CN103601294B - 一种实现微污染水自养脱氮的系统与方法 - Google Patents

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一种实现微污染水自养脱氮的系统与方法,属于水处理技术领域,其系统是由原水箱、预曝气池、反应池和沉淀池依次通过管道连接,原水箱与预曝气池连接,预曝气池内有黏砂块,预曝气池底部连接有气泵,预曝气池和反应池中分别插入一个DO传感器,反应池内填充附着有生物膜的悬浮填料。其方法是通过上述系统确定载体生物膜投加量,确定进水流量,确定曝气流量,确定回流量完成处理过程。本发明运行费用低,处理效率高,出水NH4 +-N浓度达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)要求的Ⅲ类水体水质。

Description

-种实现微污染水自养脱氮的系统与方法
技术领域
[0001] 本发明属于水处理技术领域,涉及一种污水脱氮的系统设备,同时还涉及利用这 种设备进行污水处理的方法。
背景技术
[0002] 近年来,我国对地表水环境的治理日益重视,水体污染程度虽得到一定的遏制,但 仍不容乐观。作为饮用水源的水体安全状况尤其堪忧,呈现出微污染趋势,NH4+-N浓度的超 标是重要原因,增加了传统净水工艺的处理难度。相比加氯等化学方法,生物预处理工艺因 成本低、不会产生氯胺等物质而受到青睐。生物接触氧化、曝气生物滤池、序批式生物膜法 等工艺被相继提出并不断发展,但目前其大多只能将NH 4+-N转化为NCV-N,无法彻底脱氮。 因此,对微污染水源水进行脱氮逐渐受到关注。
[0003]传统生物脱氮往往通过异养代谢途径,其关键是:①保证NH/-N的硝化;②形成缺 氧环境;③存在充足碳源。就微污染水来说,由于天然水体含有一定的溶解氧(D0),且有机 物含量极低,因此增加了传统生物脱氮的难度。目前的工艺往往只能实现NH/-N的完全硝 化,尽管在硝化过程中会消耗D0,进而形成缺氧环境,但碳源的缺乏仍然是制约生物异养反 硝化进行的主要原因。
[0004] 近年来,作为生物自养脱氮技术,厌氧氨氧化(Anammox)以NH 4+-N作为电子供体, 将N02_-N还原,最终产物为N2和少量的N0 3_-N。而短程硝化则可以将NH/-N硝化的最终产 物控制为NCV-N,为厌氧氨氧化提供NCV-N。上述两者的结合,可形成"短程硝化-厌氧氨 氧化(Nitritation-Anammox)"系统,相比传统的"全程硝化/反硝化"系统,其无需外加碳 源并节省全程硝化过程中25%的供氧量,降低运行费用,同时反应路径大大缩短,提高了效 率,是微污染水脱氮的理想选择。目前,该系统处理含NH 4+-N污水的脱氮效果很大程度上取 决于短程硝化系统中短程硝化的实现和稳定运行。
[0005] 对于短程硝化系统,其目标是将NH4+-N的硝化终产物控制为NCV-N。目前实现短 程硝化的方式有:高温(35°C)、低D0浓度、缺氧/好氧交替运行模式、游离氨(FA)抑制、游 离亚硝酸(FNA)抑制等。考虑到地表水、地下水等微污染水体贫营养的水质特征,采用低D0 浓度控制是较为可行的方式。
[0006]对于常规的活性污泥系统,通过在曝气系统中增加D0传感器监测和反馈模块可 实现恒定低D0浓度控制。但存在费用较高、操作复杂等问题,同时不少采用低D0策略实现 短程硝化的系统也表明,长期的低D0浓度条件易引起污泥丝状菌膨胀,进而影响固液分离 使出水水质恶化。而生物膜系统因微生物的附着生长方式,是低D0浓度运行条件下,避免 污泥膨胀的有效手段,同时通过载体的投加,也自然形成了泥水的有效分离,一般情况下可 减小后续沉淀池的负荷,甚至取消沉淀池。因此,采用生物膜工艺是实现低D0浓度恒定控 制的一种途径。
