CN104609565A - 含氨废水的同步硝化反硝化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种含氨废水的同步硝化反硝化处理方法，包括如下内容：在曝气生物反应器中设置分离膜将其分成上下两个区域，含氨废水首先进入到下部的硝化区进行硝化反应，然后通过分离膜后进入上部的反硝化区，最后经上部区域的出水口流出；在硝化区设置一个中空结构的圆柱形内筒，曝气系统在内筒内侧曝气；在反硝化区设置一个中空结构的喇叭口内筒，喇叭口朝下并且喇叭口下端直径大于圆柱形内筒的直径。本发明利用分离膜将生物反应器中的硝化污泥和反硝化污泥隔离开，使污泥在各自单独空间作用，彼此间互不干扰，废水成分则是实现互通，并且可以提供不同的溶解氧环境，提高了同步硝化反硝化的效率。

Description

含氨废水的同步硝化反硝化处理方法

技术领域

本发明属于废水处理领域，具体地说涉及一种含氨废水的同步硝化反硝化处理方法。

背景技术

化工生产企业因其生产工艺特点，每天排放大量含氨废水。如果直接排放，会造成水体富营养化，藻类过度生长，不仅降低了水体观赏价值，而且使水生生物缺氧死亡。一些藻类蛋白毒素还会经过食物链使人中毒，严重危害人类及生物生存。为此，如何经济有效地去除废水中的氨氮已成为亟待解决的问题。

生物脱氮是从废水中去除氮素污染的较为经济有效的方法之一，一般包括硝化过程和反硝化过程。硝化过程是由硝化菌将氨氮转化为NO₂ ^－和NO₃ ^－的反应过程。反硝化过程是在无氧或低氧条件下，NO₃ ^－和NO₂ ^－被微生物还原转化为气体物质的过程，反应过程中需要以有机碳作为碳源和能源。不管是传统脱氮工艺还是新型脱氮工艺，负责脱氮的微生物主要是硝化菌和反硝化菌。在实际应用中，由于两种菌体生长环境的差异，一般是将硝化过程和反硝化过程分离开，如传统的A/O，A²/O工艺，存在工艺冗长，污水处理构筑物占地面积大，投资和运行费用高等诸多弊端。

同步硝化反硝化脱氮是指硝化反应和反硝化反应在同一反应器内同步进行的新型工艺，不仅克服了传统工艺硝化和反硝化过程在两个不同的反应器内进行的不足，而且在降低能耗和物耗等方面具有突出的优势。例如，可以减少反硝化反应设备、节省基建费用；反硝化过程产生的碱可部分中和硝化过程产生的酸，减少碱液的消耗，能有效地保持反应器中pH稳定。因此，同步硝化反硝化脱氮过程，已经成为水处理领域的研究热点。  

国外有研究者将硝化菌和反硝化菌置于同一反应器中混合培养，虽可以达到单个反应器的同步硝化反硝化，但是反硝化结果不尽人意，离实际应用还有一定的距离。荷兰Olburgen土豆加工废水处理项目采用短程硝化和厌氧氨氧化组合实现同步硝化反硝化，但是由于反硝化采用专性厌氧的厌氧氨氧化细菌，该细菌长期处于一定浓度的有氧环境中，从而在一定程度上降低了厌氧氨氧化细菌的活性，导致脱氮效果不理想。国内也进行了一些相关的研究工作，耿金菊等利用反硝化菌群和自养硝化菌群组合脱氮（应用与环境生物学报,2002,8(1):78-82），虽然具有较好的氨氮脱除能力，但抗冲击能力较弱，高于300mg/L的高浓度氨氮能抑制菌体的生长，并且氨氮浓度高于200mg/L时，脱氮后氨氮残余量较多，同步不耐受高浓度有机碳，500mg/L的有机碳浓度抑制菌体生长并降低脱氮效果；这种组合菌群中的各类细菌培养与生长条件不一致，一种发挥功能时另一种却被处于抑制状态，导致彼此不协调，生物脱氮时间延长，成本增大，脱氮效率受到影响。CN201210067682.9公开了一种同步硝化反硝化的污水处理方法，通过生物膜加大反应器内生物量和生物种类，保证世代较长的微生物(如硝化菌)生存，利于硝化反应；并且，生物膜载体从表面到内部存在溶解氧浓度的梯度现象，相应有好氧、缺氧和兼氧区状态，为直接脱氮提供了良好的环境；反应过程中，采用充氧装置，促成反应器内形成明显的好氧、缺氧段，形成同步硝化和反硝化的宏观环境；同时进行硝化和反硝化反应。但是，该法需要采用生物载体构建不同生物量和生物种类的生物膜，生物膜载体从表面到内部需要存在相应有好氧、缺氧和兼氧区的溶解氧浓度的梯度状态，实际操作难度较大，并不能调控硝化菌和反硝化菌各自的脱氮效率。

