CN104986923B - 一种基于城市污水短程硝化‑厌氧氨氧化的多级a/o生物脱氮的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于城市污水短程硝化‑厌氧氨氧化的多级A/O生物脱氮的装置与方法，属于污水生物处理领域。该装置主要由SBR除碳反应器、中间水箱、多级A/O除氮反应器和沉淀池组成，生活污水首先进入SBR反应器曝气除去原水中的部分有机物，随后进入A/O反应器中通过交替好氧/缺氧反应实现短程硝化‑厌氧氨氧化。将二沉池污泥回流至第一段缺氧区，在保证A/O反应器中污泥浓度的同时，又可利用原水中的COD降低回流污泥中硝态氮。本发明充分利用低氧曝气与生物接触氧化实现了生活污水的短程硝化与厌氧氨氧化反应，节省了曝气量，污泥产率低，且无需投加外加碳源，具有节能降耗的特点，提高了反应器的稳定性，操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于城市污水短程硝化-厌氧氨氧化的多级A/O生物脱氮的装置与方法，属于污水生物处理的领域。
背景技术
水体富营养化主要由污水中的氮磷引起，不但使城市水环境不断恶化还会危及饮用水水源，对生产和生活造成非常大的影响。因此如今能源危机凸显和现有的大能耗污水处理厂的情况下，实现高效低耗的可持续发展的污水处理具有非常重要的意义。
短程硝化是通过控制将氨氮氧化为亚硝酸盐即停止，而不进行继续氧化为硝酸盐的反应。厌氧氨氧化菌利用氨氮和亚硝酸盐反应产生氮气，无需有机碳源且污泥产量少，为污水自养脱氮提供了可能，已被认为是最为经济高效的生物脱氮技术之一。短程硝化与厌氧氨氧化技术相结合与传统的硝化反硝化技术相比实现了节省曝气量，无需外加碳源，污泥产量少，占地空间少，从而达到了节能低耗的处理污水。此外原水中的有机物从另一个角度看也是一种能源，可用于产甲烷。同时厌氧氨氧化反应中不产生或者很少产生温室气体氧化亚氮(N2O)，有利于缓解温室效应。而现有对该技术的应用大多集中在高温高氨氮废水领域，城市污水中应用较少的原因是城市污水不仅温度低其中氨氮浓度也低，不能稳定地实现短程硝化。本发明以城市污水作为处理对象，已为其在城市污水中的应用提供参考。
传统的硝化作用由氨氧化菌(AOB)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)共同完成，反硝化过程由反硝化菌来完成。这其中氨氮氧化的中间产物亚硝酸盐(NO2 -)，可与剩余部分氨氮发生厌氧氨氧化反应生成氮气，实现氮的去除。短程硝化稳定实现的关键是保持AOB的生物量和活性同时降低NOB的生物量和活性，从而实现亚硝酸盐的积累，避免亚硝酸盐继续被NOB氧化为硝酸盐。影响AOB和NOB的一大重要因素即为溶解氧，因为硝化细菌都为好氧菌。莫诺方程式量化模拟可知，表征对氧亲和力的KO2(值越高亲和力越弱)的值，NOB相较于AOB大,即表明当溶解氧受限时，NOB的耐受性不如AOB，前者受影响比较大。故通过控制持续的低溶解氧，污泥经淘洗有利于实现稳定的短程硝化，从而实现亚硝酸盐的稳定积累。研究表明在溶解氧为0.4-0.7mg/L时，NOB的增长速率低于AOB。运行中污泥龄在15天左右，可以实现AOB的增长却不能满足NOB的增长，导致NOB逐渐被淘洗掉。因此认为控制低溶解氧和合适的污泥龄是实现短程硝化的关键。通过低氧曝气区与缺氧厌氧氨氧化区的交替设置有利于抑制NOB，实现短程硝化和厌氧氨氧化。
在实现了稳定的短程硝化即亚硝酸盐积累后，厌氧氨氧化菌能利用原有的氨氮与亚硝酸盐反应高效实现污水脱氮。由于厌氧氨氧化菌利用无机碳源实现自养脱氮，细胞产率低，倍增时间长。加之厌氧氨氧化菌难以富集和容易流失，因此采用生物膜填料既保证了一定的厌氧氨氧化菌的生物量和厌氧氨氧化反应的高效进行，又避免了前面低氧曝气区流入的短程硝化污泥的影响。
发明内容：
