CN105399203A - 可实现anammox脱氮的侧向潜流湿地处理装置及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流湿地处理装置及其使用方法。本发明公开了一种可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流湿地处理装置，由多级梯度向下的自然复氧槽、侧向潜流湿地床组成，其中一个自然复氧槽和侧向潜流湿地床组成一组单元池，自然复氧槽布置在侧向潜流湿地床前端，多组单元池串联沿梯度向下共同组成所述湿地处理装置。该装置解决了在人工湿地中，如何在低C/N和无电气化控制条件下，有效去除污水中的氮元素等问题。本发明侧向潜流湿地处理装置具有脱氮能力强、结构简单、实用方便、节约能量等优点。此人工湿地无需投加外碳源及曝气装置即可得到稳定的脱氮效果，同时对于低C/N比废水和高氨氮废水也有更好的适应性，可处理的水质范围更广。

Description

可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流湿地处理装置及处理方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流湿地处理装置及处理方法。
背景技术
氮素含量是水质控制的重要指标。氮素污染的加剧也是近年来引起我国湖泊、河流以及近海等水域水华和赤潮大规模爆发的重要因素之一，因此引起了人们的广泛关注。传统废水处理的氨氮脱除一般是通过硝化和反硝化过程实现，但这一过程需要大量曝气、额外投加有机碳源和碱度，投资和运行费用高昂，而且还会产生二次污染，开发新型低能耗的生物脱氮技术迫在眉睫。
近年来，随着生物脱氮理论与技术的突破，以ANAMMOX工艺为代表的新型生物脱氮技术逐渐进入人们视野。与传统生物脱氮技术相比，ANAMMOX菌为化学自养型细菌，并且ANAMMOX反应途径较短，因此ANAMMOX反应不需要碱度补偿和投加有机碳源，只需要维持较低的溶解氧，即可实现当废水进水C/N<3.4时或高氨氮废水的脱氮反应，从而节约了大量的能源和物料，节省运行成本，具有可持续发展的意义。ANAMMOX反应是微生物直接将NH4 +-N和NO2 -N反应转化为N2，达到脱氮的目的，其中作为电子受体的NO2 -一般由氨转化而来。目前已见公知的ANAMMOX反应装置如CN203200141U“一体化间歇式低C/N比厌氧氨氧化生物脱氮反应装置”、CN104386812A“基于颗粒污泥和生物膜的复合式厌氧氨氧化反应工艺及装置”、CN104355404A“一种快速实现生物滤池厌氧氨氧化的方法与装置”等，ANAMMOX反应装置均为电气化的实验装置，且设置较为复杂，需要搅拌、回流、曝气等一些列电气装置，其设备投资大，控制非常复杂，且只能处理一些特定种类的污废水。而CN102464406A“一种利用人工湿地实现厌氧氨氧化生物脱氮的方法”则为间歇运行方式，在实际的运用过程中与连续流相比，存在控制较为复杂、占地面积较大等问题。在人工湿地中，将ANAMMOX技术应用于连续侧向流人工湿地则未见报道。
发明内容
本发明要解决的问题是在人工湿地中，如何在低C/N和无电气化控制条件下，有效去除污水中的氮元素等问题。
