CN112520948A - 一种低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统，包括依次管路连接的进水泵、碳捕获装置、碳回收沉淀池、一体式厌氧氨氧化装置、自养反硝化装置和反硝化沉淀池，碳捕获装置包括通过进水管与进水泵连通的阳极室和通过第一出水管与碳回收沉淀池连通的阴极室，阳极室和阴极室之间通过离子交换树脂膜相隔，阳极室中设置有与电源的正极电连接的阳极板，阴极室中设置有与电源的负极电连接的阴极板，阴极室的底部还设置有与第一空压机管路连接的曝气头；一体式厌氧氨氧化装置为连续流折返反应器，自养反硝化装置为完全混流式反应器。本发明的低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统实现了低碳氮比废水的高效脱氮和负碳排放。

Description

一种低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，特别是涉及一种低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统。
背景技术
随着我国经济的快速发展以及工业水平的快速提高，大量的含氮工业废水排入水体，导致河流湖泊等水体富营养化严重，生态系统退化等严重问题。目前废水脱氮技术应用最广泛的是生物脱氮技术，传统的生物脱氮技术包括硝化及反硝化两个过程，而硝化需要大量曝气，反硝化只有在碳源充足时才能进行。而我国的大量高氨氮工业废水，如煤化工、冶炼、电子等行业的废水呈现高氨氮、低碳氮比的特点，废水中自身存在的碳源难以供给反硝化的需求，由此需要额外投加碳源，增加了处理费用。因此，针对低碳氮比废水开发高效、经济的新型生物脱氮技术具有重要意义。
厌氧氨氧化作为一种高效、低耗的新型生物脱氮工艺越来越受到水处理领域的重视，尤其在处理高氨氮、低碳氮比废水时有其独特的优势。但实际应用中也存在很多问题，例如该工艺主体为自养菌，对碳源污染物没有去除效果，而为低碳源废水设计专门的COD生化去除工艺效率低、成本高。且厌氧氨氧化由于其本身的机理会将消耗总氮的10％转化为硝氮，随着环保指标的日趋严格，对总氮排放的要求也逐渐提升日程，高氨氮废水经厌氧氨氧化处理后留有的硝氮成为一大难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统，以解决上述现有技术存在的问题，实现低碳氮比废水的高效脱氮和负碳排放。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统，包括依次管路连接的进水泵、碳捕获装置、碳回收沉淀池、一体式厌氧氨氧化装置、自养反硝化装置和反硝化沉淀池，所述碳捕获装置包括通过进水管与所述进水泵连通的阳极室和通过第一出水管与所述碳回收沉淀池连通的阴极室，所述阳极室和所述阴极室之间通过离子交换树脂膜相隔，所述阳极室中设置有与电源的正极电连接的阳极板，所述阴极室中设置有与所述电源的负极电连接的阴极板，所述阴极室的底部还设置有与第一空压机管路连接的曝气头；所述一体式厌氧氨氧化装置为连续流折返反应器，所述自养反硝化装置为完全混流式反应器。
优选的，所述一体式厌氧氨氧化装置包括若干个依次连通的反应隔室和一个沉淀隔室，所述碳回收沉淀池通过第二出水管与一端的所述反应隔室连通，另一端的所述反应隔室的顶部与所述沉淀隔室连通；相邻的两个所述反应隔室之间通过挡板相隔，所述挡板的顶部或底部设置有开口，且相邻的两个所述挡板上的开口的位置不同；每个所述反应隔室中均设置有框架，所述框架上固设有用于负载厌氧氨氧化污泥的海绵填料，所述负载厌氧氨氧化污泥中富含短程硝化菌和厌氧氨硝化菌；每个所述反应隔室的底部均设置有第一曝气盘，所述第一曝气盘通过管路与第二空压机连通。
优选的，所述沉淀隔室为辐射流沉淀池，所述沉淀隔室的底端出口通过第一污泥回流管与所述一体式厌氧氨氧化装置的入料口连通，且所述第一污泥回流管上设置有第一污泥回流泵。
优选的，所述自养反硝化装置的底部设置有第二曝气盘，所述第二曝气盘通过管路与第三空压机连通；所述自养反硝化装置中还设置有位于所述第二曝气盘上方的搅拌器。
优选的，所述一体式厌氧氨氧化装置通过第三出水管与所述自养反硝化装置连通，所述自养反硝化装置通过第四出水管与所述反硝化沉淀池连通。
