CN112875858A - 一种硝酸盐工业废水的a3/o生物脱氮系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮系统及方法，系统包括一号缺氧池、厌氧池、二号缺氧池、好氧池、沉淀池和水解酸化池，采用的A3/O工艺为缺氧‑厌氧‑缺氧‑好氧‑沉淀，一号缺氧池主要将原水硝酸盐去除，厌氧池主要将原水水质改善并提高原水有机物的可生化性，通过外加玉米芯或其他有机废料，将原水的硝酸盐氮在一号缺氧池进行反硝化去除，而原水的凯氏氮转化为硝酸盐氮后通过内回流在二号缺氧池反硝化去除，两段缺氧池控制不同的反应条件，工艺采用长泥龄，通过厌氧联合两段缺氧生物脱氮串联的方式从而将原水总氮有效去除。本发明方法适用于碳源显著偏低且含硝酸盐废水的脱氮处理，污水处理工艺流程较简单，脱氮率高，脱氮效果可靠且成本较低。
Description
技术领域
本发明属于水环境保护技术领域，具体涉及一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮系统及方法。
背景技术
工业园区废水水质复杂，采用常规处理工艺常常难以确保处理效果。某工业园区废水主要为硝酸盐(硝酸盐氮(NO3-N)是含氮有机物氧化分解的最终产物，水中之氮以硝酸盐形态存在者，硝酸盐氮浓度多在60～100mg/L范围)，另有少量有机物(COD，COD浓度多在60～105mg/L范围，且BOD5/COD值较低，低于0.3)、氨氮(氨氮浓度多在15～35mg/L范围)、悬浮物(SS浓度约50～120mg/L)，此外含有极少量的油类和氧化剂，无重金属等有毒有害污染物。该污水经过传统的氧化沟工艺处理，常年不能达标，一直困扰运行企业。
为了能够达标排放，企业被迫投加乙酸钠作为碳源，导致运行费用高昂且维护管理难度增加，企业难以承担，需要寻求经济有效的污水处理技术方案。
发明内容
本发明的目的就在于解决现有含难降解有机物硝酸盐废水存在的困扰，针对工业园区污水厂或类似水质的污水，提出采用A3/O工艺(缺氧-厌氧-缺氧-好氧)，并辅助以水解酸化处理玉米芯作为补充碳源，摈弃原采用乙酸钠作为补充碳源的措施，并充分利用内源反硝化作为辅助手段，实现水质的稳定达标排放，且显著降低了运行费用。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮系统，包括一号缺氧池、厌氧池、二号缺氧池、好氧池、沉淀池和水解酸化池；
所述一号缺氧池首端与原污水出口连接，用于去除原污水中的硝酸盐，所述水解酸化池首端连接有机废料出口，水解酸化池尾端连接一号缺氧池的首端，通过外加水解的有机废料将原污水中的硝酸盐氮在一号缺氧池进行反硝化去除；
所述一号缺氧池的尾端与厌氧池首端连接，未彻底去除的硝酸盐在厌氧池进一步被反硝化去除，原污水的凯氏氮转化为氨氮，厌氧池主要将原水水质改善并提高原水有机物的可生化性；
所述厌氧池尾端与二号缺氧池的首端连接，二号缺氧池的尾端与好氧池的首端连接，用于将氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐氮；
所述好氧池的尾端有两路输出，一路将硝化液回流到二号缺氧池，另一路将污泥输出至沉淀池，硝酸盐氮通过内回流在二号缺氧池反硝化去除，通过厌氧联合两段缺氧生物脱氮串联的方式将原水总氮去除。
作为本发明的进一步优化方案，所述沉淀池尾端有两路污泥回流，一路污泥回流至水解酸化池，另一路污泥与水解后的有机废料混合再输出至一号缺氧池，一方面少量污泥回流到水解酸化池可以改善该池的营养状态，另一方面其内源代谢释放的碳源可以被反硝化过程有效利用。
一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮方法，包括以下步骤：
S1、将有机废料投入水解酸化池进行水解，将沉淀池中排出的污泥分别加入一号缺氧池和水解酸化池内，有机废料水解释放过量有机物和污泥一并通入一号缺氧池内，同时将原污水通入一号缺氧池，一号缺氧池内由于控制缺氧条件以满足反硝化菌的最佳生长环境，有利于反硝化菌生长，原污水中的硝酸盐氮被反硝化去除，难降解有机物残留在水中；
