CN103613196B - 一种一体化生物脱氮装置及其处理废水的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种一体化生物脱氮装置其处理废水的方法，所述生物脱氮装置包括好氧反应池、沉淀池、废水池、进水泵、鼓风机、污泥回流泵和曝气器，所述好氧反应池内添加有悬浮填料，所述悬浮填料为表面和内部均分布有与表面贯通的孔洞的球体或柱体，所述悬浮填料表面孔洞的直径为1μm～20mm，所述悬浮填料内部孔洞的直径为10μm～10mm；本发明通过装填悬浮填料使得硝化、反硝化可以在同一个好氧反应池内完成，这样节省了传统A/O生物脱氮工艺的缺氧池、缺氧池内的搅拌器以及好氧池混合液回流泵系统，因此本发明具有结构简单，能耗低等优点，利用本发明处理废水的方法可以在好氧反应池内获得75%左右的脱氮效率。
Description
（一）技术领域
本发明涉及一种废水处理装置及处理方法，特别涉及一种一体化生物脱氮装置及其处理废水的方法，可去除有机物、有机氮、氨氮、硝态氮等多种污染物，适用于处理工业废水、城市污水。
（二）背景技术
传统生物脱氮方法主要由硝化反应（氮氧化终端产物为硝酸盐）和反硝化反应（氮还原终端产物为氮气）构成。硝化反应需要氧气，是一个好氧过程；而反硝化反应不需要氧气，是一个缺氧过程。因此，一般来说，生物脱氮工艺是一个从时间上（如序批式反应器）或空间上（如前置反硝化）将硝化反应和反硝化反应分开进行的一种生物脱氮技术。
硝化反应是将氨氮转化为硝酸盐氮的过程。硝化反应包括两个基本的反应步骤，第一阶段是由亚硝酸菌（亚硝酸单胞菌属、亚硝酸螺旋杆菌属和亚硝化球菌属等）将氨氮转化为亚硝酸盐，称为亚硝化反应；第二阶段是由硝酸菌（硝酸杆菌属、螺菌属和球菌属等）将亚硝酸盐进一步氧化为硝酸盐。亚硝酸菌和硝酸菌都是化能自养菌，它们利用CO2、CO3 2-和HCO3 -等作为碳源，通过与NH3、NH4 +和NO2 -的氧化还原反应获得能量。反硝化反应是将硝化过程中产生的硝酸盐或亚硝酸盐还原成N2的过程。反硝化菌是一类化能异养兼性缺氧型微生物，其反应需在缺氧条件下进行。反应过程中反硝化菌利用各种有机基质作为电子供体，以硝酸盐作为电子受体而进行缺氧呼吸。
传统生物脱氮工艺一般采用A/O工艺，即由缺氧池-好氧池-沉淀池构成，同时包括2个回流系统：好氧池混合液回流到缺氧池、沉淀池污泥回流到缺氧池。第一个回流系统是将好氧池氨的氧化产物硝态氮回流到缺氧池使反硝化菌将其还原为氮气，氮的去除率取决与回流比，为了达到较高的脱氮效率，回流比一般控制在3以上，这样大水量的回流导致工艺运行能耗较高，而且脱氮效率难以理想。
为了提高生物处理能力和反应池内微生物数量，生物接触氧化技术得以开发利用，主要是在反应池内投加生物载体，这样微生物不仅仅悬浮在水体中而且大部分微生物可栖息在载体表面生长。目前应用多的填料有固定式填料和悬浮填料，类型及材质种类很多。大量的研究及工程应用表明，生物载体可以显著提高微生物数量，去除效率也可以得到明显提升。但是目前开发的生物载体对于在好氧池内的生物脱氮效率非常有限。
为了简化传统生物脱氮工艺、提高生物脱氮效率、降低能耗，本研究开发了一种能够在好氧池内形成缺氧环境的生物载体，该生物载体投入到好氧池内，可以同时实现硝化和反硝化反应，脱氮效率可以达到甚至超过传统生物脱氮工艺。
所开发的生物载体内部拥有缺氧环境区域和好氧环境区域，有利于好氧的硝化菌和不需要氧气的反硝化菌同时生存于同一个载体上，同时同步可实现硝化反硝化反应，将水体中的氮转化为气态氮。载体外部的好氧状态对于载体内部的缺氧环境不产生影响。因此，使用这种新型载体的生物技术，即可构成一种新的一体化生物脱氮方法及工艺。
