文献统计，已有超过114座污水处理厂采用厌氧氨氧化工艺作为污水生物脱氮工艺，主要用于消化液、垃圾渗滤液等高氨氮污水处理。由于城市污水具有低温和低氨氮的特性，在城市污水应用全程自养脱氮工艺存在较多限制。

直接接种大量的自养脱氮污泥有利于加速自养脱氮系统的启动，然而完成自养脱氮过程的氨氧化菌、厌氧氨氧化菌生长缓慢，尤其是在低温条件下，厌氧氨氧化菌的倍增时间增加到79d。因此，主流自养脱氮污泥难以形成工程化、规模化进行大量生产。

技术实现要素：

本发明的目的是提供可快速形成并能够规模化大量生产的主流自养脱氮接种污泥，以满足主流低氨氮污水高效低能耗的处理需要。

本发明主流单级自养脱氮系统接种污泥源于稳定的侧流单级自养脱氮系统内生物膜，并以反应器内原始污水作为储存基质、在4℃的保存7±5个月。

本发明主流单级自养脱氮反应装置包括廊道式推流式反应池、进水箱(1)、蠕动泵(2)、气体流量计(8)、空气泵(9)、时间继电器(10)、布水槽(18)；时间继电器(10)与空气泵(9)连接；

其中，蠕动泵(2)位于进水箱(1)和布水槽(18)之间，用进水管(14)相互连接；

该装置还包括水浴保温箱(13)，廊道式推流式反应池位于水浴保温箱(13)之内；

廊道式推流式反应池根据水流方向依次分为a、b、c、d区域，在每个区域分别设置微孔曝气头(6)，微孔曝气头(6)设置在每个区域的前端；

廊道式推流式反应池a区域前端与布水槽(18)通过布水孔(3)联通；

廊道式推流式反应池d区域末端设置有出水堰(16)，出水堰(16)外侧设有出水槽(17)，出水槽(17)下端连接出水管(15)。

本发明主流单级自养脱氮水处理系统启动方法：

一、在主流单级自养脱氮反应装置中接种本发明所述主流单级自养脱氮系统接种污泥；

二、以模拟实际生活污水人工配水作为进水，闷曝两天后开始连续流方式运行，运行参数为水力停留时间设定为23.6±0.5h，a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别控制为28.5±0.5ml/(min·l)^-1、28.5±0.5ml/(min·l)^-1、21.5±0.5ml/(min·l)^-1、21.5±0.5ml/(min·l)^-1，曝气时间、停曝时间分别为10min，20min；之后保持曝气量不变，逐步缩短水力停留时间至出水氨氮浓度:出水亚硝酸盐浓度的比值达到1±0.1；然后保持出水氨氮浓度:出水亚硝酸盐浓度的比值为1±0.1、四个区域单位容量前端曝气流量均降低至14.3±0.5ml/(min·l)^-1、降低曝气时间至2min、提高停曝时间为28min，并逐渐增加水力停留时间至23.6±0.5h；

出水亚硝酸盐积累达到10mg/l，逐渐降低a区域曝气量为0，至出水氨氮低于5mg/l、出水总氮低于15mg/l且总氮去除率达到70％以上，再恢复a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别为25±0.5ml/(min·l)^-1、25±0.5ml/(min·l)^-1、21.5±0.5ml/(min·l)^-1、21.5±0.5ml/(min·l)^-1；

三、将水力停留时间缩短至13.2±0.5h，并逐渐增加曝气时间至8min、降低停曝时间为22min；然后调整a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别为3.6±0.3ml/(min·l)^-1、25±0.5ml/(min·l)^-1、25±0.5ml/(min·l)^-1、25±0.5ml/(min·l)^-1，运行至出水氨氮低于5mg/l、出水总氮低于15mg/l且总氮去除率达到70％以上；

四、保持水力停留时间为13.2±0.5h、曝气时间为8min、停曝时间为22min，a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别为7.1±0.3ml/min、21.4±0.5ml/min、21.4±0.5ml/min、21.4±0.5ml/min；运行至出水氨氮低于5mg/l、出水总氮低于15mg/l且总氮去除率达到70％以上，即完成稳定启动；

