CN112390358B

CN112390358B - 一种厌氧产甲烷耦合短程硝化厌氧氨氧化强化生活污水脱氮的装置及方法

Info

Publication number: CN112390358B
Application number: CN202011240671.7A
Authority: CN
Inventors: 刘秀红; 武文君; 杨庆; 程蓉; 刘润雨
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2020-11-09
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2040-11-09
Also published as: CN112390358A

Abstract

本发明提出了一种厌氧产甲烷耦合短程硝化厌氧氨氧化强化城市生活污水脱氮的装置和方法，属于污水生物处理领域。装置包括原水水箱、中间水箱、厌氧产甲烷生物滤池、短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池、空压机，蠕动泵等。方法是将生活污水加入厌氧产甲烷生物滤池除去COD，之后在低溶解氧条件下通过短程硝化厌氧氨氧化作用将生活污水中的氮素去除，实现生活污水深度脱氮。本发明适用于低C/N城市生活污水，能够减少曝气量，降低能耗，回收生活污水中的有机物产甲烷利用，提高脱氮效率，同时实现剩余污泥的资源化利用。

Description

一种厌氧产甲烷耦合短程硝化厌氧氨氧化强化生活污水脱氮的装置及方法

技术领域

本发明涉及城市生活污水生物处理技术领域，特别是指一种适用于低C/N城市生活污水的深度脱氮装置和方法。

背景技术

随着人口的持续增长和人们生活水平的不断提高，生活污水人均排放量持续增加，加之洗涤剂的普遍使用，城市污水中氮磷含量较高，排入水体后使受纳水体中氮、磷含量增加，进而会导致水体富营养化，破坏水体环境，影响供水水质。因此，需要通过污水处理新技术对城市生活污水中的氮磷进行去除。生活污水中磷含量一般均在5mg/L以下，可以通过投加一定量的化学药剂沉淀去除，而氮含量一般较高，化学技术处理成本太高，需要利用生物技术对其进行脱除。

从生物脱氮的机理来说，在常规生物脱氮过程中，通过在好氧条件下硝化细菌将NH₄ ⁺-N转化为NO₃ ^--N和NO₂ ^--N，然后异养反硝化菌在缺氧条件下以外加碳源作为电子供体还原NO₃ ^--N和NO₂ ^--N为N₂。这个过程需要大量的曝气能耗，同时由于城市生活污水水量大，C/N比低，需要大量的外加碳源才能使得出水达标，处理成本急剧增加。

厌氧氨氧化工艺是目前新兴的污水生物处理新技术，其具有节省曝气能耗，无需外加碳源，污泥产量低，出水水质良好等优点。而厌氧氨氧化应用于主流城市生活污水的过程中存在如下瓶颈：

1、城市生活污水NH₄ ⁺-N浓度低，温度低，水质水量波动大；

2、厌氧氨氧化反应需要NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N作为底物，而生物污水中基本不含有亚硝酸盐，所以可以通过前段增加短程硝化工艺的途径获取NO₂ ^--N。生活污水中NH₄ ⁺-N首先被氨氧化菌(AOB)氧化为NO₂ ^--N，然后被厌氧氨氧化菌利用，但是连续流短程硝化工艺是世界性难题，工艺难以稳定控制运行；

3、鉴于上述问题2，可以选择一体化反应器，但是需要重点考虑溶解氧的问题，高溶解氧势必会影响到厌氧氨氧化菌的活性，但是极低的溶解氧又不利于氨氧化菌(AOB)发挥作用；