S2、随后将携带难降解有机物的污水通入厌氧池，难降解有机物在厌氧池内进行水解酸化，大分子有机物可水解为小分子有机物，有机废料的有机物进一步水解，未彻底去除的硝酸盐在厌氧池进一步被反硝化去除，原污水的凯氏氮转化为氨氮(即有机物的氮分解释放出氨)；厌氧过程提高了原污水有机物的可生化性，有利于在后续的处理程序被作为反硝化碳源利用，既有利于脱氮，也有利于有机物的降解；
S3、接着将厌氧池排出的污水依次通入二号缺氧池和好氧池，污水在好氧池内进行硝化反应，将氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐氮，同时将硝化液回流到二号缺氧池，硝酸盐氮与污水中残留的有机物进一步发生反硝化反应，硝酸盐氮进一步被去除；
S4、最后将好氧池中的污泥排出至沉淀池内进行沉淀，完成泥水分离，上清液排放，将污泥回流到一号缺氧池和有机废料水解酸化池中。
为了达到足够的反应速率且考虑脱氮率，进入一号缺氧池内的有机物相对于原污水的硝酸盐氮过量设置，故经过一号缺氧池后水中仍有部分可生化COD，能够达到足够的反应速率且提高脱氮率，容易降解的有机物参与脱氮反应，降解有机物残留在水中跟随污水进入厌氧池，进入二号缺氧池内的硝酸盐氮相对于污水中的有机物过量设置，通过此种工艺布置方式，可以充分利用原污水碳源和有机废料释放碳源，碳源除被同化作用转化为细胞质外，几乎100％用于反硝化过程，即基本上没有被异养菌好氧代谢。
作为本发明的进一步优化方案，所述有机废料为农业废弃物或厨余发酵液，根据当地农业废弃物的供应情况，农业废弃物可以为玉米芯、稻草或麦秸。另外玉米芯还可以采用过期变质的其他农业产品等，如变质的玉米粉等。
作为本发明的进一步优化方案，所述沉淀池中污泥回流比为100％左右，大部分直接回流到一号缺氧池，小部分回流到水解酸化池再进一步去往一号缺氧池。二号缺氧池对硝酸盐氮的去除取决于硝化液的回流比，好氧池中硝化液回流比根据进水凯氏氮浓度和出水要求确定，一般为200～300％，原水凯氏氮浓度越高，污水回流比越高；出水浓度越低，污水回流比越高。当硝化液回流比提高时，同时在二号缺氧池补充碳源。
作为本发明的进一步优化方案，直接回流到一号缺氧池的污泥占总污泥回流流量的3/4～5/6。
作为本发明的进一步优化方案，所述厌氧池和水解酸化池内投加填料，以维持池内有附着污泥和悬浮污泥两种形态，且附着污泥浓度不少于5000mg/L(折算的平均值)，悬浮污泥浓度不少于3000mg/L。
作为本发明的进一步优化方案，厌氧池和水解酸化池内的悬浮污泥(活性污泥)泥龄为30～40d，对于本工艺来说，长的污泥龄(悬浮污泥)是非常必要的。一方面玉米芯需要较长的时间方可水解彻底，另一方面脱氮的硝化菌时代时间长，也需要长泥龄；此外，较长的泥龄也可以进一步实现内源代谢对碳源的利用。
作为本发明的进一步优化方案，好氧池内投加填料，以增加硝化反应速率同时降低好氧池水力停留时间，该填料采用弹性填料，填料固定并悬挂于好氧池内。
本发明工艺是将传统A2/O工艺与倒置A2/O工艺集成后形成的一种新工艺，能够形成分段推流式缺氧-厌氧的反应过程，一号缺氧池接纳原水硝酸盐和回流污泥，主要将原水硝酸盐去除，厌氧池主要将原水水质改善并提高原水有机物的可生化性，通过外加玉米芯(或其他有机废料)将原水的硝酸盐氮在一号缺氧池进行反硝化去除，二号缺氧池接纳好氧池回流的硝化液，原水的凯氏氮通过内回流在二号缺氧池反硝化去除，通过厌氧联合两段缺氧生物脱氮串联的方式从而将原水总氮有效去除。
本发明的有益效果在于：
1)本发明针对该园区污水厂或类似水质的污水，提出采用A3/O工艺(缺氧-厌氧-缺氧-好氧)，即采用传统A2/O工艺与倒置A2/O工艺的集成形成的新工艺，并辅助以玉米芯作为补充碳源，并与污泥合并进行水解酸化处理，摈弃原采用乙酸钠作为补充碳源的措施，并充分利用内源反硝化作为辅助手段，两段缺氧池控制不同的反应条件，工艺采用长泥龄，实现该水质的稳定达标排放，且能够显著降低运行费用；
