CN111908609B - 一种短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置 - Google Patents

一种短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置 Download PDF

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Abstract

本发明为一种短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置。第一部分为用于生成还原态腐殖质的HSR反应器，水流处于环形运动，并通过投加Fe3+来促进腐殖质呼吸。第二部分为短程硝化反应器，出水进入中间水箱，并引入回流氮气，中间水箱出水再和第一部分装置出水合流，调pH后进入第三部分。第三部分为厌氧氨氧化及反硝化的反应器，下层进行Anammox反应，其中硝酸盐异化还原菌将硝酸盐还原为氨氮并产生CO2促进厌氧氨氧化，斜挡板实现固液分离。上层进行DN反应，有机物可作为此处反硝化的碳源，并且还原态腐殖质可提供电子供体来大幅促进反硝化反应。本发明具有污水脱氮效率高，运行效果稳定，反应速率快，无需外加碳源等特点。

Description

一种短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置
技术领域
本发明涉及一种污水处理装置，具体地涉及一种短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置。
背景技术
还原态腐殖质拥有较强的供电子能力，可强化废水硝酸盐的厌氧转化。研究发现AQDS(腐殖质模式物)的还原物(AH2QDS,氢醌)在微生物还原硝酸盐和N2O中起到电子供体作用，而以AHDS作为还原性腐殖质模式物，硝酸盐为电子受体。吴磊构建的腐殖活性污泥A2O系统，其技术核心是在污泥回流段增设腐殖活性污泥培养池以产生还原态腐殖质，然后进入活性污泥系统中来增加电子供体量，从而强化胞外电子传递效率，提高微生物反硝化脱氮能力。所以，如果ANAMMOX系统中腐殖质以还原态形式存在，这将极大强化ANAMMOX工艺硝酸盐副产物的有效脱除。但目前大部分文献主要研究原态或氧化态腐殖质和对厌氧氨氧化工艺的影响，还原态腐殖质对厌氧氨氧化工艺的影响研究则很少。
在厌氧条件下，腐殖质还原菌能够利用电子供体(有机酸等)还原腐殖质，并从此代谢过程得到能量。夏交辉发现电子供体和Fe3+都能够促进腐殖质呼吸作用，并且Fe3+能够耦联腐殖质呼吸得到电子转化为吸附态的Fe2+；而赵然发现厌氧氨氧化菌除能利用部分有机物作为电子供体，还能利用Fe2+作为无机物电子供体，从而将硝态氮转化为亚硝态氮，自身又转化为Fe3+，并且铁还原可能是厌氧氨氧化菌获得氮代谢以外能量来源的代谢途径。所以，当将腐殖质还原微生物系统与厌氧氨氧化系统耦联时，将Fe3+加入到腐殖质还原微生物系统中，可能促进生成更多的还原性腐殖质，促进腐殖质呼吸作用；并且生成的Fe2+又可能增加厌氧氨氧化菌获得更多的能量，从而促进氮代谢速率，并获得稳定的亚硝态氮的积累。
首次将HSR反应器与Anammox-DN反应器相耦合，通过腐殖质还原菌生成的还原态腐殖质来促进反硝化反反应速率，对于当前治理含有较多腐殖质的氨氮废水具有现实性的指导意义，并为硝态氮的去除开辟一条新思路。
采用氮气回流系统来控制HSR反应器处于缺氧状态，保证了腐殖质还原菌的生长，并通过N2流来促进物料与微生物接触充分，实现了反应器高效、稳定、节能的运行效果；
HSR反应器得到的Fe2+流入厌氧氨氧化(Anammox)反应区，能够作为电子供体而被厌氧氨氧化菌利用，将部分硝态氮转化为亚硝态氮，为亚硝态氮的积累提供了新途径，同时从此过程中获得能量，促进了厌氧氨氧化反应的进行。
厌氧氨氧化(Anammox)反应区通过建立厌氧氨氧化菌与少量硝酸盐异化还原菌之间的共生关系，从而通过硝酸盐异化还原为氨氮并生产CO2，促进了厌氧氨氧化反应的进行。