4、反冲洗会带走部分厌氧氨氧化菌，而厌氧氨氧化菌的世代周期长，污泥增殖速率慢，因此不易富集和持留厌氧氨氧化菌；

5、厌氧氨氧化工艺是个完全自养的脱氮工艺，所以在进入厌氧氨氧化反应器之前一般会将生活污水中的COD通过较高的曝气量消耗掉，应用在实际工程中会大大增加能耗费用。

因此，针对以上连续流短程硝化难以控制的问题，研究者近些年来发现可以通过将短程硝化和厌氧氨氧化工艺结合在一个反应器内，即一体化反应，通过氨氧化菌(AOB)将NH₄ ⁺-N氧化为NO₂ ^--N，剩余的NH₄ ⁺-N和产生的NO₂ ^--N立即在厌氧氨氧化菌的作用下发生反应，产生大量N₂和少量的NO₃ ^--N。

近年来，厌氧生物处理技术因具有无需供养，节省能耗，污泥产量低，产甲烷清洁能源等优点，在废水处理工艺中逐渐兴起，厌氧产甲烷的研究对于污水处理厂的节能降耗有着重要的指导和实践意义。但是由于工艺启动周期长，对于温度等环境因素要求严格，大部分工艺都局限于处理高浓度有机废水，对于城市生活污水处理的研究很少。但最近也有研究表明，选择合适的反应装置和工艺参数，厌氧生物处理技术在处理低浓度城市生活污水方面也具有一定的可行性，因此，为常温下城市生活污水预处理提供了重要的参考价值。

早在19世纪二三十年代生物膜法就已经出现，但由于当时工艺技术落后，没有延续下去，直到60年代以后，新型复合材料的出现，使得生物膜法得到了进一步的发展。

生物滤池属于生物膜工艺的一种，按照对溶解氧的需求，有厌氧滤池、好氧滤池和微氧滤池之分。选取合适的固体填料，污水经过滤料层，游离态微生物和悬浮物质吸附在滤料表面，开始繁殖，形成生物膜。曝气生物滤池独有的特点形成了内部厌氧外部好氧的微环境，有利于氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌的分层分布，协同发挥作用。生物滤池可以进行反冲洗，便于淘洗出滤料表面的硝化细菌(NOB)，有利于进行菌群的调控。此外，生物滤池可以获得较高负荷以及耐冲击负荷能力强等特点使其逐渐应用于污水处理领域。因此利用生物滤池研究生活污水厌氧产甲烷以及厌氧氨氧化耦合工艺均具有重要的理论意义和应用前景。

发明内容

本发明提出一种厌氧产甲烷耦合短程硝化厌氧氨氧化强化生活污水脱氮的装置及方法，实现城市生活污水深度脱氮和能源回收，其首先将生活污水泵入厌氧滤池中进行有机物降解，通过产甲烷菌产甲烷进行沼气的回收利用；出水进入曝气生物滤池中，在低溶解氧条件下，氨氧化菌(AOB)将NH₄ ⁺-N氧化成NO₂ ^--N之后被厌氧氨氧化菌利用产生N₂和少量的NO₃ ^--N。

本发明的技术方案是这样实现的：一种厌氧产甲烷耦合短程硝化厌氧氨氧化强化生活污水脱氮的装置，包括原水水箱(1)、厌氧产甲烷生物滤池(2)、集气系统(3)、短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池(4)、中间水箱(5)、反冲洗系统(6)和反冲洗水箱(7)；

所述原水水箱(1)通过第一蠕动泵(1.1)与所述厌氧产甲烷生物滤池(2)相连接；

所述厌氧产甲烷生物滤池(2)内下端设有第一进水混合区(2.1)，第一进水混合区(2.1)上面依次为第一承托层(2.2)、第一滤料层(2.3)及第一清水区(2.4)，所述厌氧产甲烷生物滤池(2)的上端为第一出水槽(2.5)，第一出水槽(2.5)上设有集气阀(3.1)，所述集气阀(3.1)通过湿式气体流量计(3.2)和集气袋(3.3)连接；

第一滤料层(2.3)的底部装有第一压力表(2.6)，在第一滤料层(2.3)侧面部分设有多个第一取样口(2.7)以及多个第一取滤料口(2.8)；

第一清水区(2.4)安装有第一pH/DO在线监测探头(2.9)和第一pH/DO在线监测仪(2.10)，第一清水区(2.4)通过回流管经由回流泵(2.11)与第一进水混合区(2.1)相连接。

