CN109650540A - 一种天然橡胶加工废水深度生物脱氮装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然橡胶加工废水深度脱氮装置和方法，废水首先进入厌氧产甲烷反应器，废水中大量有机物转化为CH4释放；接着进入除有机物反应器低氧生物吸附段，将废水中剩余部分有机物吸附至污泥中，经过1#沉淀池泥水分离后，沉淀污泥部分回流至高氧生物再生段，充分曝气降解污泥中有机物，沉淀池上清液进入AOAO反应器发生反硝化、厌氧氨氧化及硝化等作用，实现深度生物脱氮；而后废水部分进入2#沉淀池进水泥水分离，上清液排放，部分作为硝化液回流；1#和2#沉淀池部分沉淀污泥进入产酸池发酵产生挥发性有机酸（VFAs），含有VFAs的发酵液可作为AOAO反应器反硝化优质碳源。上述装置可以强化深度脱氮，同时降低系统能耗和实现能源回收。

Description

一种天然橡胶加工废水深度生物脱氮装置和方法
技术领域
本发明涉及一种天然橡胶加工废水深度生物脱氮装置和方法，属于污水生物处理技术领域。
背景技术
橡胶分为天然橡胶和合成橡胶，天然橡胶具有加工性能好，其耐屈挠性、透气性、电性能良好，且都优于合成橡胶，是目前市面上应用较为普遍的一种橡胶。天然橡胶按不同的加工工艺，分为加工成天然生胶和浓缩胶乳两种产品。天然生胶生废水主要来自洗涤凝块和制胶的机械用水，由于生产过程中采用氨水作为胶乳保存剂，再用甲酸凝固胶乳，则其废水潜在污染物主要是可溶性有机物、氨态氮等；浓缩胶乳的加工废水主要是胶清凝胶排放废水，其污染物有可溶性有机物、氨态氮和硫酸根等，污染物浓度比天然生胶废水高，处理起来相对复杂。如果天然橡胶加工废水未经处理就直接排放到水体环境中，则会引起水体富营养化、恶臭等环境问题，使得藻类快速生长，鱼虾死亡，严重威胁生态环境和人类健康。
天然橡胶加工废水可生化性较好，BOD5 /CODCr高达0.6-0.8，因此使用生物法处理较为普遍，生物法包括氧化塘-活性污泥曝气工艺、水解酸化-活性污泥曝气工艺、沼气-氧化塘法、氧化塘-活性污泥-沼气组合处理法、厌氧-好氧法等。然而，上述生物处理工艺存在诸多弊端，例如：氧化塘处理占地面积大，投资建设费用高，且容易产生臭气影响居民生活环境；活性污泥曝气工艺能耗高，加重企业运行成本。
传统生物脱氮包括好氧硝化和缺氧反硝化，好氧硝化首先将废水中氨氮（NH4 +）依次氧化为亚硝态氮（NO2 -）和硝态氮（NO3 -），然后缺氧反硝化以有机物作为电子供体，将NO3 -最终被还原为氮气（N2）。短程硝化厌氧氨氧化的发现突破了传统生物脱氮途径，首先废水中的部分NH4 +经过短程硝化氧化为NO2 -，然后在厌氧氨氧化菌作用下，废水中剩余的NH4 +以NO2 -作为电子受体直接氧化为N2（NH4 ++NO2 -→N2）。与传统生物脱氮相比，短程硝化厌氧氨氧化可降低曝气能耗、节约有机物和减少温室气体氧化亚氮（N2O）的产生。最新研究发现废水中的NH4 +和NO3 -可以发生式（1）所示反应。该反应是在厌氧氨氧化的基础上，以NH4 +和少量有机物作为电子供体、NO3 -作为受体，最终实现废水中TN的去除。与传统生物脱氮相比，该技术可节省曝气量，降低脱氮外碳源量。
NH4 + + NO3 − + 0.46 CH3COO− + 0.52H+ + 0.062HCO3 −
→ 0.96N2 + 0.062CH2O0.5N0.15 + 0.06C5H7NO2 + 2.71H2O + 0.62CO2 式（1）
