CN108928992A - 联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统及方法，系统包括：预处理装置、硝化反应器、中间水池、反硝化反应器、外加碳源添加装置、沉淀过滤装置和曝气装置；其中，预处理装置与硝化反应器、中间水池、反硝化反应器和沉淀过滤装置顺次连接，外加碳源添加装置与反硝化反应器前端连接；硝化反应器内设置曝气装置；硝化反应器中投加包埋硝化菌载体；反硝化反应器中投加包埋反硝化菌载体。该生物脱氮系统及方法，工艺简单，无需处理活性污泥，处理成本低，处理效果好。

Description

联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统及方法
技术领域
本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统及方法。
背景技术
生活污水是人类生活中产生的主要污染源之一，有效处理生活污水并达标排放对保护人类赖以生存的生态环境具有重大意义。生活污水中的污染物组成包括有机物、含氮污染物、含磷污染物、悬浮物和病原微生物等，其中有机污染物、氮磷营养性污染物会导致自然水体黑臭化、富营养化。目前，活性污泥法及其衍生的各种改良工艺是处理城市生活污水最广泛使用的方法。虽然人们发展和利用活性污泥法技术已有一百多年的历史，但在实际的工程应用中，工艺流程复杂、污水处理能耗高、大量剩余污泥的产生与处理处置等一直是困扰工程技术人员的突出问题，为此国内外学者也从未停止对活性污泥法替代技术的研究和探索。
生活污水处理过程中，有机污染物、无机磷、悬浮物和病原微生物等通常可利用技术成熟的生物或化学处理方法实现高效去除，其核心问题主要集中在脱氮——无机氮(以氨氮为主)的去除。在传统活性污泥法脱氮工艺中，氨氮去除先是在有氧条件下，由活性污泥中亚硝化细菌和硝化细菌的作用依次完成硝化过程(具体过程为NH4 +-N→NO2--N→NO3--N)，然后再由异养反硝化菌在缺氧条件下将硝酸盐氮逐步还原为N2后排放到大气中，进而完成生物脱氮的全过程。
但目前传统的活性污泥法生物脱氮至少存在：工艺流程繁琐、反应时间较长、能耗高、剩余污泥排放处置以及运行中常出现的因环境因素变化或运行控制不当造成的污泥性状恶化、出水水质不达标等问题。
发明内容
基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统及方法，其工艺流程简单，处理成本低，同时也避免了活性污泥法工艺实际运行中常见的各种问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明实施方式提供一种联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统，包括：
预处理装置、硝化反应器、中间水池、反硝化反应器、外加碳源添加装置、沉淀过滤装置和曝气装置；其中，
所述预处理装置与硝化反应器、中间水池、反硝化反应器和沉淀过滤装置顺次连接，所述外加碳源添加装置与所述反硝化反应器前端连接；
所述硝化反应器内设置所述曝气装置；
所述硝化反应器中投加包埋硝化菌载体；
所述反硝化反应器中投加包埋反硝化菌载体。
本发明实施方式还提供一种联合应用硝化和反硝化的生物脱氮方法，采用本发明所述的联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统，包括以下步骤：
预处理：在预处理装置中对待处理污水进行预处理，去除待处理污水中的悬浮物和浮渣；
硝化反应处理：预处理后的出水进入硝化反应器中，经硝化反应器内投加的包埋硝化菌载体进行氨氮硝化处理，包埋硝化菌载体在曝气装置曝气下在所述硝化反应器内处于流化状态；
反硝化反应处理：硝化反应处理后的出水经中间水池进入反硝化反应器，经反硝化反应器内投加的包埋反硝化菌载体进行反硝化处理，包埋反硝化菌载体在所述反硝化反应器内处于流化状态；通过外加碳源添加装置向所述反硝化反应器内补加碳源；
沉淀过滤处理：反硝化反应处理后的出水进入沉淀过滤装置进行沉淀过滤后达标外排。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的联合应用硝化和包埋反硝化的生物脱氮系统及方法，其有益效果为：
