CN110304722B - 一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置及其运行方法，属于活性污泥法水处理脱氮技术领域，通过向集气装置内预充氮气，利用氮气闭路循环系统向厌氧氨氧化反应器曝气形成气提效应，在气提作用下反应器内部形成内循环，使泥水充分混合接触，强化内部传质效果的同时，加速絮体污泥向颗粒污泥的转化；通过调节曝气量，改变内部水力剪切力，优化装置内厌氧氨氧化颗粒污泥粒径分布，提高装置厌氧氨氧化脱氮性能；此反应装置在处理高浓度含氮废水时，混合液内回流产生的进水稀释效应能显著提升系统抗冲击负荷的能力，避免亚硝态氮的抑制，有利于装置的稳定高效运行。

Description

一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置及其运行方法
技术领域
本发明属于活性污泥法水处理脱氮技术领域，涉及一种水处理脱氮装置及运行方法，具体的说是涉及一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置及其运行方法。
背景技术
含氮污染物过量排入水体引发的环境污染已引起人们的广泛关注。诸如污泥消化液，垃圾填埋场渗滤液等高浓度含氮废水，采用传统脱氮工艺处理的成本较高，且难度较大。在探索新型脱氮技术的过程中，由荷兰Delft技术大学开发的厌氧氨氧化工艺脱颖而出，成为最具发展前景的脱氮技术之一。
厌氧氨氧化工艺是一种在厌氧或缺氧的条件下，以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，最终生成氮气的新型脱氮技术。相较于传统生物脱氮工艺，厌氧氨氧化工艺具有污泥产量低、无需氧气、无外部有机碳源供应、耗电量少等显著优点。
目前，颗粒污泥反应器是厌氧氨氧化工艺中常用的一类反应器，其具有较高的脱氮效率(王俊敏、王淑莹、 张树军等.低基质条件下厌氧氨氧化生物膜和颗粒污泥脱氮性能对比研究，中南大学学报(自然科学版)，2012，43(6)： 2454-2458)，但也存在一定的局限性，主要体现在以下两个方面：其一，系统运行负荷过高会导致颗粒污泥上浮，造成污泥流失，导致系统恶化(Chen，J.W.，Q.X.Ji，P. Zheng，T.T. Chen，C.H. Wang，Q. Mahmood，Floatation and control of granular sludge in a high-rate anammox reactor.Water Research，2010. 44(11)：3321-3328)；其二，厌氧氨氧化活性与颗粒污泥的大小不成正比，因此需要将颗粒污泥的大小控制在合适的范围内(An，P.，X.C. Xu，F.L.Yang，L.F.Liu，S.T. Liu，A pilot-scale study on nitrogen removal from dry-spun acrylicfiber wastewater using anammox process.Chemical Engineering Journal，2013.222：32-40.)。
厌氧氨氧化工艺常用的颗粒污泥反应器包括序批式反应器(SBR)、上向流厌氧污泥床反应器(UASB)和膜生物反应器(MBR)。SBR的缺点在于对自控要求高、不可连续运行；推流式的UASB反应器易造成基质分布不均、抗冲击能力差、容易产生死区等问题；MBR反应器运行成本较高、存在膜污染的问题。以上反应器都不同程度的限制了厌氧氨氧化工艺脱氮潜能的发挥。
内循环反应器能够提供合适的水力剪切力，对形成结构紧实稳定、粒径大小适中的厌氧氨氧化颗粒污泥至关重要(Liu Y，Tay JH.The essential role of hydrodynamicshear force in the formation of bioflm and granular sludge. Water Research，2002. 36：1653–1665.)；同时，内循环反应器还具有良好的传质传热特性，能够避免局部基质积累造成的抑制，使反应器具有较高的抗冲击能力。内循环反应器根据循环动力来源的不同，可分为气升式内循环反应器和搅拌式内循环反应器。相比于依靠机械搅拌提供动力的搅拌式内循环反应器，气升式内循环反应器具有结构简单、能耗低、运行成本低、造价低等优点(张雷、韩严和、王敬贤等.气升式内循环反应器结构优化及应用.现代化工，2018.38(4): 173-177.)。如中国专利申请号201220282740.5实用新型专利公开的一种有序内循环厌氧氨氧化反应器，其内循环的动力为导流筒中心的搅拌器，该反应器内部传质性能好，且培养的厌氧氨氧化颗粒污泥具有较好的沉降性能，但要获得理想的内循环效果其机械搅拌的能耗较高，若搅拌速度控制不当容易把培养的厌氧氨氧化颗粒污泥打碎。
