CN104193093B - 一种污水自养脱氮处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污水自养脱氮处理方法及装置，将污水引入预脱硝反应器除溶解氧；其出水一部分引入短程硝化反应器将NH₄ ⁺‑N转化为NO₂ ^‑‑N；另一部分出水和短程硝化反应器的出水同时引入厌氧氨氧化反应器中进行厌氧氨氧化去氮素；厌氧氨氧化反应器出水一部分外排，另一部分回流至预脱硝反应器进一步除氮。本发明通过结合短程硝化反应器与厌氧氨氧化反应器处理城市污水，为低氨氮污水处理提供了一套高效、低耗、低成本、稳定的污水处理装置，出水水质远远优于国家一级A标准要求。

Description

一种污水自养脱氮处理方法 及装置

技术领域

本发明涉及一种污水自养脱氮处理方法及装置。

背景技术

随着经济的快速发展、城镇化建设的不断扩大，水环境污染态势加剧，水环境质量恶化严重影响人们的正常生活。随着城市排水管网覆盖率、污水收集率的日益提高，提高城市污水处理厂出水水质成为当前急需解决的问题。现有城市污水处理厂对于污水中氮的去除仍以传统的全程生物硝化/反硝化为主，存在效率低、能耗物耗高、剩余污泥量大等缺点；且随着人们生活水平的提高，污水中C/N的比例愈来愈低，污水中可利用碳源难以满足生物脱氮的需求，为取得满意的出水效果必然依赖于外加碳源，相应大大提高了污水处理成本。目前，随着对氮转化途径认识的深入，研究者们提出了一些新的生物脱氮理论，如短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等，相比传统生物脱氮而言，短程硝化仅需将氨氮氧化至亚硝酸盐状态，节省了对氧的需求量、降低了能耗；而厌氧氨氧化为自养微生物脱氮过程，与传统的生物脱氮工艺相比，它仅需将污水中的部分氨氮氧化至亚硝态氮，而后分别以氨氮和亚硝态氮为电子供体和受体完成氮的去除（NH₄ ⁺+1.32NO₂ ^-→1.02N₂+0.26NO₃ ^-），该技术具有不需要外加有机碳源、污泥产量少、不需曝气、节省运行费用、不需要酸碱中和剂、无二次污染等优点。因此，短程硝化-厌氧氨氧化技术自发现之初便备受青睐，随着污水处理领域对高效低耗工艺的需求，该技术越来越受到人们的关注。

当前实现短程硝化-厌氧氨氧化脱氮的主要工艺方法有：CN103172175A公开了一种同步短程硝化与生物膜式厌氧氨氧化的方法及装置，该方法通过设置同步短程硝化与生物膜式厌氧氨氧化、反应器、沉淀池；污水进入同步短程硝化与生物膜式厌氧氨氧化反应器，反应器内先投加短程硝化污泥，并控制反应器温度在30～34℃，溶解氧0.9~1.4mg/L ；在出水亚硝酸盐累积率 >70% 时，加入厌氧氨氧化污泥填料，然后减小溶解氧，使得溶解氧浓度为0.5~0.8mg/L；反应器出水进入沉淀池，经沉淀后出水，实现污水脱氮。该方法的处理对象氨氮浓度为250~450mg/L，并且该方法中亚硝化的实现是通过接种短程硝化污泥的手段，而后再进行厌氧氨氧化，其处理后出水氨氮<50mg/L。

CN1927739A公开了一种短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮运行方式及装置，通过实时控制反应容器内污水的温度和高频率曝气-缺氧交替的限制性曝气方式抑制亚硝酸盐氧化菌和反硝化菌的生长，实现了短程硝化和厌氧氨氧化的快速启动；该方法主要是建立氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌的共生，通过限制性曝气方式，实现污水中氮的去除。该装置处理对象为氨氮浓度215～498.5mg/L的高氨废水，且其处理后出水中的氨氮浓度为28mg/L，处理后的出水仍含有较高浓度的氨氮。

CN102557356A公布了一种半短程硝化/厌氧氨氧化城市污水脱氮除磷工艺和方法，其包括顺序串联的原水水箱、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。为去除污水中的有机物，该方法在工艺的前端专门设置了除有机物SBR反应器；此外，该方法通过控制半短程硝化反应器内NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N的比例为厌氧氨氧化菌提供所需基质，对于自控水平要求较高。

