CN108217944A - 单级自养脱氮上流式双层填料反应器及自养脱氮的方法 - Google Patents

单级自养脱氮上流式双层填料反应器及自养脱氮的方法 Download PDF

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Abstract

单级自养脱氮上流式双层填料反应器及自养脱氮的方法，以解决现有单级自养脱氮反应器滤料应用单一的问题。反应器：反应器(A)内腔由下至上为聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)、鹅卵石垫区(Ⅱ)、沸石填料区(Ⅲ)和清水区(Ⅳ)，曝气头(6)设置在聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)的底部，曝气头(6)与气体流量计(5)连接，气体流量计(5)与空气泵(4)连接，空气泵(4)与时间继电器(7)相连，DO探头(9)和pH探头(11)均设置在清水区(Ⅳ)内，DO探头(9)与DO在线检测仪(8)连接，pH探头(11)与pH在线检测仪(10)连接。方法：步骤一、反应器(A)进行亚硝化反应阶段；步骤二、厌氧氨氧化阶段；步骤三、稳定运行阶段；步骤四、对反应器进行反冲洗。本发明用于污水脱氮。

Description

单级自养脱氮上流式双层填料反应器及自养脱氮的方法
技术领域
本发明涉及一种水处理反应器及处理方法，具体涉及一种单级自养脱氮上流式双层填料反应器及自养脱氮的方法。
背景技术
现在大部分污水处理厂所使用的污水脱氮技术是传统的AAO(厌氧-缺氧-好氧法)工艺。这种工艺的原理是利用氨氧化细菌(AOB,ammonium-oxidizing bacteria)和亚硝酸盐氧化菌亚硝酸盐氧化细菌(NOB,nitrite-oxidizing bacteria)协同的硝化作用(nitrification)和反硝化细菌的反硝化作用(denitrification)，将氮元素转化生成氮气,从水中逸出。但是传统的脱氮工艺存在着许多不足，包括聚磷菌与反硝化细菌的碳源竞争，有机物对硝化细菌的抑制作用、曝气量等问题。因此，人们对传统的工艺流程做出去许多改变来克服这些问题。改良AAO、倒置AAO、UCT(一种改良AAO工艺)等许多工艺一定程度上解决了传统AAO工艺的缺陷。但是这些工艺都没有摆脱全硝化-反硝化的固定过程。很多污水处理厂都会采用加大曝气量方法使出水氨氮达标，但是此种方法无法保证氨氮去除效果，还会造成资源浪费。随着人们对脱氮思路的不断拓展，许多的新型工艺应运而生，如短程硝化反硝化、厌氧氨氧化等。厌氧氨氧化工艺是由荷兰代尔夫特工业大学所提出，是指在厌氧条件下，以NH4 +-N(氨态氮)作为电子供体将NO2 --N(亚硝态氮)还原成氮气的生物反应。在厌氧氨氧化工艺的基础之上，又衍生出来了、CANON(全程自养脱氮)、OLAND(新型生物脱氮工艺)等工艺，这些工艺在处理低C/N比氨氮废水具有耗氧量低，无需有机物作为外加碳源等无可比拟的优势。
CANON(Completely autotrophic nitrogen removal over nitrite)工艺最初是由荷兰代尔夫特工业大学研发的一种新型脱氮技术。CANON工艺即为全程自养脱氮技术，这个工艺是基于厌氧氨氧化工艺发展起来的，它将短程硝化与厌氧氨氧化结合在一起，无需外源有机物进行脱氮。两级自养脱氮工艺将亚硝化与厌氧氨氧化分别放置在两个反应器中，二级反应的工艺参数较强，但是由于亚硝化和厌氧氨氧化过程分置在两个反应器之中，使得两个反应的联合性受到影响。单级自养脱氮工艺在同一个系统中同时实现亚硝化与厌氧氨氧化，这样功能菌共同生长协同作用自养脱氮，还减少了投资建设费用，是未来研究的一个方向。
工艺中的主要功能菌厌氧氨氧化菌与氨氧化菌都为自养菌，生长速率缓慢，倍增时间长，所以一般会投加填料以富集功能菌。一般使用的填料包括火山岩、陶粒、塑料、聚氨酯海绵填料等，且所用填料一般为单一种类填料，这些填料都有着各自的局限性，例如陶粒易板结、塑料填料不易挂膜等缺点。此外，水中溶解氧也是影响自养脱氮效果的重要因素。过高的溶解氧会抑制厌氧氨氧化菌并提高亚硝酸盐氧化菌的活性，导致大量氨态氮转化为亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，自养脱氮效果受到抑制甚至被破坏。过低的溶解氧无法保证氨态氮向亚硝态氮进行转化，亚硝态氮浓度过低会导致厌氧氨氧化菌基质不足，生长受到抑制，自养脱氮效果受到影响。