[0007] 另一方面,在保证短程硝化效果的同时,如何有效与厌氧氨氧化工艺进行融合对 于实现生物自养脱氮的高效、稳定和经济也至关重要。目前,主要可分为两段式和一体式两 种工艺模式:前者将短程硝化和厌氧氨氧化反应器分开,通过调节进水和短程硝化反应器 的出水流量比来为厌氧氨氧化提供合理的基质配比,该系统稳定性较好,但增加了基建成 本;后者将短程硝化和厌氧氨氧化融合,形成了半短程硝化-厌氧氨氧化工艺,控制短程硝 化不完全,为厌氧氨氧化创造合适的基质配比,该系统的稳定性虽有待提高,但降低了池体 体积,提高了反应效率,是污水生物自养脱氮工艺发展的趋势。
发明内容
[0008] 本发明要解决的技术问题是公开一种实现微污染水自养脱氮的系统。
[0009] 本发明同时还公开了利用这种系统进行微污染水处理的方法。
[0010] 本发明是针对微污染水所含D0浓度较高、NH4+-N浓度较低(硝化需氧量也较低)的 特点,提出一种实现微污染水自养脱氮的系统一预曝气耦合半短程硝化-厌氧氨氧化系 统。在该系统中,通过将传统好氧硝化反应的曝气充氧和反应耗氧进行分离,将传统两段式 的短程硝化和厌氧氨氧化进行融合,形成一种实现微污染水自养脱氮的方法。
[0011] 本发明技术方案如下:
[0012] 实现微污染水自养脱氮的系统,包括原水箱、预曝气池、反应池和沉淀池,原水箱、 预曝气池、反应池和沉淀池通过管道连接,原水箱的底部连接预曝气池底部,预曝气池的上 部连接反应池上部,反应池底部连接沉淀池底部,沉淀池上部的出水口通过回流管连接预 曝气池底部,原水箱与预曝气池之间管道上装有进水泵和进水流量计,预曝气池内的底部 有黏砂块作为微孔曝气器,预曝气池底部连接有气泵进行曝气,气泵上安装气体流量计用 于调节曝气量,预曝气池和反应池中分别插入一个D0传感器,D0传感器连接仪表对D0浓 度进行在线监测,反应池内填充密度为〇. 98-1. 00 g/cm3、直径为10-20 mm的悬浮填料,悬 浮填料上附着有具有短程硝化和厌氧氨氧化能力的生物膜,沉淀池和预曝气池之间的回流 管上装有回水流量计和回流泵。
[0013] 实现微污染水自养脱氮的方法,包括以下步骤:
[0014] ㈠.确定载体生物膜投加量
[0015] 选取若干具有短程硝化和厌氧氨氧化能力的附着有生物膜的悬浮填料,在nh4+-n 浓度为5.0±2.0mg/L的基质中测试该生物膜的比耗氧速率(SOUR),使其达到S mg02/ (gVSS *h),向反应池中投加污泥浓度为X mg/L的附着有生物膜的悬浮填料,则反应池中生 物膜的耗氧速率(0UR)为S • X mg(V(L • h),其中S为比耗氧速率,X为污泥浓度;
[0016] ㈡•确定进水流量
[0017] 开启进水泵并调节进水流量计,NH4+-N浓度为a mg/L、流量为Q L/h的原水从原水 箱进入预曝气池进行充氧,预曝气池中的D0浓度为D0充氧,充氧后需达到所处水温T下饱 和D0浓度的95%,随后,浓度为D0充氧的预曝气池出水进入有效容积为V2的反应池,与反 应池中的水体迅速混合,达到预先设定的D0浓度(D0 进水流量Q可按式1计算;
[0018] Q= S • X • V2/(D0 充氧-D0 实际) ⑴
[0019] ㈢.确定曝气流量
