CN112919736A - 厌氧脱氮与甲烷去除装置及方法、污水处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种厌氧脱氮与甲烷去除装置及方法、污水处理系统及方法，该厌氧脱氮与甲烷去除装置包括：厌氧反应器，内部接种有厌氧氨氧化污泥和反硝化型厌氧甲烷硝化污泥；进水泵，与所述厌氧反应器连通，用于向所述厌氧反应器内输送含有甲烷、氨氮和亚硝态氮的污水；其中，所述污水中的氨氮和亚硝态氮在厌氧氨氧化污泥的作用下转化为氮气和硝态氮，所述亚硝态氮和厌氧氨氧化产生的硝态氮在反硝化型厌氧甲烷氧化污泥的作用下转化为氮气，甲烷在反硝化型厌氧甲烷氧化污泥的作用下被去除。本发明还提供了厌氧脱氮与甲烷去除的方法、污水处理系统及方法。本发明解决了高氨氮污水无法得到有效处理的问题。

Description

厌氧脱氮与甲烷去除装置及方法、污水处理系统及方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及厌氧脱氮与甲烷去除装置及方法、污水处理系统及方法。
背景技术
随着社会的进步，城镇化和工业化的发展越来越快，国民生活水平提高的同时，污水的排放量也越来越大。其中，畜禽养殖污水、垃圾渗滤液、污泥消化液、皮革污水以及焦化污水等高氨氮污水因其排放量大、氨氮浓度高、处理难度高的特点，如果不加以高效的处理，极易造成严重的环境问题。因此，高氨氮污水处理技术一直是国内外水处理的焦点。目前，以前端厌氧发酵产甲烷结合后端传统硝化反硝化为核心工艺的高氨氮污水的主流处理技术，因存在的一些不足，导致了高氨氮污水无法得到有效处理，这些不足主要包括以下几个：
(1)因前端厌氧发酵产甲烷阶段和好氧阶段的处理，污水中的大部分有机物被去除，导致后端可被反硝化菌利用的有效碳源过低，反硝化作用无法充分进行，导致工艺出水总氮浓度高，脱氮效果差；
(2)因传统硝化反硝化脱氮工艺在硝化阶段需要大量曝气实现氨氮的转化和脱除，导致工艺的能耗和运行成本较高；
(3)因甲烷在水中有一定的溶解度，在厌氧产甲烷阶段之后溶解在出水中的甲烷会在后续的处理单元中释放出来，导致工艺的温室气体排放量较高；
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供厌氧脱氮与甲烷去除装置及方法、污水处理系统及方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种厌氧脱氮与甲烷去除装置，包括：厌氧反应器，内部接种有厌氧氨氧化污泥和反硝化型厌氧甲烷硝化污泥；进水泵，与所述厌氧反应器连通，用于向所述厌氧反应器内输送含有甲烷、氨氮和亚硝态氮的污水；其中，所述污水中的氨氮和亚硝态氮在厌氧氨氧化污泥的作用下转化为氮气和硝态氮，所述亚硝态氮和厌氧氨氧化产生的硝态氮在反硝化型厌氧甲烷氧化污泥的作用下转化为氮气，甲烷在反硝化型厌氧甲烷氧化污泥的作用下被去除。
作为本发明的第二个方面，还提供了一种利用上述厌氧脱氮与甲烷去除装置进行的污水处理方法，包括：将含有甲烷、氨氮和亚硝态氮的污水通过进水泵泵入厌氧反应器，甲烷被去除，同时氨氮和亚硝态氮转化成氮气。
作为本发明的第三个方面，还提出一种污水处理系统，包括：缺氧短程硝化装置，包括：缺氧反应器，内部接种有短程硝化污泥；进水泵，与所述缺氧反应器连通，用于向所述缺氧反应器内部输送含有氨氮、甲烷的污水；曝气单元，位于所述缺氧反应器内，用于向所述缺氧反应器内持续通入空气，以提供缺氧环境；以及隔离单元，用于分离所述缺氧反应器产生的含亚硝态氮的泥水混合物中的污泥；其中，所述污水中的氨氮在所述缺氧环境中，在短程硝化污泥的作用下转化为亚硝态氮；以及所述厌氧脱氮与甲烷去除装置，分别和所述缺氧短程硝化装置的进水口和出水口连接，用于接收含有氨氮、甲烷的污水和含有亚硝态氮的污水并混合后，将所述亚硝态氮和氨氮转化为氮气，并且将甲烷去除。