综上所述，研发能快速稳定培养厌氧氨氧化颗粒污泥、具有良好的传质传热特性、具有较高抗负荷冲击能力的厌氧氨氧化自养脱氮装置及其运行方法，仍是本领域技术所面临的难题。
发明内容
本发明的目的是针对高氨氮废水难处理的现状和传统厌氧氨氧化自养脱氮装置基质分布不均、抗冲击能力差、容易产生死区等不足，提出一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置及其运行方法，通过改变反应器的结构和运行方法，以获得更高的脱氮效率和运行稳定性。
本发明的技术方案是：一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置，其特征在于：所述脱氮装置由进水水箱、进水泵、反应器、集气装置、气泵和恒温循环水箱组成；所述反应器的壳体由内筒和外筒组成，所述内筒与外筒形成中空隔层，所述恒温循环水箱通过管道与内筒、外筒间形成的中空隔层相连通，所述反应器的上部设有用于排水的溢流堰，所述溢流堰的一侧设有出水口，所述反应器的顶部设有可拆卸密封盖，所述反应器的底部设有与内筒相接的渐扩管，所述渐扩管的底面设有曝气头，所述渐扩管的外表面与所述反应器的底面形成夹角，所述内筒的内部设有三相分离器，所述三相分离器由导气管、集气罩和外导流筒组成，所述三相分离器下方设有内导流筒，所述外导流筒包覆设置在内导流筒的上部，所述导气管通过集气罩与外导流筒的顶部相连接，所述内导流筒内形成循环升流区，所述内导流筒与外导流筒和内筒之间形成循环降流区，所述三相分离器与内筒之间形成污泥沉降区，所述进水水箱通过进水泵及进水管道与反应器底部连通，所述集气装置的一端通过管道与导气管连接相通，所述集气装置的另一端通过管道与所述曝气头连接相通，所述气泵将集气装置内的氮气向反应器内曝气。
所述反应器的高径比为8，内导流筒高度为反应器总高度的70%-80%，内导流筒距反应器底部的距离为反应器总高度的5%～10%，外导流筒距反应器底部的距离为反应器总高度的40%～50%，溢流堰距密封盖的距离为反应器总高度的5%。
所述曝气头、内导流筒、外导流筒、集气罩、导气管均同轴设置在反应器的中轴线上。
所述渐扩管的外表面与渐扩管的底面形成的夹角大小为50～60°。
所述集气装置上设有排气阀，通过排气阀控制集气装置内压力在预设范围内。
所述污泥沉降区占反应器总体积的25～35%，循环升流区占反应器总体积的25%，循环降流区占反应器总体积的30%。
一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置的运行方法，使用步骤如下：
(1)装置启动：接种污泥为厌氧氨氧化絮体污泥，加入反应器内筒，为反应器提供3g MLSS/L的初始厌氧氨氧化污泥浓度；而后通入人工配置的模拟废水，其组分为：NH4 +-N30-150 mg/L，NO2 --N 30-150 mg/L，KHCO3 500 mg/L，KH2PO4 54 mg/L，FeSO4·7H2O 9 mg/L，EDTA 5 mg/L，CaCl2 4 mg/L，MgSO4·7H2O 4 mg/L，CoCl2·6H2O 1 mg/L，NaCl 4 mg/L；向集气装置内充入氮气，以提供装置启动初期气提内循环所需气量；废水从反应器底部进入，在氮气闭路循环形成的气提效应下进入内导流筒，通过气提作用上升至导流筒顶部后，一部分混合液经循环降流区折返回流进入内导流筒形成内循环，另一部分混合液进入污泥沉降区经泥水分离后，上清液通过出水口排出，沉淀污泥通过回流至循环降流区进入内导流筒与进水混合；气体经三相分离器收集后再次回到集气装置形成闭路循环；反应器运行参数为进水pH值7.4-7.8，反应器温度30-35 ℃，进水NH4 +-N与NO2 --N的比值为1：1，排气阀压力范围根据反应器实际大小确定；当NH4 +-N和NO2 --N的去除率同时达80%以上时认为启动成功；
