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低浓度基质下 Anammox 反应器 性能及颗粒化特性

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低浓度基质下 Anammox 反应器 性能及颗粒化特性. 张树军 北京城市排水集团科技研发中心. 2. 试验材料和方法. 3. 结果与讨论. 4. 结论. 汇报提纲. 1. 引言. 问题的提出. ① 随着水体富营养化的不断严重,对污水厂氮、磷排放要求越来越高。 ②城市污水处理是能源密集型行业,污水处理系统中曝气电耗占污水处理厂全厂电耗的 50%-60% 。. 1 、引言. 可持续污水处理工艺. 有机物的去除:先经过生物吸附作用被活性污泥吸附,吸附了大量有机物的活性污泥通过厌氧发酵产 CH 4 ;

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anammox

低浓度基质下Anammox反应器性能及颗粒化特性

张树军

北京城市排水集团科技研发中心

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2. 试验材料和方法

3. 结果与讨论

4. 结论

汇报提纲

1. 引言

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问题的提出

①随着水体富营养化的不断严重,对污水厂氮、磷排放要求越来越高。

②城市污水处理是能源密集型行业,污水处理系统中曝气电耗占污水处理厂全厂电耗的50%-60%。

1、引言

可持续污水处理工艺

有机物的去除:先经过生物吸附作用被活性污泥吸附,吸附了大量有机物的活性污泥通过厌氧发酵产CH4;

氨氮的去除:半短程硝化+厌氧氨氧化。

传统工艺的缺点

硝化过程:在曝气中需要消耗大量的能量以提供硝化需要的氧气;

反硝化过程:需要消耗水中有机物作为异养反硝化的碳源,对于低C/N污水还需另外投加碳源。

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1、引言
  • 厌氧氨氧化理论

厌氧氨氧化工艺优点:

1、节省能源和碳源:厌氧氨氧化在缺氧条件下进行,无需氧气的供应,可节省62.5%的能源消耗;并且厌氧氨氧化过程彻底改变了过去需要通过投加电子供体(碳源)才能脱氮的传统途径(反硝化),大大节省碳源;此外能量减少也意味着CO2排放的降低;

2、减少污泥产量:厌氧氨氧化菌生长慢、产率低,工艺剩余污泥量少,因此污泥处置费用低;

3、高负荷,减少占地面积:厌氧氨氧化氮去除效率高,因此该工艺总体负荷高,可以减少工艺占地,降低工艺基建费用。

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1、引言

理论推算表明,传统生化处理工艺的耗能为0.044 度/人·天,而采用厌氧氨氧化的新型污水处理工艺可净产能0.024度/人·天。以高碑店污水厂为例,服务人口240万人,每年节约能耗与产能总计约6千万度,按电价0.6元/度计算,节省费用及创造价值总计3.57千万元。

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1、引言

选用颗粒污泥

选用颗粒污泥

由于厌氧氨氧化菌生长缓慢(在35℃时倍增时间为10-12天),污泥在反应器内的有效持留就很关键,而颗粒污泥被认为是实现污泥有效持留的方法之一。

颗粒污泥具有高效的容积去除速率,为厌氧氨氧化技术应用于处理低温低浓度的城市污水提供了可能。

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2、实验材料和方法
  • 2.1试验废水
  • 本试验用水采用高碑店污水处理厂二级出水,另外再投加NH4Cl和NaNO2作为基质。进水的主要指标如下表所示:
  • 2.2试验污泥

在进行该试验时, UASB反应器已经成功启动,在NH4+-N和NO2--N的平均进水浓度分别为125mg/l和131mg/l时,容积氮去除速率平均为1.15kg N/m3·d。通过DNA提取和基因测序得知反应器内的厌氧氨氧化菌主要为Candidatus Kuenenia stuttgartiensis菌。污泥呈絮体状,未见明显颗粒出现。

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2、实验材料和方法
  • 2.3 试验装置
  • 采用UASB反应器,由有机玻璃制成,反应器内径为8cm ,有效容积为8L。
  • 外裹黑色橡胶保温材料以避免光对厌氧氨氧化菌的负面影响并对柱体保温。
  • 通过对柱体进行水浴加热将反应器温度控制在30±1℃。

排气

出水

水箱

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2、实验材料和方法
  • 2.4 试验方法
  • 2.5 测定项目与方法

试验期间,保持进水水质不变,通过逐步增加进水流量来提高反应器的进水容积负荷。在负荷提高过程中,以出水NH4+-N或NO2--N浓度作为控制指标:当出水NH4+-N或NO2--N浓度小于1 mg/l,证明反应器中基质基本被消耗完,可提高进水流量。

COD采用COD快速测定仪测定;NH4+-N 采用纳氏试剂光度法测定;NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定;NO3--N采用麝香草酚分光光度法测定;TN:过硫酸钾氧化-紫外分光光度法;pH和DO: WTW pH/Oxi 340i系列;颗粒粒径分布:筛分法。

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3、结果与讨论
  • 3.1 Anammox反应器运行性能

图1、运行期间NH4+-N和NO2--N进出水浓度变化

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3、结果与讨论

进水氨氮浓度为16.61±2.11mg/L,出水氨氮浓度为1.18±1.21mg/L;进水亚硝浓度为19.84±2.38mg/L,出水亚硝浓度为1.13±1.24mg/L。在运行的前40d,NO2--N出水浓度基本都在1 mg/l以下,而NH4+-N出水浓度相对较高。从40d到70d,NH4+-N出水情况好转,平均出水浓度为0.51mg/l。

