CN101514064A - 序批式内循环生物脱氮工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种序批式内循环生物脱氮工艺，主要包括进水、生物脱氮反应、沉淀和排水排泥四个步骤，生物脱氮反应又包括由短程硝化处理到脱氧处理、由脱氧处理到厌氧氨氧化处理、最后回到短程硝化处理的内循环式反应，短程硝化处理、脱氧处理、厌氧氨氧化处理分别是在同一反应器中互相连通的三个不同反应区域内进行。本发明还公开了一种生物脱氮装置，该装置被分隔为三个互相连通的短程硝化处理反应区域、脱氧处理反应区域和厌氧氨氧化处理反应区域，该装置中还设有曝气装置、内循环泵、布水器等相关设备。本发明的工艺运行管理方便，能耗低，脱氮效率高且处理效果稳定，与本发明工艺配套的装置则具有设备紧凑、使用方便、成本投入小等优点。

Description

序批式内循环生物脱氮工艺及装置

技术领域

本发明涉及废水或污水的生物处理，尤其涉及一种短程硝化-厌氧氨氧化的废(污)水生物处理工艺及装置。

背景技术

废水脱氮方法包括物化法和生化法，其中生化法被普遍认为是更为经济有效的脱氮技术，因此研究开发高效、低耗的生物脱氮工艺及其装置已成为当前水处理领域的重要研究课题。

传统的好氧-厌氧生物脱氮工艺(A/O法)主要是通过硝化-反硝化两个生物反应过程协作完成。在硝化阶段，氨氮被转化为硝酸盐氮的过程分成两个连续的反应，首先是由亚硝酸盐细菌将氨氮转化为亚硝酸盐，然后由硝酸盐细菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐；在反硝化阶段，硝酸盐被反硝化细菌还原成为氮气。此工艺有两方面的不足，首先是将亚硝酸盐转化成硝酸盐的过程使脱氮反应增加了额外的氧气消耗，从而增加了能耗；其次是反硝化反应需要碳源作为电子供体，若污水中碳源不足(C/N过低)，则需投加甲醇等有机碳，这不仅增加了运行费用，还增加了运行管理的难度。因此，国内外的专家学者一直都在尝试寻找一种低耗高效的脱氮工艺。

短程硝化-厌氧氨氧化的协同作用原理为高氨氮垃圾渗滤液的脱氮提供了一条新型的高效生物脱氮途径。该途径和传统的A/O生物脱氮途径相比至少可以节约62.5％的能耗，节约50％的碱量，无需外加碳源，而且在运行过程中污泥产量极小，仅为传统生物脱氮过程的15％，大大节约了运行成本。

目前，短程硝化-厌氧氨氧化工艺在国际上的工程应用主要有四处：荷兰鹿特丹Dokhaven市政污水处理厂的污泥消化液处理工程、荷兰Lichtenvoorde制革废水处理项目、日本三重县半导体加工废水处理项目和荷兰Olburgen土豆加工废水处理项目，其中前三项工程都是采用一个前置短程硝化(SHARON)反应装置加一个厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应装置的两级工艺，最后一项工程则采用了短程硝化和厌氧氨氧化在同一个反应装置中进行的一级反应(CANON)。这些工程应用在实践上证明了短程硝化和厌氧氨氧化组合工艺具有低能耗、低污泥产量、低投资成本和运行费用等各种特点，但是也暴露了目前这两种主要工艺类型的不足。两级工艺易于出现短程硝化阶段积累的亚硝酸盐浓度过高而对微生物产生抑制的问题，同时由于短程硝化和厌氧氨氧化分别在不同的容器中进行，使得整个工艺的基建投资和占地面积增加；一级工艺则由于使专性厌氧的厌氧氨氧化细菌长期处于一定浓度的有氧环境中，从而在一定程度上降低了厌氧氨氧化细菌的活性。因此，如何同时解决一级工艺中厌氧氨氧化细菌长期受到溶解氧抑制的问题和两级工艺中短程硝化代谢产物(亚硝酸盐)的积累对反应中微生物产生抑制的问题，以更加充分的发挥短程硝化和厌氧氨氧化组合工艺的生物脱氮能力，就成为本领域所面临的一大难题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，在充分吸取上述一级工艺和两级工艺优点的基础上，提供一种运行灵活、管理方便、污泥产量小、能耗低、基建运行费用小、脱氮效率高且处理效果稳定的序批式内循环生物脱氮工艺，还提供一种设备紧凑、使用方便、成本投入小且能有效应用于本发明工艺的生物脱氮装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种序批式内循环生物脱氮工艺，主要包括进水、生物脱氮反应、沉淀和排水排泥四个步骤，其特征在于：所述生物脱氮反应为包括短程硝化处理、脱氧处理、厌氧氨氧化处理的内循环式反应；所述内循环是指由短程硝化处理到脱氧处理、由脱氧处理到厌氧氨氧化处理、最后回到短程硝化处理的三步循环；所述短程硝化处理、脱氧处理、厌氧氨氧化处理分别是在同一反应器中互相连通的三个不同反应区域内进行。