发明内容
本发明是为了解决现有单级自养脱氮反应器滤料应用单一的问题，而提供的一种单级自养脱氮上流式双层填料反应器及自养脱氮的方法。
本发明的一种单级自养脱氮上流式双层填料反应器，其组成包括反应器(A)、反应器进水管(B)、进水连接管(C)、进水水箱(1)、进水蠕动泵(2)、进水口阀门(3)、空气泵(4)、气体流量计(5)、曝气头(6)、时间继电器(7)、DO在线检测仪(8)、DO探头(9)、pH在线检测仪(10)、pH探头(11)、回流蠕动泵(12)、出水水箱(13)、反冲洗进水管(14)、回流进水阀(16)、反冲洗出水管(17)、多孔筛板(18)和回流管(19)；
反应器(A)内腔由下至上为聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)、鹅卵石垫区(Ⅱ)、沸石填料区(Ⅲ)和清水区(Ⅳ)，多孔筛板(18)水平设置在聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)与鹅卵石垫区(Ⅱ)之间，反应器(A)的底部设有进水口(A-1)，反应器(A)上位于清水区(Ⅳ)处设有回流口(A-2)和出水口(A-3)，反应器进水管(B)的一端与进水口(A-1)连接，反应器进水管(B)的另一端与进水蠕动泵(2)连接，进水口阀门(3)设置在反应器进水管(B)上，进水连接管(C)的一端与进水蠕动泵(2)连接，进水连接管(C)的另一端通至进水水箱(1)，反冲洗进水管(14)的一端与进水蠕动泵(2)连接，反冲洗进水管(14)的另一端通至出水水箱(13)，反冲洗出水管(17)的一端与出水口(A-3)连接，反冲洗出水管(17)的另一端通至出水水箱(13)，回流管(19)的一端与回流口(A-2)连接，回流管(19)的另一端与进水口(A-1)连接，回流蠕动泵(12)和回流进水阀(16)均安装在回流管(19)上，曝气头(6)设置在聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)的底部，曝气头(6)与气体流量计(5)连接，气体流量计(5)与空气泵(4)连接，空气泵(4)与时间继电器(7)相连，DO探头(9)和pH探头(11)均设置在清水区(Ⅳ)内，DO探头(9)与DO在线检测仪(8)连接，pH探头(11)与pH在线检测仪(10)连接。
进一步的，所述反应器(A)的中部设有取样口(15)。
进一步的，所述曝气头(6)采用微孔曝气头。
本发明的一种自养脱氮的方法，所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、反应器(A)进行亚硝化反应阶段：将污水加入到进水水箱(1)中，通过进水蠕动泵(2)将污水输入到反应器(A)的聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)，并再经鹅卵石垫区(Ⅱ)进入到沸石填料区(Ⅲ)内，最后进入清水区(Ⅳ)后，一部分出水通过回流蠕动泵(12)回流至反应器(A)的底端，再次进入反应器(A)，另一部分出水到出水水箱(13)中，同时利用气体流量计(5)使空气泵(4)进行间歇曝气，通过DO在线检测仪(8)调节氧含量，使得DO值在0.3mg/L±0.05，氨氮在两种填料表面首先被氨氧化细菌氧化成亚硝，在反应器(A)进水中的氨氮有40％-50％转化为亚硝态氮，进行下一步骤；
步骤二、厌氧氨氧化阶段：在步骤一阶段运行完成后，向反应器(A)内接种厌氧氨氧化菌，将污水加入到进水水箱(1)中，通过进水蠕动泵(2)将污水输入到反应器(A)的聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)，并再经鹅卵石垫区(Ⅱ)进入到沸石填料区(Ⅲ)内，最后进入清水区(Ⅳ)后，一部分出水通过回流蠕动泵(12)回流至反应器(A)底端，再次进入反应器(A)，另一部分出水到出水水箱(13)中，同时利用时间继电器(7)和气体流量计(5)使空气泵(4)进行间歇曝气，根据DO在线检测仪8调节氧含量，使得DO值在0.1mg/L±0.01，以实现自养脱氮；
