申請(qǐng)日2010.07.30
公開(kāi)(公告)日2011.02.02
IPC分類(lèi)號(hào)C02F3/02; C02F101/16; C02F11/04; C02F3/10
摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種低碳氮比污水的生物脫氮方法及其專(zhuān)用裝置。本發(fā)明利用水解酸化反應(yīng)器將污水生物處理過(guò)程產(chǎn)生的剩余污泥轉(zhuǎn)化為水解酸化液，通過(guò)鈣鹽除磷方法和氨吹脫裝置降低水解酸化液中磷和氮的含量后用作有機(jī)碳源，處理后的水解酸化液與低碳氮比污水按一定的流量比進(jìn)入具有曝氣段與非曝氣段的一體化曝氣生物濾池，在一定的工藝運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)提高總氮去除率的目的。本發(fā)明解決了低碳氮比污水生物脫氮過(guò)程反硝化碳源不足的問(wèn)題，提高了生物脫氮的效果，不會(huì)產(chǎn)生二次污染。同時(shí)將剩余污泥水解酸化產(chǎn)物作為外加碳源，以廢治廢，既有效地利用了剩余污泥水解酸化液中大量的富含揮發(fā)性脂肪酸的有機(jī)質(zhì)，又實(shí)現(xiàn)了剩余污泥的減量化、穩(wěn)定化和資源化。
摘要附圖
權(quán)利要求書(shū)
1.一種低碳氮比污水的生物脫氮方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)在水解酸化反應(yīng)器中，加入剩余污泥，用濃度為3.5～4.5mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值至9.0，180～240r/min攪拌反應(yīng)20～24h，按投配率為5～10%取出反應(yīng)液，再在5000×g離心力下離心30min，取其上清液，制得初級(jí)水解酸化液;其中，剩余污泥的VSS/TSS大于40%，含水率為95～97%;
(2)用(1+1)鹽酸調(diào)節(jié)初級(jí)水解酸化液的pH值至4.5～5.5，再向酸化后的初級(jí)水解酸化液中投加氯化鈣溶液，然后用濃度為3.5～4.5mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)投加氯化鈣溶液后的初級(jí)水解酸化液的pH值至8.5～9.5，攪拌反應(yīng)10～15min，再在5000×g離心力下離心30min，取其上清液，制得中級(jí)水解酸化液;其中，加入酸化后的初級(jí)水解酸化液中的Ca2+與酸化后的初級(jí)水解酸化液中的PO43--P的摩爾比為2～2.5∶1;
(3)用濃度為3.5～4.5mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)中級(jí)水解酸化液的pH值至11.0～11.5，再以500～900∶1的氣液比吹脫調(diào)節(jié)pH值后的中級(jí)水解酸化液中的氨，制得水解酸化液;其中，水解酸化液的COD濃度為6443.8～11401.4mg/L，TN濃度為255.62～488.64mg/L;NH4+-N濃度為219.10～385.81mg/L;TP濃度為17.550～59.470mg/L;
(4)將流量比為1∶50～100的水解酸化液和污水，連續(xù)加入曝氣生物濾池進(jìn)行處理，達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)TN、NH4+-N和COD排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求;其中，污水的COD/TN值小于2，TN濃度為30～60mg/L;曝氣生物濾池設(shè)有曝氣段和非曝氣段，曝氣段與非曝氣段的體積比為1～2∶1;曝氣生物濾池的氣水比為8～15∶1，回流比為2∶1，水力停留時(shí)間為8～10h;
其中，步驟(1)～(4)均在室溫下進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低碳氮比污水的生物脫氮方法，其特征在于：步驟(1)中，所述的投配率為5%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低碳氮比污水的生物脫氮方法，其特征在于：步驟(2)中，加入酸化后的初級(jí)水解酸化液中的Ca2+與酸化后的初級(jí)水解酸化液中的PO43--P的摩爾比為2∶1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低碳氮比污水的生物脫氮方法，其特征在于：步驟(3)中，吹脫調(diào)節(jié)pH值后的中級(jí)水解酸化液中氨的氣液比為500∶1。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低碳氮比污水的生物脫氮方法，其特征在于：步驟(4)中，水解酸化液和污水的流量比為1∶75。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低碳氮比污水的生物脫氮方法，其特征在于：步驟(4)中，曝氣生物濾池的氣水比為10∶1。
