CN109052635A - 一种缓释碳源协同短程硝化生物膜强化脱氮装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种缓释碳源协同短程硝化生物膜强化脱氮装置及方法，属于污水生物处理技术领域。所述装置包括反应器主体、组合填料、进水泵、出水电磁阀、曝气机、搅拌器、取样口和时间控制系统，组合填料由外层球形填料、内层海绵填料和可生物降解聚合物复合而成，所述方法是通过控制反应器的进水水质、pH、水力停留时间、溶解氧浓度、组合填料填充比以及运行模式等参数，实现组合填料的外层和内层分别挂膜，组合填料外层挂膜后可以为填料内部提供良好的缺氧环境，海绵挂膜微生物可以利用可生物降解聚合物为碳源进行反硝化。本发明可以通过一体化装置实现氮化合物的高效去除，特别适用于处理碳源不足的工业废水，具有明显的技术优势。
Description
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种通过缓释碳源协同短程硝化生物膜强化处理低碳氮比废水的装置及方法。
背景技术
目前，我国绝大多数城镇和工业污水厂是采用活性污泥法进行生物脱氮，常见工艺包括厌氧/缺氧/好氧（A2/O）工艺、Bardenpho工艺、氧化沟工艺、SBR工艺及其相关衍生工艺等。氨氮在水体中的去除包括微生物的硝化和反硝化反应，最终还原成氮气（N2）释放到大气中。相比于传统的脱氮工艺，短程硝化反硝化生物脱氮工艺是一种具有代表性的新型生物脱氮工艺，它在理念和技术上突破了传统的生物硝化反硝化工艺框架。其原理是将硝化过程控制在NO2 --N阶段，并直接以NO2 --N作为电子最终受氢体进行反硝化。短程硝化技术具有降低25%需氧量、节约40%反硝化碳源、减少25~50%污泥产量和缩短反应时间等优点。
目前，部分高氨氮废水（如焦化、石化及垃圾渗滤液等）水质复杂，并且普遍存在碳源不足的问题，需要消耗大量的碳源进行反硝化。短程硝化工艺在处理低碳氮比（COD/N）的高浓度氨氮废水时具有明显的优势。已有报道的对短程硝化反硝化的影响因素主要包括温度、DO浓度、游离氨（FA）浓度、游离亚硝酸（FNA）浓度、pH值、污泥龄以及有机物浓度等。近年来，污水排放标准越来越严格，为保证出水中的总氮（TN）达标，大多数污水厂选择向污水处理系统反硝化段投加甲醇、乙醇等溶解性有机碳源。然而，液体碳源往往存在投加量不易控制、花费高、出水有机物含量高等问题，尤其是在水质波动情况下，碳源投加量难以控制。固相缓释碳源反硝化是指利用可生物降解聚合物作为反硝化碳源，为硝酸盐的还原提供电子供体的反硝化过程。目前，常见的缓释碳源包括PHAs（聚羟基脂肪酸酯）、PLA（聚乳酸）、PLA/PHBV（聚乳酸/聚羟基丁酸戊酸共聚酯）、PCL（聚ε-己内酯）、PBS（聚丁二酸丁二醇酯）等，具有价格低廉、易生物降解且降解产物无二次污染等优势。目前，采用固体缓释碳源多见于硝酸盐体系，利用前置和后置反硝化滤池的策略实现总氮的达标去除，而采用复合生物膜实现基于缓释碳源的短程硝化一体化脱氮工艺未见相关报道。
本发明的目的提供一种缓释碳源协同短程硝化生物膜强化脱氮装置及方法，通过利用组合填料实现基于亚硝酸盐的短流程脱氮，组合填料外层挂膜后可以为填料内部提供良好的缺氧环境，内层海绵挂膜微生物可以利用可生物降解聚合物为碳源进行反硝化，将亚硝酸盐直接还原为氮气。本发明可有效解决高氨氮废水处理过程中碳源不足的问题，并且实现了氨氮的短流程去除，提高系统总氮去除率，具有明显的技术优势。
发明内容
本发明提供了一种缓释碳源协同短程硝化生物膜强化脱氮装置，其特征在于所述装置包括反应器主体、组合填料、进水泵、出水电磁阀、曝气机、搅拌器、取样口、时间控制系统，其中反应器主体采用圆柱形结构，高径比为2~5:1，出水电磁阀排水量为反应器有效体积50%，取样口位于反应器有效高程的25%，50%，75%，100%处，通过时间控制程序实现反应器的自动化运行。
