CN108751395A - 两级除硫化氢和挥发性有机物耦合好氧反硝化深度脱氮的方法 - Google Patents

两级除硫化氢和挥发性有机物耦合好氧反硝化深度脱氮的方法 Download PDF

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Abstract

两级除硫化氢和挥发性有机物耦合好氧反硝化深度脱氮的方法，涉及生物除臭及废水生物处理领域。将收集到的气体通入一级滴滤塔中，同时向一级滴滤塔中引入一级水箱中的循环液，在低PH条件下，硫杆菌以H2S为电子供体，氧气(O2)为电子受体，将H2S氧化为硫单质进一步氧化为硫酸，剩余气体进入二级滴滤塔，同时向二级滴滤塔中引入二级水箱中含有硝态氮(NO3 ‑‑N)的循环液，异养的好氧反硝化菌利用VOCs为碳源，以NO3 ‑‑N为电子受体，将NO3 ‑‑N还原为氮气，最终以气体的形式去除水中的氮元素，以此来克服传统活性污泥法工艺出水含有硝态氮的劣势，该方法不但可以去除市政污水总氮(TN)，还可以去除水处理过程中产生的H2S以及VOCs等恶臭气体，保护空气。

Description

两级除硫化氢和挥发性有机物耦合好氧反硝化深度脱氮的 方法
技术领域
本发明涉及一种同时去除H2S和VOCs以及进一步脱氮的方法，涉及生物除臭及废水生物处理领域，适用于污水处理厂生物除臭以及污水厂出水深度脱氮等技术领域。
背景技术
随着城市化进程的不断推进和人民生活水平的提高，城镇污水排放量大幅增加，由于污水中的氮、磷的排放会造成水体的富营养化，城市生活污水的脱氮除磷问题逐渐受到重视。目前，很多水厂的出水总氮TN难以达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准(出水TN≤15mg/L)。而目前，越来越多的城市制定了更高要求的地标(例如北京市地方标准DB11/890-2012中A标准要求TN≤10mg/L)，所以对于出水TN有着越来越高的要求。但传统污水处理工艺，如AAO工艺，大都存在着出水总氮不易达标的问题，其原因主要是传统工艺都是利用好氧段的硝态氮回流至缺氧段来脱氮，而没有回流的部分就被排放，因此存在出水总氮不易达标的问题。
城市污水处理厂的进水泵房、粗格栅、曝气沉砂池、细格栅等部位会产生大量的恶臭废气，主要包括硫化氢(H2S)和挥发性有机物(VOCs)等有毒有害成分,会严重污染周围环境。H2S为无色剧毒恶臭气体,其嗅阈值约为0.00143mg/m3,低浓度时就对人体有很大危害；VOCs多为致癌物质,在光照下可引发光化学烟雾。
生物法废气净化技术是目前大气污染控制领域的研究热点，主要通过附着生长在填料上的微生物的新陈代谢过程，把一部分污染物降解为CO2、水和SO4 2-等，另一部分合成新的微生物细胞质。相比于吸收法、吸附法、催化燃烧法、中和法和氧化法等传统物化法,生物法具有效果好、操作稳定、运行费用低、无二次污染等优势,特别适合处理大流量、低浓度废气。但用生物法同时处理H2S和VOCs遇到的一个问题是，随着硫化氢中的转化为硫酸，引起生物膜的pH降低，pH值迅速下降至一定水平，生物滤池中的生物活性可能受到抑制。尽管H2S通常被在相对酸性pH条件下表现出最佳活性的硫杆菌属物种氧化，然而大多数硫杆菌属都是自养生物，不使用VOCs作为生长碳源，大多数已知的能够消耗VOCs的异养菌优选中性pH，所以在单级去除VOCs和H2S的体系中，异养的VOCs降解菌通常比H2S降解菌更易被酸化抑制，导致VOCs的处理效率不佳。