（三）发明内容
本发明目的是提供一种一体化生物脱氮装置及其处理废水的方法，解决传统生物脱氮工艺构筑物多、操作复杂等问题，可实现取缔传统生物脱氮工艺中的缺氧池、其中的搅拌系统和混合液回流系统，实现废水中的氮同步硝化、反硝化的新生物处理技术。
本发明采用的技术方案是：
本发明提供一种一体化生物脱氮装置，所述生物脱氮装置包括好氧反应池、沉淀池、废水池、进水泵、鼓风机、污泥回流泵和曝气器，所述好氧反应池侧面分别设有进水口和出水口，所述好氧反应池底部设有污泥回流入口，所述好氧反应池内部底端设有曝气器；所述沉淀池顶端设有排水口、沉淀池底端设有污泥回流出口；所述好氧反应池进水口通过进水泵与废水池连通，所述好氧反应池出水口通过管路与沉淀池连通，所述曝气器通过管路与鼓风机连通，所述污泥回流入口通过污泥回流泵与污泥回流出口连通，所述好氧反应池内添加有悬浮填料，所述悬浮填料为表面和内部均分布有与表面贯通的孔洞的球体或柱体（所述填料的形状不固定，孔的大小可以不均匀），所述悬浮填料表面孔洞的直径径为1μm～20mm，所述悬浮填料内部孔洞的直径为10μm～10mm。
进一步，所述悬浮填料由聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、尼龙、锦纶或聚胺酯制成。
进一步，所述悬浮填料密度为0.88～1.28g/cm3。
进一步，所述悬浮填料形状不限，投影直径为50mm～150mm。
进一步，所述悬浮填料表面孔洞的直径为10μm～15mm，所述悬浮填料内部孔洞的直径为10μm～8mm，密度为0.88～0.98g/cm3。
进一步，所述悬浮填料的投加量为1.5～6kg/m3。
进一步，所述出水口处设有网状隔板，所述网孔直径为25mm～100mm。
本发明还提供一种利用所述一体化生物脱氮装置处理废水的方法，所述方法为：首先在好氧反应池内给入1/4～1/3的清水，并开启鼓风机曝气，再将活性污泥接种到好氧反应池内，曝气1～2天后，将悬浮填料加入好氧反应池，然后开启进水泵，将废水泵入好氧反应池形成废水混合液，此时调节鼓风机曝气量大小，控制好氧反应池内废水混合液的DO值不低于2mg/L，处理后的废水通过出水口进入沉淀池，经沉淀池沉淀后的废水由排水口排出，沉淀产生的污泥由污泥回流出口经过回流泵进入好氧反应池，控制反应池内污泥浓度为2～3g/L，污泥回流流量与进水流量比例为0.5～1:1，所述悬浮填料为表面和内部均分布有与表面贯通的孔洞的球体或柱体，所述悬浮填料表面孔洞的直径为1μm～20mm，所述悬浮填料内部孔洞的直径为10μm～10mm，所述悬浮填料投影直径为50mm～150mm，所述悬浮填料的投加量为1.5～6kg/m3。
进一步，所述反应池内污泥浓度为2～3g/L，污泥回流流量与进水流量比例为1:1。
本发明所述一体化生物脱氮装置中，所述好氧反应池底部装设有曝气器为水体充氧，所述的曝气器为管式、盘式曝气器，材质不限。所述沉淀池为辐流式沉淀池、平流式沉淀池、竖流式沉淀或斜板沉淀池中的任一种，所述网状隔板设置在反应池和沉淀池之间，拦截悬浮填料，防止填料流入沉淀池。
本发明所述的一体化生物脱氮装置处理废水的方法过程中，废水的有机物氧化、氨氮氧化和硝态氮还原均在同一个好氧反应池内完成，通过曝气器进入的空气动力不仅为水体充氧而且可以使悬浮填料在水体中运动，分布在悬浮填料和水体中的微生物摄取废水中有机物、氮和溶解氧进行新陈代谢活动，废水得到彻底处理后自动流入沉淀池，停留足够时间后，废水中的微生物沉淀到池底，而上清液经沉淀池排水口排出，沉淀到池底的微生物通过污泥循环泵送入到好氧反应池，以维持好氧池内稳定的微生物量。