本发明的技术方案是一种可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理方法，所述方法采用由自然复氧槽和侧向潜流湿地床组成的处理单元池，污水由进水管流入第一组单元池的自然复氧槽中，通过跌跃式薄水层自然复氧的方式增加污水中的溶解氧，再流入侧向潜流湿地床中，湿地床体中布置有布水管、集水管、填料、湿地植物和含ANAMMOX菌的沉积物，湿地床竖向断面上水质条件均匀，整个湿地床内部沿水流方向为一个以厌缺氧为主的好氧、缺氧、厌氧的交替环境，在植物根系泌氧的协同作用下，污水总体处于微氧状态，待处理污水中亚硝酸盐的流入与厌缺氧的微环境为ANAMMOX菌生长提供适宜的环境，使得污水在侧向潜流湿地中同时发生硝化、反硝化以及ANAMMOX反应，污水中的碳源有机物沿程逐渐被消耗，C/N比不断降低，同时去除污水中的N污染物；随后污水流入下一组单元池的自然复氧槽中，再流入侧向潜流湿地床中，继续进行反应，经过多组单元池循环处理，直至达到出水标准；
整个处理过程采用连续进水、连续出水的运行方式，进水通过预处理方法控制COD与TN浓度比值在2:1以下，进水COD浓度在60mg/L以下，通过连续自然稳定进水，湿地床表面水力负荷控制在0.3m3/(m2.d)，总的侧向潜流湿地的水力停留时间控制在18h以上。
具体的，湿地床中没有导板阻隔。
本发明还提供了可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置，由自然复氧槽、侧向潜流湿地床组成，其中一个自然复氧槽连接一个侧向潜流湿地床组成一组单元池，多组单元池串联沿梯度向下共同组成所述湿地污水处理装置；
所述自然复氧槽为跌跃式薄水层自然复氧槽；
所述侧向潜流湿地床包含湿地床体、布水管、集水管、填料、湿地植物和含ANAMMOX菌的沉积物；布水管和集水管均设置在侧向潜流湿地床底部，分别布置在侧向潜流湿地床的进水端和出水端，以实现侧向潜流湿地床中的水流均匀性，含ANAMMOX菌的沉积物铺在填料上。
具体的，所述湿地床体的有效水深高度为0.4～0.6m。
具体的，填料为碎石、混凝土骨料或瓦砾中的一种或几种，粒径为5～10mm，根据水流方向，单元池内填料粒径依次降低。
本发明所述自然复氧槽为已公开的CN102583760A“跌跃式薄水层人工湿地复氧槽”，通过跌水曝气来增加水中的溶解氧，以实现ANAMMOX生物脱氮反应。
本发明的有益效果：
本发明提出的处理装置具有脱氮能力强、结构简单、实用方便、构思巧妙等优点。传统的人工湿地脱氮，均受到好氧硝化时的填料溶解氧不足的限制，缺氧反硝化时碳源不足的限制，且在不外加机电设备时富氧能力极差，无法构建出亚硝化需要的低氧环境。而在本处理装置中，废水先通过自然复氧槽进行跌水富氧，形成了一个稳定的低溶解氧的微环境，为亚硝化的进行提供了充分的条件。随后废水进入侧向潜流湿地床，充分利用了此种湿地床竖向断面上水质条件较为均匀、自然的填料厌氧环境等特点，使得整个装置内部沿水流方向较均匀的形成了一个以厌缺氧为主的好氧、缺氧、厌氧的交替环境，此时待处理污水中亚硝酸盐的流入与厌缺氧的微环境为ANAMMOX菌的生长提供了良好的生存条件，使湿地沉积物中ANAMMOX菌逐步富集起来，占据主导地位。故此种人工湿地无需投加外碳源及曝气装置即可得到比传统人工湿地更为稳定的脱氮效果，同时对于低C/N比废水和高氨氮废水也有更好的适应性，可处理的水质范围更广。
同时，此种人工湿地可以自由组合，根据具体水质增加或减少单元池的组数，以适应不同的水质变化。
另外，由于ANAMMOX菌代谢活性高，对基质的亲和力强，说明ANAMMOX工艺具有较高的容积氮去除速率和基质转化率。这在一定程度上减少了侧向流湿地床的占地面积，节约了工程投资成本。