作为一种优选的实施方式，所述厌氧产甲烷生物滤池(2)的出水从中间水箱(5)通过第二蠕动泵(4.1)与短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池(4)相连接；

短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池(4)下端设有第二进水混合区(4.2)以及曝气盘(4.3)，第二进水混合区(4.2)上面依次为第二承托层(4.4)、第二滤料层(4.5)、第二清水区(4.6)以及第二出水槽(4.7)；

第二出水槽(4.7)设有第一排气口(4.8)，并且在第二滤料层(4.5)的底部设有第二压力表(4.9)，在第二滤料层(4.5)部分侧面设有多个第二取样口(4.10)以及多个第二取滤料口(4.11)；

第二清水区(4.6)安装有第二pH/DO在线监测探头(4.12)和第二pH/DO在线监测仪(4.13)。

作为一种优选的实施方式，反冲洗水箱(7)通过反冲洗进水管经由反冲洗水泵(6.1)、第一玻璃转子流量计(6.2)、阀门与短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池(4)底部相连接；

空压机(6.3)通过进气管经由第二玻璃转子流量计(6.4)、阀门分别与曝气盘(4.3)相连接。

作为一种优选的实施方式，所述第一承托层(2.2)和第二承托层(4.4)均由鹅卵石构成。

作为一种优选的实施方式，所述厌氧产甲烷生物滤池(2)和短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池(4)的外侧设有用于调节温度的加热带。

一种厌氧产甲烷耦合短程硝化厌氧氨氧化强化生活污水脱氮的方法，包括如下步骤

1)厌氧产甲烷生物滤池接种来自实际污水处理厂的污泥消化液，通过第一蠕动泵依次将种泥从滤料层侧面的各个取样口泵入到生物滤池中，使其均匀分布于滤料层，打开进水阀门，生活污水通过第一蠕动泵进入第一进水混合区，自下而上进入滤池内部，温度通过外部加热带控制在35±1℃；出水重新泵入反应器中，进入循环挂膜阶段；以24h为一周期，24h后换生活污水进入下一个周期；如此往复7天，挂膜成功后采用连续流的方式进水，进入正常运行阶段；正常运行过程中将待处理的城市生活污水连续泵入厌氧滤池中，滤料层中的废水在各种微生物的作用下进行水解发酵，最后在产甲烷菌的作用下转化为甲烷进行回收；出水从出水槽排至中间水箱，产生的甲烷气体从上部集气口经湿式气体流量计进入集气袋中；此运行阶段，通过加热带控制反应器内温度为35±1℃，同时系统pH值控制在6.8-7.8，严格控制DO在0.01mg/L以下；系统水力停留时间HRT控制在2.5-3.5h；

2)短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池采用先启动厌氧氨氧化系统，再富集AOB的方式，在启动阶段接种反冲洗成熟厌氧氨氧化污泥，通过第二蠕动泵从底部第二进水混合区泵入到生物滤池中，使其完全浸没滤料层；通过加热带控制温度在25℃-30℃；首先采用配水启动厌氧氨氧化系统，NH₄ ⁺-N浓度为50mg/L，NO₂ ^--N浓度为60mg/L，待厌氧氨氧化系统稳定运行以后，逐渐降低进水NO₂ ^--N浓度，从60mg/L逐渐降低至0mg/L；与此同时打开空压机，使空气流经玻璃转子流量计后通过曝气盘进入到滤池中，通过逐渐提高溶解氧的方式运行，溶解氧浓度从0mg/L逐渐提高至0.5mg/L；当反应器中出水总低于7.5mg/L时，则说明启动成功，启动成功后，第二蠕动泵以0.21m/h的进水流速以连续流的运行方式运行；系统正常运行阶段温度控制在25℃-30℃，pH控制在7.5-8.5，DO控制在0.3-0.5mg/L，水力停留时间控制在4-5h；

