一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法与流程

1.本发明涉及污水治理领域，尤其涉及一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法。


背景技术：

2.厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以氨氮为电子供体，以亚硝态氮为电子受体，利用无机碳源将氨氮和亚硝态氮直接转化成氮气并产生少量硝态氮的反应。
3.与传统的硝化-反硝化生物脱氮工艺相比较，厌氧氨氧化工艺有以下几点优势：(1) 降低能耗；(2)节省碳源；(3)污泥产量低；(4)脱氮负荷高，占地面积小。因此，经济、高效的厌氧氨氧化脱氮技术得到越来越多学者们的关注，在处理高氨氮废水中具有较好的应用前景。
4.但在实际应用中，厌氧氨氧化反应器所需要的亚硝通常由短程硝化反应器补充，短程硝化反应器反应效率的改变会导致出水亚硝浓度的波动，最终影响厌氧氨氧化反应器基质的残留。同时，厌氧氨氧化反应器的进水成分复杂并且浓度不定，有机物、硫化物、盐度等成分都会影响厌氧氨氧化菌的活性，导致反应器内基质消耗比例的改变，最终导致反应器内氨氮或亚硝浓度升高。综上所述，在实际工程中很难控制好进水的基质恰好被厌氧氨氧化反应器消耗完全，反应器内基质浓度过高会抑制厌氧氨氧化菌的活性。基质抑制实际上是游离氨(fa)和游离亚硝酸(fna)的抑制，反应器在剩余氨氮的情况下，若ph过高，则会导致fa浓度过高。反应器在剩余亚硝态氮的情况下，若ph过低，则会导致fna浓度过高。fna和fa对厌氧氨氧化菌的抑制浓度低于对其他功能微生物的抑制浓度。发生基质自抑制时，厌氧氨氧化反应器的脱氮性能会显著下降，出水氮浓度剧增，而且需要较长的恢复时间。因此，解决厌氧氨氧化反应器在处理高氨氮废水时的基质自抑制问题是系统稳定运行的关键。
5.为保证厌氧氨氧化系统的稳定运行，已有一些控制方法被公开。
6.如张树军所著的一种处理城市污水的一体化厌氧氨氧化装置及其运行方法 (cn201710784514.4)，该发明提出了一种自动控制模块包括：plc控制器、存储器、操作面板、显示器、计时器，其中，所述存储器、操作面板、显示器、计时器分别与 plc控制器电连接；所述存储器中存储有预设的ph、溶解氧、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、污泥浓度阈值。该发明只陈述了各个硬件的连接方式及粗略的调控方式，并没有对调控方式进行精确的计算与调控，且无实际调控案例。此外，由于大多数污水厂不作亚硝的出水检测，所以市面上亚硝的检测设备很少且量程和精确度较低，亚硝自动进样化学法的机器价格较贵，为工程的应用添加了很多成本。相比而言，氨氮的自动检测设备价格较低且精准度较高。若能仅利用氨氮作为检测指标来进行系统的调控从而解决基质自抑制问题，可以更容易实现厌氧氨氧化技术的工程化。
7.如金仁村所著一种厌氧氨氧化工艺自动控制模块及其方法(申请号： cn201310224433.0)，该系统虽说可以实现自动控制，但是仅能检测氧化还原电位进而避免
高负荷运行，不能解决底物的变化引起的基质自抑制问题。但是在稳定运行的反应器中，负荷的变化不会很大，且调控负荷变化的方式有很多，例如可直接调控总处理水量。
8.由于进水水质水量不稳定，且反应器内的反应复杂多变，至今仍没有经济、简便的方法解决工程实际应用中厌氧氨氧化反应器fa或fna引起的抑制问题。


技术实现要素：

9.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是现有的厌氧氨氧化反应器运行通常需要短程硝化反应器补充，导致出水亚硝浓度波动从而影响厌氧氨氧化反应器基质的残留；同时，厌氧氨氧化反应器的进水成分复杂并且浓度不定，有机物、硫化物、盐度等成分都会影响厌氧氨氧化菌的活性，导致反应器内基质消耗比例的改变，最终导致反应器内氨氮或亚硝浓度升高等问题。本发明提供了一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法，提出利用自动控制模块实时监控出水氨氮浓度，及时调控进水氨氮流量从而调整进水基质比例以实现厌氧氨氧化反应器的稳定运行。
