申請日2015.07.27
公開(公告)日2017.06.06
IPC分類號C02F9/14
摘要
一種基于城市污水短程硝化‑厭氧氨氧化的多級A/O生物脫氮的裝置與方法，屬于污水生物處理領域。該裝置主要由SBR除碳反應器、中間水箱、多級A/O除氮反應器和沉淀池組成，生活污水首先進入SBR反應器曝氣除去原水中的部分有機物，隨后進入A/O反應器中通過交替好氧/缺氧反應實現(xiàn)短程硝化‑厭氧氨氧化。將二沉池污泥回流至第一段缺氧區(qū)，在保證A/O反應器中污泥濃度的同時，又可利用原水中的COD降低回流污泥中硝態(tài)氮。本發(fā)明充分利用低氧曝氣與生物接觸氧化實現(xiàn)了生活污水的短程硝化與厭氧氨氧化反應，節(jié)省了曝氣量，污泥產率低，且無需投加外加碳源，具有節(jié)能降耗的特點，提高了反應器的穩(wěn)定性，操作方便。
權利要求書
1.基于城市污水短程硝化-厭氧氨氧化的多級A/O生物脫氮的裝置，其特征在于：包括順序連接的城市污水原水箱(1)、SBR反應器(2)、中間水箱(3)、多級A/O反應器(4)和沉淀池(5);所述城市污水原水箱(1)設有溢流管(1.1)和放空管(1.2);城市污水原水箱(1)通過第一進水泵(2.1)與SBR反應器(2)的進水管相連接;中間水箱(3)設有溢流管(3.1)和放空管(3.2);SBR反應器的出水經中間水箱(3)由第二進水泵(2.2)進入多級A/O反應器(4);多級A/O反應器(4)由第一段缺氧區(qū)(4.1)和其后交替設置的4組好氧區(qū)和缺氧區(qū)組成，沿水流方向上下交替設置過流孔連接各個區(qū)室，第一段好氧區(qū)(4.2)、第二段好氧區(qū)(4.4)、第三段好氧區(qū)(4.6)、第四段好氧區(qū)(4.8)采用持續(xù)低氧曝氣，第二段缺氧區(qū)(4.3)、第三段缺氧區(qū)(4.5)、第四段缺氧區(qū)(4.7)、第五段缺氧區(qū)(4.9)投放固定于支架上的附著厭氧氨氧化菌的海綿填料(4.10);好氧區(qū)和缺氧區(qū)均設有攪拌器(7)，好氧區(qū)設有空壓機(4.11)、氣體流量計(4.12)、氣量調節(jié)閥(4.13)和曝氣頭(4.14);多級A/O反應器(4)通過沉池連接管(5.1)與沉淀池(5)連接;沉淀池(5)通過污泥回流泵(5.2)與多級A/O反應器(4)的第一段缺氧區(qū)(4.1)相連;其中附著厭氧氨氧化菌的海綿填料(4.10)為邊長1.5-2.5cm的立方體海綿塊均勻分掛在支架上;其中SBR反應器、各個好氧區(qū)和缺氧區(qū)均設溶氧儀(6)在線監(jiān)測溶解氧濃度。
2.應用如權利要求1所述裝置處理生活污水的方法，其特征在于包括如下步驟：
(1)接種污泥和啟動階段
SBR反應器接種二沉池回流污泥，污泥濃度在3-4g/L;多級A/O反應器中好氧區(qū)接種短程硝化污泥，污泥濃度在3-4g/L;第二、三、四、五段缺氧區(qū)皆投放掛有厭氧氨氧化填料的支架，填料的填充比為10%-20%;
(2)正常運行階段
生活污水進入SBR反應器，曝氣除去原水中有機物，溶解氧濃度控制在3-4mg/L,水力停留時間維持在3-4h,污泥停留時間維持在10-12d;