3)反冲洗运行阶段：当短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池滤料层的压力差即反应器滤料层底部和顶部的压力差大于1m时，关闭进水阀门及第二蠕动泵，进行反冲洗；

4)反冲洗结束后，继续进行正常运行阶段。

作为一种优选的实施方式，两个生物滤池滤料层的滤料粒径均为3-5mm。

作为一种优选的实施方式，步骤3)的反冲洗，气冲通过空气压缩机进行，水冲通过反冲洗水泵进行，气水混合冲通过空气压缩机和反冲洗水泵同时进行，气冲均通过底部曝气盘曝气；

厌氧产甲烷生物滤池不进行反冲洗，短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池气冲2分钟，强度为14.4L/(m²·s)；气水混合冲3分钟，气水强度为14.4+7.22L/(m²·s)；水冲3分钟，强度为5.42L/(m²·s)，反冲洗周期为60-90d。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

1、通过厌氧滤池产甲烷，能够保证严格的厌氧环境(无NO₂ ^--N和NO₃ ^--N)，有利于厌氧微生物在滤料表面的生长和富集，同时厌氧滤池连续流的运行方式可以提高COD的进水负荷，有利于提高甲烷的产气量以及能源回收的效率；

2、短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池的进水是厌氧产甲烷滤池的出水，基本无降解的COD，不会对一体化自养脱氮系统内的微生物造成影响，一体化反应有利于提高氮损失，提高脱氮负荷和总氮去除率；

3、生物滤池中有利于功能菌的持留和富集，提高了污泥浓度且可以将功能菌进行合理分层，更好的发挥协同脱氮的作用，有利于工艺的快速启动；

4、生物滤池的耐冲击负荷强，利用生物滤池以及连续流的运行模式，能够提高氮负荷；

5、生物滤池的反冲洗工艺有利于淘洗出滤料外表面的NOB，调控优化菌群结构，有利于一体化工艺的稳定运行；

6、采用两级生物滤池的耦合，在第一个厌氧滤池中能够达到回收生活污水中90％以上的COD作为沼气回收；在第二个曝气生物滤池中进行自养脱氮，有利于降低曝气能耗，且无需外加碳源就能实现深度脱氮。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施例的结构示意图；

图中：1-原水水箱；1.1-第一蠕动泵；2-厌氧产甲烷生物滤池；2.1-第一进水混合区；2.2-第一承托层；2.3-第一滤料层；2.4-第一清水区；2.5-第一出水槽；2.6-第一压力表；2.7-第一取样口；2.8-第一取滤料口；2.9-第一pH/DO在线监测探头；2.10-第一pH/DO在线监测仪；2.11-回流泵；3-集气系统；3.1-集气阀；3.2-湿式气体流量计；3.3-集气袋；4-短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池；4.1-第二蠕动泵；4.2-第二进水混合区；4.3-曝气盘；4.4-第二承托层；4.5-第二滤料层；4.6-第二清水区；4.7-第二出水槽；4.8-第一排气口；4.9-第二压力表；4.10-第二取样口；4.11-第二取滤料口；4.12-第二pH/DO在线监测探头；4.13-第二pH/DO在线监测仪；5-中间水箱；6-反冲洗系统；6.1-反冲洗水泵；6.2-第一玻璃转子流量计；6.3-空压机；6.4-第二玻璃转子流量计；7-反冲洗水箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明包括原水水箱(1)、厌氧产甲烷生物滤池(2)、集气系统(3)、短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池(4)、中间水箱(5)、反冲洗系统(6)、反冲洗水箱(7)。