进入HSR反应器的原水中含有一部分有机物，可作为碳源来促进腐殖质还原菌生成还原态腐殖质，并且短程硝化区的出水中含有原水中的有机碳，可作为电子供体而被反硝化菌利用，节省了碳源的投加量。
HSR反应器上部的分流管用于分流两侧及中间进水，下部的分流管用于再分流中间进水，最终分为四股水流。并且HSR反应器底部设有多孔管，用于使回流氮气分散均匀并使反应器处于缺氧状态，同时结合分流设计使反应器水流处于环形运动，促进物料与废水的充分接触，提升HSR反应器整体运行效率。
短程硝化反应器设计受生物转盘启发，设置两排平行放置的“米”字型biofringe填料，用于附着硝化细菌，同时底部配有高度、切口不同的曝气头来为短程硝化菌提供充足的氧气，并连有气体流量计和空气压缩泵，使一半暴露于外部的“米”字型填料处于环形运动，促进了微生物与废水接触充分，同时通过部分吸收外部氧气来降低曝气量，实现了能源消耗的降低。
第三部分前的中间水箱通过只引入短程硝化反应器出水，同时将第一部分装置出口的氮气和反硝化回流氮气再次合流引入中间水箱，起到模拟N2曝气的作用，避免了短程硝化反应器出水中含有的少量氧气在和第一部分装置出水合流后可能氧化第一部分装置出水中的Fe2+和还原态腐殖质，降低了氧气含量，从而防止氧气对后续反应产生影响，并且采用装置自身的氮气进行模拟曝气，节省了能耗。
Anammox-DN反应器底部进水口设有波浪形挡板，使进水从挡板两侧通过向中间运动，与波浪形聚乙烯海绵填料充分接触后再从填料中间的缝隙通过，然后再向两侧运动，部分固体被斜挡板截留，而气体和液体则沿导管流入上层波浪形挡板两侧，反复进行如此的运动。最终气流和水流沿锥形挡板左侧进入DN反应区，气流从氮气出口回流到HSR反应器底部的多孔管与Anammox-DN反应器入口，分别促进物料与微生物的充分接触与保证Anammox-DN反应器处于厌氧环境；波浪形以及斜形挡板的设计实现了聚乙烯海绵填料与废水的充分接触以及固液的分离。
进入DN反应区的水流沿多组平行的锥形挡板和器壁缓慢进行环形运动，与颗粒活性炭膜充分接触，实现了避免由于气流水流过大而影响反硝化菌附着的效果，并且底部的锥形设计可增大污泥与器壁的碰撞几率，有利于颗粒污泥的形成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新的污水处理系统，以达到脱氮效率高，运行效果稳定，反应速率快，无需外加碳源的目的。
第一部分：HSR反应器；
原水通过水泵和流量计控制HSR反应器的原水流量为0.5～5L/h，并与Anammox-DN反应器回流水合流作为该反应器进水；
外部利用pH检测器、酸碱投加装置调节进水pH为5～8，加药瓶投加1～1.1mg/mL的Fe3+溶液；
内外的分流管将进水均分成四股水流，内部设有颗粒活性炭；
HSR反应器底部设多孔管，将Anammox-DN反应器回流氮气分散至反应器中，使该反应器溶解氧含量在0.3mg/L以下；
顶部设氮气出口，将该HSR反应器氮气与Anammox-DN反应器回流氮气合流并进入中间水箱；同时设HSR反应器出水口，使HSR反应器出水与中间水箱出水合流并进入Anammox-DN反应器；
第二部分：短程硝化反应器；
顶部设两组泳动床生物填料biofringe填料与短程硝化反应器出水口，出水口将处理后的水导入中间水箱，并与HSR反应器氮气和Anammox-DN反应器回流氮气共同注入，氮气使中间水箱溶解氧含量在0.3mg/L以下，最终气体从中间水箱的气体出口释放；底部配有多个曝气头，外部连有一气体流量计和一气泵，使短程硝化反应器内溶解氧浓度始终为0.3mg/L以下；
第三部分：Anammox-DN反应器；Anammox-DN反应器外的pH检测器、酸碱投加装置将HSR反应器出水与中间水箱出水合流水的pH调为7.3～7.5后作为该反应器进水；外层为水循环层，并连有水箱、水泵和温控仪来保持反应器温度在30±5℃，侧边设多个采样口进行采样检测；一波浪形挡板两侧距反应器底部7～8cm，Anammox-DN反应器顶部设回流氮气至HSR反应器和中间水箱的氮气出口与回流部分出水用于与原水合流进入HSR反应器的出水口,且回流比为30％～50％；下层Anammox反应区设两组波浪形挡板和两组中间带有缺口的波浪形聚乙烯海绵填料，且从上到下排列依次为挡板-填料-挡板-填料，最下层填料距离底部一波浪形挡板3.5～4.5cm；
