CN110002697B

CN110002697B - 垃圾渗滤液uasb产甲烷与分段进水ifas a/o spnapd脱氮装置与方法

Info

Publication number: CN110002697B
Application number: CN201910437725.XA
Authority: CN
Inventors: 彭永臻; 任尚; 张琼; 王众; 张方斋; 姜浩
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2019-05-24
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2039-05-24
Also published as: CN110002697A

Abstract

垃圾渗滤液UASB产甲烷与分段进水缺好氧交替IFAS A/O SPNAPD脱氮装置与方法属于高氨氮生物脱氮除碳技术领域。其装置由原水箱、UASB反应器、中间水箱、A/O反应器及沉淀池构成。当进水为早中期渗滤液时，首先在UASB中进行厌氧产甲烷，其出水和原渗滤液及40％沉淀池出水在中间水箱混合后进入A/O反应器进行SPNAPD反应，A/O出水再进入沉淀池，上清液为最终出水；当进水为低C/N、低BOD₅/COD的晚期渗滤液时，原水与沉淀池出水混合，直接进入A/O反应器。本发明不仅节省能源，适于各时期垃圾渗滤液生物脱氮除碳，且为连续流一体化工艺，节省占地，方便现存处理装置升级改造和本技术推广应用。

Description

垃圾渗滤液UASB产甲烷与分段进水IFAS A/O SPNAPD脱氮装置与方法

技术领域

本发明是一种以应用厌氧氨氧化技术为核心，以短程硝化为主，短程反硝化为辅作为厌氧氨氧化反应稳定亚硝态氮来源的连续流IFAS一体化处理高质量浓度氨氮废水生物脱氮技术领域。该方法首先通过厌氧产甲烷去除垃圾渗滤液中部分有机物，以回收能量，同时减少对后续反应的抑制，然后通过分段进水缺好氧交替IFAS A/O反应器实现TIN的去除。本方法不仅能最大限度的利用原渗滤液中可生物降解有机物作为短程反硝化所需的碳源，用厌氧产甲烷反应器使大部分有机物得以去除，回收沼气，还能应用短程硝化-厌氧氨氧化反应脱氮。该方法节省能源，经济高效，适用于各时期垃圾渗滤液的生物脱氮除碳。

背景技术

垃圾渗滤液从产生来分类，主要分为三类：一是垃圾填埋场渗滤液，二是垃圾焚烧发电厂渗滤液，三是餐厨(厨余)垃圾厌氧发酵后的沼液。垃圾填埋场的渗滤液是指来源于垃圾填埋场中垃圾本身含有的水分、垃圾自身分解而产生的水分、进入的大气降水及流入的地表水及渗入的地下水等，在扣除垃圾、覆土层的饱和持水量，并经历垃圾层和覆土层而形成的一种高质量浓度的有机废水。

垃圾焚烧发电厂产生的渗滤液，是为提高垃圾热值，按照严格堆放方式堆放沥水，并且在负压的生活垃圾贮存仓内停留5-7天，在沥干过程发酵而沥出的水分，形成的渗滤液，故该渗滤液主要为垃圾本身的水分、垃圾中易降解成分、短期发酵形成的水分、垃圾溶出的污染物及随水流出的细小悬浮物这种渗滤液一般也称为“新鲜渗滤液”，其较填埋场渗滤液可生化性好。餐厨(厨余)垃圾厌氧发酵后的沼液，悬浮物质量浓度很高，生化处理难度较大，且目前相对于填埋场渗滤液、焚烧厂渗滤液，整体规模小。

垃圾填埋法因其处理成本低，在我国被广泛应用，然而在填埋过程中及填埋完成后，不可避免会产生垃圾渗滤液，其含有许多有毒有害物质，若处理不当，则会对水资源、周边土壤以及大气环境造成污染，从而威胁人体健康，而这也失去了卫生填埋的意义。本方法主要针对处理难度最大的垃圾填埋场渗滤液。一般其pH值为5～9，COD 800～ 20000mg/L，BOD60～2000mg/L，氨氮300～3000mg/L。根据年限不同垃圾渗滤液分为早期、中期渗滤液、晚期渗滤液。

垃圾渗滤液的物化处理一般用于垃圾渗滤液的预处理和深度处理，而生物脱氮除碳处理因其费用低、效果好，一般作为主体工艺。但垃圾渗滤液是一种成分复杂的高有机物、高氨氮、高盐分的特种废水，且其水质随时间推移而变化，而晚期垃圾渗滤液pH呈弱碱性，BOD₅/COD比值降低，一般低于0.1，可生化性变差，且氨氮含量增高，C/N低。这无疑给其生物处理造成了很大困难。因此，开发高效节能的垃圾渗滤液生物处理工艺意义重大。传统硝化反硝化脱氮方法面临着达标排放和节能降耗两方面难题。一方面，当进水碳氮比较低，可利用的有机碳源不足时，需投加大量外碳源以达到完全反硝化脱氮效果。另一方面，硝化过程所需的曝气能耗大大增加污水处理厂耗电量和运行费用。此外，传统生物脱氮工艺中大量剩余污泥的处理也使得污水厂运行费用进一步升高。

厌氧氨氧化技术作为一种新型脱氮技术，是指在厌氧条件下，AnAOB能以CO₂为碳源和能源，以NH₄ ⁺-N为电子供体，以NO₂ ^--N为电子受体，进行氧化还原反应，将NH₄ ⁺-N， NO₂ ^--N转化成N₂和NO₃ ^--N，从而实现总氮的去除。Anammox反应方程式如下：

NH₄ ⁺+1.32NO₂ ^-+0.066HCO₃ ^-+0.13H⁺→

1.02N₂+0.26NO₃ ^-+0.066CH₂O_0.5N_0.15+2.03H₂O

此外，Boran Kartal等人用NH₄ ⁺和NO作为仅有的底物，在一个连续式的膜生物反应器(MBR)里培养Kuenenia stuttgartiensis菌。结果显示，在没有NO₂ ^-的情况下，K.stuttgartiensis只用NO作为最终的电子受体，就可以进行氧化氨的反应，而且N₂是唯一的最终产物，没有温室气体产生N₂O和硝态氮。不过，该发现仍有待进一步研究。

