CN103395942A

CN103395942A - 低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累的方法及装置

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Publication number: CN103395942A
Application number: CN2013103473765A
Authority: CN
Inventors: 肖文胜; 王振; 李振华; 张家泉; 刘婷; 吕继良
Original assignee: Hubei Polytechnic University
Current assignee: Hubei Polytechnic University
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: CN103395942B

Abstract

本发明涉及一种低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累的方法及装置，是在两级曝气生物滤池系统内完成的，步骤是：a.启动一级曝气生物滤池和二级曝气生物滤池，包括滤料清洗、浸泡、挂膜和调试运行；b.配制试验废水，保持水温6～10℃；c.废水从高位水箱流出，从下方进入一级曝气生物滤池；d.一级滤池的出水，同样由下往上进入二级曝气生物滤池；两级曝气生物滤池的硝化类型为亚硝酸型硝化，表现为出水中NO₂ ^--N稳定的积累，积累率在63.2%～79.8%，积累时间长达30～35天；本发明采用两级曝气生物滤池的生物膜法，解决了高温(30～40℃)能耗高和低DO下会发生污泥膨胀的问题，实现了低C/N比（＜3）废水中有机物的有效去除和NO₂ ^--N持久稳定的积累。

Description

低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累的方法及装置

技术领域

本发明涉及环境工程废水处理领域，具体涉及一种低温条件（6～10℃）下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累的方法及装置，为后期短程反硝化打下基础，适用于焦化、石化、化肥工业及垃圾渗滤液等低C/N比（＜3）废水的处理。

背景技术

传统的生物脱氮方法是通过微生物的硝化和反硝化作用来脱除水体中的氮素。传统硝化作用是指在好氧条件下亚硝酸细菌将NH₄ ⁺-N氧化为NO₂ ^--N，再由硝酸细菌将NO₂ ^--N氧化为NO₃ ^--N；反硝化作用主要以NO₃ ^--N为电子受体并将其还原为N₂从而达到去除水体中氮素的目的。而短程硝化反硝化生物脱氮的基本原理就是将硝化过程控制在NO₂ ^--N阶段，阻止NO₂ ^--N的进一步硝化，然后直接进行NO₂ ^--N的反硝化。由于短程硝化反硝化生物脱氮中硝化阶段不需要经过由NO₂ ^--N氧化到NO₃ ^--N的步骤，与传统的生物脱氮相比，亚硝酸型生物脱氮具有以下的优点：（1）硝化阶段可减少25%左右的需氧量，降低了能耗；（2）反硝化阶段可减少40％左右的有机碳源，可降低运行费用；（3）反应时间缩短，反应器体积可减小30％～40％；（4）具有较高的反硝化速率，NO₂ ^--N的反硝化速率通常比NO₃ ^--N的高出63％左右；（5）污泥产量降低，硝化过程可少产污泥33％～35％，反硝化过程中可少产泥55％左右；（6）减少了投碱量。

目前有关短程硝化反硝化生物脱氮的研究主要集中于中高浓度含氮废水（NH₄ ⁺-N浓度约为几百个mg/L）的处理，并且硝化过程中亚硝酸盐积累及其形成条件的控制研究是该领域的热点。在国外已进入应用阶段，如荷兰Delft技术大学开发的SHARON工艺、ANAMMOX工艺和比利时Gent微生物生态实验室开发的OLAND工艺。

SHARON工艺是在高温条件下(30～40℃)，氨氧化菌的生长速率高于亚硝酸氧化菌，此时通过控制较短的污泥龄，将世代时间较长的亚硝酸氧化菌（抑制了从NO₂ ^--N转化为NO₃ ^--N）“洗出”而维持了较高而稳定的NO₂ ^--N积累；ANAMMOX工艺是厌氧氨氧化微生物在厌氧条件下以NH₄ ⁺-N,作为电子供体、NO₂ ^--N为电子受体的进行氧化还原反应（NH₄ ⁺－N+NO₂ ^--N→N₂+H₂O）；OLAND工艺是在低溶解氧(<1.0 mg/L)情况下亚硝酸盐向硝酸盐的转化受到限制而造成亚硝酸盐氮的积累。