鼓风机曝气使得好氧反应池内泥水中溶解氧浓度升高，当充氧后的水体会扩散进入悬浮填料内部，由于悬浮填料内外表面的网丝（即孔壁）上均附着有微生物，随着填料内部的深入，外表面的微生物会优先吸收水体中的溶解氧，此时，外表面的微生物主要以摄氧的好氧微生物为主。进入悬浮填料内部的水体中的溶解氧很低甚至无氧，内部微生物逐渐演变为缺氧微生物和厌氧微生物。悬浮填料外表面和外部没有附着在填料上的微生物主要是好氧微生物，一部分好氧微生物可以分解有机物，一部分微生物为硝化菌可以将氨氮氧化为硝态氮；悬浮填料内部的微生物为缺氧微生物和厌氧微生物，缺氧微生物在摄取有机物的同时将硝态氮还原为氮气从而达到脱氮的目的，厌氧微生物可以进行无氧呼吸将有机物分解为脂肪酸等小分子有机物、二氧化碳等。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：通过装填悬浮填料使得硝化、反硝化可以在同一个好氧反应池内完成，这样节省了传统A/O生物脱氮工艺的缺氧池、缺氧池内的搅拌器以及好氧池混合液回流泵系统，因此本发明具有结构简单，能耗低等优点，利用本发明处理废水的方法可以在好氧反应池内获得75%左右的脱氮效率（现有A/O工艺脱氮技术也在75%左右，而好氧池内生物脱氮效率不高于10%，见参考文献：（吴成强,王国栋,李红岩，杨敏.反硝化污泥床和好氧生物膜一体化生物反应器.中国环境科学,2003,23(6):640～643.）和（祝贵兵,彭永臻,周利,马勇,张新兰.优化分段进水生物脱氮工艺设计参数,2004,20(9):64-64.）。
（四）附图说明
图1一体化生物脱氮系统结构示意图：1-好氧反应池，2-沉淀池，3-进水口，4-出水口，5-曝气器，6-鼓风机，7-进水泵，8-废水池，9-隔板，10-排水口，11-污泥回流出口，12-污泥回流入口，13-污泥回流泵，14-悬浮填料。
（五）具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1一种一体化生物脱氮装置
参照图1，一种一体化生物脱氮装置，所述生物脱氮装置包括好氧反应1、沉淀池2、废水池8、进水泵7、鼓风机6、污泥回流泵13和曝气器5，所述好氧反应池侧面分别设有进水口3和出水口4，所述好氧反应池底部设有污泥回流入口12，所述好氧反应池内部底端设有曝气器5；所述沉淀池顶端设有排水口10、沉淀池底端设有污泥回流出口11；所述好氧反应池进水口3通过进水泵7与废水池8连通，所述好氧反应池出水口4通过管路与沉淀池2连通，所述曝气器5通过管路与鼓风机6连通，所述污泥回流入口12通过污泥回流泵13与污泥回流出口11连通，所述好氧反应池内添加有悬浮填料14，所述悬浮填料14为表面和内部均分布有与表面贯通的孔洞的球体或柱体，所述悬浮填料表面孔洞的直径为1μm～20mm，所述悬浮填料内部孔洞的直径为10μm～10mm，所述悬浮填料密度为0.88～1.28g/cm3，所述悬浮填料形状不限，投影直径为50mm～150mm，所述悬浮填料的投加量为1.5～6kg/m3。
实施例2
采用实施例1所述一体化生物脱氮装置进行废水处理，所述悬浮填料为聚乙烯制备的球体，直径为50mm，所述悬浮填料表面孔洞的直径为10μm～10mm，所述悬浮填料内部孔洞的直径为10μm～10mm，所述悬浮填料密度为0.98g/cm3，所述悬浮填料的投加量为4kg/m3；所述曝气器5为陶瓷微孔曝气器，所述沉淀池2的上半部分为方形池，下半部分为倒锥形池，好氧池出水口口径为DN15mm，无需设置隔板。好氧反应池有效容积为8L、沉淀池有效容积为2L。
