CN108947092A - 一体化高级氧化槽深度净化城市二级水装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种一体化高级氧化槽深度净化城市二级水装置，该装置主要包括：硝化区，反硝化区，超滤区，催化氧化区四大部分。硝化区的功能是通过控制进水负荷、曝气量、水力停留时间、温度、DO值以及加药量，使硝化反应充分进行，并调试出硝化细菌反应的最佳条件。反硝化区的功能是通过控制进入硝化区的进水负荷和折流时间(从中部进入再流入填料空间的时间)以及反硝化细菌的量，使得反硝化效果最佳。超滤区的功能是进一步净化反硝化后的水质，以免混入杂质影响催化氧化区催化剂的性能。催化氧化区的功能是进一步脱氮除磷，降低COD等，杀死水中细菌类物质。设备占地面积少、运行稳定、适于推广，特别适用于分散移动式作业。

Description

一体化高级氧化槽深度净化城市二级水装置及方法
技术领域
本发明涉及的是水处理技术中的深度处理的装置及方法，特别涉及的是城市二级水深度净化的一体化装置及方法。
背景技术
由于国家对天津市城镇污水处理厂污染物排放标准出台新规《城镇污水处理厂污染物排放标准》10月起实施。《标准》的实施，将实现城镇污水处理厂出水标准与地表水环境质量标准、受纳水体水环境功能要求及污水再生回用相关标准的紧密衔接。《标准》规定，新(改、扩)建城镇污水处理厂自标准实施之日起执行；现有城镇污水处理厂自2018年1月1日起执行。据测算，本次提高污水处理厂污染物排放标准，全市可实现COD减排2.08万吨/年，氨氮减排0.44万吨/年，分别占全市排放总量的10％和18％。面临严峻的水污染形势，制定和实施更加严格的《城镇污水处理厂污染物排放标准》，并与即将实施的《水污染防治条例》形成组合拳，是我市推动水污染防治的重大举措。这些举措对促进我市深入贯彻落实国家“水十条”，大力推进清水河道行动，促进非常规水源开发利用、实现污染物减排和水环境质量明显改善，推动京津冀生态环保联防联控都将起到至关重要作用。
目前国内外对脱氮水处理技术大致分为非生物方法和生物方法两大类。非生物方法主要是利用物化方法研发出的处理技术，例如离子选择性交换法、吹脱法除氨、絮凝沉淀法等；生物法主要是依赖微生物的降解作用或是生物降解和物化去除的集成处理技术，例如传统生物脱氮工艺的自养菌硝化过程、异养菌反硝化过程；新型生物脱氮工艺的短程硝化-厌氧氨氧化工艺、分段进水多级AO工艺、好氧反硝化工艺等。废水脱氮的物理化学方法
离子选择性交换法
污水处理过程中最常见的离子交换反应是水的软化，除盐及去除或回收废水中的重金属离子等，如水中的Ca2+、Mg2+、Fe2+、Mn2+等离子，与交换剂上的Na+进行交换反应，在此过程中，电解质离子首先从溶液中扩散到离子交换剂的表面；然后，电解质离子在通过离子交换剂和溶液的界面或膜扩散到离子交换剂的结构内部；接着被交换后的离子从交换剂结构内部向外扩散，交换后的离子扩散进入溶液中。
吹脱法除氨
废水的NH4 +-N，多以氨离子(NH4 +)和游离氨(NH3)的状态存在，两者共同存在并保持动态平衡，平衡关系为：
由公式(1)可见，这一平衡过程会收到pH影响，当溶液中pH值升高，反应式平衡向左移动，NH4 +转变成NH3导致游离氨在溶液中的比例增大，最后达到平衡。
当pH值中性时，水溶液中氨多以NH4 +的状态存在，而当pH值为碱性时，NH3大致在90％以上。NH3不稳定易于从水中挥发出来，如果通过曝空气气体吹脱的作用，并使水体中的碱性升高，可以加速NH3从水中挥发出来。
在反应过程中用氢氧化钙固液混合液提高原水的碱度，并除去水中的P。污水流经氨吹脱塔曝入空气，空气中的CO2使氢氧化钙溶液生成CaCO3固定而沉淀下来，同时使溶液中的碱性下降。但是该反应过程在实际操作过程中会受到环境温度影响，随周围环境温度的降低，处理效果会有所下降，只能够通过增加曝气量来弥补。
絮凝沉淀法
絮凝沉淀法是指在废水中加入絮凝剂，与NH4 +-N形成沉淀从而达到脱氮的目的。絮凝剂常用FeCl3、Al2(SO4)3和阴、阳及非离子型聚合物。此法可去除重金属、NH4 +-N及某些大分子有机物，常与其它处理技术组合，既适用于反渗透、活性炭吸附等深度处理的预处理，也可用于生化处理的预处理或深度处理，但此方法实际应用中费用比吹脱法高，产生的污泥容易对对环境造成二次污染。
