CN107739094A - 一种高效脱氮反应系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效脱氮反应系统及方法。包括进水端、半短程硝化反应区、污泥沉淀区、厌氧氨氧化反应区、循环泵、膜生物反应区、出水端，污水经过进水端调节pH值后进入半短程硝化反应区，在半短程硝化反应区污水中的氨氮部分转化为亚硝酸氮后流至所述污泥沉淀区，污水随后流入所述厌氧氨氧化反应区并与厌氧氨氧化污泥充分混合，污水中的氨氮、亚硝酸氮在所述厌氧氨氧化污泥的作用下转化为硝酸氮、氮气，然后在所述厌氧氨氧化区反应完全的污水和污泥混合物经所述循环泵进入所述膜生物反应区，经过膜组件后，通过出水端流出系统。本发明的有益效果为启动快，效率高、出水达标率高。

Description

一种高效脱氮反应系统及方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体来说，涉及一种高效脱氮反应系统及方法。

背景技术

传统工艺在稳定可靠解决富营养化的同时，消耗了大量的能源和资源(碳源)。在强调污水处理资源化、能源化的今天，以短程硝化、厌氧氨氧化为核心的脱氮技术被业界普遍视为未来污水处理发展的重要技术，而控制条件使得一半的氨氮发生短程硝化，即半短程硝化，并结合厌氧氨氧工艺来实现高效脱氮已成为当前脱氮工艺的研究热点。

短程硝化工艺主要是通过控制工艺条件，使硝化反应控制在亚硝酸阶段，与传统的硝化反应相比，节约25%左右的需氧量，同时污泥产量减少24%-33%。半短程硝化是指污水中仅一半的氨氮发生短程硝化，能源与资源的消耗进一步减少。与厌氧氨氧工艺结合，为后续的厌氧氨氧化反应提供了有利的反应条件，实现高效脱氮。

厌氧氨氧化工艺是一种生物脱氮技术，凭借其低供氧量、有机物需求量低、工艺容积效能高等因素被推崇为更为经济高效的生物脱氮技术。然而，厌氧氨氧化工艺在实际应用时存在厌氧污泥驯化培养时间长、富集难度大等问题，导致该技术工程推广进展缓慢。

目前，膜生物反应器因其污泥浓度高、生物处理负荷高、占地面积少等优点备受青睐。本发明采用半短程硝化工艺、厌氧氨氧化工艺与膜生物反应器相结合，减少需氧量，节省碳源，降低污泥产量，同时实现厌氧污泥与水分子完全分离，不改变厌氧污泥的生物特性，并及时回收到体系中，避免污泥流失，缩短生物菌群的培养周期，具有启动快，效率高、出水达标率高等特点。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种高效脱氮的半短程硝化-厌氧氨氧化膜生物反应系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种高效脱氮反应系统，其特征在于包括进水端、半短程硝化反应区、污泥沉淀区、厌氧氨氧化反应区、循环泵、膜生物反应区、出水端，所述膜生物反应区包含膜组件，污水经过所述进水端调节p值后流入所述半短程硝化反应区，在所述半短程硝化反应区污水中的氨氮部分转化为亚硝酸氮后流至所述污泥沉淀区，污水中部分污泥在所述污泥沉淀区回流至所述半短程硝化反应区，剩余污泥从所述污泥沉淀区的污泥排出口排出，污水随后流入所述厌氧氨氧化反应区并与厌氧氨氧化污泥充分混合，污水中的氨氮、亚硝酸氮在所述厌氧氨氧化污泥的作用下转化为硝酸氮、氮气，然后在所述厌氧氨氧化区反应完全的污水和污泥混合物经所述循环泵进入所述膜生物反应区，经过膜组件后，通过出水端流出系统。

进一步的，所述半短程硝化反应区、厌氧氨氧化反应区内设置多参数在线水质监测仪器，所述多参数在线水质监测仪器可在线监测pH，温度，ORP，DO，NH+ 4-4，NO- 3-N和NO- 2-N。