[0020] 根据不同原水D0浓度所设定的气水比(即气体流量与水流量的比值)和步骤(二) 所计算的Q值,确定预曝气池2的曝气流量:当原水D0浓度(DO g7jc)小于1. 0 mg/L时,预曝 气池采用的气水比为5 :1,则曝气流量A为5Q ;当DO为1. 0-3. 0 mg/L时,预曝气池4采 用的气水比为3 :1,则曝气流量A为3Q ;当DO为3. 0-5. 0 mg/L时,预曝气池2采用的气 水比为2 :1,则曝气流量A为2Q ;当DO为5. 0-6. 0 mg/L时,预曝气池2采用的气水比为 1.5 :1,则曝气流量A为1.5Q;
[0021] ㈣.确定回流量
[0022] 当沉淀池4出水不回流时,系统通过半短程硝化-厌氧氨氧化去除的NH4+-N量 (A NH4+-N)可根据式2计算;
[0023] ANH/-N = 0• 51 • (D0充氧-D0实际) (2)
[0024] 根据上式的计算,在控制00剪#为0. 5 mg/L时,不同温度下的理论NH4+-N去除量如 附表1所示;
[0025]表1
Figure CN103601294BD00061
[0027] 若要求出水NH4+-N浓度彡c mg/L,当进出水的NH4+-N浓度差(a-c)小于式2计算 的理论NH4+-N去除量(A NH/-N)时,打开回流泵,调节回水流量计,回水流量〇0可根据式3 计算;
[0028] Q回=Q • (a-c-O. 51D0充氧+ 0• 51D0实际)/(0• 51D0充氧-0• 51 D0实际)(3)
[0029] 由于增加回水流量Q0会改变预曝气池4的进水D0浓度,此时按照步骤㈣,重新调 节预曝气池的曝气量;
[0030] 其中Vi是预曝气池的有效容积,v2是反应池的有效容积,v3是沉淀池的有效容积。
[0031] 实际运行中,以人工配水模拟微污染水的水质特点(T=24. 6-28. 4°C,pH=7. 1-7. 5, D0=0. 5-5. 6 mg/L,NH4+-N=l. 78-4. 54 mg/L,N(V-N=0. 50-1. 24 mg/L,N(V-N=l. 80-4. 12 mg/ L,TN =4. 62-8. 87 mg/L)。当进水NH4+-N和TN浓度均值为分别2. 97和6. 52mg/L时,平均 TN去除率达35. 3%,出水NH4+-N浓度达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)要求的III 类水体水质。
[0032] 本发明与现有技术相比,具有以下优点:
[0033] ①相比传统"全程硝化/反硝化"系统异养脱氮的方式,本发明属于生物自养脱 氮,无需外加碳源并节省全程硝化过程中25%的供氧量,降低运行费用,同时反应路径大大 缩短,提1¾ 了效率。
[0034] ②本发明中,NH/-N的去除量随着温度的上升而降低,有利于解决中低温下含 NH/-N微污染水的生物脱氮问题。
[0035] ③微污染水贫营养性的特点降低了 NH/-N硝化过程中的耗氧量,因此,所提出的 预曝气耦合半短程硝化-厌氧氨氧化系统中所需的污泥浓度较低,同时采用具有长污泥龄 的生物膜作为微生物,可有效提高a系数(污水与清水中氧转移系数的比值),进而降低曝 气能耗。
附图说明
[0036] 附图1是本发明装置的示意图。
具体实施方式
[0037]本发明装置由原水箱1、预曝气池2、反应池3和沉淀池4构成,原水箱1、预曝气池 2、反应池3和沉淀池4通过管道连接,原水箱1的底部连接预曝气池2底部,预曝气池2的 上部连接反应池3上部,反应池3底部连接沉淀池4底部,沉淀池4上部的出水口 14通过 回流管15连接预曝气池2底部,原水箱1与预曝气池2之间管道上装有进水泵5和进水流 量计6,预曝气池2内的底部有黏砂块作为微孔曝气器7,预曝气池2底部连接有气泵8进 行曝气,气泵8上安装气体流量计9用于调节曝气量,预曝气池2和反应池3中分别插入一 个D0传感器10, D0传感器10连接仪表11对D0浓度进行在线监测,反应池3内填充密度 为0. 98-1. 00 g/cm3、直径为10-20 mm的悬浮填料13 (聚丙烯空心环),悬浮填料13上附着 有具有短程硝化和厌氧氨氧化能力的生物膜,沉淀池4和预曝气池2之间的回流管15上装 有回水流量计16和回流泵17。
