CN106830318B

CN106830318B - 一种基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置及处理方法

Info

Publication number: CN106830318B
Application number: CN201710101787.4A
Authority: CN
Inventors: 钱飞跃; 王建芳; 沈耀良; 梅娟
Original assignee: Suzhou University of Science and Technology
Current assignee: Suzhou University of Science and Technology
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-09-04
Anticipated expiration: 2037-02-24
Also published as: CN106830318A

Abstract

本发明涉及一种基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置及处理方法，该处理装置包括用于待处理废水进水的进水管、用于处理后废水出水的出水管、内部填充有CANON颗粒污泥的反应池、连接在反应池底部的具有曝气功能的曝气升流管、与反应池连接用于分离颗粒污泥和水的旋流分离器及连接在曝气升流管和旋流分离器之间的用于回流颗粒污泥的污泥回流系统，曝气升流管的一端由反应池底部穿过并延伸至反应池内部，进水管与曝气升流管相连，所述出水管与所述旋流分离器相连。采用该处理装置对废水进行处理，能够充分发挥CANON工艺的优越性，具有可连续进出水、处理负荷高、剩余污泥少、适用范围广、运行控制灵活等优点。

Description

一种基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置及处理方法

技术领域

本发明涉及一种水处理方法，具体涉及一种基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置及处理方法，属于环保技术领域。

背景技术

在污水处理领域中，全程硝化-反硝化过程是当前最常用的生物脱氮工艺，其具有运行稳定、操作简单和技术成熟等优点，同时也存在处理能耗高、严重依赖碳源和剩余污泥产量大等亟待改善的问题。为了实现低C/N比废水的高效处理、追求更高出水要求、推进物质回收与能源自给等新目标，基于厌氧氨氧化（anammox）技术的新型生物脱氮方法越来越获得水处理行业的重视。其中，CANON（completely autotrophic nitrogen removal overnitrite）工艺是国内外研究最为广泛、实现工程化应用较早的全自养脱氮技术方法之一。从理论上讲，CANON反应过程需要硝化菌（AOB）与厌氧氨氧化菌（AMX）共同协作才能完成。首先，水中的一部分氨氮在好氧条件下由AOB转化为亚硝态氮，随后剩余的氨氮与亚硝态氮在缺/厌氧条件下由AMX大部分转化为氮气从水中脱除，同时生成少量硝态氮。与最初的亚硝化-厌氧氨氧化两单元串联工艺不同，CANON工艺要求在单个反应器中完成脱氮过程，因而常采用生物膜反应器设计，运行控制的要求也很高。

在高基质负荷、高水力选择压的条件下，部分菌群能够通过自适应机制完成自固定过程，逐步实现颗粒化，不需要投加任何人工载体。好氧颗粒污泥作为一种特殊的生物膜技术，不仅可以有效截留生长速率较慢的自养微生物，如AMX和AOB等，获得远超传统活性污泥的微生物总量，而且能够利用各个方向的基质传质与微生物生态位差异，形成由外到内的多个功能分层，从而达到缩小反应器体积和增强反应器处理效能的目标。因此，具备CANON反应功能的好氧颗粒污泥（简称：CANON颗粒污泥）被认为是实现全自养生物脱氮过程的良好载体。

但需要注意的是，反应装置是进行污水生化处理的场所，也是决定处理效果的关键因素，如中国专利CN103787499A公开了一种序批式全程自养脱氮颗粒污泥的高效运行方法，采用周期培养方法，该运行方法采用SBR反应器；中国专利CN104261555A公开了一种在连续流反应器中培养全程自养脱氮颗粒污泥的方法，该方法在连续流反应器中运行，该连续流反应器的反应器采用有机玻璃精加工而成，反应器底部安装曝气装置和进水口，在反应器顶部安装三相分离器，污泥经三相分离器截留后，出水从反应器顶部溢流堰流走，在反应区和沉淀区之间设置回流口，采用该连续流反应器，其MLVSS为3.4g/L，反应器内水力停留时间为12h~24h。

现有的污水处理反应装置及其控制方法无法充分发挥CANON工艺的优势并确保其稳定运行，原因包括：（1）在现有装置中，序批式生物反应器（SBR）常用于好氧颗粒污泥的培养。尽管借助较高的水力选择压和基质周期性变化等条件，SBR可以获得良好的脱氮性能，但其容积利用率偏低，对自动控制要求较高，与其他连续处理装置较难连接，只适用于小规模污水处理的情形；（2）在现有装置中，各类连续流反应器能够用于更大规模的污水处理，但很难获得足够的水力剪切力以维持颗粒结构稳定。当水中溶解氧浓度过高、氨氮浓度过低时，污泥中容易出现亚硝态氮氧化菌（NOB）过度生长，从而严重破坏CANON反应过程，削弱反应器运行的稳定性；（3）在现有装置中，当曝气反应池与泥水分离装置分开建造时，污泥内回流的动力通常由叶片式水泵提供，在该过程中颗粒污泥极易发生解体，从而失去脱氮功能。

因此，如何创新反应装置构型设计及其控制方法，最大程度地适应CANON颗粒污泥的结构与功能特性，以获得高效、稳定的脱氮效能是推动新型生物脱氮工艺实用化的关键。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置。