优选的，所述反硝化沉淀池的底端出口通过第二污泥回流管与所述自养反硝化装置连通，所述第二污泥回流管上设置有第二污泥回流泵；所述反硝化沉淀池的顶端溢流口设置有第五出水管；所述反硝化沉淀池的顶部的污水出口通过污水回流管与所述一体式厌氧氨氧化装置的入料口连通，且所述污水回流管上设置有污水回流泵。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统实现了低碳氮比废水的高效脱氮和负碳排放。本发明的低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统中前置的碳捕获装置即前置MECC工艺能够有效去除废水中的COD，实验表明MECC在去除有机物的过程中，COD去除率达到90％，为后续厌氧氨氧化工艺的正常运行提供了前置条件。此外，该工艺对外源输入的模拟烟道气(CO2浓度5-15％)的碳捕获率也可达80-93％。反应库伦效率(有机物转化为电流的效率)为80-82％，阴极产氢效率(电流转化为氢气)为91-95％。该工艺整体为是一个产能的过程。本发明的低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统中后置的硫源自养反硝化，将高氨氮工业废水厌氧前端处理所产生的硫化氢及传统沼气脱硫产物硫磺回收后作为反硝化电子供体，实现了硫自养反硝化菌的快速富集，在全处理链中实现了同步脱氮除硫，提高了厌氧氨氧化出水的TN去除率，硝氮去除负荷达到了1.6kg/(m3·d)，同时大幅缩减了沼气脱硫工程的建设及运营成本。
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为本发明低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统的结构示意图；
其中：1、进水泵；2、进水管；3、碳捕获装置；4、阳极室；5、阴极室；6、阳极板；7、阴极板；8、电源；9、离子交换树脂膜；10、曝气头；11、第一空压机；12、第一出水管；13、碳回收沉淀池；14、排泥口；15、第二出水管；16、一体式厌氧氨氧化装置；17、反应隔室；18、沉淀隔室；19、第一曝气盘；20、海绵填料；21、挡板；22、第一污泥回流泵；23、第一污泥回流管；24、第三出水管；25、自养反硝化装置；26、第二曝气盘；27、第三空压机；28、搅拌器；29、第四出水管；30、反硝化沉淀池；31、第二污泥回流泵；32、第二污泥回流管；33、污水回流泵；34、污水回流管；35、第五出水管；36、第二空压机。
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付出创造性劳动的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。
本发明的目的是提供一种低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统，以解决上述现有技术存在的问题，实现低碳氮比废水的高效脱氮和负碳排放。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示：本实施例提供了一种低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统，包括依次管路连接的进水泵1、碳捕获装置3、碳回收沉淀池13、一体式厌氧氨氧化装置16、自养反硝化装置25和反硝化沉淀池30。
碳捕获装置3包括通过进水管2与进水泵1连通的阳极室4和通过第一出水管12与碳回收沉淀池13连通的阴极室5，阳极室4和阴极室5之间通过离子交换树脂膜9相隔，阳极室4中设置有与电源8的正极电连接的阳极板6，阴极室5中设置有与电源8的负极电连接的阴极板7，阴极室5的底部还设置有与第一空压机11管路连接的曝气头10，通过第一空压机11和曝气头10进行曝气；废水首先进入装置的阳极室4，利用阳极生物电极上生长的电活性细菌(EAB)降解废水中的有机物，产生电子、H+；同时阳极室4加入工业矿物废料，富含H+的阳极电解液可以溶解其释放金属离子(Ca2+，Mg2+等)。废水通过离子交换树脂膜9进入阴极室5；电子被阳极收集并通过外电路转移至阴极板7，用于还原水产生H2和OH-；金属离子通过中间膜迁移到阴极电解液时与OH-结合形成金属氢氧化物，用于吸收曝气中的CO2转化其为稳定的碳酸盐沉淀，实现碳捕获。