如果将厌氧产甲烷与上述生物脱氮理论综合用于天然橡胶加工废水处理，则有望为天然橡胶加工企业降低废水处理成本，实现天然橡胶加工的环境友好型生产与排放。
发明内容
本发明的目的就是针对天然橡胶加工废水处理过程中的高能耗问题，提出一种天然橡胶加工废水深度生物脱氮装置和方法。
本发明的技术方案为：提供了一种天然橡胶加工废水深度生物脱氮装置：设有废水水箱、厌氧产甲烷反应器、除有机物反应器、1#沉淀池、AOAO反应器、2#沉淀池、产酸池；废水水箱设有溢流管和放空管；废水水箱通过厌氧产甲烷反应器进水泵和厌氧产甲烷反应器进水阀与厌氧产甲烷反应器相连接，厌氧产甲烷反应器呈柱形，顶端设有三相分离器，且顶端排放H2S和CH4，侧面设有取样口；氧产甲烷反应器通过氧产甲烷反应器出水管与除有机物反应器相连接；除有机物反应器分为高氧生物再生段和低氧生物吸附段，并设有曝气头，由空压机提供氧气，并通过气体流量计和气量调节阀控制曝气量，；除有机物反应器通过除有机物反应器出水管与1#沉淀池相连接，1#沉淀池的沉淀污泥部分通过1#沉淀池回流污泥阀和1#沉淀池回流污泥泵回流至高氧生物再生段，部分通过1#沉淀池产酸污泥阀和1#沉淀池产酸污泥泵进入产酸池进行发酵，剩余污泥通过1#沉淀池剩余污泥排放阀排放；1#沉淀池出水管通过AOAO反应器进水泵和AOAO反应器进水阀与AOAO反应器相连接，AOAO反应器分为数个格室，按照水流方向上下交错设置过水孔连接各个格室，第一、二格室为缺氧区，填充反硝化厌氧氨氧化生物膜，并设有搅拌器，利用原水中剩余有机物和发酵液中的VFAs作为碳源，发生反硝化和厌氧氨氧化反应；第三、四格室为好氧区，设有曝气头，由空压机提供氧气，并通过气体流量计和气量调节阀控制曝气量，主要发生硝化反应，去除部分氨氮；第五格室依为缺氧区，利用污泥中储存的有机物，发生内源反硝化和厌氧氨氧化反应；第六格室为曝气吹脱区，实现短时曝气吹脱污泥中的N2，促进2#沉淀池的泥水分离效果；AOAO反应器出水部分通过其出水管进入沉淀池，部分作为硝化液通过硝化液回流阀和硝化液回流泵进入AOAO反应器前端缺氧区；2#沉淀池的沉淀污泥部分通过2#沉淀池回流污泥阀和2#沉淀池回流污泥泵回流至AOAO反应器前端缺氧区，部分通过2#沉淀池产酸污泥阀和2#沉淀池产酸污泥泵进入产酸池进行发酵，剩余污泥通过2#沉淀池剩余污泥排放阀排放，2#沉淀池上清液作为最终处理水通过其出水管排放。产酸池设有搅拌器，主要发生厌氧发酵产酸反应，上清液中富含挥发性有机酸（VFAs），并通过发酵液回流阀和发酵液回流泵进入AOAO反应器前段缺氧区，VFAs可作为反硝化反应的优质碳源，强化深度脱氮效果。
本发明提供的处理天然橡胶加工废水生物脱氮装置，包括以下步骤：方法的步骤为：
1）启动系统：接种具有良好厌氧产甲烷活性的颗粒污泥到厌氧产甲烷反应器，污泥浓度为10000-15000mg/L；接种具有良好活性的污泥到除有机物反应器，使得高氧生物再生段和低氧生物吸附段污泥浓度分别达到1000-2000mg/L和500-1000mg/L；接种具有良好反硝化厌氧氨氧化活性的生物膜投加到AOAO反应器的缺氧区，填充比为80-100%；接种具有良好硝化活性的污泥到AOAO反应器的好氧区，污泥浓度为3000-4000mg/L。
2）运行时调节操作如下：
2.1）厌氧产甲烷反应器COD负荷率8-12kg/m3/d，水力停留时间为25-40h；