2)本发明方法适用于碳源显著偏低(远低于脱氮的理论碳源需求值)且含硝酸盐废水的脱氮处理，污水处理工艺流程较简单，脱氮率高，脱氮效果可靠且成本较低。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施方式进行说明，应当理解，此处所描述的实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明工艺的流程、构造、参数等。凡是将缺氧池分为两段，且两段控制反应条件不同的，均属于本发明保护范围。
实施例1
如图1所示，一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮系统，包括一号缺氧池、厌氧池、二号缺氧池、好氧池、沉淀池和水解酸化池；
所述一号缺氧池首端与原污水出口连接，所述水解酸化池首端连接有机废料出口，水解酸化池尾端连接一号缺氧池的首端；
所述一号缺氧池的尾端与厌氧池首端连接；
所述厌氧池尾端与二号缺氧池的首端连接，二号缺氧池的尾端与好氧池的首端连接；
所述好氧池的尾端有两路输出，一路将硝化液回流到二号缺氧池，另一路将污泥输出至沉淀池；
所述沉淀池尾端有两路污泥回流，一路污泥回流至水解酸化池，另一路污泥与水解后的有机废料混合再输出至一号缺氧池。
一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮方法，污水核心的生物处理部分采用A3/O工艺，分别是缺氧1-厌氧-缺氧2-好氧-沉淀；包括以下步骤：
先将有机废料粉碎，然后投入水解酸化池进行水解，水解酸化池同时接纳部分回流污泥，水解酸化池内投加填料，与回流污泥搅拌混合；在水解酸化池内，有大量的厌氧微生物附着在填料上生长，故有机废料得到水解和发酵，产生部分溶解性小分子(多为有机酸)；少量污泥回流到水解酸化池可以改善该池的营养状态；
经过水解酸化后的有机废料和污泥，进一步进入污水随后进入一号缺氧池，在一号缺氧池，由于控制缺氧条件以满足反硝化菌的最佳生长环境，有利于反硝化菌生长，将来自原污水的有机物(COD)、有机废料水解释放的过量有机物以及回流污泥内源代谢释放的碳源供给一号缺氧池，为了达到足够的反应速率且考虑脱氮率，在一号缺氧池内有机物对于原水硝酸盐来说是过量的，故经过一号缺氧池后水中仍有部分可生化COD。经过一号缺氧池后，容易降解有机物大部分被利用，而难降解有机物残留在水中；
随后污水携带难降解有机物进入厌氧池，在厌氧池内，原污水残留的难降解的有机物和前述水解酸化后的有机废料/污泥混合物进一步混合，继续发酵，厌氧池内也有填料，维持池内大量的厌氧微生物，故此厌氧池本质仍属于水解酸化，有机物厌氧发酵，原污水BOD/COD比值提高；由于此部分原污水的可生化性程度与有机废料相比有所提高，故厌氧池HRT取值一般为4～12h；此外，经过水解酸化处理后的有机废料/污泥混合物在厌氧池进一步厌氧发酵；难降解有机物在厌氧池内进行水解酸化，大分子有机物可水解为小分子有机物，有机废料进一步水解，未彻底去除的硝酸盐氮在厌氧池进一步被反硝化去除，原污水的凯氏氮基本上全部转化为氨氮(即有机物的氮分解释放出氨)；
其中，厌氧池和水解酸化池内投加填料，以维持池内有附着污泥和悬浮污泥两种形态，且附着污泥浓度不少于5000mg/L(折算的平均值)，悬浮污泥浓度不少于3000mg/L。
经过缺氧和厌氧的连续处理后，原水的凯氏氮基本上全部转化为氨氮(即有机物的氮分解释放出氨)，随后污水进入二号缺氧池。在二号缺氧池内，通过硝化液回流带来硝酸盐，一号缺氧池出水残留的有机物进一步与硝酸盐氮发生反硝化反应，硝酸盐氮进一步被去除。二号缺氧池对硝酸盐氮的去除取决于硝化液的回流比，一般为200～300％，回流比高，则去除率高。当进水凯氏氮浓度较高，则回流比应该取较高值。一般情况下硝化液回流比不高于400％。但是，若原污水凯氏氮浓度较高，硝化液回流比应该取更高的值，必要时考虑增加补充碳源。若原污水凯氏氮浓度高于60mg/L，本工艺出水TN浓度将不一定能够达标，应该对工艺流程进行优化改进或提高硝化液回流比的同时在二号缺氧池补充碳源；
污水经过二号缺氧池后从原理上看要求有机物和回流的硝酸盐氮应该恰好完成反应，但是从反应动力学的角度看，至少需要其中一种物质过量方能够在较短的停留时间内完成反应。若有机质过量，则硝酸盐可以彻底去除，但是考虑到原水水质和本工艺的特点，出水总氮的浓度受到硝化液回流比的影响，故追求硝酸盐氮彻底去除几乎无意义。所以在二号缺氧池内应该是最大限度消耗有机物，可少量残留硝酸盐。