SBR出水進入多級A/O反應器的第一段缺氧區(qū)，通過反硝化作用除去回流污泥中的硝態(tài)氮，隨后進入第一段好氧區(qū)進行曝氣，依次經過后面的各好氧區(qū)和缺氧區(qū)，出水進入沉淀池，污泥回流至第一段缺氧區(qū)，回流比100%;調整好曝氣閥，控制各個好氧區(qū)的溶解氧濃度在0.4-0.6mg/L之間;在多級A/O反應器中的水力停留時間為9.6h。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于：當反應器運行穩(wěn)定后若反應出水氨氮濃度高于5mg/L時,則增大曝氣量;若氨氮濃度低于1mg/L，則減小曝氣量。
說明書
一種基于城市污水短程硝化-厭氧氨氧化的多級A/O生物脫氮的裝置與方法
技術領域
本發(fā)明涉及一種基于城市污水短程硝化-厭氧氨氧化的多級A/O生物脫氮的裝置與方法，屬于污水生物處理的領域。
背景技術
水體富營養(yǎng)化主要由污水中的氮磷引起，不但使城市水環(huán)境不斷惡化還會危及飲用水水源，對生產和生活造成非常大的影響。因此如今能源危機凸顯和現(xiàn)有的大能耗污水處理廠的情況下，實現(xiàn)高效低耗的可持續(xù)發(fā)展的污水處理具有非常重要的意義。
短程硝化是通過控制將氨氮氧化為亞硝酸鹽即停止，而不進行繼續(xù)氧化為硝酸鹽的反應。厭氧氨氧化菌利用氨氮和亞硝酸鹽反應產生氮氣，無需有機碳源且污泥產量少，為污水自養(yǎng)脫氮提供了可能，已被認為是最為經濟高效的生物脫氮技術之一。短程硝化與厭氧氨氧化技術相結合與傳統(tǒng)的硝化反硝化技術相比實現(xiàn)了節(jié)省曝氣量，無需外加碳源，污泥產量少，占地空間少，從而達到了節(jié)能低耗的處理污水。此外原水中的有機物從另一個角度看也是一種能源，可用于產甲烷。同時厭氧氨氧化反應中不產生或者很少產生溫室氣體氧化亞氮(N2O)，有利于緩解溫室效應。而現(xiàn)有對該技術的應用大多集中在高溫高氨氮廢水領域，城市污水中應用較少的原因是城市污水不僅溫度低其中氨氮濃度也低，不能穩(wěn)定地實現(xiàn)短程硝化。本發(fā)明以城市污水作為處理對象，已為其在城市污水中的應用提供參考。
傳統(tǒng)的硝化作用由氨氧化菌(AOB)和亞硝酸鹽氧化菌(NOB)共同完成，反硝化過程由反硝化菌來完成。這其中氨氮氧化的中間產物亞硝酸鹽(NO2-)，可與剩余部分氨氮發(fā)生厭氧氨氧化反應生成氮氣，實現(xiàn)氮的去除。短程硝化穩(wěn)定實現(xiàn)的關鍵是保持AOB的生物量和活性同時降低NOB的生物量和活性，從而實現(xiàn)亞硝酸鹽的積累，避免亞硝酸鹽繼續(xù)被NOB氧化為硝酸鹽。影響AOB和NOB的一大重要因素即為溶解氧，因為硝化細菌都為好氧菌。莫諾方程式量化模擬可知，表征對氧親和力的KO2(值越高親和力越弱)的值，NOB相較于AOB大,即表明當溶解氧受限時，NOB的耐受性不如AOB，前者受影響比較大。故通過控制持續(xù)的低溶解氧，污泥經淘洗有利于實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化，從而實現(xiàn)亞硝酸鹽的穩(wěn)定積累。研究表明在溶解氧為0.4-0.7mg/L時，NOB的增長速率低于AOB。運行中污泥齡在15天左右，可以實現(xiàn)AOB的增長卻不能滿足NOB的增長，導致NOB逐漸被淘洗掉。因此認為控制低溶解氧和合適的污泥齡是實現(xiàn)短程硝化的關鍵。通過低氧曝氣區(qū)與缺氧厭氧氨氧化區(qū)的交替設置有利于抑制NOB，實現(xiàn)短程硝化和厭氧氨氧化。