2.2）除有机物反应器，污泥龄控制在0.5-1.5d，COD负荷率1-3kg/m3/d，高氧生物再生段DO浓度为2-5 mg/L，低氧生物吸附段DO浓度为0-0.5 mg/L；
2.3）1#沉淀池污泥回流比为50-100%；
2.4）AOAO反应器，反硝化厌氧氨氧化缺氧区水力停留时间为3-6h，好氧硝化区水力停留时间为6-10h，内源反硝化厌氧氨氧化缺氧区水力停留时间为6-10h，短时吹脱曝气水力停留时间为10-30min，好氧硝化区DO为1-2mg/L；
2.5）硝化液内回流比为200-300%，当系统出水硝态氮浓度大于15 mg/L时，提高硝化液内回流比，当系统出水硝态氮浓度小于8 mg/L时，降低硝化液内回流比。
2.6）2#沉淀池污泥回流比为50-100%；
2.7）产酸池水力停留时间为12-24h，COD容积负荷率为4-8kg/m3/d。
天然橡胶加工废水在此装置中的处理流程为：首先使天然橡胶加工废水进入厌氧产甲烷反应器，产甲烷菌将废水中的大量有机物进行厌氧产甲烷（CH4）；随后废水进入除有机物反应器低氧生物吸附段，部分水中有机物被吸附至活性污泥中，从而形成富含有机物的污泥，减少污水中的有机物直接被氧氧化为二氧化碳，从而降低了曝气能耗；除有机物反应器产生的污泥部分回流至高氧再生段再生，部分进入产酸池进行厌氧发酵产生挥发性脂肪酸（VFAs），VFAs可作为后续AOAO反应器的反硝化碳源；除有机物反应器出水进入到AOAO反应器，第一个A段发生反硝化厌氧氨氧化反应，同步去除回流硝化液中硝态氮和废水中的部分氨氮，反硝化碳源一方面来自废水中剩余的少量溶解性有机物，另一方面来自产酸池提供的VFAs，VFAs包括乙酸、丙酸和丁酸等，可作为反硝化反应优质的电子供体；而后废水中剩余氨氮进入好氧区反生硝化反应，将废水中的剩余氨氮部分转化为硝态氮，再次进入缺氧区，以活性污泥中储存有机物作为碳源，发生内源反硝化厌氧氨氧化反应，进一步进行去除剩余氨氮和硝态氮，实现深度脱氮；最后进入曝气吹脱区，短时曝气吹脱污泥中的氮气，改善后续的沉淀效果。
本发明基于厌氧产甲烷、反硝化厌氧氨氧化反应和硝化反应，与传统厌氧产沼气—生物脱氮工艺相比具有以下优势：
1）废水中大量有机物通过厌氧产甲烷，同时实现废水处理和能量回收；
2）通过生物吸附和再生反应，可将废水中难降解有机物转化到污泥中，通过污泥发酵产酸可为反硝化提供优质的碳源，节约碳源投加，强化生物深度脱氮；
3）反硝化厌氧氨氧化反应同步去除硝态氮和氨氮，节约脱氮所需碳源量；
4）污泥厌氧发酵产酸也可以降低剩余污泥产量，可减少污泥处置费用。
附图说明
图1 为本发明一种天然橡胶加工废水深度脱氮装置和方法的结构示意图。
图中，1为废水水箱；2为厌氧产甲烷反应器；3为除有机物反应器；4为1#沉淀池；5为AOAO反应器；6为2#沉淀池；7为产酸池；1.1为废水水箱溢流管；1.2为废水水箱放空管；2.1为厌氧产甲烷反应器进水泵；2.2为厌氧产甲烷反应器进水阀；2.3为取样口；2.4为三相分离器；2.5为厌氧产甲烷反应器出水管；3.1为高氧生物再生段；3.2为低氧生物吸附段；3.3空压机；3.4为气体流量计；3.5为气量调节阀；3.6为曝气头；3.7为除有机物反应器出水管；4.1为1#沉淀池出水管；4.2为1#沉淀池回流污泥阀；4.3为1#沉淀池回流污泥泵；4.4为1#沉淀池剩余污泥排放阀；4.5为1#沉淀池产酸污泥阀；4.6为1#沉淀池产酸污泥泵；5.1为AOAO反应器进水泵；5.2为AOAO反应器进水阀；5