CN104291443A

CN104291443A - 半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的装置与方法

Info

Publication number: CN104291443A
Application number: CN201410535673.7A
Authority: CN
Inventors: 彭永臻; 杜睿; 操沈彬; 王淑莹
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2014-10-12
Filing date: 2014-10-12
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2034-10-12
Also published as: CN104291443B

Abstract

半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的装置和方法属于污水处理领域，所述装置包括城市生活污水水箱、半硝化反应器、第一中间水箱、部分反硝化反应器、外加碳源储备箱、部分反硝化在线监测及控制系统、第二中间水箱及厌氧氨氧化反应器。所述方法包括以下步骤，生活污水首先进入半硝化反应器，通过曝气将生活污水中部分氨氮氧化为硝酸盐氮，出水进入到部分反硝化反应器，利用少量外加碳源将硝酸盐还原为亚硝酸盐，出水进入到厌氧氨氧化反应器进行脱氮。该装置与方法可以实现低碳氮比城市污水稳定高效脱氮，解决现有城市生活污水短程硝化亚硝酸盐积累不稳定及厌氧氨氧化工艺脱氮效率不高的问题。

Description

半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种稳定高效处理低碳氮比城市污水的方法，属于污水生物处理技术领域，具体是城市生活污水首先进入半硝化反应器，将50％～70％氨氮转化为硝酸盐，出水进入部分反硝化反应器利用外加碳源将硝酸盐转化为亚硝酸盐，含有氨氮和亚硝酸盐的出水通过厌氧氨氧化反应得到去除。本发明利用部分反硝化实现较高稳定的亚硝酸盐积累，节约运行成本和费用，提供了低能耗、高效、稳定的城市污水脱氮途径。

背景技术

近年来，我国水体富营养化程度日趋严重，不仅影响饮用水水质也成为多种疾病发生的重要诱因，给人们身体健康、水域生态环境、旅游观光及水产养殖造成了严重危害。为了防止水体环境的进一步恶化并考虑到水资源的再生循环利用许多国家和地区的污水氮(N)、磷(P)排放标准日趋严格。我国也对污水排放N、P的指标做了进一步的提高，采用传统的脱氮方法不仅运行费用高，其污水脱氮效率并不能满足严格的排放标准，迫切需求经济、稳定、高效的污水生物脱氮方法。

厌氧氨氧化(Anammox)是20世纪90年代中期由荷兰Delft技术大学开发的一种新型生物脱氮技术，指在厌氧或缺氧条件下,微生物直接以NO₂ ^‐为电子受体,以氨氮(NH₄ ⁺‐N)为电子供体，将两种氮素同时转化为氮气的生物反应过程。与传统的硝化反硝化工艺相比，它不需要外加有机碳源、污泥产量少、完全不需要氧气、节省了大量的运行费用，不需要酸碱中和剂，避免二次污染，是目前经济、高效的生物脱氮技术，受到广泛关注。

厌氧氨氧化所需的基质之一为亚硝酸盐，而自然水体中一般不存在亚硝酸盐，因此需要采取前处理措施。目前普遍的方法是在厌氧氨氧化工艺前设置短程硝化工艺，将污水中的氨氮通过曝气氧化为亚硝酸盐，调节进水中氨氮和亚硝酸盐的比例为1:1.32，再通过厌氧氨氧化进行自养脱氮。短程硝化工艺主要通过控制溶解氧、温度、pH或游离氨的抑制作用实现，但是短程硝化面临的最大问题是获得足够且稳定的亚硝酸盐积累。而对于低碳氮比的城市生活污水，常温下短程硝化难以维持稳定，导致后续厌氧氨氧化脱氮效率不高，控制过程较为复杂，这也是限制短程硝化‐厌氧氨氧化技术应用于城市污水的瓶颈。