本发明的目的就是针对如今能源危机凸显和现有的大能耗污水处理厂的情况下，为实现高效低耗的可持续发展的污水处理所提出的一种基于短程硝化-厌氧氨氧化的多级A/O实现城市污水生物脱氮的装置和处理方法，该方法和装置首先将污水通入SBR除碳反应器，通过异养菌在好氧情况下去除进水中的有机物；而后污水通入多级A/O反应器，通过短程硝化和厌氧氨氧化交替进行自养脱氮，出水经沉淀池，污泥回流至第一段缺氧区。该多级A/O连续流反应装置通过好氧区的悬浮活性污泥低氧曝气高效实现短程硝化反应，随之缺氧区的海绵填料有效地持留富集厌氧氨氧化菌，增加了微生物的浓度，显著提高系统的处理能力实现了污水中氮的去除。
本发明的目的是通过以下方案解决的：
基于城市污水短程硝化-厌氧氨氧化的多级A/O生物脱氮的装置，其特征在于：包括顺序连接的生活污水原水箱(1)、SBR反应器(2)、中间水箱(3)、多级A/O反应器(4)和沉淀池(5)；所述城市污水原水箱(1)设有溢流管(1.1)和放空管(1.2)；城市污水原水箱(1)通过第一进水泵(2.1)与SBR反应器(2)的进水管相连接；中间水箱(3)设有溢流管(3.1)和放空管(3.2)；SBR反应器的出水经中间水箱(3)由第二进水泵(2.2)进入多级A/O反应器(4)；多级A/O反应器(4)由第一段缺氧区(4.1)和其后交替设置的4组好氧区和缺氧区组成，沿水流方向上下交替设置过流孔连接各个区室，第一段好氧区(4.2)、第二段好氧区(4.4)、第三段好氧区(4.6)、第四段好氧区(4.8)采用持续低氧曝气，第二段缺氧区(4.3)、第三段缺氧区(4.5)、第四段缺氧区(4.7)、第五段缺氧区(4.9)投放固定于支架上的附着厌氧氨氧化菌的海绵填料(4.10)。好氧区和缺氧区均设有搅拌器(7)，好氧区设有空压机(4.11)、气体流量计(4.12)、气量调节阀(4.13)和曝气头(4.14)；多级AO反应器(4)通过沉池连接管(5.1)与沉淀池(5)连接；沉淀池(5)通过污泥回流泵(5.2)与多级A/O反应器(4)的第一段缺氧区(4.1)相连。其中厌氧氨氧化填料(4.10)为边长1.5-2.5cm的立方体海绵块，均匀分挂在支架上。其中SBR反应器、各个好氧区和缺氧区均设溶氧仪(6)在线监测溶解氧浓度。
应用所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)接种污泥和启动阶段
SBR反应器接种二沉池回流污泥，污泥浓度在3-4g/L；多级A/O反应器中好氧区接种短程硝化污泥，污泥浓度在3-4g/L；第二、三、四、五段缺氧区皆投放挂有厌氧氨氧化填料的支架，填料的填充比为10％-20％。
(2)正常运行阶段
生活污水进入SBR反应器，曝气除去原水中有机物，溶解氧浓度控制在3-4mg/L,水力停留时间维持在3-4h,污泥停留时间维持在10-12d。
SBR出水进入多级A/O反应器的第一段缺氧区，通过反硝化作用除去回流污泥中的硝态氮，随后进入第一段好氧区进行曝气，部分铵盐转化为亚硝酸盐，之后进入第二段缺氧区将生成的部分亚硝酸盐与原水中铵盐进行厌氧氨氧化反应生成氮气，如此依次经过后面的各好氧段和缺氧段，出水进入沉淀池，污泥回流至第一段缺氧区，回流比100％。调整好曝气阀，控制各个好氧区的溶解氧浓度在0.4-0.6mg/L之间。在多级A/O反应器中的水力停留时间为9.6h。
同时当反应器运行稳定后若反应出水氨氮浓度高于5mg/L,则可以增大曝气量；若氨氮浓度低于1mg/L,则可以适当减小曝气量。
本发明一种基于城市污水短程硝化-厌氧氨氧化的多级A/O生物脱氮的装置与方法，与现有传统生物脱氮工艺和常规厌氧氨氧化脱氮处理工艺相比具有以下优势：
(1)本发明中硝化过程的缩短即发生部分短程硝化反应节省了60％的曝气量，厌氧氨氧化反应的进行节省了100％的有机碳源，节省了能耗，减少了碳足迹的同时，降低了污水厂的运行费用。同时，由于本装置中主要富集自养菌，污泥产量低，减少了剩余污泥排放量，具有节能降耗的优点。
(2)本发明中低氧曝气实现短程硝化后随即进行厌氧氨氧化反应，使得AOB与厌氧氨氧化菌各司其职，污泥的回流即保证了AOB的生物量和短程硝化的顺利进行，又降低了出水中硝态氮的浓度，提高了总氮去除率。生物膜填料的使用保证了厌氧氨氧化菌的生物量和活性，为高效低耗的厌氧氨氧化反应提供了有利条件，从而有效的去除氨氮。