本发明同时还提供一种采用上述处理装置处理废水的方法，其充分发挥CANON工艺的优越性，脱氮效率高、无需外加碳源、处理能耗低、剩余污泥少、出水水质稳定、适应范围较广。

为解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置，包括用于待处理废水进水的进水管、用于处理后废水出水的出水管及内部填充有CANON颗粒污泥的反应池，所述处理装置还包括连接在所述反应池底部的具有曝气功能的曝气升流管、与所述反应池连接用于分离颗粒污泥和水的旋流分离器及连接在所述曝气升流管和旋流分离器之间的用于回流颗粒污泥的污泥回流系统，所述曝气升流管的一端由所述反应池底部穿过并延伸至所述反应池内部，所述进水管与所述曝气升流管相连，所述出水管与所述旋流分离器相连。

优选地，所述曝气升流管包括与所述反应池底部连接且一端部穿过所述反应池底部并延伸至所述反应池内部的曝气升流管本体及设置在所述曝气升流管本体内的曝气头，所述污泥回流系统与所述曝气升流管本体相连，所述进水管与所述曝气升流管本体相连。

进一步优选地，所述曝气升流管本体包括与所述反应池底部连接且一端部穿过所述反应池底部并延伸至所述反应池内部的圆管及一端部与所述圆管的另一端部连接的渐扩管，所述进水管与所述渐扩管的另一端部相连，所述污泥回流系统与所述渐扩管的侧部相连，所述曝气头设置在所述渐扩管内。

更优选地，所述渐扩管的一端部的横截面积大于所述渐扩管的另一端部的横截面积。

优选地，所述反应池的池壁开设有出水堰，所述旋流分离器包括用于分离颗粒污泥和水的旋流分离器本体、与所述旋流分离器本体相连的进水渠及一端与所述旋流分离器本体相连的用于排放水的出水渠，所述旋流分离器本体还与所述污泥回流系统相连，所述进水渠与所述反应池相连且所述进水渠连接在所述出水堰处使得从所述出水堰流出的颗粒污泥和水的混合物进入所述进水渠然后进入所述旋流分离器本体进行颗粒污泥和水的分离，所述出水渠的另一端与所述出水管相连。

进一步优选地，所述旋流分离器本体包括与所述进水渠和出水渠相连的旋流分离区、设置在所述旋流分离区下方的污泥沉降区及设置在所述污泥沉降区下方的泥斗，所述泥斗与所述污泥回流系统相连，所述泥斗上还连接有用于污泥排放的污泥排放管。

优选地，所述污泥回流系统包括连接在所述曝气升流管和旋流分离器之间的污泥回流管及设置在所述污泥回流管上的用于提供污泥回流动力的螺杆泵。

优选地，所述反应池内按顺序依次设置有第一隔墙、第二隔墙和第三隔墙将反应池内部分隔成按顺序依次排列的第一廊道、第二廊道、第三廊道和第四廊道，所述第一隔墙的一端部、第三隔墙的一端部通过连接隔墙连接，所述第二隔墙的一端部与所述反应池的侧壁连接，使得所述第一廊道的一端部与所述第二廊道的一端部连通，所述第三廊道的一端部与所述第四廊道的一端部连通，所述第一廊道的另一端部和第四廊道的另一端部连通，所述第二廊道的另一端部和第三廊道的另一端部连通，所述第一廊道、第二廊道、第三廊道和第四廊道内部均填充有所述CANON颗粒污泥，所述待处理废水进入所述反应池后与所述CANON颗粒污泥混合后形成污泥混合液，所述污泥混合液在所述反应池内按顺序依次流经四个廊道，在所述反应池内循环流动。

进一步优选地，所述第一隔墙、第二隔墙、第三隔墙分别沿所述反应池的长度方向设置。

进一步更优选地，所述第一隔墙、第二隔墙、第三隔墙三者相互平行。

进一步更优选地，所述第一廊道的所述一端部和第二廊道的所述一端部通过第一弧形廊道连通，所述第三廊道的所述一端部和第四廊道的所述一端部通过第二弧形廊道连通，所述第二廊道的所述另一端部和第三廊道的所述另一端部通过第三弧形廊道连通，所述第一廊道的所述另一端部和第四廊道的所述另一端部通过第四弧形廊道通道。

具体地，所述第一弧形廊道、第二弧形廊道、第三弧形廊道内分别设置有导流板。

具体地，所述曝气升流管与所述第四弧形廊道底部连接且所述一端部由所述第四弧形廊道底部穿过并延伸至所述第四弧形廊道内部。

优选地，所述处理装置还包括设置在所述反应池底的多个推流器。更优选地，各所述推流器的安装角度为斜向上12~14度。

优选地，所述处理装置还包括设置在所述反应池底的曝气管和加热机构。

优选地，所述CANON颗粒污泥为棕色或红棕色球形或椭球形，其粒径为0.5~1.4mm，5分钟污泥沉降指数为20~25ml/g。

本发明中，所述CANON颗粒污泥中，脱氮功能菌包括以Nitrosomonas属为主的AOB，所述Nitrosomonas属占细菌总数的比例（相对丰度）优选为11~38%；以Candidatus Kuenenia属为主的AMX，所述Candidatus Kuenenia属相对丰度优选为4~10%；以Nitrospira属为主的NOB，所述Nitrospira属相对丰度优选为低于3%；其他微生物还包括Saprospiraceae属、Anaerolineaceae属、Haliangium属、Comamonadaceae属、Phaeodactylibacter属、Denitratisoma属、Arenimonas属、Rhodocyclaceae属、Xanthomonadaceae属等。