与传统人工湿地相比，以ANAMMOX为主的人工湿地不易堵塞。人工湿地的堵塞问题一直是限制湿地处理效果及使用寿命的主要因素。由于ANAMMOX菌的细胞产率远低于反硝化菌，短程硝化-ANAMMOX工艺的污泥产量也远低于硝化-反硝化工艺，故此种人工湿地污泥产生量较少。且传统人工湿地的总氮的去除率为40～55％之间，且总氮的去除效果很少高于上限值，而本工艺能实现在低C/N的情况下，总氮的去除率为65％以上，节约了碳源。加之侧向流湿地床中没有导板阻隔，流态死区少，进一步提高了此种装置的使用寿命及脱氮效果。
由于该方法仅是对潜流式人工湿地的改造，不同于传统的ANAMMOX生物脱氮反应装置的复杂构造，建设投资较低。并且此种人工湿地在实现稳定的较好脱氮效果下，不仅没有传统的ANAMMOX反应装置的对于能源和物料的消耗，也降低了反应装置的管理成本及运行成本。
附图说明
图1：侧向潜流湿地处理装置及方法剖面图
图2：侧向潜流湿地处理装置及方法平面图
图中标号为：1进水管，2自然复氧槽，3侧向潜流湿地床，4出水管，5布水管，6集水管，7填料，8湿地植物。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，本人工湿地处理装置包括进水管1、自然复氧槽2、侧向潜流湿地床3、出水管4、布水管5、集水管6、填料7、湿地植物8等组成。侧向潜流湿地床包含布水管5、集水管6、填料7、湿地植物8。其中，通过设置在侧向潜流湿地床3底部的布水管5和集水管6，以实现侧向潜流湿地床中的水流均匀性。自然复氧槽2布置在侧向潜流湿地床3前端，其中一个自然复氧槽2和侧向潜流湿地床3组成一组单元池，湿地处理装置可由一组或多组单元池串联沿梯度向下共同组成。进水管1用于待处理污水进入侧向潜流湿地处理装置，出水管4用于处理后的水流出侧向潜流湿地处理装置；
如图1和图2所示，侧向潜流湿地床的填料7为碎石、混凝土骨料或瓦砾中的一种或几种，粒径为15～30mm。
接种污泥：待湿地植物8栽种完成以后，可向侧向潜流湿地床3中接种污泥；所接种污泥选取污水厂的活性污泥，优选为稳定运行的ANAMMOX反应器里的污泥；根据计算所得填料7的孔隙率来投加活性污泥，使得活性污泥的投加浓度保持在1500～2500mg/L，优选为2000mg/L。
本人工湿地处理装置的处理过程：
侧向潜流湿地采用连续进水，连续出水的运行方式；其中进水中的C/N<2，COD为60mg/L以下，总氮浓度为30～50mg/L，其中氨氮浓度约占总氮浓度的60％以上；总的侧向潜流湿地的水力停留时间控制在24h；通过控制自然复氧槽2的长度，以保证在侧向潜流湿地床3后4/5～2/3的溶解氧在1.0mg/L以下。
本人工湿地处理装置采用连续进水，连续出水的工作方式，当污水通过进水管1进入自然复氧槽2中，通过跌水曝气的方式增加污水中的溶解氧，再流入侧向潜流湿地床3中，湿地床3的深度为600～1500毫米，不同级湿地床中的填料7的粒径应逐渐减小，填料上种植水生植物8。通过吸附、滞留、过滤、氧化还原、沉淀、微生物分解等作用，对水质进行净化。污水在流经侧向潜流湿地床3时，不断消耗湿地内部的氧气，形成一个好氧、缺氧、厌氧的环境。污水中的碳源沿程逐渐的被消耗，C/N比不断的降低，使其不仅可以实现传统的硝化与反硝化，而且可以在缺氧环境进行亚硝化反应，为ANAMMOX提供NO2 -，在缺氧的环境下，则可进行ANAMMOX反应。一组单元池处理完后，污水又进入下一组单元池中，继续进行反应，进一步提高出水水质。污水通过传统的硝化和反硝化，以及ANAMMOX反应，使得其中的氮在形式上变成了N2，从污水中脱离出来，得以去除，污水最终达标排放。