在實現(xiàn)了穩(wěn)定的短程硝化即亞硝酸鹽積累后，厭氧氨氧化菌能利用原有的氨氮與亞硝酸鹽反應高效實現(xiàn)污水脫氮。由于厭氧氨氧化菌利用無機碳源實現(xiàn)自養(yǎng)脫氮，細胞產率低，倍增時間長。加之厭氧氨氧化菌難以富集和容易流失，因此采用生物膜填料既保證了一定的厭氧氨氧化菌的生物量和厭氧氨氧化反應的高效進行，又避免了前面低氧曝氣區(qū)流入的短程硝化污泥的影響。
發(fā)明內容：
本發(fā)明的目的就是針對如今能源危機凸顯和現(xiàn)有的大能耗污水處理廠的情況下，為實現(xiàn)高效低耗的可持續(xù)發(fā)展的污水處理所提出的一種基于短程硝化-厭氧氨氧化的多級A/O實現(xiàn)城市污水生物脫氮的裝置和處理方法，該方法和裝置首先將污水通入SBR除碳反應器，通過異養(yǎng)菌在好氧情況下去除進水中的有機物;而后污水通入多級A/O反應器，通過短程硝化和厭氧氨氧化交替進行自養(yǎng)脫氮，出水經沉淀池，污泥回流至第一段缺氧區(qū)。該多級A/O連續(xù)流反應裝置通過好氧區(qū)的懸浮活性污泥低氧曝氣高效實現(xiàn)短程硝化反應，隨之缺氧區(qū)的海綿填料有效地持留富集厭氧氨氧化菌，增加了微生物的濃度，顯著提高系統(tǒng)的處理能力實現(xiàn)了污水中氮的去除。
本發(fā)明的目的是通過以下方案解決的：
基于城市污水短程硝化-厭氧氨氧化的多級A/O生物脫氮的裝置，其特征在于：包括順序連接的生活污水原水箱(1)、SBR反應器(2)、中間水箱(3)、多級A/O反應器(4)和沉淀池(5);所述城市污水原水箱(1)設有溢流管(1.1)和放空管(1.2);城市污水原水箱(1)通過第一進水泵(2.1)與SBR反應器(2)的進水管相連接;中間水箱(3)設有溢流管(3.1)和放空管(3.2);SBR反應器的出水經中間水箱(3)由第二進水泵(2.2)進入多級A/O反應器(4);多級A/O反應器(4)由第一段缺氧區(qū)(4.1)和其后交替設置的4組好氧區(qū)和缺氧區(qū)組成，沿水流方向上下交替設置過流孔連接各個區(qū)室，第一段好氧區(qū)(4.2)、第二段好氧區(qū)(4.4)、第三段好氧區(qū)(4.6)、第四段好氧區(qū)(4.8)采用持續(xù)低氧曝氣，第二段缺氧區(qū)(4.3)、第三段缺氧區(qū)(4.5)、第四段缺氧區(qū)(4.7)、第五段缺氧區(qū)(4.9)投放固定于支架上的附著厭氧氨氧化菌的海綿填料(4.10)。好氧區(qū)和缺氧區(qū)均設有攪拌器(7)，好氧區(qū)設有空壓機(4.11)、氣體流量計(4.12)、氣量調節(jié)閥(4.13)和曝氣頭(4.14);多級AO反應器(4)通過沉池連接管(5.1)與沉淀池(5)連接;沉淀池(5)通過污泥回流泵(5.2)與多級A/O反應器(4)的第一段缺氧區(qū)(4.1)相連。其中厭氧氨氧化填料(4.10)為邊長1.5-2.5cm的立方體海綿塊，均勻分掛在支架上。其中SBR反應器、各個好氧區(qū)和缺氧區(qū)均設溶氧儀(6)在線監(jiān)測溶解氧濃度。
應用所述裝置的方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)接種污泥和啟動階段
SBR反應器接種二沉池回流污泥，污泥濃度在3-4g/L;多級A/O反應器中好氧區(qū)接種短程硝化污泥，污泥濃度在3-4g/L;第二、三、四、五段缺氧區(qū)皆投放掛有厭氧氨氧化填料的支架，填料的填充比為10%-20%。
(2)正常運行階段
生活污水進入SBR反應器，曝氣除去原水中有機物，溶解氧濃度控制在3-4mg/L,水力停留時間維持在3-4h,污泥停留時間維持在10-12d。