本发明采取另一技术方案是：

一种采用上述基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置处理废水的方法，所述方法包括以下步骤：在反应池内填充CANON颗粒污泥，然后以从曝气升流管连续进水的方式启动装置，启动后，待处理废水与反应池内的颗粒污泥混合形成污泥混合液，污泥混合液在所述反应池内循环流动，流动过程中，部分污泥混合液继续在所述反应池内循环流动，另一部分污泥混合液进入旋流分离器分离得到颗粒污泥和出水，部分颗粒污泥通过污泥回流系统回流至所述曝气升流管内，在曝气气流作用下，与待处理废水混合后从所述曝气升流管顶部溢流进入所述反应池内，另一部分颗粒污泥排出旋流分离器。

其中，所述反应池内水力停留时间优选为0.9~4.0h，氨氮容积负荷优选为1.4~3.3kg/(m³·d)，污泥混合液浓度（MLVSS）优选为7000~13000 mg/L，污泥混合液中溶解氧/氨氮浓度比值（DO/NH₄ ⁺-N）优选为0.10~0.25，其中，DO浓度优选为0.8~1.5 mg/L，剩余NH₄ ⁺-N浓度不得低于4.0 mg/L；所述曝气升流管内水力停留时间为10~60s，表面气速为水流上升流速的40~80倍。

优选地，污泥停留时间优选为40~65 d。

优选地，反应池内pH值优选为7.8~8.2，水温优选为25~32 ℃；。

优选地，所述污泥回流的回流比为5%~20%。

优选地，所述旋流分离器内水力停留时间优选为30~90 s。

优选地，所述待处理废水中氨氮（NH₄ ⁺-N）浓度范围为70~500 mg/L，可降解有机物浓度（BOD₅）控制在NH₄ ⁺-N浓度的0.25倍以下，pH为7.5~8.5。

由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

为维持颗粒污泥结构的稳定性，本发明的处理装置采用曝气升流管和旋流分离器的配合使用，确保颗粒污泥保持在颗粒状态，及时洗脱絮状污泥，并通过在低DO条件下，设置适宜的剩余氨氮浓度，有效抑制污泥中NOB的过度生长。

本发明的处理装置能够充分发挥颗粒污泥沉降性能好的优势，有效截留生长速率缓慢的自养微生物。

本发明中，MLVSS约为传统活性污泥法（典型值2000~2500 mg/L）的3~7倍，对应的氨氮容积负荷可达传统活性污泥法（典型值0.1 kg/(m³·d)）的15~35倍。这意味着在处理相同规模的废水时，本发明中废水处理装置的体积要远小于传统活性污泥法，有利于降低其建造成本。

采用本发明处理装置处理废水，能够在低DO条件下处理各类低C/N废水。

说明书附图

图1为本发明处理装置的结构示意图。

图2为本发明处理装置的反应池的第一廊道的侧视图（1-1断面）。

图3为本发明处理装置的旋流分离器、污泥回流系统、曝气升流管和反应池的连接示意图（2-2断面）。

图中，10、曝气升流管；11、曝气头；12、圆管；13、渐扩管；20、反应池；201、第一隔墙；202、第二隔墙；203第三隔墙；204、连接隔墙；205、第一廊道；206、第二廊道；207、第三廊道；208、第四廊道；21、推流器；22、加热机构；23、曝气管；24、导流板；25、出水堰；30、旋流分离器；31、进水渠；32、出水渠；321、出水管；33、旋流分离区；34、污泥沉降区；35、泥斗；351、污泥排放管；40、污泥回流系统；41、螺杆泵；42、污泥回流管；50、CANON颗粒污泥；60、进水管。

图4为实施例一使用的好氧颗粒污泥照片。

图5为实施例一使用的好氧颗粒污泥的微生物种群构成图。

图6为实施例一的处理装置对市政污水的处理效果图。

图7为实施例二使用的好氧颗粒污泥照片。

图8为实施例二使用的好氧颗粒污泥的微生物种群构成图。

图9为实施例二的处理装置对高浓度氨氮废水的处理效果图。

具体实施方式

如图1~3所示，本发明提供一种基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮处理装置，包括用于待处理废水进水的进水管60及内部填充有CANON颗粒污泥50的反应池20，该处理装置还包括连接在反应池20底部的具有曝气功能的曝气升流管10、与反应池20连接用于分离颗粒污泥和水的旋流分离器30及连接在曝气升流管10和旋流分离器30之间的用于回流颗粒污泥的污泥回流系统40，曝气升流管10的一端由反应池20底部穿过并延伸至反应池20内部，进水管60与曝气升流管10相连。

反应池20为廊道回转式反应池，具体地，反应池20内按顺序依次设置有第一隔墙201、第二隔墙202和第三隔墙203将反应池20内部分隔成按顺序依次排列的第一廊道205、第二廊道206、第三廊道207和第四廊道208，第一隔墙201的一端部、第三隔墙203的一端部通过连接隔墙204连接，第二隔墙202的一端部与反应池20的侧壁连接，使得第一廊道205的一端部与第二廊道206的一端部连通，第三廊道207的一端部与第四廊道208的一端部连通，第一廊道205的另一端部与第四廊道208的另一端部连通，第二廊道206的另一端部与第三廊道207的另一端部连通，第一廊道205、第二廊道206、第三廊道207和第四廊道208均填充有CANON颗粒污泥，待处理废水进入反应池20后与CANON颗粒污泥混合后形成污泥混合液，污泥混合液在反应池20内按顺序依次流经四个廊道，在反应池20内循环流动。