作为本发明的第四个方面，还提出一种污水处理系统的使用方法，包括：将含有氨氮、甲烷的污水通过进水泵泵入缺氧短程硝化装置，以使污水中的氨氮转化为含亚硝态氮的污水；将含有氨氮、甲烷的污水和所述缺氧短程硝化装置输出的含亚硝态氮的污水泵入厌氧脱氮与甲烷去除装置，将所述亚硝态氮和氨氮转化为氮气，并且将甲烷去除。
从上述技术方案可以看出，本发明的厌氧脱氮与甲烷去除装置及方法、污水处理系统及方法具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本发明的厌氧脱氮与甲烷去除装置及方法中，通过厌氧氨氧化的引入，减少了脱氮过程中碳源的需求，再配合反硝化型甲烷厌氧氧化的引入，实现了甲烷和氮的同时去除，从而有效减少了温室气体的排放和氮的强化脱除。
(2)本发明的污水处理系统及方法中，通过短程硝化反应的引入，一方面大幅减少了工艺的曝气量，从而节省了运行成本，另一方面与厌氧脱氮与甲烷去除相耦合，强化脱氮效果。
附图说明
图1是本发明的实施例污水处理系统的示意图。
附图标记说明
1 进水泵
2 甲烷收集和储存装置
3 厌氧反应池
4 进水泵
5 缺氧反应器
6 污泥回流泵
7 曝气装置
8 进水泵
9 沉淀池
10 进水泵
11 气体回流装置
12 厌氧反应器
13 填料
14 进水泵
具体实施方式
在实现本发明的过程中，发现在同一厌氧反应器中同时接种厌氧氨氧化污泥和反硝化型厌氧甲烷氧化污泥，可以在强化脱氮效果的同时，去除甲烷，由此提出一种高氨氮污水强化脱氮、低成本运行与温室气体高效减排的系统和方法。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
根据本发明的实施例，提供了一种厌氧脱氮与甲烷去除装置，包括：厌氧反应器，内部接种有厌氧氨氧化污泥和反硝化型厌氧甲烷硝化污泥；进水泵，与所述厌氧反应器连通，用于向所述厌氧反应器内输送含有甲烷、氨氮和亚硝态氮的污水；其中，所述污水中的氨氮和亚硝态氮在厌氧氨氧化污泥的作用下转化为氮气和硝态氮，所述亚硝态氮和厌氧氨氧化产生的硝态氮在反硝化型厌氧甲烷氧化污泥的作用下转化为氮气，甲烷在反硝化型厌氧甲烷氧化污泥的作用下被去除。从而有效减少了温室气体的排放和氮的强化去除。
根据本发明的实施例，厌氧反应器为上流式厌氧污泥床(USAB)、厌氧折流板反应器(ABR)、厌氧生物膜反应器、厌氧颗粒污泥反应器(EGSB)、内循环厌氧反应器或黑膜/红膜沼气池。厌氧反应器其内部还包括填料，用于负载所述厌氧氨氧化污泥和反硝化型厌氧甲烷硝化污泥，所述填料选自固定式醛化维纶软性填料、PE环片半软性填料固定填料、PE环片和醛化维纶组合填料、PP弹性丝固定填料、醛化维纶丝花束、PP宽扁丝带悬浮填料、斜悬式多孔悬浮填料、梅花环悬浮填料或鲍尔环悬浮填料。从而实现微生物的附着，增加生物量。
根据本发明的实施例，污水中还含有含碳有机物，所述厌氧反应器内部还接种有发酵产甲烷污泥，用于将所述含碳有机物转化为甲烷；由此在实现对污水中剩余含碳有机物去除的同时，转化的甲烷能够被反硝化型厌氧甲烷硝化污泥去除。
根据本发明的实施例，厌氧脱氮与甲烷去除装置还包括气体回流装置，分别与所述厌氧反应器的顶部和底部连通，用于将位于厌氧反应器顶部的甲烷气体回流至所述厌氧反应器的底部并进入厌氧反应器中。气体回流装置对厌氧反应器中剩余的甲烷和新产生的甲烷的回流强化了甲烷的减排，气体的回流也可通过出水回流等其他形式实现。