与传统全程硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺具有以下优点：

(1)可节省需氧量62.5％；

(2)节省碱度50％；

(3)节省碳源100％，且污废水中有机物可厌氧发酵产甲烷；

(4)剩余污泥产量低，节省污泥处理费用。

目前，厌氧氨氧化技术广泛应用仍有一些障碍，但针对垃圾渗滤液等高氨氮废水，其难以应用的主要问题主要是：

(1)使系统内AnAOB生物量稳定持留，使得AnAOB成为优势菌；

(2)进水有机负荷高；

(3)对NO₂ ^—N竞争能力弱。

厌氧氨氧化作为经济高效的新型污水脱氮技术，具有重要应用潜力。而厌氧氨氧化以NH₄ ⁺和NO₂ ^-基质，NO₂ ^-的获取是厌氧氨氧化工艺稳定运行的关键步骤。目前普遍采用的获取NO₂ ^--N方法为短程硝化技术，即在好氧条件下，通过AOB的作用将NH₄ ⁺氧化为NO₂ ^-，而不再进一步生成NO₃ ^-。方程式为：

NH₄ ⁺+1.5O₂→NO₂ ^-+2H⁺+H₂O

与传统生物脱氮工艺相比，短程硝化-厌氧氨氧化工艺理论上可节省60％曝气能耗和 100％有机碳源，同时大大降低剩余污泥产量。该工艺按照运行方式的不同可分为分段式和一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺。相比于分段式，一体化工艺占地少，基建费用较低，应用更广。但是该工艺理论上会产生达进水NH₄ ⁺量11％的NO₃ ^--N，而这对于高氨氮的垃圾渗滤液来说也是不容忽视的，使得出水TN超标，难以达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》(GB16899-2008)。

近年来，有研究表明厌氧氨氧化菌与反硝化菌可在系统内共存。此外，高NO₂ ^--N积累特性的短程反硝化现象的发现，为厌氧氨氧化工艺提供NO₂ ^--N基质，创造了新思路。但如何实现反硝化与厌氧氨氧化微生物稳定共存和强化厌氧氨氧化脱氮活性是提高短程反硝化-厌氧氨氧化一体化工艺脱氮性能的关键问题。

垃圾渗滤液属于高氨氮废水，相对于城市污水易于实现短程硝化-厌氧氨氧化，为进一步去除厌氧氨氧化产生的硝态氮以及充分利用进水中可降解有机物，本发明提出了以短程硝化-厌氧氨氧化为主，短程反硝化为辅的一体化工艺。由于我国在实际对垃圾渗滤液进行生物脱氮时采用连续流A/O反应器，因此，为方便升级改造和本技术的推广与应用，本发明采用连续流A/O短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化一体化脱氮装置。为进一步去除原水中有机物，减少对AnAOB活性的影响，在此装置前增加UASB产甲烷装置，回收能量。此外，为更好的促进短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化的实现，本工艺采用分段进水缺好氧交替运行方式。同时，为了厌氧氨氧化生物量的稳定持留，增强AnAOB对溶解氧和有机物的抵抗能力，A/O反应器内设有固定式海绵填料，使得生物膜中AnAOB和絮体污泥中AOB，PDB和谐共生于本系统，协调发挥作用，从而高效经济的实现垃圾渗滤液的生物脱氮除碳。

发明内容

基于以上现存问题分析，为了高效率、低能耗的实现垃圾渗滤液的生物脱氮除碳，本发明提出了连续流UASB产甲烷与分段进水缺好氧交替IFAS A/O SPNAPD(simultaneouspartial nitrification,anammox and partial denitrification)脱氮装置与方法。

连续流UASB产甲烷与分段进水缺好氧交替IFAS A/O SPNAPD脱氮装置，其特征是包括以下内容：渗滤液原水箱(1)；UASB产甲烷反应器(2)；中间水箱(3)；A/O反应器(4)；竖流式沉淀池(5)。

其中，渗滤液原水箱(1)通过UASB进水管(2.1)和第一进水泵(2.2)与UASB产甲烷反应器底部进水口相连；经过颗粒污泥床(2.17)和三相分离器(2.18)，通过溢流堰 (2.9)进入S型出水管(2.13)，经UASB出水管(2.14)进入中间水箱(3)；其中UASB 部分上清液从自循环出水口(2.23)经自循环管(2.3)和自循环水泵(2.22)进入自循环进水口(2.24)；产生的气体经三相分离器(2.18)，至排气口(2.12)，经碱液瓶(2.19) 吸收后通过气体流量计(2.20)进入集气袋(2.21)；中间水箱进水一部分来自UASB反应器出水，一部分通过中间水箱原水进水管(3.3)和中间水箱原水进水泵(3.4)取自渗滤液原水箱(1)；中间水箱出水分别通过A/O第一进水管(4.1)、第二进水管(4.2)、第三进水管(4.3)和A/O第一进水泵(4.4)、第二进水泵(4.5)、第三进水泵(4.6)进入A/O 反应器的第一、四、七三个格室；其出水通过A/O反应器与沉淀连接管(4.14)进入竖流式沉淀池(5)的中心管(5.4)，从喇叭口(5.6)流出后，水流方向经反射板(5.7)从下变上，经出水堰(5.1)至沉淀池出水管(5.3)排出；沉淀池中污泥一部分通过污泥回流管(5.10)和污泥回流泵(5.11)回流至A/O反应器第一缺氧区，一部分经剩余污泥阀门 (5.9)排出；A/O出水经回流阀(5.14)、出水回流管(5.12)和出水回流泵(5.13)，回流至中间水箱(3)。

