CN105923774A - 一种三段式短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺实现污泥消化液深度脱氮的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三段式短程硝化‑厌氧氨氧化‑短程反硝化工艺实现污泥消化液深度脱氮的装置与方法。污泥消化液首先进入短程硝化反应器，通过缺氧搅拌充分利用消化液中有机物将上周期残留的亚硝酸盐去除，随后曝气进行短程硝化；含有亚硝酸盐出水与另一部分污泥消化液混合后进入厌氧氨氧化反应器进行脱氮，其出水随后进入短程反硝化反应器，将厌氧氨氧化反应过程产生的硝酸盐转化为亚硝酸盐，再通过回流到厌氧氨氧化反应器与原水中氨氮得到进一步去除。本发明将厌氧氨氧化反应器出水过量硝酸盐还原为厌氧氨氧化反应所需底物亚硝酸盐，且碳源耗量少，污泥产量低，三段式反应器易于灵活调控，适用于高氨氮低碳氮比废水的深度脱氮。

Description

一种三段式短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺实现污泥消化液深度脱氮的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种低碳氮比污泥消化液的深度脱氮技术，属于高氨氮废水生物处理技术领域，具体是一部分污泥消化液首先进入短程硝化反应器，通过缺氧搅拌充分利用污泥消化液中有机物将上周期残留的亚硝酸盐去除，随后曝气进行短程硝化，含有亚硝酸盐出水与另一部分消化液进入厌氧氨氧化反应器脱氮，其出水随后进入短程反硝化反应器，将厌氧氨氧化反应过程产生的硝酸盐转化为亚硝酸盐，再回流到厌氧氨氧化反应器得到进一步去除，从而实现污泥消化液的深度脱氮。该方法技术适用于污泥消化液、晚期垃圾渗渗滤液及焦化废水等低碳氮比高氨氮废水的深度脱氮。

背景技术

随着活性污泥法在我国污水处理厂的广泛应用，各污水处理厂普遍面临着污泥处置问题。污泥中含有大量可利用的有机物，其可以通过厌氧消化的方式进行处理，不仅可以实现污泥的减量化，而且可以同步回收能源物质甲烷，是污泥资源化处置一种重要的途径。

然而，污泥厌氧消化过程会释放大量的氨氮，污泥消化液氨氮高达400-1500mg/L，但COD仅为200～1000mg/L，使得污泥消化液成为典型的高氨氮低碳氮比废水，虽然其水量小，但所含氨氮占污水厂氮负荷的10％-25％，如果将其回流到污水处理厂前端将会大大增加污水处理氮负荷和运行能耗，因此需开发新型节能降耗的污泥消化液脱氮工艺对其进行单独处理。

由于污泥消化液中氨氮浓度较高，短程硝化过程可以实现稳定的亚硝酸盐积累，因此短程硝化+厌氧氨氧化自养脱氮技术普遍用于污泥消化液的旁侧处理，该工艺具有节省曝气能耗和药剂、污泥产量小、脱氮负荷高、减少温室气体排放等优点。然而该工艺存在的问题是厌氧氨氧化菌在将氨氮和亚硝酸盐氮转化为氮气的过程还会产生一定量的硝酸盐氮(式1)，特别是在处理高氨氮废水(如污泥消化液)时，其出水往往含有大量的硝酸盐氮，需要进一步的处理才能排放。

NH₄ ⁺+1.32NO₂ ^-+0.066HCO₃ ^-+0.13H⁺→

1.02N₂+0.26NO₃ ^-+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O (1)

最近研究表明，短程反硝化过程可以将硝酸盐氮高效转化为亚硝酸盐氮。这就为高氨氮废水的深度脱氮提供了新思路。对于短程硝化-厌氧氨氧化技术处理污泥消化液时，在厌氧氨氧化反应器之后增加短程反硝化反应器，将厌氧氨氧化产生的硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮，再回流到厌氧氨氧化反应器，即可实现污泥消化液的深度脱氮，其出水无需后续处理即可排放，同时减少碳源投加量和污泥产量。