SBR出水進入多級A/O反應器的第一段缺氧區(qū)，通過反硝化作用除去回流污泥中的硝態(tài)氮，隨后進入第一段好氧區(qū)進行曝氣，部分銨鹽轉化為亞硝酸鹽，之后進入第二段缺氧區(qū)將生成的部分亞硝酸鹽與原水中銨鹽進行厭氧氨氧化反應生成氮氣，如此依次經過后面的各好氧段和缺氧段，出水進入沉淀池，污泥回流至第一段缺氧區(qū)，回流比100%。調整好曝氣閥，控制各個好氧區(qū)的溶解氧濃度在0.4-0.6mg/L之間。在多級A/O反應器中的水力停留時間為9.6h。
同時當反應器運行穩(wěn)定后若反應出水氨氮濃度高于5mg/L,則可以增大曝氣量;若氨氮濃度低于1mg/L,則可以適當減小曝氣量。
本發(fā)明一種基于城市污水短程硝化-厭氧氨氧化的多級A/O生物脫氮的裝置與方法，與現(xiàn)有傳統(tǒng)生物脫氮工藝和常規(guī)厭氧氨氧化脫氮處理工藝相比具有以下優(yōu)勢：
(1)本發(fā)明中硝化過程的縮短即發(fā)生部分短程硝化反應節(jié)省了60%的曝氣量，厭氧氨氧化反應的進行節(jié)省了100%的有機碳源，節(jié)省了能耗，減少了碳足跡的同時，降低了污水廠的運行費用。同時，由于本裝置中主要富集自養(yǎng)菌，污泥產量低，減少了剩余污泥排放量，具有節(jié)能降耗的優(yōu)點。
(2)本發(fā)明中低氧曝氣實現(xiàn)短程硝化后隨即進行厭氧氨氧化反應，使得AOB與厭氧氨氧化菌各司其職，污泥的回流即保證了AOB的生物量和短程硝化的順利進行，又降低了出水中硝態(tài)氮的濃度，提高了總氮去除率。生物膜填料的使用保證了厭氧氨氧化菌的生物量和活性，為高效低耗的厭氧氨氧化反應提供了有利條件，從而有效的去除氨氮。
(3)本發(fā)明中由于厭氧氨氧化填料采用可移動的支架，并設有多個單元格，可靈活根據(jù)AOB和Anammox菌的活性比例調整好氧/缺氧體積比，從而提高反應器的脫氮效率。如若亞硝酸鹽積累可增加厭氧區(qū)的個數(shù)即增大厭氧區(qū)體積或者加密海綿填料即增大填料的填充比。
(4)多級A/O反應器中相鄰單元格之間采用上下交替進水的方式，在單元格內部形成了類似于UASB反應器的水力條件，增大了剪切力，利于厭氧氨氧化菌的附著生長。
附圖說明：
圖1為本發(fā)明一種基于城市污水短程硝化-厭氧氨氧化的多級A/O生物脫氮的裝置的結構示意圖。
具體實施方式：
下面結合圖1對本發(fā)明作進一步說明，如圖1所示，基于城市污水短程硝化-厭氧氨氧化的多級A/O生物脫氮的裝置，其特征在于：包括順序連接的生活污水原水箱(1)、SBR反應器(2)、中間水箱(3)、多級A/O反應器(4)和沉淀池(5);所述城市污水原水箱(1)設有溢流管(1.1)和放空管(1.2);城市污水原水箱(1)通過第一進水泵(2.1)與SBR反應器(2)的進水管相連接;中間水箱(3)設有溢流管(3.1)和放空管(3.2);SBR反應器的出水經中間水箱(3)由第二進水泵(2.2)進入多級A/O反應器(4);多級A/O反應器(4)由第一段缺氧區(qū)(4.1)和其后交替設置的4組好氧區(qū)和缺氧區(qū)組成，沿水流方向上下交替設置過流孔連接各個區(qū)室，第一段好氧區(qū)(4.2)、第二段好氧區(qū)(4.4)、第三段好氧區(qū)(4.6)、第四段好氧區(qū)(4.8)采用持續(xù)低氧曝氣，第二段缺氧區(qū)(4.3)、第三段缺氧區(qū)(4.5)、第四段缺氧區(qū)(4.7)、第五段缺氧區(qū)(4.9)投放固定于支架上的附著厭氧氨氧化菌的海綿填料(4.10)。