好氧反硝化作用是一种以碳源为电子供体，同时以氧气O2和硝酸根NO3 -为电子受体，最终将NO3 -还原为氮气N2的反应。好氧反硝化菌是利用好氧反硝化酶的作用，在有氧条件下进行反硝化作用的一类反硝化菌，主要存在于假单胞菌属、产碱杆菌属、副球菌属和芽孢杆菌属等，是一类好氧或兼性好氧、以有机碳作为能源的异养菌，广泛存在于自然界中。
与厌氧反硝化菌的反硝化相比，好氧反硝化菌的反硝化的特征为：
1.好氧反硝化菌的反硝化中，NO3 -、O2均可作为电子最终受体，除去NO3 -的同时还消耗了O2；
2.能在好氧条件下进行反硝化，使其与硝化能够同时进行；
3.可将氨态氮只在好氧条件下转化成气态产物；
4.反硝化速率慢一些；
5.一般好氧反硝化菌的反硝化容易产生N2O，而厌氧反硝化菌的反硝化则主要产生N2以及少量的N2O和NO。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时去除硫化氢(H2S)和挥发性有机物(VOCs)以及进一步脱氮的方法。传统污水处理工艺多是采用缺好氧交替运行的方式，大都存在着出水总氮不达标的问题，其原因主要是传统工艺都是利用好氧段的硝态氮回流至缺氧段来脱氮，而没有回流的部分就被排放，因此存在出水总氮不易达标的问题。超标排放的总氮会导致水环境恶化，甚至出现水体富营养化。在污水处理过程中会产生大量的H2S和VOCs恶臭气体。H2S是有一种类似臭鸡蛋气味的急性剧毒性气体，吸入少量高浓度硫化氢可于短时间内致命。低浓度的硫化氢对眼、呼吸系统及中枢神经都有影响，其最高许容浓度(MAC)值为10ppm，气味阈值浓度低，并有助于环境恶化。此外，H2S的氧化产物，即SO2和SO3，被认为是酸雨的主要原因；挥发性有机物(VOCs)按照世界卫生组织的定义沸点在50℃-250℃的化合物，室温下饱和蒸汽压超过133.32Pa，在常温下以蒸汽形式存在于空气中的一类有机物。挥发性VOCs的危害很明显，当居室中VOCs浓度超过一定浓度时，在短时间内人们感到头痛、恶心、呕吐、四肢乏力，严重时会抽搐、昏迷、记忆力减退，长时间接触还会损伤人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统。H2S和VOCs对人体和环境危害极大，但用生物法同时处理H2S和VOCs遇到的一个问题是，大多数降解H2S的硫杆菌属都是自养生物，不使用VOCs作为生长碳源，且在相对酸性条件下表现出最佳活性，随着硫杆菌属将硫化氢中的转化为硫酸，使得生物膜的pH迅速降低，而降解VOCs的异养菌优选中性pH，因此低pH抑制能够消耗VOCs的异养菌，从而导致VOCs的处理效果不佳，所以开发一种能同时去除H2S和VOCs的工艺是必要的。
本发明将污水厂出水深度脱氮与H2S和VOCs的去除结合起来，利用两级生物除臭工艺去除分别H2S和VOCs，在低pH下的一级滴滤塔中去除H2S，在中性pH下的二级滴滤塔中去除VOCs，且二级滴滤塔中的好氧反硝化菌利用VOCs作为好氧反硝化的碳源，以NO3 --N为电子受体，将NO3 --N还原为氮气，实现污水处理厂出水总氮TN进一步去除的同时又能除去水处理过程中产生的臭气，保护了空气。
基于出水含有硝态氮工艺的两级除硫化氢和挥发性有机物耦合好氧反硝化脱氮的装置，其特征在于：硝态氮储水箱(1)连接二级水箱(3.8)的进水口(3.11)，一级滴滤塔(2)的进水口(2.3)和出水口(2.4)连接一级水箱(2.8)，一级滴滤塔的出气口(2.2)连接二级滴滤塔(3)的进气口(3.1)，二级滴滤塔的进水口(3.3)和出水口(3.4)连接二级水箱(3.8)；收集到的臭气由增压泵(2.12)通过进气口(2.1)进入一级滴滤塔(2)中，一级水箱(2.8)中的循环液由一级循环泵(2.10)通过进水口(2.3)引入一级脱硫滴滤塔中，循环液从出水口(2.4)流出并流入一级水箱中；剩余气体通过进气口(3.1)进入二级滴滤塔(3)，最后气体从出气口(3.2)排出，二级水箱(3.8)中含有硝态氮的循环液由二级循环泵(3.10)引入二级滴滤塔中，循环液从出水口(3.4)并流入二级水箱中，二级水箱出水为最终出水，之后由硝氮进水泵(1.2)从硝氮储水箱(1)引入含有硝态氮的水至二级水箱中。