上述技术方案的进水步骤中，应先将待处理水的pH值调节至7.7～8.0，再将调pH值后的待处理水输送到所述反应器的短程硝化处理反应区域内。

上述技术方案的短程硝化处理反应区域内，溶解氧浓度控制在1.0～1.5mg/L；所述厌氧氨氧化处理反应区域内的液流速度控制在0.5～0.8m/h。

上述技术方案中，所述短程硝化处理反应区域和脱氧处理反应区域是通过一曝气装置分隔；在整个生物脱氮工艺过程中，可根据待处理水的水质和处理深度要求的不同对曝气装置的位置进行调节，进而改变短程硝化处理反应区域的体积，操作非常方便灵活。

整个生物脱氮过程的基本原理是：待处理水中的氨氮在短程硝化处理反应区域中受亚硝酸盐细菌的生物作用而被转化成亚硝酸盐，为厌氧氨氧化处理反应区域提供反应基质，亚硝酸盐和氨氮在厌氧氨氧化处理反应区域内的厌氧氨氧化细菌作用下发生反应，并生成氮气。脱氧处理反应区域中富集了大量的兼性微生物，能够彻底消耗污水从短程硝化处理反应区域携带的溶解氧，避免溶解氧随污水进入厌氧氨氧化处理反应区域而形成对厌氧氨氧化细菌的有氧抑制；污水在生物脱氮装置中循环脱氮的同时，污水中的部分有机物也被生物脱氮装置中的一些微生物消耗而转化为二氧化碳或者甲烷。

本发明还提供一种用于上述工艺中的生物脱氮装置，其特征在于所述生物脱氮装置的反应空间被分隔为三个互相连通的短程硝化处理反应区域、脱氧处理反应区域和厌氧氨氧化处理反应区域，所述短程硝化处理反应区域的底部通过一曝气装置中预留的孔隙与脱氧处理反应区域的顶部相连通，所述脱氧处理反应区域的底部通过内循环泵和布水器与厌氧氨氧化处理反应区域的底部相连通，所述厌氧氨氧化处理反应区域的顶部通过一出水口与短程硝化处理反应区域的顶部相连通；所述内循环泵设于脱氧处理反应区域的底部，所述布水器设于厌氧氨氧化处理反应区域的底部；所述脱氧处理反应区域内开设有排泥口和排水口，所述厌氧氨氧化处理反应区域内开设有排泥口和导气口。

作为对上述技术方案的进一步改进，所述生物脱氮装置主要是由两个相互嵌套的外筒和内筒组成，外筒上方敞口，内筒上方带有封盖，内筒底部由一多孔型支撑架支承并固定于外筒的中央；所述厌氧氨氧化处理反应区域设于内筒的内腔中；所述曝气装置设于内筒和外筒之间形成的环状空腔的中部，所述短程硝化处理反应区域设于曝气装置以上的环状空腔中，所述脱氧处理反应区域设于曝气装置以下由内筒和外筒围成的空腔中。

上述技术方案中，所述排泥口可设在脱氧处理反应区域和厌氧氨氧化处理反应区域的底部污泥淤积处，所述排水口可设在脱氧处理反应区域上部，所述导气口可设在厌氧氨氧化处理反应区域的顶部；还可以在短程硝化处理反应区域上部开设一取样口，以便于检测装置中的物质成分及其浓度。

