CN108675449B - 一种处理氨氮废水的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种处理氨氮废水的装置及工艺，所述装置包括原水箱、CASS反应箱、投料装置、蠕动泵、排水泵、充气泵、排污装置、磁铁、磁力感应装置和控制装置；原水箱通过蠕动泵与反应箱连接；投料装置设置在生物选择区的箱壁上；排水泵设置在曝气区；充气泵与曝气装置连接；排污装置包括污泥回流装置和污泥处理装置，污泥处理装置与排淤阀、污泥区连接，污泥回流装置与污泥回流管连接；控制装置采用PLC控制器，控制装置与电气装置连接；所述方法包括：反应器内接种及驯化；首次废水处理；连续废水处理；本发明结构简单，制造成本低，适合大量推广。

Description

一种处理氨氮废水的装置及方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种处理氨氮废水的装置及其运行方法。

背景技术

氧化亚氮(N₂O)是大气中含量仅次于CO₂和CH₄的温室气体，在7～13μm波长范围内有强烈的红外吸收，温室效应约为CO₂的300倍，在大气中的寿命长达131年之久，对全球温室效应有重要贡献。大气中N₂O含量增加1倍，全球地表温度上升0.3℃。另外，N₂O进入平流层后，可以迅速转化为NO和NO₂，在紫外光的照射下，可以快速地分解臭氧为氧气，严重破坏臭氧层。N₂O被认为是人为排放破坏臭氧层的首要物质。N₂O在平流层生成的NOx可转化为硝酸，硝酸进入对流层后形成酸雨，从而对生态系统造成严重损害。

N₂O的来源分为自然源和人为源两类，人类活动引起的N₂O释放量增加是大气中N₂O浓度逐渐上升的主要原因。N₂O释放的人为源包括农业种植、牲畜养殖、生物质的燃烧、化石燃料燃烧、污染治理等。

污水生物处理过程是N₂O重要的人为释放源之一，且其释放量有日益增高的趋势。美国环保署的报告称，污水处理过程中释放的N₂O占总释放量的3％。根据Khalil和Rasmussen的估计，污水处理过程N₂O的年释放量为0.3-3.0Tg/yr，占全球N₂O总释放量的2.5％-25％。IPCC报告中指出，污水处理厂污水处理过程中大约0.05-25％的氮被转化成N₂O形式释放，约占全球N₂O总排放量的1.2％。Kampschreur等总结前人的研究结果指出，在实验室中进行的污水处理过程中有0-90％的氮转化成N₂O释放，而在污水处理厂的处理过程中有0-14.6％的氮转化为N₂O。Foley等在七个污水处理厂中检测到的N₂O转化率为0.6-25.3％。Law等预测全球污水处理过程N₂O排放量从2005年到2020年预期增长13％。周兴等统计发现，以CO₂排放当量计，从2003年至2009年我国生活污水处理过程中释放的N₂O占温室气体总释放量的一半以上。Daelman等对一个城镇污水处理厂进行十六个月的连续监测发现，N₂O的排放量占温室气体排放总量的四分之三。随着各国环保部门对污水氮排量控制的日益严格，越来越多的污水处理厂已经加入脱氮工序，这将进一步提高N₂O的释放量。因此深入了解污水处理过程中N₂O的产生机理和减量控制具有重要的意义。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明解决的第一个技术问题是提供了一种能够减少N₂O排放量的处理氨氮废水的装置，本发明解决的另一个技术问题是提供了一种能够减少N₂O排放量的处理氨氮废水的方法。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：一种处理氨氮废水的装置，主要包括原水箱、CASS反应箱、投料装置、蠕动泵、排水泵、充气泵、排污装置、磁铁、磁力感应装置和控制装置；所述原水箱上设置有进水口和排淤阀；所述CASS反应箱包括生物选择区、缺氧反应区、有氧反应区和连通管，所述缺氧反应区内设置有搅拌装置一，所述有氧反应区内设置有曝气装置、搅拌装置二、垫料层和滤料层；所述原水箱通过所述蠕动泵与所述生物选择区连接；所述缺氧反应区上端与生物选择区上端连接，所述有氧反应区通过所述连通管与缺氧反应区连接，且连通管较高的一端位于有氧反应区内；所述曝气装置设置在有氧反应区的靠下端位置，所述搅拌装置二设置在有氧反应区的靠上端位置，所述垫料层设置在曝气装置的上方，所述滤料层设置在垫料层的上端，垫料层和滤料层将有氧反应区从上至下分为反应区、污泥区和曝气区，污泥区上端设置有污泥回流管；所述投料装置设置在生物选择区的箱壁上，投料装置内部为碳源；所述排水泵设置在曝气区；所述充气泵与曝气装置连接；所述排污装置包括污泥回流装置和污泥处理装置，污泥处理装置与排淤阀、污泥区连接，污泥回流装置与污泥回流管连接；所述磁铁采用烧结钐钴永磁，烧结钐钴永磁是一种优越的永磁材料，即具有很高测磁性能，同时又有很强的防腐蚀性、抗氧化性、温度系数低、居里温度高、能在较高环境下使用，磁铁设置在有氧反应区内，位于有氧反应区左侧端，所述磁力感应装置位于有氧反应区内，位于有氧反应区右侧端；所述控制装置采用PLC控制器，控制装置与排淤阀、搅拌装置一、搅拌装置二、投料装置、蠕动泵、排水泵、充气泵、排污装置、磁力感应装置连接。

