CN101774729B

CN101774729B - 基于短程同步脱氮的一体化生物反应器及其应用

Info

Publication number: CN101774729B
Application number: CN 201010017606
Authority: CN
Inventors: 操家顺; 蔡健明; 周碧波; 白王军; 方芳; 赵静
Original assignee: Nanjing Hehai Technology Co Ltd; Hohai University HHU
Current assignee: Nanjing Hehai Technology Co Ltd; Hohai University HHU
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2030-01-08
Also published as: CN101774729A

Abstract

本发明涉及到一种低碳氮比城市污水的低氧生物脱氮处理工艺，特别涉及基于短程同步脱氮的一体化生物反应器；一种基于短程同步脱氮的一体化生物反应器，按水流方向依次设有厌氧区(2)、壅高区(3)、低氧曝气区(4)和沉淀区(5)，通过水下开孔进行连通，构成循环体系；所述的进水三通(11)连接进水管(1)，进水管(1)进水点分别设置在厌氧区(2)进水端和壅高区(3)出水端；所述的排泥管(8)设于沉淀区(5)侧面底部，所述的出水管(9)设于沉淀区(5)的顶部；本发明有效地解决了传统活性污泥工艺运行中存在的氮磷同步去除效果不佳、碳源不足以及能耗较高等问题。

Description

基于短程同步脱氮的一体化生物反应器及其应用

技术领域

本发明涉及到一种低碳氮比城市污水的低氧生物脱氮处理工艺，特别涉及基于短程同步脱氮的一体化生物反应器中实现氮磷和有机物的高效去除的一体化污水处理工艺，且脱氮形式以亚硝酸盐型同步硝化反硝化为主。

背景技术

基于短程同步脱氮的一体化生物反应器是最基本的连续流活性污泥工艺。该生物反应器的模式是连续流厌氧/好氧(低氧)生物反应器。传统的厌氧好氧生物反应器由于其本身只有厌氧和好氧两个分区，而没有脱氮所需的缺氧条件，因此只能用于生物除磷。传统的活性污泥脱氮除磷工艺存在泥龄矛盾和基质竞争等弊端，尤其是对碳源的竞争，使得总氮的去除率不能有很好的保证。

同步硝化反硝化和短程硝化反硝化技术可有效缓解上述的固有矛盾。同步硝化反硝化(SND)生物脱氮是将硝化和反硝化过程在同一反应器中同步完成，尤其是在好氧的条件下可以发生反硝化反应。目前普遍被接受的反应机理主要是微环境理论和生物学理论。同步硝化反硝化的优越性在于：曝气量减少，降低能耗；反硝化产生OH^-可就地中和硝化产生的H⁺，SND能有效地保持反应器内的pH；勿需缺氧反应池，可以节省基建费用或至少减少反应器容积；能够缩短反应时间，节约碳源；简化了系统的设计和操作等。根据硝酸盐电子受体的不同，又可分为硝酸盐型同步硝化反硝化和亚硝酸盐型同步硝化反硝化。由于本发明将硝化控制在亚硝化阶段，所以其反应类型为亚硝酸盐型同步硝化反硝化。

发明内容

所要解决的技术问题

为了解决传统活性污泥工艺运行中存在的氮磷同步去除效果不佳、碳源不足以及能耗较高等问题，本发明提供一种基于短程同步脱氮的一体化生物反应器，该工艺将厌氧区、壅高区、曝气区和沉淀区等四部分有效组合成一体，节省了占地面积。在脱氮方面，稳定实现亚硝酸盐型同步硝化反硝化，节省了碳源和混合液回流对释磷的影响。在除磷方面，基于脱氮所需碳源的减少和回流液硝酸盐浓度的降低，在一定程度上提高了除磷的效率。另外，反应器减少了曝气量并且采用气提方式代替传统潜水泵实现混合液回流，降低了运行能耗，节省了运维成本。

短程硝化反硝化生物脱氮的基本原理是：废水中的氨氮被氨氧化菌(AOB)在好氧条件下氧化为NO₂ ^--N，阻止NO₂ ^--N继续被亚硝酸盐氧化菌(NOB)氧化为NO₃ ^--N，然后NO₂ ^--N在缺氧条件下被反硝化细菌还原为N₂。AOB和NOB虽然同属于好氧自养菌，但是AOB与NOB在生理特性等方面却存在很大的差异，因此可通过营造利于AOB生长而抑制NOB生长的生存环境，对这两类菌种进行筛选。从而将硝化反应控制在第一阶段，实现短程硝化。短程硝化反硝化的优越性在于：缩短了反应历程，NO₂ ^--N的反硝化速率高于NO₃ ^--N，提高了反硝化速率；缩短水力停留时间，反应容器相应减小；需氧量减小25％，耗能降低；节省37.5％反硝化碳源；减小了剩余污泥排放量。