传统生物脱氮工艺
废水中有机物和氨的去除传统上认为是两个相反的反应过程：自养微生物菌的好氧硝化作用和异养微生物菌的厌氧反硝化作用。自养菌在好氧的条件下把氨氧化为NO3 -，然后异养菌在缺氧条件下利用碳源把NO3 -还原为N2。在这过程中，氮的转化经过了NH4 +→NH2OH→NO2 -→NO3 -→NO2 -→NO→N2O→N2一系列变化。其中NO、N2O和N2是产物，而N2是主要产物。传统生物脱氮的基本原理在于通过硝化反应先将废水中的NH4 +-N氧化为NO3 --N，再通过反硝化反应将NO3 --N还原成气态N从水中逸出。
自养菌硝化过程
自养菌的硝化过程是好氧生物过程，氨首先被氨氧化菌(AOB)氧化为NO2-，然后由硝化细菌(NOB)氧化为NO3 -，至今还没有发现能把氨直接氧化为NO3 -的自养细菌。对氨氧化菌来说，氨是它生长的唯一能源。氨氧化为NO2 -是两步反应。传统上认为硝化过程是由专性好氧菌进行的，是在好氧条件下发生的，DO浓高于1.0mg/L。
异养菌反硝化过程
反硝化过程是由那些能利用氧化态氮做电子受体的许多种类的细菌把氮氧物的离子还原为N2的过程。这类细菌大多数是兼性的，但更倾向于利用O2作为电子受体。NO3 -反硝化反应是由以下氮产物构成的NO3 -→NO2 -→NO→N2O→N2。利用有机组分作为电子受体的异养菌反硝化是反硝化最普通的形式。
新型生物脱氮工艺
近些年来随着生物脱氮工艺技术的发展打破了传统的理论观念，为了保持脱氮效率持续、高效、低能耗，环境工程师们通过各种方法来尝试改变原有的生物脱氮工艺，使未来的脱氮工艺更具有持续性。最近的研究成果主要有短程硝化-反硝化工艺(ShortcutNitrification-Denitrification)、厌氧氨氧化工艺(Anammox，AnaerobicAmmoniumOxidation)、全程自养脱氮工艺(CANON，CompletelyAutotrophicNitrogenRemoval Over Nitrite in One Single Reactor)、同步硝化反硝化(SND，SilmutaneousNitrificationand Denitrification)、好氧反硝化(AerobicDenitrification)等。
短程硝化-厌氧氨氧化工艺
传统生物反应的硝化过程首先是由AOB菌在有较低DO的条件下将NH4 +氧化为NO2 -，然后是由NOB菌在较低DO条件下将生成的NO2 -氧化为NO3 -的亚硝态氮氧化过程。早在1975年就有研究人员指出在硝化过程中会出现NO2 -的积累现象。并首次提出了短程硝化-反硝化工艺。20世纪90年代初期，荷兰生物学家发现了一种新型细菌——厌氧氨氧化菌Anammox)，这类微生物可以在缺氧的条件下以亚硝酸盐为电子受体，将氨氧化为N2。为提供Anammox菌代谢所需的亚硝酸盐，需前置短程硝化过程，利用短程硝化过程将一半的进水氨氧化成NO2 -，产生的NO2 -与剩余的NH4 +相结合生成N2，从而达到脱氮的效果。
分段进水多级AO工艺
分段进水多级AO与传统AO工艺相比，采用间歇曝气的方式，在空间上形成硝化反硝化的串联，省去硝化液回流过程，从而减少进入前段厌氧区的DO。并且降低了反硝化菌对外源碳源的竞争，促使聚磷菌有足够的碳源进行厌氧释磷。同时，硝化过程中消耗的碱度可以由反硝化过程中产生的碱度来补充，从而维持反应器pH的稳定，使硝化细菌与反硝化细菌同时保持较高的活性。
好氧反硝化工艺
近年来，国外有不少水处理研究人员发现，在传统的处理氨的硝化反硝化过程中，出现了同步硝化反硝化(SND)现象。尤其是在有DO存在的情况下，反硝化现象存在不同的生物处理系统中。对此，普遍被接受的是从物理学解释的微环境理论，该理论认为：在活性污泥絮体内，在絮体颗粒的尺寸较大的情况下，由于DO浓度梯度的差异，依次从絮体表面到絮体内核被分成了不同的层次。