(2)运行调控：采用连续进水方式，废水组分为NH4 +-N 150-1000 mg/L，NO2 --N150-1000 mg/L，KHCO3 500 mg/L，KH2PO4 54 mg/L，FeSO4·7H2O 9 mg/L，EDTA 5 mg/L，CaCl2 4 mg/L，MgSO4·7H2O 4 mg/L，CoCl2·6H2O 1 mg/L，NaCl 4 mg/L；反应器运行参数为进水pH值7.4-7.8，反应器温度30-35 ℃，进水NH4 +-N与NO2 --N的比值为1：1，排气阀压力范围根据反应器实际大小确定；当进水NH4 +-N和NO2 --N分别为150-500 mg/L时，水力停留时间为2-6 h；当进水NH4 +-N和NO2 --N分别为500-1000mg/L时，水力停留时间为6-24 h；每天监测反应器进水和出水的NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N浓度，连续三天反应器出水浓度稳定且NH4 +-N和NO2 --N去除率同时达90%，TN去除率达80%以上时，即通过增加进水浓度或增加流量的方式提高反应器负荷。
本发明的有益效果为：本发明提出的一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置及其运行方法，装置结构新颖，运行原理清晰，在厌氧氨氧化启动阶段，向集气装置内预充氮气，利用氮气闭路循环系统向厌氧氨氧化反应器曝气形成气提效应，为系统提供循环动力，使泥水充分混合接触，强化内部传质效果的同时，加速絮体污泥向颗粒污泥的转化；在厌氧氨氧化反应器成功启动后，通过调节曝气量，改变内部水力剪切力，优化装置内厌氧氨氧化颗粒污泥粒径分布，一方面可以减少污泥内部基质匮乏造成的中空，使其维持较好的沉降性能，进而避免厌氧氨氧化颗粒污泥上浮，减少污泥流失；另一方面维持合适的颗粒污泥粒径范围，有利于优化装置厌氧氨氧化脱氮性能；此装置在处理高浓度含氮废水时，混合液内回流产生的进水稀释效应，能避免产生基质抑制，尤其是亚硝态氮的抑制，使得装置能承受高浓度的进水基质，有利于装置的稳定高效运行。
附图说明
图1 为本发明整体结构示意图。
图中：进水水箱1、进水泵2、反应器3、集气装置4、曝气头5、恒温循环水箱6、气泵7、内导流筒8、导气管9、三相分离器10、集气罩10-1、外导流筒10-2、排气阀11、溢流堰12、出水口13、内筒14、外筒15、密封盖16、渐扩管17。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置，脱氮装置还由进水水箱1、进水泵2、反应器3、集气装置4、气泵7和恒温循环水箱6组成；反应器3的壳体由内筒14和外筒15组成，内筒14与外筒15形成中空隔层，恒温循环水箱6通过管道与内筒14、外筒15间形成的中空隔层相连通，反应器3的上部设有用于排水的溢流堰12，溢流堰12的一侧设有出水口13，反应器3的顶部设有可拆卸密封盖16，反应器3的底部设有与内筒14相接的渐扩管17，反应器3的底部设有曝气头5，渐扩管17的外表面与反应器3的底面形成夹角，内筒14的内部设有三相分离器10，三相分离器10由导气管9、集气罩10-1和外导流筒10-2组成，三相分离器10下方设有内导流筒8，外导流筒10-2包覆设置在内导流筒8的上部，导气管9通过集气罩10-1与外导流筒的顶部相连接，内导流筒8内形成循环升流区，内导流筒8与外导流筒10-2和内筒14之间形成循环降流区，三相分离器10与内筒14之间形成污泥沉降区，进水水箱1通过进水泵2及进水管道与反应器3底部连通，集气装置4的一端通过管道与导气管9连接相通，集气装置4的另一端通过管道与曝气头5连接相通，气泵7将集气装置4内的氮气向反应器3内曝气。
如图1所示，一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置，反应器3的高径比为8，内导流筒8高度为反应器3总高度的70%-80%，内导流筒8距反应器3底部的距离为反应器3总高度的5%～10%，外导流筒10-2距反应器3底部的距离为反应器总高度的40%～50%，溢流堰12距密封盖16的距离为反应器总高度的5%；曝气头5、内导流筒8、外导流筒10-2、集气罩10-1、导气管9均同轴设置在反应器3的中轴线上；渐扩管17的外表面与渐扩管17的底面形成的夹角大小为50～60°；集气装置4上设有排气阀11，通过排气阀11控制集气装置4内压力在预设范围内；污泥沉降区占反应器3总体积的25～35%，循环升流区占反应器3总体积的25%，循环降流区占反应器3总体积的30%。
