CN112939335A - 一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污水处理脱氮技术领域，公开了一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统及方法，系统包括进水智能分析单元、异养深度脱氮单元、自养深度脱氮单元、自适应驱氮反洗单元、智慧药剂投加单元。本系统运用多种污水控制手段，先通过异养型的反硝化细菌利用污水中的有机物将部分硝态氮代谢还原为氮气，再通过自养型的硫自养菌将污水中剩余的硝态氮代谢还原，最终污水完成双重的联合脱氮。本发明可在污水深度处理中进一步脱除总氮，一方面有效利用尾水中的剩余碳源，一方面利用自养脱氮，无需投加有机碳源，是一种运行成本低、出水TN控制稳定、占地面积小的智能深度脱氮系统。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理脱氮技术领域，公开了一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统及方法。
背景技术
随着我国农业生产的发展，工业化进程的加快，污水排放总量的不断增加，以及化肥、合成洗涤剂和农药的广泛应用，环境污染问题日益加剧，尤其是水污染问题更为突出。生活污水及某些工业废水中都含有一定的氮，特别是煤加压气化废水、焦化废水、氮肥废水等。大量未经处理或未经适当处理的含氮的各种废水排入江河，会给环境造成严重的破坏，如造成水体的富营养化、增加给水处理的困难、消耗水体中的氧气、对人及生物有毒害作用等。随着氮素污染问题的日趋尖锐化以及公众环境意识的增强，越来越多的国家和地区都制定了严格的氮素限制和排放标准，对脱氮技术的发展提出了更为迫切的要求。
异养反硝化技术是利用水体中的有机物作为电子供体，将水体中的NO3 -最终转化为N2。因此，有机碳源含量就成为异养反硝化反应能否顺利进行的主要限制因素，当有机碳源不足时，反硝化反应不充分，NO3 -不能够被有效的去除。自养反硝化主要是指依靠无机物(比如氢气、硫、还原性铁)作为电子供体，以无机碳化合物(比如CO2、HCO3 -)作为碳源的氧化还原反应中释放出来的能量来脱氮。单一的异养反硝化技术需大量投加外来碳源，运行成本高，单一的自养反硝化技术耐冲击负荷能力差，出水不稳定。
发明内容
本发明的目的是有效利用尾水中的剩余碳源，智能控制反应条件，提出一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统及方法，具有运行成本低、出水TN控制稳定等优点。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统，包括进水智能分析单元、异养深度脱氮单元、自养深度脱氮单元、自适应驱氮反洗单元、智慧药剂投加单元、PLC控制器；
所述进水智能分析单元采集进水水质参数和水位信息并发送给PLC控制器，实现对异养深度脱氮单元、自养深度脱氮单元的运行参数进行调整；
所述异养深度脱氮单元利用其进水中碳源对进水进行异养反硝化处理；
所述自养深度脱氮单元对异养深度脱氮单元的出水进行硫自养反硝化处理；
所述自适应驱氮反洗单元采集异养深度脱氮单元、自养深度脱氮单元的压力分时差、溶解氧和氧化还原电位信息并发送给PLC控制器，还提供一套异养深度脱氮单元和自养深度脱氮单元共用的驱氮水泵和反洗风机，实现异养深度脱氮单元、自养深度脱氮单元的驱氮反洗运行参数的自适应调整；
所述PLC控制器根据pH值和NO3 --N去除率控制所述智慧药剂投加单元向自养深度脱氮单元投加碳酸钠和硫粉。
进一步的，所述进水智能分析单元包括设置于异养深度脱氮单元内的pH仪，设置于自养深度脱氮单元内的pH仪，设置于异养深度脱氮单元进水侧的硝氮测定仪、液位计和pH仪，设置于自养深度脱氮单元出水侧的硝氮测定仪；pH仪、硝氮测定仪、液位计均与PLC控制器连接。