进一步地，碳源为葡萄糖、蛋白胨、乙酸钠按照质量比1:1:1.7的混合物，且所投碳源与原水中的氮元素的碳氮比为15；充足的碳源供应有利于可还原N₂O的反硝化菌Zoogloea的生长繁殖，提高反硝化功能基因nosZ、nirS和nirK的丰度，增强完全反硝化作用，减少反硝化过程N₂O的产生；碳源为乙酸钠时，CASS感应器脱氮效果优异，反硝化过程几乎不产生N₂O，但在硝化过程中较高的氨氧化速率促进羟胺氧化途径产生N₂O，使N₂O的释放速率提高；以葡萄糖为碳源时，反硝化过程N₂O的产生增加，硝化过程N₂O释放速率降低；同时投加三种碳源时N₂O排放最少；乙酸钠更容易被微生物利用于反硝化反应，促进Dechloromonas、Zoogloea等反硝化菌群和反硝化基因nosZ和nirS的增加；而硝化过程N₂O排放增加的原因可能是其较大的氨氧化速率促进羟胺氧化途径产生N₂O。

进一步地，CASS反应箱的有氧反应区设置有箱门，且箱门处设置有密封装置，能够定期对垫料层和滤料层进行更换，避免因为污泥的长期附着无法排除，影响处理效果，同时也方便后期的观察维修等。

进一步地，垫料层与有氧反应区的箱壳活动连接，垫料层可以从箱门处自由出进，垫料层包括小孔铁网、棉麻布和粗砂，所述棉麻布包裹在粗砂外，所述小孔铁网包裹在棉麻布外，小孔铁网孔径为2-5mm；棉麻布和粗砂能够有效的对污泥进行阻隔，又因为棉麻布具有良好的透气、透水性，能够有效的进行污水曝气处理；同时，小孔铁网的包裹一方面能够更易塑形，便于连接设置，另一方面，能够有效的缓解外部所带来的压力对棉麻布和的冲击。

进一步地，棉麻布为双层，能够避免因为单层棉麻布的破损造成的外漏，不仅会影响到实验效果，同时会导致装置的损坏。

进一步地，滤料层与有氧反应区的箱壳活动连接，滤料层可以从箱门处自由出进，滤料层为被铁网包裹着的鹅卵石，所述铁网孔径为5-10mm，所述鹅卵石孔径为15-30mm；利用15-30mm孔径的鹅卵石能够有效的进行污泥的过滤；同时，采用比鹅卵石孔径较小孔径的铁网不仅可以有效地将鹅卵石聚集起来，并且可以更为方便灵活的实现连接设置。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：一种处理氨氮废水的方法，包括以下步骤：

步骤一：反应器内接种及驯化

将处理原水通过原水入口、蠕动泵引至CASS反应箱内，再由排水泵流出，使得污泥处理装置中充满污泥，再由污泥回流装置将污泥通入CASS反应箱内，然后接种活性污泥，控制污泥浓度在3000mg/L；接种后在CASS反应箱内进行闷曝处理；期间，通过曝气装置和空气泵进行曝气，使得出水水质稳定后增加原水比例，由最初的50％，增加到75％，最终到100％；