通过以上现有工艺方法可以发现：当前采用短程硝化/厌氧氨氧化工艺进行污水脱氮主要集中于高氨氮废水，对于低碳氮比的生活污水缺乏研究；且运行控制过程相对复杂、实际操作难度较大，不利于厌氧氨氧化反应的顺利进行；此外，对于厌氧氨氧化器出水中的硝态氮也没有采取进一步处理的措施。

因此，急需研发一套适宜低碳氮比的城市生活污水高效自养脱氮工艺及装置，为城市污水处理工艺的降耗、减排提供新的思路。

发明内容

为解决现有城市污水处理技术面临的困境、提高污水处理工艺的出水水质、降低污水处理能耗及处理成本，提出了一种污水自养脱氮处理方法及装置。

本发明的目的在于提供一种污水自养脱氮处理装置。

本发明的另一目的在于提供一种污水自养脱氮处理方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种污水自养脱氮处理装置，包括预脱硝反应器、短程硝化反应器、调节池、厌氧氨氧化反应器；所述预脱硝反应器、短程硝化反应器、调节池、厌氧氨氧化反应器通过进水主管路依次连接，所述预脱硝反应器与调节池之间设有可将预脱硝反应器的出水导入调节池的进水支路，所述厌氧氨氧化反应器与预脱硝反应器之间设有可将厌氧氨氧化反应器的出水回流至预脱硝反应器的回流管路。

进一步的，上述预脱硝反应器设置有进水管、回流管和第一放空管。

进一步的，上述短程硝化反应器设置有pH值测定仪、温度控制仪、搅拌设施、DO测定仪、风机及气体流量计、曝气设施和第二放空管。

进一步的，上述厌氧氨氧化反应器设置有第三放空管、回流管和出水管。

一种污水自养脱氮处理方法，包括以下步骤：

1）预脱硝处理：将预处理之后的污水（污水总量记为Q）引入预脱硝反应器，同时将厌氧氨氧化反应器部分出水回流至该预脱硝反应器中，二者混匀，预脱硝反应器中的反硝化菌利用污水中固有碳源对回流液中的硝态氮进行反硝化去除，同时也能去除污水中携带的溶解氧；

2）短程硝化处理：将上述预脱硝反应器中的出水分为二部分，第一部分出水（污水量记为q₁）引入短程硝化反应器中，短程硝化反应器采用间歇曝气运行方式，曝气阶段溶解氧DO为0.8～1.2mg/L、水力停留时间HRT为8～14h、污水温度为28±2℃，将污水中的氨氮控制在亚硝化阶段，即将NH₄ ⁺-N转化为NO₂ ^--N；

3）厌氧氨氧化处理：将上述预脱硝反应器中的第二部分出水（污水量记为q₂）和短程硝化反应器中的出水同时引入厌氧氨氧化反应器中，使预脱硝反应器出水中的NH₄ ⁺-N和短程硝化反应器出水中的NO₂ ^--N在厌氧氨氧化菌的作用下，转化为氮气，实现氮素的去除；

4）排水：经厌氧氨氧化反应器处理后的出水外排；同时，可根据进水水质的波动和出水水质的要求，将部分出水回流至预脱硝反应器进一步除氮。

进一步的，上述步骤3）中所述的预脱硝反应器中的第二部分出水（污水量记为q₂）和短程硝化反应器中的出水先引入调节池混匀后，再引入厌氧氨氧化反应器进行厌氧氨氧化反应。

进一步的，上述污水量q₁为0.5~0.7Q，污水量q₂的为0.3~0.5Q。

进一步的，上述污水自养脱氮处理方法所处理的污水水质指标为：CODcr为150~250mg/L，氨氮NH₄ ⁺-N为20~30mg/L，总氮TN为25~40mg/L，pH为7.0~7.6。

