CN108358378B

CN108358378B - 一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺

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Publication number: CN108358378B
Application number: CN201810018677.6A
Authority: CN
Inventors: 吴德礼; 彭澍晗; 谢宇; 张亚雷
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2018-01-09
Publication date: 2020-11-27
Anticipated expiration: 2038-01-09
Also published as: CN108358378A

Abstract

本发明涉及一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺,高氨氮生活污水首先经过调节池均质后，流入由好氧脱碳区、缺氧反硝化区、超氧硝化区三区组成的循环生物反应区，经过多次循环处理，最后经过沉淀区处理后出水。硝化细菌和脱碳异氧菌在超氧区和好氧区分区生长，降低了相互竞争作用。不需要安装搅拌反应器，循环生物反应区所需的水力驱动由超氧硝化区强曝气产生的气提作用提供。污水经过超氧‑好氧‑缺氧多次循环，实现氨氮硝化转化和有机物去除。与现有技术相比，本发明具有硝化能力强，工艺高效集约，运维简易等优点，能高效处理高氨氮分散生活污水，实现分散污水氮磷资源化利用。

Description

一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺

技术领域

本发明涉及一种农村生活污水处理方法，尤其是涉及一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺。

背景技术

截至2016年底，全国农村生活污水处理率仅为22％，农村分散型生活污水一般由餐厨污水、粪便污水、洗涤污水组成，污水规模较小，氮磷(尤其是氨氮)浓度高，水质水量不稳定，水力冲击负荷高，脱氮除磷难度大。我国农村多数分布分散，距离城市较远造成无法直接纳入市政污水管网，农村生活污水不经妥善处理直接排放，则会对周边生态环境造成不利影响。同时分散污水中的氮磷又是极其宝贵的植物生长肥料，保留水中氮磷营养元素，实现污水资源化利用是重要的发展方向。但是高氨氮、低有机物浓度污水的处理是难题，因此需要开发针对高氨氮分散污水的处理工艺。

传统的生物脱氮原理是首先通过氨化作用将污水中有机氮转化为氨氮，然后通过好氧硝化作用，将氨氮转化为亚硝氮和硝氮，最后在缺氧条件下经反硝化作用还原为氮气，从而达到脱氮的目的。其中将氨氮转化为硝态氮的过程，由于硝化细菌增殖一倍的世代周期长达60小时，远高于反硝化菌以及异养菌所需时间，并且其生长条件苛刻，使得普通生物反应器内硝化菌的数量常常不足，导致硝化步骤成为脱氮过程中的限速步骤。因此对于高氨氮污水的处理，氨氮有效的硝化转化程度，决定了后续的脱氮效率。

目前高氨氮污水的处理方法主要分为物理化学法和生物法，这些方法虽然对处理含有高氨氮的生活污水有一定的效果，但也存在一定的问题，如：中国专利，一种分散型高氨氮污水的处理方法(201510257240.4)，公开了一种适用于高速公路服务区等分散污染点源的处理及脱氮除磷分散型高氨氮污水的处理方法，主要是利用三组厌氧、缺氧和好氧反应池，最后串联人工湿地进行处理，该方法具有串联多个反应器的特征，硝化和反硝化过程难以在同一反应器同时发生，该特征使得这种方法具有工艺流程长，占地面积大，不利于氮磷资源回收利用的缺点。中国专利，一种去除污水中氨氮的方法(201610464043.4)，公开了一种去除污水中氨氮的方法，该方法具有在好氧池投加固体的氨氮清除药剂的特征，使得其具有引发水体二次污染的不足。中国专利，一种高氨氮污水处理方法(201010210946.2)，公开了一种高氨氮污水的方法，该方法利用活性污泥降解水中COD、BOD、氨氮污染物，需要在最后利用膜对泥水进行分离，反渗透膜的使用，使得该方法增加了处理的成本与日常运维工作。

现有的针对高氨氮分散生活污水的处理工艺，主要是利用传统的厌氧/缺氧/好氧(A/A/O)或缺氧/好氧(A/O)工艺进行处理，强调出水的脱碳与脱氮除磷效果，不能实现氮磷资源化利用，并且工艺流程繁琐，占地面积大，需要频繁排泥，运维工作复杂。更重要的是，这些处理工艺均没有特别为在活性污泥种群中处于弱势的硝化菌进行强化培养的工艺步骤。硝化菌在与好氧异养菌的竞争中(如填料上的吸附位点的竞争)存在劣势，造成硝化细菌在反应器内种群数量常常不足，因此在应对含有高氨氮的分散生活污水时，不能将氨氮高效且彻底转变为硝态氮，出水常出现氨氮偏高，气味重等问题。另外针对农村分散生活污水的处理，着重对氨氮和COD进行去除，而保留水中氮磷营养物质，一方面可以简化工艺，降低水处理难度与成本；另一方面可以使得出水在色度、气味在不影响感官指标的前提下，通过农业浇灌和绿化用水等方式实现污水的资源化利用。