所述的一种缓释碳源协同短程硝化生物膜强化脱氮装置，所述组合填料由外层球形填料、内层海绵填料和可生物降解聚合物复合而成，球形填料为中间可拆卸型，由两个半球壳对接形成，直径3~8 cm，内置海绵填料1~3个，海绵填料为立方体结构，边长为1~3 cm，海绵高度50%处有横切面，横切面积为海绵底面积的50~75%，并在切面内部放置可生物降解聚合物。
所述的一种缓释碳源协同短程硝化生物膜强化脱氮装置，所述可生物降解聚合物为聚乳酸（PLA）、聚ε-己内酯（PCL）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）其中一种，为椭球型颗粒结构，可以完全生物降解，放置个数为3~10个。
所述的一种缓释碳源协同短程硝化生物膜强化脱氮的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）反应器接种活性污泥浓度为2000~4000 mg/L，采用低碳氮比废水驯化生物膜，进水COD浓度为300~800 mg/L，进水NH4 +-N浓度为200~400 mg/L，pH控制为7.5~7.8，反应器水力停留时间16~24 h，溶解氧浓度控制在0.5~1.5 mg/L，组合填料填充比为25~60%，反应器采用进水-缺氧-曝气-沉降-出水的运行模式，缺氧时间与曝气时间比为1:2~5，可在30~60天内实现反应器组合填料的外层和内层分别挂膜，氨氮去除率95~99%，亚硝酸盐积累率80~95%，总氮去除率20~50%；
（2）反应器稳定运行阶段，组合填料外层挂膜后可以为填料内部提供良好的缺氧环境，海绵挂膜微生物可以利用可生物降解聚合物为碳源进行反硝化，反应器出水亚硝酸盐浓度逐渐下降，氨氮去除率95~99%，总氮去除率提高到80~95%。
本发明体现的优势和特点是：
（1）采用缓释电子协同短程硝化工艺处理低碳氮比废水，短程硝化在曝气阶段将氨氮转化为亚硝酸盐，可以节约25%曝气量，固体缓释电子直接将亚硝酸盐转化为氮气，可以降低40%反硝化碳源，同时碳源释放速率可控，无二次污染。
（2）采用复合填料富集不同功能菌种实现系统的短流程脱氮，组合填料球状外层挂膜后可以为填料内部提供良好的缺氧环境，内层海绵挂膜微生物可以利用可生物降解聚合物为碳源进行反硝化，将亚硝酸盐直接还原为氮气。
附图说明
附图1为本发明采用的组合填料示意图：（1）外层球形填料；（2）海绵填料；（3）可生物降解聚合物。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。应理解，以下实施例所述是用于说明本发明，并不用以限制本发明。
采用序批式生物膜反应器（SBBR）进行短程硝化工艺的启动和运行，SBBR装置包括反应器主体、组合填料、进水泵、出水电磁阀、曝气机、搅拌器、取样口、时间控制系统。其中，反应器主体采用圆柱形结构，有机玻璃材质，内径12 cm，总高度40 cm，有效高度30 cm，高径比2.5:1。采用批次的运行模式，进水泵将废水抽入到反应器内部，搅拌器在缺氧和好氧阶段运行实现泥水混合均匀，曝气机通过微孔曝气头为微生物提供氧气，控制出水电磁阀排水量为反应器有效体积的50%，4个取样口位于反应器有效高程的25%，50%，75%，100%处，通过时间控制程序实现反应器的自动化运行。
采用附图1所示的组合填料实现短程硝化强化脱氮工艺，组合填料由外层球形填料（1）、内层海绵填料（2）和可生物降解聚合物（3）复合而成，球形填料为中间可拆卸型，由两个半球壳对接形成，直径8 cm，内置海绵填料3个，海绵填料为立方体结构，边长为1 cm，海绵高度50%处有横切面，横切面积为海绵底面积的50%，并在切面内部放置可生物降解聚合物。填充固体可生物降解聚合物为PBS，为椭球型颗粒结构，可以完全生物降解，放置个数为5个。
