CN104058551B

CN104058551B - 一种节能高效的城市污水自养脱氮生物处理方法及装置

Info

Publication number: CN104058551B
Application number: CN201410149307.8A
Authority: CN
Inventors: 彭永臻; 苗圆圆; 马斌; 刘文龙; 王淑莹
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-04-12
Filing date: 2014-04-12
Publication date: 2015-12-30
Anticipated expiration: 2034-04-12
Also published as: CN104058551A

Abstract

一种节能高效的城市污水自养脱氮生物处理方法及装置，属于污水生物处理技术领域。装置设有城市污水原水水箱、生物除碳反应器、中间水箱和一体化自养脱氮反应器。生物除碳反应器主要用于去除污水中有机物，其剩余污泥可用于厌氧发酵产甲烷。一体化自养脱氮反应器中主要存在两种菌：以絮体形式存在的氨氧化菌和以生物膜形式存在的厌氧氨氧化菌。城市污水首先进入生物除碳反应器，通过活性污泥吸附作用将水中的大量有机物吸附至活性污泥，而后经过中间水箱进入一体化自养脱氮反应器，通过控制溶解氧浓度在0.5mg/L以下，实现短程硝化-厌氧氨氧化。本发明脱氮过程中采取低氧曝气，且无需投加外加碳源，节约能耗。另外，生物除碳反应器利用活性污泥吸附作用去除污水中有机物，使污水中有机物尽可能多的用于厌氧发酵产甲烷，实现了城市污水能量的高效回收。

Description

一种节能高效的城市污水自养脱氮生物处理方法及装置

技术领域

本发明涉及一种节能高效的城市污水自养脱氮生物处理方法及装置，属于污水生物处理技术领域。

背景技术

随着城市化进程的不断加快和环境保护要求的逐渐提高,城市污水处理厂数量越来越多,污水处理率也越来越高。但是污水处理属能耗密集型行业,高能耗一方面导致污水处理成本升高,在一定程度上加剧了我国当前的能源危机,另一方面高能耗造成的高处理成本,致使一些中小型污水处理厂难以正常运行,污水处理厂的减排效益得不到正常发挥。因此，经济高效的脱氮技术也随即成为环境工程界追逐的目标。

传统的脱氮工艺主要为是硝化－反硝化脱氮，且需要外加碳源(如甲醇)，这样不但增加了额外设施和处理成本，还会造成出水的COD升高，难以保证低碳源废水脱氮效率。因此，如何降低成本和提高总氮去除率成为处理低碳源污水所面临的主要问题。近年来，随着新的生物脱氮途径的发现，厌氧氨氧化技术作为高效低耗的生物脱氮工艺之一渐渐进入人们的视线，在实践应用方面也取得了相当的进展。与传统的硝化－反硝化工艺相比，半短程硝化－厌氧氨氧化城市污水一体化自养脱氮技术具有节省50％的氧耗和100％的外加碳源，且污泥产量少的优点。另外，由于厌氧氨氧化反应无需有机物，可使污水中有机物尽可能多的用于厌氧发酵产甲烷，从而大大提高了城市污水的能量回收率。

但由于厌氧氨氧化菌属于自养菌，细胞产率低，不容易在短时间内富集，且在反应器运行初期污泥容易流失，导致厌氧氨氧化菌的顺利富集和稳定运行较为困难。试验表明，新型生物膜技术可强化污泥持留和富集的能力，在系统内投加填料可一定程度上缩短厌氧氨氧化工艺的启动时间。