碳回收沉淀池13为辐射流沉淀池，碳回收沉淀池13中产生的碳酸盐沉淀在底部，由排泥口14进行收集，碳回收沉淀池13上部上清液通过第二出水管15流入一体式厌氧氨氧化装置16。
一体式厌氧氨氧化装置16为连续流折返反应器，一体式厌氧氨氧化装置16包括6个依次连通的反应隔室17和1个沉淀隔室18，碳回收沉淀池13通过第二出水管15与最左端的反应隔室17连通，最右端的反应隔室17的顶部与沉淀隔室18连通；相邻的两个反应隔室17之间通过挡板21相隔，挡板21的顶部或底部设置有开口，且相邻的两个挡板21上的开口的位置不同，以实现反应器内水体的上下折返流动；每个反应隔室17中均设置有框架，框架上固设有用于负载厌氧氨氧化污泥的海绵填料20，负载厌氧氨氧化污泥中富含短程硝化菌和厌氧氨硝化菌，其中短程硝化菌利用曝气提供的O2将废水中的部分氨氮转化为亚硝氮，厌氧氨氧化菌利用氨氮和亚硝氮作为反应底物，生成氮气从反应器上部排出，实现氮源污染物的高效去除，同时产生约10％的硝氮；每个反应隔室17的底部均设置有第一曝气盘19，第一曝气盘19通过管路与第二空压机36连通。
沉淀隔室18为辐射流沉淀池，沉淀隔室18的底端出口通过第一污泥回流管23与一体式厌氧氨氧化装置16的入料口连通，且第一污泥回流管23上设置有第一污泥回流泵22。沉淀隔室18底部的污泥由污泥回流泵经污泥回流管回流至一体式厌氧氨氧化装置16的入口，回流比为100-150％，上清液溢第三出水管24进入自养反硝化装置25。
自养反硝化装置25为完全混流式反应器。自养反硝化装置25为完全混流式反应器，自养反硝化装置25的底部设置有第二曝气盘26，第二曝气盘26通过管路与第三空压机27连通；自养反硝化装置25中还设置有位于第二曝气盘26上方的搅拌器28。通过微曝气和搅拌将自养反硝化装置25内溶解氧控制在小于0.5mg/L的缺氧状态，自养反硝化装置25内的污泥主要为自养反硝化菌，在缺氧状态下，利用HCO3 -,CO3 2-等无机碳为碳源，将厌氧氨氧化产生的硝氮还原为氮气排放，实现更高的脱氮率。自养反硝化装置25上部出水经第四出水管29进入反硝化沉淀池30。
反硝化沉淀池30的底端出口通过第二污泥回流管32与自养反硝化装置25连通，第二污泥回流管32上设置有第二污泥回流泵31；反硝化沉淀池30的顶端溢流口设置有第五出水管35；反硝化沉淀池30的顶部的污水出口通过污水回流管34与一体式厌氧氨氧化装置16的入料口连通，且污水回流管34上设置有污水回流泵33。反硝化沉淀池30进行泥水分离，底部污泥经第二污泥回流泵31和第二污泥回流管32回流至自养反硝化装置25，回流比为100-150％。反硝化沉淀池30上部设有污水回流管34，经污水回流泵33将部分处理后的污水回流至一体式厌氧氨氧化装置16初段，回流比为300-500％，使生化段反应器水质较为均衡，避免过高的氨氮产生游离氨，对一体式厌氧氨氧化反应器初段功能菌种活性产生抑制，高回流比降低了水质变化对厌氧氨氧化工艺的冲击作用。反硝化沉淀池30顶端的上清液溢流至第五出水管35进行排放。
本实施例的低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统中前置的碳捕获装置3即前置MECC工艺能够有效去除废水中的COD，实验表明MECC在去除有机物的过程中，COD去除率达到90％，为后续厌氧氨氧化工艺的正常运行提供了前置条件。此外，该工艺对外源输入的模拟烟道气(CO2浓度5-15％)的碳捕获率也可达80-93％。反应库伦效率(有机物转化为电流的效率)为80-82％，阴极产氢效率(电流转化为氢气)为91-95％。该工艺整体为是一个产能的过程。
具体实验中，MECC装置外部电压为0.8V，废水COD为620mg/L(以醋酸钠作为主要有机物来源)，电导率为7.16mS/cm，通过CaSiO3溶液进行阳离子补充(浓度为1g CaSiO3/50ml去离子水)，每6h补充一次阳离子溶液，CO2由空气提供，以120ml/min的流速通过曝气装置进入反应器，反应器阳极pH控制在7.1-7.8，阴极控制在8.2-9.4。该条件下整体装置COD去除率为86％，出水COD低于100mg/L。进气CO2浓度为8.0mmol/L，出气浓度为0.64mmol/L，CO2捕获率达92％，以产氢率90％计算，扣除所消耗电能，MECC的净能量产率为11.3kJ/gCOD。实现了碳源污染物的负排放，并充分利用了废水中COD进行能源回收。