本实施方式中，第一隔墙201、第二隔墙202、第三隔墙203分别沿反应池20的长度方向设置且三者相互平行；第一廊道205的一端部和第二廊道206的一端部通过第一弧形廊道连通，第三廊道207的一端部和第四廊道208的一端部通过第二弧形廊道连通，第二廊道206的另一端部和第三廊道207的另一端部通过第三弧形廊道连通，第一廊道201的另一端部和第四廊道208的另一端部通过第四弧形廊道连通，第一弧形廊道、第二弧形廊道、第三弧形廊道内分别设置有导流板24，具体地，导流板24设置在弧形廊道的中部。

本实施方式中，该处理装置还包括设置在反应池20底的多个推流器21。具体地，第一廊道205、第二廊道206、第三廊道207、第四廊道208和第四弧形廊道均分别设置多个推流器21。更具体地，推流器21设置在各廊道或弧形廊道的两端部，采用多台并联方式，安装角度优选为斜向上12~14度。

具体地，第一廊道205、第二廊道206、第三廊道207和第四廊道208均为宽度和长度一致的直廊道，直廊道长宽比约为4~5:1，宽深（有效水深）比约为1:1~1.5；第一弧形廊道、第二弧形廊道、第三弧形廊道、第四弧形廊道为180度弯道，第一弧形廊道、第二弧形廊道、第三弧形廊道的弯道半径一致且半径与直廊道的宽度相同，第四弧形廊道的弯道半径为直廊道宽度的2倍。

本实施方式中，该处理装置还包括设置在反应池20底的曝气管23和加热机构22，具体地，在第一廊道205、第二廊道206、第三廊道207和第四廊道208内均分别设置有曝气管23和加热机构22，曝气管23的曝气服务面积约为直廊道面积的0.4~0.7倍，该加热机构22为电加热管或热蒸汽管道。

曝气升流管10包括与反应池20底部连接且一端部穿过反应池20底部并延伸至反应池20内部的曝气升流管本体及设置在曝气升流管本体内的曝气头11，污泥回流系统40与曝气升流管本体相连。具体地，曝气升流管本体包括与反应池20底部连接且一端部穿过反应池20底部并延伸至反应池20内部的圆管12及一端部与圆管12的另一端部连接的渐扩管13，进水管60与渐扩管13的另一端部相连，污泥回流系统40与渐扩管13的侧部相连，曝气头11设置在渐扩管13内。渐扩管13的与圆管12相连的一端的横截面积大于渐扩管13的与进水管60相连的一端的横截面积。

本实施方式中，圆管12的一端部由第四弧形廊道底部穿过而延伸至第四弧形廊道内，具体位于第四弧形廊道的中部位置；圆管12的截面直径优选为直廊道宽度的0.2~0.4倍，高径比为6~8:1，顶端与反应池20中的水面平齐；渐扩管13下截面（即与进水管60相连的一端的截面）直径优选为直廊道宽度的0.1~0.2倍，上下截面直径比值为2:1，高度优选为直廊道宽度的0.4倍。

本发明中，反应池20的池壁开设有出水堰25，旋流分离器30包括用于分离颗粒污泥和水的旋流分离器本体、与旋流分离器本体相连的进水渠31及与旋流分离器本体相连的用于排放水的出水渠32，旋流分离器本体还与污泥回流系统相连，进水渠31与反应池20相连且进水渠31连接在出水堰25处使得从出水堰25流出的颗粒污泥和水的混合物进入进水渠31然后进入旋流分离器本体进行颗粒污泥和水的分离。

旋流分离器本体包括与进水渠31和出水渠32相连的旋流分离区33、设置在旋流分离区33下方的污泥沉降区34及设置在污泥沉降区34下方的泥斗35，泥斗35与污泥回流系统40相连，泥斗35上还连接有用于污泥排放的污泥排放管351。

该处理装置还包括与出水渠32连接的出水管321。

本实施方式中，旋流分离区33呈圆柱形，横截面直径优选为直廊道宽度的0.6~1倍，高（有效水深）径比为0.4~0.6:1；污泥沉降区34呈圆柱形，横截面直径优选为直廊道宽度的0.3~0.4倍，高径比为1.5:1，其通过渐缩形结构与旋流分离区33连接；泥斗35呈渐缩形结构，上截面直径与污泥沉降区34相等，下截面直径和高度均为直廊道宽度的0.1~0.2倍。