目前尽管同步硝化反硝化有了较大的发展，但是普遍存在着负荷较小，去除率偏低，运行不稳定等不足，不能有效处理含氨废水，并且有些正在运行的工艺并没有考虑总氮的去除问题。这大大限制了同步硝化反硝化工艺的发展和应用。因此，如何更好的提供适宜的生长条件，保证硝化和反硝化都可以高效进行，使同步硝化反硝化长期稳定的运行，对加快同步硝化反硝化脱氮工艺工业应用的进程具有积极意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种含氨废水的同步硝化反硝化处理方法。本发明利用分离膜将生物反应器中的硝化污泥和反硝化污泥隔离开，使污泥在各自单独空间作用，彼此间互不干扰，废水成分则是实现互通，并且可以提供不同的溶解氧环境，提高了同步硝化反硝化的效率。

本发明含氨废水的同步硝化反硝化处理方法，包括如下内容：在曝气生物反应器中设置分离膜将其分成上下两个区域，含氨废水首先进入到下部的硝化区进行硝化反应，然后通过分离膜后进入上部的反硝化区，最后经上部区域的出水口流出；在硝化区设置一个中空结构的圆柱形内筒，曝气系统在内筒内侧曝气；在反硝化区设置一个中空结构的喇叭口内筒，喇叭口朝下并且喇叭口下端直径大于圆柱形内筒的直径。

本发明中，膜分离组件的材质可以采用各种具有分离特性的膜，优选采用陶瓷分离膜，膜孔直径为0.05～0.5μm。

本发明中，硝化区和反硝化区的体积比为1:1～6:1。曝气生物反应器的高径比为3:1～15:1，优选6:1～12:1。在硝化区设置一个中空结构的圆柱形内筒，曝气系统在内筒内侧曝气，这样可以在硝化区域形成外循环，有助于废水和硝化污泥更好的返混，提高硝化区域的处理效果。在反硝化区设置一个中空结构的喇叭口内筒，喇叭口朝下并且喇叭口下端直径大于圆柱形内筒的直径，但是其上部的筒体直径小于硝化区圆柱形内筒的直径，这样既有利于收集从硝化区通过分离膜进入反硝化区的气体，使其进入喇叭口内筒中，更有助于在反硝化区域形成外循环，有助于废水和反硝化污泥更好的返混。同时，由于气体的逸散和硝化菌的利用，进入反硝化区的氧相对减少很多，有利于反硝化污泥在适宜的无氧或低氧条件下更好的发挥脱氮性能。反硝化区域内筒直径小，可以实现反硝化区域的有效返混，不需要专门的返混设备；并且可以减少反硝化污泥与气体的接触时间，进一步提高反硝化的效果。

本发明中，利用曝气系统通入的气体所携带的氧气含量控制进水口区域的溶解氧浓度为1.0～5.0mg/L，优选为2.0～3.0mg/L。随着物料流动的方向，氧气在硝化区得到有效利用，进入上部区域的氧相对减少很多，有利于反硝化在无氧或低氧条件下高效进行。当溶解氧浓度出现波动时，通过调节气体所携带的氧气的含量，以保证溶解氧的浓度在适宜的值。控制废水处理体系的温度为20℃～40℃，pH值为6～9。

本发明中，出水口可以设分离膜，保证出水中不含有悬浮污泥；也可以在反应器顶端设置旋风分离器、旋液分离器或者可以进行气液固分离的多相分离器，防止污泥冲出并将处理后的废水和气体进行分离。曝气生物反应器的其它操作条件按常规处理废水的硝化污泥和反硝化污泥的条件控制。设置培养体系溶解氧量的测定装置，根据需要调整进气中的氧浓度。同时提供pH电极检测，以便通过外源加入酸、碱来实现系统pH控制。温度控制为内部盘管加热方式或者在反应器外部设置控温夹套来维持所需要的温度。