此外，所述渗滤液原水箱还包括放空阀(1.1)和溢流管(1.2)。所述的UASB产甲烷反应器还包括DO探头插孔(2.6)，pH探头插孔(2.7)，第一取样口(2.11)，第二取样口(2.15)，位于UASB柱体外壁的温控加热装置(2.16)。所述中间水箱还包括放空阀(3.1)，溢流管(3.2)，温度时控(3.5)和加热棒(3.6)。所述A/O反应器还包括位于每格室中心的搅拌器(4.7)，曝气泵(4.8)，转子体积流量计(4.9)；进气阀(4.10)；位于每格室底部中心的曝气盘(4.11)；与过水方向垂直的填料镂空板(4.12)及海绵填料(4.13)，位于 A/O反应器外壁的遮光保温材料(4.15)。所述竖流式沉淀池还包括污泥挡板(5.2)，中心管固定板(5.5)，内循环口(5.8)。具体位置如图1所示。

当UASB产甲烷与分段进水缺好氧交替IFAS A/O SPNAPD均启动成功并稳定串联运行时，说明本系统实现了垃圾渗滤液经济高效的脱氮除碳过程。

早、中期垃圾渗滤液应用本装置处理流程：原水箱渗滤液经蠕动泵进入UASB产甲烷反应器，以去除有机物，出水进入UASB出水箱，根据进水NH₄ ⁺-N含量，计算短程硝化- 厌氧氨氧化一体化理论NO₃ ^--N产生量，再根据短程反硝化所需碳源量和原渗滤液所含 BOD₅含量，计算出向A/O进水箱中添加的原渗滤液量，混合均匀后，进入A/O反应器的 3个缺氧区，缺氧区设有搅拌器，通过短程反硝化及厌氧氨氧化作用去除部分有机物、氨氮和厌氧氨氧化产生的NO₃ ^--N，之后流入好氧区，在曝气盘低溶解氧曝气和搅拌起搅拌作用下，通过短程硝化和厌氧氨氧化反应，去除NH₄ ⁺-N，产生的NO₃ ^--N再通过后续缺氧区去除，最后一个好氧区出水进入沉淀池，其污泥在蠕动泵作用下回流至A/O反应器第一个缺氧区，以维持A/O反应器中絮体污泥质量浓度，同时使得最后两个好氧格室厌氧氨氧化反应产生的NO₃ ^--N在第一个缺氧区通过短程反硝化生成NO₂ ^--N，与进水NH₄ ⁺-N再通过厌氧氨氧化反应同步去除。以上进水方式从而既满足短程反硝化所需的碳源，又能对原渗滤液中的COD充分利用，还能减少对A/O反应器中AnAOB的抑制。

晚期垃圾渗滤液应用本装置处理流程：因晚期垃圾渗滤液pH呈弱碱性，C/N低，BOD₅/COD比值降低，一般低于0.1，可生化性变差，且氨氮含量增高。因此，进水中多为难生物降解有机物，在分段进水条件下，对系统的AnAOB无抑制，而短程反硝化又需要碳源，因此，原水可不经过厌氧产甲烷UASB处理，直接进入中间水箱，与A/O出水混合后，进入A/O反应器的3个缺氧区，缺氧区设有搅拌器，通过短程反硝化及厌氧氨氧化作用去除可生物降解有机物、NH₄ ⁺-N和厌氧氨氧化产生的NO₃ ^--N，之后流入好氧区，在曝气盘低溶解氧曝气和搅拌器搅拌作用下，通过短程硝化和厌氧氨氧化反应，去除氨氮，产生的硝态氮再通过后续缺氧区去除，最后一个好氧区出水进入沉淀池，其污泥在蠕动泵作用下回流至A/O反应器第一个缺氧格，以维持A/O反应器中絮体污泥质量浓度，同时使得最后两个好氧格室厌氧氨氧化反应产生的NO₃ ^--N在第一个缺氧区经过短程反硝化生成 NO₂ ^--N，与进水NH₄ ⁺-N再通过厌氧氨氧化反应同步去除。

利用上述装置进行同步短程反硝化、短程硝化与厌氧氨氧化处理垃圾渗滤液的方法是按以下过程进行的：

启动UASB产甲烷反应器：接种黑色、球形、粒径在0.5～2mm的厌氧产甲烷颗粒污泥于UASB反应器中，接种污泥VSS质量浓度范围为20～60g/L。测定原水COD值，投加 KH₂PO₄，使得COD与磷元素质量浓度比值为200～500:1，通过温控装置使得反应器内温度为36±1℃，进行中温发酵，调节进水为pH＝7.1±0.1，CaCO₃计碱度大于1000mg/L。启动第一阶段，反应器内进水COD质量浓度在4000±200mg/L，有机负荷为 0.76～1.05kgCOD/(m³·d)，水力负荷为0.20～0.25m³/(m³·d)；当COD去除率大于60％时，进入第二阶段，提高进水COD质量浓度至7000±200mg/L，有机负荷为 2.72～3.24kgCOD/(m³·d)时，水力负荷为0.40～0.45m³/(m³·d)；当COD去除率大于60％时，进入第三阶段，COD质量浓度仍为7000±200mg/L，有机负荷为7.48～8.28kgCOD/(m³·d) 时，水力负荷为1.10～1.15m³/(m³·d)。以上水力负荷的逐步递增，使得絮体污泥聚集生长，利于形成颗粒污泥，且排出部分絮体污泥，保留住颗粒污泥，形成颗粒污泥层。当UASB 出水自循环比为100％，以增强流化效果，使得微生物与底物充分接触，同时有助于颗粒污泥的形成，同时还能有效防止气体积聚导致污泥上浮流失以及沟流死区的形成。当污泥有效颗粒度能稳定维持在60％以上，产甲烷活性大于0.25kgCOD_removed/(kg VSS· d)，COD 去除率大于60％时，说明UASB产甲烷反应器启动成功，与A/O反应器开始串联运行。