发明内容

本发明的目的就是针对现有城市污水处理能耗高、出水稳定性差的问题，提出了一种节能高效的城市污水自养脱氮生物处理方法及装置，该方法和装置首先将污水中的有机物通过生物吸附作用富集至污泥，再将该污泥进行厌氧发酵产甲烷以提高污水中能量回收率；而后，污水进入一体化自养脱氮反应器进行自养脱氮。该一体化自养脱氮反应器在悬浮污泥和生物膜上分别富集短程硝化菌和厌氧氨氧化菌，从而增强了厌氧氨氧化菌的持留富集能力，显著提高了系统的处理能力和运行稳定性。同时，合理的反应器结构和水力流态为反应器中主要富集的两种菌提供了适宜的生长环境，实现了城市污水一体化自养脱氮工艺的快速启动，并提高了系统的脱氮效率及工艺稳定性。

本发明的目的是通过以下解决方案来解决的：一种节能高效的城市污水自养脱氮生物处理装置,其特征在于，由城市污水原水水箱(1)、生物除碳反应器(2)、中间水箱(3)和一体化自养脱氮反应器(4)串联而成；

城市污水原水水箱(1)设有原水水箱溢流管(1.1)和原水水箱放空阀(1.2)；城市污水原水水箱(1)通过生物除碳反应器进水泵(1.3)与生物除碳反应器(2)相连；生物除碳反应器(2)设有生物除碳反应器空压机(2.1)、生物除碳反应器气体转子流量计(2.2)、生物除碳反应器黏砂块曝气头(2.3)、搅拌器(2.4)、生物除碳反应器pH和DO测定仪(2.5)、生物除碳反应器放空阀(2.6)和生物除碳反应器出水阀(2.7)；生物除碳反应器出水阀(2.7)通过出水管与中间水箱(3)相连；中间水箱(3)设有中间水箱溢流管(3.1)、中间水箱放空阀(3.2)；中间水箱(3)通过一体化反应器进水泵(3.3)与一体化自养脱氮反应器(4)进水阀相连；一体化自养脱氮反应器(4)设有一体化自养脱氮反应器空压机(4.1)、一体化自养脱氮反应器气体转子流量计(4.2)、一体化自养脱氮反应器黏砂块曝气头(4.3)、一体化自养脱氮反应器放空阀(4.4)、海绵填料(4.5)、一体化自养脱氮反应器pH和DO测定仪(4.6)及一体化自养脱氮反应器出水阀(4.7)；其中，海绵填料(4.5)为边长约为1.5cm的立方体物质，并固定在一体化自养脱氮反应器(4)中，其填充比为5％-10％。

城市污水在此装置中的处理流程为：城市污水进入城市污水原水水箱，通过进水泵将原水泵入生物除碳反应器，在此之前，该反应器进行好氧曝气10min以恢复活性污泥的吸附功能，污水进入生物除碳反应器后在好氧条件下利用活性污泥吸附作用将水中的有机物吸附至活性污泥，从而达到在污泥中富集有机物的目的；生物除碳反应器出水进入中间水箱，该中间水箱起到调节水质和水量的作用；除碳后污水经一体化反应器进水泵进入一体化自养脱氮反应器，控制溶解氧浓度在0.5mg/L以下，反应器中氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐的同时厌氧氨氧化菌利用氨氮和亚硝酸盐反应生成氮气。通过上述过程最终达到将有机物和氮污染物从污水中高效去除的目的。

利用上述装置进行节能高效的城市污水自养脱氮生物处理方法，其特征在于，具体启动与调控的步骤如下：

1)系统启动阶段：

生物除碳反应器(2)接种城市污水厂二沉池回流污泥，使得污泥浓度在2000-4000mg/L；一体化自养脱氮反应器(4)接种处理生活污水SBR反应器中稳定运行的短程硝化污泥，使得污泥浓度在2000-4000mg/L，并从稳定运行的高氨氮废水厌氧氨氧化反应器中内取适量的生物膜填料进行接种，生物膜填料填充比为5％-10％；接种的硝化污泥优选处理生活污水的中试规模SBR反应器中稳定运行的短程硝化污泥；