根据本发明的实施例，还提供一种利用厌氧脱氮与甲烷去除装置进行的污水处理方法，包括：将含有甲烷、氨氮和亚硝态氮的污水通过进水泵泵入厌氧反应器，甲烷被去除，同时氨氮和亚硝态氮转化成氮气。
根据本发明的实施例，提供一种污水处理系统，包括：缺氧短程硝化装置，包括：缺氧反应器，内部接种有短程硝化污泥；进水泵，与所述缺氧反应器连通，用于向所述缺氧反应器内部输送含有氨氮、甲烷的污水；曝气单元，位于所述缺氧反应器内，用于向所述缺氧反应器内持续通入空气，以提供缺氧环境；以及隔离单元，用于分离所述缺氧反应器产生的含亚硝态氮的泥水混合物中的污泥；其中，所述污水中的氨氮在所述缺氧环境中，在短程硝化污泥的作用下转化为亚硝态氮；以及厌氧脱氮与甲烷去除装置，分别和所述缺氧短程硝化装置的进水口和出水口连接，用于接收含有氨氮、甲烷的污水和含有亚硝态氮的污水并混合后，将所述亚硝态氮和氨氮转化为氮气，并且将甲烷去除。
根据本发明的实施例，隔离单元为在缺氧反应器后设置的沉淀池，或者在缺氧反应器内置的沉淀池；缺氧反应器和隔离单元还可以被膜生物反应器替代。本发明通过隔离单元的设置实现了反应池内污泥与其他单元的隔离。
根据本发明的实施例，其中，污水处理系统还包括厌氧发酵产甲烷装置，包括：厌氧反应池，接种有厌氧发酵污泥；以及进水泵，与所述厌氧反应池连通，用于将含有含氮有机物、含碳有机物的污水输送至厌氧反应池内部；其中，所述污水中的含碳有机物在所述厌氧发酵污泥的作用下转化成甲烷，所述污水中的含氮有机物在所述厌氧发酵污泥的作用下转化为氨氮；厌氧发酵产甲烷装置分别与所述缺氧短程硝化装置和厌氧脱氮与甲烷去除装置连接，用于将含氨氮、甲烷的污水分别输送至所述缺氧短程硝化装置和所述厌氧脱氮与甲烷去除装置。
根据本发明的实施例，厌氧发酵产甲烷装置还包括甲烷收集及储存单元，设置于所述厌氧反应池的顶部，用于将产生的甲烷气体收集并储存。
由此，上述污水的处理系统包括三个单元：利用厌氧发酵产甲烷装置进行的厌氧发酵产甲烷单元、利用缺氧短程硝化装置进行的缺氧短程硝化单元和利用厌氧脱氮与甲烷去除装置进行的厌氧强化脱氮与甲烷去除单元。厌氧发酵产甲烷单元主要包括：进水泵、厌氧发酵池和甲烷收集和储存装置；缺氧短程硝化单元主要包括：进水泵、曝气装置、污泥回流泵和厌氧反应池；厌氧强化脱氮与甲烷去除单元主要包括：进水泵、气体回流装置、出水泵、填料和厌氧反应池。通过这三个单元，将高氨氮污水强化脱氮、低成本运行与温室气体高效减排相结合。
根据本发明的实施例，提供一种污水处理系统的使用方法，包括：将含有氨氮、甲烷的污水通过进水泵泵入缺氧短程硝化装置，以使污水中的氨氮转化为含亚硝态氮的污水；将含有氨氮、甲烷的污水和所述缺氧短程硝化装置输出的含亚硝态氮的污水泵入厌氧脱氮与甲烷去除装置，将所述亚硝态氮和氨氮转化为氮气，并且将甲烷去除。
根据本发明的实施例，通过调节曝气装置的曝气流量将缺氧反应器中的溶解氧控制在0.5-1.5mg/L；本实施例中缺氧短程硝化单元的短程硝化反应的稳定维持关键在于缺氧反应器溶解氧控制在0.5-1.5mg/L、缺氧反应器内形成的游离亚硝酸对亚硝酸氧化细菌的抑制以及反应池内污泥与其他单元隔离三种手段的结合。
根据本发明的实施例，输送至所述缺氧短程硝化装置的含有甲烷和氨氮污水水量为输送至所述缺氧短程硝化装置和厌氧脱氮与甲烷去除装置的总水量的二分之一到三分之二。厌氧反应器中氨氮和亚硝态氮的底物分别有厌氧硝化产甲烷单元和缺氧短程硝化单元提供，这个比例的适合是实现氮高效脱除的关键。
以下列举具体实施例来对本发明的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。