目前，制约亚硝酸型生物脱氮推广应用的瓶颈在于亚硝酸盐氮难以持久稳定的积累。现已成功实现亚硝酸盐氮积累的方法主要是活性污泥法（A/O、A²/O、SBR等），该方法难以摆脱高温或低DO等条件。在实际工程应用中，要实现污泥消化液相当的温度(30～40℃)困难较大，需要较高的能耗，并且在低溶解氧时，不仅对有机物和NH₄ ⁺-N去除效率低，而且易发生污泥膨胀。

发明内容

本发明的目的就是针对现有阶段只有在高温或低DO等较为苛刻条件下才能实现NO₂ ^--N积累的缺点，提出一种在6～10℃温度条件下也能实现持久稳定亚硝酸盐氮积累的方法及装置;本发明采用两级曝气生物滤池的生物膜法，解决了高温能耗高(30～40℃)和低DO下会发生污泥膨胀的问题，在水温仅为6～10℃的条件下便可实现NO₂ ^--N的积累，积累率为63.2%～79.8%，稳定长达30～35天，出水COD为33.5～41.9mg/L，NH₄ ⁺-N为18.3～23.4mg/L，经处理后出水的COD和NH₄ ⁺-N分别达到GB18918-2002要求的一级A标准和二级标准。

本发明的技术方案是在主要由高位水箱，空压机，一级曝气生物滤池，二级曝气生物滤池构成的两级曝气生物滤池系统内完成的，包括下述步骤：

a.启动一级曝气生物滤池和二级曝气生物滤池，包括滤料清洗、浸泡、挂膜和调试运行，挂膜过程中BAF C段和BAF N段内的主要监测指标分别为COD、NH₄ ⁺-N，当COD去除率在90%以上，NH4⁺-N去除率在80%以上时，说明挂膜成功；

b.试验用水为C/N＜3的废水，其中COD浓度为176～353mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为137～180mg/L,废水水温为6～10℃,pH值为8～10；

c.废水首先从下方进入一级曝气生物滤池，控制水力负荷0.03～0.09m³/(m²·h)，COD有机负荷为1.01～1.53kg/(m³·d)，利用气体转子流量计控制曝气量，并通过在线溶解氧测量仪监测一级曝气生物滤池DO为8～10mg/L;废水再从滤池上方流出，此时出水中有机物浓度会显著下降，经检测，出水COD为18.4～41.9mg/L；

d.一级滤池的出水，同样由下往上进入二级曝气生物滤池，根据出水NH₄ ⁺-N浓度调节流量使进水NH₄ ⁺-N负荷为0.18～0.28kg/(m³·d),如果此时一级出水中碱度不足，可适量投加Na₂CO₃和NaHCO₃，Na₂CO₃和NaHCO₃的质量比为1:1，以补充无机碳源及调节pH值为7.5～8.5，运行过程中同样通过在线溶解氧测量仪和流量计控制DO为2～4mg/L，经检测，出水NH₄ ⁺-N为10.6～23.4mg/L；两级曝气生物滤池的硝化类型为亚硝酸型硝化，表现为出水中NO₂ ^--N稳定的积累，积累率在63.2%～79.8%，积累时间长达30～35天；出水流入反硝化滤池中进行短程反硝化脱氮处理。

e.两级曝气生物滤池需定期进行反冲洗，反冲洗采用气水联合反冲洗，一级曝气生物滤池气冲强度为7.08L/(m²·s)，水冲强度为0.88L/(m²·s)，二级曝气生物滤池气冲强度为5.31L/(m²·s)，水冲强度为0.88L/(m²·s)，单独气洗3～5min，气水联合反冲洗5～7min，单独水洗9～13min，反冲洗的废水回流至水箱进行再处理。