.3为反硝化厌氧氨氧化生物膜；5.4为搅拌器；5.5为AOAO反应器出水管；5.6为硝化液回流阀；5.7为硝化液回流泵；6.1为2#沉淀池出水管；6.2为2#沉淀池剩余污泥排放阀；6.3为2#沉淀池回流污泥阀；6.4为2#沉淀池回流污泥泵；6.5为2#沉淀池产酸污泥阀；6.6为2#沉淀池产酸污泥泵；7.1为发酵液回流阀；7.2发酵液回流泵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：如图1所示，处理天然橡胶加工废水的脱氮装置设有废水水箱1、厌氧产甲烷反应器2、除有机物反应器3、1#沉淀池4、AOAO反应器5、2#沉淀池6、产酸池7；废水水箱1设有溢流管1.1和放空管1.2；废水水箱1通过厌氧产甲烷反应器进水泵2.1和厌氧产甲烷反应器进水阀2.2与厌氧产甲烷反应器2相连接，厌氧产甲烷反应器2呈柱形，顶端设有三相分离器2.4，且顶端排放H2S和CH4，侧面设有取样口2.3；氧产甲烷反应器2通过氧产甲烷反应器出水管2.5与除有机物反应器3相连接；除有机物反应器3分为高氧生物再生段3.1和低氧生物吸附段3.2，并设有曝气头3.6，由空压机3.3提供氧气，并通过气体流量计3.4和气量调节阀3.5控制曝气量；除有机物反应器3通过除有机物反应器出水管3.7与1#沉淀池4相连接，1#沉淀池4的沉淀污泥部分通过1#沉淀池回流污泥阀4.2和1#沉淀池回流污泥泵4.3回流至高氧生物再生段3.1，部分通过1#沉淀池产酸污泥阀4.5和1#沉淀池产酸污泥泵4.6进入产酸池7进行发酵，剩余污泥通过1#沉淀池剩余污泥排放阀4.4排放；1#沉淀池出水管4.1通过AOAO反应器进水泵5.1和AOAO反应器进水阀5.2与AOAO反应器5相连接，AOAO反应器5分为数个格室，按照水流方向上下交错设置过水孔连接各个格室，第一、二格室为缺氧区，填充反硝化厌氧氨氧化生物膜5.3，并设有搅拌器5.4，利用原水中剩余有机物和发酵液中的VFAs作为碳源，发生反硝化和厌氧氨氧化反应；第三、四格室为好氧区，设有曝气头3.6，由空压机3.3提供氧气，并通过气体流量计3.4和气量调节阀3.5控制曝气量，主要发生硝化反应，去除部分氨氮；第五格室依为缺氧区，利用污泥中储存的有机物，发生内源反硝化和厌氧氨氧化反应；第六格室为曝气吹脱区，实现短时曝气吹脱污泥中的N2，促进2#沉淀池6的泥水分离效果；AOAO反应器5出水部分通过其出水管5.5进入沉淀池6，部分作为硝化液通过硝化液回流阀5.6和硝化液回流泵5.7进入AOAO反应器5前端缺氧区；2#沉淀池6的沉淀污泥部分通过2#沉淀池回流污泥阀6.3和2#沉淀池回流污泥泵6.4回流至AOAO反应器5前端缺氧区，部分通过2#沉淀池产酸污泥阀6.5和2#沉淀池产酸污泥泵6.6进入产酸池7进行发酵，剩余污泥通过2#沉淀池剩余污泥排放阀6.2排放，2#沉淀池上清液作为最终处理水通过其出水管6.1）排放。产酸池7设有搅拌器5.4，主要发生厌氧发酵产酸反应，上清液中富含挥发性有机酸（VFAs），并通过发酵液回流阀7.1和发酵液回流泵7.2进入AOAO反应器5前段缺氧区，VFAs可作为反硝化反应的优质碳源，强化深度脱氮效果。
试验采人工配水模拟天然橡胶加工废水，具体水质如下：COD浓度为COD浓度7000-11000mg/L，平均为10000 mg/L；NH+ 4-N浓度为100-300mg/L，平均为120mg/L；NO- 2-N≤0.5mg/L，NO- 3-N ≤0.5mg/L。试验系统如图1所示，各反应器均采用有机玻璃制成，厌氧产甲烷反应器体积为300L，除有机物反应器体积为15L，AOAO反应器体积为250L。