本实施方式中，出水堰25的堰宽优选为直廊道宽度的0.2~0.6倍，具体地，出水堰25开设在第四廊道208的侧壁；进水渠31包括与反应池20连接的进水渠一部及一端部与进水渠一部相连、另一端部与旋流分离区33相连的进水渠二部，进水渠一部的长度方向与进水渠二部的长度方向垂直，进水渠一部的宽度与出水堰25的宽度相等，长宽比为1~2:1，宽深（有效水深）比为1:0.8，进水渠二部的长度优选为直廊道宽度的1~1.5倍，长宽比为6~8:1，宽深（有效水深）比为1:1.5，其外侧与旋流分离区33外沿相切；出水渠32包括与旋流分离区33相连的出水渠一部及一端部与出水渠一部相连、另一端部与出水管321相连的出水渠二部，出水渠一部的长度方向与出水渠二部的长度方向垂直，出水渠一部长度优选为直廊道宽度的1~1.5倍，长宽比为2~3:1，宽深（有效水深）比为2~3:1，出水渠一部与进水渠二部采用共壁合建，出水渠一部的中轴线穿过旋流分离区33横截面圆心，出水渠二部的长度优选为直廊道宽度的0.5~1倍，长宽比为1:1，宽深（有效水深）比为2:1，末端连接出水管321。

污泥回流系统40包括连接在曝气升流管10和旋流分离器30之间的污泥回流管41及设置在污泥回流管41上的用于提供污泥回流动力的螺杆泵42。

采用上述处理装置处理废水，待处理废水中氨氮（NH₄ ⁺-N）的浓度范围优选为70~500 mg/L，可降解有机物浓度（BOD₅）需控制在NH₄ ⁺-N浓度的0.25倍以下，pH优选为7.5~8.5。

具体处理方法包括以下步骤：

在反应池20内填充CANON颗粒污泥，然后以从曝气升流管本体连续进水的方式启动装置，装置启动后，待处理废水与反应池20内的颗粒污泥混合形成污泥混合液，运行过程中，待处理废水从进水管60进入曝气升流管本体，在曝气气流作用下，与污泥回流管42回流的颗粒污泥形成混合液并呈升流状态，最终从圆管12顶部溢流进入第四弧形廊道，与反应池20内颗粒污泥和水混合；曝气升流管本体内水力停留时间为10~60s，表面气速为水流上升流速的40~80倍；在水下推流器21作用下，依次流经第一廊道205、第二廊道206、第三廊道207和第四廊道208，然后回到第一廊道205，混合液在反应池20内循环流动，循环流动过程中，部分混合液从出水堰25流出反应池20，进入进水渠31，经进水渠31沿切线方向流入旋流分离区33，旋流分离区33内的水力停留时间优选为30~90s；颗粒污泥在离心力作用下从水中分离，并沿内壁向下进入污泥沉降区34，处理后的废水经出水渠32排出；分离后的颗粒料污泥在重力作用下在污泥沉降区34得到进一步浓缩，大部分经泥斗35进入到污泥回流管42，其他可通过污泥排放管351排出。

其中，反应池水力停留时间优选为0.9~4.0 h，氨氮容积负荷优选为1.4~3.3 kg/(m³·d)，污泥混合液浓度（MLVSS）优选为7000~13000 mg/L，污泥停留时间优选为40~65 d；在线监测混合液pH， pH范围优选为7.8~8.2，并通过向待处理废水中投加酸碱进行调节；反应池内水温优选为25~32 ℃，在线监测水温变化，利用池底加热管和使用热空气曝气进行加热，并采取池体加盖等保温措施；混合液中溶解氧/氨氮浓度比值（DO/NH₄ ⁺-N）优选为0.10~0.25，其中，DO浓度优选为0.8~1.5 mg/L，剩余NH₄ ⁺-N浓度不得低于4.0 mg/L。

上述技术方案中，对混合液中DO和NH₄ ⁺-N浓度实施在线监测，通过调节曝气量、污泥回流量和水力停留时间等参数来控制；当DO浓度持续增大时，应在确保颗粒污泥能够处于完全流化状态的条件下，适当调低曝气量，增大污泥回流比，反之，适当调高曝气量，降低污泥回流比；当剩余NH₄ ⁺-N浓度持续降低时，应在确保DO/NH₄ ⁺-N相对稳定的条件下，适当缩短反应池水力停留时间，降低污泥回流比，反之，适当延长反应池水力停留时间，增大污泥回流比；污泥回流比优选为5%~20%。

综上所述，本发明相对现有技术具有如下优点：

(1) 充分发挥颗粒污泥沉降性能好的优势，有效截留生长速率缓慢的自养微生物。在本发明中，反应池中的生物量（MLVSS）约为传统活性污泥法（典型值2000~2500 mg/L）的3~7倍，对应的氨氮容积负荷可达传统活性污泥法（典型值0.1 kg/(m³·d)）的15~35倍。这意味着在处理相同规模的废水时，本发明中废水处理装置的体积要远小于传统活性污泥法，有利于降低其建造成本；

(2) 目前，为维持颗粒污泥结构的稳定性，通常采用高径比较大的SBR反应器，并要求其在较大水力选择压的条件下运行，因而不适用于大规模的废水处理。与之相比，本发明在实现废水连续处理的同时，可以借助曝气升流管较高的水力剪切力、适宜的剩余氨氮浓度与旋流分离器较大的淘汰压，确保颗粒污泥空间形态的稳定，有效抑制NOB过度生长，并及时洗脱絮状污泥；