步骤二：首次废水处理

将原水从原水进口通入原水箱中，通过蠕动泵将原水箱中的水引至CASS反应箱内，同时，打开投料装置原水中投入碳源，在缺氧反应区进行缺氧搅拌；待缺氧反应区中的污水到达一定高度，污水会从连通管到达有氧反应区，通过曝气装置和空气泵进行曝气，曝气量为50L/h；水力停留时间为1.5h；

步骤三：连续废水处理

打开排水泵，按照步骤二进行连续废水处理；每隔20d，通过污泥处理装置将原水箱和CASS反应箱中的污泥排出，再由污泥回流装置将污泥通入CASS反应箱内，经由污泥回流管进入生物选择区，污泥回流率为20％，在进水的同时进行污泥回流。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明进水段设置缺氧搅拌，脱氮效果最好，N2O转化率也最低(3.98％)，分段进水和延长曝气/连续进水对CASS的脱氮和N₂O减排也有一定的增强作用；这三种循环周期更有利于活性污泥中反硝化功能基因的表达，提高亚硝酸还原酶和N₂O还原酶的活性；

2、同时投加蛋白胨、葡萄糖、乙酸钠三种充足碳源，所造成的N₂O排放最少；

3、采用50L/h高曝气量；能够在气阶段中，曝气量增大使溶氧浓度增加，抑制硝化菌反硝化产生N₂O，减少了N₂O的排放；

4、本发明结构简单，制造成本低，适合大量推广。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的垫料层的结构示意图；

图3是氨氮和总氮的去除效果；R1代表空白；R2代表延长曝气进水；R3代表延长曝气/连续进水；R4代表进水段缺氧搅拌；R5代表分段进水；

图4是不同循环周期下污染物浓度变化；R1代表空白；R2代表延长曝气进水；R3代表延长曝气/连续进水；R4代表进水段缺氧搅拌；R5代表分段进水；

图5是不同循环周期下曝气阶段N2O排放速率及一周期溶解性N2O浓度变化；R1代表空白；R2代表延长曝气进水；R3代表延长曝气/连续进水；R4代表进水段缺氧搅拌；R5代表分段进水；

图6是间歇进水下反应器中污染物浓度变化；a代表50L/h；b代表40L/h；c代表30L/h；d代表20L/h；

图7是连续进水下反应器中污染物浓度变化；a代表50L/h；b代表40L/h；c代表30L/h；d代表20L/h；

图8是不同进水碳氮比下反应器中污染物浓度变化:a代表2.8；b代表4.2；c代表5.6；d代表8.3；e代表13.9；

图9是同进水碳源下反应器中污染物浓度变化:a代表葡萄糖/蛋白胨；b代表葡萄糖；c代表乙酸钠/蛋白胨；d代表乙酸钠；e代表混合碳源；

图10是不同进水pH下反应器中污染物浓度变化:a代表6.6；b代表7.2；c代表7.8；d代表8.4；e代表9.0；

图11是不同污泥停留时间下反应器中污染物浓度变化:a代表15d；b代表20d；c代表25d；d代表30d；e代表35d；

图12是活性污泥、生物膜和泥膜混合反应器在运行阶段氨氮和总氮的去除效果；

图13是氨氮和总氮的去除效果:a代表模式1；b代表模式2；

图14是五个反应器的循环周期；

表15为碳源组成；

其中，1-原水箱、11-进水口、12-排淤阀、2-CASS反应箱、20-箱门、21-生物选择区、22-缺氧反应区、220-搅拌装置一、23-有氧反应区、231-曝气装置、232-搅拌装置二、233-垫料层、2331-小孔铁网、2332-棉麻布、2333-、234-滤料层、24-连通管、3-投料装置、41-蠕动泵、42-排水泵、5-充气泵、6-排污装置、7-磁铁、8-磁力感应装置。