具体运行操作如下：
1）启动系统：接种具有良好厌氧产甲烷活性的颗粒污泥到厌氧产甲烷反应器，污泥浓度为10000-15000mg/L；接种具有良好活性的污泥到除有机物反应器，使得高氧生物再生段和低氧生物吸附段污泥浓度分别达到1000-2000mg/L和500-1000mg/L；接种具有良好反硝化厌氧氨氧化活性的生物膜投加到AOAO反应器的缺氧区，填充比为80-100%；接种具有良好硝化活性的污泥到AOAO反应器的好氧区，污泥浓度为3000-4000mg/L。
2）运行时调节操作如下：
2.1）厌氧产甲烷反应器COD负荷率8-12kg/m3/d，水力停留时间为25-40h；
2.2）除有机物反应器，污泥龄控制在0.5-1.5d，COD负荷率1-3kg/m3/d，高氧生物再生段DO浓度为2-5 mg/L，低氧生物吸附段DO浓度为0-0.5 mg/L；
2.3）1#沉淀池污泥回流比为50-100%；
2.4）AOAO反应器，反硝化厌氧氨氧化缺氧区水力停留时间为3-6h，好氧硝化区水力停留时间为6-10h，内源反硝化厌氧氨氧化缺氧区水力停留时间为6-10h，短时吹脱曝气水力停留时间为10-30min，好氧硝化区DO为1-2mg/L；
2.5）硝化液内回流比为200-300%，当系统出水硝态氮浓度大于15 mg/L时，提高硝化液内回流比，当系统出水硝态氮浓度小于8 mg/L时，降低硝化液内回流比。
2.6）2#沉淀池污泥回流比为50-100%；
2.7）产酸池水力停留时间为12-24h，COD容积负荷率为4-8kg/m3/d。
试验结果表明：运行稳定后，系统出水COD浓度为30-90mg/L，平均为45.2mg/L；NH+4-N浓度0-3mg/L，平均为1.5 mg/L；NO- 2-N浓度为0-1mg/L，平均为0.2 mg/L；NO- 3-N浓度0-18mg/L，平均为14mg/L。

Claims (2)

1.一种天然橡胶加工废水深度生物脱氮装置，其特征在于：设有废水水箱（1）、厌氧产甲烷反应器（2）、除有机物反应器（3）、1#沉淀池（4）、AOAO反应器（5）、2#沉淀池（6）、产酸池（7）；废水水箱（1）设有溢流管（1.1）和放空管（1.2）；废水水箱（1）通过厌氧产甲烷反应器进水泵（2.1）和厌氧产甲烷反应器进水阀（2.2）与厌氧产甲烷反应器（2）相连接，厌氧产甲烷反应器（2）呈柱形，顶端设有三相分离器（2.4），且顶端排放H2S和CH4，侧面设有取样口（2.3）；氧产甲烷反应器（2）通过氧产甲烷反应器出水管（2.5）与除有机物反应器（3）相连接；除有机物反应器（3）分为高氧生物再生段（3.1）和低氧生物吸附段（3.2），并设有曝气头（3.6），由空压机（3.3）提供氧气，并通过气体流量计（3.4）和气量调节阀（3.5）控制曝气量；除有机物反应器（3）通过除有机物反应器出水管（3.7）与1#沉淀池（4）相连接，1#沉淀池（4）的沉淀污泥部分通过1#沉淀池回流污泥阀（4.2）和1#沉淀池回流污泥泵（4.3）回流至高氧生物再生段（3.1），部分通过1#沉淀池产酸污泥阀（4.5）和1#沉淀池产酸污泥泵（4.6）进入产酸池（7）进行发酵，剩余污泥通过1#沉淀池剩余污泥排放阀（4.4）排放；1#沉淀池出水管（4.1）通过AOAO反应器进水泵（