(3) 在传统生物脱氮反应器中，通常需交替设置好氧（DO浓度>2 mg/L）、缺氧区域及内回流系统，同时要求待处理水具有较高的碳氮比（C/N≮4~6），以确保异养反硝化步骤的顺利进行，这些使得系统的运行成本较高，剩余污泥产量较大。与之相比，本发明基于好氧颗粒污泥实现了CANON工艺的全自养脱氮处理功能，无需设置内回流，并能在低DO条件下处理各类低C/N废水；其次，本发明设定的污泥停留时间远大于传统活性污泥法（典型值≯14 d），因而剩余污泥产量很小，有利于降低后续污泥处理的成本；此外，本发明中旋流分离器的水力停留时间远小于传统的二沉池（典型值1~2 h），可显著降低建造成本，同时，颗粒污泥在沉降区内得到充分浓缩，使得污泥回流比远小于传统活性污泥法的50%，这也有利于降低废水处理装置的运行能耗；

(4) 本发明提供的处理方法中，围绕DO/NH₄ ⁺-N这一核心参数，针对好氧颗粒污泥提出了曝气量、水力停留时间和污泥量（污泥回流比）等多参数协同的控制思路，这使得本发明中废水处理装置具有很强的水质适应性，能够应对大跨度的进水氨氮（70~500 mg/L）条件，这是传统生物脱氮反应器的无法达到的。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例一

本实施例采用的处理装置的具体参数设置如下：

圆管12：截面直径为32 mm，高径比为7:1，顶部与反应池20中水面齐平；

渐扩管13：高度为48 mm，下截面直径为16 mm；

反应池20：总容积约0.05 m³，其中，直廊道宽度为120 mm，长宽比为5:1，宽深（有效水深）比为1:1，第一廊道、第四廊道的曝气服务面积比约为70%，第二廊道、第三廊道的曝气服务面积比约为50%；

出水堰25：宽度60 mm；

进水渠31：进水渠一部宽度为60 mm，长宽比为1:1，宽深（有效水深）比为1:0.8，进水渠二部的长度为180 mm，长宽比为6:1，宽深（有效水深）比为1:1.5；

出水渠32：出水渠一部长度为180 mm，长宽比为2:1，宽深（有效水深）比为3:1，出水渠二部的长度为60 mm，长宽比为1:1，宽深（有效水深）比为2:1；

旋流分离区33：呈圆柱形，横截面直径为120 mm，有效水深50 mm；

污泥沉降区34：呈圆柱形，横截面直径为50 mm，高径比为1.5:1，其通过渐缩形结构与旋流分离区连接，高度20 mm；

泥斗35：呈渐缩形结构，上截面直径为50 mm，下截面直径与高度均为20 mm。

本实施例使用的CANON颗粒污泥50如图4所示，其微生物种群构成如图5所示，具体地，CANON颗粒污泥为棕色的椭球形，平均粒径为0.8 mm，5分钟SVI值约为21 ml/g；颗粒污泥50的微生物结构可以描述为，AOB、AMX和NOB分别以Nitrosomonas属、Candidatus Kuenenia属和Nitrospira属为主，对应的相对丰度分别为12.6 %、4.5 %和0.4%，其他菌属还包括Anaerolineaceae属、Saprospiraceae属、Arenimonas属、Rhodocyclaceae属、Xanthomonadaceae属等。

采用本实施例的处理装置处理经厌氧反应器预处理后的市政污水，其中，待处理市政污水：pH 7.5~8.0，NH₄ ⁺-N约70 mg/L，BOD₅<15 mg/L，SS<100 mg/L。

具体处理步骤为：

待处理市政污水以48 L/h流量由曝气升流管本体底部的进水管60流入，在曝气气流的作用下，与经污泥回流管42回流的颗粒污泥形成混合液，最终从顶部溢流进入廊道回转式反应池20中与反应池20内的颗粒污泥和水混合，反应池20内的混合液在水下推流器21作用下，依次流经第一廊道205、第二廊道206、第三廊道207和第四廊道208，然后回到第一廊道205，混合液在反应池20内循环流动，循环流动过程中，部分混合液经第四廊道208上的出水堰25进入进水渠31，然后进入旋流分离器30，其他部分继续沿大弯道在反应池20内循环流动；流出的混合液在旋流分离区33的水力停留时间为40s，颗粒污泥50在离心力作用下从水中分离，并沿内壁向下进入污泥沉降区34，处理后废水经出水渠32排出，即完成废水处理过程；分离后的颗粒污泥在重力作用下得到进一步浓缩，浓缩后的污泥大部分经泥斗35进入到污泥回流系统40，少量通过污泥排放管351排出。

参数控制：曝气升流管本体内水力停留时间为14 s，水流上升流速为0.02 m/s，表面气速控制在1.2 m/s；廊道回转式反应池20的总水力停留时间约为1.0 h，对应的氨氮容积负荷为1.6 kg/(m³·d)，颗粒污泥50呈完全流化状态，MLVSS浓度约为7000 mg/L，污泥停留时间控制在43~50 d；混合液pH为 7.8~8.2，借助电加热管，控制水温在28~30 ℃；调节曝气量和污泥回流比，使混合液中DO/NH₄ ⁺-N稳定在0.16~0.21，其中，DO浓度范围为0.8~0.9mg/L，剩余NH₄ ⁺-N的平均浓度为4.2 mg/L；控制螺杆泵41转速，使污泥回流比在5%~10%之间，以维持反应池20中MLVSS浓度相对稳定，实现废水连续处理。