具体实施方式

实施例：如图1、图2所示的一种处理氨氮废水的装置，主要包括原水箱1、CASS反应箱2、投料装置3、蠕动泵41、排水泵42、充气泵5、排污装置6、磁铁7、磁力感应装置8和控制装置；原水箱1上设置有进水口11和排淤阀12；CASS反应箱2包括生物选择区21、缺氧反应区22、有氧反应区23和连通管24，缺氧反应区22内设置有搅拌装置一220，有氧反应区23内设置有曝气装置231、搅拌装置二232、垫料层233和滤料层234；原水箱1通过蠕动泵41与生物选择区21连接；缺氧反应区22上端与生物选择区21上端连接，有氧反应区23通过连通管24与缺氧反应区22连接，且连通管24较高的一端位于有氧反应区23内；曝气装置231设置在有氧反应区23的靠下端位置，搅拌装置二232设置在有氧反应区23的靠上端位置，垫料层233设置在曝气装置231的上方，垫料层233为活动连接，垫料层233包括小孔铁网2331、棉麻布2332和粗砂2333，棉麻布2332为双层，棉麻布2332包裹在粗砂2333外，小孔铁网2331包裹在棉麻布2332外，小孔铁网孔径为3mm，滤料层234设置在垫料层233的上端，滤料层234为活动连接，滤料层234为被铁网包裹着的鹅卵石，铁网孔径为10mm，鹅卵石孔径为25mm，垫料层233和滤料层234将有氧反应区23从上至下分为反应区、污泥区和曝气区，污泥区上端设置有污泥回流管；CASS反应箱2的有氧反应区23设置有箱门20，且箱门20处设置有密封装置；投料装置3设置在生物选择区21的箱壁上，投料装置3内部为碳源；排水泵42设置在曝气区；充气泵5与曝气装置231连接；排污装置6包括污泥回流装置和污泥处理装置，污泥处理装置与排淤阀12、污泥区连接，污泥回流装置与污泥回流管连接；磁铁7采用烧结钐钴永磁，磁铁7设置在有氧反应区23内，位于有氧反应区23左侧端，磁力感应装置8位于有氧反应区23内，位于有氧反应区23右侧端；控制装置采用PLC控制器，控制装置与排淤阀12、搅拌装置一220、搅拌装置二232、投料装置3、蠕动泵41、排水泵42、充气泵5、排污装置6、磁力感应装置8连接。

其中，碳源为葡萄糖、蛋白胨、乙酸钠按照质量比1:1:1.7的混合物，且所投碳源与原水中的氮元素的碳氮比为15；充足的碳源供应有利于可还原N₂O的反硝化菌Zoogloea的生长繁殖，提高反硝化功能基因nosZ、nirS和nirK的丰度，增强完全反硝化作用，减少反硝化过程N₂O的产生；碳源为乙酸钠时，CASS感应器脱氮效果优异，反硝化过程几乎不产生N₂O，但在硝化过程中较高的氨氧化速率促进羟胺氧化途径产生N₂O，使N₂O的释放速率提高；以葡萄糖为碳源时，反硝化过程N₂O的产生增加，硝化过程N₂O释放速率降低；同时投加三种碳源时N₂O排放最少；乙酸钠更容易被微生物利用于反硝化反应，促进Dechloromonas、Zoogloea等反硝化菌群和反硝化基因nosZ和nirS的增加；而硝化过程N₂O排放增加的原因可能是其较大的氨氧化速率促进羟胺氧化途径产生N₂O。

利用本装置对某市一家污水厂的高氨氮废水pH＝8.7，COD＝930mg/L，NH₄ ⁺-N＝1430mg/L进行处理的方法，包括以下步骤：

步骤一：反应器内接种及驯化

将处理原水通过原水入口11、蠕动泵41引至CASS反应箱2内，再由排水泵42流出，使得污泥处理装置中充满污泥，再由污泥回流装置将污泥通入CASS反应箱2内，然后接种活性污泥，控制污泥浓度在3000mg/L；接种后在CASS反应箱2内进行闷曝处理；期间，通过曝气装置231和空气泵5进行曝气，使得出水水质稳定后增加原水比例，由最初的50％，增加到75％，最终到100％；

步骤二：首次废水处理

将原水从原水进口11通入原水箱1中，通过蠕动泵41将原水箱1中的水引至CASS反应箱2内，同时，打开投料装置3原水中投入碳源，在缺氧反应区22进行缺氧搅拌；待缺氧反应区22中的污水到达一定高度，污水会从连通管24到达有氧反应区23，通过曝气装置231和空气泵5进行曝气，曝气量为50L/h；水力停留时间为1.5h；