发明内容

本发明提出了一种新型的三段式短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺深度处理污泥消化液的方法，具体是一部分污泥消化液首先进短程硝化反应器，通过缺氧搅拌充分利用消化液中有机物将上周期残留的亚硝酸盐去除，随后曝气进行短程硝化，含有亚硝酸盐出水与另一部分消化液进入厌氧氨氧化反应器脱氮，其出水随后进入短程反硝化反应器，将厌氧氨氧化反应过程产生的硝酸盐转化为亚硝酸盐，再回流到厌氧氨氧化反应器进一步去除。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种三段式短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺实现污泥消化液深度脱氮的装置，其特征在于，包括原水箱(1)、短程硝化反应器(2)、第一中间水箱(3)、厌氧氨氧化反应器(4)、第二中间水箱(5)、短程反硝化反应器(6)、碳源储备箱(7)和第三中间水箱(8)。

所述短程硝化反应器(2)设有气泵(2.1)、曝气头(2.2)、第一取样口(2.3)、第一排水口(2.4)、第一排水阀(2.5)、第一进水口(2.6)、第一搅拌器(2.7)、碱度投加口(2.8)、碱度储备箱(2.9)、第一蠕动泵(2.10)和pH实时监测装置(2.11)；所述厌氧氨氧化反应器(4)设有第二放空管(4.1)、第二进水口(4.2)、第三进水口(4.3)、第二取样口(4.4)、第一回流口(4.5)、第一回流泵(4.6)、第二回流口(4.7)、第二回流泵(4.8)、三相分离器(4.9)、排气口(4.10)、气袋(4.11)和第二排水口(4.12)；所述短程反硝化反应器(6)设有第三放空管(6.1)、第三取样口(6.2)、第三排水口(6.3)、第二排水阀(6.4)、第三进水泵(6.5)、第三蠕动泵(6.6)和搅拌器(6.7)；

原水箱(1)通过第一进水泵(1.1)与短程硝化反应器(2)第一进水口(2.6)相连；第一中间水箱(3)出水口(3.1)通过第二蠕动泵(3.2)与厌氧氨氧化反应器(4)第二进水口(4.2)相连；原水箱(1)第一放空管(1.2)通过第二进水泵(1.3)与厌氧氨氧化反应器(4)第二进水口(4.2)相连；厌氧氨氧化反应器(4)第一回流口(4.5)通过第一回流泵(4.6)与第二进水口(4.3)相连，第二回流口(4.7)通过第二回流泵(4.8)与第二中间水箱(5)相连；第三中间水箱(8)第四放空管(8.1)通过第三回流泵(8.2)与厌氧氨氧化反应器(4)第三进水口(4.3)相连。

2.利用所述装置进行一种三段式短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺实现污泥消化液深度脱氮的方法，其特征在于，包括以下过程：

1)分别将短程硝化污泥、厌氧氨氧化颗粒污泥和短程反硝化污泥投加至短程硝化反应器、厌氧氨氧化反应器和短程反硝化反应器中，控制投加后各反应器混合液污泥浓度分别为2.0～4.0g/L、10.0～25.0g/L、1.0～3.0g/L；

2)将污泥消化液泵入短程硝化反应器，打开第一搅拌器，缺氧搅拌30～180min后，打开气泵，控制短程硝化反应器溶解氧浓度为0.5～3.0mg/L，曝气搅拌180～480min后，关闭第一搅拌器和气泵，沉淀30～90min后将出水排入第一中间水箱；

3)将第一中间水箱和原水箱中废水泵入厌氧氨氧化反应器，调节第二进水泵和第二蠕动泵流速，控制厌氧氨氧化反应器第二进水口处亚硝酸盐氮与氨氮质量浓度比为0.8～1.3；

厌氧氨氧化反应器内废水由第二回流口连续泵入第二中间水箱，控制第二回流泵流速与第二进水口流速比为1.0～5.0；

4)将第二中间水箱内废水泵入短程反硝化反应器，同时打开第三蠕动泵，将碳源储备箱内有机物泵入短程反硝化反应器中，打开第二搅拌器，缺氧搅拌5～30min后，关闭第二搅拌器，沉淀10～40min后将上清液排入第三中间水箱；