2)正常运行阶段：

①生物除碳反应器(2)运行方式为：生物除碳反应器(2)进水前厌氧搅拌10min，以恢复活性污泥的吸附能力，然后边搅拌边进水10min，再进行好氧曝气20-40min，在此过程中，主要通过活性污泥的吸附作用去除有机物；反应结束后沉淀30-40min，排水进入中间水箱，生物除碳反应器(2)溶解氧浓度控制在0.5-2mg/L，污泥龄控制在1-3天；

②一体化自养脱氮反应器(4)运行方式为：中间水箱(3)的水进入一体化自养脱氮反应器(4)，通过一体化自养脱氮反应器气体转子流量计调整曝气量，使一体化自养脱氮反应器溶解氧浓度控制在0.2-0.5mg/L，由于一体化自养脱氮反应器高径比较大，可通过曝气保证反应器中污泥处于充分悬浮状态，控制曝气时间使总氮低于15mg/L，之后开始沉淀，一体化自养脱氮反应器出水通过一体化自养脱氮反应器排出；一体化自养脱氮反应器水力停留时间为5-10h，优选6.7h。

进一步地，一体化自养脱氮反应器运行稳定后，根据出水中氨氮浓度及时调整曝气时间。例如，反应器出水氨氮浓度高于5mg/L,则适当增长系统曝气时间；同理，当反应器出水氨氮浓度低于5mg/L时，则应适当减少曝气时间，以避免反应过程中会出现过曝气现象，影响一体化自养脱氮反应器的稳定性。

本发明专利具有以下优势：

1)本发明将污水的除有机物和脱氮分别在两个独立的反应器内进行，有利于优势菌种的培养，避免了异养菌、氨氧化菌及厌氧氨氧化菌在溶解氧浓度和污泥龄上的矛盾，提高了各功能微生物的活性及相应的污染物去除效率。

2)本发明生物除碳反应器污泥龄较短(1-3d)，成功淘洗氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌，不能发生硝化作用，节省能源。同时，通过活性污泥吸附作用将污水中有机物去除，在污泥中尽可能多的富集有机物用于厌氧发酵产生能源物质甲烷，从而提高污水的能量回收率。

3)本发明通过向一体化自养脱氮反应器投加固定海绵填料，为氨氧化菌和厌氧氨氧化菌分别提供适宜的生长条件。利用溶解氧在絮体污泥中易于扩散、生物膜中存在溶解氧浓度梯度的特点，分别在絮体污泥和生物膜中富集氨氧化菌和厌氧氨氧化菌，避免了两种菌在溶解氧上的矛盾，保证了系统的稳定性。

4)本发明采用的一体化自养脱氮工艺以无机碳作为碳源，且厌氧氨氧化菌在代谢过程中无N2O生成，因此本工艺温室气体排放少。

5)本发明采用的城市污水一体化自养脱氮技术运行能耗低，操作简单。低氧一体化自养脱氮技术处理城市污水，可节省60％的曝气量，且完全无需外加碳源；采用高径比较大的SBR反应器，并将固定填料生物膜和悬浮污泥相结合，只需低氧曝气即可保证反应器中悬浮污泥有效混合，不需搅拌装置，有效降低了能耗，同时也提高了系统运行的稳定性。

综上所述，利用本发明处理城市污水，具有污水能量回收率高，操作简单，运行能耗低，产生温室气体少，系统处理效果稳定的优点。

附图说明

图1是城市污水一体化自养脱氮装置示意图。

图1中：1——城市污水原水水箱、2——生物除碳反应器、3——中间水箱、4——一体化自养脱氮反应器；1.1——原水水箱溢流管、1.2——原水水箱放空阀、1.3——生物除碳反应器进水泵、2.1——生物除碳反应器空压机、2.2——生物除碳反应器气体转子流量计、2.3——生物除碳反应器黏砂块曝气头、2.4——生物除碳反应器搅拌器、2.5——生物除碳反应器pH和DO测定仪、2.6——生物除碳反应器放空阀、2.7——生物除碳反应器出水阀、3.1——中间水箱溢流管、3.2——中间水箱放空阀、3.3——一体化反应器进水泵、4.1——一体化自养脱氮反应器空压机、4.2——一体化自养脱氮反应器气体转子流量计、4.3——一体化自养脱氮反应器黏砂块曝气头、4.4——一体化自养脱氮反应器放空阀、4.5——海绵填料、4.6——一体化自养脱氮反应器pH和DO测定仪、4.7——一体化自养脱氮反应器出水阀。

