申請日2015.08.24
公開(公告)日2016.01.20
IPC分類號C02F3/28; C02F101/16
摘要
本實用新型涉及一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置，包括裝置本體，其特征在于，裝置本體頂部一側設有進水管，進水管和位于裝置本體頂部的配水槽相連，配水槽通過管路與位于裝置本體底部的布水系統(tǒng)相連接，三相分離器設置于裝置本體上部，三相分離器上方設置有沼氣收集管和出水管，所述出水管通過回流管與進水管相連通。反應器內厭氧氨氧化細菌已得到了較大程度的富集。除此之外，在進行厭氧氨氨氧化的同時，平均有84.7%的COD也被去除。
權利要求書
1.一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置，包括裝置本體，其特征在于，裝置本體頂部一側設有進水管，進水管和位于裝置本體頂部的配水槽相連，配水槽通過管路與位于裝置本體底部的布水系統(tǒng)相連接，三相分離器設置于裝置本體上部，三相分離器上方設置有沼氣收集管和出水管，所述出水管通過回流管與進水管相連通。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述配水槽位于裝置本體頂部的中心處。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述出水管的水平高度低于進水管，所述出水管與進水管間的回流管為U型管連。
4.如權利要求1所述的裝置，所述布水系統(tǒng)設置有6-8根布水支管。
5.如權利要求1所述的裝置，所述布水支管上設置有3-4排相互平行的布水孔，所述各排布水孔在布水管上縱切面間的夾角為15-18°。
說明書
一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置
技術領域
本實用新型屬于生物處理技術領域，尤其涉及一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置。
背景技術
水是社會和經濟可持續(xù)發(fā)展的基礎，隨著我國工業(yè)化進程的加快，自然環(huán)境尤其是水環(huán)境遭到了較嚴重的破壞，江河及湖庫水環(huán)境質量日趨惡化。從上世紀八十年代開始，國家加快了對水環(huán)境治理的步伐，污水處理率有了較大提高，然而我國緩流水體富營養(yǎng)化問題不僅沒有解決，而且有日益嚴重的趨勢。
隨著水體富營養(yǎng)化程度的不斷嚴重，國內外開始注重污水中氮元素的去除�，F(xiàn)在普遍應用的傳統(tǒng)污水生物脫氮工藝如缺氧/好氧(AO)工藝，厭氧/缺氧/好氧(A2O)工藝，SBR工藝，氧化溝工藝等，均需要創(chuàng)造好氧環(huán)境將氨氮轉化為硝態(tài)氮，而后利用有機物(能量載體)將硝態(tài)氮轉化為氮氣。而實際城市污水大都C/N比較低，難以滿足反硝化所需的碳源，需要投加甲醇等外碳源，以提高系統(tǒng)總氮TN去除率，進一步增加了系統(tǒng)的運行費用。因此傳統(tǒng)脫氮工藝在曝氣環(huán)節(jié)消耗了大量的能量，屬于高能耗的污水處理工藝，不符合低能耗、可持續(xù)的發(fā)展原則。