步骤三：连续废水处理

打开排水泵42，按照步骤二进行连续废水处理；每隔20d，通过污泥处理装置将原水箱1和CASS反应箱2中的污泥排出，再由污泥回流装置将污泥通入CASS反应箱2内，经由污泥回流管进入生物选择区，污泥回流率为20％，在进水的同时进行污泥回流。

通过以上步骤，出水中NH₄ ⁺-N为288mg/L，NO^2--N为481mg/L，水质满足厌氧氨氧化反应的要求。

图3-14为实验所得；

本实验系统考察不同循环周期和工艺参数(曝气量、进水方式、碳氮比、碳源类型、pH、污泥停留时间)下CASS工艺脱氮过程中N₂O释放特征的变化，并且研究投加填料和磁场作用对N₂O释放特征的影响。具体实验安排如下：

(1)循环周期对N₂O释放特征的影响实验

本实验考察循环周期对CASS工艺N₂O释放特征的影响，共运行五个反应器，各自的循环周期分别为：①R1，未作任何改动CASS工艺循环周期，作为空白对照；②R2，进水和曝气均延长到168min，并同时进行；②R3，在反应器整个周期连续进水，曝气段延长到168min，④R4，在48min的进水段启动搅拌器，但曝气泵不运行，活性污泥处于缺氧状态；⑤R5，采用分段进水，进水的同时缺氧搅拌，两个进水段流量分配比为1:1，五个反应器每周期进水量相同，具体循环周期如图14所示，运行时间64天。

(2)运行参数对N₂O释放特征的影响实验

①曝气量和进水方式影响实验

本实验同时研究不同进水方式和曝气量两个影响因素对CASS工艺污染物去除效果、转化过程及N₂O排放特征的影响，采用间歇进水和连续进水两种进水方式，每个进水方式下分别运行四个反应器，曝气量分别为50、40、30、20L/h，共八个反应器，运行时间20天。采用连续进水时，原来的进水段改为闲置段，每周期进水量不变，进水泵一直处于开启状态，曝气时间不变。

②碳氮比影响实验

本实验对碳氮比为2.8、4.2、5.6、8.3、13.9五个条件下CASS工艺N₂O释放情况进行研究，通过调整模拟废水中葡萄糖浓度改变COD浓度，从而改变碳氮比数值，C₆H₁₂O₆·H₂O投加量分别为0、51、103、206、412mg/L，运行时间20天。

③碳源影响实验

本实验平行运行五个的反应器，模拟废水中投加的碳源分别为葡萄糖、葡萄糖/蛋白胨、乙酸钠、乙酸钠/蛋白胨、三种碳源混合，具体碳源组分见表15。模拟废水最终水质不变，进水中有机氮的减少通过投加尿素来补充，运行时间20天。

④pH影响实验

本实验通过模拟进水pH为6.6、7.2、7.8、8.4、9.0的条件下CASS脱氮过程，探讨pH对N₂O释放特征的影响，运行时间20天。进水pH通过加入HCl溶液或NaOH溶液调节。

⑤污泥停留时间影响实验

本实验对污泥停留时间为15、20、25、30、35天五个条件下CASS反应器的运行状况进行研究，主要考察不同污泥停留时间条件对于污水脱氮过程中N₂O产生规律的影响，以期为污水脱氮过程中N₂O的减量及确定最佳工艺控制参数提供依据，运行时间35天。

(3)投加填料对N₂O释放特征的影响实验

本实验同时运行三个反应器，其中第一个反应器只有活性污泥，作为空白对照，第二个反应器只投加悬浮填料，不投加活性污泥，第三个反应器同时加入活性污泥和悬浮填料，研究活性污泥系统、生物膜系统和泥膜混合系统的污染物去除效果、转化过程及N₂O排放特征。反应器内悬浮填料的填充比为30％。悬浮填料购于江苏裕隆公司，为空心圆柱，内部为支架支撑构造，且外部有齿轮，外径和高度均为10mm，密度约为0.95g/cm³，有效比表面积为350m²/m³，。生物膜系统的挂膜方式采用接种挂膜法，启动时将接种污泥加入反应器使其浓度约为1000mg/L，闷曝24小时，最终将接种污泥全部排出。本实验总共运行120天。