10.为实现上述目的，本发明提供了一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法，包括如下步骤：
11.设定厌氧氨氧化反应器的运行环境，包括ph值和反应器温度的设定；
12.设定自动控制模块的参数，并开启厌氧氨氧化反应器的同时启动自动控制模块，自动检测出水水质情况是否超过阈值，当超过阈值时，自动增大或减小进水的流量，从而保证厌氧氨氧化反应器稳定运行。
13.进一步地，设定厌氧氨氧化反应器的运行环境，其中，ph值设定在8-9之间，并采用自动加酸方法以保证厌氧氨氧化反应器整个运行过程中ph值稳定在8-9之间；反应器温度设置在20-37℃之间。
14.进一步地，进厌氧氨氧化反应器的氨氮和亚硝由两个泵分别打入。
15.进一步地，自动控制模块根据监控厌氧氨氧化反应器的内回流比、进水流量、水质水量信息确定阈值，自动检测出水水质情况是否超过阈值，当超过阈值时，自动调控氨氮和亚硝的进水量和进水浓度。
16.进一步地，出水水质情况包括出水亚硝浓度或出水氨氮浓度。
17.进一步地，阈值fa的计算方式如下：
[0018][0019]
其中i为回流比，t为反应器温度。
[0020]
进一步地，计算阈值的方法还包括根据出水需满足氨氮去除率来计算。
[0021]
进一步地，还包括设定检测频率和调控频率，调控频率设置为2个hrt调控一次。
[0022]
技术效果
[0023]
本发明提供一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法，提出利用自动控制模块实时监控出水氨氮浓度，及时调控进水氨氮流量从而调整进水基质比例以实现厌氧氨氧化反应器的稳定运行。
[0024]
(1)本发明仅需自动监测出水氨氮浓度，从而进行进水策略的调整，即可保证系统
的稳定运行，为实际工程应用节约了大量成本。
[0025]
(2)以往运行数据表明，当亚硝剩余时，则厌氧氨氧化反应器中反硝化会出现，不利于维持反应器稳定。本发明采用氨氮残留策略，即将出水氨氮控制在不抑制厌氧氨氧化活性的合适范围内，可有效缓解上述问题。
[0026]
(3)相比较于“硝化-反硝化”技术，“厌氧氨氧化”技术较新，水厂内缺乏相应的技术人员。本发明可代替技术人员，且无需手动测样与调试，解决了厌氧氨氧化技术市场化应用的一大难题。
[0027]
结合以上三点优势，本发明仅检测出水氨氮浓度，利用自动控制模块实时调控进水氨氮流量从而调整进水基质比例以实现厌氧氨氧化反应器的稳定运行，节约了检测仪器和人员开销。有助于厌氧氨氧化工艺未来在污水处理厂的大规模应用。
[0028]
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
[0029]
图1是本发明的一个较佳实施例的一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法的在增加进水氨氮浓度，并根据出水氨氮浓度进行流量调节过程中，进水氨氮和亚硝态氮浓度比示意图；
[0030]
图2是本发明的一个较佳实施例的一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法的本发明在增加进水氨氮浓度，并根据出水氨氮浓度进行流量调节过程中，反应器的出水氨氮浓度和氨氮进水流量示意图；
[0031]
图3是本发明的一个较佳实施例的一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法的在增加进水氨氮浓度，并根据出水氨氮浓度进行流量调节过程中，反应器内ph 变化情况示意图；
[0032]
图4是本发明的一个较佳实施例的一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法的在增加进水氨氮浓度，并根据出水氨氮浓度进行流量调节过程中，反应器内fa 和fna变化情况示意图；
[0033]
图5是本发明的一个较佳实施例的一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法的在增加进水亚硝态氮浓度，并根据出水氨氮浓度进行流量调节过程中，进水氨氮和亚硝态氮浓度比示意图；