实施例
下面结合图1以养猪场实际生产的高氨氮污水为例，来对本发明作进一步说明。
本实施例中实验用水为养猪场实际生产的高氨氮污水，其氨氮浓度为600±50mg/L，COD浓度为2000±500mg/L。具体过程如下：
(1)将厌氧发酵产甲烷单元的厌氧反应池3中接种成熟的厌氧发酵污泥，将高氨氮废水通过进水泵1泵入厌氧反应池3，高氨氮废水中的含碳有机物在厌氧发酵污泥中产甲烷菌的作用下转化为甲烷被甲烷收集和储存装置2收集储存。高氨氮废水中蛋白质等大分子含氮有机物在污泥中氨化菌的作用下转化为氨氮。其中本实施例中的厌氧反应池3为上流式厌氧污泥床(UASB)。
(2)在缺氧短程硝化单元的缺氧反应器5中接种成熟的短程消化污泥，将含高浓度氨氮的厌氧发酵产甲烷单元的部分出水(总水量的二分之一到三分之二)通过进水泵4泵入缺氧反应器5。同时曝气装置7将空气持续通入缺氧反应器5，通过调节曝气装置7的曝气流量将缺氧反应器5中的溶解氧控制在0.5-1.5mg/L。污水中的氨氮在氨氧化菌的作用下，利用氧气转化为亚硝酸氮。含有高浓度亚硝酸氮的泥水混合物通过进水泵8泵入到沉淀池9进行泥水分离，沉淀的污泥通过污泥回流泵6回流到缺氧反应器5，上清液进入都后续的厌氧强化脱氮与甲烷去除单元进行下一步处理。
(3)在厌氧强化脱氮与甲烷去除单元的厌氧反应器12中接种成熟的发酵产甲烷污泥、厌氧氨氧化污泥和反硝化型厌氧甲烷氧化污泥，其中本实施例中的厌氧反应器12为上流式厌氧污泥床(UASB)，内部设置有填料13以固定接种的污泥，填料13为固定式醛化维纶软性填料。将厌氧发酵产甲烷单元的含高浓度氨氮的另一部分出水通过进水泵14泵入厌氧反应器12，将缺氧短程硝化单元的含亚硝酸氮的出水通过进水泵10泵入厌氧反应器12。污水中在厌氧发酵产甲烷单元和缺氧短程硝化单元剩余的含碳有机物在发酵产甲烷污泥的作用下，转化为甲烷。产生的甲烷一部分溶解于污水中，一部分从污水中释放出来，通过气体回流装置11回流到厌氧反应器12。来自于缺氧短程硝化单元的含有高浓度亚硝酸氮的污水在气体回流装置11的回流管中与气体混合后，与来自于厌氧发酵产甲烷单元的含有高浓度氨氮的出水以相同的水量比例混合后一起从厌氧反应器的底部进入厌氧反应器12。污水中的氨氮和亚硝态氮在厌氧氨氧化菌的作用下转化为氮气和硝态氮；污水中的亚硝态氮和厌氧氨氧化产生的硝态氮与污水中溶解的甲烷在反硝化型厌氧甲烷氧化菌的作用下转化为氮气。最终，废水中的氮实现强化脱除，废水中溶解的温室气体甲烷实现有效去除。
长期实验结果表明：本发明这种高氨氮废水处理的系统和方法在长达1年的运行结果表明，在进水氨氮浓度为600±50mg/L，COD浓度为2000±500mg/L时，系统对COD的去除率、氨氮和总氮的去除率可以分别达到91％、91％和83％以上，同时可以减少出水中87％以上的甲烷，通过减少曝气和碳源投加减少的总运行成本达63％以上。此结果说明，使用本发明的装系统和方法可以实现高氨氮废水强化脱氮、低成本运行与温室气体高效减排。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种厌氧脱氮与甲烷去除装置，包括：
厌氧反应器，内部接种有厌氧氨氧化污泥和反硝化型厌氧甲烷硝化污泥；
进水泵，与所述厌氧反应器连通，用于向所述厌氧反应器内输送含有甲烷、氨氮和亚硝态氮的污水；
其中，所述污水中的氨氮和亚硝态氮在厌氧氨氧化污泥的作用下转化为氮气和硝态氮，所述亚硝态氮和厌氧氨氧化产生的硝态氮在反硝化型厌氧甲烷氧化污泥的作用下转化为氮气，甲烷在反硝化型厌氧甲烷氧化污泥的作用下被去除。