上述生物脱氮装置中，所述短程硝化处理反应区域内设有第一附着式生物生长系统，该系统采用悬挂式填料，该填料上富集有亚硝酸盐细菌；所述脱氧处理反应区域内设有第二附着式生物生长系统，该系统采用规整型填料，该规整型填料上富集有兼性微生物(兼性微生物在污水处理系统中广泛存在，在生物脱氮装置的运行过程中，兼性微生物会随着亚硝酸盐细菌和厌氧氨氧化细菌的富集而逐渐富集)；所述厌氧氨氧化处理反应区域内采用悬浮式生物生长系统，该悬浮式生物生长系统内包含有厌氧氨氧化细菌组成的絮状污泥或颗粒污泥。

上述生物脱氮装置中，所述悬挂式填料为半软性组合填料，该填料在第一附着式生物生长系统内的填充比为30％～50％；所述规整型填料为鲍尔环或陶瓷环，该填料在第二附着式生物生长系统内的填充比为20％～40％。

上述生物脱氮装置中，所述脱氧处理反应区域的下部装设有一分离污水和污泥的泥水分离器。

上述生物脱氮装置中，所述厌氧氨氧化处理反应区域的顶部设有一通向所述导气口和出水口的三相分离器，三相分离器的作用主要是将泥、水、气进行有效分离；经三相分离器分离后的污水直接进入短程硝化处理反应区域内进行循环反应，分离后的气体通过导气口经由导管导出，污泥则被截留在厌氧氨氧化处理反应区域内。

上述生物脱氮装置中，所述内循环泵和布水器通过管道连接。内循环泵提供的动力使污水在所述三个区域中不断循环、反应，所述布水器使厌氧氨氧化处理反应区域中的污水混合均匀，提高反应效率。

与现有技术相比，本发明的生物脱氮工艺的优点在于：首先，本发明的序批式内循环生物脱氮工艺既具有序批式工艺设备紧凑、运行灵活的特点，又具有内循环工艺容积负荷高、占地面积省、抗低温能力强的特点；将短程硝化单元和厌氧氨氧化单元进行高效集成，省去一些多余的管道、处理设施和操作程序，降低了能耗并简化了工艺过程的管理；其次，短程硝化处理和厌氧氨氧化处理实现了同步的独立操作和实时协作，短程硝化处理及时为厌氧氨氧化处理提供反应基质，而厌氧氨氧化处理则及时为短程硝化处理消除亚硝酸盐的毒性；再次，在内循环操作条件下，短程硝化处理产生的酸度与厌氧氨氧化处理产生的碱度能够及时中和，减少反应过程中为保持各区pH值而消耗的酸碱，减小了工艺成本；最后，本发明工艺在短程硝化处理与厌氧氨氧化处理之间增设一脱氧处理工序，避免了溶解氧随污水进入厌氧氨氧化区而形成对厌氧氨氧化细菌的有氧抑制。

本发明的生物脱氮装置能够有效地应用于上述序批式内循环生物脱氮工艺中，实现本发明工艺的发明目的和技术效果，且该生物脱氮装置本身也具有设备紧凑、使用方便、成本投入较小、处理效果稳定等优点。

综上所述，本发明具有运行灵活、管理方便、污泥产量小、能耗低、基建运行费用小、脱氮效率高且处理效果稳定等特点，可广泛应用于畜禽养殖场废水、屠宰场废水、小城镇生活污水、垃圾渗滤液、生物制药废水等的处理，特别适用于碳氮比偏低、而普通脱氮工艺又不能有效处理的各种高氨氮废水的脱氮处理。