如图1所示，一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置的运行方法，使用步骤如下：
(1)装置启动：接种污泥为厌氧氨氧化絮体污泥，加入反应器内筒14，为反应器3提供3g MLSS/L的初始厌氧氨氧化污泥浓度；而后通入人工配置的模拟废水，其组分为：NH4 +-N30-150 mg/L，NO2 --N 30-150 mg/L，KHCO3 500 mg/L，KH2PO4 54 mg/L，FeSO4·7H2O 9 mg/L，EDTA 5 mg/L，CaCl2 4 mg/L，MgSO4·7H2O 4 mg/L，CoCl2·6H2O 1 mg/L，NaCl 4 mg/L；向集气装置4内充入氮气，以提供装置启动初期气提内循环所需气量；废水从反应器3底部进入，在氮气闭路循环形成的气提效应下进入内导流筒8，通过气提作用上升至导流筒顶部后，一部分混合液经循环降流区折返回流进入内导流筒8形成内循环，另一部分混合液进入污泥沉降区经泥水分离后，上清液通过出水口13排出，沉淀污泥通过回流至循环降流区进入内导流筒8与进水混合；气体经三相分离器10收集后再次回到集气装置4形成闭路循环；反应器运行参数为进水pH值7.4-7.8，反应器温度30-35 ℃，进水NH4 +-N与NO2 --N的比值为1：1，排气阀压力范围根据反应器实际大小确定；当NH4 +-N和NO2 --N的去除率同时达80%以上时认为启动成功；
(2)运行调控：采用连续进水方式，废水组分为NH4 +-N 150-1000 mg/L，NO2 --N150-1000 mg/L，KHCO3 500 mg/L，KH2PO4 54 mg/L，FeSO4·7H2O 9 mg/L，EDTA 5 mg/L，CaCl2 4 mg/L，MgSO4·7H2O 4 mg/L，CoCl2·6H2O 1 mg/L，NaCl 4 mg/L；反应器运行参数为进水pH值7.4-7.8，反应器温度30-35 ℃，进水NH4 +-N与NO2 --N的比值为1：1，排气阀压力范围根据反应器实际大小确定；当进水NH4 +-N和NO2 --N分别为150-500 mg/L时，水力停留时间为2-6 h；当进水NH4 +-N和NO2 --N分别为500-1000mg/L时，水力停留时间为6-24 h；每天监测反应器进水和出水的NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N浓度，连续三天反应器出水浓度稳定且NH4 +-N和NO2 --N去除率同时达90%，TN去除率达80%以上时，即通过增加进水浓度或增加流量的方式提高反应器负荷。

Claims (6)

1.一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置的运行方法，其特征在于：所述脱氮装置由进水水箱(1)、进水泵(2)、反应器(3)、集气装置(4)、气泵(7)和恒温循环水箱(6)组成；所述反应器(3)的壳体由内筒(14)和外筒(15)组成，所述内筒(14)与外筒(15)形成中空隔层，所述恒温循环水箱(6)通过管道与内筒(14)、外筒(15)间形成的中空隔层相连通，所述反应器(3)的上部设有用于排水的溢流堰(12)，所述溢流堰(12)的一侧设有出水口(13)，所述反应器(3)的顶部设有可拆卸密封盖(16)，所述反应器(3)的底部设有与内筒(14)相接的渐扩管(17)，所述反应器(3)的底部设有曝气头(5)，所述渐扩管(17)的外表面与所述反应器(3)的底面形成夹角，所述内筒(14)的内部设有三相分离器(10)，所述三相分离器(10)由导气管(9)、集气罩(10-1)和外导流筒(10-2)组成，所述三相分离器(10)下方设有内导流筒(8)，所述外导流筒(10-2)包覆设置在内导流筒(8)的上部，所述导气管(9)通过集气罩(10-1)与外导流筒的顶部相连接，所述内导流筒(8)内形成循环升流区，所述内导流筒(8)与外导流筒(10-2)和内筒(14)之间形成循环降流区，所述三相分离器(10)与内筒(14)之间形成污泥沉降区，所述进水水箱(1)通过进水泵(2)及进水管道与反应器(3)底部连通，所述集气装置(4)的一端通过管道与导气管(9)连接相通，所述集气装置(4)的另一端通过管道与所述曝气头(5)连接相通，所述气泵(7)将集气装置(4)内的氮气向反应器(3)内曝气；