废水处理方法：首先在好氧反应池内给入2～3L的清水，并开启鼓风机曝气，再将城市污水处理厂的剩余生物污泥接种到好氧反应池内，1～2天后，将悬浮填料加入好氧反应池，然后开启进水泵，将废水泵入好氧反应池形成废水混合液，此时调节鼓风机曝气量大小，控制好氧反应池内废水混合液的DO值为3～4mg/L，处理后的废水通过出水口进入沉淀池，经沉淀池沉淀后的废水由排水口排出，沉淀产生的污泥由污泥回流出口经过回流泵进入好氧反应池，控制反应池内污泥浓度为2～3g/L，污泥回流流量与进水流量比例为1:1。
试验用的废水为人工配制废水，采用淀粉、氯化铵、磷酸氢钾配置而成，COD为698～823mg/L、总磷为6～6.8mg/L、氨氮浓度为56.2～87.3mg/L、总氮浓度为62.9～92.3mg/L、pH7.5～8.5。
好氧反应池运行开始，进水流量为4L/d，水力停留时间为2d，溶解氧控制在3～4mg/L，运行15天，当氨氮和总氮去除率达到91%和69%以上时，调节进水泵的阀门，将进水流量提高30%（即5.2L/d）；此时，COD处理负荷达到0.45～0.54kg/(m3.d)，调节鼓风机管道阀门，控制溶解氧3～4mg/L，运行35天，当氨氮和总氮去除率达到95%和77%以上时，调节进水泵的阀门，将进水流量提高25%（即6.5L/d）；此时，COD处理负荷达到0.61kg/(m3.d)左右，调节鼓风机管道阀门，控制溶解氧3～4mg/L，运行35天。经过3个月的启动及运行，好氧反应池内悬浮污泥浓度达到了2.2～3.5g/L，其悬浮填料上污泥浓度为2.1～2.5g/L，COD和氨氮去除率分别达到了94%和91%以上，此时总氮去除率最高可达到77.3%。但是总氮去除率与流量、进水COD浓度关联较大。试验运行结果见表1。
表18L试验装置的试验运行结果
实施例3：
采用实施例1所述一体化生物脱氮装置进行废水处理，好氧反应池有效容积为110L，所述出水口4处设有网状隔板9，所述网状隔板9固定于出水口位于好氧反应池内壁上，所述隔板孔径为20mm，悬浮填料采用聚乙烯材质，直径为150mm，所述悬浮填料表面孔洞的直径为1μm～20mm，所述悬浮填料内部孔洞的直径为10μm～10mm，所述悬浮填料密度为0.98g/cm3，所述悬浮填料的投加量为5.2kg/m3；所述曝气器5为陶瓷微孔曝气器，所述沉淀池2的上半部分为方形池，下半部分为倒锥形池。
废水处理方法同实施例2，首先在好氧反应池内给入28～36L的清水，并开启鼓风机曝气，再将城市污水处理厂的剩余生物污泥接种到好氧反应池内，2天后，将悬浮填料加入好氧反应池，然后开启进水泵，将废水泵入好氧反应池形成废水混合液，此时调节鼓风机曝气量大小，保持水体中的溶解氧为3～5mg/L；回流泵将沉淀池中污泥回流到好氧反应池，维持好氧池内水体中悬浮污泥浓度3～3.5g/L，污泥回流流量与进水流量比为1:1；试验用的废水为城市生活污水，COD为201～274mg/L、总磷为1.73～9.78mg/L、氨氮浓度为26.2～44.4mg/L、pH7～7.5。