[0034]
图6是本发明的一个较佳实施例的一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法的在增加进水亚硝态氮浓度，并根据出水氨氮浓度进行流量调节过程中，反应器的出水氨氮浓度和氨氮进水流量示意图；
[0035]
图7是本发明的一个较佳实施例的一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法的装置示意图。
具体实施方式
[0036]
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0037]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定内部程序、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0038]
一种实现连续流厌氧氨氧化反应器稳定运行的方法，包括如下步骤：
[0039]
设定厌氧氨氧化反应器的运行环境，包括ph值和反应器温度的设定；设定厌氧氨氧化反应器的运行环境，其中，ph值设定在8-9之间，并采用自动加酸方法以保证厌氧氨氧化反应器整个运行过程中ph值稳定在8-9之间；反应器温度设置在20-37℃之间；另外，还包括设定进水方式：进厌氧氨氧化反应器的氨氮和亚硝由两个泵分别打入。
[0040]
设定自动控制模块的参数，并开启厌氧氨氧化反应器的同时启动自动控制模块，自动检测出水水质情况是否超过阈值，当超过阈值时，自动增大或减小进水的流量，从而保证厌氧氨氧化反应器稳定运行。自动控制模块根据监控厌氧氨氧化反应器的内回流比、进水流量、水质水量信息确定阈值，自动检测出水水质情况是否超过阈值，当超过阈值时，自动调控氨氮和亚硝的进水量和进水浓度。其中，出水水质情况包括出水亚硝浓度或出水氨氮浓度。
[0041]
具体如下：
[0042]
如图7所示，本发明实施例的厌氧氨氧化反应器包括氨氮进水装置、亚硝进水装置、plc自动控制设备、氨氮检测设备、中间桶、回流泵和厌氧氨氧化反应器。氨氮进水装置和亚硝进水装置分别通过泵将含有氨氮的废水和含有亚硝的废水打入中间桶，在中间桶内，将两股废水进行充分的混合，通过另一个泵将混合后的废水打入厌氧氨氧化反应器中。废水中的氨氮和亚硝在厌氧氨氧化反应器中作为底物被消耗。其中厌氧氨氧化反应器自身配有加热设备，可保证反应器内恒温。厌氧氨氧化反应器配有回流泵，将反应器顶部经过处理的废水与反应器进水混合。氨氮检测设备用于检测厌氧氨氧化反应器出水氨氮，在检测后，信号可被plc自动控制设备接收，再由其输出信号进而调控氨氮进水装置和亚硝进水装置与中间罐之间的两个泵，从而实现泵流量的反馈调节，改变中间罐内基质配比，进而保证厌氧氨氧化反应器不受到基质的抑制，实现其长期稳定运行。
[0043]
(1)厌氧氨氧化反应器运行环境的设定：运行过程中为避免ph对厌氧氨氧化菌的影响，采用自动加酸策略，将ph控制在8-9之间。为避免温度对厌氧氨氧化菌的活性影响，反应器温度保持在20-37℃之间。
[0044]
(2)进水方式的设定：进厌氧氨氧化反应器的氨氮和亚硝由两个泵分别打入。厌氧氨氧化反应器以氨氮和亚硝为底物。氨氮通常在废水中的浓度很高，而亚硝就需要由氨氮转化得来。所以，在进厌氧氨氧化反应器前需要将一部分含有氨氮的水进行短程硝化，将氨氮转化为亚硝。而将氨氮转化成亚硝的方式有两种：一是将含有氨氮的废水全部打入短程硝化反应器，控制各个变量，使一部分的氨氮转化成亚硝，达到出水中同时含有氨氮和亚硝；二是将原水分为两股，将一股水打入短程硝化反应器，使这股水含有的氨氮全转化为亚硝，再与另一股含有氨氮的水混合后，进入厌氧氨氧化反应器。本发明实施例提供的方法，适用于第二种。其中，进水氨氮可混有少量亚硝，进水亚硝包括但不限于由人工配水提供、工业产生的亚硝废水、氨氮进行短程硝化的出水(短程硝化出水需满足亚硝/氨氮》1.3)。
[0045]
(3)自动控制模块的设定：本发明实施例可广泛适用于连续流厌氧氨氧化反应器，
将本发明实施例的方法以程序模式输入至厌氧氨氧化反应器的控制器中，通过控制器的程序实现自动控制及调节。需根据反应器是否具有内回流以及回流比大小确定反应器进水口fa，fa的计算方式如下：