本发明中，硝化污泥优选为硝化颗粒污泥，反硝化污泥为厌氧反硝化颗粒污泥或者好氧反硝化颗粒污泥。在实际废水处理的过程中，控制硝化污泥的污泥浓度为2.0～8.0g/L，反硝化污泥的污泥浓度为1.0～5.0g/L，当污泥不足或者过剩时，通过在线置换装置进行调节。

本发明中，含氨废水为一切适合生物法处理的含COD和氨氮的污水，氨氮浓度一般为100～1000mg/L。可以加入活性污泥处理含氨废水所需的营养物质，以提高其反应活性。营养物质的配比为：Fe²⁺浓度为0.01～0.06g/L，K⁺浓度为0.05～0.5g/L，Ca²⁺浓度为0.01～0.1g/L，Mg²⁺浓度为0.05～0.5g/L；pH值为6.5～7.5。采用批次进水或者连续进水方式，采取连续进水方式进行生物脱氮处理，水力停留时间一般为8～24小时。在含氨废水处理过程中，遇到处理效果出现波动时，可以分别补充硝化和/或反硝化强化菌剂，保持稳定的同步硝化反硝化脱氮效果。

本发明中，按照碳氮质量比为3:1～10:1补加反硝化所需的有机碳源，有机碳源可以是丁二酸钠、乙酸钠、甲醇、葡萄糖或木质纤维素水解液等。以批次或连续方式补充有机碳源，最好根据有机碳源的消耗速度进行流加，以减少有机碳源对硝化污泥的影响。

与现有技术相比，本发明具有以下突出特点：

1、利用分离膜将反应器中的硝化污泥与反硝化污泥隔离开处理含氨废水，使硝化污泥与反硝化污泥在各自单独的空间作用，废水成分则是实现互通，并且设置特殊的气液返混体系，可以提供不同的溶解氧环境，使二者可以在各自适宜的溶解氧条件下作用，建立起硝化污泥与反硝化污泥协调配合而细胞间又互不干扰的稳定的处理体系，克服了现有技术需要使用多个反应器或直接将硝化污泥和反硝化污泥进行混合处理含氨废水的不足。

2、硝化菌和反硝化菌对溶解氧的需求不同，好氧反硝化菌虽然具有耐氧能力，但是在低氧的条件下其脱氮性能更高，因此将两种菌直接混合进行脱氮存在弊端。本发明在分离膜的下部区域进行曝气，由于分离膜、硝化污泥、曝气系统、圆柱形内筒和喇叭口内筒的共同作用，上下区域会形成不同的溶解氧浓度，有利于反硝化污泥在低氧或无氧条件下发挥脱氮性能。与两种菌直接混合相比，本发明可以使硝化菌和反硝化菌在各自适宜的溶解氧条件下生长，有效提高硝化菌和反硝化菌的脱氮活性，提高了同步硝化反硝化的脱氮效率。

3、虽然采用分离膜将反应器分为两个反应区域，但是采用本发明的返混体系，不仅可以实现硝化区的有效返混，也可以实现反硝化区的有效返混，反硝化区不需要专门的返混或者搅拌设备。

4、硝化菌利用废水中的氨氮进行硝化反应，产生的硝氮和/或亚硝氮可以进入上部的反硝化区作为反硝化菌的营养物质，反硝化菌将硝氮和/或亚硝氮转化成气体不断排出。随着反应物料的流动和反硝化的进行，硝氮和/或亚硝氮会进不断入上部区域满足反硝化菌的需要；同时由于产物抑制作用的削减，有助于提高硝化反应的进程和效果，二者互相补充和促进，实现了总氮的高效脱除。

5、随着硝化反应的进行，需要补加碱液维持适宜生长的pH，而反硝化过程产生的碱可部分中和硝化过程产生的酸，减少碱液的消耗，能有效地保持反应器中pH稳定，符合节能减排的要求。

附图说明

图1是本发明曝气生物反应器的示意图；

其中：1-硝化污泥，2-反硝化污泥，3-硝化区，4-反硝化区，5-进水口，6-曝气口，7-出气口，8-出水口，9-补料口，10-补碳口，11-分离器，12-硝化污泥在线置换口；13-反硝化污泥在线置换口，14-圆柱形内筒，15-喇叭口内筒，16-分离膜。