下层Anammox反应区两侧设四组斜挡板和导管，斜挡板底部位于聚乙烯海绵填料侧边的上部，导管两端位于波浪形挡板侧边的上下侧；
上层DN反应区设六组锥形挡板，最下层的一组锥形挡板距离Anammox反应区最上层波浪形挡板3～4cm,挡板之间间隔为2.0±0.5cm，并设有颗粒活性炭。
本发明可广泛应用于各种高氨氮浓度、碳氮比较低以及含有少量腐殖质的污水中，具有脱氮效率高，运行效果稳定，反应速率快，无需外加碳源等特点。
附图说明
图1是本发明的短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置示意图
附图中标记符号：
水泵 1、流量计 2、pH检测器 3、酸碱投加装置 4、加药瓶 5、分流管 6、多孔管 7、颗粒活性炭 8、HSR反应器 9、HSR反应器出水口 10、氮气出口 11、biofringe填料 12、曝气头 13、气体流量计 14、气泵 15、短程硝化反应器出水口 16、短程硝化反应器 17、中间水箱 18、气体出口 19、采样口 20、波浪形挡板 21、波浪形聚乙烯海绵填料 22、斜挡板 23、导管 24、锥形挡板 25、出水口 26、Anammox-DN反应器 27、水循环层 28、水箱 29、温控仪30
具体实施方式
以下结合附图对本发明处理过程作进一步描述。
本发明中所使用的原水为高氨氮浓度且碳氮比较低以及含有少量腐殖质的污水，原水在水泵1的作用下通过流量计2的控制分别进入HSR反应器9和短程硝化反应器17。在进入HSR反应器9之前，通过pH检测器3、酸碱投加装置4调节进水pH为7～8来对生成的还原态腐殖质以及原态腐殖质的比例进行调控。在HSR反应器9中，颗粒活性炭8的表面生长有腐殖质还原菌，腐殖质还原菌利用原水中有机物和腐殖质来生成用于强化脱氮效率的还原态腐殖质以及Fe2+，同时通过加药瓶5投加Fe3+来促进腐殖质呼吸。废水来源于原水以及出水口的回流水，并且废水在反应器中通过分流设计以及多孔管7中回流的N2进行环形运动。在短程硝化反应器17中，通过气体流量计14对曝气量进行调控，避免因曝气量过大而导致硝化和因曝气量过小而导致不充分亚硝化。利用“米”字形biofringe填料12具有较强的吸附能力这一特性，短程硝化污泥可有效地附着于其上，不仅可避免污泥的流失，还能防止由于较高负荷和较大曝气量而导致的污泥沉降性能的恶化。利用曝气头13的独特设计以及进水管的分流设计使“米”字形填料处于环形运动，降低能源消耗，并促进废水与填料的接触。两反应器出水含有氨氮、还原态和原态腐殖质、亚硝态氮及少量硝态氮、Fe2+，为了避免短程硝化反应器17出水中含有的少量氧气在和第一部分装置出水合流后可能氧化第一部分装置出水中的Fe2+和还原态腐殖质，设计了中间水箱18，只引入短程硝化反应器17出水，同时将第一部分装置出口的氮气和反硝化回流氮气再次合流引入中间水箱18，起到模拟N2曝气的作用来进一步降低氧气含量，然后中间水箱18出水再和HSR反应器9出水合流，经过pH监测后再进行pH调节以达到第三部分反应器所需pH，进入本发明的第三部分。第三部分为用于厌氧氨氧化(Anammox)及反硝化(DN)的反应器，此反应器为圆柱形上流式反应器，外部设有水循环系统，用于保证反应器所需温度。Anammox-DN反应器27底部进水口设有波浪形挡板21，使进水从挡板两侧通过向中间运动，与波浪形聚乙烯海绵填料22充分接触后再从填料中间的缝隙通过，然后再向两侧运动，部分固体被斜挡板23截留，而气体和液体则沿导管24流入上层波浪形挡板21两侧，反复进行如此运动。最终气流和水流沿锥形挡板25左侧进入DN反应区，气流从氮气出口11回流到HSR反应器9底部的多孔管7与中间水箱18，分别促进物料与微生物的充分接触与保证Anammox-DN反应器27处于厌氧环境；水流则再沿多组锥形挡板25和器壁缓慢进行环形运动，与颗粒活性炭8充分接触同时避免由于气流水流过大而影响反硝化菌的附着效果，并且锥形可增大污泥与器壁的碰撞几率，有利于颗粒污泥的形成。