所述滤料挂膜，是采用活性污泥接种法和自然挂膜法相结合，首先选择活性污泥接种闷曝后，再以连续流进水，流量由小逐渐增到设计流量的复合挂膜法；

所述反冲洗的周期，以出水水质来判断是否进行反冲洗，即COD的去除率低于75%和NH₄ ⁺-N去除率低于60%时进行反冲洗，一级曝气生物滤池反冲洗周期为7～10天，二级曝气生物滤池反冲洗周期为5～7天。

本发明低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累方法的装置，包括：

一个高位水箱，利用重力作用将废水送入一级曝气生物滤池内；

一个一级曝气生物滤池，主要用于去除废水中的有机物和SS；

一个二级曝气生物滤池，主要用于去除废水中的NH₄ ⁺-N，并发生亚硝化反应，实现持久稳定亚硝酸盐氮积累；

一台空压机，为一级、二级曝气生物滤池提供所需的氧气；

所述一级、二级曝气生物滤池从下至上依次由承托层、滤料层构成，在承托层内由下而上依次埋入有反冲洗布气管和曝气布气管，生物滤池顶部设有出水管，底部设有进水管；

所述的高位水箱和一级曝气生物滤池的进水管之间、及一级曝气生物滤池的出水管与二级曝气生物滤池的进水管之间分别以管道连接，其中高位水箱和一级曝气生物滤池进水管之间的管道上装有液体玻璃转子流量计以控制废水进入量；

所述的空压机分别和一级曝气生物滤池的曝气布气管、反冲洗布气管以及二级曝气生物滤池的曝气布气管、反冲洗布气管之间以管道连接，管道上分别装有气体玻璃转子流量计以控制曝气量；在一级、二级曝气生物滤池的滤料层中分别设置有在线溶解氧测量仪，用于监测即时溶解氧值；当溶解氧值过高或过低时，通过手动调节气体玻璃转子流量计的流量加以控制；

所述的一级曝气生物滤池和二级曝气生物滤池的底部进水管与自来水管道连接，以便于定期反冲洗，反冲洗的废水通过一级曝气生物滤池及二级曝气生物滤池上部的反冲洗出水管经回流管流至高位水箱进行再处理。

所述的高位水箱高2.1m，一级曝气生物滤池高1.8m，二级曝气生物滤池高1.5m，可利用重力作用逐级进水；空压机在达到0.8Mpa时可以自行断电，持续曝气，节省能耗。

所述的液体玻璃转子流量计，控制系统的水力负荷在0.03～0.09m³/(m²·h)；气体玻璃转子流量计控制曝气量，并通过在线溶解氧测量仪监测一级曝气生物滤池DO为8～10mg/L，二级曝气生物滤池DO为2～4mg/L。

所述承托层由粒径分布不均的砾石堆积而成，一级滤池滤料层选用直径3～5mm轻质陶粒；二级滤池滤料层选用直径3～5mm天然沸石，其中陶粒对有机物有吸附作用，沸石对NH₄ ⁺-N有吸附作用，试验测得选用的陶粒吸附量为0.54mgCOD/g滤料；沸石的吸附量为0.37mgNH₄ ⁺-N/g滤料。

本发明与现有技术相比，具有以下特点：

1）SHARON工艺是在高温条件下实现的短程硝化反硝化。工业废水和生活废水水温较低，不可能达到35℃以上的高温，要想实现势必增加能耗；但本发明仅在6～10℃条件下便可实现持久稳定NO₂ ^--N的积累，从而为后期短程反硝化奠定基础，更适合工程应用。

2）OLAND工艺是在低溶解氧(DO<1.O mg/L)情况下实现NO₂ ^--N积累，溶解氧的降低不仅会影响有机物和NH₄ ⁺-N的去除，而且采用活性污泥法更易发生污泥膨胀。本发明采用两级曝气生物滤池的生物膜法，生物膜与滤料之间产生DO梯度，从外向内，DO逐渐下降，因此不同位置上会形成不同的优势菌种，外层以好氧菌异养菌为主，内层以缺氧硝化反硝化菌为主，各种细菌相互配合达到对废水处理效果。并且当水中溶解氧在合适的范围内时，在生物膜某一位置上能够为亚硝酸菌提供适宜生长的环境，，亚硝酸菌会占据优势，实现NO₂ ^--N积累。