具体实施方式

结合图1所示，在曝气生物反应器中设置分离膜16将其分成上下两个区域，含氨废水首先进入到下部的硝化区3，在硝化污泥1的作用下进行硝化反应，然后通过分离膜后进入上部的反硝化区4，在反硝化污泥2的作用下进行反硝化脱氮。分离膜的材质可以采用各种具有分离特性的膜，优选采用陶瓷分离膜，膜孔直径为0.05～0.5μm。硝化区和反硝化区的体积比为1:1～1:6。曝气生物反应器的高径比为3:1～15:1，优选为6:1～12:1。在曝气生物反应器底部设有进水口5和曝气口6，反应器顶端设有出气口7和出水口8。在硝化区设置有一个中空结构的圆柱形内筒14，曝气系统在内筒内侧曝气；在反硝化区设置一个中空结构的喇叭口内筒15，喇叭口朝下并且喇叭口下端直径大于圆柱形内筒的直径。硝化区设补料口9，通过补料口以便加入酸、碱来实现系统pH的控制。反硝化区设补碳口10，通过补碳口加入反硝化所需的有机碳源。

反应器顶部可以设置分离器11，分离器为旋风分离器、旋液分离器或者可以进行气液固分离的多相分离器，可以防止污泥冲出并将处理后的废水和气体进行分离，此时出气口和出水口设置于分离器上。当污泥不足或者过剩时，可以通过硝化污泥在线置换口12和反硝化污泥在线置换口13进行调节。

废水首先进入到硝化区，在硝化污泥与氧气的作用下进行硝化反应，将氨氮转化成硝氮或/和亚硝氮。利用曝气系统通入的气体所携带的氧气含量控制进水口区域的溶解氧浓度为1.0～5.0mg/L，优选为2.0～3.0mg/L。随着物料流动的方向，氧气在硝化区得到有效利用，进入上部区域的氧相对减少很多，有利于反硝化在无氧或低氧条件下高效进行。当溶解氧浓度出现波动时，通过调节气体所携带的氧气的含量，以保证溶解氧的浓度在适宜的值。控制废水处理体系的温度为20℃～40℃，pH值为6～9。

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。但不因此限制本发明。

实施例1

采用本发明图1所示的曝气生物反应器，反应器的有效体积为10L，反应器的材质为有机玻璃，温度控制为控温夹套加热，以及pH、溶解氧等控制器。反应器的高径比为10:1，硝化区与反硝化区的体积比为2:1。分离膜采用陶瓷分离膜，膜孔直径为0.5μm。硝化区设置的内筒与反应器的直径比为1:2，反硝化区设置的内筒与反应器的直径比为1:3。

废水处理过程中，首先将硝化污泥和好氧反硝化污泥分别加入到反应器的硝化区和好氧反硝化区，控制硝化污泥的污泥浓度为3.0～4.0g/L，好氧反硝化污泥的污泥浓度为2.0～3.0g/L。采用连续进水，氨氮浓度为400mg/L，水力停留时间为12h。

同时经过检测处理系统中pH值，调节pH至7.5。温度控制为控温夹套加热，控制温度为30℃。由于反应器不同区域的溶解氧不同，因此控制进水口区域的溶解氧浓度为2.0～3.0mg/L。

有机碳源采用甲醇，碳氮质量比为5:1，根据有机碳源的消耗速度进行流加。当污泥生长过剩时，超过所需要的污泥浓度，可将污泥排出一部分。处理后废水通过出水口排出。

连续运行15天后，出水中氨氮浓度低于5mg/L，氨氮去除率可达98.8%以上。总氮浓度小于21mg/L，总氮去除率可达94.8%以上。COD浓度小于50mg/L，在保证有机碳源供给同时没有过量，不会导致出水COD增高。结果如表1所示。

实施例2

采用本发明图1所示的曝气生物反应器，反应器的有效体积为10L，反应器的材质为有机玻璃，反应器内有温度控制盘管，以及pH、溶解氧等控制器。反应器的高径比为10:1，硝化区与反硝化区的体积比为1:1。分离膜采用陶瓷分离膜，膜孔直径为0.2μm。硝化区设置的内筒与反应器的直径比为1:2，反硝化区设置的内筒与反应器的直径比为1:3。

废水处理过程中，首先将硝化污泥和厌氧反硝化污泥分别加入到反应器的硝化区和反硝化区，控制硝化污泥的污泥浓度为4.0～5.0g/L，厌氧反硝化污泥的污泥浓度为2.0～3.0g/L。采用连续进水，氨氮浓度为600mg/L，水力停留时间为18h。加入硝化污泥和反硝化污泥处理废水所需的营养物质，以提高其反应活性。营养物质的配比为：Fe²⁺浓度为0.05g/L，K⁺浓度为0.1g/L，Ca²⁺浓度为0.05g/L，Mg²⁺浓度为0.5g/L；pH值为7.5。