步骤三、稳定运行阶段：在步骤二自养脱氮目标达成后，对反应器进水内额外添加有机物，并使C/N(碳氮比)保持为0.5，使反应器(A)内自养功能菌逐渐适应有机物的影响；待反应器(A)稳定运行后，可以停止曝气，通过调节反应器的内回流比，维持反应器内溶解氧在0.04mg/L±0.01，反应器A中温度控制在30℃～35℃之间，pH控制在8.0,氨氮浓度控制在70mg/L～150mg/L。
进一步的，步骤四、对反应器进行反冲洗：当进出水硝酸盐态氮变化与氨态氮的变化比值大于理论值0.11时，即对反应器A进行反冲洗，储存在出水水箱(13)中的反应器出水利用蠕动泵2通过反冲洗进水管14被回流至反应器(A)进行反冲洗，利用空气泵4进行气反冲。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明的上层选择沸石作为填料，不同于其他无机及有机填料，沸石具有特殊的性能，它对氨氮具有很高的选择交换性能，能减弱进水氨氮波动对工艺运行的影响，此外具有很高的孔隙率和比表面积，易于AOB(氨氧化细菌)与AMX(厌氧氨氧化菌)在其上附着生长。下层选择聚氨酯海绵填料，聚氨酯海绵填料从外表面到内部可以形成好氧-缺氧-厌氧的环境，有利于AMX、AOB及反硝化菌的生长。鹅卵石垫层可以防止上层沸石填料掉入下层聚氨酯海绵填料区。
二、反应器填料部分由下层悬浮填料和上层下沉填料组合，兼具了流化床与固定床的优点，更容易持留反应器内污泥，可以延长整个反应器的反冲洗周期，使上层沸可以选择粒径较小的填料，有利于提高反应器整体处理效果。下层填料可以提高氧传输效率，聚氨酯填料从外表面到内部可以形成好氧-缺氧-厌氧的环境，有利于AMX、AOB及反硝化菌的生长，能顺利进行自养脱氮，并能对有机负荷有一定的抵抗。回流清水区含有硝氮的出水至下层可以利用有机物进行反硝化，进一步提高反应器的运行效果。这样设计可以降低有机负荷及含氧气泡对上层填料微生物的影响，更好地进行自养脱氮作用，保证了反应器的运行效率。因此，对单级自养脱氮运行特点研究及工程应用推广具有重要意义。
三、反应器长时间运行后，老化的生物膜可能会堵塞填料间隙，影响氧气传输效率，进而影响反应器自养脱氮效果。此外，由于NOB相对AOB菌有着较高的氧饱和系数，更易于生长在填料生物膜表面适当的反冲洗可以排除生物膜的NOB菌，更好地保持反应器自养脱氮效果。
附图说明
图1是本发明的一种单级自养脱氮上流式双层填料反应器的整体结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式包括反应器(A)、反应器进水管(B)、进水连接管(C)、进水水箱(1)、进水蠕动泵(2)、进水口阀门(3)、空气泵(4)、气体流量计(5)、曝气头(6)、时间继电器(7)、DO在线检测仪(8)、DO探头(9)、pH在线检测仪(10)、pH探头(11)、回流蠕动泵(12)、出水水箱(13)、反冲洗进水管(14)、回流进水阀(16)、反冲洗出水管(17)、多孔筛板(18)和回流管(19)；
反应器(A)内腔由下至上为聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)、鹅卵石垫区(Ⅱ)、沸石填料区(Ⅲ)和清水区(Ⅳ)，多孔筛板(18)水平设置在聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)与鹅卵石垫区(Ⅱ)之间，反应器(A)的底部设有进水口(A-1)，反应器(A)上位于清水区(Ⅳ)处设有回流口(A-2)和出水口(A-3)，反应器进水管(B)的一端与进水口(A-1)连接，反应器进水管(B)的另一端与进水蠕动泵(2)连接，进水口阀门(3)设置在反应器进水管(B)上，进水连接管(C)的一端与进水蠕动泵(2)连接，进水连接管(C)的另一端通至进水水箱(1)，反冲洗进水管(14)的一端与进水蠕动泵(2)连接，反冲洗进水管(14)的另一端通至出水水箱(13)，反冲洗出水管(17)的一端与出水口(A-3)连接，反冲洗出水管(17)的另一端通至出水水箱(13)，回流管(19)的一端与回流口(A-2)连接，回流管(19)的另一端与进水口(A-1)连接，回流蠕动泵(12)和回流进水阀(16)均安装在回流管(19)上，曝气头(6)设置在聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)的底部，曝气头(6)与气体流量计(5)连接，气体流量计(5)与空气泵(4)连接，空气泵(4)与时间继电器(7)相连，DO探头(9)和pH探头(11)均设置在清水区(Ⅳ)内，DO探头(9)与DO在线检测仪(8)连接，pH探头(11)与pH在线检测仪(10)连接，DO在线检测仪(8)和pH在线检测仪(10)均位于反应器(A)的外部。