技术方案

一种基于短程同步脱氮的一体化生物反应器，其特征在于包括进水管、厌氧区、壅高区、低氧曝气区、沉淀区、出水管、进水三通、排泥管；所述的反应器，按水流方向依次为厌氧区、壅高区、低氧曝气区和沉淀区，通过水下开孔进行连通，构成循环体系；所述的进水三通连接进水管，进水管进水点分别设置在厌氧区)进水端和壅高区出水端；所述的排泥管设于沉淀区侧面底部，所述的出水管设于沉淀区的顶部。

所述的进水三通连接进水管，进水管的进水点设置在厌氧区进水端和壅高区出水端，可以通过调节流量计或堰门，能够根据水质特点，合理分配进水流量比例，实现对生物脱氮除磷所需碳源的优化配置。

所述的厌氧区在密闭的厌氧运行条件下，兼性厌氧发酵细菌如假单胞菌属等将污水中可生物降解的有机物转化成为挥发性脂肪酸(VFAs)这类低分子发酵中间产物，然后聚磷菌可将其体内贮存的聚磷酸盐分解，所释放的能量可供好氧的聚磷菌(PAO)在厌氧环境中维持生存，另一部分能量供PAO主动吸收环境中的VFAs类低分子有机物，并以PHAs的形式在体内储存起来；

所述的壅高区可以采用空气或提液泵雍高水头实现混合液的回流，根据进水水质及生物脱氮要求，灵活调节气提所需的空气量或提液泵的频率，以维持足够的循环倍比，促进泥水混合，使反应器的流态趋于完全混合式。

所述的低氧曝气区在曝气供氧运行条件下，PAO吸收、利用污水中残剩的可生物降解有机物，以氧为电子受体继续分解体内储存的聚羟基烷酸(PHAs)而过量摄取污水中的溶解磷，并以聚磷的形式在体内储存起来，达到除磷的目的；利用氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)对生境环境的不同要求，曝气区在长期低氧的条件下，可以实现氨氧化菌(AOB)的富集，并且淘汰大量亚硝酸盐氧化菌(NOB)，从而将氨氮的氧化控制在亚硝化阶段，而不进一步氧化成硝酸盐。另外，曝气区虽然处于低氧条件，但曝气管分布均匀，使得曝气区呈现出微观环境富氧、宏观环境缺氧的微生物生境，从而使得反硝化菌能够同时实现反硝化过程，并最终以氮气形式排放；

所述的曝气管采用长度跟曝气区长度相等的若干根软管，并排均匀分布在池底，所述的曝气管管壁设有若干小孔，与普通的大管相比，曝气气泡更小更均匀，从而有利于微环境富氧条件的实现。

所述的沉淀区该区采用高密度沉淀池，泥水在此得到分离，污泥通过排泥管排出，达标出水通过集水槽收集后通过出水管排放。

作为一种优化方式所述的曝气量调整通过鼓风机的变频完成，风量由曝气区出水端的在线溶氧仪控制。通过变频调节鼓风机的风量，维持曝气区低溶解氧DO的稳定。

作为另一种优化方式所述的厌氧区、壅高区、低氧曝气区和沉淀区设计成长圆形一体化结构，并通过空气提升器推流将从厌氧区流入的混合液与曝气区已经反应的混合液迅速混合，从而实现了污水的一体化二级处理。

作为另一种优化方式所述的沉淀区采用高密度沉淀，减少了沉淀区所需面积，并且底部与厌氧区相通，在空气提升器的带动下，实现了泥水的混合，从而节省了污泥回流所需的设备和相应成本。

作为优化方式所述的厌氧区、壅高区、低氧曝气区和沉淀区设计成长圆形一体化结构，并通过空气提升器推流将从厌氧区流入的混合液与曝气区已经反应的混合液迅速混合，从而实现了污水的一体化二级处理的示意图。

利用本发明的生物反应器工艺的运行参数为：

(1)BOD污泥负荷：污泥负荷0.08～0.10kg BOD/(kg MLSS.d)；

(2)水力停留时间HRT：总HRT为10～12h(含沉淀区)；

(3)泥龄SRT：SRT为15～20d；

(4)循环倍比：循环倍比为1∶4～10(采用气提回流)，无污泥回流；

(5)溶解氧控制：好氧区溶解氧：≤0.50mg/L。

具体工艺流程为污水经配水渠分配到厌氧区和低氧曝气区，进入厌氧区的污水和回流的污泥在厌氧区反应后进入壅高区，经提升后进入低氧曝气区，经沉淀区固液分离后尾水达标排放。