进一步的，所述异养深度脱氮单元、自养深度脱氮单元均为单独设置的高塔滤池，滤池中部设置有承托层和滤料层，所述的滤料层位于承托层之上，滤料层适宜生物膜的生长和硫粉的均匀分布。
进一步的，所述滤料为陶瓷滤料，其比表面积为1m2/g以上，堆积空隙率≥40％，堆积密度在800～1100kg/m3。
进一步的，所述异养深度脱氮单元与自养深度脱氮单元均配置有内回流泵，内回流泵与PLC控制器连接。
进一步的，所述异养深度脱氮单元与自养深度脱氮单元均配置有氧化还原电位分析仪、压差分析仪和溶解氧分析仪，均与PLC控制器连接。
进一步的，所述智慧药剂投加单元包括碳酸钠加药装置、硫粉悬浊液加药装置和硫粉混合器，碳酸钠加药装置、硫粉悬浊液加药装置与硫粉混合器的连接管路上分别设置控制阀门，控制阀门与PLC控制器连接。
一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮方法，包括如下步骤：
步骤1：将经过好氧处理，且ph为6～9，TN≤25mg/L的污水输入异养深度脱氮单元进行异养反硝化处理，污水与异养反硝化生物滤料的有效接触时间为2～6h；
步骤2：将异养深度脱氮单元出水输入自养深度脱氮单元进行硫自养反硝化处理，当自养深度脱氮单元进水的pH低于6时，向污水中投加浓度为5％～10％的碳酸钠溶液，使污水pH维持在中性状态；污水与硫自养反硝化生物滤料的有效接触时间为1～2h；
步骤3：检测自养深度脱氮单元出水的NO3 --N含量，如果出水NO3 --N浓度高于4.5mg/L，则向自养深度脱氮单元内污水中投加浓度为2.5％-3.5％的硫粉溶液；
步骤4：异养深度脱氮单元的部分出水和硫自养反硝化生物滤池的部分出水分别回流，使异养反硝化生物滤池的进水流量为0.4～1.2m3/h，异养反硝化生物滤池内上升流为5～10m/h，硫自养反硝化生物滤池内上升流为3～7m/h；
步骤5：当运行过程中异养反硝化生物滤池或硫自养反硝化生物滤池压力分时差高于0.01MPa时，自适应驱氮反洗单元对异养深度脱氮单元和自养深度脱氮单元进行反冲洗。
本发明具有以下有益效果：
本系统运用多种污水控制手段，先通过异养型的反硝化细菌利用污水中的有机物将部分硝态氮代谢还原为氮气，再通过自养型的硫自养菌将污水中剩余的硝态氮代谢还原，最终污水完成双重的联合脱氮。本系统在不投加二次碳源的情况下，充分利用尾水中原有可降解有机物。即污水先在异养滤池内，经反硝化细菌利用尾水中原有的有机物作为电子受体，之后通过向自氧滤池内添加硫粉悬浊液，污水中剩余部分硝氮得以在自氧滤池中进行硫自养反硝化反应，完成进一步的脱氮处理。异养和自养深度脱氮单元均采用节约占地的塔式滤池。是一种运行成本低、出水TN控制稳定、占地面积小的智能深度脱氮系统。解决了单一的异养反硝化技术运行成本高和单一的自养反硝化技术耐冲击负荷能力差的问题，同时解决了污水处理厂升级改造用地紧张问题，适用于污水尾水深度脱氮处理的推广应用。
本发明涉及的反硝化生物原理：
生物法是目前普遍应用的深度脱氮技术。生物脱氮的主要优点是脱氮效率高、工艺流程简单和成本低。由于本发明采用水源为经过好氧处理后的污水，水中大部分氨氮已转化为硝态氮，只剩余部分未被处理的硝态氮进入深度处理系统。因此本专利主要围绕生物反硝化脱氮处理技术。
生物反硝化分为异养反硝化和自养反硝化。
异养反硝化是目前应用比较普遍的脱氮工艺，异养反硝化技术是利用水体中的有机物作为电子供体，将水体中的NO3 -最终转化为N2。因此，有机碳源含量就成为异养反硝化反应能否顺利进行的主要限制因素，当有机碳源不足时，反硝化反应不充分，NO3 -不能够被有效的去除。在实际应用中，大部分受NO3 -污染的水中，如地下水、硝化生活污水、工业废水等，有机碳的含量都较低，难以满足异养反硝化过程的碳源要求，导致生物反硝化过程受到限制。因此，为了提高异养反硝化的效率，通常需要外部添加碳源。这样就会带来较高的运行成本，有机碳源投加过量还造成出水的二次污染、高处理成本以及副产物NH4 +-N的生成等，投加量不足，脱氮达不到理想的效果。同时，当进水NO3 -含量波动较大时，很难控制碳源的投加量，且存在出水浊度高、微生物残留、反应器易堵塞和剩余污泥的处理等问题，难以满足水处理要求。