(3)本发明中由于厌氧氨氧化填料采用可移动的支架，并设有多个单元格，可灵活根据AOB和Anammox菌的活性比例调整好氧/缺氧体积比，从而提高反应器的脱氮效率。如若亚硝酸盐积累可增加厌氧区的个数即增大厌氧区体积或者加密海绵填料即增大填料的填充比。
(4)多级A/O反应器中相邻单元格之间采用上下交替进水的方式，在单元格内部形成了类似于UASB反应器的水力条件，增大了剪切力，利于厌氧氨氧化菌的附着生长。
附图说明：
图1为本发明一种基于城市污水短程硝化-厌氧氨氧化的多级A/O生物脱氮的装置的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合图1对本发明作进一步说明，如图1所示，基于城市污水短程硝化-厌氧氨氧化的多级A/O生物脱氮的装置，其特征在于：包括顺序连接的生活污水原水箱(1)、SBR反应器(2)、中间水箱(3)、多级A/O反应器(4)和沉淀池(5)；所述城市污水原水箱(1)设有溢流管(1.1)和放空管(1.2)；城市污水原水箱(1)通过第一进水泵(2.1)与SBR反应器(2)的进水管相连接；中间水箱(3)设有溢流管(3.1)和放空管(3.2)；SBR反应器的出水经中间水箱(3)由第二进水泵(2.2)进入多级A/O反应器(4)；多级A/O反应器(4)由第一段缺氧区(4.1)和其后交替设置的4组好氧区和缺氧区组成，沿水流方向上下交替设置过流孔连接各个区室，第一段好氧区(4.2)、第二段好氧区(4.4)、第三段好氧区(4.6)、第四段好氧区(4.8)采用持续低氧曝气，第二段缺氧区(4.3)、第三段缺氧区(4.5)、第四段缺氧区(4.7)、第五段缺氧区(4.9)投放固定于支架上的附着厌氧氨氧化菌的海绵填料(4.10)。好氧区和缺氧区均设有搅拌器(7)，好氧区设有空压机(4.11)、气体流量计(4.12)、气量调节阀(4.13)和曝气头(4.14)；多级AO反应器(4)通过沉池连接管(5.1)与沉淀池(5)连接；沉淀池(5)通过污泥回流泵(5.2)与多级A/O反应器(4)的第一段缺氧区(4.1)相连。其中厌氧氨氧化填料(4.10)为边长2.5cm的立方体海绵块，均匀分挂在支架上。其中SBR反应器、持续低氧曝气的好氧区和厌氧氨氧化的缺氧区均设溶氧仪(6)在线监测溶解氧浓度。
实验所用污水来自北京某高校家属区生活污水化粪池，其水质指标为：COD为140±41.9mg/L，NH4 +-N为53.27±10.7mg/L,NO2-N为0.17±0.05mg/L,NO3-N为0.68±0.5mg/L,pH为7.44±0.2。
(5)实验系统中SBR反应器有效容积为15L，中间水箱容积为10L,多级A/O反应器的有效容积为36L(共9区，每区有效容积为4L)，沉淀池的有效容积为15L。
具体运行操作如下：
(1)接种污泥和启动阶段
SBR反应器接种传统污水处理厂的二沉池回流污泥，含有大量活性好的异氧菌，通过曝气可实现有机物的降解，使污泥浓度在3.5g/L；多级A/O反应器中好氧区接种某中试规模稳定运行的短程硝化污泥，其中氨氧化菌(AOB)数量多且活性好，与亚硝酸盐氧化菌(NOB)相比占优势，污泥浓度在3.5g/L；第二、三、四、五段缺氧区皆投放挂有厌氧氨氧化填料的支架，其中填料取自处理高氨氮废水的一体化自养脱氮反应器，填料的填充比为20％。
(2)正常运行阶段
生活污水进入SBR反应器，曝气除去原水中有机物，溶解氧浓度控制在3-4mg/L,水力停留时间维持在4h,污泥停留时间维持在10d。
SBR出水进入多级A/O反应器的第一段缺氧区，通过反硝化作用除去回流污泥中的硝态氮，随后进入第一段好氧区进行低氧曝气，部分铵盐转化为亚硝盐，随后进入第二段缺氧区将生成的部分亚硝酸盐与原水中铵盐进行厌氧氨氧化反应生成氮气，如此依次经过后面的各好氧和缺氧段，出水进入沉淀池，污泥回流至第一段缺氧区，回流比100％。调整好曝气阀，控制各个好氧区的溶解氧浓度在0.4-0.6mg/L之间。在多级A/O反应器中的水力停留时间为9.6h。
同时当反应器运行稳定后若反应出水氨氮浓度高于5mg/L,则可以增大曝气量；相反，若氨氮浓度低于1mg/L,则可以适当减小曝气量。
