CN103922469B

CN103922469B - 一种半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中n2o产生的收集装置和方法

Info

Publication number: CN103922469B
Application number: CN201410137392.6A
Authority: CN
Inventors: 彭永臻; 刘越; 王淑莹; 李鹏章
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2014-04-08
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2034-04-08
Also published as: CN103922469A

Abstract

一种半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O产生的收集装置和方法，属于污水生物处理领域。装置包括顺序串联的原水水箱、去除有机物SBR反应器、第一调节水箱、半短程硝化SBR反应器、第二调节水箱和自养脱氮UASB反应器，气体收集系统和在线检测系统；三个反应器将不同污泥按污泥龄分开，避免了异养菌快速增殖对自养脱氮菌群的影响，硝化系统采用半短程硝化，保证了硝化系统的亚硝化率，为整个脱氮系统稳定性提供保障。将厌氧氨氧化菌作为自养脱氮菌群，节约了曝气量，并且无需投加外加碳源。本发明可以同时完成污水处理及温室气体收集采样，为使此项技术用于污水深度脱氮处理，实现高效低能耗及温室气体减排提供技术保障。

Description

一种半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N2O产生的收集装置和方法

技术领域

本发明所属的技术领域为：污水生物脱氮处理技术领域，具体涉及一种半短程硝化/厌氧氨氧化城市污水脱氮过程中N₂O产生的收集装置和方法，适用于半短程硝化/厌氧氨氧化城市污水脱氮过程中温室气体产生的研究。

背景技术

近年来温室气体对全球变暖的影响正日益得到人们的关注。温室气体主要包括二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亚氮（N₂O）、臭氧（O₃）等。作为一种主要的温室气体，N₂O的增温趋势是CO₂的310倍。研究表明，N₂O贡献了全球约6%的温室效应，并且它还是一种对臭氧层造成破坏的物质。许多学者认为污水生物脱氮处理过程是全球N₂O排放的一个重要人为来源，初步估计该过程每年排放的量约为0.13×10¹²～3×10¹²kg，占全球N₂O总排放量的2.5%～25%。污水生物脱氮过程作为全球N₂O产生的一个重要来源，其产生量不容忽视。

此前，污水处理厂多采用传统的生物脱氮工艺，其存在曝气时间长，处理效率不高，运行费用高等问题，因此，寻找一种高效低能耗的城市污水处理新工艺显得十分重要；厌氧氨氧化菌种的发现为改进传统的城市污水处理工艺提供了一个新的可能，通过半短程硝化与厌氧氨氧化自养脱氮过程的结合，使污水在处理过程中无需外加碳源，并可以节约60%左右的曝气；目前，厌氧氨氧化污水自养脱氮技术，已经成功应用于高氨氮废水处理，此外对低氨氮污水的自养脱氮处理工艺也有了一部分研究。

但在半短程硝化过程中，尤其是高氨氮废水的短程硝化过程中，可能会产生较多的N₂O，同时自养脱氮过程也可能会产生少量的N₂O。因此，研究半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O的产生机理和释放过程是十分必要，本发明就是为此类研究提供装置和方法。

发明内容

本发明的目的为，通过提供一种半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O产生的收集装置和方法，有效的解决气体收集过程与污水自养脱氮过程同时进行的问题，为研究半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O产生的机理和过程提供装置和方法。

本发明是通过以下技术手段实现的：

半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O产生的收集装置，该装置包括顺序串联的原水水箱1、去除有机物SBR反应器2，第一调节水箱3、半短程硝化SBR反应器4，第二调节水箱5、自养脱氮UASB反应器、在线检测系统8和气体收集装置。其中，所述原水水箱通过进水泵与除有机物SBR反应器相连；去除有机物SBR反应器出水排入第一调节水箱；第一调节水箱通过进水泵与半短程硝化SBR反应器相连；半短程硝化SBR反应器出水排入第二调节水箱；第一调节水箱与第二调节水箱通过底部超越管6相连，并配有蠕动泵调节流量；最终第二调节水箱中的污水进入自养脱氮UASB反应器。气体收集装置由反应器密封盖、收集管路组成；收集管路由干燥管、气体收集袋组成.