近年來由于含氨氮廢水導致水體污染和富營養(yǎng)化的現(xiàn)象日益嚴重，開發(fā)和應用高效節(jié)能的可持續(xù)廢水脫氮工藝已成為當今水污染控制領域的研究熱點。厭氧氨氧化工藝是目前已知的最經濟的生物脫氮途徑，與傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮工藝相比具有需氧量低、運行費用低和不需要外加碳源等優(yōu)點。近年來備受矚目，國外有許多研究人員對該工藝的運行條件以及其中新發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氮細菌進行了多方面的研究，然而對如何利用普通污泥成功實現(xiàn)厭氧氨氧化過程的報道并不多見。利用普通污泥實現(xiàn)厭氧氧化過程對于該工藝在實際工程中的推廣具有重大意義。
另一方面，目前UASB布水形式分為池底布水和池頂布水。底部進水的優(yōu)點是進水通過動力裝置將原水注入反應器，進水壓力大，可以有效攪動池底污泥，不易形成短流。但是底部布水時，布水管一旦堵塞不易察覺，久而久之堵塞的管道得不到疏通便會嚴重影響UASB的處理效率。而池頂布水是通過在UASB反應器頂部設置進水槽，有一槽一管式，有一槽多管式。這種布水方式的優(yōu)點是能夠直觀觀察出進水的分布，布水管堵塞時容易疏通，彌補了底部進水的缺點。但是頂部進水的不足之處是進水動力小，對池底污泥的攪動較小，容易形成短流，造成UASB有效容積降低，大大影響容積負荷。
實用新型內容
為解決上述問題，本實用新型提供了一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置，開發(fā)了一種新型UASB反應器，并對現(xiàn)有的厭氧氨氧化工藝進行研究，以自配高氮低碳廢水為進水,普通厭氧污泥為接種污泥,在溫度35℃，pH7.5～8.0的條件下連續(xù)運行220天;之后又在工程中進行了改造和試驗，成功實現(xiàn)了厭氧氨氧化。
為實現(xiàn)該技術目的，本實用新型所采取的技術方案是：
一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置，包括裝置本體，裝置本體頂部一側設有進水管，進水管和位于裝置本體頂部的配水槽相連，配水槽通過管路與位于裝置本體底部的布水系統(tǒng)相連接，三相分離器設置于裝置本體上部，三相分離器上方設置有沼氣收集管和出水管，所述出水管通過回流管與進水管相連通。
本實用新型將配水槽設置和布水系統(tǒng)分別設置在裝置本體的頂部和底部，利用水的流動性將配水槽中水的勢能轉換為動能，提供足夠的進水動力，上述設計既克服了現(xiàn)有技術進水動力小，對池底污泥的攪動較小，容易形成短流，造成UASB有效容積降低的問題，也解決了出進水的分布和布水管堵塞不易觀察的問題。
進一步地，所述配水槽位于裝置本體頂部的中心處。配水槽位于裝置本體中部時，最大限度地將重力勢能轉換為動能，提高進水動力，節(jié)約能耗，管路排布簡單。
進一步地，所述出水管的水平高度低于進水管，所述出水管與進水管間的回流管為U型管。保證處于未運行狀態(tài)的裝置在出水口閥門關閉時，出水管的水不會溢流到進水管中，且出水管和進水管間的回流管上無需設置閥門。
進一步地，所述布水系統(tǒng)設置有6-8根布水支管。在保證處理效率的前提下，最大限度減少布水支管數(shù)，節(jié)約耗材。
進一步地，所述布水支管上設置有3-4排相互平行的布水孔，所述各排布水孔在布水管上縱切面間的夾角為15-18°。水力分布更加均勻，增加了污泥的流動性，COD去除率提高5%左右。
一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理方法，包括如下步驟：
(1)將普通厭氧污泥作為接種污泥投加至上流式厭氧UASB反應器中;
(2)向高氮低碳廢水中加入有機物作為厭氧UASB反應器進水;配水中NO2--N的濃度為690-700mg/L，NH4+-N的濃度為250-270mg/L;
(3)厭氧UASB反應器在20-43℃，pH值為6.7-8.3的條件下連續(xù)流運行30-35天，
