CN102260021A - 一种无需外加碳源的生活污水深度脱氮工艺和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无需外加碳源的生活污水深度脱氮工艺及装置，本发明是由厌氧酸化池、微曝气垂直潜流湿地与水平潜流湿地组成的一种组合工艺，其具体流程如下：生活污水进入厌氧酸化池；厌氧池出水进入微曝气垂直潜流湿地；微曝气垂直潜流湿地处理后的污水进入水平潜流人工湿地。水平潜流湿地的出水可用作补充静止景观水体等用途。本发明通过适当的工艺参数的调节，控制水平潜流湿地进水中NH4 +-N/NO3 --N的比例为1-1.4∶1，在实际BOD5/N远低于反硝化BOD5/N的理论值条件下，可稳定地在人工湿地中实现厌氧氨氧化作用，形成一种低成本、高去除能力的污水深度脱氮工艺，微曝气垂直流湿地+水平潜流湿地既可应用于污水厂尾水深度处理，亦可用于分散生活污水处理。本发明结构简单、成本低、运行维护方便，可实现TN去除率可达95%以上，污染物去除效果稳定，出水水质可达地表水Ⅳ类标准。

Description

一种无需外加碳源的生活污水深度脱氮工艺和装置
技术领域
本发明属于水处理领域，具体涉及一种无需外加碳源的生活污水深度脱氮工艺和装置。
背景技术
人工湿地 (Constructed Wetlands, CWs) 是 20 世纪50年代初发展起来的一种污水生态处理技术，其工艺设备简单、建设运行费用低、运行维护方便、具有良好的脱氮除磷能力、出水具有较高的生物安全性和环境相容性，目前在分散生活污水处理及污水厂二级处理出水深度处理方面得到了广泛的应用。
污水深度处理用作景观水体补充水源或市政用水，已成为解决水资源短缺的有效措施。作为景观水体补充水源，对氮、磷等营养元素有严格的控制要求。人工湿地为自然处理系统，存在着处理效率低、停留时间长、占地面积大等缺点。垂直流湿地的自然复氧能力相对水平流湿地较好，但单纯利用自然复氧实现污水的硝化、控制NH4 +-N的污染占地太大，因而需要采用强化措施。
目前，常用的组合工艺为厌氧/好氧生物技术与人工湿地组成的生物生态工艺。生物生态工艺的前置生物段，无论采用厌氧还是好氧单元，都首先去除了污水中大量的有机物，这使得后续人工湿地系统中的脱氮过程由于碳源的不足而受到了限制。为了达到深度脱氮除磷，以往的研究或发明大多采用人工补充有机碳源来解决脱氮过程中碳源不足的问题。而人工补充碳源费用高、操作复杂且易产生二次污染，极大的增加了处理系统的运行难度及成本。
厌氧氨氧化作为一种非传统脱氮过程，由一群自养微生物承担，利用NOX-N将NH4 +-N直接氧化为N2加以去除。与传统的脱氮过程相比，厌氧氨氧化具有无需有机碳源、能耗低、无二次污染等优点。作为一种生物反应，厌氧氨氧化过程广泛存在于自然界及一些污水生物处理系统中，而有关厌氧氨氧化作用在人工湿地处理中有目的应用却鲜见报道。
本发明针对以上的问题，提出了独特的解决方案：通过控制合适的工艺参数，在人工湿地中成功地强化了厌氧氨氧化的应用。本发明有效提高了厌氧氨氧化在湿地中的作用效率，有效降低了将原生生活污水/污水厂尾水处理到地表景观水标准的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需外加碳源的生活污水深度脱氮工艺和装置。
本发明提出的无需外加碳源的生活污水深度脱氮工艺，具体步骤如下：
(1) 原生生活污水进入厌氧酸化池进行预处理，调节污水水质及水量，控制水力停留时间为5-6小时，厌氧酸化池容积负荷为0.65-1.74kgCOD/m3·d；以去除污水中固体悬浮物，降解部分有机物，显著提高NH4 +-N/TN的比例，降低人工湿地单元的负荷与占地面积，并可有效缓解湿地介质堵塞问题；