通过采用投加有包埋硝化菌载体的硝化反应器与投加有包埋反硝化菌载体的反硝化反应器，形成硝化-反硝化主体工艺生物脱氮系统，与传统的前置反硝化工艺不同，无需混合液回流，全程采用包埋微生物载体(即包埋硝化菌载体与包埋反硝化菌载体)，无需活性污泥，可省去传统活性污泥系统中的污泥处理处置；由于硝化段无活性污泥，可在进行硝化反应的过程中，最大限度地保留原水中的有机物，使其更多地作为反硝化反应的碳源，从而节约反硝化段外加碳源的投加量。该生物脱氮系统及方法，工艺简单，无需处理活性污泥，处理成本低，处理效果好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的生物脱氮装置的构成示意图；
图2为本发明实施例提供的生物脱氮方法的流程图；
图中，1-进水池；2、13、15-水泵；3、14、16-流量计；4、10、18、23-管道阀门；5-硝化反应器；6-曝气盘；7-曝气泵；8-第一不锈钢载体拦网；21-第二不锈钢载体拦网；9-第一拦网卡槽；22-第二拦网卡槽；11-中间水池；12-外加碳源溶液存储罐；17-外加碳源混合三通；19-反硝化反应器；20-搅拌装置；24-出水池。
具体实施方式
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
如图1所示，本发明实施例提供一种联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统，是一种联合应用包埋硝化菌载体和包埋反硝化菌载体处理生活污水的生物脱氮系统，能解决传统活性污泥法生物脱氮时工艺流程繁琐、反应时间较长、能耗高、剩余污泥排放处置和运行中常出现的因环境因素变化或运行控制不当造成的污泥性状恶化、出水水质不达标等问题，包括：
预处理装置、硝化反应器、中间水池、反硝化反应器、外加碳源添加装置、沉淀过滤装置和曝气装置；其中，
所述预处理装置与硝化反应器、中间水池、反硝化反应器和沉淀过滤装置顺次连接，所述外加碳源添加装置与所述反硝化反应器前端连接；优选的，外加碳源添加装置由水泵、流量计、外加碳源溶液存储罐和反硝化反应器进水与外加碳源混合三通构成，外加碳源溶液存储罐经设有水泵、流量计的管路和外加碳源混合三通与反硝化反应器的进水管连接；
所述硝化反应器内设置所述曝气装置；
所述硝化反应器中投加包埋硝化菌载体；
所述反硝化反应器中投加包埋反硝化菌载体。
上述生物脱氮系统中，硝化反应器的出水口上罩设第一不锈钢载体拦网；
所述反硝化反应器的出水口上罩设第二不锈钢载体拦网。
上述生物脱氮系统中，所述第一不锈钢载体拦网通过所述硝化反应器的出水口处设置的第一拦网卡槽活动插设罩设在所述硝化反应器的出水口上；
所述第二不锈钢载体拦网通过所述反硝化反应器的出水口处设置的第二拦网卡槽活动插设罩设在所述反硝化反应器的出水口上。通过在硝化反应器和反硝化反应器内均设置不锈钢载体拦网用于载体和水的固液分离，载体拦网通过拦网卡槽固定，能轻易取出，方便清洗更换。
上述生物脱氮系统中，所述曝气装置的曝气盘设在硝化反应器内底部，曝气盘与硝化反应器外部设置的曝气泵连接，曝气盘的曝气口朝上，曝气时能在所述硝化反应器内形成由下至上的曝气方式，能带动硝化反应器内的包埋硝化菌载体处于流化状态。可以知道，这种结构的曝气装置仅是本发明优选实施例采用的一种曝气装置。其他结构能实现硝化反应器底部曝气的曝气装置，只要能起到供氧和为载体流化提供动力两个作用均可以用于本发明，诸如曝气盘、曝气头、曝气管等均可。设置既能曝气供氧，又能为载体流化提供动力曝气装置的原因是，本发明硝化反应器内中的包埋硝化菌载体为小固体方块，密度比水的略大，若无外力扰动，就会沉积在硝化反应器底部，影响待处理废水与载体的充分接触。而借助硝化反应器内的底部的曝气装置、底部水流冲击或搅拌作用等措施，就会带动包埋硝化菌载体在硝化反应器内运动起来，进而呈现出流化状态，达到与水更好的接触效果。
上述生物脱氮系统还包括：搅拌装置，该搅拌装置设在所述反硝化反应器内。通过设置搅拌装置，使得反硝化反应器内水流形成内循环流动，带动其内的包埋反硝化菌载体呈流化状态。