启动A/O反应器短程硝化(PN)：接种城市污水处理厂硝化污泥， MLSS＝5100±100mg/L，MLVSS＝4100±100mg/L。污泥回流比为100％。反应器水温控制在25±1℃，好氧区DO>2mg/L。进水为UASB出水，从第1、4、7三个缺氧格室分段进水，体积流量分配比为1:1:1。启动分为三阶段。第一阶段：进水NH₄ ⁺-N负荷(ALR)与接种前该活性污泥的ALR一致，为0.10～0.14kg N/(m³· d)，HRT＝5.08～6.00d，本发明提到的A/O 的HRT指的是中间水箱的水为A/O进水，即包括A/O回流出水，而非仅原渗滤液和UASB 出水。控制进水后第一个缺氧区NH₄ ⁺-N质量浓度为150～175mg/L，此时所需中间水箱中 NH₄ ⁺-N质量浓度为600～700mg/L，当原水NH₄ ⁺-N质量浓度为2650±100mg/L时，进入中间水箱的UASB出水NH₄ ⁺-N质量浓度升高至2800±100mg/L，进入A/O反应器，经过回流比为100％的回流污泥稀释和按照1:1:1的体积流量分配比的分段进水方式，第一个格室水NH₄ ⁺-N质量浓度为700±25mg/L，高于150～175mg/L，因此开启出水回流阀门，启动出水回流泵，A/O出水回流体积流量为UASB出水体积流量的3.5倍。当第一缺氧区进水氨氮在好氧区全部被氧化时，第二个缺氧区进水后NH₄ ⁺-N质量浓度为120～140mg/L，第三个缺氧区进水后NH₄ ⁺-N质量浓度为100～117mg/L，当pH＝7.5～8.5时，FA＝2.2～33.3mg/L。第二阶段：提高ALR至0.40～0.48kg N/(m³· d)，减小出水回流比，即由第一阶段的350％减小到150％，使得中间水箱NH₄ ⁺-N质量浓度为1080～1200mg/L，提高A/O进水后第一个缺氧区NH₄ ⁺-N质量浓度至270～300mg/L，HRT＝2.50～2.70d。当第一缺氧区进水氨氮在好氧区全部被氧化时，第二个缺氧区进水后NH₄ ⁺-N质量浓度为210～240mg/L，第三个缺氧区进水后NH₄ ⁺-N质量浓度为180～200mg/L，当pH＝7.5～8.5时，FA＝4.0～57.1mg/L。第三阶段：提高ALR至0.80～0.92kg N/(m³· d)，A/O进水后第一个缺氧区NH₄ ⁺-N质量浓度仍为 270～300mg/L，缩短HRT至1.30～1.35d。当出水NO₂ ^--N质量浓度>2400mg/L，NAR>90％时，即短程硝化启动成功，开始启动短程硝化-厌氧氨氧化。

启动A/O反应器短程硝化-厌氧氨氧化(SPNA)：接种处理污泥消化液短程硝化-厌氧氨氧化一体化中试的已生长好含厌氧氨氧化菌生物膜的海绵填料，填充比20％，填料均匀固定于反应器镂空板上，1～9格室均布置该填料，构建IFAS系统。通过加热装置控制反应器内温度为30℃。控制好氧区DO质量浓度为0.3～0.5mg/L。启动分为三阶段：第一阶段目的是使AnAOB适应渗滤液水质和高的FNA环境，因A/O进水可生物降解有机物较少，缺氧区反硝化效果差，短程硝化积累NO₂ ^--N，当pH＝7.5～8.5时，FNA＝0.057～0.573mg/L，为缓解FNA对AnAOB的抑制，故该阶段进水为UASB出水及自来水，控制中间水箱 NH₄ ⁺-N为1080～1200mg/L，进水后A/O反应器第一个缺氧区NH₄ ⁺-N质量浓度仍为 270～300mg/L，ALR仍为0.80～0.92kg N/(m³· d)，HRT为1.30～1.35d，当A/O出水NH₄ ⁺-N， NO₂ ^--N质量浓度均低于100mg/L，ARE>90％时，进入第二阶段；第二阶段目的是使AnAOB适应垃圾渗滤液水质，即用A/O出水回流代替自来水，使中间水箱NH₄ ⁺-N质量浓度为 1080～1220mg/L，NO₂ ^--N质量浓度为0～60mg/L，ALR为0.80～0.94kg N/(m³· d)，HRT为 1.30～1.35d，当A/O出水NH₄ ⁺-N质量浓度<15mg/L时，进入第三阶段；第三阶段是负荷提高及稳定阶段，即减小A/O出水回流比，由第二阶段的150％降到100％和40％，使得进入 A/O第一缺氧区NH₄ ⁺-N质量浓度由270～300mg/L升高至325～365mg/L和480～520mg/L， HRT为1.60～1.68d，ALR为1.15～1.30kg N/(m³·d)。当最终出水NH₄ ⁺-N<15mg/L， TIN<230mg/L，则A/O反应器短程硝化-厌氧氨氧化反应启动成功，开始启动缺氧区短程反硝化。

启动A/O反应器短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化(SPNAPD)：当SPNA启动成功时，开启中间水箱原水进水管与中间水箱原水进水泵，为缺氧区反硝化补充碳源。缺氧区温度仍为30℃，分段进水保证pH>8.0。控制进水BOD₅与出水NO₃ ^--N质量浓度之比＝1.15～3，且满足：(1.15～3)*(Q₀*N₀+Q₁*N₁+Q₂*N₂+Q₃*N₃)*11％＝Q₀*B₀+Q₁*B₁+Q₂*B₂+Q₃*B₃，其中，Q₀为中间水箱原水进水体积流量；Q₁为UASB出水体积流量；Q₂为A/O出水回流至中间水箱体积流量；Q₃为沉淀池污泥回流体积流量；N₀为原水NH₄ ⁺-N质量浓度；N₁为UASB出水NH₄ ⁺-N质量浓度；N₂为A/O出水NH₄ ⁺-N质量浓度；N₃为A/O回流污泥中 NH₄ ⁺-N质量浓度；B₀为原水BOD₅质量浓度；B₁为UASB出水BOD₅质量浓度；B₂为A/O 出水BOD₅质量浓度；B₃为A/O回流污泥中BOD₅质量浓度。当最终出水NH₄ ⁺-N<15mg/L， TIN<40mg/L，NRE>95％时，则A/O反应器短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化启动成功。