此时第一部分的出水有机物可作为碳源来进行此处的反硝化反应，并且还原态腐殖质及其氧化中间产物能够提供电子供体来大幅促进反硝化细菌去除硝态氮以及下层Anammox产生的少量副产物N20，同时自身转化为原态腐殖质，被水解酸化菌降解。Anammox-DN反应器27两侧设有三处采样口20，其中一个采样口20为出水口。本实验装置采用N2回流系统使第一部分与第三部分反应器处于缺氧状态，保证了腐殖质还原菌、厌氧氨氧化菌、硝酸盐异化还原菌以及反硝化菌的生长。Anammox-DN反应器27出水中含有少量Fe3+以及原态腐殖质，所以一部分出水可回流至HSR反应器9中作为腐殖质呼吸所需物料来减少物料投加量，并达到稀释原水的目的。
本发明所述系统的一个具体实例如下：
所用原水取自某一垃圾填埋场的晚期垃圾渗滤液，水质如下表所示：
Figure BDA0002576075720000071
HSR反应器和短程硝化反应器经过启动进入稳定阶段后。原水经过稀释一半后一部分通过pH检测后添加NaHCO3调节PH为8，然后进入HSR反应器内。HSR反应器进水总氮负荷为0.8±0.1kg/m3/day，反应器有效容积为10L，水力停留时间(HRT)为24h，同时加入150mL的1mg/mL的Fe3+溶液。经过HSR反应器处理过的污水中，出水约含有210±10mg/L的还原态腐殖质、160±10mg/L的原态腐殖质、489±50mg/L的NH4 +-N、410±10mg/L的DOC、10±0.5mg/L的Fe2+，出水pH约为7.3-7.6。
另一部分稀释原水直接进入短程硝化反应器，进水总氮负荷为1.6±0.1kg/m3/day，反应器的有效容积为5L，水力停留时间(HRT)为12h，通过空气流量计调节曝气量至1.1±0.01L/min，使反应器内溶解氧溶度始终约为0mg/L，实现稳定的部分亚硝化。经过短程硝化反应器处理过的污水中，会有5％-15％的氮损失，出水中含有约350±10mg/L的原态腐殖质、663±5mg/L的NO2—-N、40±10mg/L的NH4 +-N、620±50mg/L的DOC、出水pH约为6.8～7.1。
短程硝化反应器出水经过中间水箱进行回流N2模拟曝气后，溶解氧浓度保持为0mg/L，然后与HSR反应器合流，水质情况为105±10mg/L的还原态腐殖质、255±10mg/L的原态腐殖质、264±50mg/L的NH4 +-N、332±10mg/L的NO2 --N、515±50mg/L的DOC、5±0.5mg/L的Fe2+，经过pH调节装置将pH调节为7.3-7.6，
Anammox-DN反应器的有效容积为10L，高/直径为2.2，水力停留时间为12h，下层反应室中厌氧氨氧化菌利用氨氮和亚硝态氮进行厌氧氨氧化反应产生N2与NO3 -，同时共生的硝酸盐异化还原菌利用DOC与NO3 -进行代谢，并产生CO2作为厌氧氨氧化反应底物促进厌氧氨氧化菌的代谢，Fe2+协助厌氧氨氧化菌进行厌氧氨氧化反应。处理后的出水约有85±5％的总无机氮去除率，其中剩余70±10mg/L的硝氮进入上层反应室，450±20mg/L的DOC可作为碳源与其中的100±10mg/L还原态腐殖质促进反硝化进行，完成上层反应室内的反硝化，同时硝氮在氧条件下可以激活多种水解酸化菌的胞外水解酶，强化对反硝化产生的原态腐殖质的生物降解。最终出水总无机氮的去除率可以达到95％左右，由于出水还含有少量的原态腐殖质和Fe3+，所以将部分出水回流至HSR反应器中以减少物料投加量并达到稀释原水的目的。
此项联合系统在特殊的操作策略下，比传统硝化-反硝化工艺节省了短程硝化曝气所需50％的能耗；所使用填料强大的吸附性能避免了污泥的流失；反应器开创性地使用分流设计，使废水与物料接触充分；并且将腐殖质与氨氮实现同步去除，无需外加碳源，且脱氮效果好，适用水质广泛。

Claims (7)

1.一种短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置，其特征在于包括以下部分：
原水为高氨氮浓度且碳氮比较低以及含有少量腐殖质的污水；
第一部分：HSR反应器；
原水通过水泵和流量计控制HSR反应器的原水流量为0.5~5L/h，并与Anammox-DN反应器回流水合流作为该反应器进水；