上述生物脱氮系统中，预处理装置由进水池、粗格栅、沉砂池和膜格栅依次连接而成。
上述生物脱氮系统运行采取连续进出水的方式，其中，预处理装置的作用是为了去除原污水中的浮渣和悬浮物；中间水池的作用是为了消除硝化反应器出水中高溶氧对对后续反硝化处理过程的影响；沉淀过滤装置的作用是保证出水的悬浮物达标。硝化反应器中投加包埋硝化菌载体，载体投加比例(该载体投加比例是指所投加载体的排水体积占反应器总有效容积的百分比)适量，具体载体投加比例应考虑实际所处理污水的水质情况，对于市政污水(氨氮含量四十毫克每升左右)载体比例一般为20％～25％即可，但如果原水氨氮含量仅二十几毫克每升，则载体比例可降至15％左右。运行时给予足够曝气的同时，通过特殊的曝气方式，既能保证载体流化效果较好，又能尽可能降低曝气能耗；反硝化反应器中投加包埋反硝化菌载体，载体投加比例(该载体投加比例是指所投加载体的排水体积占反应器总有效容积的百分比)适量，具体载体投加比例应考虑实际所处理污水的水质情况，对于市政污水(氨氮含量四十毫克每升左右)载体投加比例一般为20％～25％即可，但如果原水氨氮含量仅二十几毫克每升，则载体投加比例可降至15％左右。反应器设搅拌装置并对搅拌桨做特殊处理，严格控制搅拌速度，一般搅拌速度不超过180转/min，保证运行时既不影响载体的流化效果，又不搅碎载体颗粒，具体的，只要搅拌能使载体保持流化状态(即没有大量载体沉积在反应器底部)，转速越低越好，如此破坏载体完整性的可能性就越小。
上述投加的包埋硝化菌载体和包埋反硝化菌载体，采用的是微生物固定化技术生产获得，即将特意筛选分离的高效硝化菌和反硝化菌增殖扩培后的高浓度菌液分别与高分子化合物进行结合，通过人为改变外在条件使之发生化学反应形成凝胶聚合物，并将微生物细胞截留在凝胶聚合物孔隙的网络空间中，而这样的凝胶聚合物网络既可以阻止微生物的流失，又能保证基质渗入和产物扩散出去。另外，由于载体本身具有微生物高度密集的特点，在实际运行中微生物又可进一步大量增殖，故能大大提高反应器单位容积的生物量，使得反应器具有抵抗进水负荷冲击和不利环境因素影响的能力，同时能提高反应速度、缩短反应时间，增强反应器运行过程中的稳定性、可靠性。
待处理废水在进入反硝化反应器前会先与外加碳源溶液按适当的比例进行混合。反硝化外加碳源的添加流量不超过反硝化进水流量的5％或更小(如此可忽略添加外加碳源时造成的稀释作用)，外加碳源可选取乙酸钠、甲醇、乙酸或葡萄糖等。外加碳源的配制浓度根据碳源添加流量、反硝化进水流量、反硝化进水中需要脱除的含氮量等进行计算，实际的外加碳源添加量要保证反硝化进水与外加碳源混合后的水中C/N(指COD/亚硝氮、硝氮含量之和)在5.5左右，具体C/N应根据中间水池出水中剩余的COD含量作相应调整，以保证反硝化出水COD不超标(参照GB18918-2002一级A排放标准，COD<50mg/L)。
如图2所示，本发明实施例还提供一种联合应用硝化和反硝化的生物脱氮方法，采用上述的联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统，是一种联合应用包埋硝化菌载体和包埋反硝化菌载体处理生活污水的生物脱氮方法，包括以下步骤：
预处理：在预处理装置中对待处理污水进行预处理，去除待处理污水中的悬浮物和浮渣；
硝化反应处理：预处理后的出水进入硝化反应器中，经硝化反应器内投加的包埋硝化菌载体进行氨氮硝化处理，包埋硝化菌载体在曝气装置曝气下在所述硝化反应器内处于流化状态；
反硝化反应处理：硝化反应处理后的出水经中间水池进入反硝化反应器，经反硝化反应器内投加的包埋反硝化菌载体进行反硝化处理，包埋反硝化菌载体在所述反硝化反应器内处于流化状态；通过外加碳源添加装置向所述反硝化反应器内补加碳源；
沉淀过滤处理：反硝化反应处理后的出水进入沉淀过滤装置进行沉淀过滤后达标外排。
上述生物脱氮方法中，反硝化反应处理中，还包括：通过所述反硝化反应器内设置的搅拌装置，使所述反硝化反应器内的包埋反硝化菌载体处于流化状态进行反硝化处理。