最终，进入UASB原渗滤液流量为q，进入中间水箱的UASB出水体积流量为Q₁，原渗滤液体积流量为Q₀，并满足(1.15～3)*(Q₀*N₀+Q₁*N₁+Q₂*N₂+Q₃*N₃) *11％＝Q₀*B₀+Q₁*B₁+Q₂*B₂+Q₃*B₃，A/O出水回流体积流量为40％(Q₀+Q₁)，A/O反应器进水体积流量为140％(Q₀+Q₁)，沉淀池污泥回流体积流量为140％(Q₀+Q₁)，且从A/O 三个缺氧格室分段进水，体积流量分配比为1：1：1，第一缺氧区NH₄ ⁺-N质量浓度 480～520mg/L，UASB-A/O反应器的串联运行，使得原水COD，TIN去除率分别可达60％和95％，去除速率分别可达4.5kgCOD/(m³·d)和1.1kgN/(m³·d)，实现了UASB产甲烷与分段进水缺好氧交替IFAS A/O SPNAPD系统对垃圾渗滤液的生物脱氮除碳。

本发明提供的垃圾渗滤液UASB产甲烷与分段进水缺好氧交替IFAS A/O SPNAPD脱氮装置与方法，其特点与优势如下：

1)不仅能最大限度的利用原渗滤液中可生物降解有机物作为短程反硝化所需的碳源，用厌氧产甲烷反应器使大部分有机物得以去除，回收能量，还能应用短程硝化-厌氧氨氧化反应实现脱氮，因此该装置与方法节省能源，经济高效，适用于各时期垃圾渗滤液的生物脱氮除碳。

2)因有机物主要通过厌氧产甲烷反应及短程反硝化去除，唯一耗氧反应就是进水中部分氨氮的短程硝化，因此，短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化一体化的实现，大大节省了曝气量，节省了运行成本。

3)本工艺中NH₄ ⁺-N是AOB生长的唯一能源，NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N是AnAOB生长的唯一能源，从热力学角度看，NH₄ ⁺-N和NO₂ ^—N属于低级能源，且AOB与AnAOB产率系数低，因此本工艺将大大降低剩余污泥产量，节省污泥处理处置费用。

4)本工艺属于连续流一体化工艺，占地少，基建费用较低，应用更广，因现有垃圾渗滤液生物脱氮除碳处理装置多为传统硝化反硝化A/O或多级A/O工艺，因此本发明对其而言更方便升级改造和本技术的推广与应用，只需其改变缺好氧区布局、进水方式、投加填料等。

5)实现特点为：为进一步去除原水中有机物，减少对AnAOB活性的影响，在此装置前增加UASB产甲烷装置，回收能量。为更好的促进短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化的实现，本工艺采用分段进水缺好氧交替运行方式。为了厌氧氨氧化生物量的稳定持留，增强AnAOB对溶解氧和有机物的抵抗能力，A/O反应器内设有固定式海绵填料，使得生物膜中AnAOB和絮体污泥中AOB，PDB和谐共生于本系统，协调发挥作用，从而高效经济的实现垃圾渗滤液的生物脱氮除碳。

附图说明

图1为垃圾渗滤液UASB产甲烷与分段进水缺好氧交替IFAS A/O SPNAPD脱氮装置结构示意图。

其中，1—渗滤液原水箱；2—UASB产甲烷反应器；3—中间水箱；4—A/O反应器；5—竖流式沉淀池。1.1—原水箱放空阀；1.2—原水箱溢流管。2.1—UASB进水管；2.2—第一进水泵；2.3—UASB自循环管；2.4—UASB进水口； 2.5—第一法兰盘；2.6—DO探头插孔；2.7—pH探头插孔；2.8—第二法兰盘；2.9—溢流堰；2.10—第三法兰盘；2.11—第一取样口；2.12—排气口；2.13—S型出水管；2.14—UASB出水管；2.15—第二取样口；2.16—温控加热带装置；2.17—颗粒污泥床；2.18—三相分离器；2.19—碱液瓶；2.20—气体体积流量计；2.21—集气袋；2.22—UASB自循环泵；2.23—自循环出水口；2.24—自循环进水口。3.1—中间水箱放空阀；3.2—中间水箱溢流管；3.3—中间水箱原水进水管；3.4中间水箱原水进水泵；3.5—温度时控；3.6—加热棒。4.1—A/O第一进水管；4.2—A/O第二进水管；4.3—A/O第三进水管；4.4—A/O第一进水泵；4.5—A/O第二进水泵；4.6—A/O第三进水泵；4.7—搅拌器；4.8—曝气泵；4.9—转子体积流量计；4.10—进气阀；4.11—曝气盘；4.12—填料镂空板；4.13—海绵填料；4.14—A/O反应器与沉淀连接管；4.15—遮光保温材料。5.1—出水堰；5.2—污泥挡板；5.3—沉淀池出水管；5.4—中心管；5.5—中心管固定板；5.6—喇叭口；5.7—反射板；5.8—内循环口；5.9—剩余污泥阀门；5.10—污泥回流管；5.11—污泥回流泵；5.12—出水回流管；5.13—出水回流泵；5.14—出水回流阀。