(4)經過30-35天的培養(yǎng)，將厭氧UASB反應器進水氨氮濃度提高到600-900mg/L，繼續(xù)運行50-60天，
(5)經過50-60天的培養(yǎng)，將厭氧UASB反應器進水氨氮濃度調整為低濃度，繼續(xù)運行110-120天，即得低濃度廢水。
優(yōu)選的是，步驟(1)中，厭氧污泥的VSS/SS為0.73-0.75。
優(yōu)選的是，步驟(2)中，所述的有機物為NO2–-N和NH4+-N。
優(yōu)選的是，步驟(3)中，進水有機COD濃度為1500-1550mg/L，容積負荷基本維持在2.5-2.7kg/(m3·d)。
優(yōu)選的是，步驟(3)中，厭氧UASB反應器在40±3℃，pH7.8-8.3的條件下連續(xù)流運行30-35天。
優(yōu)選的是，所述上流式厭氧UASB反應器中，所述厭氧污泥氨負荷為0.02-0.03kg/(Kg.d)，厭氧氨氧化菌的倍增時間為11d。
優(yōu)選的是，步驟(5)中，進水中NO2–-N濃度為270-280mg/L。
優(yōu)選的是，上述的上流式厭氧UASB反應器內部核心設備采用改性聚丙烯材料，無需涂裝防腐材料，減少了運行過程中的維護費用。
優(yōu)選的是，所述基質亞硝酸鹽濃度低于5mmol/L。
上述的方法處理后的反應器底部的厭氧泥樣，所述厭氧泥樣的VSS/SS為0.62-0.63。
設計原理：
(1)氨氮的去除
根據(jù)進水氨氮可將整個運行過程分為3個階段：適應期(1-30天)、高濃度運行期(30-62天)和低濃度運行期(63-220天)。
在適應期，進水氨氮濃度在220mg/L左右，出水氨氮濃度略高于進水濃度，說明氨氮在反應器中沒有得到去除，這與在普通厭氧反應器中觀察到的現(xiàn)象一致。
在第二階段提高進水氨氮濃度(即提高厭氧氧化細菌生長所需的基質濃度)，以加速厭氧氨氧化細菌的生長。在此期間，反應器的進水氨氮濃度均較高，基本在600-900mg/L之間波動，平均濃度為700mg/L。在第30～40天，氨氮的容積負荷較低，平均約為0.9kg/(m3·d)，而氨氮的去除率也相對較低，平均僅為12.5%。這表明經過約一個月的適應期后，反應器污泥中的厭氧氨氧化細菌逐漸生長和繁殖起來，并開始去除進水中的氨氮。與適應期相比，此階段最大特點是反應器出水氨氮濃度均略低于進水濃度，此現(xiàn)象表明在該反應器中，厭氧氨氧化已經逐漸產生。
在第三個階段，隨著反應器的運行，厭氧氨氧化反應越來越明顯，在第80～90天，厭氧氨氧化反應所占比例僅為10%;而在第140～180天，此反應所占比例上升到45%，在試驗的最后階段(即第180～220天)，所占比例已達到平均約65%左右。說明在該反應器內厭氧氨氧化細菌已得到了較大程度的富集。除此之外，在進行厭氧氨氧化的同時，平均有84.7%的COD也被去除。
(2)COD和NO2–-N的去除
因為厭氧氨氧化過程首先是在一個反硝化流化床反應器中發(fā)現(xiàn)的，因此，在實驗中、在啟動運行UASB時，其進水中也同時加入了一定量的有機物，模擬反硝化反應器的運行。結果如下：
除適應期外，反應器對進水中的有機COD去除率均較高，平均為84.7%。而進水中有機COD的濃度明顯分為2個階段：1～65天，進水中有機COD濃度較高，波動大，平均為1500mg/L，容積負荷基本維持在2.5kg/(m3·d)左右，在第66～220天，進水COD基本維持在240ml/L左右，該階段有機負荷維持在1kg/(m3·d)左右。