获得亚硝酸盐的另一种方法为通过反硝化将硝酸盐还原为亚硝酸盐，即部分反硝化。完整的异养反硝化作用为硝酸盐通过有机碳源还原为亚硝酸盐，再还原为一氧化氮、氧化亚氮，最终还原为氮气。接种合适的接种污泥和控制适宜的碳氮比和反应时间可以实现反硝化过程中较高的亚硝酸盐积累，从而为厌氧氨氧化提供电子受体。为厌氧氨氧化的实际应用提供稳定、有效的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出了一种低碳氮比城市生活污水进行半硝化，将部分氨氮转化为硝酸盐，再控制适宜的碳氮比和反应时间通过部分反硝化将硝酸盐还原为亚硝酸盐，最终利用厌氧氨氧化作用实现自养脱氮的工艺和方法。

本发明通过以下技术方案实现：

半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的装置，其特征在于，包括：城市生活污水水箱1、半硝化反应器2、第一中间水箱3、部分反硝化反应器4、外加碳源储备箱5、部分反硝化在线监测及控制系统6、第二中间水箱7、厌氧氨氧化反应器8；

城市生活污水水箱1通过第一蠕动泵2.1与半硝化反应器2进水口相连；半硝化反应器出水管与第一中间水箱3相连；第一中间水箱通过第二蠕动泵4.1与部分反硝化反应器4进水口相连；外加碳源储备箱5通过碳源投加蠕动泵5.1与部分反硝化反应器相连；部分反硝化反应器出水管与第二中间水箱7相连；第二中间水箱通过第三蠕动泵8.1与厌氧氨氧化反应器8进水口相连；

所述的半硝化反应器2设有第一搅拌装置2.2和第一出水口2.3，反应器底部设有曝气头2.4，空气泵2.5通过气体流量计2.6与曝气头相连。

所述的部分反硝化反应器设有第二搅拌装置4.2和第二出水口4.3，反应器内部设有pH探头6.1；

厌氧氨氧化反应器8设有第三搅拌装置8.2、温度控制装置8.3和第三出水口8.4；

所述的部分反硝化在线监测及控制系统6包括pH探头6.1、pH测定仪主机6.2、计算机6.4，pH探头与pH测定仪主机相连，pH测定仪主机采集的数据通过数据线传送至计算机，计算机的信号输出端与第二搅拌装置时控开关相连，控制和调节第二搅拌装置的开关。

半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的方法，其特征在于，包括：

系统启动：接种城市污水厂剩余污泥于半硝化反应器2中，使反应器内污泥浓度为2500～4000mg/L，每周期曝气1～4h，溶解氧浓度控制为2.0～4.0mg/L，沉淀30～60min，沉淀后排水，排水比为30％～70％，当半硝化反应器出水氨氮与硝酸盐氮的质量浓度之比在1:1～1:1.5之间时，半硝化反应器启动结束；当半硝化反应器出水氨氮与硝酸盐氮的质量浓度之比低于1:1时，通过在1～4h范围内减少曝气时间，使浓度之比在1:1～1:1.5范围内；当半硝化反应器出水氨氮与硝酸盐氮的质量浓度之比高于1:1时，通过在1～4h范围内增加曝气时间，使浓度之比在1:1～1:1.5范围内；

接种具有亚硝酸盐积累率为70％～100％的反硝化污泥于部分反硝化反应器，使反应器内污泥浓度在2000～4000mg/L；含有硝酸盐的废水通过蠕动泵进入部分反硝化反应器，该废水中硝酸盐浓度为20～40mg/L，进水结束时通过碳源投加蠕动泵加入外加碳源，使反应内初始COD与硝酸盐氮的质量浓度比为2.5～3.5；加入碳源后缺氧搅拌30～60min，将硝酸盐转化为亚硝酸盐，在线监测反应器内pH变化，pH信号传入计算机，求导计算，当pH曲线上升出现拐点时第二搅拌装置关闭，沉淀后排水，排水比为50～70％；当部分反硝化出水硝酸盐氮的质量浓度<1.0mg/L，且亚硝酸盐积累率达到70％时，部分反硝化反应器启动结束；当出水硝酸盐氮的质量浓度>1.0mg/L，或亚硝酸盐积累率小于70％时，通过在2.5～3.5范围内调节初始COD与硝酸盐氮的质量浓度比，使出水硝酸盐氮的质量浓度<1.0mg/L，且亚硝酸盐积累率达到70％；