(4)磁场对N₂O释放特征的影响实验

本实验在温度为10℃的生化培养箱中同时运行两个反应器，其中一个设置磁场强度为30mT的平行相吸磁场，另一个不设置磁场，作为对照。反应器依次在两种运行模式下运行。模式1为原来的运行模式，模式2在模式1的基础上加入进水段缺氧搅拌，在进水段启动搅拌器，且模拟废水以乙酸钠作为唯一碳源，以氯化铵作为唯一氮源，进水水质为COD150mg/L，氨氮36mg/L，总氮36mg/L。反应器在模式1和模式2下分别运行90天和124天。

由图3可知，不同循环周期的CASS反应器氨氮去除效果在培养阶段逐渐提高，而R4的氨氮去除率(79.62-89.93％)高于其他反应器。R1和R2的总氮去除效果差别不大，且在培养过程中变化较小。R3和R5总氮去除效果逐渐提高至35.8％和38.8％，但仍低于R4(43.5％)。运行64天后，氨氮去除率从高到低的顺序是R4(89.9％)>R3(86.0％)>R5(83.1％)＝R2(83.1％)>R1(79.9％)，总氮去除率从高到低的顺序是R4(43.6％)>R5(38.6％)>R3(35.7％)>R2(30.6％)≈R1(30.3％)。

由图4可知，由于R4在进水段进行缺氧搅拌，溶氧迅速降低至零，进入完全反硝化阶段，硝态氮浓度在进水段大幅降低至5mg/L以下，亚硝态氮浓度提高2.13mg/L。另外，曝气前一小时的反硝化作用较强，使总氮浓度在曝气阶段降低，最终总氮去除率增加13.1％，氨氮去除率增加9.9％。由于CASS反应器狭长，进水提供的碳源主要集中在生物选择区、缺氧区和主反应区前半部分，靠近出水口附近的污泥未能摄取到外部碳源，反硝化速率较低。这些原因都导致R1进水段的反硝化效果较低。当进水的同时进行缺氧搅拌，活性污泥与外部碳源充分接触，加快亚硝酸盐和硝酸盐的还原速率，增强反硝化效果，从而降低总氮浓度。

如图5所示，不同循环周期的CASS反应器N₂O转化率从低到高的顺序是R4(3.98％)<R3(7.81％)<R5(8.51％)<R2(10.38％)<R1(12.48％)。进水段增加缺氧搅拌后N₂O排放减量最多，N₂O转化率降低8.50％。从图5上可以看到，虽然在R4沉淀出水阶段可以检测到水中N₂O浓度约0.6mgN/L，但进水段的缺氧搅拌增强N₂O的还原作用，水中的N₂O浓度迅速较低至约0.02mgN/L，因此曝气开始时N₂O排放量较低。

由图6和图7可知，曝气量为50、40、30、20L/h的间歇进水反应器在曝气阶段的平均DO浓度分别为3.44、2.87、2.60、1.02mg/L，而连续进水反应器的平均DO浓度分别为2.58、1.78、1.04、0.57mg/L。在沉淀阶段，活性污泥中DO浓度降低到0.01mg/L以下。连续进水反应器的亚硝态氮浓度低于间歇进水，最大亚硝态氮浓度为2.7-5.9mg/L，在间歇进水CASS为4.64-12.41mg/L。由于活性污泥对进水有机物的吸附作用，间歇进水反应器的COD浓度在曝气开始30分钟内从51.56-64.44mg/L降低到28.44-41.67mg/L，在随后的反应阶段变化不大。四个反应器的总氮浓度在曝气阶段的前30分钟稍微降低，但随后变化很小，原因是可降解COD在曝气阶段被异养微生物消耗殆尽，难以促进反硝化反应的进行。连续进水反应器总氮浓度同样也在曝气阶段后期变化不大，但在沉淀阶段降低幅度较大。连续进水COD浓度在曝气阶段高于间歇进水，说明连续进水给反应器提供充足的碳源，可以促进反硝化反应的进行。

由图8可知，不同进水碳氮比下CASS反应器氮素的去除效果差异较大。进水碳氮比为2.8、4.2、5.6、8.3、13.9时，氨氮去除率分别为60.5％、75.9％、76.8％、87.5％、99.1％，总氮去除率分别为25.7％、41.0％、47.7％、62.3％、76.7％。随着碳氮比的增加，氨氮和总氮去除率都提高。可见，为保证较好的氨氮和总氮去除率，要求碳氮比不小于4.2。碳氮比为13.9时，氨氮可基本完全去除，脱氮性能优异。