步骤一至四均控制廊道式推流式反应池内水体温度为33±2℃。

由于侧流自养脱氮工艺系统更为稳定，而且在全世界范围内都有广泛应用，所以采用侧流自养脱氮工艺系统污泥作为主流单级自养脱氮水处理系统接种污泥能够提供充足的种泥来源。

基于侧流自养脱氮污泥中具有大量的氨氧化菌(aob)与厌氧氨氧化菌(anaob)，亚硝酸盐氧化菌(nob)的活性与生长增殖都受到抑制。由于aob对不利环境具有较强的适应性，经过长期4℃低温储存，aob仍可保持较好活性；本发明通过间歇曝气以及曝气量区域控制等活性恢复策略，采用长期储存的侧流自养脱氮污泥，经济有效地运用于主流单级自养脱氮系统。

运行本发明启动的主流单级自养脱氮水处理系统，在进水为200mgn·l^-1条件下，系统总氮去除率达到82.3±2.9％，总氮去除负荷达到了225.8±13.6gn·(m³·d)^-1。△no3^--n/△nh4⁺-n、△no3^--n/△tn一直稳定维持在理论比值0.11、0.88附近。

本发明利用长期储存的侧流自养脱氮污泥，在推流式反应器(廊道式推流式反应池)内建立主流自养脱氮系统的快速建立与稳定运行，构建城市污水高效低能耗的生态脱氮工艺。用于消化液、垃圾渗滤液等高氨氮污水处理的侧流自养脱氮系统在全世界范围内都有着广泛应用。本发明为主流自养脱氮系统快速启动扩展了接种污泥来源。

本发明通过曝气时间、曝气空间均匀度、水力停留时间控制，快速经济有效实现主流单级自养脱氮系统，不依赖额外药剂投加，具有良好应用前景。

在实际应用中，可以通过改造污水厂现有反应设施，接种长期储存的侧流自养脱氮污泥，通过曝气空间均匀度、流量、时间控制，将推动传统生物脱氮污水厂向未来新型高效低能耗污水厂的转型，同时节约大量的基建成本。

附图说明

图1为实施例1中主流单级自养脱氮反应装置的俯视结构示意图，图中箭头方向为水流方向；

图2为图1的w-w剖视图；

图3为图1的y-y剖视图；

其中，图1～3中进水箱(1)、蠕动泵(2)、布水孔(3)、反应廊道(4)、固定填料模块组件(5)、微孔曝气头(6)、构筑隔板(7)、气体流量计(8)、空气泵(9)、时间继电器(10)、溶解氧监测探头(11)、ph监测探头(12)、水浴保温箱(13)、进水管(14)、出水管(15)、出水堰(16)、出水槽(17)、布水槽(18)、曝气管(19)、溶解氧及ph监测仪(20)；

图4是实施例1启动过程中各阶段系统污泥中功能菌潜在活性情况图；

图5是实施例1启动过程中各阶段污染物去除能力变化曲线图；

图6是实施例1启动过程中各阶段沿程氮素变化曲线图；

图7是实施例1a区域最前端曝气停止前后总氮去除负荷及其拟合方程图。

具体实施方式

下面结合实例对本发明作进一步的详细说明。以下实例旨在说明本发明，并不限制本发明的范围。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。

具体实施方式一：本实施方式主流单级自养脱氮系统接种污泥源于稳定的侧流单级自养脱氮系统内生物膜，并以反应器内原始污水作为储存基质、在4℃的保存2～12个月。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同在于：主流单级自养脱氮系统接种污泥源于稳定的侧流单级自养脱氮系统内生物膜，并以反应器内原始污水作为储存基质、在4℃的保存7个月。

主流单级自养脱氮系统接种污泥中氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、厌氧氨氧化菌潜在活性分别为1.13±0.16mgn/(gvss·h)、0.54±0.05mgn/(gvss·h)、0.54±0.01mgn/(gvss·h)。

