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

Abstract

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

一种实现微污染水自养脱氮的系统与方法

技术领域

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

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NH₄ ⁺-N转化为NO₃ ^--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。

传统生物脱氮往往通过异养代谢途径，其关键是：①保证NH₄ ⁺-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（DO），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NH₄ ⁺-N的完全硝化，尽管在硝化过程中会消耗DO，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。

近年来，作为生物自养脱氮技术，厌氧氨氧化（Anammox）以NH₄ ⁺-N作为电子供体，将NO₂ ^--N还原，最终产物为N₂和少量的NO₃ ^--N。而短程硝化则可以将NH₄ ⁺-N硝化的最终产物控制为NO₂ ^--N，为厌氧氨氧化提供NO₂ ^--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NH₄ ⁺-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。

对于短程硝化系统，其目标是将NH₄ ⁺-N的硝化终产物控制为NO₂ ^--N。目前实现短程硝化的方式有：高温（35℃）、低DO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DO浓度控制是较为可行的方式。

对于常规的活性污泥系统，通过在曝气系统中增加DO传感器监测和反馈模块可实现恒定低DO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DO策略实现短程硝化的系统也表明，长期的低DO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DO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DO浓度恒定控制的一种途径。

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

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。

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。

本发明是针对微污染水所含DO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——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。

本发明技术方案如下：

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。

实现微污染水自养脱氮的方法，包括以下步骤：

㈠. 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（SOUR），使其达到S mgO₂/(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（OUR）为S·X mgO₂/(L·h)，其中S为比耗氧速率， 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，充氧后需达到所处水温T下饱和DO浓度的95%，随后，浓度为DO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DO浓度（DO_实际），进水流量Q可按式1计算；

Q = S·X·V₂/ (DO_充氧- DO_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2的曝气流量：当原水DO浓度（DO_原水）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_原水为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_原水为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_原水为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；

㈣. 确定回流量

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（△NH₄ ⁺-N）可根据式2计算；

△NH₄ ⁺-N = 0.51·(DO_充氧– DO_实际)          (2)

根据上式的计算，在控制DO_实际为0.5 mg/L时，不同温度下的理论NH₄ ⁺-N去除量如附表1所示；

表1

T/℃	10	15	20	25	30
						水中DO饱和浓度/(mg/L)	11.26	10.08	9.08	8.25	7.56
去除NH4 +-N量/(mg/L)	5.52	4.90	4.39	3.97	3.62

若要求出水NH₄ ⁺-N浓度≤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（△NH₄ ⁺-N）时，打开回流泵，调节回水流量计，回水流量Q_回可根据式3计算；

Q_回 = Q·(a-c-0.51DO_充氧+ 0.51DO_实际)/(0.51DO_充氧–0.51 DO_实际)  (3)

由于增加回水流量Q_回会改变预曝气池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V₁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。

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℃，pH=7.1-7.5，DO=0.5-5.6 mg/L，NH₄ ⁺-N=1.78-4.54 mg/L，NO₂ ^--N=0.50-1.24 mg/L，NO₃ ^--N=1.80-4.12 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。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

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，提高了效率。

② 本发明中，NH₄ ⁺-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NH₄ ⁺-N微污染水的生物脱氮问题。

③ 微污染水贫营养性的特点降低了NH₄ ⁺-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α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

附图1是本发明装置的示意图。

具体实施方式

    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DO传感器10，DO传感器10连接仪表11对DO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。

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：

㈠. 确定载体生物膜投加量

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5.0mg/L的基质中测试该生物膜的比耗氧速率（SOUR），为32 mgO₂/(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（OUR）为17.6 mgO₂/(L·h)。

㈡. 确定进水流量

开启进水泵5并调节进水流量计6，NH₄ ⁺-N浓度为a mg/L、流量为Q L/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DO浓度为DO_充氧，充氧后需达到所处水温27.2℃下饱和DO浓度的95%——7.6 mg/L。随后，浓度为DO_充氧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DO浓度（DO_实际）= 0.5mg/L。根据式1计算，进水流量Q = 3.47 L/h

Q = S·X·V₂/ (DO_充氧- DO_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㈢所计算的Q值，确定预曝气池4的曝气流量：当DO_原水为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。

㈣. 确定回流量

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（△NH₄ ⁺-N）为3.62 mg/L。

△NH₄ ⁺-N = 0.51·(DO_充氧– DO_实际)          (2)

若要求出水NH₄ ⁺-N浓度≤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（△NH₄ ⁺-N）时，打开回流泵17，调节回水流量计16，回水流量Q_回可根据式3计算。

Q_回 = Q·(a-c-3.62)/3.62                  (3)

由于增加回水流量Q_回会改变预曝气池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。

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℃，pH=7.1-7.5，DO=0.5-5.6 mg/L，NH₄ ⁺-N=1.78-4.54 mg/L，NO₂ ^--N=0.50-1.24 mg/L，NO₃ ^--N=1.80-4.12 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：

㈠. 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（SOUR），使其达到32 mgO₂/(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（OUR）为32X mgO₂/(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 ，充氧后需达到所处水温T下饱和DO浓度的95%，随后，浓度为DO _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DO浓度0.5mg/L，即DO_实际，进水流量Q可按式1计算；

Q = 32X·V₂/ (DO_充氧- DO_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DO_原水小于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_原水为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DO_原水为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DO_原水为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△NH₄ ⁺-N，可根据式2计算；

△NH₄ ⁺-N = 0.51·(DO_充氧– DO_实际)          (2)

若要求出水NH₄ ⁺-N浓度≤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（△NH₄ ⁺-N）时，打开回流泵，调节回水流量计，回水流量Q_回可根据式3计算；

Q_回 = Q·(a-c-0.51DO_充氧+ 0.51DO_实际)/(0.51DO_充氧–0.51 DO_实际)  (3)

由于增加回水流量Q_回会改变预曝气池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V₁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T=24.6-28.4℃，pH=7.1-7.5，DO=0.5-5.6 mg/L，NH₄ ⁺-N=1.78-4.54 mg/L，NO₂ ^--N=0.50-1.24 mg/L，NO₃ ^--N=1.80-4.12 mg/L，TN =4.62-8.87 mg/L。