图2为A/O反应器填料镂空板及海绵填料装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，连续流UASB产甲烷与分段进水缺好氧交替IFAS A/O SPNAPD脱氮装置包括：渗滤液原水箱(1)；UASB产甲烷反应器(2)；中间水箱(3)；A/O反应器(4)；竖流式沉淀池(5)。

试验用水取自北京市某垃圾填埋场渗滤液，其NH₄ ⁺-N质量浓度为2650±100mg/L，TIN为2660±100mg/L，COD为7000±150mg/L，pH＝8.43±0.1，属于中期渗滤液。反应器材质均为有机玻璃，其中UASB反应器有效容积10L，A/O反应器有效容积16.5L，共九个格室，每个格室为1.83L，缺氧区占三个格室，好氧区占六个格室，沉淀池有效容积 5.7L。

启动A/O反应器短程硝化(PN)：接种城市污水处理厂硝化污泥， MLSS＝5100±100mg/L，MLVSS＝4100±100mg/L。污泥回流比为100％。反应器水温控制在 25±1℃，好氧区DO>2mg/L。进水为UASB出水，从第1、4、7三个缺氧格室分段进水，体积流量分配比为1:1:1。启动分为三阶段。第一阶段：进水NH₄ ⁺-N负荷(ALR)与接种前该活性污泥的ALR一致，为0.10～0.14kg N/(m³· d)，HRT＝5.08～6.00d。控制进水后第一个缺氧区NH₄ ⁺-N质量浓度为150～175mg/L，此时所需中间水箱中NH₄ ⁺-N质量浓度为 600～700mg/L，当原水NH₄ ⁺-N质量浓度为2650±100mg/L时，进入中间水箱的UASB出水NH₄ ⁺-N质量浓度升高至2800±100mg/L，进入A/O反应器，经过回流比为100％的回流污泥稀释和按照1:1:1的体积流量分配比的分段进水方式，第一个格室水NH₄ ⁺-N质量浓度为700±25mg/L，高于150～175mg/L，因此开启出水回流阀门，启动出水回流泵，A/O出水回流体积流量为UASB出水体积流量的3.5倍。当第一缺氧区进水氨氮在好氧区全部被氧化时，第二个缺氧区进水后NH₄ ⁺-N质量浓度为120～140mg/L，第三个缺氧区进水后 NH₄ ⁺-N质量浓度为100～117mg/L，当pH＝7.5～8.5时，FA＝2.2～33.3mg/L。第二阶段：提高 ALR至0.40～0.48kg N/(m³· d)，减小出水回流比，即由第一阶段的350％减小到150％，使得中间水箱NH₄ ⁺-N质量浓度为1080～1200mg/L，提高A/O进水后第一个缺氧区NH₄ ⁺-N 质量浓度至270～300mg/L，HRT＝2.50～2.70d。当第一缺氧区进水氨氮在好氧区全部被氧化时，第二个缺氧区进水后NH₄ ⁺-N质量浓度为210～240mg/L，第三个缺氧区进水后NH₄ ⁺-N 质量浓度为180～200mg/L，当pH＝7.5～8.5时，FA＝4.0～57.1mg/L。第三阶段：提高ALR至 0.80～0.92kg N/(m³· d)，A/O进水后第一个缺氧区NH₄ ⁺-N质量浓度仍为270～300mg/L，缩短HRT至1.30～1.35d。当出水NO₂ ^--N质量浓度>2400mg/L，NAR>90％时，即短程硝化启动成功，开始启动短程硝化-厌氧氨氧化。

启动A/O反应器短程硝化-厌氧氨氧化(SPNA)：接种处理污泥消化液短程硝化-厌氧氨氧化一体化中试的已生长好含厌氧氨氧化菌生物膜的海绵填料，填充比20％，填料均匀固定于反应器镂空板上，1～9格室均布置该填料，构建IFAS系统。通过加热装置控制反应器内温度为30℃。控制好氧区DO质量浓度为0.3～0.5mg/L。启动分为三阶段：第一阶段目的是使AnAOB适应渗滤液水质和高的FNA环境，因A/O进水可生物降解有机物较少，缺氧区反硝化效果差，短程硝化积累NO₂ ^--N，当pH＝7.5～8.5时，FNA＝0.057～0.573mg/L，为缓解FNA对AnAOB的抑制，故该阶段进水为UASB出水及自来水，控制中间水箱 NH₄ ⁺-N为1080～1200mg/L，进水后A/O反应器第一个缺氧区NH₄ ⁺-N质量浓度仍为 270～300mg/L，ALR仍为0.80～0.92kg N/(m³· d)，HRT为1.30～1.35d，当A/O出水NH₄ ⁺-N， NO₂ ^--N质量浓度均低于100mg/L，ARE>90％时，进入第二阶段；第二阶段目的是使AnAOB 适应垃圾渗滤液水质，即用A/O出水回流代替自来水，使中间水箱NH₄ ⁺-N质量浓度为 1080～1220mg/L，NO₂ ^--N质量浓度为0～60mg/L，ALR为0.80～0.94kg N/(m³· d)，HRT为 1.30～1.35d，当A/O出水NH₄ ⁺-N质量浓度<15mg/L时，进入第三阶段；第三阶段是负荷提高及稳定阶段，即减小A/O出水回流比，由第二阶段的150％降到100％和40％，使得进入 A/O第一缺氧区NH₄ ⁺-N质量浓度由270～300mg/L升高至325～365mg/L和480～520mg/L， HRT为1.60～1.68d，ALR为1.15～1.30kg N/(m³·d)。当最终出水NH₄ ⁺-N<15mg/L， TIN<230mg/L，则A/O反应器短程硝化-厌氧氨氧化反应启动成功，开始启动缺氧区短程反硝化。