综上诉述，在利用生物法、非生物法以及二者的集成技术处理二级水时，因水质特性多样，导致各处理技术的效果也不一样。因此，对水处理系统的不断更新升级非常必要。同时，如何简化硝化-反硝化菌种的开发和应用、工艺优化组合以及新型工艺的研发，是今后研究的热点与难点。所以，研究城市二级水的深度处理技术，不仅为城市污水处理厂的提标改造提供技术支持，还解决了我国新农村建设中分散式污水处理的难题。
发明内容
本发明的目的在于最大化去除二级水中的氮磷物质，优化水质，提高水处理的效率。解决了城市污水处理厂提标改造的问题，也为新农村建设的污水处理技术现状提供了一种结构简单、占地面积小、造价低廉、运行稳定、运用化程度高的水净化装置。
解决上述技术问题的方案：
一体化高级氧化槽深度净化城市二级水装置，该装置主要包括：硝化区，反硝化区，超滤区，催化氧化区四大部分。硝化区主要包括曝气头、曝气泵、硝化细菌加药装置；反硝化区主要包括双层反应器，内层进水外层出水且充满陶粒滤料，反硝化细菌加药装置；超滤区包括反冲洗装置，超滤膜；催化氧化区主要包括臭氧发生器、臭氧在线检测仪、改性TiO2催化区。
所述的一种一体化高级氧化槽深度净化二级水装置依次串联着硝化-反硝化反应器，超滤膜、催化氧化反应器。加药槽，曝气头，曝气泵连接在硝化区上；加药槽连接在反硝化区上，陶粒填料填充在反硝化区内壁管与外壁管之间；中空纤维超滤膜组件和反冲洗泵连接在超滤区；臭氧发生器、臭氧在线监测仪、臭氧收集器连接在催化氧化区，催化剂搁置在催化氧化区中间部位。
所述硝化区通过蠕动泵使得进水沿着进水管流入硝化区，液体硝化细菌通过加药槽和流量计的控制适量加入硝化区，曝气条件通过曝气头和曝气泵从硝化区底部实现；反硝化区由内壁筒和外壁筒双层空间组合而成，进水沿导流管从反硝化区底部进入内壁筒，再从内壁筒溢流到与外壁筒之间的填料陶粒空间，再从底部流出。再从超滤区底部通入，经过超滤膜组件进行处理，为了防止膜组件污堵，从超滤区底部安装了反冲洗装置。出水从催化氧化区底部通入，流经中部催化剂区，臭氧发生器与催化氧化区底部相连并通过流量计控制通入反应区，在催化剂区与催化剂进行充分接触对水质进行处理。
所述硝化、反硝化细菌均为液体投加，通过加药槽、流量计、自动控制投加量。
本发明还提供了上述所述的一种一体化高级氧化槽深度净化城市二级水装置处理方法，包括如下几个阶段：
1)硝化-反硝化阶段：二级水通过蠕动泵打入硝化区，通过控制曝气量调节水中DO，实现硝化作用，再通过导流管进入反硝化区的中部，折流进入内外壁之间的陶粒滤料区，实现反硝化进行脱氮。硝化区主要去除污水中化学需氧量(COD)和释放磷，反硝化区主要去除污水中部分的生物需氧量(BOD5)和脱氮(释放N2)。
2)超滤与催化氧化阶段：从反硝化滤池流出的水再从底部进水超滤区，经过中空纤维膜组件后净化，为了防止膜组件污堵并对该区域进行了反冲洗。出水再底部进入催化氧化区，在中部臭氧和催化剂的作用下进一步净化。
在硝化区主要去除污水中化学需氧量(COD)和释放磷，反硝化区主要去除污水中部分的生物需氧量(BOD5)和脱氮(释放N2)。
3)药品投加阶段：硝化-反硝化区的液体菌剂为通过流量计的自动控制进行适量投加。
本发明的有益效果是：
1.硝化、反硝化细菌为液体投加。节省了细菌的驯化时间，缩短了水处理的时间；
2.设备占地面积少、便携，运行稳定、适于推广。各区间通过可拆卸支撑柱进行重叠，特别适用于分散移动式作业；
3.生物强化效果好。通过填充填料，增大了生物接触反硝化效率，强化了微生物与废水的传质，提高了反硝化进行的时间；
4.处理效果好，工艺系统运行稳定。通过生物强化、膜过滤，高级氧化可确保产水水质达到优于国标一级A标要求和地方性法规的排放要求；
5.臭氧回用为氧气为实验室好氧微生物实验再利用；
6.技术关键点在于催化剂最优条件的实验、通入臭氧的最佳负荷以及解决超滤膜的污堵问题；
7.自动化管理，节省劳动力。结合智控技术，实现一体化装置的进、出水等问题；
8.操作维护简便，运行管理安全可靠。
附图说明
图1是本发明设备连接示意图，
《附图中序号说明》
1：硝化区反应器；1-1：硝化细菌添加槽；1-2、2-2：流量计；1-3：蠕动泵；1-4：曝气头；1-5：曝气泵；