外部利用pH检测器、酸碱投加装置调节进水pH为5~8，加药瓶投加1~1.1mg/mL的Fe3+溶液；
内外的分流管将进水均分成四股水流，内部设有颗粒活性炭；
HSR反应器底部设多孔管，将Anammox-DN反应器回流氮气分散至反应器中，使该反应器溶解氧含量在0.3mg/L以下；
顶部设氮气出口，将该HSR反应器氮气与Anammox-DN反应器回流氮气合流并进入中间水箱；同时设HSR反应器出水口，使HSR反应器出水与中间水箱出水合流并进入Anammox-DN反应器；
第二部分：短程硝化反应器；
顶部设两组泳动床生物填料biofringe填料与短程硝化反应器出水口，出水口将处理后的水导入中间水箱，并与HSR反应器氮气和Anammox-DN反应器回流氮气共同注入，氮气使中间水箱溶解氧含量在0.3 mg/L以下，最终气体从中间水箱的气体出口释放；底部配有多个曝气头，外部连有一气体流量计和一气泵，使短程硝化反应器内溶解氧浓度始终为0.3mg/L以下；
第三部分：Anammox-DN反应器；Anammox-DN反应器外的pH检测器、酸碱投加装置将HSR反应器出水与中间水箱出水合流水的pH调为7.3~7.5后作为该反应器进水；外层为水循环层，并连有水箱、水泵和温控仪来保持反应器温度在30±5℃，侧边设多个采样口进行采样检测；一波浪形挡板两侧距反应器底部7~8cm，Anammox-DN反应器顶部设回流氮气至HSR反应器和中间水箱的氮气出口与回流部分出水用于与原水合流进入HSR反应器的出水口，且回流比为30~50%；下层Anammox反应区设两组波浪形挡板和两组中间带有缺口的波浪形聚乙烯海绵填料，且从上到下排列依次为挡板-填料-挡板-填料，最下层填料距离底部一波浪形挡板3.5~4.5cm；
下层Anammox反应区两侧设四组斜挡板和导管，斜挡板底部位于聚乙烯海绵填料侧边的上部，导管两端位于波浪形挡板侧边的上下侧；
上层DN反应区设六组锥形挡板，最下层的一组锥形挡板距离Anammox反应区最上层波浪形挡板3~4cm，挡板之间间隔为2.0±0.5cm，并设有颗粒活性炭。
2.如权利要求1所述的短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置，其特征在于：HSR反应器与Anammox-DN反应器内部颗粒活性炭为水处理专用活性炭，粒径为2~3mm，长度为0.1~2cm，添加量为180g/L，添加后使得颗粒状活性炭体积占反应器总体积的30~40%。
3.如权利要求1所述的短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置，其特征在于：HSR反应器进水的四股水流中的两股位于反应器两侧，并从上向下运动，另外两股位于中间，并从中间向两侧运动。
4.如权利要求1所述的短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置，其特征在于：泳动床生物填料由聚丙烯纤维组成，两组填料呈“米”字形，“米”字形中心点位于水面,且径向长度均为12~14cm，直径均为22~24cm，厚度为0.5~1cm，两组填料之间的间隔为1~2cm。
5.如权利要求1所述的短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置，其特征在于：Anammox反应区的波浪形挡板之间的距离为7.0~9.0cm，波浪形挡板与波浪形聚乙烯海绵填料之间的距离为3.5~4.5cm，波浪形聚乙烯海绵填料中间的缺口长度为3±1cm。
6.如权利要求1所述的短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置，其特征在于：Anammox反应区的斜挡板倾角为70~80°，长度为2.0~2.5cm，导管半径为0.8±0.2cm。
7.如权利要求1所述的短程硝化耦合还原态腐殖质强化厌氧脱氮装置，其特征在于：DN反应区的锥形挡板左侧倾斜40~45°，长度为10~12cm，右侧倾斜35~40°，长度为14~16cm。
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