CN103739086B

CN103739086B - 一种实现污泥消化液短程硝化过程中n2o产生与利用的方法

Info

Publication number: CN103739086B
Application number: CN201310743142.2A
Authority: CN
Inventors: 王淑莹; 委燕; 彭永臻; 马斌; 李夕耀
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-12-28
Filing date: 2013-12-28
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2033-12-28
Also published as: CN103739086A

Abstract

本发明公开了一种实现污泥消化液短程硝化过程中N₂O产生与利用的方法。该方法所用装置包括污泥消化液水箱、进水泵、短程硝化产N₂O反应器等。所述短程硝化产N₂O反应器为密封性SBR反应器，设有密封盖、N₂O收集管、曝气头、DO探头和pH探头。所述方法是通过接种短程硝化颗粒污泥，调控运行条件强化污泥消化液短程硝化过程中N₂O的积累；随后收集反应器上部气体作为甲烷燃烧的氧化剂，来提高产能。此方法可减少污泥消化液短程硝化处理过程中N₂O的释放量，同时还可提高污水厂的产能。

Description

一种实现污泥消化液短程硝化过程中N2O产生与利用的方法

技术领域

本发明涉及一种实现污泥消化液短程硝化过程中N₂O产生与利用的方法，属于污水生物处理技术领域。

背景技术

目前为了降低高氨氮废水如污泥消化液（300-1000mg/L）处理费用，通常采用短程硝化反硝化或者短程硝化—厌氧氨氧化工艺对其进行处理。短程硝化具有以下优点：(1)与亚硝酸盐氧化菌（NOB）相比，氨氧化菌（AOB）世代周期短，从而可减少反应器容积，节省基建投资，和普通的反应器相比容积可减少30%～40%；(2)硝化阶段需氧量可以减少25%，节省曝气费用；(3)反硝化阶段所需碳源减少40%，反硝化率提高60%左右；(4)短程硝化反硝化过程在硝化过程中可减少24%～33%的污泥产量，在反硝化过程中可减少50%的污泥产量，有利于减轻后续污泥处理的负荷。但近年来研究表明：污泥消化液处理过程中会有温室气体N₂O释放,尤其是程硝化反应器中N₂O释放较多。在实际污水处理厂中由AOB氧化氨氮的过程中产生的N₂O占进水氮负荷的1.7-6.6%。

N₂O作为一种温室气体，虽然其排放量只占总温室气体释放量的0.03%，但是N₂O的增温潜势高达CO₂的310倍。此外，N₂O会与氧气反应导致臭氧层破坏，且其在平流层中得停留时间达到120年。研究表明，2003-2009年间我国生活污水处理过程中排放的N₂O占主要污水处理部门温室气体总排放的50%以上，是主要温室气体排放源。据估算，2005至2020年间污水处理厂N₂O排放量占全球N₂O释放量的比例将上升13%。

N₂O除了是温室气体外，同时还可作为氧化剂氧化甲烷产生能量（式1）。城市污水处理厂中通过污泥发酵产甲烷实现能量的回收利用，此过程中甲烷氧化是利用空气中的氧作为氧化剂（式2），若能以N₂O代替氧作为氧化剂氧化甲烷则可使产能增加329KJ/mol。基于上述分析，本专利通过调控污泥消化液处理工艺强化N₂O的产生，而后将其收集用于氧化甲烷，提高产能；同时也减少了污泥消化液处理过程中温室气体N₂O的排放，因为在此过程中N₂O被还原为N₂。

CH₄+4N₂O→CO₂+2H₂O+4N₂,△H^O _R=-1219KJ/mol（1）

CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O+4N₂,△H^O _R=-890KJ/mol（2）