由图9可知，不同进水碳源下总氮去除率如下：乙酸钠(59.1％)>乙酸钠/蛋白胨(50.4％)>混合碳源(47.1％)>葡萄糖/蛋白胨(39.1％)>葡萄糖(38.7％)。氨氮去除率为混合碳源(99.5％)>乙酸钠(99.1％)>乙酸钠/蛋白胨(96.8％)>葡萄糖/蛋白胨(80.4％)>葡萄糖(73.7％)。进水中加入了乙酸钠的三个反应器氨氮去除率都大于96％，氨氮可基本完全去除。乙酸钠的加入增强了CASS工艺的脱氮效果。以葡萄糖为唯一碳源的反应器氨氧化作用最弱，同时也削弱了反硝化作用，使总氮去除率和氨氮去除率都最低。

由图10可知，进水pH为6.6、7.2、7.8、8.4、9.0时，氨氮去除率分别为39.5％、65.1％、82.4％、98.0％、99.7％，总氮去除率分别为37.5％、37.1％、40.3％、42.6％、45.7％。随着进水pH的增加，氨氮和总氮去除率都上升，pH对氨氮去除效果影响更大。pH高于8.4时，氨氮可基本完全去除，由于考虑到成本问题，便不改变处理原水的pH。

由图11可知，随着污泥停留时间从15天增加到35天，氨氮和总氮的去除率变化不大，分别在80.3-83.3％和40.9-41.9％之间波动。以往的研究认为，较低的污泥停留时间对世代时间长的硝化菌生长不易，使硝化效果较低。其中影响较大的是亚硝酸盐氧化菌，低污泥停留时间降低亚硝酸盐氧化菌的数量，促进NO2-的累积。然而，本实验中氨氮、亚硝态氮、总氮在不同污泥停留时间反应器中的浓度变化差别不大，即使在污泥停留时间最低(15d)时氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的活性都没受到抑制。Li等研究污泥停留时间为5、10、20、40d的SBR反应器的运行情况，发现只有污泥停留时间为5d时，才出现NO^2-累积，而其他反应器出水未检出NO^2-。因此，可能由于本实验中设置污泥停留时间都相对较高，未对硝化菌生长造成影响，导致不同污泥停留时间的反应器脱氮效果差别不大。

由图12可知，在活性污泥中投加填料的泥膜混合反应器与活性污泥反应器在运行过程中污染物去除效果较为接近，运行120天后的氨氮和总氮去除率分别为70.7-73.6％和40.9-42.9％，而仅有生物膜的反应器在培养阶段开始时附着在填料上的生物膜较少，硝化作用较弱，有机氮转化为氨氮后难以被进一步氧化，因此出水氨氮浓度高于进水。随着填料上的生物量增多，污染物去除效果逐渐提高，但在100天后基本不变，120天时氨氮去除率比活性污泥反应器低31.9％，但总氮去除效果相同，故采用成本较低者。

由图13可知，两个CASS反应器在模式1下运行到90天脱氮效果都有所提高，设置磁场强度30mT的反应器氨氮和总氮去除率都高于无磁场反应器。运行90天后磁场使氨氮和总氮去除率分别提高21.2％和8.4％。在模式2下，无磁场反应器脱氮效果逐渐变差，到90天后变化不大，氨氮和总氮去除率分别为22.8％和20.7％，远低于常温下CASS反应器的去除率。有磁场反应器在20天到50天的氨氮去除率接近100％，随后大幅降低至62.3％，而总氮去除率的降低幅度较小。在模式2下运行80天后，两个反应器的活性污泥均出现一定程度的膨胀，因此将沉淀时间延长45分钟，出水时间缩短为15分钟。以往的研究表明，低温和进水碳源较低均容易引起活性污泥膨胀。尽管CASS工艺中的生物选择区可以减缓污泥膨胀，但在不利的环境条件下，污泥膨胀现象也会发生。运行124天后，磁场使氨氮和总氮去除率提高39.5％和22.4％。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种处理氨氮废水的装置，其特征在于，主要包括原水箱（1）、CASS反应箱（2）、投料装置（3）、蠕动泵（41）、排水泵（42）、充气泵（5）、排污装置（6）、磁铁（7）、磁力感应装置（8）和控制装置；