[0046][0047]
其中i为回流比，t为反应器温度。
[0048]
本实施例中，设定的阈值为在12.4mg/l。fa＝12.4是厌氧氨氧化菌活性受到10％抑制的浓度，所以我们在运行反应器的过程中，在反应器的任何部位，fa都要低于这个阈值，通常进水口的浓度是最高的，因此，只要保证进水口fa浓度低于12.4mg/l 即可，如此确保反应器内厌氧氨氧化菌不受抑制。根据反应器内可能达到的最大ph，计算出氨氮的上限(即阈值，具体的，在进水氨氮浓度和回流比不变前提下，此时ph 越高，达到fa＝12.4mg/l的出水氨氮会越低，根据ph可能达到的最高值，可以计算出氨氮高达到一定量就会出现fa＝12.4mg/l的情况)，并设定达到此值时启动自动控制模块，进行流量的自动调控。在反应器长期运行过程中，只有出水氨氮是变化且不可控的，所以，需要根据出水氨氮进行调节。调控的思路就是出水氨氮若大于上述计算出的上限值，则需要把氨氮的这股水流量调小，调控系数根据进水氨氮浓度计算，调控系数为：1-出水氨氮浓度/进水氨氮浓度。调控后氨氮那股水的流量就是之前的流量*调控系数即可。
[0049]
流量变小的调控幅度根据进水流量及水质计算，使得调控后得氨氮出水达到0 mg/l。当氨氮稳定在3mg/l以下时，说明氨氮已被消耗，可能出现亚硝剩余或亚硝也被消耗尽的情况，则此时自动控制模块会将氨氮进水流量调大，调控幅度同样是根据进水的水质水量核算，具体是，调控幅度为：1 (1/2*氨氮浓度上限值-3)/进水氨氮浓度。调控后氨氮那股水的流量就是之前的流量*调控系数即可。以上公式(1/2*氨氮上限值)的意思就是调节之后保证出水氨氮不超过之前上个上限值的一半。保证氨氮出水不超过10mg/l。调控幅度在进水水质水量无大范围变化的前提下，仅需计算一次调控系数，之后一直按照此调控系数进行调控即可。
[0050]
(4)检测频率与调控频率的设定：由于生物反应需要一个较长时间的过程，短时间内的多次检测并不能准确反映出反应器内反应进程。调控频率可设定2个hrt调控一次，这样可以使厌氧氨氧化菌有更长的时间适应底物基质，也有利于反应器内原有底物的排出，使得调控更加精准。检测频率是每隔多久控制柜自动对厌氧氨氧化出水进行氨氮数值的检测。检测过程完全自动，由plc控制柜发出采样指令，自动得出数据后传回到控制柜，而检测频率可手动设置。
[0051]
另外，反应器最大fa值包括但不限于12.4mg/l，可以根据反应器形式以及厌氧氨氧化污泥的活性和状态作适当的增加或减小。根据大量实验测得，12.4mg/l是厌氧氨氧化菌活性被抑制10％的fa浓度，保持在这个值以下，有利于实现反应器的长期稳定运行。反应器氨氮上限值包括但不限于根据fa浓度计算，例如还可根据出水需满足的氨氮去除率来计算氨氮上限，nrr(nh
4 -n)＝(c
进-c
出
)/c
进
*100％,其中nrr(nh
4 -n) 为氨氮去除率，c
进
为总进水氨氮浓度，c
出
为出水氨氮浓度。调控后氨氮出水包括但不限于达到5mg/l，可根据实际要求达到的目标作适当增减。当氨氮稳定在3mg/l以下时，此时自动控制模块运行策略包括但
不限于将氨氮进水浓度调大，控制策略也可改为“调小亚硝进水量”。在实际条件允许的前提下，也可对亚硝出水浓度作检测。此时氨氮进水水量调高的策略则可修改为“当出水亚硝浓度较高时，则调小亚硝进水水量或调高氨氮进水水量”。当亚硝浓度较低时，则以出水氨氮浓度作为调控依据。调控频率可根据具体情况而定。例如运行及其稳定的反应器可适当减小调控频率，进水水质波动较大的反应器可以适当增加调控频率。值得注意的是，须在每次检测后的短时间内进行调控以保证调控的精准。
[0052]
本实施例采用egsb反应器，经过17天的运行，启动成功并且能够实现稳定运行，具有较好的脱氮性能。为研究进水氨氮浓度升高情况下自动控制模块实现反应器稳定运行，采用逐步增加进水的氨氮浓度的方式。自动控制模块通过设定的时间对反应器出水进行取样，检测出氨氮数值后，将数值传输到控制柜中，控制柜发出指令，调节进水氨氮流量的增减。根据egsb反应器的回流比值23.4和ph＝8.7计算设定出水氨氮浓度阈值为20mg/l。根据进水亚硝态氮流量和氨氮流量以及进水基质浓度计算，设定自动控制模块修正氨氮进水流量的系数为0.9，该设定为人工设定，通过改变氨氮流量来调控，调控值＝调控前的值*设定的修正系数。当氨氮浓度高于20mg/l，自动控制模块调整氨氮进水流量，避免基质抑制。设定自动控制模块每两个hrt即每24h调整一次。