好氧反应池运行开始，进水流量为144L/d，水力停留时间为0.76d，溶解氧控制在3～4mg/L，运行18天，当氨氮和总氮去除率达到90%和61%以上时，调节进水泵的阀门，将进水流量提高30.5%（即188L/d）；此时，COD处理负荷达到0.34～0.44kg/(m3.d)，调节鼓风机管道阀门，控制溶解氧3～4mg/L，运行27天，当氨氮和总氮去除率达到92%和68%以上时，调节进水泵的阀门，将进水流量提高30.3%（即245L/d）；此时，COD处理负荷达到0.49～0.61kg/(m3.d)左右，调节鼓风机管道阀门，控制溶解氧3～4mg/L，运行40天。经过近3个月的启动及运行，好氧反应池内悬浮污泥浓度达到了1.2～2.5g/L，其专用载体上污泥浓度为1.8～2.2g/L，COD和氨氮去除率分别达到了85%和93%以上，此时，总氮去除率最高达到80.4%，同时，总氮去除率与流量、进水COD浓度关联较大。试验运行结果见表2。
表2110L试验装置的试验运行结果
Claims (9)
1.一种一体化生物脱氮装置，所述生物脱氮装置包括好氧反应池、沉淀池、废水池、进水泵、鼓风机、污泥回流泵和曝气器，所述好氧反应池侧面分别设有进水口和出水口，所述好氧反应池底部设有污泥回流入口，所述好氧反应池内部底端设有曝气器；所述沉淀池顶端设有排水口、沉淀池底端设有污泥回流出口；所述好氧反应池进水口通过进水泵与废水池连通，所述好氧反应池出水口通过管路与沉淀池连通，所述曝气器通过管路与鼓风机连通，所述污泥回流入口通过污泥回流泵与污泥回流出口连通，其特征在于：所述好氧反应池内添加有悬浮填料，所述悬浮填料为表面和内部均分布有与表面贯通的孔洞的球体或柱体，所述悬浮填料表面孔洞的直径为1μm～20mm，所述悬浮填料内部孔洞的直径为10μm～10mm。
2.如权利要求1所述一种一体化生物脱氮装置，其特征在于所述悬浮填料由聚丙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、尼龙、锦纶或聚胺酯制成。
3.如权利要求1所述一种一体化生物脱氮装置，其特征在于所述悬浮填料密度为0.88～1.28g/cm3。
4.如权利要求1所述一种一体化生物脱氮装置，其特征在于所述悬浮填料投影直径为50mm～150mm。
5.如权利要求1所述一种一体化生物脱氮装置，其特征在于所述悬浮填料表面孔洞的直径为10μm～15mm，所述悬浮填料内部孔洞的直径为10μm～8mm，密度为0.88～0.98g/cm3。
6.如权利要求1所述一种一体化生物脱氮装置，其特征在于所述悬浮填料的投加量为1.5～6kg/m3。
7.如权利要求1所述一种一体化生物脱氮装置，其特征在于所述出水口处设有网状隔板，所述网孔直径为25mm～100mm。
8.一种利用权利要求1所述一体化生物脱氮装置处理废水的方法，其特征在于所述方法为：
首先在好氧反应池内注入1/4～1/3的清水，并开启鼓风机曝气，再将活性污泥接种到好氧反应池内，曝气1～2天后，将悬浮填料加入好氧反应池，然后开启进水泵，将废水泵入好氧反应池形成废水混合液，此时调节鼓风机曝气量大小，控制好氧反应池内废水混合液的DO值不低于2mg/L，处理后的废水通过出水口进入沉淀池，经沉淀池沉淀后的废水由排水口排出，沉淀产生的污泥由污泥回流出口经过回流泵进入好氧反应池，控制反应池内污泥浓度为2～3g/L，污泥回流流量与进水流量比例为0.5～1:1，所述悬浮填料为表面和内部均分布有与表面贯通的孔洞的球体或柱体，所述悬浮填料表面孔洞的直径为1μm～20mm，所述悬浮填料内部孔洞的直径为10μm～10mm，所述悬浮填料投影直径为50mm～150mm，所述悬浮填料的投加量为1.5～6kg/m3。
9.如权利要求8所述利用一体化生物脱氮装置处理废水的方法，其特征在于所述反应池内污泥浓度为2～3g/L，污泥回流流量与进水流量比例为1:1。
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