具体实施方式三：本实施方式主流单级自养脱氮反应装置包括廊道式推流式反应池、进水箱1、蠕动泵2、气体流量计8、空气泵9、时间继电器10、布水槽18；时间继电器10与空气泵9连接；

其中，蠕动泵2位于进水箱1和布水槽18之间，用进水管14相互连接；

该装置还包括水浴保温箱13，廊道式推流式反应池位于水浴保温箱13之内；

廊道式推流式反应池根据水流方向依次分为a、b、c、d区域，在每个区域分别设置微孔曝气头6，微孔曝气头6设置在每个区域的前端；

廊道式推流式反应池a区域前端与布水槽18通过布水孔3联通；

廊道式推流式反应池d区域末端设置有出水堰16，出水堰16外侧设有出水槽17，出水槽17下端连接出水管15。

空气泵9与气体流量计8、微孔曝气头6之间通过曝气管19连接；廊道式推流式反应池中设置有固定填料模块组件5，形成反应廊道4。

本实施方式各区域前端和末端以水流方向而定。

待处理污水由蠕动泵2从进水箱1中泵入布水槽18，然后通过布水孔3流入廊道式推流式反应池，在廊道式推流式反应池中待处理污水依次流经a、b、c、d区域，之后由出水堰16溢出流入出水槽17，再经出水管15排除。空气泵9连接气体流量计与时间继电器，用以控制a、b、c、d区域内溶解氧浓度。

本实施方式微孔曝气头6设置在每个区域的前端用以控制a、b、c、d区域内溶解氧浓度。本实施方式主流单级自养脱氮反应装置采用推流方式，污水中氨氮浓度沿程逐渐降低，反应装置内部区域内保持较高的剩余氨氮浓度，有利于对亚硝酸盐氧化菌的抑制。结合a、b、c、d四个区域分区控制方法，通过插入各区域的ph、溶解氧监测探头，监测反应装置水流沿程的ph、溶解氧浓度，避免较高溶解氧浓度促进亚硝酸盐氧化菌的活性。同时，d区域末端不设置微孔曝气头以此进一步在水流末端保证一定剩余氨氮浓度，避免过量曝气促进亚硝酸盐氧化菌的生长增殖，强化单级自养脱氮系统的稳定运行。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同在于：廊道式推流式反应池中设置构筑隔板7。其它与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四的不同在于：所述a、b、c、d四个区域面积相等。其它与具体实施方式三或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三或四或五的不同在于：该装置还包括溶解氧及ph监测仪20、溶解氧监测探头11、ph监测探头12。其它与具体实施方式三或四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式主流单级自养脱氮水处理系统启动方法：

一、在主流单级自养脱氮反应装置中接种本发明所述主流单级自养脱氮系统接种污泥；

二、第一阶段：以模拟实际生活污水人工配水作为进水，闷曝两天后开始连续流方式运行，运行参数为水力停留时间设定为23.6±0.5h，a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别控制为28.5±0.5ml/(min·l)^-1、28.5±0.5ml/(min·l)^-1、21.5±0.5ml/(min·l)^-1、21.5±0.5ml/(min·l)^-1，曝气时间、停曝时间分别为10min，20min；之后保持曝气量不变，逐步缩短水力停留时间至出水氨氮浓度:出水亚硝酸盐浓度的比值达到1±0.1；然后保持出水氨氮浓度:出水亚硝酸盐浓度的比值为1±0.1、四个区域单位容量前端曝气流量均降低至14.3±0.5ml/(min·l)^-1、降低曝气时间至2min、提高停曝时间为28min，并逐渐增加水力停留时间至23.6±0.5h；

第二阶段：出水亚硝酸盐积累达到10mg/l，逐渐降低a区域曝气量为0，至出水氨氮低于5mg/l、出水总氮低于15mg/l且总氮去除率达到70％以上，再恢复a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别为25±0.5ml/(min·l)^-1、25±0.5ml/(min·l)^-1、21.5±0.5ml/(min·l)^-1、21.5±0.5ml/(min·l)^-1；

