CN103693738B

CN103693738B - 一种复合式半硝化-厌氧氨氧化自养脱氮装置和运行方法

Info

Publication number: CN103693738B
Application number: CN201310667246.XA
Authority: CN
Inventors: 马永光; 于泽旭; 古川宪治; 朱彤; 蔡晨秋
Original assignee: LIAONING MACHINERY REASEARCH INSTITUTE Co Ltd
Current assignee: LIAONING MACHINERY REASEARCH INSTITUTE Co Ltd
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: CN103693738A

Abstract

一种复合式半硝化-厌氧氨氧化自养脱氮装置和运行方法，其主要特征是反应器由上下两段堆叠而成，上段采用固定床反应器型式，即在该区段设置生物膜组件，下段采用流化床反应器型式，游离态的颗粒污泥通过搅拌桨的机械搅拌作用实现流态化的强化效果，恒温循环水箱通过管道与反应器的内筒、外筒间形成的中空空间连通；使用上述装置进行污水处理时需首先启动装置，然后进行调控运行；可使氨氮去除率达90%、总氮去除率达80%以上。

Description

一种复合式半硝化-厌氧氨氧化自养脱氮装置和运行方法

技术领域

本发明属于生化法污水处理技术领域，具体涉及处理污水时使用的一种复合式半硝化-厌氧氨氧化自养脱氮装置和运行方法。

背景技术

我国氨氮污染状况日益严峻，排放量远远超出受纳水体的环境容量，由此带来的环境问题引起了各方的高度关注。“十二五”规划中，国家新增氨氮减排约束性指标，这不但对各污染源企业氨氮的排放设置了更高的门槛，也对污染治理工艺过程和技术水平提出了更高的要求。然而，传统的脱氮工艺多基于硝化-反硝化原理，虽在生物脱氮领域发挥了重要作用，但存在工艺流程长、能耗高等问题。因此，开发基于脱氮新思路、新技术的新型装置系统具有十分重要的意义。

近年来，许多国家加强了对生物脱氮的研究，并在理论和技术上都取得了一定突破。一种全新的生化反应——厌氧氨氧化（anaerobic ammoniaoxidation,ANAMMOX）的发现，不仅革新了人们对氮素转换途径的认知，同时，作为硝化脱氮的捷径反应，也突破了传统硝化-反硝化的基本理论，缩短了反应路径，可节省由添加外部碳源、化学中和剂等操作造成的成本支出，被认为是一条经济、高效、可持续的脱氮路径。特别是一些耦合了半硝化反应的单级自养脱氮工艺，通过条件控制，使好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌在一个生境中共存，于同一个反应器中进行短程硝化和厌氧氨氧化，实现全程自养生物脱氮。这些单级自养生物脱氮技术不仅弥补了传统硝化-反硝化工艺的缺陷，提高了脱氮效率，亦具有占地少、耗能低、剩余污泥产量少等优势，降低了废水处理成本，是未来极具潜力的脱氮技术之一。

目前，已报道的单级半硝化-厌氧氨氧化自养脱氮工艺所用反应器几乎都来源于传统反应器，包括固定床反应器和流化床反应器两种型式，其运用在该类工艺中主要存在以下问题：

（1）固定床型式反应器有效提高了系统的生物滞留能力，但随着膜厚度的增加，易发生堵塞，影响传质效果；

（2）固定床反应器中反应的气体产物以大气泡的形式滞留于泥层间时，将阻碍基质流动及均匀分布；

（3）相比固定床而言，流化状态可使反应器内基质分布更加均匀，传质效果明显提高，但当气体产物阻滞于颗粒污泥中时，会造成颗粒污泥上浮或者流失，进而影响系统的处理效果。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出一种适于高浓度氨氮废水处理使用的复合式半硝化-厌氧氨氧化装置，通过合理的反应器结构和运行方法，为功能菌群的生长和代谢提供适宜的空间条件，以获得更高的脱氮效率。该种装置的总体结构如附图1所示，主要由进水水箱、进水泵、反应器、沉淀池、恒温循环水箱、气泵、污泥回流泵、在线pH调节装置、进碱泵、加药箱、好氧区在线溶解氧测定仪、缺氧区在线溶解氧测定仪、搅拌控制器组成，反应器内部设置有生物膜组件、导气管、三相分离器、环形微孔曝气管、搅拌轴、搅拌桨。