2.如权利要求1所述的厌氧脱氮与甲烷去除装置，其中，所述厌氧反应器为上流式厌氧污泥床、厌氧折流板反应器、厌氧生物膜反应器、厌氧颗粒污泥反应器、内循环厌氧反应器或黑膜/红膜沼气池；
所述厌氧反应器其内部还包括填料，用于负载所述厌氧氨氧化污泥和反硝化型厌氧甲烷硝化污泥，所述填料选自固定式醛化维纶软性填料、PE环片半软性填料固定填料、PE环片和醛化维纶组合填料、PP弹性丝固定填料、醛化维纶丝花束、PP宽扁丝带悬浮填料、斜悬式多孔悬浮填料、梅花环悬浮填料或鲍尔环悬浮填料。
3.如权利要求1所述的厌氧脱氮与甲烷去除装置，其中，所述污水中还含有含碳有机物，所述厌氧反应器内部还接种有发酵产甲烷污泥，用于将所述含碳有机物转化为甲烷；
所述厌氧脱氮与甲烷去除装置还包括气体回流装置，分别与所述厌氧反应器的顶部和底部连通，用于将位于厌氧反应器顶部的甲烷气体回流至所述厌氧反应器的底部并进入厌氧反应器中。
4.一种利用如权利要求1-3中任一项所述的厌氧脱氮与甲烷去除装置进行的污水处理方法，包括：
将含有甲烷、氨氮和亚硝态氮的污水通过进水泵泵入厌氧反应器，甲烷被去除，同时氨氮和亚硝态氮转化成氮气。
5.一种污水处理系统，包括：
缺氧短程硝化装置，包括：
缺氧反应器，内部接种有短程硝化污泥；
进水泵，与所述缺氧反应器连通，用于向所述缺氧反应器内部输送含有氨氮、甲烷的污水；
曝气单元，位于所述缺氧反应器内，用于向所述缺氧反应器内持续通入空气，以提供缺氧环境；以及
隔离单元，用于分离所述缺氧反应器产生的含亚硝态氮的泥水混合物中的污泥；
其中，所述污水中的氨氮在所述缺氧环境中，在短程硝化污泥的作用下转化为亚硝态氮；以及
如权利要求1至3中任一项所述的厌氧脱氮与甲烷去除装置，分别和所述缺氧短程硝化装置的进水口和出水口连接，用于接收含有氨氮、甲烷的污水和含有亚硝态氮的污水并混合后，将所述亚硝态氮和氨氮转化为氮气，并且将甲烷去除。
6.如权利要求5所述的污水处理系统，其中，所述隔离单元为在所述缺氧反应器后设置的沉淀池，或者在所述缺氧反应器内置的沉淀池；所述缺氧反应器和隔离单元还可以被膜生物反应器替代。
7.如权利要求5所述的污水处理系统，其中，所述污水处理系统还包括厌氧发酵产甲烷装置，包括：
厌氧反应池，接种有厌氧发酵污泥；以及
进水泵，与所述厌氧反应池连通，用于将含有含氮有机物、含碳有机物的污水输送至厌氧反应池内部；
其中，所述污水中的含碳有机物在所述厌氧发酵污泥的作用下转化成甲烷，所述污水中的含氮有机物在所述厌氧发酵污泥的作用下转化为氨氮；
所述厌氧发酵产甲烷装置分别与所述缺氧短程硝化装置和厌氧脱氮与甲烷去除装置连接，用于将含氨氮、甲烷的污水分别输送至所述缺氧短程硝化装置和所述厌氧脱氮与甲烷去除装置。
8.如权利要求7所述的污水处理系统，其中，所述厌氧发酵产甲烷装置还包括甲烷收集及储存单元，设置于所述厌氧反应池的顶部，用于将产生的甲烷气体收集并储存。
9.一种如权利要求5至8中任一项所述的污水处理系统的使用方法，包括：
将含有氨氮、甲烷的污水通过进水泵泵入缺氧短程硝化装置，以使污水中的氨氮转化为含亚硝态氮的污水；
将含有氨氮、甲烷的污水和所述缺氧短程硝化装置输出的含亚硝态氮的污水泵入厌氧脱氮与甲烷去除装置，将所述亚硝态氮和氨氮转化为氮气，并且将甲烷去除。
10.如权利要求9中所述污水系统的使用方法，其中，通过调节曝气装置的曝气流量将缺氧反应器中的溶解氧控制在0.5-1.5mg/L；输送至所述缺氧短程硝化装置的含有甲烷和氨氮污水水量为输送至所述缺氧短程硝化装置和厌氧脱氮与甲烷去除装置的总水量的二分之一到三分之二。
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