3）本发明中一级脱碳曝气生物滤池溶解氧需8～10mg/L，二级硝化曝气生物滤池溶解氧仅需2～4mg/L，一级曝气生物滤池持续曝气保证DO的要求，出水时已经含有相当量的DO，所以，仅需对二级沸石曝气生物滤池进行间歇曝气便可达到要求，节省了曝气量，节约成本。

4）本发明一级曝气生物滤池中的滤料采用陶粒，对有机物有吸附作用；二级曝气生物滤池中的滤料采用沸石，对NH₄ ⁺-N有吸附作用。试验测得选用的陶粒吸附量为0.54mgCOD/g滤料；沸石对NH₄ ⁺-N的吸附量为0.37mgNH₄ ⁺-N/g滤料。已有的研究表明，在温度和pH不变时，氨氮浓度决定游离氨（FA）的浓度，FA又直接影响着硝酸菌和亚硝酸菌的活性，当0.1mg/L≤FA≤10mg/L时，会抑制硝酸菌的活性，所以，较高浓度的NH₄ ⁺-N有利于亚硝酸盐氮的积累。挂膜成功后的沸石形成生物沸石，这时沸石已经吸附NH₄ ⁺-N达到饱和程度，在沸石与生物膜之间会发生NH₄ ⁺-N的解吸，所以即使水中NH₄ ⁺-N负荷不能达到抑制硝酸菌活性的时候，吸附饱和的沸石也能起到补充作用。

5）本发明较常规处理工艺占地面积小，抗冲击能力强，受水质和水量变化影响较小，适应寒冷天气地区，可间歇运行。

附图说明

图1是本发明装置的示意图；

图中：1-高位水箱，2-一级曝气生物滤池，3-二级曝气生物滤池，4-空压机，5-砾石承托层，6-反冲洗布气管，7-曝气布气管，8-出水管，9-进水管，10-管道，11-液体玻璃转子流量计，12-气体玻璃转子流量计，13-在线溶解氧测量仪，14-自来水管，15-反冲洗出水管，16-陶粒滤料层，17-沸石滤料层，18-回流管。

具体实施方式

实施例1

本发明的低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累方法的装置，包括：

一个高位水箱1，用于储存废水，并利用重力作用将废水送入一级曝气生物滤池2内；

一个一级曝气生物滤池2，主要用于去除废水中的有机物和SS；

一个二级曝气生物滤池3，主要用于去除废水中的NH₄ ⁺-N，并发生亚硝化反应，实现持久稳定亚硝酸盐氮积累；

一台空压机4，为一级、二级曝气生物滤池提供所需的氧气；

所述一级、二级曝气生物滤池从下至上依次由承托层5、滤料层构成，在承托层内由下而上依次埋入有反冲洗布气管6和曝气布气管7，生物滤池顶部设有出水管8和反冲洗出水管15，底部设有进水管9；

所述的高位水箱和一级曝气生物滤池的进水口之间、及一级曝气生物滤池的出水口与二级曝气生物滤池的进水口之间分别以管道10连接，其中高位水箱和一级曝气生物滤池进水口之间的管道上装有液体玻璃转子流量计11以控制废水进入量；

所述的空压机分别和一级曝气生物滤池的曝气布气管、反冲洗布气管以及二级曝气生物滤池的曝气布气管、反冲洗布气管之间以管道10连接，管道上分别装有气体玻璃转子流量计12以控制曝气量；在一级、二级曝气生物滤池的滤料层中分别设置有在线溶解氧测量仪13，用于监测即时溶解氧值；当溶解氧值过高或过低时，通过手动调节气体玻璃转子流量计的流量加以控制；