进一步地，所述去除有机物SBR反应器内有搅拌装置、曝气装置、出水管和出水阀门。

进一步地，所述半短程硝化SBR反应器内有搅拌装置、曝气装置、出水管、出水阀门和气体收集装置

进一步地，所述原水水箱、第一调节水箱和第二调节水箱均为封闭箱体，设有溢流管和放空管。

进一步地，所述自养脱氮UASB反应器内有三相分离器、排气管、溢流堰、辅助气体气瓶、分压表、气体流量计和出水管。

SBR反应器的密封盖由加药口、气体收集袋接入口、法兰盘、密封垫、螺丝、压力计量调节系统接入口、水封内套筒、水封外套筒和内套筒套封柱组成。加药口采用可更换的胶套密封。

UASB反应器密封盖由气体收集袋接入口、法兰盘、密封垫、螺丝、加药口组成。

利用上述装置，进行半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中产生N₂O的收集方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

去除有机物SBR反应器启动：将城市污水厂剩余污泥投加至去除有机物的SBR反应器中，使反应器内的污泥浓度MLSS=2500～6000mg/L；每周期曝气搅拌30-60min，溶解氧维持在2.5-3.5mg/L，沉淀排水，排水比为20～60%，当去除有机物SBR反应器内处理水的COD小于80mg/L，且硝化率小于5%时，完成去除有机物SBR反应器的启动；其出水排入第一调节水箱；

半短程硝化SBR反应器启动：将短程硝化污泥或城市污水厂剩余污泥投加至半短程硝化SBR反应器，控制反应器内污泥浓度为MLSS=2500-6000mg/L，每周期通过蠕动泵将污水从第一调节水箱抽入反应器中，曝气搅拌，控制反应器内溶解氧为0.5-2.0mg/L，曝气短程硝化1.5-3h，沉淀排水，排水比为20～60%，当半短程硝化SBR反应器处理水中的NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N=1:1～1:1.3时，完成半短程硝化SBR反应器的启动过程，其出水排入第二调节水箱；

自养脱氮UASB反应器启动：将厌氧氨氧化颗粒污泥或絮状污泥投入UASB反应器中，利用配水培养厌氧氨氧化菌，通过厌氧氨氧化作用将进水中的NH₄ ⁺-N与NO₂ ^--N转化为N₂排出系统，当ASBR反应器的处理出水中NH₄ ⁺-N浓度小于1mg/L或者NO₂ ^--N浓度小于1mg/L时，自养脱氮ASBR反应器启动调试完成；

三段反应器系统运行：三段反应器分别启动成功后，系统开始正式串联运行；首先，生活污水全部进入去除有机物SBR反应器，利用好氧曝气过程实现有机物的去除，处理后出水排入第一调节水箱；之后，半短程硝化SBR反应器将来自去除有机物SBR反应器中的出水进行半短程硝化，处理后出水排入第二调节水箱；最终污水进入自养脱氮UASB反应器进行厌氧氨氧化反应去除总氮。

半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中产生N₂O的收集：在三段反应器系统串联启动初期及稳定运行过程中，通过气体收集系统对半短程硝化SBR反应器及自养脱氮UASB反应器产生气体进行收集。

综上所述，本发明提供了一种半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O产生的收集装置和方法，本装置系统将异养菌、氨氧化菌与厌氧氨氧化菌在三个独立的系统中培养，有利于各系统的高效运行，保证了系统运行的稳定性；在污水自养脱氮反应过程，同时完成了污水高效处理和产生温室气体的收集过程，在降低能耗的同时，实现对温室气体产生的收集，便于此后优化反应条件，真正做到节能减排。

附图说明

图1为半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O产生的检测装置

图2为半短程硝化SBR反应器密封盖A-A剖面图

图3为半短程硝化SBR反应器密封盖B-B剖面图

图4为半短程硝化UASB反应器密封盖剖面图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示结构图，1为污水原水箱；2为去除有机物SBR反应器；3为第一调节水箱；4为半短程硝化SBR反应器；5为第二调节水箱；6为第二调节水箱氨氮与亚硝酸盐浓度泵；8为在线检测系统。其中，1.1为生活污水原水箱放空管，1.2为溢流管（第一调节水箱及第二调节水箱与污水原水箱结构相同）；2.1为进水泵，2.2为搅拌器，2.3为搅拌桨，2.4为加热棒，2.5为温度控制器，2.6胶结砂芯曝气头，2.7为气体流量计，2.8为曝气泵；半短程硝化SBR反应器4与去除有机物SBR相同，但加装了在线监测系统8，用以检测反应系统的pH和溶解氧，对半短程硝化过程中产生的气体进行收集，气体首先经过9.1干燥管进行干燥，此后收集入气体收集袋9.2中；自养脱氮UASB反应器，由辅助气体气瓶7.1、分压表7.2、三相分离器7.3、流量计7.4、出水管7.5、排气管7.6、溢流堰7.7、加热带7.8组成。