接种厌氧氨氧化污泥于厌氧氨氧化反应器，使反应器中污泥浓度为800～2000mg/L；含有氨氮和亚硝酸盐氮的废水通过蠕动泵进入反应器，该废水中氨氮和亚硝酸盐氮质量浓度之比在1:2～1:1.32之间，进水后搅拌3～8h；沉淀排水，排水比为50～70％，当出水氨氮和亚硝酸盐氮的去除率达到90％时，厌氧氨氧化反应器启动结束；当出水氨氮和亚硝酸盐氮的去除率小于90％时，通过在3～8h范围内增加搅拌时间，使去除率达到90％；

系统运行：将半硝化反应器、部分反硝化反应器与厌氧氨氧化反应器串联，城市生活污水进入半硝化反应器中，该城市生活污水中COD与氨氮的质量浓度之比小于4.0，进水后曝气并搅拌1～4h，溶解氧控制在2.0～4.0mg/L，曝气结束后沉淀排水，排水比为30％～70％，出水排入第一中间水箱；出水进入部分反硝化反应器，投加外加碳源控制反应器中初始COD与硝酸盐氮的质量浓度比为2.5～3.5，搅拌30～60min，通过监测pH变化曲线确定反应终点，将硝酸盐转化为亚硝酸盐，当pH曲线上升出现拐点时由计算机输出信号控制搅拌装置关闭，沉淀后排水，排水比为50～70％，出水排入第二中间水箱；部分反硝化反应器出水全部进入厌氧氨氧化反应器，搅拌3～8h，沉淀后排水，排水比为50～70％，通过厌氧氨氧化作用实现城市生活污水脱氮。

技术原理：

半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市生活污水是指污水首先进入半硝化反应器，将50％～60％氨氮通过好氧曝气氧化为硝酸盐，排出含有硝酸盐的出水再进入部分反硝化反应器，该反应器的接种污泥内含有一类具有不完全反硝化特性的菌群，其具有只能将硝酸盐还原为亚硝酸盐的特性，通过向部分反硝化反应器中投加乙酸钠作为外加碳源，控制反应器中初始碳氮比在2.5～3.5，不完全反硝化菌利用有机物将硝酸盐还原为亚硝酸盐，过程中通过在线监测pH值控制反应时间，实现亚硝酸盐的最大积累，为厌氧氨氧化提供电子受体。同时含有氨氮和亚硝酸盐的出水进入厌氧氨氧化反应器实现低碳氮比城市污水的高效脱氮。

本发明涉及的半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水具有以下优点：

1)与传统硝化‐反硝化工艺相比，半硝化只将污水中部分氨氮氧化为硝酸盐氮，节省曝气过程所需能耗；

2)利用一类具有不完全反硝化特性的反硝化菌，通过外加碳源，将硝酸盐还原为亚硝酸盐，只需控制初始COD与硝酸盐氮质量浓度比和反应时间，运行操作简单，能够实现稳定亚硝酸盐积累；

3)与完全反硝化相比，部分反硝化节省外加碳源投加量，减少污泥产量，降低后续剩余污泥处置费用。

附图说明

图1是半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化工艺处理低碳氮比城市污水的流程图

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步说明：

如图1所示，半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的装置，其特征在于，包括：城市生活污水水箱1、半硝化反应器2、第一中间水箱3、部分反硝化反应器4、外加碳源储备箱5、部分反硝化在线监测及控制系统6、第二中间水箱7、厌氧氨氧化反应器8；