7.一種權(quán)利要求1所述的低碳氮比污水的生物脫氮方法的專(zhuān)用裝置，包括水解酸化罐、吹脫塔和一體化曝氣生物濾池，其特征在于：所述的一體化曝氣生物濾池包括曝氣段和非曝氣段，在所述的一體化曝氣生物濾池的側(cè)壁上至少設(shè)置有1個(gè)空氣入口，在所述的空氣入口上連接有穿孔曝氣管，所述的穿孔曝氣管均勻分布在一體化曝氣生物濾池內(nèi)的濾料層中;所述的曝氣段為通有空氣的穿孔曝氣管上段濾料層;所述的非曝氣段為通有空氣的穿孔曝氣管下段濾料層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低碳氮比污水的生物脫氮方法的專(zhuān)用裝置，其特征在于：所述的空氣入口為5個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的低碳氮比污水的生物脫氮方法的專(zhuān)用裝置，其特征在于：所述的曝氣段與非曝氣段的體積比在0.2～5∶1之內(nèi)可調(diào)。
說(shuō)明書(shū)
一種低碳氮比污水的生物脫氮方法及其專(zhuān)用裝置
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于環(huán)境工程水處理領(lǐng)域，涉及剩余污泥水解酸化產(chǎn)物經(jīng)除磷脫氨后作為有機(jī)碳源應(yīng)用于低碳氮比污水的處理并提高生物脫氮效率的方法及其專(zhuān)用裝置。
背景技術(shù)
低碳氮比污水是一類(lèi)有機(jī)物濃度偏低，氮含量較高的污水，許多地區(qū)的生活污水，垃圾滲濾液，部分工業(yè)廢水等都屬于這類(lèi)污水。低碳氮比污水中有機(jī)質(zhì)缺乏使得這類(lèi)污水在生物處理系統(tǒng)中有機(jī)碳源不足，導(dǎo)致總氮去除率偏低。傳統(tǒng)生物脫氮需要足夠數(shù)量的有機(jī)質(zhì)，而這類(lèi)污水中本身含有的有機(jī)質(zhì)較少，無(wú)法滿(mǎn)足反硝化所需的碳源要求。外加有機(jī)碳源是一類(lèi)重要的提高低碳氮比污水生物脫氮效果的方法。
目前，外加有機(jī)碳源以甲醇、乙醇、乙酸鈉等為主，但由于這類(lèi)有機(jī)碳源成本高，有些甚至有毒性，在實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有被廣泛運(yùn)用。尋找合適的外加有機(jī)碳源成為關(guān)注的熱點(diǎn)。
城市污泥經(jīng)水解酸化可產(chǎn)生較多的溶解性有機(jī)物，在水解與發(fā)酵細(xì)菌作用下，將碳水化合物、蛋白質(zhì)與脂肪水解并發(fā)酵轉(zhuǎn)化成單糖、氨基酸、脂肪酸和甘油等，水解階段產(chǎn)生的小分子化合物在發(fā)酵細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)化為更為簡(jiǎn)單的以揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)為主的末端產(chǎn)物，并分泌到細(xì)胞外。VFAs中的乙酸和丙酸是增強(qiáng)生物脫氮的有利基質(zhì)，擁有比甲醇和乙醇更高的反硝化速率。
國(guó)內(nèi)吳一平等以初沉污泥厭氧水解/酸化產(chǎn)物為反硝化的碳源研究脫氮速率，發(fā)現(xiàn)初沉污泥水解產(chǎn)物的脫氮速率分別為城市污水脫氮速率的3倍，是投加甲醇脫氮速率的1.33倍;高永青等研究了剩余污泥酸化液用作A2/O系統(tǒng)的補(bǔ)充碳源時(shí)的反硝化速率和系統(tǒng)的脫氮除磷能力;Tong等利用回收氮磷后的剩余污泥水解酸化液作為外加碳源研究了SBR反應(yīng)器生物脫氮除磷性能，在酸化液流量∶進(jìn)水流量為1∶35時(shí)，TN和P的去除率分別為83.2%和92.9%，同時(shí)比較了出水COD中的主要成分;Zheng等研究了在低溶解氧條件下，外加污泥水解酸化液能夠提高SBR反應(yīng)器生物脫氮效果，TN去除率從61%上升至81%，但出水COD會(huì)有所上升，在54mg/L左右。