所述的一级曝气生物滤池和二级曝气生物滤池的底部进水管与自来水14管道连接，以便于定期反冲洗，反冲洗的废水通过一级曝气生物滤池及二级曝气生物滤池上部的反冲洗出水管15经回流管18流至高位水箱1中进行循环处理。废水经检测后，再加入适量的葡萄糖，NH₄Cl，尿素，Na₂CO₃和NaHCO₃及少量微量元素，使废水中的COD浓度为176～353mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为137～180mg/L，pH值为8～10即可。

所述的高位水箱高2.1m，一级曝气生物滤池高1.8m，二级曝气生物滤池高1.5m，可利用重力作用逐级进水；空压机在达到0.8Mpa时可以自行断电，持续曝气，节省能耗；

所述的液体玻璃转子流量计，控制系统的水力负荷在0.03～0.09m³/(m²·h)；气体玻璃转子流量计控制曝气量，并通过在线溶解氧测量仪监测一级曝气生物滤池DO为8～10mg/L，二级曝气生物滤池DO为2～4mg/L；

所述承托层由粒径分布不均的砾石堆积而成，一级滤池滤料层选用直径3～5mm轻质陶粒滤料层16；二级滤池滤料层选用直径3～5mm天然沸石滤料层17，其中陶粒对有机物有吸附作用，沸石对NH₄ ⁺-N有吸附作用，试验测得选用的陶粒吸附量为0.54mgCOD/g滤料；沸石的吸附量为0.37mgNH₄ ⁺-N/g滤料。

在上述装置中的操作步骤如下：

1.启动一级曝气生物滤池和二级曝气生物滤池，包括滤料清洗、浸泡、挂膜和调试运行；其中滤料挂膜采用活性污泥接种法和自然挂膜法相结合，首先选择活性污泥接种闷曝后，再以连续流进水，流量由小逐渐增到设计流量的复合挂膜法。挂膜过程中BAF C段和BAF N段内的主要监测指标分别为COD、NH₄ ⁺-N，当COD去除率在90%以上，NH4⁺-N去除率在80%以上时，说明挂膜成功，整个挂膜过程历时25天。

2.试验用水选用自来水及反冲洗后出水来模拟某化肥企业生产废水，废水量为90L，废水水温为6～10℃，其中加入葡萄糖25～50g，NH₄Cl30～40g，尿素20～30g，投加Na₂CO₃和NaHCO₃各44g及少量微量元素。经检测，COD浓度为176～353mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为137～180mg/L,pH值为8～10。

3.废水从高位水箱流出，从下方进入一级曝气生物滤池，控制水力负荷0.03～0.09m³/(m²·h)，COD有机负荷为1.01～1.53kg/(m³·d)，利用气体转子流量计控制曝气量，并通过在线溶解氧测量仪监测一级曝气生物滤池DO为8～10mg/L;废水再从滤池上方流出，出水中有机物浓度急剧下降，经检测，出水COD为18.4～41.9mg/L；

4.一级滤池的出水，同样由下往上进入二级曝气生物滤池，根据出水NH₄ ⁺-N浓度调节流量使进水NH₄ ⁺-N负荷为0.18～0.28kg/(m³·d),出水NH₄ ⁺-N为10.6～23.4mg/L；如果此时一级出水中碱度不足，可适量投加Na₂CO₃和NaHCO₃，Na₂CO₃和NaHCO₃的质量比为1:1，以补充无机碳源及调节pH值为7.5～8.5，运行过程中同样通过在线溶解氧测量仪和流量计控制DO为2～4mg/L，两级曝气生物滤池的硝化类型为亚硝酸型硝化，表现为出水中NO₂ ^--N稳定的积累，积累率在63.2%～79.8%，积累时间长达30～35天，出水流入反硝化滤池中进行短程反硝化脱氮处理；实现6～10℃下的持久稳定亚硝酸盐氮积累的发明目的。