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，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

如图1所示，一种节能高效的城市污水自养脱氮生物处理装置由城市污水原水水箱1、生物除碳反应器2、中间水箱3和一体化自养脱氮反应器4串联而成；城市污水原水水箱1设有原水水箱溢流管1.1和原水水箱放空阀1.2；城市污水原水水箱1通过生物除碳反应器进水泵1.3与生物除碳反应器2进水管相连；生物除碳反应器2设有生物除碳反应器空压机2.1、生物除碳反应器气体转子流量计2.2、生物除碳反应器黏砂块曝气头2.3、生物除碳反应器搅拌器2.4、生物除碳反应器pH和DO测定仪2.5、生物除碳反应器放空阀2.6和生物除碳反应器出水阀2.7；生物除碳反应器出水阀2.7通过出水管与中间水箱3相连；中间水箱3设有中间水箱溢流管3.1、中间水箱放空阀3.2；中间水箱3通过一体化反应器进水泵3.3与一体化自养脱氮反应器4进水阀相连；一体化自养脱氮反应器4设有一体化自养脱氮反应器空压机4.1、一体化自养脱氮反应器气体转子流量计4.2、一体化自养脱氮反应器黏砂块曝气头4.3、一体化自养脱氮反应器放空阀4.4、海绵填料4.5、一体化自养脱氮反应器pH和DO测定仪4.6及一体化自养脱氮反应器出水阀4.7；其中，海绵填料4.5为边长约为1.5cm的立方体物质，并固定在一体化自养脱氮反应器4中，其填充比为5％-10％。

实验采用北京工业大学家属区生活污水作为原水，具体水质如下：COD浓度为120-230mg/L；NH⁺ ₄-N浓度58-87mg/L,NO^- ₂-N≤0.5mg/L，NO^- ₃-N≤0,5mg/L。实验系统如图1所示，各反应器均采用有机玻璃制成，生物除碳反应器总体积12L，其中有效体积为10L；一体化自养脱氮反应器总体积11L，其中有效体积为10L。

具体运行操作如下：

1)系统启动阶段：生物除碳反应器反应器接种城市污水厂二沉池回流污泥，使得污泥浓度在4000mg/L左右；一体化自养脱氮反应器接种处理生活污水的中试规模SBR反应器中稳定运行的短程污泥，使得污泥浓度为2500mg/L，并从稳定运行的高氨氮废水厌氧氨氧化反应器中内取适量的生物膜填料进行接种，生物膜填料填充比约为8％。

2)正常运行阶段：

①生物除碳反应器2运行方式为：反应器进水前厌氧搅拌10min，以恢复活性污泥的吸附能力，然后边搅拌边进水10min，进水量为5L。随后进行好氧曝气35min，在此过程中，主要通过活性污泥的吸附作用去除有机物。反应结束后沉淀30min，排水进入中间水箱。该反应器溶解氧浓度控制在0.5-2mg/L，污泥龄控制在1-3天。

②一体化自养脱氮反应器运行方式为：利用一体化反应器进水泵将5L中间水箱的水泵入一体化自养脱氮反应器，进水时间为5min，通过气体转子流量计调整曝气量，使反应器溶解氧浓度控制在0.2-0.5mg/L，由于反应器高径比较大(高径比为5.2)，可通过曝气保证反应器中污泥处于充分悬浮状态。曝气200min后静沉20-30min，最终通过排水阀排水5L。