國(guó)外大多數(shù)的研究中利用污水處理廠的初沉污泥水解發(fā)酵產(chǎn)酸，也有對(duì)初沉污泥與剩余污泥的混合污泥和高濃度污水的水解酸化研究。Elefsiniotis等研究初沉污泥厭氧消化產(chǎn)生的VFAs的反硝化速率，結(jié)果顯示揮發(fā)酸中的小分子物質(zhì)如甲酸、乙酸極易被反硝化菌利用，平均反硝化速率為0.0111gNOx--N/(gVSS·d)，VFAs比其他有機(jī)質(zhì)更適合作為碳源被微生物利用。Aravinthan等研究了不同的方法獲得的污泥水解酸化產(chǎn)物用于反硝化速率的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在滅菌鍋條件下堿性水解酸化液的反硝化速率最高，不同的處理方法對(duì)水解酸化液生物降解性能有重要的影響。
利用富含VFAs的水解酸化液作為有機(jī)碳源可以提高反硝化速率和總氮去除率，目前外加水解酸化液條件下的低碳氮比污水的生物脫氮集中在SBR和A2/O工藝形式，研究結(jié)果距離工業(yè)化生產(chǎn)還有一段距離，生物脫氮的效率并不高，存在產(chǎn)生二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，尤其當(dāng)COD/TN值很低(COD/TN<2)時(shí)，生物脫氮效果并不理想，還不能滿(mǎn)足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)TN、NH4+-N和COD排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求。
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的：針對(duì)低碳氮比污水普遍存在碳源不足而造成污水生物處理工藝總氮去除率不高的難題，本發(fā)明的目的是提供一種低碳氮比污水的生物脫氮方法，以實(shí)現(xiàn)提高總氮去除率的目的。本發(fā)明的另一目的是提供上述低碳氮比污水的生物脫氮方法的專(zhuān)用裝置。
技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
一種低碳氮比污水的生物脫氮方法，包括以下步驟：
(1)在水解酸化反應(yīng)器中，加入剩余污泥，用濃度為3.5～4.5mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值至9.0，180～240r/min攪拌反應(yīng)20～24h，按投配率為5～10%取出反應(yīng)液，再在5000×g離心力下離心30min，取其上清液，制得初級(jí)水解酸化液;其中，剩余污泥的VSS/TSS大于40%，含水率為95～97%;
(2)用(1+1)鹽酸調(diào)節(jié)初級(jí)水解酸化液的pH值至4.5～5.5，再向酸化后的初級(jí)水解酸化液中投加氯化鈣溶液，然后用濃度為3.5～4.5mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)投加氯化鈣溶液后的初級(jí)水解酸化液的pH值至8.5～9.5，攪拌反應(yīng)10～15min，再在5000×g離心力下離心30min，取其上清液，制得中級(jí)水解酸化液;其中，加入酸化后的初級(jí)水解酸化液中的Ca2+與酸化后的初級(jí)水解酸化液中的PO43--P的摩爾比為2～2.5∶1;
(3)用濃度為3.5～4.5mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)中級(jí)水解酸化液的pH值至11.0～11.5，再以500～900∶1的氣液比吹脫調(diào)節(jié)pH值后的中級(jí)水解酸化液中的氨，制得水解酸化液;其中，水解酸化液的COD濃度為6443.8～11401.4mg/L，TN濃度為255.62～488.64mg/L;NH4+-N濃度為219.10～385.81mg/L;TP濃度為17.550～59.470mg/L;
(4)將流量比為1∶50～100的水解酸化液和污水，連續(xù)加入曝氣生物濾池進(jìn)行處理，達(dá)到城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)TN、NH4+-N和COD排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求;其中，污水的COD/TN值小于2，TN濃度為30～60mg/L;曝氣生物濾池設(shè)有曝氣段和非曝氣段，曝氣段與非曝氣段的體積比為1～2∶1;曝氣生物濾池的氣水比為8～15∶1，回流比為2∶1，水力停留時(shí)間(HRT，基于一體化曝氣生物濾池內(nèi)陶粒濾料層的體積，下同)為8～10h;