(2)步骤(1)的出水进入垂直潜流湿地，垂直潜流湿地内进行微量曝气，强化污水中NH4 +-N的硝化，通过NH4 +-N电极监测，控制出水中NH4 +-N与NO3 --N的比例为1:1-1.4:1，确定合适的曝气气水比及水力停留时间，其可行运行参数范围：垂直潜流湿地容积负荷为0.13-0.28kgNH4 +-N/ m3·d，曝气氨氮负荷为2.5-5g NH4 +-N/ m3空气；
(3)步骤(2)出水进入水平潜流湿地，为厌氧氨氧化过程提供良好的缺氧/厌氧环境，控制进水BOD5与N比为0.2：1-0.5：1，水平潜流湿地容积负荷为0.004-0.011kgNH4 +-N/ m3·d，实现低碳源条件下污水的高效脱氮过程；
(4)步骤(3)出水可用作景观水体补充水源或市政杂用水。
本发明中，当该工艺用于污水厂尾水深度处理，则无需设置厌氧酸化池。
本发明提出的无需外加碳源的生活污水深度脱氮装置，该装置由厌氧酸化池21、微曝气垂直流湿地22和水平潜流人工湿地23依次经管道和阀门连接组成，其中：厌氧酸化池21内垂直放置有3个折流板，位于中间的1个折流板固定于厌氧酸化池21底部，左、右2个折流板悬空放置，厌氧酸化池21底部两侧分别设有放空管，厌氧酸化池21顶部一侧设有进水口，另一侧设有出水口4；微曝气垂直流湿地22顶部一侧通过管道连接出水口4，微曝气垂直流湿地22内设有第一湿地填料10，底部一侧通过空气阀门7和空气流量计8连接曝气机5，另一侧底部为出水口，出水口通过管道连接NH4 +-N电极12，NH4 +-N电极12连接数据采集器13，微曝气垂直流湿地22顶部设有穿孔布水管9，第一湿地填料10上种植有湿地植物菖蒲17，微曝气垂直流湿地19上部一侧设有第一上弯式出水管11；水平潜流人工湿地20上部一侧设有布水管15，该布水管15连接第一上弯式出水管11，水平潜流人工湿地23内垂直布置有两个穿孔布水板，将水平潜流人工湿地23分隔有3个部分，位于左、右两侧的湿地设有布水区填料14，位于中间的湿地设有第二湿地填料18；第二湿地填料18上种植有湿地植物菖蒲17，水平潜流人工湿地23另一侧设有第二上弯式出水管20。
本发明中，所述第一湿地填料11由 50mm粒径为20-30mm石子、50mm粒径为10-15mm砾石、450mm粒径为3-9mm的砾石组成。
本发明中，所述第二湿地填料18由550mm粒径为3-9mm的砾石组成，布水区填料14由550mm粒径为20-30mm石子。
本发明的优点在于：
1处理对象为原生生活污水时，厌氧酸化池作为人工湿地预处理装置，可有些去除进水中悬浮物及部分有机物，在减轻后续处理设施有机负荷及水力冲击负荷的同时，亦有效地缓解了湿地介质的堵塞问题；
2利用配备了人工微曝气设施的垂直流湿地代替传统生物生态组合中的好氧生物法，如生物接触氧化法，气水比低（可节约40%-70%的曝气量）、氧气利用率高、曝气能耗大大减少；
3 水平潜流湿地系统中成功实现厌氧氨氧化的启动及稳定运行，低碳源下可高效脱氮；
4本工艺系统结构简单，管理简便，运行条件可根据不同进水水质条件进行灵活调节，且工艺中无需外加碳源，能耗低、运行成本低、污染物去除效果稳定，出水水质可达地表水Ⅳ类标准；
5本工艺主体部分既可应用于二级处理污水厂尾水深度处理，亦可用于生活污水处理，出水可直接用作静止景观水体补充水。
附图说明
图1为一种用于生活污水深度处理或污水厂尾水深度脱氮的工艺方法的流程示意图。
图2为一种利用本发明中所述工艺方法对原生生活污水进行处理的生物生态组合装置流程图。