所述进水水箱储存高浓度氨氮废水，并通过进水泵及进水管道与反应器连通，进水泵用于控制废水流量，沉淀池底部和污泥回流泵相连通，其上部通过管道同反应器相连通；气泵通过相应的管路与环形微孔曝气管相连，向反应器内供氧，pH调节装置通过进碱泵与加药箱相连，加药箱储存人工配置的碱液。

所述反应器宏观上由上下两段堆叠而成，每段均由内筒和外筒两个部分组成；上段采用固定床反应器型式，即在该区段设置生物膜组件，下段采用流化床反应器型式，恒温循环水箱通过管道与内筒、外筒间形成的中空空间连通，内外筒间注满恒温循环水，以保持反应器内的温度在预设范围之内；反应器的内筒在其垂直方向上存在溶解氧梯度，形成上部生物膜好氧区、下部颗粒污泥缺氧区；所述上部生物膜好氧区设有环形微孔曝气管，沿反应器内壁均匀曝气，并安装有好氧区在线溶解氧测定仪；所述中部过渡区设置三相分离器，三相分离器由集气罩、导流板组成，集气罩通过夹板固定于反应器内壁，并与导气管连通，导气管设置在反应器的中轴线上；所述下部颗粒污泥缺氧区采用流化床反应器型式，游离态的颗粒污泥通过搅拌桨的机械搅拌作用实现流态化的强化效果，缺氧区在线溶解氧测定仪的探头自上深入到此区域；反应器顶端设有安装导角，以其防止水流死角的产生。

前述中：所述反应器的高径比为4.2，上段固定床反应器、下段流化床反应器均占反应器总高度的50%，生物膜好氧区高度约为内筒高度的30%-40%，中部过渡区高度约为内筒高度的20%，颗粒污泥缺氧区高度约为内筒高度的40%-50%。

所述生物膜组件由填料和骨架框组合而成，竖直放置于生物膜区，捆绑固定于导气管外壁，水平面呈旋转放射状，使用单毛长度约1cm的聚丙烯纤维填料形成生物膜，填料缠绕在骨架框上，填料填充比为该区域的60%-70%。

所述环形微孔曝气管放置于三相分离器底端夹角处。

所述搅拌轴设置在反应器本体中轴线上、距底部的15%高度处安装搅拌桨，搅拌桨在搅拌轴的带动下同步旋转，通过搅拌控制器控制转速。

所述污泥回流泵与沉淀池底部连通，需通过调节使回流污泥与进水保持1：1的回流比。

所述pH调节装置设有pH进碱阈值，通过进碱泵泵入外加碱液调整并维持反应器内部pH值。

上述复合式半硝化-厌氧氨氧化装置的运行方法，其特征包括以下步骤：

⑴启动装置：接种污泥有厌氧氨氧化污泥和硝化污泥两类，按照一定的比例均匀混合后加入反应器内筒，为反应器提供2.7g-MLSS/L的初始厌氧氨氧化污泥浓度和0.5g-MLSS/L的初始硝化污泥浓度；而后通入人工配置的模拟废水，其组分为：NH₄ ⁺-N50-200mg/L，KHCO₃500mg/L，KH₂PO₄54mg/L，FeSO₄·7H₂O9mg/L，EDTA5mg/L，CaCl₂4mg/L，MgSO₄·7H₂O4mg/L，CoCl₂·6H₂O1mg/L，NaCl4mg/L；废水从反应器底部进入，然后通过集气罩和导流板之间的缝隙进入固定床，通过曝气作用上升到顶部后，一部分水流折返，经导气管下降进入流化床形成循环，另一部分则通过出水口进入沉淀池；好氧段溶解氧浓度控制在1-2mg/L，缺氧段溶解氧浓度控制在0-0.5mg/L，反应器运行参数为pH值7.4-7.6，反应器温度33-37℃；当总氮去除率达80%时则认为启动成功；