如图2、3所示结构图，SBR反应器密封盖位于反应器顶部，通过胶垫4.3与反应器相连，利用法兰盘4.2和螺母4.4固定，在反应器密封盖上设置加药口4.9、压力调节装置接入口4.1、气体收集管路接入口4.5，为确保反应器整体密封性，在反应器密封盖上设置水封，由水封外套筒4.6、水封内套筒4.7和内套筒套封柱4.8组成。

如图4所示结构图，UASB反应器密封盖位于反应器顶部，通过胶垫4.3与反应器相连，利用法兰盘4.2和螺母4.4固定，在反应器密封盖上设置加药口4.9、气体收集管路接入口4.5。

半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O产生的收集装置包括：顺序串联的原水水箱、去除有机物SBR反应器、第一调节水箱、半短程硝化SBR反应器、第二调节水箱、自养脱氮UASB反应器，另有在线检测系统和气体收集系统；去除有机物反应器内装有搅拌装置、曝气装置、出水管和出水阀门；半短程硝化SBR反应器内置有搅拌装置、曝气装置、出水管、出水阀门、在线检测系统和气体收集装置；原水水箱、第一调节水箱和第二调节水箱均为封闭箱体，设有溢流管和放空管；自养脱氮UASB反应器包括三相分离器、排气管、溢流堰、辅助气体气瓶、分压表、气体流量计、出水管和气体收集装置。

其中所述的原水水箱通过进水泵与去除有机物SBR反应器相连；去除有机物SBR反应器出水阀与第一调节水箱相连；第一调节水箱通过进水泵与半短程硝化SBR反应器相连；半短程硝化SBR反应器出水阀与第二调节水箱相连；第一调节水箱底部通过超越管与第二调节水箱相连并配有蠕动泵用以调节流量；最终第二调节水箱中的污水进行自养脱氮UASB反应器。在线检测系统和气体收集系统与半短程硝化SBR反应器及自养脱氮UASB相连；

污水在此装置中的处理流程为：污水首先进入去除有机物SBR反应器进行有机物的去除或吸附过程，此过程可将污水中的有机物富集至污泥中，此后可通过剩余污泥进行产甲烷发酵反应实现能量的回收，有机物去除反应完成后，出水排入第一调节水箱；半短程硝化SBR反应器的进水全部来自于第一调节水箱，在此反应器内活性污泥对污水进行半短程硝化过程，将水中的氨氮部分转化为亚硝酸盐，反应完成后出水排入第二调节水箱在上述反应过程中，利用在线检测系统对反应的pH和溶解氧进行监测；最终第二调节水箱内污水进入UASB反应器内进行厌氧氨氧化反应。

气体收集过程：在半短程硝化及厌氧氨氧化反应过程中，利用气体收集系统对反应过程中产生的气体进行收集。在半短程硝化SBR反应器中，由于反应需要，曝气量较大，此时宜使用较大体积的采样袋对产生气体进行收集；在自养脱氮UASB反应器中，因为产生气体较少，此时通入少量辅助气体，保证反应器密封性的同时保持系统厌氧状态，使反应顺利进，此时宜使用较小体积的采样袋进行气体收集。

污水的具体处理及N₂O的收集方法包括以下步骤：

去除有机物SBR反应器启动：将城市污水厂剩余污泥投加至去除有机物的SBR反应器中，使反应器内的污泥浓度MLSS=2500～6000mg/L；每周期曝气搅拌30-60min，溶解氧维持在2.5-3.5mg/L，沉淀排水，排水比为20～60%，当去除有机物SBR反应器内处理水的COD小于80mg/L，且硝化率小于5%时，完成去除有机物SBR反应器的启动；其出水进入第一调节水箱；