本发明的有益效果是：

1）本发明通过短程硝化与厌氧氨氧化技术结合处理城市污水，为低氨氮废水处理提供了一套高效、低耗、低成本的污水处理工艺。

2）本发明的污水自养脱氮处理方法和装置，主要以城市污水等低氨氮废水作为处理对象，通过对预脱硝、短程硝化、厌氧氨氧化技术的耦合，将自养脱氮技术应用于城市生活污水处理之中，在提高出水水质的同时降低处理成本。该方法通过设置预脱硝区，消除了污水中的碳和溶解氧对氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的不利影响；并且将厌氧氨氧化反应之后的污水回流，在充分利用污水中固有碳源进行异养脱氮的同时，进一步提高了系统脱氮及除污效能；此外，本发明方法仅对部分污水进行短程硝化，实现灵活控制的同时，减小了短程硝化反应器的池容、降低了工程投资及运行成本。

3）本发明在短程硝化-厌氧氨氧化之前增设一预脱硝反应器，并将厌氧氨氧化反应器的部分出水回流至预脱硝反应器，一方面，可以将预处理后污水携带的溶解氧和碳源在该反应器内消耗掉，消除其直接进入短程硝化反应器和厌氧氨氧化反应器对氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的不利影响；另一方面，经厌氧氨氧化反应之后的污水中仍含有部分硝态氮，本发明将厌氧氨氧化反应器的部分出水回流至预脱硝反应器，可以在此充分利用原污水中含有的碳源进行异养脱氮，进一步提高了系统的脱氮效能；此外，在预脱硝反应器内可利用原污水中固有碳源进行反硝化脱氮，将污水中的碳源在此处消耗，消除了污水中碳素对后段厌氧氨氧化菌的不利影响。

4）将预脱硝之后的污水分段分别进入短程硝化反应器和厌氧氨氧化反应器，即仅将污水中的部分氨氮进行短程硝化，可根据进水水质及运行情况灵活调整二者的进水分配比例，为厌氧氨氧化菌提供了可靠、稳定的反应基质，同时减少了短程硝化反应器的处理规模，相应减少了池容及曝气量，降低了工程投资、运行能耗和吨水处理成本。

5）本发明提供了一整套对于低碳氮比城市生活污水自养脱氮的工艺装置，包括实现运行的各个控制因素及控制参数，实现城市污水自养脱氮的同时提高了出水品质，经该工艺处理后出水水质远远优于《污水综合排放标准（GB8978-1996）》一级A标准的要求。

6）本发明采用全程自动控制模块进行操作，控制简单宜行，对于工程化应用具有良好的可操作性。

7）本发明工艺可用于生物脱氮除磷污水处理厂的新建和改造工程，可减少城市污水厂的吨水处理成本和处理能耗（单位处理能耗及成本降低10%以上），并提高城市污水处理厂出水水质。

附图说明

图1是本发明的污水自养脱氮工艺流程示意图；

图2是本发明的污水自养脱氮装置示意图；

附图标记说明：预脱硝反应器1、进水管11、放空管12、短程硝化反应器2、管路21、pH值测定仪22、温度控制仪23、搅拌设施24、DO测定仪25、曝气设施26、风机及气体流量计27、放空管28、调节池3、管路31、管路32、厌氧氨氧化反应器4、管路41、放空管42、出水管43、回流管44。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

实施例 1 污水自养脱氮处理 装置

如图2所示，在本发明中提供了一种城市污水自养脱氮处理装置，其包括预脱硝反应器1、短程硝化反应器2、调节池3、厌氧氨氧化反应器4；所述预脱硝反应器1、短程硝化反应器2、调节池3、厌氧氨氧化反应器4通过进水主管路依次连接，所述预脱硝反应器1与调节池3之间设有可将预脱硝反应器1的出水导入调节池3的进水支路，所述厌氧氨氧化反应器4与预脱硝反应器1之间设有可将厌氧氨氧化反应器4的出水回流至预脱硝反应器1的回流管路。

此外，所述预脱硝反应器1设置有进水管11、回流管44和第一放空管12，所述短程硝化反应器2设置有pH值测定仪22、温度控制仪23、搅拌设施24、DO测定仪25、曝气设施26、风机及气体流量计27和第二放空管28，所述厌氧氨氧化反应器4设置有第三放空管42、出水管43和回流管44。