⑵调控运行：好氧段溶解氧浓度控制在1-2mg/L，缺氧段溶解氧浓度控制在0-0.5mg/L。采用连续进水方式，人工模拟废水组分为NH₄ ⁺-N200-1000mg/L，KHCO₃500mg/L，KH₂PO₄54mg/L，FeSO₄·7H₂O9mg/L，EDTA5mg/L，CaCl₂4mg/L，MgSO₄·7H₂O4mg/L，CoCl₂·6H₂O1mg/L，NaCl4mg/L；反应器运行参数为pH值7.4-7.6，反应器温度33-37℃，当进水NH₄ ⁺-N为200-400mg/L时，水力停留时间为2.3-7.2h；当进水NH₄ ⁺-N为400-1000mg/L时，水力停留时间为7.2-15.4h；每天监测反应器进水和出水的氨氮、亚硝氮、硝氮浓度，连续三天反应器出水数据（氨氮、亚硝氮、硝氮浓度）稳定且氨氮去除率达90%、总氮去除率达80%以上时，即通过增加进水浓度或增加流量（降低水力停留时间）的方式提高反应器负荷。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

⑴本发明提出的反应器构型沿袭了固定床反应器与流化床反应器的优点，利用生物膜和颗粒污泥两种微生物固定手段，强化了污泥持留，大限度地减少了污泥流失，维持反应器中功能菌群量，保证单级半硝化-厌氧氨氧化脱氮工艺的高效运行；同时又互相弥补了不足，采用固定床下置流化床，相比单独使用固定床反应器时提高了传质效率和污泥浓度，同时可减少固定床部分的微生物量，控制膜厚度，以达到良好的气体分离效果，解决了固定床易堵塞等问题；

⑵反应器下部增加机械搅拌，可防止流化床反应器宏观及微观导气性不佳引起的反应器短流、气涌及颗粒污泥上浮等现象。在较强剪切力作用下，氨氧化菌与厌氧氨氧化菌被迅速积聚在一起，使颗粒污泥加速形成，且结构紧密、大小适当，具有良好沉降性能，亦可解除粒径过大导致的产生气体排出、基质传入限制，提高了反应器的传质效果；

⑶反应器内存在溶解氧梯度，使反应器形成上部生物膜好氧区、中部过渡区、下部颗粒污泥缺氧区，上部好氧区适宜的膜厚度使生物膜以氨氧化菌为优势菌群，完成半硝化过程；而当水流以少量水携氧的形式进入缺氧区时，颗粒污泥则形成外部包裹氨氧化菌、内部厌氧氨氧化菌的层片结构（由于溶解氧浓度及传质限制，污泥内部可形成大面积的厌氧区域），因此，下部颗粒污泥以完成厌氧氨氧化过程为主。流化床污泥的这种存在形式不仅为厌氧氨氧化反应解除了上部水流携带的剩余溶解氧毒害，又可协助厌氧氨氧化颗粒污泥增强耐冲击负荷能力。如此，反应器宏观上相当于半硝化反应器与厌氧氨氧化反应器的纵向叠加，也即半硝化与厌氧氨氧化过程在一个反应器中相互耦合的同时实现沿程分离，优化了两类功能菌群的共存微环境，从而赋予反应器高效的脱氮性能。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明装置中三相分离器与反应器内筒局部连接方式示意图。

图3为本发明装置中三相分离器与反应器内筒连接方式横剖面示意图。

图1中：1为进水水箱；2为进水泵；3为复合式半硝化为厌氧氨氧化反应器；4为沉淀池；5为恒温循环水箱；6为气泵；7为污泥回流泵；8为在线pH调节装置；9为进碱泵；10为加药箱；11为好氧区在线溶解氧测定仪、12为缺氧区在线溶解氧测定仪；13为搅拌控制器；14为生物膜组件；15为导气管；16为三相分离器；16-1为集气罩；16-2为导流板；17为环形微孔曝气管；18为搅拌轴；19为搅拌桨；20、21为反应器内筒；22、23为反应器外筒；24为夹板；25为导角。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