DO探头(9)和pH探头(11)可实时监测反应器(A)内pH值和DO(溶解氧)值。反应器出水通过反冲洗出水管(17)流入出水水箱(13)储存，其中多余的出水排出。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是反应器(A)的中部设有取样口(15)。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是曝气头(6)采用微孔曝气头。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的：
步骤一、反应器(A)进行亚硝化反应阶段：将污水加入到进水水箱(1)中，通过进水蠕动泵(2)将污水输入到反应器(A)的聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)，并再经鹅卵石垫区(Ⅱ)进入到沸石填料区(Ⅲ)内，最后进入清水区(Ⅳ)后，一部分出水通过回流蠕动泵(12)回流至反应器(A)的底端，再次进入反应器(A)，另一部分出水到出水水箱(13)中，同时利用气体流量计(5)使空气泵(4)进行间歇曝气，通过DO在线检测仪(8)调节氧含量，使得DO值在0.3mg/L±0.05，氨氮在两种填料表面首先被氨氧化细菌氧化成亚硝，在反应器(A)进水中的氨氮有40％-50％转化为亚硝态氮，即出水有稳定的亚硝态氮积累时，进行下一步骤；
步骤二、厌氧氨氧化阶段：在步骤一阶段运行完成后，向反应器(A)内接种厌氧氨氧化菌，将污水加入到进水水箱(1)中，通过进水蠕动泵(2)将污水输入到反应器(A)的聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)，并再经鹅卵石垫区(Ⅱ)进入到沸石填料区(Ⅲ)内，最后进入清水区(Ⅳ)后，一部分出水通过回流蠕动泵(12)回流至反应器(A)底端，再次进入反应器(A)，另一部分出水到出水水箱(13)中，同时利用时间继电器(7)和气体流量计(5)使空气泵(4)进行间歇曝气，根据进水氨氮浓度通过气体流量计(5)调整曝气量、通过时间继电器(7)调整一个曝气周期为30分钟、曝气与停曝时间以脱氮效果为反馈进行调整、水力停留时间为12小时，根据DO在线检测仪8调节氧含量，使得DO值在0.1mg/L±0.01，以实现自养脱氮；
步骤三、稳定运行阶段：在步骤二自养脱氮目标达成后，对反应器进水内额外添加有机物，并使C/N(碳氮比)保持为0.5，使反应器(A)内自养功能菌逐渐适应有机物的影响；待反应器(A)稳定运行后，可以停止曝气，通过调节反应器的内回流比，维持反应器内溶解氧在0.04mg/L±0.01，反应器A中温度控制在30℃～35℃之间，pH控制在8.0左右,氨氮浓度控制在70mg/L～150mg/L。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式还包括下述步骤：
步骤四、对反应器进行反冲洗：步骤五、对反应器进行反冲洗：当进出水硝酸盐态氮变化与氨态氮的变化比值大于理论值0.11时，即对反应器A进行反冲洗，储存在出水水箱(13)中的反应器出水利用蠕动泵2通过反冲洗进水管14被回流至反应器(A)进行反冲洗，利用空气泵4进行气反冲，从而强化了脱氮效果。其它步骤与具体实施方式五相同。

Claims (5)

1.一种单级自养脱氮上流式双层填料反应器，其特征在于：所述单级自养脱氮上流式双层填料反应器包括反应器(A)、反应器进水管(B)、进水连接管(C)、进水水箱(1)、进水蠕动泵(2)、进水口阀门(3)、空气泵(4)、气体流量计(5)、曝气头(6)、时间继电器(7)、DO在线检测仪(8)、DO探头(9)、pH在线检测仪(10)、pH探头(11)、回流蠕动泵(12)、出水水箱(13)、反冲洗进水管(14)、回流进水阀(16)、反冲洗出水管(17)、多孔筛板(18)和回流管(19)；