反应器运行的前40d,进水的NO2--N/NH4+-N平均值为1.11 左右,小于厌氧氨氧化反应所需的理论值1.31,进水 NO2--N浓度的不足引起NH4+-N的剩余;从40-70d,随着进水NO2--N浓度的相对增加,基质浓度充足,推动厌氧氨氧化反应的进行,此阶段NH4+-N出水浓度基本为0。

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3、结果与讨论
  • 3.1 Anammox反应器运行性能

图2、运行期间容积氮去除速率与HRT的变化

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3、结果与讨论

本试验在保持进水NH4+-N浓度为(16.61±2.11)mg/l,进水NO2--N浓度为(19.84±2.38)mg/l,通过不断提高进水流量来降低水力停留时间HRT,进而提高容积氮去除速率。当HRT由1.26h降至0.14h时,对应的容积氮去除速率由0.64kgN/m3·d增加到5.73kgN/m3·d。说明在低基质浓度条件下Anammox反应器已具有高效的脱氮性能。

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3、结果与讨论
  • 3.2 Anammox反应器运行性能分析
  • 3.2.1 进水NO2--N/NH4+-N对运行性能的影响

图3、厌氧氨氧化的化学计量学关系

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3、结果与讨论
  • 3.2 Anammox反应性能分析
  • 3.2.1 进水NO2--N/NH4+-N对运行性能的影响

由图3可以看出,反应器运行的前47天△NO2--N/△NH4+-N普遍小于理论值1.31,而从47-70天△NO2--N/△NH4+-N逐渐接近理论值。这主要是因为在运行的前47天,进水的NO2--N/NH4+-N平均值为1.11,在接下来的47-70天中,进水的NO2--N/NH4+-N平均值为1.39,由图1可以看出此阶段NH4+-N基本被消耗完全,而NO2--N则有不同程度的剩余。

张树德等用Anammox生物滤池处理低氨氮废水的研究表明:维持进水NH4+-N浓度为10-25mg/l,进水NO2--N/NH4+-N=1.24时,氨氮去除不彻底;进水NO2--N/NH4+-N=1.60时,亚硝酸盐的去除不彻底;进水NO2--N/NH4+-N=1.34时,NO2--N和NH4+-N在滤池内同时得到去除。可见,进水NO2--N/NH4+-N对氮素的去除有着很大的影响,控制好进水NO2--N/NH4+-N才能使反应器性能处于良好的状态。

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3、结果与讨论
  • 3.2 Anammox反应器运行性能分析
  • 3.2.2 DO对运行性能的影响

图4、运行期间NH4+-N和NO2--N去除率变化

图5、运行期间N负荷去除率的变化

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3、结果与讨论
  • 3.2 Anammox反应器运行性能分析
  • 3.2.2 DO对运行性能的影响

由图4可以看出,运行期间反应器对NH4+-N的去除率为93.31±6.31%,对NO2--N的去除率为94.57±5.83% 。反应器运行到第10天和第42天时,由于进水箱缺水,反应器进了的大量空气(约100L),导致反应器中溶解氧浓度(DO)增加,厌氧氨氧化活性受到抑制,产气量急剧下降,氮的去除率也随之降低:第一次由94.77%下降到88.81%,第二次由87.58%下降到78.18%。但随着后续进水的正常,反应器的性能逐渐恢复。

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A

B

3、结果与讨论
  • 3.3 Anammox颗粒污泥特性
  • 3.3.1 表观性状

图6 厌氧氨氧化颗粒污泥SEM照片(A:×100,B:×1000)

如图为反应器运行到70天时颗粒污泥的SEM照片。此时反应器的HRT为0.14h,最大进水流量已达到176L/L·d,计算得到的液体表面上升流速(superficial liquid upflow velocity,SLUV)为11.68m/h 。反应器内的厌氧氨氧化污泥基本以颗粒状存在,污泥整体为红褐色。

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反应器内的厌氧氨氧化污泥基本以颗粒状存在,污泥整体为红褐色。反应器内的厌氧氨氧化污泥基本以颗粒状存在,污泥整体为红褐色。

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3、结果与讨论
  • 3.3 Anammox颗粒污泥特性
  • 3.3.2 粒径分布

表2、厌氧氨氧化颗粒的粒径分布

厌氧氨氧化UASB反应器中距底部55cm处颗粒污泥,经过筛分法分析颗粒污泥粒径分布,以各粒径梯度范围内颗粒污泥MLSS占总MLSS的百分比来表示颗粒污泥粒径分布情况。

厌氧氨氧化UASB反应器中距底部55cm处颗粒污泥,经过筛分法分析颗粒污泥粒径分布,以各粒径梯度范围内颗粒污泥MLSS占总MLSS的百分比来表示颗粒污泥粒径分布情况。

粒径处于0.5-0.9mm范围内的颗粒污泥占81.81%,大于2.0mm的颗粒污泥占总数的1.33%,说明反应器中的污泥已经颗粒化。

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4、结论
  • (1)在低基质浓度(NH4+-N为16.61mg/L,NO2--N为19.84mg/L)条件下,UASB反应器可实现高效厌氧氨氧化脱氮,对 NH4+ -N和NO2--N的去除率分别为93.31±6.31%和94.57±5.83%。
  • (2)逐步缩短厌氧氨氧化UASB反应器的水力停留时间,反应器的容积氮去除速率不断增加。当HRT为0.14h时,对应的容积氮去除速率提升至5.73 kg N/m3·d。
  • (3)在低基质条件下,厌氧氨氧化UASB反应器可实现污泥颗粒化,粒径在0.5-0.9mm范围内的颗粒污泥占81.81%,该颗粒污泥呈红褐色,表面有大量孔隙。
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