本发明的生物脱氮方法，采用了硝化-反硝化主体工艺，与传统的前置反硝化工艺不同，无需混合液回流。工艺流程依次为预处理段、硝化反应器、中间水池、反硝化段(含外加碳源添加单元)、沉淀/过滤，其特征在于预处理段用于去除待处理污水中的悬浮物和浮渣，硝化反应器中投加包埋硝化菌载体，中间水池作用是为了消除硝化反应器出水中高溶氧对对后续反硝化处理过程的影响，沉淀/过滤的作用是保证出水的悬浮物达标，反硝化反应器中投加包埋反硝化菌载体，反硝化段设置的外加碳源添加单元能解决反硝化脱氮时碳源不足的问题；由于全程采用包埋微生物载体(即包埋硝化菌载体和包埋反硝化菌载体)，无需活性污泥，可省去传统活性污泥系统中的污泥处理处置。其中，硝化反应器中投加的包埋硝化菌载体在实际运行时，载体流化状态的保持借助特殊的曝气方式；反硝化反应器中投加的包埋反硝化菌载体在实际运行时，载体流化状态的保持借助搅拌装置或内循环的水流冲击；由于硝化段无活性污泥，可在进行硝化反应的过程中，最大限度地保留原水中的有机物，使其更多地作为反硝化反应的碳源，从而节约反硝化段外加碳源的投加量。
此外，本发明与基于活性污泥法的生物脱氮工艺中因原污水中有机物在硝化段降解过多，导致反硝化段碳源不足的缺点相比，在本发明方法中，包埋硝化菌载体可采用专性自养型硝化菌(专性自养型硝化菌是特指不能降解利用有机物、且只具备硝化功能的自养型硝化菌，以无机碳(CO2)为碳源)，在对原污水进行硝化处理时，水中有机物的降解有限，因此可保证水中的有机物能最大限度的用于反硝化反应，进而可减少外加碳源的投加量。
下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。
本发明生物脱氮系统的构成如图1所示，其中，硝化反应器底部设有曝气装置的曝气盘，曝气的同时还可使硝化反应器内的包埋硝化菌载体处于流化状态，而反硝化反应器中的包埋反硝化菌载体流化状态的保持则借助搅拌装置的作用。此外，在硝化反应器与反硝化反应器出水口处均设置第一、第二不锈钢载体拦网，既可避免载体(即包埋硝化菌载体、包埋反硝化菌载体)堵塞硝化反应器与反硝化反应器的出水口，也能即时实现固液分离；各反应器内的不锈钢载体拦网均通过各反应器的出水口处设置的栏位卡槽(即第一、第二拦网卡槽)固定，各不锈钢载体拦网可轻易取出，方便清洗更换。各反应器的进水和外加碳源均通过水泵供给，进水方式为上流式，每个水泵后设有流量计，各反应器的出水通过溢流进入下一级反应装置；各反应器的进、出水口处均设有阀门，控制管道开关状态。
本发明的生物脱氮系统采取连续进出水的运行方式，以依次经过粗格栅、沉砂池和膜格栅构成预处理装置的生活污水作为进水；主要处理过程为：污水先进入到投加了包埋硝化菌载体的硝化反应器完成氨氮硝化过程，由于硝化反应需要曝气而反硝化反应为缺氧反应，所以在污水进入到投加了包埋反硝菌载体的反应器处理之前会先进入到中间水池，以消除硝化反应器出水中高溶氧对后续反硝化处理过程的影响；通常，生活污水中可生物降解的有机物并不丰富甚至比较缺乏，而污水中又往往自带了很多异养型微生物，所以在曝气硝化处理环节除了有氨氮的硝化反应还伴有微生物降解有机物的过程发生，进而导致后续反硝化脱氮反应碳源更加不足；因此，本发明系统在反硝化反应器前段设有外加碳源添加装置，经硝化处理后的污水会按适宜的碳源添加量(既保障反硝化反应有足够碳源，也要保证出水COD不超过50mg/L)与外加碳源混合后再进入到投加了包埋反硝化菌载体的反硝化反应器中，最终在包埋反硝化菌载体的反硝化菌作用下将污水中的硝氮逐步还原为N2排放到大气中，完成整个生物脱氮过程。
本发明所依据是：在活性污泥法中对氨氮去除起主要作用的是硝化菌和反硝化菌两类微生物，只要在有硝化菌和反硝化菌存在时，给予适当的反应条件，就能去除污水中的氨氮而无需借助组成复杂的活性污泥。本发明利用固定化微生物技术，将筛选分离得到的高效硝化菌和反硝化菌分别包埋到特定的高分子材料中，做到既能保证功能微生物的高度密集和代谢活动的正常进行，也可避免微生物的流失。联合利用获得的包埋硝化菌载体和包埋反硝化菌载体，对生活污水进行生物脱氮处理，结果表明无机氮去除率可稳定保持在90％以上，且生物脱氮反应时间远低于各种常见的活性污泥法脱氮工艺。
本发明方法采用硝化-反硝化的工艺路线，且无需活性污泥，故不存在传统A/O或A2/O工艺中必需的硝化液回流、污泥回流、二沉池泥水分离及剩余污泥的处理处置等环节，因而可简化工艺流程，节省处理成本，同时也避免了活性污泥法工艺实际运行中常见的各种问题。