比较上述两段缺氧池发现，在一号缺氧池内是有机物过量，而在二号缺氧池内则是硝酸盐过量。由于反应器内状况不同，故尽管都是缺氧池，功能也是一样的，但是控制状况不同，这也是采用分段式缺氧池的技术依据。而且，采用推流式缺氧池也是提高脱氮率的有效措施之一。
经过上述厌氧和两段缺氧处理过程后，原水可生化COD(即bCOD)被充分去除，硝酸盐氮有一定量残留，而原水的氨氮一直会滞留在水中(前述厌氧和缺氧过程无显著的氨氮去除效果)。随后污水进入好氧池，好氧池内投加填料，以增加硝化反应速率同时降低好氧池水力停留时间，该填料采用弹性填料，填料固定并悬挂于好氧池内，污水在好氧池内由于可降解有机物已经充分消耗，仅有氨氮为主要污染物，故好氧池内主要进行硝化过程，将氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐氮。若原水凯氏氮浓度较高且需要降低出水总氮浓度，可以适当增加好氧池的硝化液回流比。
污水经过好氧池后，进入沉淀池内进行沉淀，完成泥水分离，上清液排放，污泥则回流到一号缺氧池和有机废料水解工序中，回流比为100％左右，直接回流到一号缺氧池的污泥占总污泥回流流量的3/4～5/6。
通过此种工艺布置方式，可以充分利用原水碳源和有机废料释放碳源，碳源除被同化作用转化为细胞质外，几乎100％用于反硝化过程，即基本上没有被异养菌好氧代谢。
需要说明的是，所述有机废料为农业废弃物或厨余发酵液，农业废弃物为玉米芯、稻草或麦秸，而本实施例采用酸化玉米芯作为补充碳源：
由于原污水碳氮比过低(以COD/TN考虑)，多数时候低于1，且由于硝酸盐氮浓度显著高于凯氏氮浓度，故不具备采用ANAMMOX工艺的条件。所有反硝化脱氮必须考虑适当补充碳源，但若采用常规药剂，由于总氮浓度高且有机物过少(碳氮比过低)，成本仍过于高昂。考虑到原污水的总氮主要由硝酸盐氮构成，故处理工艺过程主要是缺氧和好氧，故采用生物质废料作为补充碳源。
玉米芯水解工艺为：先将玉米芯粉碎，然后加入水解酸化池内，与回流污泥搅拌混合，反应时间为12～24h，在厌氧微生物的作用下，玉米芯可释放部分碳源，由于玉米芯为非溶解状态，故在整个工艺过程中容易与悬浮污泥混合为一体，随后可以随污泥回流而滞留在反应系统中，故玉米芯在系统内有足够长的停留时间(即与污泥龄相同，可达几十天)，通过不断循环，除部分纤维素和木质素等特别难降解物质外，半纤维素和果胶等物质最后基本上可彻底水解为溶解性小分子有机物而被反硝化利用。故虽然玉米芯不是溶解性有机物，但是其在特定的反应系统中仍可以作为代替碳源使用。
经过水解酸化处理后的玉米芯与回流污泥一起进入厌氧池，在厌氧池内释放的碳源与进水的硝酸盐可发生反硝化，硝酸盐氮被部分去除。在厌氧池内残留的有机质继续水解，进一步释放碳源。
本发明系统采用长泥龄，其悬浮污泥(活性污泥)泥龄为30～40d。
对于本工艺来说，长的污泥龄(悬浮污泥)是非常必要的。一方面玉米芯需要较长的时间方可水解彻底，另一方面脱氮的硝化菌时代时间长，也需要长泥龄。
此外，较长的泥龄也可以进一步实现内源代谢对碳源的利用。故在本发明中，反硝化的碳源来源有3个：原污水COD、玉米芯和污泥内源代谢。本发明的工艺参数一般要求污泥龄长，且厌氧池与缺氧池的累计水力停留时间也较长，其内源代谢释放的碳源可以被反硝化过程有效利用，故污泥内源代谢所提供的碳源不可忽略。三者合计提供的有机质总量应该满足进水硝酸盐对应的理论碳源需求(2.86倍硝酸盐氮，满足理论化学计量值即可)和凯氏氮对应的实际脱氮过程需求(约3.5～4倍凯氏氮，需要超过理论化学计量值)总和，并考虑细胞增殖需要的有机物质总量。根据上述要求确定补充的玉米芯需要量。
实施例2
在实验室小试规模中，废水原污水水质如下：硝酸盐氮浓度在62～117mg/L范围，COD浓度在77～165mg/L范围，氨氮浓度在14～36mg/L、悬浮物SS浓度约50～120mg/L，此外含有极少量的油类和氧化剂，基本上无重金属等有毒有害污染物。所述玉米芯投加量为600～1200mg/L，污泥回流比为100％(回流至水解酸化池内污泥回流比为20％，回流至一号缺氧池内污泥回流比为80％)，硝化液回流比为300％，反应池内污泥浓度折算约5500mg/L，运行期间间断排放剩余污泥(每周排放2次)，最后出水TN浓度低于15mg/L，可以达到企业所在地环保部门的要求；