1.一种复合式半硝化-厌氧氨氧化自养脱氮装置，其特征是该装置设有进水水箱1、进水泵2、反应器3、沉淀池4、恒温循环水箱5、气泵6、污泥回流泵7、在线pH调节装置8、进碱泵9、加药箱10、好氧区在线溶解氧测定仪11、缺氧区在线溶解氧测定仪12、搅拌控制器13，反应器3内部设置有生物膜组件14、导气管15、三相分离器16、环形微孔曝气管17、搅拌轴18、搅拌桨19；所述进水水箱1储存高浓度氨氮废水，并通过进水泵2及进水管道与反应器3连通，进水泵2用于控制废水流量；沉淀池4的底部和污泥回流泵7相连通，其上部通过管道同反应器3相连通；气泵6通过相应的管路与环形微孔曝气管17相连通，负责向反应器3内供氧，pH调节装置8通过进碱泵9与加药箱10相连，加药箱10储存人工配置的碱液；所述反应器3宏观上由上下两段通过法兰盘堆叠而成，每段均由其内筒20、21和外筒22、23两个部分组成；上段采用固定床反应器型式，即在该区段设置生物膜组件14，下段采用流化床反应器型式，带有加热功能的恒温循环水箱5通过管道与内筒20、21、外筒22、23间形成的中空空间连通，内外筒间注满恒温循环水，以保持反应器3内的温度在预设范围之内；反应器3的内筒20、21在其垂直方向上存在溶解氧梯度，形成上部生物膜好氧区、中部过渡区和下部颗粒污泥缺氧区，所述上部生物膜好氧区设有环形微孔曝气管17，沿反应器内壁均匀曝气，并安装有好氧区在线溶解氧测定仪11；所述中部过渡区设置三相分离器16，三相分离器16由集气罩16-1、导流板16-2组成，集气罩16-1通过自身所设的夹板24固定于反应器3的内壁上，并与导气管15连通，导气管15设置在反应器3的中轴线上；所述下部颗粒污泥缺氧区采用流化床反应器型式，游离态的颗粒污泥通过搅拌桨19的机械搅拌作用实现流态化的强化效果，缺氧区在线溶解氧测定仪12的探头自上深入到此区域；反应器顶端设有安装导角25，以其防止水流死角的产生；所述反应器3的高径比为4.2，上段固定床反应器、下段流化床反应器均占反应器总高度的50%，生物膜好氧区高度约为内筒高度的30%-40%，中部过渡区高度约为内筒高度的20%，颗粒污泥缺氧区高度约为内筒高度的40%-50%；所述生物膜组件14由填料和骨架框组合而成，竖直放置于生物膜区，捆绑固定于导气管15外壁，水平面呈旋转放射状，使用单毛长度约1cm的聚丙烯纤维填料形成生物膜，填料缠绕在骨架框上，填料填充比为该区域的60%-70%；所述环形微孔曝气管17放置于三相分离器16底端夹角处；所述搅拌轴18设置在反应器本体中轴线上、距底部的15%高度处安装搅拌桨19，搅拌桨19在搅拌轴18的带动下同步旋转，通过搅拌控制器13控制转速；所述污泥回流泵7与沉淀池4底部连通，需通过调节使回流污泥与进水保持1：1的回流比；所述pH调节装置8设有pH进碱阈值，通过进碱泵9泵入外加碱液调整并维持反应器内部pH值。