实施例2
以重庆市某污水厂为实验对象。其总尺寸为A×H＝535m2×0.6m，设计流量为12.5m3/h，表面水力负荷为0.48m3/m2·h，总水力停留时间为30h。湿地系统由四组梯度向下的侧向潜流湿地床、自然复氧槽组成，湿地床中放置砾石填料，直径沿水流方向由20～5mm逐渐减小，采用连续进水方式。进水总氮浓度为38mg/L，氨氮浓度为30mg/L，COD浓度为51mg/L，其C/N比<2。
启动和正常运行：待湿地床中植物栽种完成以后，并向侧向潜流湿地床中接种活性污泥，使得活性污泥的投加浓度保持在2000mg/L，并正常通入污水。检测进水水质，保证COD为60mg/L以下，总氮浓度为30～40mg/L。待运行2个月后，即进入正常运行阶段。湿地沉积物中ANAMMOX菌逐步富集起来，占据主导地位。
采用上述工艺出水水质为：总氮浓度为11mg/L，COD为33mg/L。其总氮的去除率为71％，而一般的人工湿地总氮的去除率为40～55％之间，且其COD具有普通人工湿地的COD去除效率。

Claims (5)

1.可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理方法，其特征在于：所述方法采用由自然复氧槽和侧向潜流湿地床组成的处理单元池，污水由进水管流入第一组单元池的自然复氧槽中，通过跌跃式薄水层自然复氧的方式增加污水中的溶解氧，再流入侧向潜流湿地床中，湿地床体中布置有布水管、集水管、填料、湿地植物和含ANAMMOX菌的沉积物，湿地床竖向断面上水质条件均匀，整个湿地床内部沿水流方向为一个以厌缺氧为主的好氧、缺氧、厌氧的交替环境，在植物根系泌氧的协同作用下，污水总体处于微氧状态，待处理污水中亚硝酸盐的流入与厌缺氧的微环境为ANAMMOX菌生长提供适宜的环境，使得污水在侧向潜流湿地中同时发生硝化、反硝化以及ANAMMOX反应，污水中的碳源有机物沿程逐渐被消耗，C/N比不断降低，同时去除污水中的N污染物；随后污水流入下一组单元池的自然复氧槽中，再流入侧向潜流湿地床中，继续进行反应，经过多组单元池循环处理，直至达到出水标准；
整个处理过程采用连续进水、连续出水的运行方式，进水通过预处理方法控制COD与TN浓度比值在2:1以下，进水COD浓度在60mg/L以下，通过连续自然稳定进水，湿地床表面水力负荷控制在0.3m3/(m2.d)，总的侧向潜流湿地的水力停留时间控制在18h以上。
2.根据权利要求1所述的污水处理方法，其特征在于：湿地床中没有导板阻隔。
3.可实现ANAMMOX脱氮的侧向潜流人工湿地污水处理装置，其特征在于：由自然复氧槽、侧向潜流湿地床组成，其中一个自然复氧槽连接一个侧向潜流湿地床组成一组单元池，多组单元池串联沿梯度向下共同组成所述湿地污水处理装置；
所述自然复氧槽为跌跃式薄水层自然复氧槽；
所述侧向潜流湿地床包含湿地床体、布水管、集水管、填料、湿地植物和含ANAMMOX菌的沉积物；布水管和集水管均设置在侧向潜流湿地床底部，分别布置在侧向潜流湿地床的进水端和出水端，以实现侧向潜流湿地床中的水流均匀性，含ANAMMOX菌的沉积物铺在填料上。
4.如权利要求3所述的侧向潜流湿地处理装置，其特征在于：所述湿地床体的有效水深高度为0.4～0.6m。
5.如权利要求3或4所述的侧向潜流湿地处理装置，其特征在于：填料为碎石、混凝土骨料或瓦砾中的一种或几种，粒径为5～10mm，根据水流方向，单元池内填料粒径依次降低。
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