本小试实验中成功实现该水质的稳定达标排放，且显著降低了运行费用。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮系统，其特征在于：包括一号缺氧池、厌氧池、二号缺氧池、好氧池、沉淀池和水解酸化池；
所述一号缺氧池首端与原污水出口连接，所述水解酸化池首端连接有机废料出口，水解酸化池尾端连接一号缺氧池的首端；
所述一号缺氧池的尾端与厌氧池首端连接；
所述厌氧池尾端与二号缺氧池的首端连接，二号缺氧池的尾端与好氧池的首端连接；
所述好氧池的尾端有两路输出，一路将硝化液回流到二号缺氧池，另一路将污泥输出至沉淀池。
2.根据权利要求1所述的一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮系统，其特征在于：所述沉淀池尾端有两路污泥回流，一路污泥回流至水解酸化池，另一路污泥与水解后的有机废料混合再输出至一号缺氧池。
3.一种基于权利要求1-2任意一项所述的硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮系统的脱氮方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、将有机废料投入水解酸化池进行水解，将沉淀池中排出的污泥分别加入一号缺氧池和水解酸化池内，有机废料水解释放过量有机物和污泥一并通入一号缺氧池内，同时将原污水通入一号缺氧池，原污水中的硝酸盐氮被反硝化去除，难降解有机物残留在水中；
S2、随后将携带难降解有机物的污水通入厌氧池，难降解有机物水解为小分子有机物，有机废料的有机物进一步水解，未彻底去除的硝酸盐在厌氧池进一步被反硝化去除，原污水的凯氏氮转化为氨氮；
S3、接着将厌氧池排出的污水依次通入二号缺氧池和好氧池，污水在好氧池内进行硝化反应，将氨氮转化为亚硝酸盐和硝酸盐氮，同时将硝化液回流到二号缺氧池，硝酸盐氮与污水中残留的有机物进一步发生反硝化反应，硝酸盐氮进一步被去除；
S4、最后将好氧池中的污泥排出至沉淀池内进行沉淀，完成泥水分离，上清液排放，将污泥回流到一号缺氧池和有机废料水解酸化池中。
4.根据权利要求3所述的一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮方法，其特征在于：所述有机废料为农业废弃物或厨余发酵液，农业废弃物为粉碎后的玉米芯、稻草或麦秸。
5.根据权利要求3所述的一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮方法，其特征在于：所述沉淀池中污泥回流比约为100％，好氧池中硝化液回流比约为200～300％。
6.根据权利要求5所述的一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮方法，其特征在于：直接回流到一号缺氧池的污泥占总污泥回流流量的3/4～5/6。
7.根据权利要求3所述的一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮方法，其特征在于：所述厌氧池和水解酸化池内投加填料，以维持池内有附着污泥和悬浮污泥两种形态，且附着污泥浓度不少于5000mg/L，悬浮污泥浓度不少于3000mg/L。
8.根据权利要求7所述的一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮方法，其特征在于：厌氧池和水解酸化池内的悬浮污泥泥龄为30～40d。
9.根据权利要求3所述的一种硝酸盐工业废水的A3/O生物脱氮方法，其特征在于：所述好氧池内投加填料，该填料采用弹性填料，填料固定并悬挂于好氧池内。
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