所述原水箱（1）上设置有进水口（11）和排淤阀（12）；

所述CASS反应箱（2）包括生物选择区（21）、缺氧反应区（22）、有氧反应区（23）和连通管（24），所述缺氧反应区（22）内设置有搅拌装置一（220），所述有氧反应区（23）内设置有曝气装置（231）、搅拌装置二（232）、垫料层（233）和滤料层（234）；

所述原水箱（1）通过所述蠕动泵（41）与所述生物选择区（21）连接；所述缺氧反应区（22）上端与生物选择区（21）上端连接，所述有氧反应区（23）通过所述连通管（24）与缺氧反应区（22）连接，且连通管（24）较高的一端位于有氧反应区（23）内；所述曝气装置（231）设置在有氧反应区（23）的靠下端位置，所述搅拌装置二（232）设置在有氧反应区（23）的靠上端位置，所述垫料层（233）设置在曝气装置（231）的上方，所述滤料层（234）设置在垫料层（233）的上端，垫料层（233）和滤料层（234）将有氧反应区（23）从上至下分为反应区、污泥区和曝气区，污泥区上端设置有污泥回流管；

所述投料装置（3）设置在生物选择区（21）的箱壁上，投料装置（3）内部为碳源；

所述排水泵（42）设置在曝气区；

所述充气泵（5）与曝气装置（231）连接；

所述排污装置（6）包括污泥回流装置和污泥处理装置，污泥处理装置与排淤阀（12）、污泥区连接，污泥回流装置与污泥回流管连接；

所述磁铁（7）采用烧结钐钴永磁，磁铁（7）设置在有氧反应区（23）内，位于有氧反应区（23）左侧端，所述磁力感应装置（8）位于有氧反应区（23）内，位于有氧反应区（23）右侧端；

所述控制装置采用PLC控制器，控制装置与排淤阀（12）、搅拌装置一（220）、搅拌装置二（232）、投料装置（3）、蠕动泵（41）、排水泵（42）、充气泵（5）、排污装置（6）、磁力感应装置（8）连接；

所述碳源为葡萄糖、蛋白胨、乙酸钠按照质量比1:1:1.7的混合物，且所投碳源与原水中的氮元素的碳氮比为15；

所述CASS反应箱（2）的有氧反应区（23）设置有箱门（20），且箱门（20）处设置有密封装置；

所述垫料层（233）与有氧反应区（23）的箱壳活动连接，垫料层（233）从箱门（20）处自由出进，垫料层（233）包括小孔铁网（2331）、棉麻布（2332）和粗砂（2333），所述棉麻布（2332）包裹在粗砂（2333）外，所述小孔铁网（2331）包裹在棉麻布（2332）外，小孔铁网孔径为2-5mm；

所述棉麻布（2332）为双层；

所述箱门（20）处设置有密封装置；

利用上述处理氨氮废水的装置处理废水的方法，包括以下步骤：

步骤一：反应器内接种及驯化

将处理原水通过进水口（11）、蠕动泵（41）引至CASS反应箱（2）内，再由排水泵（42）流出，使得污泥处理装置中充满污泥，再由污泥回流装置将污泥通入CASS反应箱（2）内，然后接种活性污泥，控制污泥浓度在3000mg/L；接种后在CASS反应箱（2）内进行闷曝处理；期间，通过曝气装置（231）和充气泵（5）进行曝气，使得出水水质稳定后增加原水比例，由最初的50%，增加到75%，最终到100%；

步骤二：首次废水处理

将原水从进水口（11）通入原水箱（1）中，通过蠕动泵（41）将原水箱（1）中的水引至CASS反应箱（2）内，同时，打开投料装置（3）原水中投入碳源，在缺氧反应区（22）进行缺氧搅拌；待缺氧反应区（22）中的污水到达一定高度，污水会从连通管（24）到达有氧反应区（23），通过曝气装置（231）和充气泵（5）进行曝气，曝气量为50L/h；水力停留时间为1.5h；

步骤三：连续废水处理

打开排水泵（42），按照步骤二进行连续废水处理；每隔20d，通过污泥处理装置将原水箱（1）和CASS反应箱（2）中的污泥排出，再由污泥回流装置将污泥通入CASS反应箱（2）内，经由污泥回流管进入生物选择区，污泥回流率为20%，在进水的同时进行污泥回流。

Images