进一步说明，滴滤塔循环液中的营养成分如下：
K2HPO4 20mg/L,KH2PO4 20mg/L,MgSO4 4mg/L,CaCl2 2mg/L,NH4NO3 120mg/L,MnSO41mg/L,CuSO4 0.4mg/L,FeSO4 0.4mg/L，其余为水。
两级除硫化氢和挥发性有机物耦合好氧反硝化深度脱氮的方法，其特征在于：装置包括硝态氮储水箱(1)、一级滴滤塔(2)、一级水箱(2.8)、二级滴滤塔(3)和二级水箱(3.8)；
系统启动具体操作如下：
一级滴滤塔的启动：在实际城市生活污水处理厂曝气池放置聚氨酯填料，待填料上看到附着一层生物膜后，将填料填入一级滴滤塔内，从塔进气口处通入含有H2S浓度为50mg/m3的气体，每隔5天提高50mg/m3浓度直至浓度达到500mg/m3，控制气体停留时间在25-45s，从塔进水口引入循环液，控制流量为20-40m3/(m2·d)，循环液每天更换10-30％的量，当H2S的去除率大于80％且维持15天以上，系统启动成功；
二级滴滤塔的启动：在实际城市生活污水处理厂曝气池放置聚氨酯填料，待填料上看到附着一层生物膜后，将填料填入二级滴滤塔内，从塔进气口处通入含有VOCs浓度为20mg/m3的气体，每隔5天提高20mg/m3浓度直至浓度达到200mg/m3，控制气体停留时间在40-80s，从塔进水口引入来自二级水箱中含有硝态氮(NO3--N)浓度为25-35mg/L的循环液，控制流量为10-20m3/(m2·d)，二级水箱循环液每周期从排水口排放20-50％的量，每天2-3周期，当VOCs和NO3--N的去除率分别大于80％和60％且维持15天以上，系统启动成功；
系统运行操作，包括以下步骤：
①臭气由增压泵(2.12)通过进气口(2.1)进入一级滴滤塔(2)中，空床停留时间EBRT为25-45s，剩余气体从出气口(2.2)排出；
②一级水箱(2.8)中的循环液由一级循环泵(2.10)通过进水口(2.3)引入一级脱硫滴滤塔中，循环液从出水口(2.4)流出并流入一级水箱中，控制塔内循环液滴流量为20-40m3/(m2·d)，一级水箱中的循环液每天更换10-30％；
③从一级滴滤塔排出的气体通过进气口(3.1)进入二级滴滤塔(3)，空床停留时间EBRT为40-80s，最后气体从出气口(3.2)排出；
④二级水箱(3.8)中含有硝态氮的循环液由二级循环泵(3.10)引入二级滴滤塔中，循环液从出水口(3.4)并流入二级水箱中，控制塔内循环液流量为10-20m3/(m2·d)，二级水箱循环液每周期从排水口(3.12)排放20-50％的量，每天2-3周期，二级水箱排出水为最终出水；
⑤在二级水箱每次排完水之后，硝氮进水泵(1.2)从硝氮储水箱(1)引入含有硝态氮的水至二级水箱中，直至水量达到上周期未排水时的水平，控制二级水箱中的硝态氮(NO3 --N)浓度在30-35mg/L。
更进一步，包括以下步骤：
①收集到的臭气由增压泵(2.12)通过进气口(2.1)进入一级滴滤塔(2)中，空床停留时间EBRT设置为25-45s，剩余气体从出气口(2.2)排出，一级滴滤塔有效高径比为10：1，塔内装有聚氨酯填料，孔隙率为25PPI，填充比为70-80％，填料上附着的微生物(主要为硫杆菌属)，以O2为电子受体，H2S为电子供体，将H2S氧化为硫单质S和硫酸根离子SO4 2-；