本发明通过设置预脱硝反应器1、短程硝化反应器2、调节池3和厌氧氨氧化反应器4，运行时，将预处理后的城市污水经进水管11进入预脱硝反应器1，利用预脱硝反应器1中的异养反硝化菌去除污水中携带的溶解氧；预脱硝反应器1中的污水一部分经管路31泵入调节池3，另一部分经管路21泵入短程硝化反应器2进行短程硝化反应，使污水中的NH₄ ⁺-N转化为NO₂ ^-N；短程硝化反应器2中的污水经管路32泵入调节池3，在调节池3中管路31和32泵入的污水得到混匀和贮存，再经管路41泵入厌氧氨氧化反应器4，厌氧氨氧化反应器4中的液体一部分经出水管43排出，另一部分经回流管44回流至预脱硝反应器1，除去回流中的硝酸盐。

作为本发明优选的实施方式，在预脱硝反应器1下方设有第一放空管12。

作为本发明优选的实施方式，在短程硝化反应器2中设有pH值测定仪22、温度控制仪23和DO测定仪25，分别检测和控制短程硝化反应器2中的pH值、温度和DO；在短程硝化反应器2中还设有搅拌设施24、风机及气体流量计27、以及设置在底部的曝气设施26和第二放空管28，其中，曝气设施26与风机及气体流量计27连接。

作为本发明优选的实施方式，在厌氧氨氧化反应器4下方设有第三放空管42。

实施例 2 一种污水自养脱氮处理方法

取广州城市污水厂的生活污水进行本发明的自养脱氮处理，处理前主要水质指标如下：CODcr=120mg/L，NH₄ ⁺-N=30mg/L，TN=32mg/L，pH=7.2。结合图1（污水自养脱氮处理方法流程的示意图）和图2（污水自养脱氮装置示意图）对处理过程进行如下的说明。

1）预脱硝处理：运行时，将城市污水经去渣预处理后由进水管11进入预脱硝反应器1（污水处理总量记为Q），同时将厌氧氨氧化反应器4部分出水经回流管44引入该预脱硝反应器1中，二者混匀，预脱硝反应器1中的反硝化菌利用污水中固有碳源对回流液中的硝态氮进行反硝化去除，同时也能去除污水中携带的溶解氧；

2）短程硝化处理：将上述预脱硝反应器1中的出水分为二部分，第一部分出水（污水量记为q₁=0.6Q）经管路21引入短程硝化反应器2中，短程硝化反应器2采用SBR（序批式活性污泥法 ）池型、间歇曝气运行方式：瞬时进水、曝气2.0 h、搅拌1.0h；曝气和搅拌交替运行4次，而后静置1.0h、出水；本实施例运行周期为13h，曝气阶段溶解氧为1.0mg/L；在此将污水中的氨氮控制在亚硝化阶段，即将NH₄ ⁺-N转化为NO₂ ^--N；

短程硝化反应器2在上述运行中，通过搅拌设施24和曝气设施26实现间歇曝气，通过DO测定仪25实时监控短程硝化反应器2中的DO变化，通过风机及气体流量计27控制曝气量，通过pH值测定仪22实时监控pH值的变化；通过温度控制仪23实时监控并控制污水温度为28±2℃；通过第二放空管28实现短程硝化反应器2的定期排泥和运行维护。

3）厌氧氨氧化处理：由于短程硝化反应器采用的是SBR工艺、间歇出水运行模式，为给后续的厌氧氨氧化反应器4提供连续的进水，将短程硝化反应器2的出水经管路32引入调节池3，同时将预脱硝反应器1的第二部分出水（污水量记为q₂=0.4Q）经管路31引入调节池3，二者在调节池中进行混匀和临时贮存，然后连续引入厌氧氨氧化反应器4中，使预脱硝反应器1出水中的NH₄ ⁺-N和短程硝化反应器2出水中的NO₂-N在厌氧氨氧化菌的作用下，转化为氮气，实现氮的去除；

调节池3对短程硝化反应器2出水和预脱硝反应器1出水进行混匀，从而为后续厌氧氨氧化反应器4中的厌氧氨氧化菌提供更为适宜的生长基质。

厌氧氨氧化反应器4采用上向流生物滤池，内置粒径为2.0~5.5 mm的火山岩填料，填料厚度为1.5 m，下部设置10cm厚度砾石承托层，滤速1.0m/h，滤池外部缠有加热保温避光膜，控制滤池内部温度为28±2℃；火山岩填料上附着生长有厌氧氨氧化细菌，使进水中的NH₄ ⁺-N与NO₂ ^--N被转化为N₂排出系统；