进一步的，所述半短程硝化反应区、厌氧氨氧化反应区运行时温度稳定在30~35℃。

进一步的，所述半短程硝化反应区内设有搅拌装置和曝气装置，以使DO的浓度控制在0.3~0.8 mg/L范围内。

进一步的，所述系统还包括污泥回流泵，用于使所述污泥沉淀区的污泥回流到所述半短程硝化反应区，还包括第一循环泵，用于为在所述厌氧氨氧化区反应完全的污水和污泥混合物提供动力进入所述膜生物反应区，还包括第二循环泵，用于为经过所述膜生物反应区处理的厌氧污泥和部分污水提供动力回流到所述厌氧氨氧化反应区。

进一步的，所述系统还包括压力表，位于监控所述膜生物反应区的进水口，用于监控所述膜生物反应区进水口的压力，还包括阀门，位于所述膜生物反应区的出水口，通过调节所述出水口阀门的大小将进水口的压力表的示数控制在0.5~1 MPa的范围内。

进一步的，所述系统还包括位于所述膜生物反应区内的膜组件，所述膜组件内部存在水平通道和垂直通道，水平通道供厌氧污泥和部分污水快速通过经所述第二循环泵回到所述厌氧氨氧化反应区，所述水平通道的材料为具有渗透性的膜材料，通道孔径为0.1~2μm，从水平通道渗透出的小分子物质经膜组件的垂直通道直接排出体系外。

一种高效脱氮的反应方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）污水经过进水端调节pH值后流入所述半短程硝化反应区；

（2）半短程硝化反应区内含以亚硝化细菌为主导生物的污泥，污水经过半短程硝化反应区后，污水中部分的氨氮转化为亚硝酸氮；

（3）污水流入污泥沉淀区，污泥沉淀区内污泥部分回流至半短程硝化反应区，剩余污泥从所述污泥沉淀区的污泥排出口排出；

（4）污水流入厌氧氨氧化反应区，并向厌氧氨氧化反应区内输入含有氨氮、亚硝酸氮的污水，厌氧氨氧化反应区内含经驯化的厌氧污泥，将污水中的氨氮和亚硝酸氮转化为硝酸氮和氮气；

（5）厌氧氨氧化反应区处理后的污水和污泥的混合物经过第一循环泵输送进入后续的膜生物反应区，混合物中的厌氧污泥被膜组件截留后经第二循环泵回到厌氧氨氧化反应区，已达标的出水则经过膜组件的排水口被排出整套体系外。

进一步的，污水调节后的pH值为7.5~8.5。

进一步的，所述半短程硝化区的DO控制在0.3~0.8 mg/L范围内，保持温度30-35℃。

进一步的，所述污泥沉淀区的污泥回流比控制在50%~100%。

进一步的，NH+ 4-4/ NO- 2-N控制在1.0~1.3，实现半短程硝化后，所述污泥沉淀区出水流至厌氧氨氧化反应区，与此同时开动循环泵给厌氧氨氧化反应区提供1.0~2.5 m/h的上升流速，经驯化后的厌氧氨氧化污泥在适宜的环境参数下带动厌氧氨氧化反应的稳定运行，保持温度30~35℃，水力停留时间HRT为0.5~0.9 d，向厌氧氨氧化反应区连续进料。

进一步的，向厌氧氨氧化反应区内投加Fe、Co、Ni、Mg；厌氧氨氧化反应区在运行时添加轻质环形填料，供污泥的生长提供附着点。

进一步的，所述膜生物反应区包括膜组件，膜组件中膜材料的孔径为0.1~2 μm，膜组件进水口装有压力表，出水口装有阀门，通过调节膜组件出水口阀门的大小将膜组件进水口的压力表的示数控制在0.5~1MPa范围内。

进一步的，所述膜组件内部存在水平通道和垂直通道，水平通道供厌氧污泥和部分污水快速通过回到厌氧氨氧化反应区，所述水平通道的材料为具有渗透性的膜材料，通道孔径为0.1~2μm，从水平通道渗透出的小分子物质经膜组件的垂直通道直接排出体系外。