反应器(A)内腔由下至上为聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)、鹅卵石垫区(Ⅱ)、沸石填料区(Ⅲ)和清水区(Ⅳ)，多孔筛板(18)水平设置在聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)与鹅卵石垫区(Ⅱ)之间，反应器(A)的底部设有进水口(A-1)，反应器(A)上位于清水区(Ⅳ)处设有回流口(A-2)和出水口(A-3)，反应器进水管(B)的一端与进水口(A-1)连接，反应器进水管(B)的另一端与进水蠕动泵(2)连接，进水口阀门(3)设置在反应器进水管(B)上，进水连接管(C)的一端与进水蠕动泵(2)连接，进水连接管(C)的另一端通至进水水箱(1)，反冲洗进水管(14)的一端与进水蠕动泵(2)连接，反冲洗进水管(14)的另一端通至出水水箱(13)，反冲洗出水管(17)的一端与出水口(A-3)连接，反冲洗出水管(17)的另一端通至出水水箱(13)，回流管(19)的一端与回流口(A-2)连接，回流管(19)的另一端与进水口(A-1)连接，回流蠕动泵(12)和回流进水阀(16)均安装在回流管(19)上，曝气头(6)设置在聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)的底部，曝气头(6)与气体流量计(5)连接，气体流量计(5)与空气泵(4)连接，空气泵(4)与时间继电器(7)相连，DO探头(9)和pH探头(11)均设置在清水区(Ⅳ)内，DO探头(9)与DO在线检测仪(8)连接，pH探头(11)与pH在线检测仪(10)连接。
2.根据权利要求1所述的单级自养脱氮上流式双层填料反应器，其特征在于：所述反应器(A)的中部设有取样口(15)。
3.根据权利要求1或2所述的单级自养脱氮上流式双层填料反应器，其特征在于：所述曝气头(6)采用微孔曝气头。
4.一种利用权利要求1所述的单级自养脱氮上流式双层填料反应器实现自养脱氮的方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、反应器(A)进行亚硝化反应阶段：将污水加入到进水水箱(1)中，通过进水蠕动泵(2)将污水输入到反应器(A)的聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)，并再经鹅卵石垫区(Ⅱ)进入到沸石填料区(Ⅲ)内，最后进入清水区(Ⅳ)后，一部分出水通过回流蠕动泵(12)回流至反应器(A)的底端，再次进入反应器(A)，另一部分出水到出水水箱(13)中，同时利用气体流量计(5)使空气泵(4)进行间歇曝气，通过DO在线检测仪(8)调节氧含量，使得DO值在0.3mg/L±0.05，氨氮在两种填料表面首先被氨氧化细菌氧化成亚硝，在反应器(A)进水中的氨氮有40％-50％转化为亚硝态氮，进行下一步骤；
步骤二、厌氧氨氧化阶段：在步骤一阶段运行完成后，向反应器(A)内接种厌氧氨氧化菌，将污水加入到进水水箱(1)中，通过进水蠕动泵(2)将污水输入到反应器(A)的聚氨酯海绵填料区(Ⅰ)，并再经鹅卵石垫区(Ⅱ)进入到沸石填料区(Ⅲ)内，最后进入清水区(Ⅳ)后，一部分出水通过回流蠕动泵(12)回流至反应器(A)底端，再次进入反应器(A)，另一部分出水到出水水箱(13)中，同时利用时间继电器(7)和气体流量计(5)使空气泵(4)进行间歇曝气，根据DO在线检测仪8调节氧含量，使得DO值在0.1mg/L±0.01，以实现自养脱氮；
步骤三、稳定运行阶段：在步骤二自养脱氮目标达成后，对反应器进水内额外添加有机物，并使C/N(碳氮比)保持为0.5，使反应器(A)内自养功能菌逐渐适应有机物的影响；待反应器(A)稳定运行后，可以停止曝气，通过调节反应器的内回流比，维持反应器内溶解氧在0.04mg/L±0.01，反应器A中温度控制在30℃～35℃之间，pH控制在8.0,氨氮浓度控制在70mg/L～150mg/L。
5.根据权利要求4所述的自养脱氮的方法，其特征在于：所述方法还包括下述步骤：步骤四、对反应器进行反冲洗：当进出水硝酸盐态氮变化与氨态氮的变化比值大于理论值0.11时，即对反应器A进行反冲洗，储存在出水水箱(13)中的反应器出水利用蠕动泵2通过反冲洗进水管14被回流至反应器(A)进行反冲洗，利用空气泵4进行气反冲。
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