使用本发明连续处理经预处理的市政污水136天，运行情况如附图6所示。实施例1的结果表明，在无需外加碳源的条件下，本发明能够在很短的水力停留时间（约1 h）内，去除市政污水中85.9±3.5%的氨氮和82.7±1.4%的总氮，对应的总氮去除负荷约为1.32 kg/(m³·d)，远高于传统活性污泥法的0.075~0.09 kg/(m³·d)。本发明处理出水中氨氮、总氮指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准的要求，剩余污泥产量极低（处理每吨污水产生剩余污泥10~25 g），反应池中DO浓度水平较低，曝气能耗得到有效控制。因此，经放大后，本发明可用于现有城镇污水厂的提标改造工程。

实施例2

本实施例采用的处理装置的具体参数设置如下：

圆管12：截面直径为40 mm，高径比为8:1，顶部与反应池20中水面齐平；

渐扩管13：高度为60 mm，下截面直径为20 mm；

反应池20：总容积约0.1 m³，其中，直廊道宽度为150 mm，长宽比为5:1，宽深（有效水深）比为1:1，第一廊道、第四廊道的曝气服务面积比约为70%，第二廊道、第三廊道的曝气服务面积比约为50%；

出水堰25：宽度50 mm；

进水渠31：进水渠一部宽度为50 mm，长宽比为2:1，宽深（有效水深）比为1:0.8，进水渠二部的长度为240 mm，长宽比为8:1，宽深（有效水深）比为1:1.5；

出水渠32：出水渠一部长度为240 mm，长宽比为2:1，宽深（有效水深）比为3:1，出水渠二部的长度为80 mm，长宽比为1:1，宽深（有效水深）比为2:1；

旋流分离区33：呈圆柱形，横截面直径为120 mm，有效水深60 mm；

污泥沉降区34：呈圆柱形，横截面直径为60 mm，高径比为1.5:1，其通过渐缩形结构与旋流分离区连接，高度30 mm；

泥斗35：呈渐缩形结构，上截面直径为60 mm，下截面直径与高度均为30 mm。

本实施例使用的CANON颗粒污泥50如图7所示，其微生物种群构成如图8所示，具体地，CANON颗粒污泥50为深红棕色的椭球形，平均粒径为1.1 mm，5分钟SVI值约为23 ml/g；颗粒污泥50的微生物结构可以描述为，AOB、AMX和NOB分别以Nitrosomonas属、Candidatus Kuenenia属和Nitrospira属为主，对应的相对丰度分别为36.3%、9.5%和1.1%，其他菌属还包括Saprospiraceae属、Anaerolineaceae属、Comamonadaceae属、Phaeodactylibacter属、Haliangium属、Denitratisoma属等。

采用本实施例的处理装置处理高浓度氨氮废水，其中，高浓度氨氮废水：pH 8.1~8.2，NH₄ ⁺-N 500 mg/L，BOD₅<50 mg/L。

具体处理步骤为：

待处理高浓度氨氮废水以26 L/h流量由曝气升流管本体底部的进水管60流入，在曝气气流的作用下，与经污泥回流管42回流的颗粒污泥形成混合液，最终从顶部溢流进入廊道回转式反应池20中与反应池20内的颗粒污泥和水混合，反应池20内的混合液在水下推流器21作用下，依次流经第一廊道205、第二廊道206、第三廊道207和第四廊道208，然后回到第一廊道205，混合液在反应池20内循环流动，循环流动过程中，部分混合液经第四廊道208上的出水堰25进入进水渠31，然后进入旋流分离器30，其他部分继续沿大弯道在反应池20内循环流动；流出的混合液在旋流分离区33的水力停留时间约为78 s，颗粒污泥50在离心力作用下从水中分离，并沿内壁向下进入污泥沉降区34，处理后废水经出水渠32排出，即完成废水处理过程；分离后的颗粒污泥在重力作用下得到进一步浓缩，浓缩后的污泥大部分经泥斗35进入到污泥回流系统40，少量通过污泥排放管351排出。

参数控制：曝气升流管本体内水力停留时间约为50 s，水流上升流速为0.64 cm/s，表面气速控制在0.45 m/s；廊道回转式反应池20的总水力停留时间约为3.8 h，对应的氨氮容积负荷为3.1 kg/(m³·d)，颗粒污泥50呈完全流化状态，MLVSS浓度约为13000 mg/L，污泥停留时间控制在55~65 d；反应池内混合液pH为 7.8~8.2，借助电加热管，控制水温在28~30 ℃；调节曝气量和污泥回流比，使混合液中DO/NH₄ ⁺-N稳定在0.10~0.13，其中，DO浓度范围为1.1~1.3 mg/L，剩余NH₄ ⁺-N的平均浓度为10.8 mg/L；控制螺杆泵41转速，使污泥回流比在10%~20%之间，以维持反应池20中MLVSS浓度相对稳定，实现废水连续处理。

使用本发明连续处理高浓度氨氮废水120天，运行情况如附图9所示。实施例2的结果表明，在无需外加碳源的条件下，本发明能够在较短的水力停留时间（约3.8h）内，实现了高浓度氨氮废水的生化处理，对氨氮和总氮的去除率分别为97.9±0.5%和85.7±0.9%，对应的总氮去除负荷高达2.66 kg/(m³·d)。本发明处理出水中氨氮指标达到《污水综合排放标准》（GB8978-1996）要求，经放大后，可用于高浓度氨氮废水的处理工程。