5.两级曝气生物滤池需定期进行反冲洗，反冲洗采用气水联合反冲洗，一级曝气生物滤池气冲强度为7.08L/(m²·s)，水冲强度为0.88L/(m²·s)，二级曝气生物滤池气冲强度为5.31L/(m²·s)，水冲强度为0.88L/(m²·s)，单独气洗3～5min，气水联合反冲洗5～7min，单独水洗9～13min，反冲洗的废水回流至水箱进行再处理。所述反冲洗的周期，以出水水质来判断是否进行反冲洗，即COD的去除率低于75%和NH₄ ⁺-N去除率低于60%时进行反冲洗，一级曝气生物滤池反冲洗周期为7～10天，二级曝气生物滤池反冲洗周期为5～7天。

Claims

1.低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累的方法，是在主要由高位水箱，空压机，一级曝气生物滤池，二级曝气生物滤池构成的两级曝气生物滤池系统内完成的，其特征在于包括下述步骤：

a.启动一级曝气生物滤池和二级曝气生物滤池，包括滤料清洗、浸泡、挂膜和调试运行，挂膜过程中BAF C段和BAF N段内的主要监测指标分别为COD、NH₄ ⁺-N，当COD去除率在90%以上，NH₄ ⁺-N去除率在80%以上时，说明挂膜成功；

d.一级滤池的出水，同样由下往上进入二级曝气生物滤池，根据出水NH₄ ⁺-N浓度调节流量使进水NH₄ ⁺-N负荷为0.18～0.28kg/(m³·d),如果此时一级出水中碱度不足，可适量投加Na₂CO₃和NaHCO₃，Na₂CO₃和NaHCO₃的质量比为1:1，以补充无机碳源及调节pH值为7.5～8.5，运行过程中同样通过在线溶解氧测量仪和流量计控制DO为2～4mg/L，经检测，出水NH₄ ⁺-N为10.6～23.4mg/L；两级曝气生物滤池的硝化类型为亚硝酸型硝化，表现为出水中NO₂ ^--N稳定的积累，积累率在63.2%～79.8%，积累时间长达30～35天；出水流入反硝化滤池中进行短程反硝化脱氮处理；

2.根据权利要求1所述的低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累的方法，其特征在于：所述滤料挂膜，是采用活性污泥接种法和自然挂膜法相结合，首先选择活性污泥接种闷曝后，再以连续流进水，流量由小逐渐增到设计流量的复合挂膜法。

3.根据权利要求1所述的低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累的方法，其特征在于：所述反冲洗的周期，以出水水质来判断是否进行反冲洗，即COD的去除率低于75%和NH₄ ⁺-N去除率低于60%时进行反冲洗，一级曝气生物滤池反冲洗周期为7～10天，二级曝气生物滤池反冲洗周期为5～7天。

4.一种用于实现权利要求1所述的低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累方法的装置，其特征在于包括：

一台空压机，为一级、二级曝气生物滤池提供所需的氧气；

5.根据权利要求4所述的低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累的方法的装置，其特征在于：所述的高位水箱高2.1m，一级曝气生物滤池高1.8m，二级曝气生物滤池高1.5m，可利用重力作用逐级进水；空压机在达到0.8Mpa时可以自行断电，持续曝气，节省能耗。

6.根据权利要求4所述的低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累的方法的装置，其特征在于：所述的液体玻璃转子流量计，控制系统的水力负荷在0.03～0.09m³/(m²·h)；气体玻璃转子流量计控制曝气量，并通过在线溶解氧测量仪监测一级曝气生物滤池DO为8～10mg/L，二级曝气生物滤池DO为2～4mg/L。

7.根据权利要求4所述的低温条件下实现持久稳定亚硝酸盐氮积累的方法的装置，其特征在于：所述承托层由粒径分布不均的砾石堆积而成，一级滤池滤料层选用直径3～5mm轻质陶粒；二级滤池滤料层选用直径3～5mm天然沸石，其中陶粒对有机物有吸附作用，沸石对NH₄ ⁺-N有吸附作用，试验测得选用的陶粒吸附量为0.54mgCOD/g滤料；沸石的吸附量为0.37mgNH₄ ⁺-N/g滤料。