半短程硝化SBR反应器启动：将短程硝化污泥或城市污水厂剩余污泥投加至半短程硝化SBR反应器，控制反应器内污泥浓度为MLSS=2500-6000mg/L，每周期通过蠕动泵将污水从第一调节水箱抽入反应器中，曝气搅拌，控制反应器内溶解氧为0.5-2.0mg/L，曝气短程硝化1.5-3h，沉淀排水，排水比为20～60%，当半短程硝化SBR反应器处理水中的NH₄ ⁺-N：NO₂ ^-N=1:1～1:1.3时，完成半短程硝化SBR反应器的启动过程，其出水进入第二调节水箱；

自养脱氮UASB反应器启动：将厌氧氨氧化颗粒污泥或絮状污泥投入UASB反应器中，通过厌氧氨氧化作用将进水中的NH₄ ⁺-N与NO₂ ^--N转化为N₂排出系统，当UASB反应器的处理出水中NH₄ ⁺-N浓度小于1mg/L或者NO₂—N浓度小于1mg/L时，自养脱氮UASB反应器启动调试完成；

三段反应器系统运行：三段反应器分别启动成功后，系统开始正式串联运行；首先，生活污水全部进入去除有机物SBR反应器，利用好氧曝气过程实现有机物的去除，处理后出水排入第一调节水箱；之后，半短程硝化SBR反应器将来自去除有机物SBR反应器中的出水进行半短程硝化，处理后出水排入第二调节水箱；最终污水进入自养脱氮UASB反应器进行厌氧氨氧化反应去除总氮，从而达到将氮从污水中脱去的目的。

半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中产生N₂O的收集：在三段反应器系统串联启动初期及稳定运行过程中，通过气体收集系统对半短程硝化SBR反应器及自养脱氮UASB反应器产生气体进行收集，可以为此后研究整个半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O的产生情况提供基础。

实施例：

以北京某大学家属区生活污水为具体试验用水，其水质特征如下：COD190mg/L～280mg/L；NH₄ ⁺-N50mg/L～89mg/L；NO₂ ^--N<1mg/L；NO₃ ^--N0.12mg/L～1.0mg/L。试验反应系统如图1所示，其中去除有机物SBR反应器、半短程硝化SBR反应器的有效容积均为10L，自养脱氮UASB反应器采用有机玻璃制成，反应区内径为6cm，有效容积为1.5L。

具体运行操作步骤如下：

1）去除有机物SBR反应器启动：将城市污水厂剩余污泥投加至去除有机物SBR反应器，使反应器内的污泥浓度MLSS=4000-5000mg/L；每周期曝气搅拌20min，溶解氧维持在3.5mg/L，沉淀排水，排水比为40%。每天运行8个周期，并按所需污泥浓度排泥。污泥级3周驯化后，去除有机物SBR反应器处理水达到COD<90mg/L，且硝化率<3%，完成SBR去除有机物反应器的启动；将出水排入第一调节水箱。

2）半短程硝化SBR反应器启动：将短程硝化污泥投加至半短程硝化SBR反应器，控制反应器内污泥浓度为MLSS=3500-4500mg/L，每个周期曝气搅拌1.5至2.5h，控制反应器内溶解氧浓度恒定为2mg/L，沉淀排水，排水比为60%，系统污泥龄为15d。通过不断的排泥将NOB淘洗出反应器，经过30天的驯化，半短程硝化SBR反应器处理出水为NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N=1:1～1:1.3，完成半短程硝化SBR反应器的启动，将出水排入第二调节水箱。

3）自养脱氮UASB反应器启动：采用人工配水来培养厌氧氨氧化污泥，控制第二调节水箱内NH₄ ⁺-N浓度为30mg/L，NO₂ ^-N浓度为39mg/L，添加微生物生长必须的微量元素；将厌氧氨氧化颗粒污泥及絮状污泥投入UASB反应器，启动进行泵，通过40d的污泥驯化，系统成功启动，厌氧氨氧化作用将进水中的NH₄ ⁺-N和NO₂ ^-N转化为N₂排出系统，UASB反应器处理出水NH₄ ⁺-N浓度<1mg/L或NO₂ ^--N浓度<1mg/L。

4）系统运行调试：

三段反反应器分别启动成功后，系统开始正式运行，去除有机物SBR反应器将处理后污水排入第一调节水箱，半短程硝化SBR反应器将半短程硝化后污水排入第二调节水箱，最终污水进入UASB反应器，进行厌氧氨氧化反应，其中当半短程反应器出水中NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N的浓度比例不在1：1～1:1.3范围内时，可通过蠕动泵6进行调节。