②一级水箱(2.8)中的循环液由一级循环泵(2.10)通过进水口(2.3)引入一级脱硫滴滤塔中，循环液从出水口(2.4)流出并流入一级水箱中，控制塔内循环液滴流量为20-40m3/(m2·d)，一级水箱中的循环液每天更换10-30％的量；
③从一级滴滤塔排出的气体通过进气口(3.1)进入二级滴滤塔(3)，空床停留时间EBRT设置在40-80s，最后气体从出气口(3.2)排出，二级滴滤塔有效高径比为10：1，塔内装有聚氨酯填料，孔隙率为25PPI，填充比为70-80％，填料上附着的好氧反硝化菌，以NO3 --N为电子受体，VOCs为碳源，最终将VOCs降解为H2O和CO2将NO3 --N还原为N2；
④二级水箱(3.8)中含有硝态氮的循环液由二级循环泵(3.10)引入二级滴滤塔中，循环液从出水口(3.4)并流入二级水箱中，控制塔内循环液流量为10-20m3/(m2·d)，二级水箱循环液每周期从排水口(3.12)排放20-50％的量，每天2-3周期，二级水箱排出水为最终出水；
⑤在二级水箱每次排完水之后，硝氮进水泵(1.2)从硝氮储水箱(1)引入含有硝态氮的水至二级水箱中，直至水量达到上周期未排水时的水平，控制二级水箱中的硝态氮(NO3 --N)浓度在30-50mg/L；
⑥当一级滴滤塔的压差计(2.5)测量压降值达到300Pa，二级滴滤塔的压差计(3.5)测量压降值达到400Pa时，认为滴滤塔阻塞需要增大循环液流量进行冲洗，此时增大一级循环泵(2.10)和二级循环泵(3.10)的流量，反冲洗强度设置为100-150m3/(m2·d)，出水排出。
两级除硫化氢和挥发性有机物耦合好氧反硝化深度脱氮的方法，其特征在于，利用两级滴滤塔分别去除臭气成分中的H2S和VOCs，克服VOCs降解菌不适应低pH的矛盾；在低pH条件下的一级滴滤塔(1)中，好酸性的硫杆菌属利用氧气将H2S氧化为硫单质和硫酸随循环液出水排出，从而得到去除；剩余气体进入中性pH条件下的二级滴滤塔(2)中，塔中聚氨酯填料(3.7)上附着的好氧反硝化菌利用气体中的VOCs为碳源，以循环液中的硝态氮(NO3 --N)为电子受体，将NO3 --N还原为氮气，达到在去除VOCs的同时还能进一步去除总氮TN的目的。
显然，上述实例仅仅是为清楚地说明所做的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域内的技术人员来讲，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之内。
两级除硫化氢和挥发性有机物耦合好氧反硝化深度脱氮的方法，与传统单级生物除臭工艺相比具有的优势：
1.同时满足H2S与VOCs的高效去除；
2.将H2S与VOCs分开去除，克服VOCs降解菌不适应低pH的矛盾，使H2S降解菌和VOCs降解菌都能在各自最佳pH条件下发挥作用；
3.在去除H2S与VOCs的同时深度脱氮，在处理臭气保护空气的同时，还能降低出水总氮TN，满足更高的出水要求；
4.利用臭气中的挥发性有机物为碳源，从而节省了污水原水中的碳源，节省污水深度脱氮运行成本。
附图说明