本发明的有益效果为启动快，效率高、出水达标率高。

附图说明

图1为本发明所述的系统结构示意图。

其中：1.进水端、2.半短程硝化反应区、3. 多参数在线水质监测仪、4.污泥沉淀区、5.厌氧氨氧化反应区、6.第一循环泵、7.第二循环泵、8.压力表、9.膜生物反应池、10.阀门、11.出水端、12.污泥回流泵、13.剩余污泥排出口

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明所述的高效脱氮反应系统主要包括进水端1、半短程硝化反应区2、污泥沉淀区4、厌氧氨氧化反应区5、膜生物反应区9、出水端11。

污水经过进水端调节pH值后进入系统，流入半短程硝化反应区2，在半短程硝化反应区2，污水中的氨氮近一半转化为亚硝酸氮，硝化反应区2出水流至污泥沉淀区4，污泥沉淀区4中污泥部分回流至半短程硝化反应区2，污泥沉淀区4出水流至厌氧氨氧化反应区5，输送到厌氧氨氧化区5的污水与厌氧氨氧化污泥充分混合，污水中的氨氮、亚硝酸氮在厌氧氨氧化污泥的作用下转化为硝酸氮、氮气；然后在厌氧氨氧化区5反应完全的污水和污泥混合物经循环泵进入膜生物反应区9，经过膜组件后，通过出水端流出系统。

进一步的，所述系统在半短程硝化反应区2、厌氧氨氧化反应区5内设置多参数在线水质监测仪器，可在线监测pH，温度ORP，DO，NH+ 4-4，NO- 3-N和NO- 2-N等参数。

进一步的，所述系统在半短程硝化反应区2、厌氧氨氧化反应区5运行时温度稳定在30~35℃。

进一步的，半短程硝化反应区2内设有搅拌装置和曝气装置，使DO控制在0.3~0.8mg/L范围内。

进一步的，该系统包括污泥回流泵12，用于使污泥沉淀区4的污泥回流到半短程硝化反应区2；还包括第一循环泵6，用于为在厌氧氨氧化区5反应完全的污水和污泥混合物提供动力进入膜生物反应区9；还包括第二循环泵7，用于为经过膜生物反应区9处理的厌氧污泥和部分污水提供动力回流到厌氧氨氧化反应区5。

进一步的，该系统还包括压力表8，位于监控膜生物反应区9的进水口，用于监控膜生物反应区9进水口的压力；还包括阀门10，位于膜生物反应区9的出水口，通过调节出水口阀门10的大小将进水口的压力表8的示数控制在0.5~1 MPa的范围内。

进一步的，该系统包括位于膜生物反应区9内的膜组件，膜组件内部存在水平通道和垂直通道，水平通道供厌氧污泥和部分污水快速通过经第二循环泵回到厌氧氨氧化反应区，水平通道的材料是0.1~2μm具有渗透性的膜材料，从水平通道渗透出的小分子物质经膜组件的垂直通道直接排出体系外。

一种高效脱氮的反应方法，是由半短程硝化反应区2、厌氧氨氧化反应区5和膜生物反应区9的结合而成，半短程硝化反应区2的作用是将进水中的氨氮部分转化为亚硝酸氮，NH+ 4-4/ NO- 2-N范围在1.0~1.3，污泥沉淀区4功能在于将污泥回流至半短程硝化反应区2，使半短程硝化反应区2的污泥得到补充且防止半短程硝化反应区2的污泥进入厌氧氨氧化反应区5影响厌氧氨氧化反应，厌氧氨氧化反应区5旨在将污水中的氨氮和亚硝酸氮转化为硝酸氮和氮气，膜生物反应区9则侧重于将厌氧污泥及时的回收到厌氧氨氧化区。厌氧氨氧化反应区5处理后的污水和污泥的混合物经过第一循环泵6输送进入后续的膜生物反应区9，混合物中的厌氧污泥被膜组件截留后经污泥循环泵回到厌氧氨氧化反应区5，已达标的出水则经过膜组件的排水口被排出整套体系外。

半短程硝化反应区2的污泥是经过通过常规的活性污泥驯化而来的：接种城市污水处理厂的硝化污泥，进水pH为7.5~8.5，DO范围控制在0.3~0.8mg/L，温度在30~35℃，污泥回流比控制在50%~100%，控制污泥泥龄介于亚硝化菌群的世代时间和硝化菌群的世代时间之间，将硝化菌清洗出反应器。