4）排水：由于厌氧氨氧化反应会产生少量的硝酸盐，为进一步降低出水总TN浓度、提高系统脱氮效能，厌氧氨氧化反应器的部分出水（回流量R=0.5Q）经回流管44回流至预脱硝反应器1，另一部分出水经出水管43外排。

按照上述具体实施步骤，污水自养脱氮处理系统经过3个月的驯化和培养后，SBR短程硝化反应器2出水中NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、NO₃ ^--N的平均浓度分别为0.85mg/L、27.0mg/L、3.5mg/L；厌氧氨氧化反应器4出水中NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、NO₃ ^--N的平均浓度为1.5mg/L、0.15mg/L、2.6mg/L，出水TN低于5.0mg/L，出水水质远远优于《污水综合排放标准（GB8978-1996）》一级A标准要求。

上述实施例仅为本发明的具体实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (5)

1.一种污水自养脱氮处理装置，其特征在于：该装置由预脱硝反应器、短程硝化反应器、调节池、厌氧氨氧化反应器组成；所述预脱硝反应器、短程硝化反应器、调节池、厌氧氨氧化反应器通过进水主管路依次连接，所述预脱硝反应器与调节池之间设有可将预脱硝反应器的出水导入调节池的进水支路，所述厌氧氨氧化反应器与预脱硝反应器之间设有可将厌氧氨氧化反应器的出水回流至预脱硝反应器的回流管路；

所述短程硝化反应器设置有pH值测定仪、温度控制仪、搅拌设施、DO测定仪、风机及气体流量计、曝气设施和第二放空管；

厌氧氨氧化反应器采用上向流生物滤池，内置粒径为2.0~5.5 mm的火山岩填料，填料厚度为1.5 m，下部设置10cm厚度砾石承托层，滤速1.0m/h，滤池外部缠有加热保温避光膜，控制滤池内部温度为28±2℃；火山岩填料上附着生长有厌氧氨氧化细菌。

2.根据权利要求1所述的污水自养脱氮处理装置，其特征在于：所述预脱硝反应器设置有进水管、回流管和第一放空管。

3.根据权利要求1所述的污水自养脱氮处理装置，其特征在于：所述厌氧氨氧化反应器设置有第三放空管、回流管和出水管。

4.一种污水自养脱氮处理方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）预脱硝处理：将预处理之后的污水，污水总量记为Q，引入预脱硝反应器，同时将厌氧氨氧化反应器部分出水回流至该预脱硝反应器中，二者混匀，预脱硝反应器中的反硝化菌利用污水中固有碳源对回流液中的硝态氮进行反硝化去除，同时也能去除污水中携带的溶解氧；

2）短程硝化处理：将上述预脱硝反应器中的出水分为二部分，第一部分出水，污水量记为q₁，引入短程硝化反应器中，短程硝化反应器采用间歇曝气运行方式，曝气阶段溶解氧DO为0.8～1.2mg/L、水力停留时间HRT为8～14h、污水温度为28±2℃，将污水中的氨氮控制在亚硝化阶段，即将NH₄ ⁺-N转化为NO₂ ^--N；

3）厌氧氨氧化处理：将上述预脱硝反应器中的第二部分出水，污水量记为q₂，和短程硝化反应器中的出水同时引入厌氧氨氧化反应器中，使预脱硝反应器出水中的NH₄ ⁺-N和短程硝化反应器出水中的NO₂ ^--N在厌氧氨氧化菌的作用下，转化为氮气，实现氮素的去除；

4）排水：经厌氧氨氧化反应器处理后的出水外排；同时，可根据进水水质的波动和出水水质的要求，将部分出水回流至预脱硝反应器进一步除氮；

污水量q₁为0.5~0.7Q，污水量q₂的为0.3~0.5Q；

上述所处理的污水水质指标为：CODcr为150~250mg/L，氨氮NH₄ ⁺-N为20~30mg/L，总氮TN为25~40mg/L，pH为7.0~7.6。

5.根据权利要求4所述的一种污水自养脱氮处理方法，其特征在于：步骤3）中所述的预脱硝反应器中的第二部分出水，污水量记为q₂，和短程硝化反应器中的出水先引入调节池混匀后，再引入厌氧氨氧化反应器进行厌氧氨氧化反应。