使用上述的复合式半硝化-厌氧氨氧化自养脱氮装置，采用如下的运行方法，具体包括以下步骤：

⑴启动装置：接种污泥有厌氧氨氧化污泥和硝化污泥两类，按照一定的比例均匀混合后加入反应器内筒，为反应器提供2.7g-MLSS/L的初始厌氧氨氧化污泥浓度和0.5g-MLSS/L的初始硝化污泥浓度；而后通入人工配置的模拟废水，其组分为：NH₄ ⁺-N50-200mg/L，KHCO₃500mg/L，KH₂PO₄54mg/L，FeSO₄·7H₂O9mg/L，EDTA5mg/L，CaCl₂4mg/L，MgSO₄·7H₂O4mg/L，CoCl₂·6H₂O1mg/L，NaCl4mg/L；废水从反应器底部进入，然后通过集气罩16-1和导流板16-2之间的缝隙进入固定床，通过曝气作用上升到顶部后，一部分水流折返，经导气管15下降进入流化床形成循环，另一部分则通过出水口进入沉淀池；好氧段溶解氧浓度控制在1-2mg/L，缺氧段溶解氧浓度控制在0-0.5mg/L，反应器运行参数为pH值7.4-7.6，反应器温度33-37℃；当总氮去除率达80%时则认为启动成功；

⑵调控运行：好氧段溶解氧浓度控制在1-2mg/L，缺氧段溶解氧浓度控制在0-0.5mg/L；采用连续进水方式，人工模拟废水组分为NH₄ ⁺-N200-1000mg/L，KHCO₃500mg/L，KH₂PO₄54mg/L，FeSO₄·7H₂O9mg/L，EDTA5mg/L，CaCl₂4mg/L，MgSO₄·7H₂O4mg/L，CoCl₂·6H₂O1mg/L，NaCl4mg/L；反应器运行参数为pH值7.4-7.6，反应器温度33-37℃，当进水NH₄ ⁺-N为200-400mg/L时，水力停留时间为2.3-7.2h；当进水NH₄ ⁺-N为400-1000mg/L时，水力停留时间为7.2-15.4h；每天监测反应器进水和出水的氨氮、亚硝氮、硝氮浓度，连续三天反应器出水数据（氨氮、亚硝氮、硝氮浓度）稳定且氨氮去除率达90%、总氮去除率达80%以上时，即通过增加进水浓度或增加流量（降低水力停留时间）的方式提高反应器负荷，NLR可达3.5Kg-N/（m³·d），NRR达2.7Kg-N/（m³·d）。

Claims

1.一种复合式半硝化-厌氧氨氧化自养脱氮装置，其特征是该装置设有进水水箱(1)、进水泵(2)、反应器(3)、沉淀池(4)、恒温循环水箱(5)、气泵(6)、污泥回流泵(7)、在线pH调节装置(8)、进碱泵(9)、加药箱(10)、好氧区在线溶解氧测定仪(11)、缺氧区在线溶解氧测定仪(12)、搅拌控制器(13)，反应器(3)内部设置有生物膜组件(14)、导气管(15)、三相分离器(16)、环形微孔曝气管(17)、搅拌轴(18)、搅拌桨(19)；所述进水水箱(1)储存高浓度氨氮废水，并通过进水泵(2)及进水管道与反应器(3)的底部连通，进水泵(2)用于控制废水流量；沉淀池(4)的底部和污泥回流泵(7)相连通，其上部通过管道同反应器(3)相连通；气泵(6)通过相应的管路与环形微孔曝气管(17)相连通，负责向反应器(3)内供氧，pH调节装置(8)通过进碱泵(9)与加药箱(10)相连，加药箱(10)储存人工配置的碱液；所述反应器(3)宏观上由上下两段通过法兰盘堆叠而成，每段均由其内筒(20、21)和外筒(22、23)两个部分组成；上段采用固定床反应器型式，即在该段设置生物膜组件(14)，下段采用流化床反应器型式，带有加热功能的恒温循环水箱(5)通过管道与内筒(20、21)、外筒(22、23)间形成的中空空间连通，内外筒间注满恒温循环水，以保持反应器(3)内的温度在预设范围之内；反应器(3)的内筒(20、21)在其垂直方向上存在溶解氧梯度，形成上部生物膜好氧区、中部过渡区和下部颗粒污泥缺氧区，所述上部生物膜好氧区设有环形微孔曝气管(17)，沿反应器内壁均匀曝气，并安装有好氧区在线溶解氧测定仪(11)；所述中部过渡区设置三相分离器(16)，三相分离器(16)由集气罩(16-1)、导流板(16-2)组成，集气罩(16-1)通过自身所设的夹板(24)固定于反应器(3)的内壁上，并与导气管(15)连通，导气管(15)设置在反应器(3)的中轴线上；所述下部颗粒污泥缺氧区采用流化床反应器型式，游离态的颗粒污泥通过搅拌桨(19)的机械搅拌作用实现流态化的强化效果，缺氧区在线溶解氧测定仪(12)的探头自上深入到此区域；反应器顶端设有安装导角(25)，以其防止水流死角的产生；所述反应器(3)的高径比为4.2，上段固定床反应器、下段流化床反应器均占反应器总高度的50％，生物膜好氧区高度为内筒高度的30％-40％，中部过渡区高度为内筒高度的20％，颗粒污泥缺氧区高度为内筒高度的40％-50％；所述生物膜组件(14)由填料和骨架框组合而成，竖直放置于生物膜区，捆绑固定于导气管(15)外壁，水平面呈旋转放射状，使用单毛长度1cm的聚丙烯纤维填料形成生物膜，填料缠绕在骨架框上，填料填充比为该区域的60％-70％；所述环形微孔曝气管(17)放置于三相分离器(16)底端夹角处；所述搅拌轴(18)设置在反应器本体中轴线上、距底部的15％高度处安装搅拌桨(19)，搅拌桨(19)在搅拌轴(18)的带动下同步旋转，通过搅拌控制器(13)控制转速；所述污泥回流泵(7)与沉淀池(4)底部连通，需通过调节使回流污泥与进水保持1：1的回流比；所述pH调节装置(8)设有pH进碱阈值，通过进碱泵(9)泵入外加碱液调整并维持反应器内部pH值。