原水水箱(1)通过第一蠕动泵(1.1)与厌氧产甲烷生物滤池(2)相连接，厌氧产甲烷生物滤池(2)内下端设有第一进水混合区(2.1)，第一进水混合区(2.1)上面依次为第一承托层(由鹅卵石构成)(2.2)、第一滤料层(2.3)及第一清水区(2.4)；厌氧产甲烷生物滤池(2)上端为第一出水槽(2.5)，第一出水槽(2.5)上设有集气阀(3.1)，集气阀(3.1)通过湿式气体流量计(3.2)和集气袋(3.3)连接；在第一滤料层(2.3)的底部装有第一压力表(2.6)，在第一滤料层(2.3)侧面部分设有多个(如5个)第一取样口(2.7)以及多个(如3个)第一取滤料口(2.8)；在第一清水区(2.4)安装有第一pH/DO在线监测探头(2.9)，与第一pH/DO在线监测仪(2.10)相连接；第一清水区(2.4)通过回流管经由回流泵(2.11)与第一进水混合区(2.1)相连接。

厌氧产甲烷生物滤池(2)出水从中间水箱(5)通过第二蠕动泵(4.1)与短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池(4)相连接；短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池(4)下端设有第二进水混合区(4.2)以及曝气盘(4.3)，第二进水混合区(4.2)上面依次为第二承托层(由鹅卵石构成)(4.4)、第二滤料层(4.5)、第二清水区(4.6)以及第二出水槽(4.7)；第二出水槽(4.7)设有第一排气口(4.8)，并且在第二滤料层(4.5)的底部设有第二压力表(4.9)，在第二滤料层(4.5)部分侧面设有多个(如5个)第二取样口(4.10)以及多个(如3个)第二取滤料口(4.11)；在第二清水区(4.6)安装有第二pH/DO在线监测探头(4.12)，与第二pH/DO在线监测仪(4.13)相连接。

反冲洗水箱(7)通过反冲洗进水管经由反冲洗水泵(6.1)、第一玻璃转子流量计(6.2)、阀门与短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池(4)底部相连接；空压机(6.3)通过进气管经由第二玻璃转子流量计(6.4)、阀门分别与曝气盘(4.3)相连接；温度通过生物滤池外侧的加热带调节反应装置温度。

具体实例中使用的城市生活污水取自北京市某家属区的化粪池，其中化学需氧量COD在200～250mg/L，NH₄ ⁺-N的浓度在60～70mg/L，其C/N在2～4。

具体实施过程如下：

4)反冲洗结束后，继续进行正常运行阶段。

其中，两个生物滤池滤料层的滤料粒径均为3-5mm。

步骤3)的反冲洗中，气冲通过空气压缩机进行，水冲通过反冲洗水泵进行，气水混合冲通过空气压缩机和反冲洗水泵同时进行，气冲均通过底部曝气盘曝气；厌氧产甲烷生物滤池不进行反冲洗，短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池气冲2分钟，强度为14.4L/(m²·s)；气水混合冲3分钟，气水强度为14.4+7.22L/(m²·s)；水冲3分钟，强度为5.42L/(m²·s)，反冲洗周期为60-90d。

实验结果表明：一种厌氧产甲烷耦合短程硝化厌氧氨氧化的工艺，可实现低C/N城市生活污水深度脱氮和能源回收，同时剩余污泥可以得到资源化利用。甲烷回收率可达80％以上，出水COD浓度为30～35mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为0.2～0.5mg/L，TN去除率为95～99％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种厌氧产甲烷耦合短程硝化厌氧氨氧化强化生活污水脱氮的方法，其特征在于：包括如下步骤

气冲通过空气压缩机进行，水冲通过反冲洗水泵进行，气水混合冲通过空气压缩机和反冲洗水泵同时进行，气冲均通过底部曝气盘曝气；

厌氧产甲烷生物滤池不进行反冲洗，短程硝化厌氧氨氧化曝气生物滤池气冲2分钟，强度为14.4L/(m²·s)；气水混合冲3分钟，气水强度为14.4+7.22L/( m²·s)；水冲3分钟，强度为5.42L/( m²·s)，反冲洗周期为60-90d

4)反冲洗结束后，继续进行正常运行阶段。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：两个生物滤池滤料层的滤料粒径均为3-5mm。