附图说明

图1为本发明实施例的生物脱氮装置结构示意图。

图例说明：

A——短程硝化处理反应区域      B——脱氧处理反应区域

C——厌氧氨氧化处理反应区域    a——取样口

b——排水口                    c——侧排泥口

d——脱氧区底排泥口            e——出水口

f——导气口                    g——厌氧区底排泥口

1、外筒                        2、内筒

3、曝气装置                    4、布水器

5、内循环泵                    6、三相分离器

7、第一附着式生物生长系统      8、第二附着式生物生长系统

9、泥水分离器                  10、多孔型支撑架

11、底盘支撑架

具体实施方式

实施例：

一种本发明的生物脱氮工艺需要用到的如图1所示的生物脱氮装置(以下简称“装置”)，该装置主要是由两个相互嵌套的外筒1和内筒2组成。外筒1为一上方敞口的圆筒形结构，外筒1放置于底盘支撑架11上并由其支承；内筒2为上方带有封盖的圆筒形结构，其底部由一多孔型支撑架10支承并固定于外筒1的中央。内筒2的内腔设为厌氧氨氧化处理反应区域C(以下简称“区域C”)，而互相嵌套的内筒2和外筒1之间形成一环状空腔，该环状空腔中部设有一环形的曝气装置3，曝气装置3以上的环状空腔设为短程硝化处理反应区域A(以下简称“区域A”)，曝气装置3以下由内筒2和外筒1围成的的环状空腔(包括多孔型支撑架10所围成的圆柱形空腔)设为脱氧处理反应区域B(以下简称“区域B”)。区域C顶部中央开设有导气口f，并通过导管连通到装置外；靠近区域C顶部的内筒2侧壁上开设有出水口e，并连通至区域A的顶部；通过在区域C顶部附近设置一三相分离器6将区域C中产生的污水、废气分别引导至出水口e和导气口f。区域C底部设有一布水器4，布水器4通过管道与区域B底部设置的内循环泵5连通。区域A顶部与出水口e相连通，区域A通过曝气装置3中预留的孔隙与区域B的顶部相连通，区域B底部通过内循环泵5和布水器4与区域C的底部相连通，内循环泵5设于外筒1底部的多孔型支撑架10内。

区域A的外筒1侧壁上设有一取样口a，区域B上部的外筒1侧壁上开设有排水口b，区域B下部设有一分离污水和污泥的泥水分离器9，泥水分离器9与外筒1侧壁上开设的侧排泥口c相连通；在区域B底部的污泥淤积处设有脱氧区底排泥口d，在区域C底部的污泥淤积处还设有厌氧区底排泥口g。

区域A内设有第一附着式生物生长系统7，其填料采用半软性组合填料(例如选用CN2032614A中公开的填料)，其在第一附着式生物生长系统7内的填充比(体积)为40％，亚硝酸盐细菌富集于该悬挂式填料上；在区域B内的排水口b与泥水分离器9之间设有第二附着式生物生长系统8，其内部填充规整型填料(如鲍尔环、陶瓷环等)，其在第二附着式生物生长系统8内的填充比为30％；区域C采用悬浮式生物生长系统，厌氧氨氧化细菌组成的絮状污泥或颗粒污泥包含于该悬浮式生物生长系统内。

本实施例的生物脱氮工艺包括进水、生物脱氮反应、沉淀和排水排泥四个步骤，其具体工艺过程如下：

①进水：将待处理水的pH值调节至7.8左右，先不开启曝气装置3和内循环泵5，通过装置外部的进水泵直接从外筒1顶部的敞口进水；

②生物脱氮反应：待处理水进入区域A后，同时开启曝气装置3和内循环泵5，曝气装置3为区域A内的待处理水提供溶解氧，并将溶解氧浓度控制在1.0～1.5mg/L，在区域A中亚硝酸盐细菌的生物作用下，污水中的氨氮转化为亚硝酸盐氮；之后污水经过曝气装置3的孔隙流入区域B内，污水经过其中填料的脱氧、并经多孔型支撑架10的过滤后进入到内筒2下方的区域B内；在区域B内设置的内循环泵5的作用下，污水被泵送到区域C底部的布水器4中，并通过布水器4产生均匀的上向流，一直上涌到区域C顶部的三相分离器6处，污水在区域C内的升流速度为0.5～0.8m/h；在区域C中悬浮式生物生长系统内的厌氧氨氧化细菌的生物作用下，生成的废气(如N₂、CO₂、CH₄等)从三相分离器6的导气口f排出装置，处理后的污水从三相分离器6的出水口e重新进入到区域A内进行循环处理；一般情况下，循环处理的时间越长，脱氮越充分，脱氮效果越好，但一个循环周期的时间一般控制在8～24小时，本实施例中该批次的待处理水的循环处理时间为8小时；

③沉淀：一个循环周期结束后，停止曝气装置3和内循环泵5，利用自然沉降将装置中的废水和污泥进行分离；

④排水排泥：沉淀过程完成后，从设置在区域B的排水口b排出沉淀后的废水，从泥水分离器9连通的侧排泥口c、区域B底部的脱氧区底排泥口d和区域C底部的厌氧区底排泥口g排出剩余的污泥。

上述区域A和区域B的体积可以通过调整曝气装置3的位置进行调节，从而改变区域A与区域B的体积比，以适应不同进水中有机物和氨氮负荷的变化。

Claims (10)