[0038] 根据附图所示的系统所形成一种实现微污染水自养脱氮的方法主要分为四个步 骤:
[0039] ㈠•确定载体生物膜投加量
[0040] 选取污泥浓度为500 mg/L的具有短程硝化和厌氧氨氧化能力的附着有生物膜的 悬浮填料13,在NH4+-N浓度为5. Omg/L的基质中测试该生物膜的比耗氧速率(S0UR),为32 mgCV^gVSS *h)。向反应池5中投加污泥浓度为550 mg/L的悬浮填料13,则反应池3中生 物膜的耗氧速率(0UR)为17. 6 mg〇y(L • h)。
[0041] ㈡.确定进水流量
[0042] 开启进水泵5并调节进水流量计6, NH/-N浓度为a mg/L、流量为QL/h的原水从 原水箱1进入预曝气池2进行充氧。预曝气池2中的D0浓度为,充氧后需达到所处 水温27. 2°C下饱和D0浓度的95%--7. 6 mg/L。随后,浓度为D0的预曝气池出水进入 反应池3,与反应池3中的水体迅速混合,达到预先设定的D0浓度(D0剪#) = 0. 5mg/L。根 据式1计算,进水流量Q = 3. 47L/h
[0043] Q = S • X • V2/ (DO充氧一DO实际) (1)
[0044] ㈢•确定曝气流量
[0045] 根据不同原水D0浓度所设定的气水比(即气体流量与水流量的比值)和步骤曰所 计算的Q值,确定预曝气池4的曝气流量:当DO为2. 0 mg/L时,预曝气池2采用的气水 比为3 :1,则曝气流量A为10. 4 L/h。
[0046] ㈣•确定回流量
[0047] 当沉淀池4出水不回流时,根据式2计算,系统通过半短程硝化-厌氧氨氧化去除 的理论 NH4+-N 量(A NH/-N)为 3. 62 mg/L。
[0048] ANH4+-N= 0•51• (DO充氧-DO实际)(2)
[0049] 若要求出水NH4+-N浓度彡c mg/L,当进出水的NH4+-N浓度差(a-c)小于式2计算 的理论NH/-N去除量(ANH/-N)时,打开回流泵17,调节回水流量计16,回水流量〇 0可根 据式3计算。
[0050] Q@ = Q • (a-c-3. 62)/3. 62 (3)
[0051] 由于增加回水流量〇0会改变预曝气池2的进水DO浓度,此时按照步骤㈣,重新调 节预曝气池2的曝气量。
[0052] 实际运行中,以人工配水模拟微污染水的水质特点(T=24. 6-28. 4°C,pH=7. 1-7. 5, D0=0. 5-5. 6 mg/L,NH4+-N=l. 78-4. 54 mg/L,N(V-N=0. 50-1. 24 mg/L,N(V-N=l. 80-4. 12 mg/ L,TN =4. 62-8. 87 mg/L)。当进水NH4+-N和TN浓度均值为分别2. 97和6. 52mg/L时,平均 TN去除率达35. 3%,出水NH4+-N浓度达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)要求的III 类水体水质。

Claims (1)