图中标号： 1为进水口，2、6分别为第一放空管和第二放空管，3为污水流，4为出水口，5为曝气机，7为空气阀门，8为空气流量计，9为穿孔布水管，10、18分别为第一湿地填料和第二湿地填料，11、20为第一上弯式出水管（出水口）和第二上弯式出水管，12为NH4 +-N电极，13为数据采集器，14为布水区填料，15为布水管，16、19分别为第一穿孔布水板和第二穿孔布水板，17为湿地植物菖蒲，21为厌氧酸化池，22为微曝气垂直流湿地，23为水平潜流湿地。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：本实施例是利用所述生活污水深度处理或污水厂尾水深度脱氮的工艺方法，对原生生活污水进行深度脱氮除磷处理。具体实施方式如下：
处理装置包括：厌氧酸化池21、微曝气垂直流人工湿地22、水平潜流人工湿地23、污水泵、曝气机5、空气流量计8、湿地介质、湿地植物菖蒲17。其中厌氧酸化池21采用透明PVC板制作，水解池尺寸为0.55m×0.25m×0.7m，装置内部各填充约50%容积、直径80mm的球形悬浮填料。微曝气垂直流人工湿地22为PVC圆柱，直径40cm、高65cm，底部设有曝气头，内部从下至上填有50mm粒径为20-30mm石子、50mm粒径为10-15mm砾石、450mm粒径为3-9mm的砾石。水平潜流人工湿地23尺寸为1.5m×0.4m×0.7m，湿地内铺设550mm粒径为3-9mm的砾石。微曝气垂直流人工湿地22和水平潜流人工湿地23中均种植适合亚热带气候的观赏性植物菖蒲17。
各装置及设备的具体连接方式参照图2（生物生态组合装置流程图）：
厌氧酸化池21中水流方式为折流，污水由上部进水口1泵入，经由3个折流板，最后从上部出水口流入微曝气垂直流湿地2，厌氧酸化池21池体前、后的底部两侧设有第一放空管2和第二放空管6，放空管用于剩余污泥及沉积物的定期清空、排放；
经厌氧酸化池21处理后的污水进入微曝气垂直流湿地22，经由穿孔布水管9进入微曝气垂直流湿地22，水流自上而下经过介质，最后从出水管流入水平潜流人工湿地23。微曝气垂直流湿地22底部设有曝气管，外部设有曝气机5，空气经由空气流量计8及空气阀门7进入曝气管。微曝气垂直流湿地22设有第一上弯式出水管11，用以保持微曝气垂直流湿地22中有效水位高度。微曝气垂直流湿地22出水口设有NH4 +-N电极12，用以评估出水中NH4 +-N/NO3 --N的比例，为曝气量的调节提供依据；
微曝气垂直流湿地22出水经由第一上弯式出水管11进入水平潜流湿地23，通过布水管15进入水平潜流湿地23布水区，经由穿孔布水管均匀流入水平潜流湿地23有效处理区域，在经后部穿孔布水管流入出水区，最后经出水管流出。水平潜流湿地23设有第二上弯式出水管20，用以保持湿地中有效水位高度，内铺设550mm粒径为3-9mm的砾石，湿地布水、出水区铺设550mm粒径为20-30mm石子，并种植有观赏性植物菖蒲17。
生活污水深度处理装置运行条件的具体工艺运行的参数如表1所示；主体处理单元脱氮效果见表2；处理系统总体运行效果见表3。
表1 各装置工艺运行参数表
运行参数 厌氧酸化池 垂直流湿地 水平潜流湿地
水力停留时间（HRT/h） 5.5 5 36
表面水力负荷（m3/m2·d） 2.20 1.15 0.15
气水比（曝气） / 6 /
表2 主体处理单元N去除率
指标 垂直流湿地 水平流湿地
TN (%) 30±5 94±3
NH4 +-N (%) 59±11 97±3
NO3 --N (%) / 95±5
表3系统进、出水水质处理与处理效果
水质指标 进水 出水 去除率 (%)
CODcr (mg/L) 222±57 23±9 88±5
TN (mg/L) 26.48±2.95 1.01±0.55 96±2