以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，且本发明不限于上述的实施例，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置，包括用于待处理废水进水的进水管、用于处理后废水出水的出水管及内部填充有CANON颗粒污泥的反应池，其特征在于：所述处理装置还包括连接在所述反应池底部的具有曝气功能的曝气升流管、与所述反应池连接用于分离颗粒污泥和水的旋流分离器及连接在所述曝气升流管和旋流分离器之间的用于回流颗粒污泥的污泥回流系统，所述曝气升流管的一端由所述反应池底部穿过并延伸至所述反应池内部，所述进水管与所述曝气升流管相连，所述出水管与所述旋流分离器相连；所述反应池内按顺序依次设置有第一隔墙、第二隔墙和第三隔墙将反应池内部分隔成按顺序依次排列的第一廊道、第二廊道、第三廊道和第四廊道，所述第一隔墙的一端部、第三隔墙的一端部通过连接隔墙连接，所述第二隔墙的一端部与所述反应池的侧壁连接，使得所述第一廊道的一端部与所述第二廊道的一端部连通，所述第三廊道的一端部与所述第四廊道的一端部连通，所述第一廊道的另一端部和第四廊道的另一端部连通，所述第二廊道的另一端部和第三廊道的另一端部连通，所述第一廊道、第二廊道、第三廊道和第四廊道内部均填充有所述CANON颗粒污泥，所述待处理废水进入所述反应池后与所述CANON颗粒污泥混合后形成污泥混合液，所述污泥混合液在所述反应池内按顺序依次流经四个廊道，在所述反应池内循环流动。

2.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置，其特征在于：所述曝气升流管包括与所述反应池底部连接且一端部穿过所述反应池底部并延伸至所述反应池内部的曝气升流管本体及设置在所述曝气升流管本体内的曝气头，所述污泥回流系统与所述曝气升流管本体相连，所述进水管与所述曝气升流管本体相连。

3.根据权利要求2所述的基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置，其特征在于：所述曝气升流管本体包括与所述反应池底部连接且一端部穿过所述反应池底部并延伸至所述反应池内部的圆管及一端部与所述圆管的另一端部连接的渐扩管，所述进水管与所述渐扩管的另一端部相连，所述污泥回流系统与所述渐扩管的侧部相连，所述曝气头设置在所述渐扩管内。

4.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置，其特征在于：所述反应池的池壁开设有出水堰，所述旋流分离器包括用于分离颗粒污泥和水的旋流分离器本体、与所述旋流分离器本体相连的进水渠及一端与所述旋流分离器本体相连的用于排放水的出水渠，所述旋流分离器本体还与所述污泥回流系统相连，所述进水渠与所述反应池相连且所述进水渠连接在所述出水堰处使得从所述出水堰流出的颗粒污泥和水的混合物进入所述进水渠然后进入所述旋流分离器本体进行颗粒污泥和水的分离，所述出水渠的另一端与所述出水管相连。

5.根据权利要求4所述的基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置，其特征在于：所述旋流分离器本体包括与所述进水渠和出水渠相连的旋流分离区、设置在所述旋流分离区下方的污泥沉降区及设置在所述污泥沉降区下方的泥斗，所述泥斗与所述污泥回流系统相连，所述泥斗上还连接有用于污泥排放的污泥排放管。

6.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置，其特征在于：所述处理装置还包括设置在所述反应池底的多个推流器。

7.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置，其特征在于：所述处理装置还包括设置在所述反应池底的曝气管和加热机构。

8.根据权利要求1所述的基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置，其特征在于：所述CANON颗粒污泥为棕色或红棕色球形或椭球形，其粒径为0.5~1.4mm，5分钟污泥沉降指数为20~25ml/g，所述CANON颗粒污泥中，脱氮功能菌包括以Nitrosomonas属为主的AOB，所述Nitrosomonas属占细菌总数的比例为11~38%；以CandidatusKuenenia属为主的AMX，所述CandidatusKuenenia属占细菌总数的比例为4~10%；以Nitrospira属为主的NOB，所述Nitrospira属占细菌总数的比例为低于3%。

9. 一种采用权利要求1~8中任一项权利要求所述的基于好氧颗粒污泥实现全自养脱氮废水处理装置处理废水的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：在反应池内填充CANON颗粒污泥，然后以从曝气升流管连续进水的方式启动装置，启动后，待处理废水与反应池内的颗粒污泥混合形成污泥混合液，污泥混合液在所述反应池内循环流动，流动过程中，部分污泥混合液继续在所述反应池内循环流动，另一部分污泥混合液进入旋流分离器分离得到颗粒污泥和出水，部分颗粒污泥通过污泥回流系统回流至所述曝气升流管内，在曝气气流作用下，与待处理废水混合后从所述曝气升流管顶部溢流进入所述反应池内，另一部分颗粒污泥排出旋流分离器，其中，所述反应池内水力停留时间为0.9~4.0h，氨氮容积负荷为1.4~3.3 kg/(m³·d)，污泥混合液浓度为7000~13000 mg/L，溶解氧/氨氮浓度比值为0.10~0.25，其中，DO浓度为0.8~1.5 mg/L，氨氮浓度不得低于4.0 mg/L；所述曝气升流管内水力停留时间为10~60s，表面气速为水流上升流速的40~80倍；所述旋流分离器内的水力停留时间为30~90 s。