第三中间水箱内废水连续泵入厌氧氨氧化反应器，调节第三回流泵流速与第二回流泵流速相同；

所述步骤2)短程硝化反应器在运行过程中控制污泥龄在15～30天；

所述步骤2)中短程硝化反应器在实时监测过程中pH小于7.0时，打开第一蠕动泵投加碱度至pH增加到7.5～7.8；

所述步骤3)中控制第一回流泵流速与第二进水口流速比为1.0～5.0；

所述步骤4)中控制碳源投加量使投加后短程反硝化反应器中COD质量浓度与硝酸盐氮质量浓度比为2.5～3.5，污泥龄为20～50天。

技术原理

三段式短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺实现污泥消化液深度脱氮，首先将污泥消化液泵入短程硝化反应器将进水氨氮转化为亚硝酸盐氮，在好氧硝化前设置一缺氧搅拌阶段，不但可以充分利用消化液含有的有机物，将反应器上周期残留的亚硝酸盐氮还原为氮气，而且可以减少好氧过程氧化有机物消耗的氧气。短程硝化反应器出水(含亚硝酸盐氮)与污泥消化液(含氨氮)同时进入厌氧氨氧化反应器脱氮，通过控制两类废水的进水流量可以获得良好的氨氮和亚硝酸盐氮去除效果。在厌氧氨氧化过程中会产生硝酸盐氮，为实现深度脱氮，将厌氧氨氧化过程的出水作为短程反硝化反应器的进水，通过短程反硝化的作用将硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮，然后再回流到厌氧氨氧化反应器与原水中氨氮得到同步去除。根据进水水质和氨氮浓度，可调节短程反硝化出水回流至厌氧氨氧化反应器的流量，使系统最终出水含有较低浓度的硝酸盐氮，最终实现达标排放。

本发明涉及的一种三段式短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺实现污泥消化液深度脱氮的装置与方法具有以下优点：

1)通过提高厌氧氨氧化反应器出水回流到短程反硝化反应器的流量，可以获得较低的出水硝酸盐氮浓度，无需消耗大量外加碳源，节省运行费用并实现高氨氮污泥消化液的深度脱氮；

2)解决了短程硝化过程难以维持厌氧氨氧化过程所需严格进水基质比例的问题，短程硝化过程无需复杂控制操作以满足较高的亚硝酸盐氮积累率，当亚硝酸盐氮积累率较低或短程硝化出水含有大量硝酸盐氮时，仅通过提高厌氧氨氧化反应器出水回流到短程反硝化反应器的流量，也能获取较好的脱氮效果，同时简化了工艺的运行操作；

3)短程硝化反应器在好氧硝化前设置缺氧搅拌阶段，不但可以充分利用污泥消化液含有的有机物，将反应器上周期残留的亚硝酸盐氮还原为氮气，而且可以减少好氧过程氧化有机物所消耗的氧气，有利于进一步节能降耗；

4)硝化细菌和厌氧氨氧化菌均为自养微生物，其倍增时间长，污泥产率低；此外，短程反硝化由于只进行硝酸盐氮到亚硝酸盐氮的还原，碳源耗量少，污泥产量相比与完全反硝化也较低，因此该工艺能大大减少剩余污泥产量，降低污泥后续处理费用和能耗；

5)当污泥消化液水质波动、短程硝化或短程反硝化反应器运行不稳定时，通过优化短程硝化出水与污泥消化液原水进入厌氧氨氧化反应器的流量，可实现系统高总氮去除率的稳定维持，工艺运行过程控制简单。

附图说明

图1为一种三段式短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺实现污泥消化液深度脱氮的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种三段式短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺实现污泥消化液深度脱氮的装置，其特征在于，包括原水箱(1)、短程硝化反应器(2)、第一中间水箱(3)、厌氧氨氧化反应器(4)、第二中间水箱(5)、短程反硝化反应器(6)、碳源储备箱(7)和第三中间水箱(8)。