本实施例的低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统中后置的硫源自养反硝化，将高氨氮工业废水厌氧前端处理所产生的硫化氢及传统沼气脱硫产物硫磺回收后作为反硝化电子供体，实现了硫自养反硝化菌的快速富集，在全处理链中实现了同步脱氮除硫，提高了厌氧氨氧化出水的TN去除率，硝氮去除负荷达到了1.6kg/(m3·d)，同时大幅缩减了沼气脱硫工程的建设及运营成本。
具体实验中，以5g/L的Na2S2O3作为硫源，2g/L的KNO3提供硝氮，反应条件控制在30℃，pH7.5，溶解氧低于0.2mg/L，以厌氧污泥为基础，经过约20～30天的驯化后，硝氮去除负荷达到了1.6kg/(m3·d)。在硫自养污泥快速驯化基础上，与一体式厌氧氨氧化工艺进行耦合，一体式厌氧氨氧化反应器出水硝氮30～40mg/L，SAD反应器处理后＜3mg/L，去除率达90％。整体工艺氨氮去除负荷可达0.35kgN/(m3·d)，硝氮及亚硝氮去除率在稳定期分别达86.1％～100％及96.4％～100％，提升传统厌氧氨氧化技术总氮负荷0.3-0.45kg/(m3·d)。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“笫二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统，其特征在于：包括依次管路连接的进水泵、碳捕获装置、碳回收沉淀池、一体式厌氧氨氧化装置、自养反硝化装置和反硝化沉淀池，所述碳捕获装置包括通过进水管与所述进水泵连通的阳极室和通过第一出水管与所述碳回收沉淀池连通的阴极室，所述阳极室和所述阴极室之间通过离子交换树脂膜相隔，所述阳极室中设置有与电源的正极电连接的阳极板，所述阴极室中设置有与所述电源的负极电连接的阴极板，所述阴极室的底部还设置有与第一空压机管路连接的曝气头；所述一体式厌氧氨氧化装置为连续流折返反应器，所述自养反硝化装置为完全混流式反应器。
2.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统，其特征在于：所述一体式厌氧氨氧化装置包括若干个依次连通的反应隔室和一个沉淀隔室，所述碳回收沉淀池通过第二出水管与一端的所述反应隔室连通，另一端的所述反应隔室的顶部与所述沉淀隔室连通；相邻的两个所述反应隔室之间通过挡板相隔，所述挡板的顶部或底部设置有开口，且相邻的两个所述挡板上的开口的位置不同；每个所述反应隔室中均设置有框架，所述框架上固设有用于负载厌氧氨氧化污泥的海绵填料，所述负载厌氧氨氧化污泥中富含短程硝化菌和厌氧氨硝化菌；每个所述反应隔室的底部均设置有第一曝气盘，所述第一曝气盘通过管路与第二空压机连通。
3.根据权利要求2所述的低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统，其特征在于：所述沉淀隔室为辐射流沉淀池，所述沉淀隔室的底端出口通过第一污泥回流管与所述一体式厌氧氨氧化装置的入料口连通，且所述第一污泥回流管上设置有第一污泥回流泵。
4.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统，其特征在于：所述自养反硝化装置的底部设置有第二曝气盘，所述第二曝气盘通过管路与第三空压机连通；所述自养反硝化装置中还设置有位于所述第二曝气盘上方的搅拌器。
5.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统，其特征在于：所述一体式厌氧氨氧化装置通过第三出水管与所述自养反硝化装置连通，所述自养反硝化装置通过第四出水管与所述反硝化沉淀池连通。
6.根据权利要求1所述的低碳氮比废水的生物脱氮兼负碳排放系统，其特征在于：所述反硝化沉淀池的底端出口通过第二污泥回流管与所述自养反硝化装置连通，所述第二污泥回流管上设置有第二污泥回流泵；所述反硝化沉淀池的顶端溢流口设置有第五出水管；所述反硝化沉淀池的顶部的污水出口通过污水回流管与所述一体式厌氧氨氧化装置的入料口连通，且所述污水回流管上设置有污水回流泵。
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