如上所述的基于短程同步脱氮的一体化生物反应器，可根据进水水质及对污染物的去除要求灵活调节进水量的分配，当碳源无法满足同时脱氮除磷需要时，优先满足脱氮的需要，污水直接进入低氧曝气区，总磷(TP)则通过化学除磷实现达标排放。

如上所述的基于短程同步脱氮的一体化生物反应器，其反应池各功能区的连通是通过水下开孔实现，水的流动是重力自流。

如上所述的基于短程同步脱氮的一体化生物反应器，其进水量由流量计控制，厌氧区的搅拌通过低速搅拌器完成。曝气区底部设有软管曝气，均匀密布在池底，采用变频鼓风机进行供气，供气量根据曝气区出水端DO在线监测动态调节。沉淀区采用高密度沉淀形式，从而减小其容积。

本发明的优点与效果是：

(1)一体化构造：采用一体化构造，将厌氧区、壅高区、曝气区和沉淀区依水流方向有序布置并有效组合在一起，节省了反应器占地面积。

(2)亚硝酸盐型同步硝化反硝化脱氮：在低溶解氧的条件下，氨氮的硝化大部分控制在亚硝化阶段，进而NO₂ ^--N在曝气区进行同步反硝化生产气体排出系统。所述的同步硝化反硝化的对脱氮的贡献率约为70％～90％。

(3)生物脱氮除磷对基质的竞争矛盾得到了有效解决：亚硝酸盐型同步硝化反硝化的实现缓解了脱氮除磷对有限碳源的需求矛盾，脱氮所需的C/N相对较低，反应器适用于低碳氮比的城市污水处理或农村小型生活污水处理。

(4)反应器对磷去除的效率高：磷的高效去除很大程度上得益于脱氮碳源的节省和回流液硝酸盐浓度的降低。

(5)曝气区环形结构设计：曝气区采用长圆形结构设计，使混合液能够充分的混合，提高了系统的抗冲击负荷能力。

(6)自动化程度高：本发明通过在好氧功能区出水端安装在线溶解氧监测仪表来及时反映出水端溶解氧，通过设定范围，从而实现系统运行的有效调控，维护系统运行的稳定、可靠。

(7)运行能耗低：与传统脱氮除磷方法相比，其曝气量显著降低，回流所需动力来自鼓风机，很大程度上节约了运维的能耗和费用。

附图说明

图1为本发明实施例的平面布置图，

其中：1进水管；2、厌氧区；3、壅高区；4、低氧曝气区；5、沉淀区；6、曝气管；7、溶氧仪；8、排泥管；9、出水管；10、进风管；11、进水三通；12、溶氧仪支架；13、积水槽；14、提液泵雍高水头；15、阀门；16、流量计

具体实施方式

实施例1

由附图1所示，一种基于短程同步脱氮的一体化生物反应器由钢板焊接而成，并将其分割成厌氧区2，壅高区3、低氧曝气区4及沉淀区5四部分。其中污水由进水三通11经进水管1流入，通过流量计16和阀门15将原水按指定比例分配到厌氧区2进水端和壅高区3出水端。沉淀区5部分泥水混合液在空气提升器的动力推动下，与进水管1流入的污水一起经厌氧区2流入壅高区3，经提升流入低氧曝气区4，在低氧曝气区4中完成短程同步脱氮及好氧吸磷和有机物的协同去除，最后在沉淀区5部分泥水混合液进入下一轮循环，部分则完成固液分离后出水通过集水槽13收集后通过出水管9排放，剩余污泥由排泥管8排出。

下面分别对每个反应区及主要部件的功能进行详细说明。

1)进水管1：采用进水三通11和流量计，可以实现分点进水，进水点分别设置在厌氧区2进水端和壅高区3出水端，通过调节阀门16，配合流量计15，能够根据不同季节水质特点，合理分配进水流量比例，从而能够实现脱氮除磷所需碳源的优化配置。

2)厌氧区2：该区为顶部封闭形成密闭环境，在厌氧运行条件下，兼性厌氧发酵细菌如假单胞菌属等将污水中可生物降解的有机物转化成为VFAs这类低分子发酵中间产物，然后聚磷菌可将其体内贮存的聚磷酸盐分解，所释放的能量可供好氧的PAO在厌氧环境中维持生存，另一部分能量供PAO主动吸收环境中的VFAs类低分子有机物，并以PHAs的形式在体内储存起来。