5）半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中产生N₂O的收集：在三段反应器系统串联启动初期及稳定进行时，对半短程硝化SBR反应器及自养脱氮UASB反应器产生气体进行收集。

试验结果表明：运行稳定后，自养脱氮反应器UASB最大氮去除速率约为11kgN/m³·d，处理水COD为35-50mg/L，NH₄ ⁺-N<3mg/L，NO₂ ^--N<1mg/L，N₂O产生量约占进水氨氮的5%。

本发明半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O产生的检测装置及方法可广泛用于城市污水及其他低氨氮有机工业废水的处理及温室气体产生的检测。

以上对本发明所提供的半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O产生检测装置及方法进行了详细的介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。

Claims

1.半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中N₂O产生的收集方法，应用如下装置，该装置包括顺序串联的原水水箱、去除有机物SBR反应器、第一调节水箱、半短程硝化SBR反应器、第二调节水箱、自养脱氮UASB反应器，另有在线检测系统及气体收集装置；在线检测系统和气体收集装置与半短程硝化SBR反应器及自养脱氮UASB反应器相连；其中，所述原水水箱通过进水泵与去除有机物SBR反应器相连；去除有机物SBR反应器出水排入第一调节水箱；第一调节水箱通过进水泵与半短程硝化SBR反应器相连；半短程硝化SBR反应器出水排入第二调节水箱；第一调节水箱与第二调节水箱通过底部的超越管相连并利用蠕动泵调节流量；最终第二调节水箱中的污水进入自养脱氮UASB反应器；

所述的去除有机物SBR反应器内置有搅拌装置、曝气装置、出水管和出水阀门；

所述的半短程硝化SBR反应器内置有搅拌装置、曝气装置、出水管、出水阀门和气体收集装置；

所述的自养脱氮UASB反应器包括三相分离器、辅助气体气瓶、分压表、气体流量计、出水管、排气管、溢流堰和气体收集装置；

所述的原水水箱为封闭箱体，设有溢流管和放空管；

所述的第一调节水箱为封闭箱体，设有溢流管和放空管；

所述的第二调节水箱为封闭箱体，设有溢流管和放空管；

其特征在于，所述收集方法包括：

去除有机物SBR反应器启动：将城市污水厂剩余污泥投加至去除有机物SBR反应器中，使反应器内的污泥浓度MLSS＝2500～6000mg/L；每周期曝气搅拌30-60min，溶解氧维持在2.5-3.5mg/L，沉淀排水，排水比为20～60％，当去除有机物SBR反应器内处理水的COD小于80mg/L，且硝化率小于5％时，完成去除有机物SBR反应器的启动；

半短程硝化SBR反应器启动：将短程硝化污泥或城市污水厂剩余污泥投加至半短程硝化SBR反应器，控制反应器内污泥浓度为MLSS＝2500-6000mg/L，每周期通过蠕动泵将污水从第一调节水箱抽入反应器中，曝气搅拌，控制反应器内溶解氧为0.5-2.0mg/L，曝气短程硝化1.5-3h，沉淀排水，排水比为20～60％，当半短程硝化SBR反应器出水中的NH₄ ⁺-N：NO₂ ^--N＝1:1～1:1.3时，完成半短程硝化SBR反应器的启动过程，其出水进入第二调节水箱；

自养脱氮UASB反应器启动：将厌氧氨氧化颗粒污泥或絮状污泥投入自养脱氮UASB反应器中，通过厌氧氨氧化作用将进水中的NH₄ ⁺-N与NO₂ ^--N转化为N₂排出系统，当自养脱氮UASB反应器的出水中NH₄ ⁺-N浓度小于1mg/L或者NO₂ ^--N浓度小于1mg/L时，自养脱氮UASB反应器启动调试完成；

三段反应器系统运行：三段反应器分别启动成功后，系统开始正式串联运行；首先，生活污水全部进入去除有机物SBR反应器，利用好氧曝气过程实现有机物的去除，反应后出水排入第一调节水箱；之后，半短程硝化SBR反应器将来自去除有机物SBR反应器中的出水进行半短程硝化，处理后出水排入第二调节水箱；最终污水进入自养脱氮UASB反应器进行厌氧氨氧化反应去除总氮；

半短程硝化/厌氧氨氧化污水脱氮过程中产生N₂O的收集：在三段反应器系统串联启动初期及稳定进行时，对半短程硝化SBR反应器及自养脱氮UASB反应器产生气体进行收集。