三、将水力停留时间缩短至13.2±0.5h，并逐渐增加曝气时间至8min、降低停曝时间为22min；然后调整a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别为3.6±0.3ml/(min·l)^-1、25±0.5ml/(min·l)^-1、25±0.5ml/(min·l)^-1、25±0.5ml/(min·l)^-1，运行至出水氨氮低于5mg/l、出水总氮低于15mg/l且总氮去除率达到70％以上；

四、保持水力停留时间为13.2±0.5h、曝气时间为8min、停曝时间为22min，a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别为7.1±0.3ml/min、21.4±0.5ml/min、21.4±0.5ml/min、21.4±0.5ml/min；运行至出水氨氮低于5mg/l、出水总氮低于15mg/l且总氮去除率达到70％以上，即完成稳定启动；

步骤一至四均控制廊道式推流式反应池内水体温度为33±2℃。

本实施方式步骤二中逐渐降低并关闭a区域曝气可以通过控制a区域内氨氧化菌的活性，降低亚硝酸盐积累情况。

由于aob菌对不利条件的适应性较强，先于anaob菌恢复活性，曝气量不变缩短水力停留时间、提升水力停留时间至23.6h并降低曝气时间是为了使亚硝酸盐不过度积累，保持亚硝酸盐和氨氮浓度比例接近1:1的状态。

步骤二中第二阶段，由于之前亚硝酸盐已经大量积累，前面的操作不能完全调控亚硝化反应的速率，须通过逐渐降低并关闭a区曝气，达到控制亚硝化反应速率的目的。

本实施方式步骤三是为了提升主流单级自养脱氮水处理系统的负荷。

本实施方式步骤二至四都采用间歇性曝气。

本实施方式各区域前端和末端以水流方向而定。

待处理污水由蠕动泵2从进水箱1中泵入布水槽18，然后通过布水孔3流入廊道式推流式反应池，进水通过布水孔分布至反应廊道，在廊道式推流式反应池中待处理污水依次流经a、b、c、d区域，之后由出水堰16溢出流入出水槽17，再经出水管15排除。

时间继电器控制空气泵的曝气与停曝，利用气体流量计控制微孔曝气头的曝气流量，利用溶解氧、ph监测仪连接的溶解氧监测探头和ph监测探头测定推流式固定床反应装置内的do、ph，利用水浴保温箱保持测定推流式固定床反应装置的运行温度。

区域单位容量前端曝气流量：区域前端单位时间曝气量除以该区域容量，单位ml/(min·l)^-1。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的不同在于：步骤一接种污泥中氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、厌氧氨氧化菌潜在活性分别为1.13±0.16mgn/(gvss·h)、0.54±0.05mgn/(gvss·h)、0.54±0.01mgn/(gvss·h)。其它与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七或八的不同在于：步骤一接种后mlss为12.6±0.5g·l^-1。其它与具体实施方式七或八相同。

实施例1

结合图1～3实施本实施例，主流单级自养脱氮水处理系统启动方法：

一、31.0±1.0℃条件下在主流单级自养脱氮反应装置中接种具体实施方式二所述主流单级自养脱氮系统接种污泥，主流单级自养脱氮反应装置有效容量5.6l，污泥接种量为1000ml，mlss为12.6±0.5g·l^-1；此时污泥中氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、厌氧氨氧化菌潜在活性分别为1.13±0.16mgn/(gvss·h)、0.54±0.05mgn/(gvss·h)、0.54±0.01mgn/(gvss·h)；

二、阶段ⅰ：以模拟实际生活污水人工配水(氨氮50mgn·l^-1)作为进水，闷曝两天(用于恢复接种污泥中微生物的活性)后开始连续流方式运行，运行参数为水力停留时间设定为23.6h，a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别控制为28.5ml/(min·l)^-1、28.5ml/(min·l)^-1、21.5ml/(min·l)^-1、21.5ml/(min·l)^-1，曝气时间、停曝时间分别为10min，20min；之后保持曝气量不变，逐步缩短水力停留时间至出水氨氮浓度:出水亚硝酸盐浓度的比值达到1；然后保持出水氨氮浓度:出水亚硝酸盐浓度的比值为1、四个区域单位容量前端曝气流量均降低至14.3ml/(min·l)^-1、降低曝气时间至2min、提高停曝时间为28min，并逐渐增加水力停留时间至23.6h；(以上为ⅰ1)以平衡厌氧氨氧化菌和氨氧化菌的活性，降低亚硝酸盐积累情况；