实验结果表明，运行稳定后，生物除碳反应器出水COD浓度为45-65mg/L,NH⁺ ₄-N浓度为43-75mg/L,,NO^- ₂-N浓度为0.1-2mg/L，NO^- ₃-N浓度为0.1-1.5mg/L；一体化自养脱氮反应器出水COD浓度为40-60mg/L，NH⁺ ₄-N浓度为0.5-7.8mg/L,,NO^- ₂-N浓度为0-0.7mg/L，NO^- ₃-N浓度为3.3-7.8mg/L，出水TN低于15mg/L。

Claims

1.节能高效的城市污水自养脱氮生物处理方法，所用装置由城市污水原水水箱(1)、生物除碳反应器(2)、中间水箱(3)和一体化自养脱氮反应器(4)串联而成；

城市污水原水水箱(1)设有原水水箱溢流管(1.1)和原水水箱放空阀(1.2)；城市污水原水水箱(1)通过生物除碳反应器进水泵(1.3)与生物除碳反应器(2)相连；生物除碳反应器(2)设有生物除碳反应器空压机(2.1)、生物除碳反应器气体转子流量计(2.2)、生物除碳反应器黏砂块曝气头(2.3)、搅拌器(2.4)、生物除碳反应器pH和DO测定仪(2.5)、生物除碳反应器放空阀(2.6)和生物除碳反应器出水阀(2.7)；生物除碳反应器出水阀(2.7)通过出水管与中间水箱(3)相连；中间水箱(3)设有中间水箱溢流管(3.1)、中间水箱放空阀(3.2)；中间水箱(3)通过一体化反应器进水泵(3.3)与一体化自养脱氮反应器(4)进水阀相连；一体化自养脱氮反应器(4)设有一体化自养脱氮反应器空压机(4.1)、一体化自养脱氮反应器气体转子流量计(4.2)、一体化自养脱氮反应器黏砂块曝气头(4.3)、一体化自养脱氮反应器放空阀(4.4)、海绵填料(4.5)、一体化自养脱氮反应器pH和DO测定仪(4.6)及一体化自养脱氮反应器出水阀(4.7)；其中，海绵填料(4.5)为边长为1.5cm的立方体物质，并固定在一体化自养脱氮反应器(4)中，其填充比为5％-10％；

其特征在于，具体启动与调控的步骤包括如下：

1)系统启动阶段：

生物除碳反应器(2)接种城市污水厂二沉池回流污泥，使得污泥浓度在2000-4000mg/L；一体化自养脱氮反应器(4)接种处理生活污水SBR反应器中稳定运行的短程硝化污泥，使得污泥浓度在2000-4000mg/L，并从稳定运行的高氨氮废水厌氧氨氧化反应器中内取适量的生物膜填料进行接种，生物膜填料填充比为5％-10％；

2)正常运行阶段：

②一体化自养脱氮反应器(4)运行方式为：中间水箱(3)的水进入一体化自养脱氮反应器(4)，通过一体化自养脱氮反应器气体转子流量计调整曝气量，使一体化自养脱氮反应器溶解氧浓度控制在0.2-0.5mg/L，通过曝气保证反应器中污泥处于充分悬浮状态，控制曝气时间使总氮低于15mg/L，之后开始沉淀，一体化自养脱氮反应器出水通过一体化自养脱氮反应器排出；一体化自养脱氮反应器水力停留时间为5-10h。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于，一体化自养脱氮反应器接种的硝化污泥优选处理生活污水的中试规模SBR反应器中稳定运行的短程硝化污泥。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于，一体化自养脱氮反应器水力停留时间为6.7h。

4.按照权利要求1的方法，其特征在于，一体化自养脱氮反应器运行稳定后，根据出水中氨氮浓度及时调整曝气时间，反应器出水氨氮浓度高于5mg/L,则适当增长系统曝气时间；同理，当反应器出水氨氮浓度低于5mg/L时，则应适当减少曝气时间，以避免反应过程中会出现过曝气现象。