图1为基于出水含有硝态氮工艺的两级除硫化氢和挥发性有机物耦合好氧反硝化脱氮装置的附图。其中：1-硝态氮储水箱，其设有1.1-出水口、1.2-硝态氮进水泵；2-一级滴滤塔，其设有2.1-进气口、2.2-出气口、2.3-进水口、2.4-出水口、2.5-压差计、2.6-探头口、2.7-聚氨酯填料、2.8-一级水箱、2.9-回流口、2.10-一级循环泵、2.11-排水口、2.12-增压泵、2.13-一级流量计；3-二级滴滤塔，其设有3.1-进气口、3.2-出气口、3.3-进水口、3.4-出水口、3.5-压差计、3.6-探头口、3.7-聚氨酯填料、3.8-二级水箱、3.9-回流口、3.10-二级循环泵、3.11-硝态氮进水口、3.12-排水口、3.13-二级流量计。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：
①收集到的臭气由增压泵(2.12)通过进气口(2.1)进入一级滴滤塔(2)中，空床停留时间EBRT设置为25-45s，剩余气体从出气口(2.2)排出，一级滴滤塔有效高径比为10：1，塔内装有聚氨酯填料，孔隙率为25PPI，填充比为70-80％，填料上附着的微生物(主要为硫杆菌属)，以O2为电子受体，H2S为电子供体，将H2S氧化为硫单质S和硫酸根离子SO4 2-；
②一级水箱(2.8)中的循环液由一级循环泵(2.10)通过进水口(2.3)引入一级脱硫滴滤塔中，循环液从出水口(2.4)流出并流入一级水箱中，控制塔内循环液滴流量为20-40m3/(m2·d)，一级水箱中的循环液每天更换10-30％的量；
③从一级滴滤塔排出的气体通过进气口(3.1)进入二级滴滤塔(3)，空床停留时间EBRT设置在40-80s，最后气体从出气口(3.2)排出，二级滴滤塔有效高径比为10：1，塔内装有聚氨酯填料，孔隙率为25PPI，填充比为70-80％，填料上附着的好氧反硝化菌，以NO3 --N为电子受体，VOCs为碳源，最终将VOCs降解为H2O和CO2将NO3 --N还原为N2；
④二级水箱(3.8)中含有硝态氮的循环液由二级循环泵(3.10)引入二级滴滤塔中，循环液从出水口(3.4)并流入二级水箱中，控制塔内循环液流量为10-20m3/(m2·d)，二级水箱循环液每周期从排水口(3.12)排放20-50％的量，每天2-3周期，二级水箱排出水为最终出水；
⑤在二级水箱每次排完水之后，硝氮进水泵(1.2)从硝氮储水箱(1)引入含有硝态氮的水至二级水箱中，直至水量达到上周期未排水时的水平，控制二级水箱中的硝态氮(NO3 --N)浓度在30-50mg/L；
⑥当一级滴滤塔的压差计(2.5)测量压降值达到300Pa，二级滴滤塔的压差计(3.5)测量压降值达到400Pa时，认为滴滤塔阻塞需要增大循环液流量进行冲洗，此时增大一级循环泵(2.10)和二级循环泵(3.10)的流量，反冲洗强度设置为100-150m3/(m2·d)，出水排出。
试验过程中，以北京昌平沙河再生水厂细格栅收集的臭气为处理对象,其中含有H2S浓度为100-500mg/m3，VOCs浓度为100-200mg/m3，二级滴滤池循环液水质如下：NH4 +-N浓度<1mg/L，NO2 --N浓度<0.2mg/L，NO3 --N浓度在30.0-50.0mg/L。试验系统如图1所示，反应器为有机玻璃材质，一级滴滤塔(2)和二级滴滤塔(3)有效容积为8L，有效高径比为10：1，一级水箱(2.8)和二级水箱(3.8)有效容积为10L，硝态氮储水箱(1)有效容积为50L。
实验按照以下操作步骤进行：
①收集到的臭气由增压泵(2.12)通过进气口(2.1)进入一级滴滤塔(2)中，空床停留时间EBRT为30-35s，剩余气体从出气口(2.2)排出，塔内装有聚氨酯填料，孔隙率为25PPI，填充比为70％；
②一级水箱(2.8)中的循环液由一级循环泵(2.10)通过进水口(2.3)引入一级脱硫滴滤塔中，循环液从出水口(2.4)流出并流入一级水箱中，控制塔内循环液滴流量为35m3/(m2·d)，一级水箱中的循环液每天更换20％；