1、一种序批式内循环生物脱氮工艺，主要包括进水、生物脱氮反应、沉淀和排水排泥四个步骤，其特征在于：所述生物脱氮反应为包括短程硝化处理、脱氧处理、厌氧氨氧化处理的内循环式反应；所述内循环是指由短程硝化处理到脱氧处理、由脱氧处理到厌氧氨氧化处理、最后回到短程硝化处理的三步循环；所述短程硝化处理、脱氧处理、厌氧氨氧化处理分别是在同一反应器中互相连通的三个不同反应区域内进行。

2、根据权利要求1所述的序批式内循环生物脱氮工艺，其特征在于：所述进水步骤中，先将待处理水的pH值调节至7.7～8.0，再将调pH值后的待处理水输送到所述反应器的短程硝化处理反应区域内。

3、根据权利要求1所述的序批式内循环生物脱氮工艺，其特征在于：所述短程硝化处理反应区域内的溶解氧浓度控制在1.0～1.5mg/L；所述厌氧氨氧化处理反应区域内的液流速度控制在0.5～0.8m/h。

4、根据权利要求1所述的序批式内循环生物脱氮工艺，其特征在于所述短程硝化处理反应区域和脱氧处理反应区域是通过一曝气装置分隔；在所述生物脱氮工艺过程中，根据不同的待处理水的水质和处理深度来对曝气装置的位置进行调节。

5、一种用于权利要求1～4中任一项所述工艺的生物脱氮装置，其特征在于所述生物脱氮装置的反应空间被分隔为三个互相连通的短程硝化处理反应区域、脱氧处理反应区域和厌氧氨氧化处理反应区域，所述短程硝化处理反应区域的底部通过一曝气装置中预留的孔隙与脱氧处理反应区域的顶部相连通，所述脱氧处理反应区域的底部通过内循环泵和布水器与厌氧氨氧化处理反应区域的底部相连通，所述厌氧氨氧化处理反应区域的顶部通过一出水口与短程硝化处理反应区域的顶部相连通；所述内循环泵设于脱氧处理反应区域的底部，所述布水器设于厌氧氨氧化处理反应区域的底部；所述脱氧处理反应区域内开设有排泥口和排水口，所述厌氧氨氧化处理反应区域内开设有排泥口和导气口。

6、根据权利要求5所述工艺的生物脱氮装置，其特征在于所述生物脱氮装置主要是由两个相互嵌套的外筒和内筒组成，外筒上方敞口，内筒上方带有封盖，内筒底部由一多孔型支撑架支承并固定于外筒的中央；所述厌氧氨氧化处理反应区域设于内筒的内腔中；所述曝气装置设于内筒和外筒之间形成的环状空腔的中部，所述短程硝化处理反应区域设于曝气装置以上的环状空腔中，所述脱氧处理反应区域设于曝气装置以下由内筒和外筒围成的空腔中。

7、根据权利要求5或6所述的生物脱氮装置，其特征在于：所述短程硝化处理反应区域内设有第一附着式生物生长系统，该系统采用悬挂式填料，该填料上富集有亚硝酸盐细菌；所述脱氧处理反应区域内设有第二附着式生物生长系统，该系统采用规整型填料，该规整型填料上富集有兼性微生物；所述厌氧氨氧化处理反应区域内采用悬浮式生物生长系统，该悬浮式生物生长系统内包含有厌氧氨氧化细菌组成的絮状污泥或颗粒污泥。

8、根据权利要求7所述的生物脱氮装置，其特征在于：所述悬挂式填料为软性或半软性填料，该填料在第一附着式生物生长系统内的填充比为30％～50％；所述规整型填料为鲍尔环或陶瓷环，该填料在第二附着式生物生长系统内的填充比为20％～40％。

9、根据权利要求8所述的生物脱氮装置，其特征在于：所述厌氧氨氧化处理反应区域的顶部设有一通向所述导气口和出水口的三相分离器，所述脱氧处理反应区域的下部装设有一分离污水和污泥的泥水分离器。

10、根据权利要求5或6所述的生物脱氮装置，其特征在于：所述厌氧氨氧化处理反应区域的顶部设有一通向所述导气口和出水口的三相分离器，所述脱氧处理反应区域的下部装设有一分离污水和污泥的泥水分离器。

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