发明内容：

本发明目的是为了解决上述污泥消化液短程硝化过程温室气体N₂O的释放问题，提出的一种实现污泥消化液短程硝化过程中N₂O产生与利用的方法。该发明通过利用短程硝化颗粒污泥处理污泥消化液稳定实现短程硝化，同时调控运行条件，强化短程硝化过程中N₂O的产生，从而为N₂O氧化甲烷提高污水厂产能提供基础。本发明改变了传统N₂O控制减排的思路，从强化脱氮过程中N₂O的产生来入手，而后再用于甲烷氧化产生N₂，从而逆向解决了N₂O排放的问题；与此同时还提高了污水厂甲烷燃烧发电过程产生的能量。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种实现污泥消化液短程硝化过程中N₂O产生与利用的方法所用的装置特征在于：污泥消化液水箱1、进水泵2、短程硝化产N₂O反应器3、空压机4；所述污泥消化液水箱1为一开口箱体，设有放空管1.1和溢流管1.2；所述短程硝化产N₂O反应器3为一密封型SBR，反应器顶部设有密封盖3.10和N₂O收集管3.11，反应器器壁上设有取样口兼排泥口3.9、出水管3.2、DO探头3.6和pH探头3.8，溶氧仪3.5和pH计3.7分别连接相对应的探头，反应器底部设有放空管3.1；曝气系统由空压机4、气体流量计4.1和曝气头4.2组成；短程消化液原水水箱1通过进水泵2与短程硝化产N₂O反应器3相连接，碳酸钠溶液容器3.3通过碳酸钠溶液加入泵3.4与短程硝化产N₂O反应器3相连接。

在本发明的装置中，强化污泥消化液短程硝化过程中N₂O产生与利用的方法的流程如下：首先通过进水泵将污泥消化液输送至反应器，而后启动空压机进行曝气，将氨氮氧化为亚硝酸盐，同时产生N₂O；通过在线检测pH和DO，投加碳酸钠溶液补充碱度来控制曝气过程中pH。通过反应器上部的N₂O收集管将含N₂O的气体进行收集，并输送至甲烷燃烧发电机组，将N₂O还原为N₂，最终实现N₂O减排，同时提高甲烷燃烧过程的产能。

实现污泥消化液短程硝化过程中N₂O产生与利用的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）启动系统：首先取短程硝化颗粒污泥，加入到短程硝化产N₂O反应器中，投加后活性污泥浓度MLVSS为4000-6000mg/L；

2）运行时调节操作如下：

（1）短程硝化产N₂O反应器以间歇方式运行，运行时序依次为：进水、曝气、沉淀、排水、闲置，系统污泥龄为40-50d；

（2）进水阶段不曝气，进水时间为2-5min，进水体积为反应器容积的20%-50%；

（3）曝气阶段开始时调整曝气量使溶解氧浓度为4.0-5.0mg/L，而后保持曝气量不变；当溶解氧浓度上升至8.0mg/L时结束曝气；上述曝气过程中通过投加碳酸钠溶液补充碱度，从而控制pH为7.0-8.0；

（4）沉淀时间为10-30min；

（5）排水体积为反应器容积的20%-50%；

（6）闲置时间为30-60min。

技术原理：

一种实现污泥消化液短程硝化过程中N₂O产生与利用的技术原理是：污泥消化液氨氮浓度较高（300-1000mg/L），其硝化过程前期较高游离氨（FA）浓度可抑制亚硝酸盐氧化菌（NOB）的生长，而对氨氧化菌（AOB）的影响较小，从而实现稳定的亚硝酸盐积累，使得亚硝酸盐氮浓度较高。已有研究表明高亚硝酸盐浓度会抑制N₂O还原酶活性，导致反应过程中N₂O出现积累。同时在高DO条件下，AOB首先在短程硝化颗粒污泥表面大量消耗DO氧化高浓度氨氮为亚硝酸盐，导致颗粒内部缺氧形成微观缺氧环境，然后AOB将会反硝化部分高浓度亚硝酸盐为N₂O，这是因为AOB中无N₂O还原酶。综上，在高亚硝酸盐浓度和高DO的条件下，可达到污泥消化液短程硝化过程中N₂O积累的目的。基于N₂O氧化甲烷的产能大于氧气作为氧化剂氧化甲烷的产能的事实，将上述过程收集的N₂O去氧化甲烷，从而达到提高甲烷氧化过程的产能，同时减少温室气体N₂O的排放。

本发明公开的一种实现污水处理过程中N₂O产生的方法与传统污水生物脱氮工艺相比，具有如下优点：

1、节省运行费用：只需将氨氮氧化至亚硝酸盐，而无需继续氧化至硝酸盐，因此可使需氧量降低25%；

2、提高污水处理厂产能：N₂O替代氧气作为氧化剂氧化甲烷，可使单位甲烷燃烧产能增加37%。

3、减少温室气体排放：N₂O在氧化甲烷的过程中被氧化为N₂，从而可减少N₂O排放。

4、改善污水厂的周边生活环境：生物反应器是密闭的，可有效控制臭味的扩散。

附图说明：

图1为本发明一种实现污泥消化液短程硝化过程中N₂O产生与利用的方法的装置的结构示意图。

图中1为污泥消化液水箱，1.1为放空管，1.2为溢流管，1.3阀门；2为进水泵；3为短程硝化产N₂O反应器，3.1为放空管，3.2为出水管；3.3为碳酸钠溶液容器；3.4为碳酸钠溶液容器加入泵；3.5为溶氧仪；3.6为DO探头；3.7为pH计；3.8为pH探头；3.9为取样口兼排泥口；3.10为密封盖；3.11为N₂O收集管；4为空压机，4.1为气体流量计；4.2为曝气头。