2.一种根据权利要求1所述的一种复合式半硝化-厌氧氨氧化自养脱氮装置的运行方法，其特征是包括以下步骤：

(1)启动装置：接种污泥有厌氧氨氧化污泥和硝化污泥两类，按照一定的比例均匀混合后加入反应器内筒，为反应器提供2.7g-MLSS/L的初始厌氧氨氧化污泥浓度和0.5g-MLSS/L的初始硝化污泥浓度；而后通入人工配置的模拟废水，其组分为：NH₄ ⁺-N 50-200mg/L，KHCO₃ 500mg/L，KH₂PO₄ 54mg/L，FeSO₄·7H₂O 9mg/L，EDTA 5mg/L，CaCl₂ 4mg/L，MgSO₄·7H₂O 4mg/L，CoCl₂·6H₂O 1mg/L，NaCl 4mg/L；废水从反应器底部进入，然后通过集气罩(16-1)和导流板(16-2)之间的缝隙进入固定床，通过曝气作用上升到顶部后，一部分水流折返，经导气管(15)下降进入流化床形成循环，另一部分则通过出水口进入沉淀池；好氧段溶解氧浓度控制在1-2mg/L，缺氧段溶解氧浓度控制在0-0.5mg/L，反应器运行参数为pH值7.4-7.6，反应器温度33-37℃；当总氮去除率达80％时则认为启动成功；

(2)调控运行：好氧段溶解氧浓度控制在1-2mg/L，缺氧段溶解氧浓度控制在0-0.5mg/L；采用连续进水方式，人工模拟废水组分为NH₄ ⁺-N200-1000mg/L，KHCO₃ 500mg/L，KH₂PO₄ 54mg/L，FeSO₄·7H₂O 9mg/L，EDTA5mg/L，CaCl₂ 4mg/L，MgSO₄·7H₂O 4mg/L，CoCl₂·6H₂O 1mg/L，NaCl 4mg/L；反应器运行参数为pH值7.4-7.6，反应器温度33-37℃，当进水NH₄ ⁺-N为200-400mg/L时，水力停留时间为2.3-7.2h；当进水NH₄ ⁺-N为400-1000mg/L时，水力停留时间为7.2-15.4h；每天监测反应器进水和出水的氨氮、亚硝氮、硝氮浓度，连续三天反应器出水的氨氮、亚硝氮、硝氮浓度的数据稳定且氨氮去除率达90％、总氮去除率达80％以上时，即通过增加进水浓度或增加流量的方式提高反应器负荷。