厌氧氨氧化反应区5的厌氧污泥是经驯化而来的：先将接种的污泥反复淘洗，去除上层漂浮物和下层大块沉积物，留下颗粒细小的污泥，最后将污泥转移至封闭遮光的厌氧反应器内；接着向厌氧反应器间歇进料，与此同时开动循环泵给厌氧反应区提供1.0~2.5m/h的上升流速，该过程持续两周左右，向厌氧反应连续进料。

进一步的，污水成分适当投加Fe、Co、Ni、Mg等微量元素，定期检测出水中氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮的含量。

经驯化后的厌氧氨氧化污泥在适宜的环境参数下可以带动厌氧氨氧化反应的稳定运行，具体环境参数是:温度30~35℃，pH在7.5~8.5，水力停留时间HRT为0.5~0.9d、上升流速为1.0~2.5 m/h。在此条件下，进水浓度分别为200 ppm、260 ppm的氨氮与亚硝酸氮的去除率都能达到90％，氮负荷率NLR最大为1.68 Kg N/(m3·d)。该工艺条件下的厌氧氨氧化反应抗冲击能力强，系统失稳后，经短期恢复即可稳定。

进一步的，厌氧氨氧化反应区5在运行时还可添加轻质环形填料，环形填料可供污泥的生长提供附着点，促进系统生物膜量的增加。

膜生物反应区9最主要的部分是膜组件，膜组件中膜材料的孔径0.1~2μm，膜组件进水口装有压力表8，出水口装有阀门10，通过调节膜组件出水口阀门10的大小将膜组件进水口的压力表8示数控制在0.5~1MPa范围内。

膜组件内部存在水平通道和垂直通道，水平通道供厌氧污泥和部分污水快速通过回到厌氧氨氧化反应区5，水平通道的材料是0.1~2μm具有渗透性的膜材料，从水平通道渗透出的小分子物质经膜组件的垂直通道直接排出体系外。

本发明采用半短程硝化工艺、厌氧氨氧化工艺和膜生物反应器相结合的工艺，与传统工艺相比，氧气和碳源消耗量大大降低，经过半短程硝化反应的污水，氨氮与亚硝酸氮的比例适合，为厌氧氨氧化反应提供合适的反应条件，实现高效脱氮，同时用过膜生物反应器可以将经厌氧氨氧化区处理后的泥水混合物通过膜生物反应区的拦截作用将其有效分离，污泥能够及时回收到厌氧氨氧化反应器内。本发明所述工艺脱氮效率高，能源消耗低，出水达标率高，同时摒弃了传统厌氧氨氧化工艺重力分离而采用膜分离污泥，大大加快了厌氧氨氧化细菌的富集速率，快速启动厌氧氨氧化反应。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种高效脱氮反应系统，其特征在于包括进水端、半短程硝化反应区、污泥沉淀区、厌氧氨氧化反应区、循环泵、膜生物反应区、出水端，所述膜生物反应区包含膜组件，污水经过所述进水端调节pH值后流入所述半短程硝化反应区，在所述半短程硝化反应区污水中的氨氮部分转化为亚硝酸氮后流至所述污泥沉淀区，污水中部分污泥在所述污泥沉淀区回流至所述半短程硝化反应区，剩余污泥从所述污泥沉淀区的污泥排出口排出，污水随后流入所述厌氧氨氧化反应区并与厌氧氨氧化污泥充分混合，污水中的氨氮、亚硝酸氮在所述厌氧氨氧化污泥的作用下转化为硝酸氮、氮气，然后在所述厌氧氨氧化区反应完全的污水和污泥混合物经所述循环泵进入所述膜生物反应区，经过膜组件后，通过出水端流出系统。

2.如权利要求1所述的高效脱氮反应系统，其特征在于在所述半短程硝化反应区、厌氧氨氧化反应区内设置多参数在线水质监测仪器，所述多参数在线水质监测仪器可在线监测pH，温度，ORP，DO，NH+ 4-4，NO- 3-N和NO- 2-N。