具体包括以下过程：

实验所用城市生活污水采用北京工业大学家属院生活污水，主要参数为：COD＝200～300mg/L，NH₄ ⁺-N＝60～85mg/L，TN＝60～90mg/L；其COD与氨氮质量浓度之比在2.2～3.5之间，属于典型的低碳氮比城市污水；原水收集到原水箱中；半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化装置每周期处理总污水量为3L。

系统启动：半硝化反应器采用SBR反应器，接种污泥为城市污水厂剩余污泥，接种后反应器内污泥浓度2950mg/L；反应器有效容积为6L，每周期进水3L，进水结束后曝气100min，控制系统中溶解氧浓度2.5mg/L；曝气结束后沉淀60min，控制排水比为50％；曝气结束后沉淀30min，然后将含有氨氮和硝酸盐氮的上清液排出至第一中间水箱，排水比为50％；排出的上清液平均浓度NH₄ ⁺‐N＝30mg/L，NO₃ ^‐‐N＝40mg/L，完成半硝化反应器的启动。

部分反硝化反应器采用SBR反应器，反应器有效容积5L，接种具有亚硝酸盐积累率为80％的反硝化污泥，接种后反应器内污泥浓度2800mg/L；每周期进水体积3L，进水结束时通过蠕动泵加入乙酸钠溶液，初始COD与硝酸盐氮质量浓度之比为2.8；缺氧搅拌时间范围为30～40min，通过在线监测反应器内pH值变化确定反应终点，当pH曲线上升出现拐点时停止搅拌，将硝酸盐转化为亚硝酸盐，静止沉淀30min，控制排水比为60％；部分反硝化出水平均硝酸盐浓度<1.0mg/L，亚硝酸盐积累率>80％，完成部分反硝化SBR反应器启动。

厌氧氨氧化反应器采用SBR，反应器有效容积6L，接种污泥为厌氧氨氧化污泥，接种后反应器中污泥浓度2400mg/L；含有氨氮和亚硝酸盐氮的废水作为进水，每周期进水体积3L，进水后厌氧搅拌6h；温度控制为30℃，静止沉淀60min，排出上清液，排水比为50％；出水氨氮<3mg/L，总氮去除率大于75％，厌氧氨氧化反应器启动结束。

将半硝化反应器、部分反硝化反应器与厌氧氨氧化反应器串联运行处理低碳氮比城市生活污水。原生活污水收集到城市生活污水水箱中；半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化装置每周期处理总污水量为3L。城市生活污水进入半硝化反应器中，曝气100min，50％氨氮氧化为硝酸盐氮，溶解氧控制在2.0～4.0mg/L，曝气结束后沉淀排水，排水比为30％，出水泵入部分反硝化反应器，乙酸钠溶液通过蠕动泵投加到部分反硝化反应器中，进水和投加乙酸钠溶液结束后反应器内初始COD与硝酸盐氮质量浓度比为2.8，缺氧搅拌结束时间控制在第30～40min内某一时刻，反应过程中通过监测pH变化曲线确定反应终点，pH信号传入计算机进行求导计算，当pH上升曲线出现拐点时第二搅拌装置关闭，停止搅拌，部分反硝化将硝酸盐转化为亚硝酸盐，出水亚硝酸盐氮和氨氮的质量浓度之比为1.2～1.3；部分反硝化出水全部进入厌氧氨氧化反应器，搅拌3h，沉淀后排水，排水比为50％，通过厌氧氨氧化完成城市生活污水脱氮。

试验结果表明：

以实际生活污水为进水，半硝化反应器污泥浓度MLSS控制为2950mg/L，曝气100min，排水比为50％；部分反硝化反应器MLSS控制为2800mg/L，缺氧搅拌当pH曲线上升出现拐点时停止搅拌，排水比为60％；厌氧氨氧化反应器MLSS控制为2400mg/L，厌氧搅拌6h，排水比为60％；出水氨氮<3mg/L，总氮去除率达到90～95％，能够实现低碳氮比城市生活污水稳定、高效脱氮。