实验结果表明：进水为平均碳氮比为3.2的生活污水，反应器稳定运行后，出水的TN<15mg/L、COD<45mg/L。其中SBR出水COD在55mg/L到80mg/L之间，氨氮浓度在44mg/L到70mg/L之间，亚硝态氮在0.4mg/L到1.6mg/L之间，硝态氮在0.2mg/L到1.2mg/L之间。多级A/O反应器的出水中氨氮为在1.0mg/L到6.0mg/L之间，亚硝态氮为在0.20mg/L到3.55mg/L之间，硝态氮为在0.55mg/L到5.80mg/L之间，COD为在35mg/L到45mg/L之间，平均总氮去除率高达73.5％。多级A/O系统污泥浓度MLSS稳定维持在3000mg/L～3500mg/L之间，SVI稳定在90-110之间。
Claims (3)
1.基于城市污水短程硝化-厌氧氨氧化的多级A/O生物脱氮的装置，其特征在于：包括顺序连接的城市污水原水箱(1)、SBR反应器(2)、中间水箱(3)、多级A/O反应器(4)和沉淀池(5)；所述城市污水原水箱(1)设有溢流管(1.1)和放空管(1.2)；城市污水原水箱(1)通过第一进水泵(2.1)与SBR反应器(2)的进水管相连接；中间水箱(3)设有溢流管(3.1)和放空管(3.2)；SBR反应器的出水经中间水箱(3)由第二进水泵(2.2)进入多级A/O反应器(4)；多级A/O反应器(4)由第一段缺氧区(4.1)和其后交替设置的4组好氧区和缺氧区组成，沿水流方向上下交替设置过流孔连接各个区室，第一段好氧区(4.2)、第二段好氧区(4.4)、第三段好氧区(4.6)、第四段好氧区(4.8)采用持续低氧曝气，第二段缺氧区(4.3)、第三段缺氧区(4.5)、第四段缺氧区(4.7)、第五段缺氧区(4.9)投放固定于支架上的附着厌氧氨氧化菌的海绵填料(4.10)；好氧区和缺氧区均设有搅拌器(7)，好氧区设有空压机(4.11)、气体流量计(4.12)、气量调节阀(4.13)和曝气头(4.14)；多级A/O反应器(4)通过沉池连接管(5.1)与沉淀池(5)连接；沉淀池(5)通过污泥回流泵(5.2)与多级A/O反应器(4)的第一段缺氧区(4.1)相连；其中附着厌氧氨氧化菌的海绵填料(4.10)为边长1.5-2.5cm的立方体海绵块均匀分挂在支架上；其中SBR反应器、各个好氧区和缺氧区均设溶氧仪(6)在线监测溶解氧浓度。
2.应用如权利要求1所述装置处理生活污水的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)接种污泥和启动阶段
SBR反应器接种二沉池回流污泥，污泥浓度在3-4g/L；多级A/O反应器中好氧区接种短程硝化污泥，污泥浓度在3-4g/L；第二、三、四、五段缺氧区皆投放挂有厌氧氨氧化填料的支架，填料的填充比为10％-20％；
(2)正常运行阶段
生活污水进入SBR反应器，曝气除去原水中有机物，溶解氧浓度控制在3-4mg/L,水力停留时间维持在3-4h,污泥停留时间维持在10-12d；
SBR出水进入多级A/O反应器的第一段缺氧区，通过反硝化作用除去回流污泥中的硝态氮，随后进入第一段好氧区进行曝气，依次经过后面的各好氧区和缺氧区，出水进入沉淀池，污泥回流至第一段缺氧区，回流比100％；调整好曝气阀，控制各个好氧区的溶解氧浓度在0.4-0.6mg/L之间；在多级A/O反应器中的水力停留时间为9.6h。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于：当反应器运行稳定后若反应出水氨氮浓度高于5mg/L时,则增大曝气量；若氨氮浓度低于1mg/L，则减小曝气量。
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- 2015-07-27 CN CN201510446953.5A patent/CN104986923B/zh active Active
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