③从一级滴滤塔排出的气体通过进气口(3.1)进入二级滴滤塔(3)，空床停留时间EBRT为60-70s，最后气体从出气口(3.2)排出，塔内装有聚氨酯填料，孔隙率为25PPI，填充比为80％；
④二级水箱(3.8)中含有硝态氮的循环液由二级循环泵(3.10)引入二级滴滤塔中，循环液从出水口(3.4)并流入二级水箱中，控制塔内循环液流量为15m3/(m2·d)，二级水箱循环液每周期从排水口(3.12)排放5L，每天2周期，二级水箱排出水为最终出水；
⑤在二级水箱每次排完水之后，硝氮进水泵(1.2)从硝氮储水箱(1)引入含有硝态氮的水至二级水箱中，直至水量达到上周期未排水时的水平，控制二级水箱中的硝态氮(NO3 --N)浓度在30-35mg/L；
连续运行结果表明：二级滴滤塔(3)出气H2S浓度＜10mg/m3，VOCs浓度＜20mg/m3，NO3 --N＜5mg/L，TN浓度＜10mg/L。

Claims (1)

1.两级除硫化氢和挥发性有机物耦合好氧反硝化深度脱氮的方法，其特征在于：装置包括硝态氮储水箱(1)、一级滴滤塔(2)、一级水箱(2.8)、二级滴滤塔(3)和二级水箱(3.8)；
系统启动具体操作如下：
一级滴滤塔的启动：在实际城市生活污水处理厂曝气池放置聚氨酯填料，待填料上看到附着一层生物膜后，将填料填入一级滴滤塔内，从塔进气口处通入含有H2S浓度为50mg/m3的气体，每隔5天提高50mg/m3浓度直至浓度达到500mg/m3，控制气体停留时间在25-45s，从塔进水口引入循环液，控制流量为20-40m3/(m2·d)，循环液每天更换10-30％的量，当H2S的去除率大于80％且维持15天以上，系统启动成功；
二级滴滤塔的启动：在实际城市生活污水处理厂曝气池放置聚氨酯填料，待填料上看到附着一层生物膜后，将填料填入二级滴滤塔内，从塔进气口处通入含有VOCs浓度为20mg/m3的气体，每隔5天提高20mg/m3浓度直至浓度达到200mg/m3，控制气体停留时间在40-80s，从塔进水口引入来自二级水箱中含有硝态氮(NO3--N)浓度为25-35mg/L的循环液，控制流量为10-20m3/(m2·d)，二级水箱循环液每周期从排水口排放20-50％的量，每天2-3周期，当VOCs和NO3--N的去除率分别大于80％和60％且维持15天以上，系统启动成功；
系统运行操作，包括以下步骤：
①臭气由增压泵(2.12)通过进气口(2.1)进入一级滴滤塔(2)中，空床停留时间EBRT为25-45s，剩余气体从出气口(2.2)排出；
②一级水箱(2.8)中的循环液由一级循环泵(2.10)通过进水口(2.3)引入一级脱硫滴滤塔中，循环液从出水口(2.4)流出并流入一级水箱中，控制塔内循环液滴流量为20-40m3/(m2·d)，一级水箱中的循环液每天更换10-30％；
③从一级滴滤塔排出的气体通过进气口(3.1)进入二级滴滤塔(3)，空床停留时间EBRT为40-80s，最后气体从出气口(3.2)排出；
④二级水箱(3.8)中含有硝态氮的循环液由二级循环泵(3.10)引入二级滴滤塔中，循环液从出水口(3.4)并流入二级水箱中，控制塔内循环液流量为10-20m3/(m2·d)，二级水箱循环液每周期从排水口(3.12)排放20-50％的量，每天2-3周期，二级水箱排出水为最终出水；
⑤在二级水箱每次排完水之后，硝氮进水泵(1.2)从硝氮储水箱(1)引入含有硝态氮的水至二级水箱中，直至水量达到上周期未排水时的水平，控制二级水箱中的硝态氮(NO3 --N)浓度在30-35mg/L。
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