出水亚硝酸盐积累达到10mg/l，逐渐降低a区域曝气量为0，至出水氨氮低于5mg/l、出水总氮浓度达到13.7±1.0mg/l，总氮去除率达到72.3±1.9％，总氮去除负荷达到0.04kgn·(m³·d)^-1，△tn/△nh4⁺-n和△no3^--n/△nh4⁺-n也逐渐接近并维持在理论比值，意味着水处理系统恢复成功，此时污泥中氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、厌氧氨氧化菌潜在活性分别为1.46±0.53mgn/(gvss·h)、0.29±0.02mgn/(gvss·h)、1.13±0.23mgn/(gvss·h)(以上为ⅰ2)(以上为ⅰ2)，再恢复a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别为25ml/(min·l)^-1、25ml/(min·l)^-1、21.5ml/(min·l)^-1、21.5ml/(min·l)^-1；

三、阶段ⅱ：将水力停留时间缩短至13.2h，并逐渐增加曝气时间至8min、降低停曝时间为22min；然后调整a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别为3.6ml/(min·l)^-1、25ml/(min·l)^-1、25ml/(min·l)^-1、25ml/(min·l)^-1，运行至出水氨氮低于5mg/l、出水总氮低于15mg/l且总氮去除率达到70％以上；

四、阶段ⅲ：保持水力停留时间为13.2h、曝气时间为8min、停曝时间为22min，a、b、c、d四个区域单位容量前端曝气流量分别为7.1ml/min、21.4ml/min、21.4ml/min、21.4ml/min；运行至出水氨氮浓度达到3.8±0.9mg/l、出水总氮浓度达到13.4±1.0mg/l、总氮去除率达到74.1±1.6％，总氮去除负荷达到0.07kgn·(m³·d)^-1，△tn/△nh4⁺-n和△no3^--n/△nh4⁺-n也逐渐接近并维持在理论比值，此时污泥中氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、厌氧氨氧化菌潜在活性分别为2.60±0.29mgn/(gvss·h)、0.19±0.02mgn/(gvss·h)、2.35±0.40mgn/(gvss·h)；完成稳定启动；

步骤一至四均控制廊道式推流式反应池内水体温度为33±2℃。

本实施例步骤二至四都采用间歇性曝气。

本实施例启动后的主流单级自养脱氮水处理系统在进水为200mgn·l^-1条件下，系统总氮去除率达到82.3±2.9％，总氮去除负荷达到了225.8±13.6gn·(m³·d)^-1。△no3^--n/△nh4⁺-n、△no3^--n/△tn一直稳定维持在理论比值0.11、0.88附近。

本实施例启动过程中，不同阶段系统污泥中氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、厌氧氨氧化菌潜在活性如图4所示。

从主流单级自养脱氮水处理系统沿程氮素转化分析可知，启动各阶段b、c、d区域总氮去除能力并没有较大差别，a区域由于较为充足的底物浓度是系统内总氮去除的主要贡献区域，其中该区域推流式反应器前端氨氧化菌活性和厌氧氨氧化菌活性平衡以及厌氧氨氧化菌活性的好坏直接决定系统脱氮效能的高低，b、c、d区域也为系统总氮去除做出了贡献，是系统出水总氮达标的关键区域。

a区域最前端曝气停止前后总氮去除负荷及其拟合方程，在最前端曝气停止后，系统总氮去除负荷虽然突然降低至23.0gn·(m³·d)^-1，但恢复速率比停止前明显加快，方程斜率为2.05远大于停止前的方程斜率0.93。