以上对本发明所提供的垃圾渗滤液UASB产甲烷与分段进水缺好氧交替IFAS A/OSPNAPD脱氮装置与方法进行了详细介绍，并且应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，该说明只是用于辅助理解本发明的方法及核心思想。对于本领域的一般技术人员，依据本发明的方法与思想，在具体实施方式上均会有改变之处。因此，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.连续流垃圾渗滤液UASB产甲烷与分段进水缺好氧交替IFAS A/O SPNAPD 脱氮方法，该方法所用装置设有渗滤液原水箱（1）；UASB产甲烷反应器（2）；中间水箱（3）；A/O反应器（4 ），含9个格室；竖流式沉淀池（5）；

其中，渗滤液原水箱（1）通过UASB进水管（2.1）和UASB第一进水泵（2.2）与UASB产甲烷反应器（2）底部进水口相连；经过颗粒污泥床（2.17）和三相分离器（2.18），通过溢流堰（2.9）进入S型出水管（2.13），经UASB出水管（2.14）进入中间水箱（3）；其中UASB产甲烷反应器（2）部分上清液从自循环出水口（2.23）经自循环管（2.3）和自循环水泵（2.22）进入自循环进水口（2.24）；产生的气体经三相分离器（2.18）至排气口（2.12），经碱液瓶（2.19）吸收后通过气体流量计（2.20）进入集气袋（2.21）；中间水箱进水一部分来自UASB产甲烷反应器（2）出水，一部分通过中间水箱渗滤液原水管（3.3）和中间水箱渗滤液原水泵（3.4）取自渗滤液原水箱（1）；中间水箱出水分别通过A/O第一进水管（4.1）、A/O第二进水管（4.2）、A/O第三进水管（4.3）和A/O第一进水泵（4.4）、A/O第二进水泵（4.5）、A/O第三进水泵（4.6）进入A/O反应器（4）的第1、4、7个格室；其出水通过A/O反应器（4）与沉淀连接管（4.14）进入竖流式沉淀池（5）的中心管（5.4），从喇叭口（5.6）流出后，水流方向经反射板（5.7）从下变上，经出水堰（5.1）至沉淀池出水管（5.3）排出；沉淀池中污泥一部分通过污泥回流管（5.10）和污泥回流泵（5.11）回流至A/O反应器（4）第1个格室，一部分经剩余污泥阀门（5.9）排出；A/O反应器（4）出水经回流阀（5.14）、出水回流管（5.12）和出水回流泵（5.13），回流至中间水箱（3）；

此外，所述渗滤液原水箱还包括放空阀（1.1）和溢流管（1.2）；所述的UASB产甲烷反应器（2）还包括DO探头插孔（2.6），pH插孔（2.7），第一取样口（2.11），第二取样口（2.15），位于UASB产甲烷反应器（2）柱体外壁的温控加热装置（2.16）；所述中间水箱还包括放空阀（3.1），溢流管（3.2），温度时控（3.5）和加热棒（3.6）；所述A/O反应器（4）还包括位于每格室中心的搅拌器（4.7），曝气泵（4.8），转子体积流量计（4.9），进气阀（4.10），位于每格室底部中心的曝气盘（4.11），与过水方向垂直的填料镂空板（4.12）及海绵填料（4.13），位于A/O反应器（4）外壁的遮光保温材料（4.15）；所述竖流式沉淀池还包括污泥挡板（5.2），中心管固定板（5.5），内循环口（5.8）；

其特征在于，该方法是按以下过程进行的：

启动UASB产甲烷反应器（2）：接种黑色、球形、粒径在0.5~2 mm的厌氧产甲烷颗粒污泥于UASB产甲烷反应器（2）中，接种污泥VSS质量浓度范围为20~60 g/L；测定渗滤液原水COD值，投加 KH₂PO₄，使得COD与磷元素质量浓度比值为200~500:1，通过温控加热装置（2.16）使得UASB产甲烷反应器（2）内温度为36±1 ℃，进行中温发酵，调节渗滤液原水为pH=7.1±0.1，CaCO₃计碱度大于1000 mg/L；启动第一阶段，渗滤液原水COD质量浓度在4000±200mg/L，有机负荷为0.76~1.05 kg COD/(m³·d)，水力负荷为0.20~0.25 m³/(m³·d)；当COD去除率大于60%时，进入第二阶段，提高渗滤液原水COD质量浓度至7000±200 mg/L，有机负荷为2.72~3.24 kg COD/(m³·d)时，水力负荷为0.40~0.45 m³/(m³·d)；当COD去除率大于60%时，进入第三阶段，COD质量浓度仍为7000±200 mg/L，有机负荷为7.48~8.28 kg COD/(m³·d)时，水力负荷为1.10~1.15 m³/(m³·d)；当UASB产甲烷反应器（2）出水自循环比为100%，污泥颗粒度能稳定维持在60%以上，产甲烷活性大于0.25 kg COD_removed/(kg VSS·d)，COD去除率大于60%时，说明UASB产甲烷反应器（2）启动成功，与A/O反应器（4）开始串联运行；