因此，如何开发一种工艺简单、运维简易、占地更小的高氨氮分散生活污水处理的新工艺，强化硝化细菌的生长过程，增强系统在面对高氨氮负荷时的硝化能力，同时有效地对水中氨氮、有机物进行去除，以实现出水的氮磷资源化利用，是当前分散型生活污水处理领域亟待解决的重大课题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有脱氮技术中硝化细菌硝化能力较弱、硝化细菌难以培养、与脱碳异氧菌存在竞争、占地面积大、需要额外投加化学药剂等缺点，提供针对高氨氮分散生活污水的一种操作简易、高效集约的处理方法。采用有利于硝化细菌生长的填料以及“三区循环-分区生长”的技术原理，显著提高氨氮硝化转化能力和高效脱碳能力。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本技术发明的核心是“三区循环-分区生长”技术原理和有利于硝化细菌生长的优质填料。主体工艺分为均质调节区T、好氧脱碳区O、缺氧反硝化区A、超氧硝化区SO及沉淀区C。超氧硝化区设置铁掺杂的蜂窝陶瓷填料，有利于硝化细菌的挂膜生长，而且通过强力曝气，提供充足的溶解氧和暗光条件，非常有利于硝化细菌的生长，提高硝化能力；污水通过气提作用从超氧区后依次流经好氧区和缺氧区，通过控制水力停留条件，污水在此三区内经过多次循环后经过沉淀区出水。硝化细菌和脱碳异氧菌分别在超氧区和好氧区生长，通过分区生长降低两者的竞争作用，提供了非常有利于硝化细菌生长的条件。具体工艺流程如下：

(1)用泵将高氨氮分散生活污水从化粪池收集至均质调节区，污水经过格栅后流入污水处理池的底部，与缺氧反硝化区的污水混合后进入超氧硝化区进行反应；

(2)超氧硝化区出水依靠气水循环系统，通过强曝气提升至池面上的伞曝装置，池水与空气剧烈混合，富含氧气的污水呈伞状散落至超氧硝化区的四周；

(3)进入四周的污水依次经过好氧脱碳区和缺氧反硝化区后，再次被抽至超氧硝化区，完成循环，经过多次循环反应后的污水最终通过沉淀区澄清后出水。

所述的超氧硝化区内填装有蜂窝陶瓷填料，该填料为掺杂有1.0-5.0wt％铁元素的圆形蜂窝状填料，蜂窝状填料内的孔径为10mm，开孔密度为5000孔/m²。

所述的超氧硝化区是由蜂窝陶瓷填料组成的竖状管式区域，超氧硝化区的溶解氧浓度DO为4-7mg/L。

所述的竖状管式区域的高径比为4:1。

所述的超氧硝化区的顶部还加盖保持黑暗无光照条件。

所述的好氧脱碳区是由单元直径Φ150mm，间距为50mm的线状弹性立体填料组成的接触氧化生物反应区，溶解氧浓度DO为1-4mg/L。

所述的缺氧反硝化区是由单元直径Φ150mm，间距为50mm的线状弹性立体填料组成的床层区域，缺氧反硝化区的溶解氧浓度DO在1mg/L以下。

所述的好氧脱碳区、缺氧反硝化区、超氧硝化区的体积比例为4:2:1。

所述的气水循环系统中气水比为3:1-5:1。

所述的高氨氮分散生活污水的碳氮比(COD/TN)为1:1-5:1，氨氮浓度(以N计)占总氮浓度(以N计)的70wt％以上。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)超氧硝化区SO利用掺杂微量Fe的特殊蜂窝陶瓷填料，提供高溶解氧的黑暗环境，更有利于硝化细菌种群附着生长，降低其与好氧异养菌群的竞争过程，强化其繁殖能力，使其成为超氧区的优势种群，系统的硝化能力得到显著强化，在填料上掺杂微量的Fe元素，第一，可以增加填料表面的粗糙度，为硝化菌提供生长载体，更利于其附着生长；第二，微量的Fe元素作为酶促反应的激活剂，促使硝化细菌细胞通过汲取Fe源合成相应的辅酶，加速硝化过程；第三，铁在水中所逐步形成的还原态腐蚀产物，也能为自养硝化菌的生长提供能源物质。

(2)生物反应区通过设置不同溶解氧浓度的垂直分区，有利于多种优势生物种群的生长，实现了微生物种群的分区生长，强化系统的氨氮硝化和脱碳能力，是一种技术原理上的创新方法。