5.1）和AOAO反应器进水阀（5.2）与AOAO反应器（5）相连接，AOAO反应器（5）分为数个格室，按照水流方向上下交错设置过水孔连接各个格室，第一、二格室为缺氧区，填充反硝化厌氧氨氧化生物膜（5.3），并设有搅拌器（5.4），利用废水中剩余有机物和发酵液中的VFAs作为外碳源，发生反硝化和厌氧氨氧化反应；第三、四格室为好氧区，设有曝气头（3.6），由空压机（3.3）提供氧气，并通过气体流量计（3.4）和气量调节阀（3.5）控制曝气量，主要发生硝化反应，去除部分氨氮；第五格室依为缺氧区，利用污泥中储存的有机物，发生内源反硝化和厌氧氨氧化反应；第六格室为曝气吹脱区，实现短时曝气吹脱污泥中的N2，促进2#沉淀池（6）的泥水分离效果；AOAO反应器（5）出水部分通过其出水管（5.5）进入沉淀池（6），部分作为硝化液通过硝化液回流阀（5.6）和硝化液回流泵（5.7）进入AOAO反应器（5）前端缺氧区；2#沉淀池（6）的沉淀污泥部分通过2#沉淀池回流污泥阀（6.3）和2#沉淀池回流污泥泵（6.4）回流至AOAO反应器（5）前端缺氧区，部分通过2#沉淀池产酸污泥阀（6.5）和2#沉淀池产酸污泥泵（6.6）进入产酸池（7）进行发酵，剩余污泥通过2#沉淀池剩余污泥排放阀（6.2）排放，2#沉淀池上清液作为最终处理水通过其出水管（6.1）排放；
产酸池（7）设有搅拌器（5.4），主要发生厌氧发酵产酸反应，上清液中富含挥发性有机酸（VFAs），并通过发酵液回流阀（7.1）和发酵液回流泵（7.2）进入AOAO反应器（5）前段缺氧区，VFAs可作为反硝化反应的优质碳源，强化深度脱氮效果。
2.根据权利要求1所述的天然橡胶加工废水深度生物脱氮装置，实现天然橡胶加废水的能源回收和高效脱氮的方法，其特征包括以下内容：
1）启动系统：接种具有良好厌氧产甲烷活性的颗粒污泥到厌氧产甲烷反应器，污泥浓度为10000-15000mg/L；接种具有良好活性的污泥到除有机物反应器，使得高氧生物再生段和低氧生物吸附段污泥浓度分别达到1000-2000mg/L和500-1000mg/L；接种具有良好反硝化厌氧氨氧化活性的生物膜投加到AOAO反应器的缺氧区，填充比为80-100%；接种具有良好硝化活性的污泥到AOAO反应器的好氧区，污泥浓度为3000-4000mg/L；
2）运行时调节操作如下：
2.1）厌氧产甲烷反应器COD负荷率8-12kg/m3/d，水力停留时间为25-40h；
2.2）除有机物反应器，污泥龄控制在0.5-1.5d，COD负荷率1-3kg/m3/d，高氧生物再生段DO浓度为2-5 mg/L，低氧生物吸附段DO浓度为0-0.5 mg/L；
2.3）1#沉淀池污泥回流比为50-100%；
2.4）AOAO反应器，反硝化厌氧氨氧化缺氧区水力停留时间为3-6h，好氧硝化区水力停留时间为6-10h，内源反硝化厌氧氨氧化缺氧区水力停留时间为6-10h，短时吹脱曝气水力停留时间为10-30min，好氧硝化区DO为1-2mg/L；
2.5）硝化液内回流比为200-300%，当系统出水硝态氮浓度大于15 mg/L时，提高硝化液内回流比，当系统出水硝态氮浓度小于8 mg/L时，降低硝化液内回流比；
2.6）2#沉淀池污泥回流比为50-100%；
2.7）产酸池水力停留时间为12-24h，COD容积负荷率为4-8kg/m3/d。
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