所述短程硝化反应器(2)设有气泵(2.1)、曝气头(2.2)、第一取样口(2.3)、第一排水口(2.4)、第一排水阀(2.5)、第一进水口(2.6)、第一搅拌器(2.7)、碱度投加口(2.8)、碱度储备箱(2.9)、第一蠕动泵(2.10)和pH实时监测装置(2.11)；所述厌氧氨氧化反应器(4)设有第二放空管(4.1)、第二进水口(4.2)、第三进水口(4.3)、第二取样口(4.4)、第一回流口(4.5)、第一回流泵(4.6)、第二回流口(4.7)、第二回流泵(4.8)、三相分离器(4.9)、排气口(4.10)、气袋(4.11)和第二排水口(4.12)；所述短程反硝化反应器(6)设有第三放空管(6.1)、第三取样口(6.2)、第三排水口(6.3)、第二排水阀(6.4)、第三进水泵(6.5)、第三蠕动泵(6.6)和搅拌器(6.7)；

原水箱(1)通过第一进水泵(1.1)与短程硝化反应器(2)第一进水口(2.6)相连；第一中间水箱(3)出水口(3.1)通过第二蠕动泵(3.2)与厌氧氨氧化反应器(4)第二进水口(4.2)相连；原水箱(1)第一放空管(1.2)通过第二进水泵(1.3)与厌氧氨氧化反应器(4)第二进水口(4.2)相连；厌氧氨氧化反应器(4)第一回流口(4.5)通过第一回流泵(4.6)与第二进水口(4.3)相连，第二回流口(4.7)通过第二回流泵(4.8)与第二中间水箱(5)相连；第三中间水箱(8)第四放空管(8.1)通过第三回流泵(8.2)与厌氧氨氧化反应器(4)第三进水口(4.3)相连。

本实施例中具体试验用水为模拟污泥消化液，其平均氨氮浓度为651±26mg/L，COD平均浓度为470±50mg/L，碱度为3000±150mg/L(以CaCO₃计)。试验短程硝化反应器采用序批式SBR，有效容积为10L,每周期12h，排水比为65％；厌氧氨氧化反应器采用升流式厌氧污泥床反应器(UASB)有效容积为4L；短程反硝化反应器为SBR反应器，有效容积为10L,每周期3h，排水比为80％。

具体操作过程如下：

1)分别将短程硝化污泥、厌氧氨氧化颗粒污泥和短程反硝化污泥投加至短程硝化反应器、厌氧氨氧化反应器和短程反硝化反应器中，投加后各反应器混合液污泥浓度分别为3.2g/L、15.1g/L和1.5g/Lg/L；

2)将原水泵入短程硝化反应器，打开搅拌器，缺氧搅拌60min，打开气泵，控制反应器溶解氧浓度小于2.0mg/L，好氧搅拌360min，关闭搅拌器和气泵，沉淀60min后将硝化液排入第一中间水箱；

3)将短程硝化反应器出水和原水泵入厌氧氨氧化反应器，短程硝化出水和原水流速分别为0.54L/h和0.36L/h，第一回流泵的流速为4.5L/h；

4)厌氧氨氧化反应器内废水由第二回流口以恒定速率连续泵入第二中间水箱，其流速为2.7L/h，即与第一进水口流速比为3.0；

5)第二中间水箱内废水泵入短程反硝化反应器，同时将碳源储备箱内有机物泵入短程反硝化反应器中，碳源投加后反应器内COD质量浓度与硝酸盐氮质量浓度比为3.0，缺氧搅拌10min，沉淀20min后将上清液排入第三中间水箱；

6)将第三中间水箱内废水以2.7L/h的流速泵入厌氧氨氧化反应器。

连续试验结果表明：

短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺在室温下运行(20～28℃)，进水氨氮浓度为651±26mg/L，短程硝化反应器污泥龄为20天，短程反硝化反应器污泥龄为40天时，稳定运行6个月的结果表明：系统出水总氮平均浓度小于18.9±3.8mg/L，硝酸盐氮平均浓度13.2±2.1mg/L，平均总氮去除率为97.1％，出水水质达到国家一级B标准，实现了污泥消化液的深度脱氮。

Claims (2)

1.一种三段式短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺实现污泥消化液深度脱氮的装置，其特征在于，包括原水箱(1)、短程硝化反应器(2)、第一中间水箱(3)、厌氧氨氧化反应器(4)、第二中间水箱(5)、短程反硝化反应器(6)、碳源储备箱(7)和第三中间水箱(8)；