1. 一种实现微污染水自养脱氮的方法,其特征在于:它由原水箱、预曝气池、反应池和 沉淀池通过管道连接构成,原水箱的底部连接预曝气池底部,预曝气池的上部连接反应池 上部,反应池底部连接沉淀池底部,沉淀池上部的出水口通过回流管连接预曝气池底部,原 水箱与预曝气池之间管道上装有进水泵和进水流量计,预曝气池内的底部有黏砂块作为微 孔曝气器,预曝气池底部连接有气泵进行曝气,气泵上安装气体流量计用于调节曝气量,预 曝气池和反应池中分别插入一个DO传感器,DO传感器连接仪表对DO浓度进行在线监测, 反应池内填充密度为0.98-1. 00 g/cm3、直径为10-20 mm的悬浮填料,悬浮填料上附着有具 有短程硝化和厌氧氨氧化能力的生物膜,沉淀池和预曝气池之间的回流管上装有回水流量 计和回流泵; 进行微污染水处理的方法由以下步骤完成: (-).确定载体生物膜投加量 选取若干具有短程硝化和厌氧氨氧化能力的附着有生物膜的悬浮填料,在nh4+-n浓 度为5.0±2.0mg/L的基质中测试该生物膜的比耗氧速率(S0UR),使其达到32 mg02/ (gVSS *h),向反应池中投加污泥浓度为X mg/L的附着有生物膜的悬浮填料,则反应池中生 物膜的耗氧速率(0UR)为32X mg(V(L · h),X为污泥浓度; ㈡.确定进水流量 开启进水泵并调节进水流量计,NH4+-N浓度为a mg/L、流量为Q L/h的原水从原水箱进 入预曝气池进行充氧,预曝气池中的DO浓度为DO,充氧后需达到所处水温T下饱和DO 浓度的95%,随后,浓度为的预曝气池出水进入有效容积为V2的反应池,与反应池中的 水体迅速混合,达到预先设定的DO浓度0. 5mg/L,即DO进水流量Q可按式1计算; Q = 32X · V2/ (DO 充氧-00实际) (1) ㈢.确定曝气流量 根据不同原水DO浓度所设定的气水比,即气体流量与水流量的比值,和步骤(二)所计 算的Q值,确定预曝气池的曝气流量:当原水DO浓度,即D〇!g7jc小于1. 0 mg/L时,预曝气池 采用的气水比为5 :1,则曝气流量A为5Q ;当DO 为1.0-3. 0 mg/L时,预曝气池采用的气 水比为3 :1,则曝气流量A为3Q;当DOm为3. 0-5. 0 mg/L时,预曝气池采用的气水比为2 : 1,则曝气流量A为2Q;当DOm为5. 0-6. 0 mg/L时,预曝气池采用的气水比为1.5 :1,则曝 气流量A为1.5Q; ㈣.确定回流量 当沉淀池出水不回流时,系统通过半短程硝化-厌氧氨氧化去除的NH4+-N量,即 Λ NH4+-N,可根据式2计算; Λ NH:-N = 0· 51 · (DO 充氧-DO 实际) (2) 若要求出水NH4+-N浓度彡c mg/L,当进出水的NH4+-N浓度差(a-c)小于式2计算的理 论NH/-N去除量(Λ NH4+-N)时,打开回流泵,调节回水流量计,回水流量〇0可根据式3计 算; Q 回 _ Q · (a_c_0. 51D0 充氧 + 0· 51D0 实际)/ (0· 51D0 充氧 _ 0· 51 DO 实际)(3) 由于增加回水流量Q0会改变预曝气池4的进水DO浓度,此时按照步骤㈣,重新调节预 曝气池的曝气量; 其中 ' 是预曝气池的有效容积,V2是反应池的有效容积,V3是沉淀池的有效容积; 所述的微污染水,其水质特点是 Τ=24· 6-28. 4 °C,ρΗ=7· 1-7. 5, D0=0. 5-5. 6 mg/L, NH4+-N=1. 78-4. 54 mg/L,N(V_N=0· 50-1. 24 mg/L,N(V_N=1· 80-4. 12 mg/L,TN =4. 62-8. 87 mg/L〇
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