3.如权利要求1所述的高效脱氮反应系统，其特征在于所述半短程硝化反应区、厌氧氨氧化反应区运行时温度稳定在30~35℃。

4.如权利要求1所述的高效脱氮反应系统，其特征在于所述半短程硝化反应区内设有搅拌装置和曝气装置，以使DO的浓度控制在0.3~0.8 mg/L范围内。

5.如权利要求1所述的高效脱氮反应系统，其特征在于所述系统还包括污泥回流泵，用于使所述污泥沉淀区的污泥回流到所述半短程硝化反应区，还包括第一循环泵，用于为在所述厌氧氨氧化区反应完全的污水和污泥混合物提供动力进入所述膜生物反应区，还包括第二循环泵，用于为经过所述膜生物反应区处理的厌氧污泥和部分污水提供动力回流到所述厌氧氨氧化反应区。

6.如权利要求1所述的高效脱氮反应系统，其特征在于所述系统还包括压力表，位于监控所述膜生物反应区的进水口，用于监控所述膜生物反应区进水口的压力，还包括阀门，位于所述膜生物反应区的出水口，通过调节所述出水口阀门的大小将进水口的压力表的示数控制在0.5~1 MPa的范围内。

7.如权利要求5所述的高效脱氮反应系统，其特征在于所述系统还包括位于所述膜生物反应区内的膜组件，所述膜组件内部存在水平通道和垂直通道，水平通道供厌氧污泥和部分污水快速通过经所述第二循环泵回到所述厌氧氨氧化反应区，所述水平通道的材料为具有渗透性的膜材料，通道孔径为0.1~2μm，从水平通道渗透出的小分子物质经膜组件的垂直通道直接排出体系外。

8.一种高效脱氮的反应方法，其特征在于包括以下步骤：

污水经过进水端调节pH值后流入所述半短程硝化反应区；

半短程硝化反应区内含以亚硝化细菌为主导生物的污泥，污水经过半短程硝化反应区后，污水中部分的氨氮转化为亚硝酸氮；

污水流入污泥沉淀区，污泥沉淀区内污泥部分回流至半短程硝化反应区，剩余污泥从所述污泥沉淀区的污泥排出口排出；

污水流入厌氧氨氧化反应区，并向厌氧氨氧化反应区内输入含有氨氮、亚硝酸氮的污水，厌氧氨氧化反应区内含经驯化的厌氧污泥，将污水中的氨氮和亚硝酸氮转化为硝酸氮和氮气；

厌氧氨氧化反应区处理后的污水和污泥的混合物经过第一循环泵输送进入后续的膜生物反应区，混合物中的厌氧污泥被膜组件截留后经第二循环泵回到厌氧氨氧化反应区，已达标的出水则经过膜组件的排水口被排出整套体系外。

9.如权利要求8所述的高效脱氮的反应方法，其特征在于污水调节后的pH值为7.5~8.5。

10.如权利要求8所述的高效脱氮的反应方法，其特征在于所述半短程硝化区的DO控制在0.3~0.8 mg/L范围内，保持温度30-35℃。

11.如权利要求8所述的高效脱氮的反应方法，其特征在于在所述污泥沉淀区的污泥回流比控制在50%~100%。

12.如权利要求8所述的高效脱氮的反应方法，其特征在于向厌氧氨氧化反应区内投加Fe、Co、Ni、Mg；厌氧氨氧化反应区在运行时添加轻质环形填料，供污泥的生长提供附着点。

13.如权利要求8所述的高效脱氮的反应方法，其特征在于所述膜生物反应区包括膜组件，膜组件中膜材料的孔径为0.1~2 μm，膜组件进水口装有压力表，出水口装有阀门，通过调节膜组件出水口阀门的大小将膜组件进水口的压力表的示数控制在0.5~1MPa范围内。

14.如权利要求13所述的高效脱氮的反应方法，所述膜组件内部存在水平通道和垂直通道，水平通道供厌氧污泥和部分污水快速通过回到厌氧氨氧化反应区，所述水平通道的材料为具有渗透性的膜材料，通道孔径为0.1~2μm，从水平通道渗透出的小分子物质经膜组件的垂直通道直接排出体系外。