2：反硝化区反应器；2-1：反硝化细菌添加槽；2-3：给水管；2-4：内筒壁；2-5：陶粒滤料；
3：超滤区；3-1：中空纤维超滤膜组件；3-2：反冲洗泵；
4：催化氧化区；4-1：臭氧收集器；4-2：臭氧在线监测仪；4-3：改性二氧化钛催化剂；4-4：臭氧发生器；4-5：臭氧流量计
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进一步详述。
图1是发明设备连接示意图
如图1所示本装置提供一种一体化高级氧化槽深度净化城市二级水装置，该装置主要包括：硝化区，反硝化区，超滤区，催化氧化区四大部分。
所述的一种一体化高级氧化槽深度净化二级水装置一次串联着硝化-反硝化反应器1、2，超滤膜3-1、催化氧化反应器4。加药槽1-1，曝气头1-4，曝气泵1-5连接在硝化区1上；加药槽2-1连接在反硝化区2上，陶粒填料2-5填充在反硝化区内壁管2-4与外壁管之间；中空纤维超滤膜组件3-1和反冲洗泵3-2连接在超滤区4；臭氧发生器4-4、臭氧在线监测仪4-2、臭氧收集器4-1连接在催化氧化区4，催化剂4-3搁置在催化氧化区4中间部位。
本发明还提供了上述所述的一种一体化高级氧化槽深度净化城市二级水装置处理方法，包括如下几个阶段：
1)硝化-反硝化阶段：二级水通过蠕动泵打入硝化区，通过控制曝气量调节水中DO，实现硝化作用，再通过导流管进入反硝化区的中部，折流进入内外壁之间的陶粒滤料区，实现反硝化进行脱氮。硝化区主要去除污水中化学需氧量(COD)和释放磷，反硝化区主要去除污水中部分的生物需氧量(BOD5)和脱氮(释放N2)。
2)超滤与催化氧化阶段：从反硝化滤池流出的水再从底部进水超滤区，经过中空纤维膜组件后净化，为了防止膜组件污堵并对该区域进行了反冲洗。出水再底部进入催化氧化区，在中部臭氧和催化剂的作用下进一步净化。
在硝化区主要去除污水中化学需氧量(COD)和释放磷，反硝化区主要去除污水中部分的生物需氧量(BOD5)和脱氮(释放N2)。
3)药品投加阶段：硝化-反硝化区的液体菌剂为通过流量计的自动控制进行适量投加。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本实用发明的专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种一体化高级氧化槽深度净化城市二级水装置，其特征在于：该装置主要包括硝化区1，反硝化区2，超滤区3，催化氧化区4四大部分。
2.按权利要求1中所述的一种一体化高级氧化槽深度净化城市二级水装置，其特征在于：所述的一种一体化高级氧化槽深度净化二级水装置依次串联着硝化-反硝化反应器1、2，超滤膜3-1、催化氧化反应器4。加药槽1-1，曝气头1-4，曝气泵1-5连接在硝化区1上；加药槽2-1连接在反硝化区2上，陶粒填料2-5填充在反硝化区内壁管2-4与外壁管之间；中空纤维超滤膜组件3-1和反冲洗泵3-2连接在超滤区4；臭氧发生器4-4、臭氧在线监测仪4-2、臭氧收集器4-1连接在催化氧化区4，催化剂4-3搁置在催化氧化区4中间部位。
3.按权利要求1中所述的一种一体化高级氧化槽深度净化城市二级水装置，其特征在于：硝化区1通过蠕动泵1-3使得进水沿着进水管流入硝化区，液体硝化细菌通过加药槽1-1和流量计1-2的控制适量加入硝化区，曝气条件通过曝气头和曝气泵从硝化区底部实现；反硝化区2由内壁筒和外壁筒双层空间组合而成，进水沿导流管2-3从反硝化区底部进入内壁筒2-4，再从内壁筒溢流到与外壁筒之间的填料陶粒2-5空间，再从底部流出。从超滤区底部通入，经过超滤膜组件3-1进行处理，为了防止膜组件污堵，从超滤区底部安装了反冲洗装置3-2。出水从催化氧化区底部通入，流经中部催化剂区，臭氧发生器4-4与催化氧化区4底部相连并通过流量计4-5控制通入反应区，在催化剂区与催化剂进行充分接触对水质进行处理。
4.按权利要求1中所述的一种一体化高级氧化槽深度净化城市二级水装置，其特征在于：硝化、反硝化细菌均为液体投加，通过加药槽1-1、2-1流量计1-2、2-2自动控制投加量。
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