3)壅高区3：采用提液泵雍高水头14实现混合液的回流，提液泵雍高水头14与传统内回流泵相比，可以减少设备购置和运维的成本。

4)曝气区4：该区在曝气供氧运行条件下，PAO吸收、利用污水中残剩的可生物降解有机物，以氧为电子受体继续分解体内储存的PHAs，从而过量摄取污水中的溶解磷，并以聚磷的形式在体内储存起来，达到除磷的目的；利用氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)对生境环境的不同要求，曝气区在长期低氧的条件下，可以实现氨氧化菌(AOB)的富集，并且淘汰大量亚硝酸盐氧化菌(NOB)，从而将氨氮的氧化控制在亚硝化阶段，而不进一步氧化成硝酸盐。另外，曝气区虽然处于低氧条件，但曝气管分布均匀，使得曝气区呈现出微观环境富氧、宏观环境缺氧的微生物生境，从而使得反硝化菌能够同时实现反硝化过程，并最终以氮气形式排放。

5)沉淀区5：该区采用高密度沉淀池，泥水在此得到分离，污泥通过排泥管排出，达标出水通过集水槽收集后通过出水管排放

6)低氧曝气管6：曝气管采用长度跟曝气区长度相等的软管，若干软管并排均匀分布在池底，所述的曝气管(6)管壁设有若干小孔，与普通的大管相比，曝气气泡更小更均匀，从而有利于微环境富氧条件的实现。

7)在线溶氧仪7：在曝气池出水端设置在线溶氧仪，用来监控曝气池出水端的溶氧浓度，进而设定溶氧范围，可以通过变频风机来改变所需风量，从而最大程度地节省能耗。

实施例2

以无锡芦村污水处理厂三期初沉池出水为处理对象(其水质指标见表1)。采用实施例1的处理工艺，出水TN为7.1～16.3mg·L^-1，平均10.8mg·L^-1，去除率为65.83％～85.11％，平均去除率为77.92％；出水NH₃-N为0.08～7.70mg·L^-1，平均2.17mg·L^-1，去除率为75.98％～99.64％，平均去除率为86.20％。出水TP为0.73～1.83mg·L^-1，平均值为1.16mg·L^-1，去除率为83.69％～98.46％，平均去除率为87.70％。出水COD为39.2～67.9mg·L^-1，平均53.6mg·L^-1，68.3％～94.9％，平均去除率达到85.8％。

表1 原水(无锡芦村污水处理厂三期初沉池出水)水质统计表

单位：mg·L^-1(pH除外)

Claims

1.一种基于短程同步脱氮的一体化生物反应器，其特征在于包括进水管(1)、厌氧区(2)、壅高区(3)、低氧曝气区(4)、沉淀区(5)、出水管(9)、进水三通(11)、排泥管(8)；所述的反应器，按水流方向依次设有厌氧区(2)、壅高区(3)、低氧曝气区(4)和沉淀区(5)，通过水下开孔进行连通，构成循环体系；所述的进水三通(11)连接进水管(1)，进水管(1)进水点分别设置在厌氧区(2)进水端和壅高区(3)出水端；所述的排泥管(8)设于沉淀区(5)侧面底部，所述的出水管(9)设于沉淀区(5)的顶部。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的厌氧区(2)为密闭环境。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的壅高区设有提液泵雍高水头(14)。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的低氧曝气区(4)设有若干曝气管(6)，并排均匀分布于低氧曝气区(4)底部，所述的曝气管(6)管壁设有若干小孔。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于所述的沉淀区(5)污泥通过排泥管(8)排出，出水通过集水槽(13)收集后通过出水管(9)排放。

6.根据权利要求4所述的反应器，其特征在于所述的曝气管采用长度跟曝气区长度相等的软管。

7.根据权利要求6所述的反应器，其特征在于所述的进水管(1)通过流量计(16)和阀门(15)将污水按指定比例分配到厌氧区(2)进水端和壅高区(3)出水端。

8.根据权利要求1所述的反应器，其特征在污水处理的应用，其利用所述的反应器工艺的运行参数为：

(1)BOD污泥负荷：污泥负荷0.08～0.10kg BOD/kg MLSS.d；

(2)水力停留时间HRT：总HRT为10～12h，含沉淀区；

(3)泥龄SRT：SRT为15～20d；

(4)循环倍比：循环倍比为1∶4～10，采用气提回流，无污泥回流；

(5)溶解氧控制：低氧曝气区溶解氧：≤0.50mg/L。