其中，步驟(1)～(4)均在室溫下進(jìn)行，室溫為23～27℃。
步驟(1)中，所述的投配率為5%。投配率即為投入的污泥體積與反應(yīng)體系總體積的比值，投入的污泥體積與取出的反應(yīng)液體積相同;例如，在5L反應(yīng)體系中，取出500mL反應(yīng)液，同時(shí)添加500mL污泥，即為投配率10%;剩余污泥的VSS/TSS為44～50%，含水率為95～96%。
步驟(2)中，，加入酸化后的初級(jí)水解酸化液中的Ca2+與酸化后的初級(jí)水解酸化液中的PO43--P的摩爾比為2∶1。
步驟(3)中，吹脫調(diào)節(jié)pH值后的中級(jí)水解酸化液中氨的氣液比為500∶1。
步驟(4)中，水解酸化液和污水的流量比為1∶75;曝氣生物濾池的氣水比為10∶1。
一種低碳氮比污水的生物脫氮方法的專(zhuān)用裝置，包括水解酸化罐、吹脫塔和一體化曝氣生物濾池，所述的一體化曝氣生物濾池包括曝氣段和非曝氣段，在所述的一體化曝氣生物濾池的側(cè)壁上至少設(shè)置有1個(gè)空氣入口，在所述的空氣入口上連接有穿孔曝氣管，所述的穿孔曝氣管均勻分布在一體化曝氣生物濾池內(nèi)的濾料層中;所述的曝氣段為通有空氣的穿孔曝氣管上段濾料層;所述的非曝氣段為通有空氣的穿孔曝氣管下段濾料層。
所述的空氣入口為5個(gè)。所述的曝氣段與非曝氣段的體積比在0.2～5∶1之內(nèi)可調(diào)。
一體化曝氣生物濾池裝有粒徑為Φ3～5mm的陶粒濾料。
本發(fā)明中的一體化曝氣生物濾池的濾料層具有曝氣段和非曝氣段，曝氣段為通有空氣的穿孔曝氣管上段濾料層，非曝氣段為通有空氣的穿孔曝氣管下段濾料層;各穿孔曝氣管沿一體化曝氣生物濾池側(cè)壁均勻分布在濾料層中，通過(guò)在不同位置穿孔曝氣管通氣的方式控制曝氣段與非曝氣段的體積比，進(jìn)氣量通過(guò)流量計(jì)來(lái)控制;曝氣段主要進(jìn)行硝化反應(yīng)，將氨氮氧化成亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮，非曝氣段主要進(jìn)行異養(yǎng)反硝化，使亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮在缺氧條件下通過(guò)反硝化作用形成氮?dú)舛摮?進(jìn)水采用上向流的方式，污水由污水箱經(jīng)進(jìn)水計(jì)量泵，與一定投配流量比條件下的外加水解酸化液一起進(jìn)入一體化曝氣生物濾池;一體化曝氣生物濾池浸沒(méi)水層中設(shè)有回流管，通過(guò)回流泵以一定回流比回流至一體化曝氣生物濾池進(jìn)水口。通過(guò)外加水解酸化液，提高污水的碳氮比，使得反硝化過(guò)程在一體化曝氣生物濾池中能順利進(jìn)行，從而提高總氮去除效果，同時(shí)控制一體化曝氣生物濾池出水的氨氮濃度和有機(jī)物濃度，避免產(chǎn)生二次污染。
本發(fā)明中按5～10%的污泥投配率進(jìn)行水解酸化罐運(yùn)行，能產(chǎn)生富含揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)的水解酸化液，同時(shí)氨化效果良好，能將大量有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨氮，投配率太高會(huì)使氨化不徹底，水解酸化液中的有機(jī)氮濃度偏高，不利于后續(xù)的脫氨處理，投配率太低則有機(jī)質(zhì)濃度偏低。調(diào)節(jié)水解酸化液pH值為4.5～5.5以消除碳酸鹽，節(jié)省鈣鹽用量，提高除磷效果。
有益效果：本發(fā)明利用除磷脫氨后的剩余污泥水解酸化液為有機(jī)碳源，通過(guò)一體化曝氣生物濾池，一方面可以有效地解決低碳氮比污水因碳源不足而導(dǎo)致的總氮去除率偏低的難題，提高總氮的去除效果，且不會(huì)產(chǎn)生二次污染。另一方面將剩余污泥水解酸化產(chǎn)物作為外加碳源，以廢治廢，以剩余污泥水解酸化液中大量的富含揮發(fā)性脂肪酸的有機(jī)質(zhì)代替成本較高的甲醇、乙酸鈉等物質(zhì)，降低了低碳氮比污水處理的成本，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了剩余污泥的減量化、穩(wěn)定化和資源化。另外，具有曝氣段與非曝氣段的一體化曝氣生物濾池，運(yùn)行調(diào)控方便、易于操作維護(hù)。本發(fā)明具有良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