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：如图所示，一种实现污泥消化液短程硝化过程中N₂O的产生与利用的方法所用的装置特征在于：污泥消化液水箱1、进水泵2、短程硝化产N₂O反应器3、空压机4；所述污泥消化液水箱1为一开口箱体，设有放空管1.1和溢流管1.2；所述短程硝化产N₂O反应器3为一密封型SBR，反应器顶部设有密封盖3.10和N₂O收集管3.11，反应器器壁上设有取样口兼排泥口3.9、出水管3.2、DO探头3.6和pH探头3.8，溶氧仪3.5和pH计3.7分别连接相对应的探头，反应器底部设有放空管3.1；曝气系统由空压机4、气体流量计4.1和曝气头4.2组成；短程消化液原水水箱1通过进水泵2与短程硝化产N₂O反应器3相连接，碳酸钠溶液容器3.3通过碳酸钠溶液加入泵3.4与短程硝化产N₂O反应器3相连接。

具体试验用水取自北京某城市污水厂消化污泥脱水液，其水质如下：COD为120-270mg/L；NH⁺ ₄-N为300-400mg/L，NO^- ₂-N≤1.5mg/L，NO^- ₃-N在检测限以下，碱度为1000-1600mg/L，pH为7.0-7.8。试验系统如图1所示，主要有污泥消化液水箱和短程硝化产N₂O反应器，其中短程硝化产N₂O反应器有效容积为10L。

具体操作方法如下：

2）运行时调节操作如下：

（4）沉淀时间为10-30min；

（5）排水体积为反应器容积的20%-50%；

（6）闲置时间为30-60min。

试验结果表明：运行稳定后，反应器出水NH₄ ⁺-N浓度为30-50mg/L，出水COD为40-60mg/L，出水亚硝酸盐积累率为70-90%。短程硝化过程中N₂O释放量占NH₄ ⁺-N氧化量的15-30%，实现了强化短程硝化过程中N₂O产生的目的。

Claims

1.一种实现污泥消化液短程硝化过程中N₂O产生与利用的方法，其特征在于所用装置：包括污泥消化液水箱(1)、进水泵(2)、短程硝化产N₂O反应器(3)和空压机(4)；所述污泥消化液水箱(1)为一开口箱体，设有放空管(1.1)和溢流管(1.2)；所述短程硝化产N₂O反应器(3)为一密封型SBR，反应器顶部设有密封盖(3.10)和N₂O收集管(3.11)，反应器器壁上设有取样口兼排泥口(3.9)、出水管(3.2)、DO探头(3.6)和pH探头(3.8)，溶氧仪(3.5)和pH计(3.7)分别连接相对应的探头，反应器底部设有放空管(3.1)；曝气系统由空压机(4)、气体流量计(4.1)和曝气头(4.2)组成；污泥消化液水箱(1)通过进水泵(2)与短程硝化产N₂O反应器(3)相连接，碳酸钠溶液容器(3.3)通过碳酸钠溶液加入泵(3.4)与短程硝化产N₂O反应器(3)相连接；

包括以下步骤：

1)启动系统：首先取短程硝化颗粒污泥，加入到短程硝化产N₂O反应器中，投加后活性污泥浓度MLVSS为4000-6000mg/L；

2)运行时调节操作如下：

(1)短程硝化产N₂O反应器以间歇方式运行，运行时序依次为：进水、曝气、沉淀、排水、闲置，系统污泥龄为40-50d；

(2)进水阶段不曝气，进水时间为2-5min，进水体积为反应器容积的20％-50％；

(3)曝气阶段开始时调整曝气量使溶解氧浓度为4.0-5.0mg/L，而后保持曝气量不变；当溶解氧浓度上升至8.0mg/L时结束曝气；上述曝气过程中通过投加碳酸钠溶液补充碱度，从而控制pH为7.0-8.0；

(4)沉淀时间为10-30min；

(5)排水体积为反应器容积的20％-50％；

(6)闲置时间为30-60min。