(3)曝气管路伸入超氧硝化区SO的蜂窝陶瓷填料底部供氧，提高氧利用率，在蜂窝陶瓷填料的多向切割作用下，使污水与气相剧烈混合，强化曝气效果。同时通过曝气管路的气提作用，将池底缺氧反硝化区A和均质池的流入的混合污水由超氧硝化区SO提升到空气中，在污水与空气混合跌落过程中，形成二次曝气，节省曝气量、降低能耗；

(4)超氧硝化区SO的大高径比竖状区域使得鼓风机可以在较低的流量下，有效通过气提作用以及跌水过程驱动整个生物反应区的水力循环过程，实现均匀的气水混合，污水得以与附着在填料上的微生物种群进行充分的接触反应，操作简单，具有良好经济性；

(5)将用于脱碳、硝化、反硝化的三个区域集成在一个反应池内，微生物分区生长，但是又通过三区循环实现高效的氨氮转化和脱碳效果，结构紧凑，占地面积小，是一种工艺创新。

(6)经过高效硝化和脱碳后的污水，在去除有机物和色度、气味后，尽最大可能保留了水中的氮磷营养成分，可以用于农业灌溉或者景观绿化等回用目的，实现污水的资源化利用。

附图说明

图1为高氨氮分散生活污水处理设备的主视结构示意图；

图2为高氨氮分散生活污水处理设备的俯视结构示意图。

图中，T-均质调节区、O-好氧脱碳区、A-缺氧反硝化区、SO-超氧硝化区、C-沉淀区。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

一种高氨氮分散生活污水处理新工艺，可通过如图1-2的一体化处理设备实现，步骤如下：

1.根据发明工艺流程，一体化处理设备依次分隔为五个区域，包括用于调节水质水量的均质调节区T、用于去除污水中有机物的好氧脱碳区O、用作脱氮的缺氧反硝化区A、用以去除氨氮的超氧硝化区SO以及去除悬浮物的沉淀区C。

2.在好氧脱碳区O与缺氧反硝化区A内装入线状弹性立体填料,，其中，好氧脱碳区O是由单元直径Φ150mm，间距为50mm的线状弹性立体填料组成的接触氧化生物反应区，溶解氧浓度DO为1-4mg/L。缺氧反硝化区A是由单元直径Φ150mm，间距为50mm的线状弹性立体填料组成的床层区域，缺氧反硝化区的溶解氧浓度DO在1mg/L以下，在超氧硝化区SO内放置高径比为4:1的竖状管，并在管内装入铁掺杂质量分数为1.0-5.0％的圆形蜂窝状填料，蜂窝状填料内的孔径为10mm，开孔密度为5000孔/m²，溶解氧浓度DO为4-7mg/L。好氧脱碳区O、缺氧反硝化区A、超氧硝化区SO的体积比例为4:2:1，同时在竖状管式区域顶部加盖以保持密闭黑暗环境。

3.开启污水泵与鼓风机，经由伸入生物反应区底部的气体管路，在超氧硝化区SO底部进行曝气，控制该区域内的气水流量比为3:1-5:1。将分散生活污水从化粪池收集至均质调节区T，经过格栅后流入循环生物反应区底部，与缺氧反硝化区A的污水混合后进入超氧硝化区SO区反应。超氧硝化区SO出水依靠气水循环系统，通过强曝气提升至池面上的伞曝装置。池水与空气剧烈混合，富含氧气的污水随即呈伞状散落至四周的生物反应区。跌入四周生物反应区的污水在依次经过好氧区O和缺氧区A后，再次被抽至超氧硝化区SO，完成一个循环。经过多次循环反应后的污水最终通过沉淀区C澄清后出水。

实施例2

处理某高氨氮分散生活污水

1.将铁掺杂质量分数为1.0％的蜂窝陶瓷填料装入设备超氧反应区SO。

2.将某农村的分散生活污水通入实施例1中的一体化处理设备，进水流量为2m³/d，测得污水的平均水质为：COD＝164mg/L，TN＝148mg/L，NH₃-N＝107mg/L，TP＝9.5mg/L。污水的COD/TN比约为1，氨氮浓度占总氮浓度的72.4％。

3.调节鼓风机曝气量，使得超氧硝化区SO内的气水流量比例为3:1。

处理效果：

待上述系统稳定后，取出水进行测试。以同样的工艺参数使用接触氧化法处理相同的污水，作为对比实验。水中污染物的初始浓度以及去除效果如表1所示：

表1某高氨氮农村分散生活污水处理效果

污染物指标	COD	NH<sub>3</sub>-N	TN	TP
					进水浓度(mg/L)	164	107	148	9.5
本发明新工艺去除率(％)	71.4	96.2	34.2	6.7
					接触氧化法去除率(％)	57	51.1	9.2	8.8