启动A/O反应器（4）短程硝化PN：接种城市污水处理厂硝化污泥，MLSS=5100±100 mg/L，MLVSS=4100±100 mg/L；污泥回流比为100%；A/O反应器（4）水温控制在25±1 ℃，第2、3、5、6、8、9个格室DO>2 mg/L；A/O反应器（4）进水为UASB产甲烷反应器（2）出水，从第1、4、7个格室分段进水，体积流量分配比为1:1:1；启动分为三阶段；第一阶段：A/O反应器（4）进水NH₄ ⁺-N负荷ALR为0.10~0.14 kg N/(m³·d)，HRT=5.08~6.00 d；控制A/O反应器（4）进水后第1个格室NH₄ ⁺-N质量浓度为150~175 mg/L，此时所需中间水箱（3）中NH₄ ⁺-N质量浓度为600~700 mg/L，当渗滤液原水NH₄ ⁺-N质量浓度为2650±100 mg/L时，进入中间水箱（3）的UASB产甲烷反应器（2）出水NH₄ ⁺-N质量浓度升高至2800±100 mg/L，进入A/O反应器（4），经过回流比为100%的回流污泥稀释和按照1:1:1的体积流量分配比的分段进水方式，开启出水回流阀（5.14），启动出水回流泵，A/O反应器（4）出水回流体积流量为UASB产甲烷反应器（2）出水体积流量的3.5倍；第二阶段：提高ALR至0.40~0.48 kg N/(m³·d)，减小出水回流比，即由第一阶段的350%减小到150%，使得中间水箱（3）NH₄ ⁺-N质量浓度为1080~1200 mg/L，提高A/O反应器（4）进水后第1个格室NH₄ ⁺-N质量浓度至270~300 mg/L，HRT=2.50~2.70 d；第三阶段：提高ALR至0.80~0.92 kg N/(m³·d)，A/O反应器（4）进水后第1个格室NH₄ ⁺-N质量浓度仍为270~300 mg/L，缩短HRT至1.30~1.35 d；当出水NO₂ ^--N质量浓度>2400 mg/L，NAR>90%时，即短程硝化启动成功，开始启动短程硝化-厌氧氨氧化；

启动A/O反应器（4）短程硝化-厌氧氨氧化SPNA：接种处理污泥消化液短程硝化-厌氧氨氧化一体化中试的已生长好含厌氧氨氧化菌生物膜的海绵填料（4.13），填充比20%，海绵填料（4.13）均匀固定于填料镂空板（4.12）上，9个格室均布置该海绵填料（4.13），构建IFAS系统；通过加热棒（3.6）控制A/O反应器（4）内温度为30 ℃；控制第2、3、5、6、8、9个格室DO质量浓度为0.3~0.5 mg/L；启动分为三阶段：第一阶段A/O反应器（4）进水为UASB产甲烷反应器（2）出水及自来水，此时中间水箱（3）NH₄ ⁺-N为1080~1200 mg/L，ALR仍为0.80~0.92 kg N/(m³·d)，HRT为1.30~1.35 d，控制A/O反应器（4）进水后A/O反应器（4）第1个格室NH₄ ⁺-N质量浓度仍为270~300 mg/L，当A/O反应器（4）出水NH₄ ⁺-N，NO₂ ^--N质量浓度均低于100 mg/L，ARE>90%时，进入第二阶段；第二阶段用A/O反应器（4）出水回流代替自来水，使中间水箱（3）NH₄ ⁺-N质量浓度为1080~1220 mg/L，NO₂ ^--N质量浓度为0~60 mg/L，ALR为0.80~0.94 kg N/(m³·d)，HRT为1.30~1.35 d，当A/O反应器（4）出水NH₄ ⁺-N质量浓度<15 mg/L时，进入第三阶段；第三阶段减小A/O反应器（4）出水回流比，由第二阶段的150%降到100%和40%，使得进入A/O反应器（4）第1个格室NH₄ ⁺-N质量浓度由270~300 mg/L升高至325~365 mg/L和480~520mg/L，HRT为1.60~1.68 d；ALR为1.15~1.30 kg N/(m³·d)；当最终出水NH₄ ⁺-N<15 mg/L，TIN<230 mg/L，则A/O反应器（4）短程硝化-厌氧氨氧化反应启动成功，开始启动第1、4、7个格室短程反硝化；

启动A/O反应器（4）短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化SPNAPD：当SPNA启动成功时，开启中间水箱渗滤液原水管（3.3）与中间水箱渗滤液原水泵（3.4）；第1、4、7个格室温度仍为30℃，分段进水保证pH>8.0；控制A/O反应器（4）进水BOD₅与出水NO₃ ^--N质量浓度之比=1.15~3，且满足：（1.15~3）×（Q₀×N₀+Q₁×N₁+Q₂×N₂+Q₃×N₃）×11%=Q₀×B₀+Q₁×B₁+Q₂×B₂+ Q₃×B₃，其中，Q₀为中间水箱渗滤液原水进水体积流量；Q₁为UASB产甲烷反应器（2）出水体积流量；Q₂为A/O反应器（4）出水回流至中间水箱（3）体积流量；Q₃为沉淀池污泥回流体积流量；N₀为渗滤液原水NH₄ ⁺-N质量浓度；N₁为UASB产甲烷反应器（2）出水NH₄ ⁺-N质量浓度；N₂为A/O反应器（4）出水NH₄ ⁺-N质量浓度；N₃为A/O反应器（4）回流污泥中NH₄ ⁺-N质量浓度；B₀为渗滤液原水BOD₅质量浓度；B₁为UASB产甲烷反应器（2）出水BOD₅质量浓度；B₂为A/O反应器（4）出水BOD₅质量浓度；B₃为A/O反应器（4）回流污泥中BOD₅质量浓度；当最终出水NH₄ ⁺-N<15 mg/L，TIN<40 mg/L，NRE>95%时，则A/O反应器（4）短程硝化-厌氧氨氧化-短程反硝化启动成功；

最终，UASB产甲烷反应器（2）-A/O反应器（4）串联运行，进入UASB产甲烷反应器（2）渗滤液原水流量为q，进入中间水箱（3）的UASB产甲烷反应器（2）出水体积流量为Q₁，渗滤液原水体积流量为Q₀，并满足（1.15~3）×（Q₀×N₀+Q₁×N₁+Q₂×N₂+Q₃×N₃）×11%=Q₀×B₀+Q₁×B₁+Q₂×B₂+ Q₃×B₃，A/O反应器（4）出水回流体积流量为40%×（Q₀+Q₁），A/O反应器（4）进水体积流量为140%×（Q₀+Q₁），沉淀池污泥回流体积流量为140%×（Q₀+Q₁），且从A/O反应器（4）第1、4、7个格室分段进水，体积流量分配比为1：1：1，第1个格室NH₄ ⁺-N质量浓度480~520 mg/L。