该运行方法为：
(1)装置启动：接种污泥为厌氧氨氧化絮体污泥，加入反应器内筒(14)，为反应器(3)提供3g MLSS/L的初始厌氧氨氧化污泥浓度；而后通入人工配置的模拟废水，其组分为：NH4 +-N30-150 mg/L，NO2 --N 30-150 mg/L，KHCO3 500 mg/L，KH2PO4 54 mg/L，FeSO4·7H2O 9 mg/L，EDTA 5 mg/L，CaCl2 4 mg/L，MgSO4·7H2O 4 mg/L，CoCl2·6H2O 1 mg/L，NaCl 4 mg/L；向集气装置(4)内充入氮气，以提供装置启动初期气提内循环所需气量；废水从反应器(3)底部进入，在氮气闭路循环形成的气提效应下进入内导流筒(8)，通过气提作用上升至导流筒顶部后，一部分混合液经循环降流区折返回流进入内导流筒(8)形成内循环，另一部分混合液进入污泥沉降区经泥水分离后，上清液通过出水口(13)排出，沉淀污泥通过回流至循环降流区进入内导流筒(8)与进水混合；气体经三相分离器(10)收集后再次回到集气装置(4)形成闭路循环；反应器运行参数为进水pH值7.4-7.8，反应器温度30-35 ℃，进水NH4 +-N与NO2 --N的比值为1：1，排气阀压力范围根据反应器实际大小确定；当NH4 +-N和NO2 --N的去除率同时达80%以上时认为启动成功；
(2)运行调控：采用连续进水方式，废水组分为NH4 +-N 150-1000 mg/L，NO2 --N 150-1000mg/L，KHCO3 500 mg/L，KH2PO4 54 mg/L，FeSO4·7H2O 9 mg/L，EDTA 5 mg/L，CaCl2 4 mg/L，MgSO4·7H2O 4 mg/L，CoCl2·6H2O 1 mg/L，NaCl 4 mg/L；反应器运行参数为进水pH值7.4-7.8，反应器温度30-35 ℃，进水NH4 +-N与NO2 --N的比值为1：1，排气阀压力范围根据反应器实际大小确定；当进水NH4 +-N和NO2 --N分别为150-500 mg/L时，水力停留时间为2-6 h；当进水NH4 +-N和NO2 --N分别为500-1000mg/L时，水力停留时间为6-24 h；每天监测反应器进水和出水的NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N浓度，连续三天反应器出水浓度稳定且NH4 +-N和NO2 --N去除率同时达90%，TN去除率达80%以上时，即通过增加进水浓度或增加流量的方式提高反应器负荷。
2.根据权利要求1所述的一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置的运行方法，其特征在于：所述反应器(3)的高径比为8，内导流筒(8)高度为反应器(3)总高度的70%-80%，内导流筒(8)距反应器(3)底部的距离为反应器(3)总高度的5%～10%，外导流筒(10-2)距反应器(3)底部的距离为反应器总高度的40%～50%，溢流堰(12)距密封盖(16)的距离为反应器总高度的5%。
3.根据权利要求1所述的一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置的运行方法，其特征在于：所述曝气头(5)、内导流筒(8)、外导流筒(10-2)、集气罩(10-1)、导气管(9)均同轴设置在反应器(3)的中轴线上。
4.根据权利要求1所述的一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置的运行方法，其特征在于：所述渐扩管(17)的外表面与渐扩管(17)的底面形成的夹角大小为50～60°。
5.根据权利要求1所述的一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置的运行方法，其特征在于：所述集气装置(4)上设有排气阀(11)，通过排气阀(11)控制集气装置(4)内压力在预设范围内。
6.根据权利要求1所述的一种气提内循环厌氧氨氧化自养脱氮装置的运行方法，其特征在于：所述污泥沉降区占反应器(3)总体积的25～35%，循环升流区占反应器(3)总体积的25%，循环降流区占反应器(3)总体积的30%。
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