实施例3

处理某旅游景区公厕污水

1.将铁掺杂质量分数为5.0％的蜂窝陶瓷填料装入设备超氧反应区SO。

2.将某旅游景区公厕的生活污水通入实施例1中的一体化分散生活污水处理设备，进水流量为2m³/d，测得污水的平均水质为：COD＝196.4mg/L，TN＝102mg/L，NH₃-N＝96.8mg/L，TP＝12.68mg/L。污水的COD/TN比约为2，氨氮浓度占总氮浓度的94.9％。

3.调节鼓风机曝气量，使得超氧硝化区SO内的气水流量比例为4:1。

处理效果：

待上述系统稳定后，取出水进行测试。水中污染物的初始浓度以及去除效果如表2所示，表明该工艺对污水的NH₃-N具有非常好的去除效果，但是TN去除率不高，说明绝大部分NH₃-N被生物硝化作用转化成硝态氮。出水中N、P的保留，有利于实现污水N、P资源化利用。

表2某旅游景区公厕生活污水处理效果

污染物指标	COD	NH<sub>3</sub>-N	TN	TP
					进水浓度(mg/L)	196.4	96.8	102	12.7
本发明新工艺去除率(％)	80.6	99.2	20.2	5.6

实施例4

处理某餐厅生活污水

1.将铁掺杂质量分数为3.0％的蜂窝陶瓷填料装入设备超氧反应区SO。

2.将某餐厅的生活污水通入实施例1中的一体化处理设备，进水流量为2m³/d，测得污水的平均水质为：COD＝375mg/L，TN＝77.6mg/L，NH₃-N＝54.8mg/L，TP＝5.5mg/L。污水的COD/TN比约为5，氨氮浓度占总氮浓度的70.1％。

3.调节鼓风机曝气量，使得超氧硝化区SO内的气水流量比例为5:1。

处理效果：

待上述系统稳定后，取反应器出水进行测试。以同样的方法应用于移动床生物膜反应器(MBBR法)和接触氧化法处理相同的污水，作为对比实验。水中污染物的初始浓度以及去除效果如表3所示：

表3某餐厅生活污水处理效果

污染物指标	COD	NH<sub>3</sub>-N	TN	TP
					进水浓度(mg/L)	375	54.8	77.6	5.5
本发明新工艺去除率(％)	80.9	100.0	23.2	6.9
					接触氧化法去除率(％)	72.6	81.2	5.6	4.5
MBBR法去除率(％)	83.2	62.6	8.2	5.3

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺，其特征在于，通过将污水处理池依次分隔出均质调节区、好氧脱碳区、缺氧反硝化区、超氧硝化区及沉淀区，对高氨氮分散生活污水进行处理，采用以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺，其特征在于，所述的超氧硝化区内填装有蜂窝陶瓷填料，该填料为掺杂有1.0-5.0wt％铁元素的圆形蜂窝状填料，蜂窝状填料内的孔径为10mm，开孔密度为5000孔/m²。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺，其特征在于，所述的超氧硝化区是由蜂窝陶瓷填料组成的竖状管式区域，超氧硝化区的溶解氧浓度DO为4-7mg/L。

4.根据权利要求3所述的一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺，其特征在于，所述的竖状管式区域的高径比为4:1。

5.根据权利要求1所述的一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺，其特征在于，所述的超氧硝化区的顶部还加盖保持黑暗无光照条件。

6.根据权利要求1所述的一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺，其特征在于，所述的好氧脱碳区是由单元直径为150mm，间距为50mm的线状弹性立体填料组成的接触氧化生物反应区，溶解氧浓度DO为1-4mg/L。

7.根据权利要求1所述的一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺，其特征在于，所述的缺氧反硝化区是由单元直径为150mm，间距为50mm的线状弹性立体填料组成的床层区域，缺氧反硝化区的溶解氧浓度DO在1mg/L以下。

8.根据权利要求1所述的一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺，其特征在于，所述的好氧脱碳区、缺氧反硝化区、超氧硝化区的体积比例为4:2:1。

9.根据权利要求1所述的一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺，其特征在于，所述的气水循环系统中气水比为3:1-5:1。

10.根据权利要求1所述的一种适用于高氨氮分散生活污水的处理工艺，其特征在于，所述的高氨氮分散生活污水的碳氮比(COD/TN)为1:1-5:1，氨氮浓度(以N计)占总氮浓度(以N计)的70wt％以上。