反應器的進水中還加有一定濃度的NO2–-N，其濃度分別為：在1～65天，平均為1130mg/L;在66～220天平均為270mg/L。進水中的NO2--N既會與有機物參與反硝化，又會參與由NH3參與的厭氧氨氧化過程。在整個實驗階段，除適應期外，UASB反應器對NO2–-N的去除效率均較高，平均為75.6%。反應器對NO2--N的去除率與進水中有機COD濃度密切相連。由于進水中NO2--N的濃度(平均為690mg/L)較NH4+-N(平均250mg/L)高許多，且進水有機物COD濃度也較高，這說明反應器具有較強的反硝化能力，且反硝化能力主要受進水有機碳源的影響。
(3)厭氧氨氧化污泥性狀
經過220天的連續(xù)運行，接種普通厭氧顆粒污泥的UASB反應器已經成功實現(xiàn)了厭氧氨氧化工藝的啟動運行。運行至210天時，從反應器底部取泥樣進行觀察，發(fā)現(xiàn)污泥呈絮狀，棕黃色，與接種的黑色顆粒污泥相比，已發(fā)生了明顯變化。這與其它厭氧氨氧化污泥相似，其VSS/SS為0.68，與接種時的0.73相比略有下降。
本實用新型的有益效果：
厭氧氨氮氧化是指在厭氧或者缺氧條件下，厭氧氨氧化菌以亞硝酸鹽或硝酸鹽為電子受體、以氨為電子供體完成生物脫氮的過程。其簡單生化反應式為：
5NH4++3NO3--–—>4N2+9H2O+2H+
NH4++NO2–—>N2+2H2O
根據(jù)厭氧氨氧化富集培養(yǎng)中的物料平衡，在化學方程式里加入微生物本身，則為：
1NH4++1.3NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2H2O
在處理不含有機物的高負荷(含氮)廢水時，在生物脫氮系統(tǒng)中存在氮元素的損失。這是厭氧氨氧化反應造成的。厭氧氨氧化最終產物大部分是N2，同時有微量的N2O、NO、NO2產生。厭氧氨氧化過程屬于化能自養(yǎng)型。這類反應吉布斯自由能較低，微生物的增長率和產率通常較低。微生物較低的生長速率表明厭氧氨氧化系統(tǒng)所需的啟動時間較長，但同時，污泥的產率較低，解決了剩余污泥的處理問題。這說明，厭氧氨氧化系統(tǒng)需要具有較好的污泥滯留能力，同時可以節(jié)省費用。
厭氧氨氧化工藝的關鍵是獲得足量的厭氧氨氧化菌，并將其有效地保持在裝置內，使反應器達到設計的厭氧氨氧化效能。在實施上，不僅要優(yōu)化營養(yǎng)條件和環(huán)境條件，促進厭氧氨氧化菌的生長，同時要設法改善菌體的沉降性能并改進反應器的結構，促使功能菌有效持留。此工藝的技術要點主要包括：
1.溫度控制：溫度范圍20-43℃，最適溫度40±3℃。
2.pH控制：pH應維持在6.7-8.3之間，最佳pH在8左右。
3.基質和產物濃度：基質氨和產物硝酸鹽對厭氧氨氧化的活性影響較小，但是基質亞硝酸鹽對厭氧氨氧化活性影響較大，一旦亞硝酸鹽濃度超過100mg/L，就會對厭氧氨氧化活性產生明顯的抑制作用。在基質濃度控制中，重點控制亞硝酸鹽濃度，使之低于5mmol/L。
4.溶解氧控制：氧氣會完全控制厭氧氨氧化過程，但除氧后這種抑制作用是可逆的，可以恢復。
5.負荷控制：厭氧氨氧化工藝常見的污泥氨負荷為0.02-0.03kg/(Kg.d)。防止污泥超負荷的措施是提高污泥濃度。
6.泥齡控制：厭氧氨氧化菌的倍增時間長達11天。厭氧氨氧化菌生長緩慢，細胞產率低，維持長泥齡對厭氧氨氧化工藝具有至關重要的作用。
我公司針對厭氧氨氧化反應器建立相應的自動化監(jiān)控系統(tǒng)，對反應器中的溶解氧和生物相進行適時監(jiān)控，確定微生物生長代謝的最佳條件及其生長緩慢的原因，保證系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運行，為厭氧氨氧化菌的培養(yǎng)提供理論依據(jù)。在實際應用中，因地制宜，揚長避短，充分利用現(xiàn)場條件及厭氧氨氧化工藝的優(yōu)越性。