NH3-N (mg/L) 19.18±2.35 0.38±0.30 98±2
TP (mg/L) 4.60±0.97 0.27±0.14 94±2
结合表2、3可知，生活污水经该系统主体处理单元，脱氮过程及效果符合本发明设计理念，成功实现了低碳源条件下TN、NH4 +-N的去除，系统出水水质可达地表水Ⅳ类标准，出水可直接作为静止景观水体补充水源。

Claims (5)

1.一种无需外加碳源的生活污水深度脱氮工艺，其特征在于具体步骤如下：
(1) 原生生活污水进入厌氧酸化池进行预处理，调节污水水质及水量，水力停留时间为5-6小时，厌氧酸化池容积负荷为0.65-1.74kgCOD/m3·d；
(2)步骤(1)的出水进入垂直潜流湿地，垂直潜流湿地内进行微量曝气，强化污水中NH4 +-N的硝化，通过NH4 +-N电极监测，控制出水中NH4 +-N与NO3 --N的比例为1:1～1.4:1，确定合适的曝气气水比及水力停留时间，其适合的运行参数范围：垂直潜流湿地容积负荷为0.13-0.28kgNH4 +-N/ m3·d，氨氮曝气比为2.5-5g NH4 +-N/ m3空气；
(3)步骤(2)出水进入水平潜流湿地，为厌氧氨氧化过程提供良好的缺氧/厌氧环境，控制水平潜流湿地进水中BOD5与N比为0.2：1-0.5：1，水平潜流湿地容积负荷为0.004-0.011kgNH4 +-N/ m3·d； 
(4)步骤(3)出水用作景观水体补充水源或市政杂用水。
2.根据权利要求1所述的无需外加碳源的生活污水深度脱氮工艺，其特征在于当该工艺用于污水厂尾水深度处理，则无需设置厌氧酸化池。
3.一种无需外加碳源的生活污水深度脱氮装置，其特征在于该装置由厌氧酸化池(21)、微曝气垂直流湿地(22)和水平潜流人工湿地(23)依次经管道和阀门连接组成，其中：厌氧酸化池(21)内垂直放置有3个折流板，位于中间的1个折流板固定于厌氧酸化池(21)底部，左、右2个折流板悬空放置，厌氧酸化池(21)底部两侧分别设有放空管，厌氧酸化池(21)顶部一侧设有进水口，另一侧设有出水口(4)；微曝气垂直流湿地(22)顶部一侧通过管道连接出水口(4)，微曝气垂直流湿地(22)内设有第一湿地填料(10)，底部一侧通过空气阀门(7)和空气流量计(8)连接曝气机(5)，另一侧底部为出水口，出水口通过管道连接NH4 +-N电极(12)，NH4 +-N电极(12)连接数据采集器(13)，微曝气垂直流湿地(22)顶部设有穿孔布水管(9)，第一湿地填料(10)上种植有湿地植物菖蒲(17)，微曝气垂直流湿地(19)上部一侧设有第一上弯式出水管(11)；水平潜流人工湿地(20)上部一侧设有布水管(15)，该布水管(15)连接第一上弯式出水管(11)，水平潜流人工湿地(23)内垂直布置有两个穿孔布水板，将水平潜流人工湿地(23)分隔有3个部分，位于左、右两侧的湿地设有布水区填料(14)，位于中间的湿地设有第二湿地填料(18)；第二湿地填料(18)上种植有湿地植物菖蒲(17)，水平潜流人工湿地(23)另一侧设有第二上弯式出水管(20)。
4.根据权利要求3所述的无需外加碳源的生活污水深度脱氮装置，其特征在于所述第一湿地填料(11)由 50mm粒径为20-30mm石子、50mm粒径为10-15mm砾石、450mm粒径为3-9mm的砾石组成。
5.根据权利要求3所述的无需外加碳源的生活污水深度脱氮装置，其特征在于所述第二湿地填料(18)由550mm粒径为3-9mm的砾石组成，布水区填料(14)由550mm粒径为20-30mm石子。
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