采用上述的生物脱氮系统，按上述生物脱氮方法，对某污水处理厂经预处理后的生活污水进行了处理。试验数据表明，硝化反应器出水氨氮去除率可达97％以上，反硝化反应器出水无机氮之和(指氨氮、亚硝氮和硝氮三者含量之和)平均在2.0mg/L左右，系统无机氮去除率可达90％以上，且系统生物脱氮的总反应时间远低于常见活性污泥法生物脱氮工艺所需时间。此外，本发明的系统及方法亦可用于其他含氨氮废水的生物脱氮处理。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统，其特征在于，包括：
预处理装置、硝化反应器、中间水池、反硝化反应器、外加碳源添加装置、沉淀过滤装置和曝气装置；其中，
所述预处理装置与硝化反应器、中间水池、反硝化反应器和沉淀过滤装置顺次连接，所述外加碳源添加装置与所述反硝化反应器前端连接；
所述硝化反应器内设置所述曝气装置；
所述硝化反应器中投加包埋硝化菌载体；
所述反硝化反应器中投加包埋反硝化菌载体。
2.根据权利要求1所述的联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统，其特征在于，所述硝化反应器的出水口上罩设第一不锈钢载体拦网；
所述反硝化反应器的出水口上罩设第二不锈钢载体拦网。
3.根据权利要求2所述的联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统，其特征在于，
所述第一不锈钢载体拦网通过所述硝化反应器的出水口处设置的第一拦网卡槽活动插设罩设在所述硝化反应器的出水口上；
所述第二不锈钢载体拦网通过所述反硝化反应器的出水口处设置的第二拦网卡槽活动插设罩设在所述反硝化反应器的出水口上。
4.根据权利要求1至3任一项所述的联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统，其特征在于，所述曝气装置的曝气盘设在硝化反应器内底部，曝气盘的曝气口朝上，曝气时能在所述硝化反应器内形成由下至上的曝气方式。
5.根据权利要求1至3任一项所述的联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统，其特征在于，还包括：搅拌装置，该搅拌装置设在所述反硝化反应器内。
6.根据权利要求1至3任一项所述的联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统，其特征在于，所述预处理装置由进水池、粗格栅、沉砂池和膜格栅依次连接而成。
7.一种联合应用硝化和反硝化的生物脱氮方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的联合应用硝化和反硝化的生物脱氮系统，包括以下步骤：
预处理：在预处理装置中对待处理污水进行预处理，去除待处理污水中的悬浮物和浮渣；
硝化反应处理：预处理后的出水进入硝化反应器中，经硝化反应器内投加的包埋硝化菌载体进行氨氮硝化处理，包埋硝化菌载体在曝气装置曝气下在所述硝化反应器内处于流化状态；
反硝化反应处理：硝化反应处理后的出水经中间水池进入反硝化反应器，经反硝化反应器内投加的包埋反硝化菌载体进行反硝化处理，包埋反硝化菌载体在所述反硝化反应器内处于流化状态；通过外加碳源添加装置向所述反硝化反应器内补加碳源；
沉淀过滤处理：反硝化反应处理后的出水进入沉淀过滤装置进行沉淀过滤后达标外排。
8.根据权利要求7所述的联合应用硝化和反硝化的生物脱氮方法，其特征在于，所述反硝化反应处理中，还包括：通过所述反硝化反应器内设置的搅拌装置，所述搅拌装置的转速不大于180转/min，使所述反硝化反应器内的包埋反硝化菌载体处于流化状态进行反硝化处理。
9.根据权利要求7所述的联合应用硝化和反硝化的生物脱氮方法，其特征在于，所述方法中，通过外加碳源添加装置向所述反硝化反应器内补加碳源为：
外加碳源的添加流量不超过反硝化进水流量的5％。
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