Claims

1.半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的装置，其特征在于，包括：城市生活污水水箱(1)、半硝化反应器(2)、第一中间水箱(3)、部分反硝化反应器(4)、外加碳源储备箱(5)、部分反硝化在线监测及控制系统(6)、第二中间水箱(7)、厌氧氨氧化反应器(8)；

城市生活污水水箱(1)通过第一蠕动泵(2.1)与半硝化反应器(2)进水口相连；半硝化反应器出水管与第一中间水箱(3)相连；第一中间水箱通过第二蠕动泵(4.1)与部分反硝化反应器(4)进水口相连；外加碳源储备箱(5)通过碳源投加蠕动泵(5.1)与部分反硝化反应器相连；部分反硝化反应器出水管与第二中间水箱(7)相连；第二中间水箱通过第三蠕动泵(8.1)与厌氧氨氧化反应器(8)进水口相连；

所述的半硝化反应器(2)设有第一搅拌装置(2.2)和第一出水口(2.3)，反应器底部设有曝气头(2.4)，空气泵(2.5)通过气体流量计(2.6)与曝气头相连；

所述的部分反硝化反应器设有第二搅拌装置(4.2)和第二出水口(4.3)，反应器内部设有pH探头(6.1)；

厌氧氨氧化反应器(8)设有第三搅拌装置(8.2)、温度控制装置(8.3)和第三出水口(8.4)；

所述的部分反硝化在线监测及控制系统(6)包括pH探头(6.1)、pH测定仪主机(6.2)、计算机(6.4)，pH探头与pH测定仪主机相连，pH测定仪主机采集的数据通过数据线传送至计算机，计算机的信号输出端与第二搅拌装置时控开关相连，控制和调节第二搅拌装置的开关。

2.应用权利要求1所述装置进行半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的方法，其特征在于，包括：

系统启动：接种城市污水厂剩余污泥于半硝化反应器(2)中，使反应器内污泥浓度为2500～4000mg/L，每周期曝气1～4h，溶解氧浓度控制为2.0～4.0mg/L，沉淀30～60min，沉淀后排水，排水比为30％～70％，当半硝化反应器出水氨氮与硝酸盐氮的质量浓度之比在1:1～1:1.5之间时，半硝化反应器启动结束；当半硝化反应器出水氨氮与硝酸盐氮的质量浓度之比低于1:1时，通过在1～4h范围内减少曝气时间，使浓度之比在1:1～1:1.5范围内；当半硝化反应器出水氨氮与硝酸盐氮的质量浓度之比高于1:1时，通过在1～4h范围内增加曝气时间，使浓度之比在1:1～1:1.5范围内；

系统运行：将半硝化反应器、部分反硝化反应器与厌氧氨氧化反应器串联，城市生活污水进入半硝化反应器中，该城市生活污水中COD与氨氮的质量浓度之比小于4.0，进水后曝气并搅拌1～4h，溶解氧控制在2.0～4.0mg/L，曝气结束后沉淀排水，排水比为30％～70％，出水排入第一中间水箱；出水进入部分反硝化反应器，投加外加碳源控制部分反硝化反应器中初始COD与硝酸盐氮的质量浓度比为2.5～3.5，搅拌30～60min，通过监测pH变化曲线确定反应终点，将硝酸盐转化为亚硝酸盐，当pH曲线上升出现拐点时由计算机输出信号控制搅拌装置关闭，沉淀后排水，排水比为50～70％，出水排入第二中间水箱；部分反硝化反应器出水全部进入厌氧氨氧化反应器，搅拌3～8h，沉淀后排水，排水比为50～70％，通过厌氧氨氧化作用实现城市生活污水脱氮。