同时经过检测处理系统中pH值，调节pH至7.5。温度控制为控温夹套加热，控制温度为30℃。由于反应器不同区域的溶解氧不同，因此控制进水口区域的溶解氧浓度为1.0～2.0mg/L。

有机碳源采用甲醇，碳氮质量比为4:1，根据有机碳源的消耗速度进行流加。当污泥生长过剩时，超过所需要的污泥浓度，可将污泥排出一部分。处理后废水通过出水口排出。

运行15天后，出水中氨氮浓度低于8mg/L，氨氮去除率可达98.7%以上。总氮浓度低于43mg/L，总氮去除率可达92.8%以上。COD浓度小于40mg/L，在保证有机碳源供给同时没有过量，不会导致出水COD增高。结果如表1所示。

比较例1

采用与实施例1相同的反应器和工艺条件，采用分离膜，但是上下区域不设置内筒，将硝化污泥和好氧反硝化污泥加入反应器中。运行15天后，出水中氨氮浓度低于5mg/L，氨氮去除率可达98.8%以上。硝氮浓度为19mg/L，亚硝氮浓度为26 mg/L，总氮浓度为50mg/L左右，总氮去除率可达87.5%。COD浓度为100mg/L左右，由于硝氮和亚硝氮有积累，因此造成COD的积累。结果如表1所示。

比较例2

采用与实施例1相同的反应器和工艺条件，不采用分离膜和内筒，将硝化污泥和好氧反硝化污泥加入反应器中。运行15天后，出水中氨氮浓度低于20mg/L，氨氮去除率为95%。硝氮浓度为20mg/L，亚硝氮浓度为38mg/L，总氮浓度为80mg/L左右，总氮去除率为80%。COD浓度为120mg/L左右，由于硝氮和亚硝氮有积累，因此造成COD的积累。结果如表1所示。

表1 实施例与比较例的处理结果

由表1可知，比较例1和比较例2的氨氮去除效果虽然可达95%以上，但是由于反硝化区域的处理效果不佳，因此总氮去除率并不理想。

Claims (11)

1.一种含氨废水的同步硝化反硝化处理方法，其特征在于包括如下内容：在曝气生物反应器中设置分离膜将其分成上下两个区域，含氨废水首先进入到下部的硝化区进行硝化反应，然后通过分离膜后进入上部的反硝化区，最后经上部区域的出水口流出；在硝化区设置一个中空结构的圆柱形内筒，曝气系统在内筒内侧曝气；在反硝化区设置一个中空结构的喇叭口内筒，喇叭口朝下并且喇叭口下端直径大于圆柱形内筒的直径。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：分离膜采用陶瓷分离膜，膜孔直径为0.05～0.5μm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：硝化区和反硝化区的体积比为1:1～6:1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：曝气生物反应器的高径比为3:1～15:1。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：喇叭口上部的筒体直径小于硝化区圆柱形内筒的直径。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用曝气系统通入的气体所携带的氧气含量控制进水口区域的溶解氧浓度为1.0～5.0mg/L。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：控制硝化反应的温度为20℃～40℃，pH值为6～9。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在曝气生物反应器顶端设置旋风分离器、旋液分离器或者可以进行气液固分离的多相分离器，防止污泥冲出并将处理后的废水和气体进行分离。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：控制硝化颗粒污泥的污泥浓度为2.0～8.0g/L，好氧反硝化颗粒污泥的污泥浓度为1.0～5.0g/L，当污泥不足或者过剩时，通过在线置换装置进行调节。

10.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于：含氨废水为一切适合生物法处理的含COD和氨氮的污水，氨氮浓度为100～1000mg/L；加入污泥处理废水所需的营养物质，营养物质的配比为：Fe²⁺浓度为0.01～0.06g/L，K⁺浓度为0.05～0.5g/L，Ca²⁺浓度为0.01～0.1g/L，Mg²⁺浓度为0.05～0.5g/L；pH值为6.5～7.5。

11.根据权利要求1或9所述的方法，其特征在于：按照碳氮质量比为3:1～10:1补加反硝化所需的有机碳源，有机碳源是丁二酸钠、乙酸钠、甲醇、葡萄糖或木质纤维素水解液。