好氧區(qū)和缺氧區(qū)均設有攪拌器(7)，好氧區(qū)設有空壓機(4.11)、氣體流量計(4.12)、氣量調節(jié)閥(4.13)和曝氣頭(4.14);多級AO反應器(4)通過沉池連接管(5.1)與沉淀池(5)連接;沉淀池(5)通過污泥回流泵(5.2)與多級A/O反應器(4)的第一段缺氧區(qū)(4.1)相連。其中厭氧氨氧化填料(4.10)為邊長2.5cm的立方體海綿塊，均勻分掛在支架上。其中SBR反應器、持續(xù)低氧曝氣的好氧區(qū)和厭氧氨氧化的缺氧區(qū)均設溶氧儀(6)在線監(jiān)測溶解氧濃度。
實驗所用污水來自北京某高校家屬區(qū)生活污水化糞池，其水質指標為：COD為140±41.9mg/L，NH4+-N為53.27±10.7mg/L,NO2-N為0.17±0.05mg/L,NO3-N為0.68±0.5mg/L,pH為7.44±0.2。
(5)實驗系統(tǒng)中SBR反應器有效容積為15L，中間水箱容積為10L,多級A/O反應器的有效容積為36L(共9區(qū)，每區(qū)有效容積為4L)，沉淀池的有效容積為15L。
具體運行操作如下：
(1)接種污泥和啟動階段
SBR反應器接種傳統(tǒng)污水處理廠的二沉池回流污泥，含有大量活性好的異氧菌，通過曝氣可實現(xiàn)有機物的降解，使污泥濃度在3.5g/L;多級A/O反應器中好氧區(qū)接種某中試規(guī)模穩(wěn)定運行的短程硝化污泥，其中氨氧化菌(AOB)數(shù)量多且活性好，與亞硝酸鹽氧化菌(NOB)相比占優(yōu)勢，污泥濃度在3.5g/L;第二、三、四、五段缺氧區(qū)皆投放掛有厭氧氨氧化填料的支架，其中填料取自處理高氨氮廢水的一體化自養(yǎng)脫氮反應器，填料的填充比為20%。
(2)正常運行階段
生活污水進入SBR反應器，曝氣除去原水中有機物，溶解氧濃度控制在3-4mg/L,水力停留時間維持在4h,污泥停留時間維持在10d。
SBR出水進入多級A/O反應器的第一段缺氧區(qū)，通過反硝化作用除去回流污泥中的硝態(tài)氮，隨后進入第一段好氧區(qū)進行低氧曝氣，部分銨鹽轉化為亞硝鹽，隨后進入第二段缺氧區(qū)將生成的部分亞硝酸鹽與原水中銨鹽進行厭氧氨氧化反應生成氮氣，如此依次經過后面的各好氧和缺氧段，出水進入沉淀池，污泥回流至第一段缺氧區(qū)，回流比100%。調整好曝氣閥，控制各個好氧區(qū)的溶解氧濃度在0.4-0.6mg/L之間。在多級A/O反應器中的水力停留時間為9.6h。
同時當反應器運行穩(wěn)定后若反應出水氨氮濃度高于5mg/L,則可以增大曝氣量;相反，若氨氮濃度低于1mg/L,則可以適當減小曝氣量。
實驗結果表明：進水為平均碳氮比為3.2的生活污水，反應器穩(wěn)定運行后，出水的TN<15mg/L、COD<45mg/L。其中SBR出水COD在55mg/L到80mg/L之間，氨氮濃度在44mg/L到70mg/L之間，亞硝態(tài)氮在0.4mg/L到1.6mg/L之間，硝態(tài)氮在0.2mg/L到1.2mg/L之間。多級A/O反應器的出水中氨氮為在1.0mg/L到6.0mg/L之間，亞硝態(tài)氮為在0.20mg/L到3.55mg/L之間，硝態(tài)氮為在0.55mg/L到5.80mg/L之間，COD為在35mg/L到45mg/L之間，平均總氮去除率高達73.5%。多級A/O系統(tǒng)污泥濃度MLSS穩(wěn)定維持在3000mg/L～3500mg/L之間，SVI穩(wěn)定在90-110之間。