反应器接种活性污泥浓度为3000 mg/L，活性污泥取自高氨氮工业废水处理厂的曝气池（日处理规模5000 m3），污泥具有良好的硝化性能。采用模拟废水驯化反应器，实现组合填料的挂膜。NaCH3COOH为模拟碳源，NH4Cl为模拟氮源，KH2PO4为模拟磷源，所用人工配水水质如下：反应器进水pH为7.5，进水COD浓度为600 mg/L，进水NH4 +-N浓度为200 mg/L，CaCl2·2H2O 30 mg/L，MgSO4·7 H2O 25 mg/L，FeSO4·7 H2O 20 mg/L。SBBR装置运行模式设定一周期为8 h，一天运行3次，水力停留时间16h，采用进水-缺氧-曝气-沉降-出水的运行模式，其中进水5min，缺氧前搅拌85min，曝气300min，缺氧时间与曝气时间比为1:3.5，沉降时间20 min，出水5min，其余为闲置时间。反应器组合填料填充比为40%。
反应器连续运行50天，可以实现组合填料的外层和内层分别挂膜，并且由于控制反应器进水参数（进水游离氨），有效实现了亚硝酸盐积累，反应器出水氨氮浓度不足5 mg/L，出水亚硝酸盐浓度95 mg/L，出水硝酸盐浓度低于5 mg/L，氨氮平均去除率98%，亚硝酸盐平均积累率95%，总氮平均去除率50%。反应器稳定运行阶段，组合填料外层挂膜后可以为填料内部提供良好的缺氧环境，海绵挂膜微生物可以利用可生物降解聚合物为碳源进行反硝化，反应器出水亚硝酸盐浓度逐渐下降至20 mg/L，氨氮去除率98%，总氮去除率提高到90%，取得了良好的运行效果。
Claims (4)
1.一种缓释碳源协同短程硝化生物膜强化脱氮装置，其特征在于所述装置包括反应器主体、组合填料、进水泵、出水电磁阀、曝气机、搅拌器、取样口、时间控制系统，其中反应器主体采用圆柱形结构，高径比为2~5:1，出水电磁阀排水量为反应器有效体积50%，取样口位于反应器有效高程的25%，50%，75%，100%处，通过时间控制程序实现反应器的自动化运行。
2.根据权利要求1所述的一种缓释碳源协同短程硝化生物膜强化脱氮装置，所述组合填料由外层球形填料、内层海绵填料和可生物降解聚合物复合而成，球形填料为中间可拆卸型，由两个半球壳对接形成，直径3~8 cm，内置海绵填料1~3个，海绵填料为立方体结构，边长为1~3 cm，海绵高度50%处有横切面，横切面积为海绵底面积的50~75%，并在切面内部放置可生物降解聚合物。
3.根据权利要求2所述的一种缓释碳源协同短程硝化生物膜强化脱氮装置，所述可生物降解聚合物为聚乳酸（PLA）、聚ε-己内酯（PCL）和聚丁二酸丁二醇酯（PBS）其中一种，为椭球型颗粒结构，可以完全生物降解，放置个数为3~10个。
4.应用权利要求1所述的一种缓释碳源协同短程硝化生物膜强化脱氮的方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）反应器接种活性污泥浓度为2000~4000 mg/L，采用低碳氮比废水驯化生物膜，进水COD浓度为300~800 mg/L，进水NH4 +-N浓度为200~400 mg/L，pH控制为7.5~7.8，反应器水力停留时间16~24 h，溶解氧浓度控制在0.5~1.5 mg/L，组合填料填充比为25~60%，反应器采用进水-缺氧-曝气-沉降-出水的运行模式，缺氧时间与曝气时间比为1:2~5，可在30~60天内实现反应器组合填料的外层和内层分别挂膜，氨氮去除率95~99%，亚硝酸盐积累率80~95%，总氮去除率20~50%；
（2）反应器稳定运行阶段，组合填料外层挂膜后可以为填料内部提供良好的缺氧环境，海绵挂膜微生物可以利用可生物降解聚合物为碳源进行反硝化，反应器出水亚硝酸盐浓度逐渐下降，氨氮去除率95~99%，总氮去除率提高到80~95%。
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