[0053]
如图1所示，在反应器运行的第18天、24天、28天，提高氨氮进水桶中浓度导致进水亚硝态氮/氨氮比值降低，分别为0.82，1.19，1.03，远低于厌氧氨氧化理论值的1.32。进水氨氮浓度增加，进水基质比降低，缺少基质亚硝态氮，导致出水氨氮浓度升高。
[0054]
如图2所示，第18天的出水氨氮浓度为47.0mg/l，出水氨氮超过浓度阈值。自动控制模块降低氨氮的进水流量，由16.7l/h调整至15.0l/h，进水基质比由0.82 调整为1.06。第19天的出水氨氮浓度显著降低至29.3mg/l，但是仍然高于阈值20mg/l，自动控制模块继续调节氨氮的进水流量至13.5l/h，进水基质比进一步升高至1.29。第20，21，22，23天氨氮进水流量保持不变，出水氨氮稳定保持在10mg/l以下。第 24天提高进水氨氮浓度导致出水氨氮浓度升高至29.9mg/l，高于阈值，自动控制模块调整氨氮进水流量至12.1l/h。第28天提高进水氨氮浓度，出水氨氮为16.5mg/l，未达到阈值，因此自动控制模块没有调控，氨氮进水流量不变。氨氮累积导致第29 天的出水氨氮浓度升高至26.2mg/l，自动控制模块调整氨氮进水流量至10.9l/h，出水浓度降低至5mg/l。
[0055]
如图3所示，出水氨氮浓度升高导致fa浓度陡增。fa浓度达到12.4mg/l会对厌氧氨氧化菌产生10％的抑制。fa浓度值与氨氮浓度，ph以及回流相关。文献中认为当 ph大于8.7时，厌氧氨氧化菌的细胞结构受到严重破坏。因此，为避免厌氧氨氧化菌受抑制，需要控制反应器ph保持在厌氧氨氧化菌所适应的范围内。厌氧氨氧化反应是产碱反应，根据图3，通过在进水桶中加酸来调控进水ph实现egsb4反应器出水ph 稳定控制在8.7以下。
[0056]
如图4所示，由于ph较高，fna浓度保持在较低的水平，低于0.2mg/l。文献中认为fa的抑制浓度为0.3～65mg/l，因此本反应器中fna不会影响厌氧氨氧化菌活性。提高进水氨氮浓度，反应器内fa浓度有所上升。在反应器运行的18天、24天、28 天，fa浓度分别为11.1mg/l，8.7mg/l，7.1mg/l。经过自动控制模块调控进水氨氮流量后，fa浓度均低于5mg/l，不会对厌氧氨氧化菌产生抑制，实现了反应器的稳定运行。
[0057]
实施例二
[0058]
当进水亚硝态氮增多，亚硝态氮浓度与氨氮浓度比值升高，一方面会导致出水亚
硝态氮积累，增加反应器内fna浓度，对厌氧氨氧化菌产生基质抑制。另一方面，亚硝态氮积累促进反硝化菌的生长，与厌氧氨氧化菌竞争基质，从而抑制厌氧氨氧化反应。因此，本实施例通过增加进水亚硝态氮浓度与氨氮浓度比值来研究反应器的稳定运行。
[0059]
设定当氨氮浓度低于3mg/l时，自动控制模块开始调控进水氨氮流量，降低进水亚硝态氮/氨氮值。同时要保证调节后反应器出水氨氮浓度达不到抑制值，因此设定自动控制模块修正氨氮进水流量的系数为1.05。同样设定自动控制模块每两个hrt即每 24h调整一次。
[0060]
在反应器运行第33，34，38和41天，提高进水亚硝态氮浓度。如图5所示，亚硝态氮浓度与氨氮浓度比值分别为1.38，1.53，1.72和1.51，高于厌氧氨氧化反应的理论值1.32。
[0061]
反应器运行第33天，提高进水亚硝态氮的浓度，出水氨氮浓度为4.11mg/l，未达到调控阈值。主要原因是亚硝态氮/氨氮消耗比较高达到1.42，高于进水基质比1.38，导致出水氨氮剩余。因此，在第34天进一步的提高进水亚硝态氮浓度。出水氨氮降为 0mg/l，自动控制模块将氨氮进水流量由16.65l/h调控至17.48l/h。进水基质比也由 1.53降为1.38。在35天和38天，根据出水氨氮浓度自动控制模块按1.05的系数将进水氨氮流量分别调控至18.36l/h和19.27l/h，实现了进水基质比的降低，接近于厌氧氨氧化理论值。
[0062]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。