所述短程硝化反应器(2)设有气泵(2.1)、曝气头(2.2)、第一取样口(2.3)、第一排水口(2.4)、第一排水阀(2.5)、第一进水口(2.6)、第一搅拌器(2.7)、碱度投加口(2.8)、碱度储备箱(2.9)、第一蠕动泵(2.10)和pH实时监测装置(2.11)；所述厌氧氨氧化反应器(4)设有第二放空管(4.1)、第二进水口(4.2)、第三进水口(4.3)、第二取样口(4.4)、第一回流口(4.5)、第一回流泵(4.6)、第二回流口(4.7)、第二回流泵(4.8)、三相分离器(4.9)、排气口(4.10)、气袋(4.11)和第二排水口(4.12)；所述短程反硝化反应器(6)设有第三放空管(6.1)、第三取样口(6.2)、第三排水口(6.3)、第二排水阀(6.4)、第三进水泵(6.5)、第三蠕动泵(6.6)和搅拌器(6.7)；

原水箱(1)通过第一进水泵(1.1)与短程硝化反应器(2)第一进水口(2.6)相连；第一中间水箱(3)出水口(3.1)通过第二蠕动泵(3.2)与厌氧氨氧化反应器(4)第二进水口(4.2)相连；原水箱(1)第一放空管(1.2)通过第二进水泵(1.3)与厌氧氨氧化反应器(4)第二进水口(4.2)相连；厌氧氨氧化反应器(4)第一回流口(4.5)通过第一回流泵(4.6)与第二进水口(4.3)相连，第二回流口(4.7)通过第二回流泵(4.8)与第二中间水箱(5)相连；第三中间水箱(8)第四放空管(8.1)通过第三回流泵(8.2)与厌氧氨氧化反应器(4)第三进水口(4.3)相连。

2.利用权利要求1所述装置进行一种三段式短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化工艺实现污泥消化液深度脱氮的方法，其特征在于，包括以下过程：

1)分别将短程硝化污泥、厌氧氨氧化颗粒污泥和短程反硝化污泥投加至短程硝化反应器、厌氧氨氧化反应器和短程反硝化反应器中，控制投加后各反应器混合液污泥浓度分别为2.0～4.0g/L、10.0～25.0g/L、1.0～3.0g/L；

2)将污泥消化液泵入短程硝化反应器，打开第一搅拌器，缺氧搅拌30～180min后，打开气泵，控制短程硝化反应器溶解氧浓度为0.5～3.0mg/L，曝气搅拌180～480min后，关闭第一搅拌器和气泵，沉淀30～90min后将出水排入第一中间水箱；

3)将第一中间水箱和原水箱中废水泵入厌氧氨氧化反应器，调节第二进水泵和第二蠕动泵流速，控制厌氧氨氧化反应器第二进水口处亚硝酸盐氮与氨氮质量浓度比为0.8～1.3；

厌氧氨氧化反应器内废水由第二回流口连续泵入第二中间水箱，控制第二回流泵流速与第二进水口流速比为1.0～5.0；

4)将第二中间水箱内废水泵入短程反硝化反应器，同时打开第三蠕动泵，将碳源储备箱内有机物泵入短程反硝化反应器中，打开第二搅拌器，缺氧搅拌5～30min后，关闭第二搅拌器，沉淀10～40min后将上清液排入第三中间水箱；

第三中间水箱内废水连续泵入厌氧氨氧化反应器，调节第三回流泵流速与第二回流泵流速相同；

所述步骤2)短程硝化反应器在运行过程中控制污泥龄在15～30天；

所述步骤2)中短程硝化反应器在实时监测过程中pH小于7.0时，打开第一蠕动泵投加碱度至pH增加到7.5～7.8；

所述步骤3)中控制第一回流泵流速与第二进水口流速比为1.0～5.0；

所述步骤4)中控制碳源投加量使投加后短程反硝化反应器中COD质量浓度与硝酸盐氮质量浓度比为2.5～3.5，污泥龄为20～50天。