基于异养反硝化的脱氮技术，自氧反硝化具有高效脱氮率，工艺路线简单成熟，所以被广泛用于废水生物脱氮领域。自养反硝化主要是指依靠无机物(比如氢气、硫、还原性铁)作为电子供体，以无机碳化合物(比如CO2、HCO3 -)作为碳源的氧化还原反应中释放出来的能量来脱氮。由于氢气在水中的溶解度比较低，从而导致其利用效率低，并且氢气为易爆易燃物，运输储存也不方便，生产成本较高；铁自养反硝化随着反应的进行会在铁表面形成一层钝化膜，影响传质效率，而且反硝化产物往往是NH4 +，并未达到完全反硝化的目的；而硫自养反硝化是指某些专性无机化能自养型的硫杆菌属，在无氧或缺氧的环境下利用硫代硫酸盐(S2O3 2-)、单质硫(S)、硫化物(S2-)等为电子供体，以硝酸盐为电子受体将硝氮(NO3 -)还原为氮气(N2)同时将硫氧化为硫酸盐的自养反硝化过程。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图中各个标号的含义为：1、进水水箱；2、异养深度脱氮单元；3、自养深度脱氮单元；4、自适应驱氮反洗单元；5、智慧药剂投加单元；6、中间进水水箱；7、硫粉混合器；8、出水水箱；9、碳酸钠加药装置；10、硫粉悬浊液加药装置。
图2为本发明的滤池结构图；
图中各个标号的含义为：1、进水口；2、出水口；3、回流出口；4、回流进口；5、反冲洗出口；6、水洗进口；7、气洗进口；8、滤板；9、滤头；10、滤料承托层；11、滤料层；12、出水渠。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括依次连接的进水水箱1、异养深度脱氮单元2、中间进水水箱6、硫粉混合器7、自养深度脱氮单元3和出水水箱8。进水水箱1内设置硝氮测定仪、液位计、pH仪。异养深度脱氮单元2内设置pH仪、氧化还原电位分析仪、溶解氧分析仪、压差分析仪。中间进水水箱6内设置液位计。自养深度脱氮单元3内设置pH仪、氧化还原电位分析仪、溶解氧分析仪、压差分析仪。出水水箱8内设置硝氮测定仪。
实施例1
培菌驯化阶段：使用异养深度脱氮单元和自养深度脱氮单元进行微生物培养，采用的微生物取自菌种，使用含氮废水来培养启动。异养深度脱氮单元培养的是异养菌种，用于消耗尾水中剩余部分可降解含碳有机物；自养深度脱氮单元培养的是硫自养菌种，用于进一步脱氮。
污泥经过两周左右培养后，在自养深度脱氮单元中投加硫进行富集培养，驯化培养出具有自养特性的反硝化污泥。培养期间，每隔两天添加一次营养液并更换一次上清液，营养液主要成分为废水混合碳酸钠、硫溶液，驯化时间为14d左右，经测定出水NO3-N低于2mg/L，认为完成自养反硝化污泥的定向驯化。
正常运行阶段：培菌驯化完成后进入正常运行阶段。
调节进水提升泵的频率，使得进水流量为0.2m3/h，含氮废水在异养深度脱氮单元中进行异养反硝化，在自养深度脱氮单元中进行硫自养反硝化。
调节回流泵进水流量为0.4～1.2m3/h，控制异养深度脱氮单元内上升流为5～10m/h，自养深度脱氮单元内上升流为3～7m/h。
当pH仪检测到自养深度脱氮单元内进水pH低于6时，智慧药剂投加单元向自养深度脱氮单元中投加碳酸钠。投加碳酸钠的作用，是平衡产酸反应，使自养深度脱氮单元内pH维持在中性状态，利于硫自养菌生长与繁殖。
检测自养深度脱氮单元出水的NO3 --N含量，如果出水NO3 --N浓度高于4.5mg/L，智慧药剂投加单元向硫自氧滤池中投加硫粉溶液，为硫自养菌持续提供营养源。所述的硫粉溶液配制浓度为2.5％—3.5％。
驱氮反洗阶段：当运行过程中异养深度脱氮单元或自养深度脱氮单元水头损失高于0.01MPa时，会自动进入反冲洗。PLC控制器会自动关闭滤池进水阀门，打开反洗水泵阀门，启动反洗水泵，对滤池进行反洗，实现滤池驱氮反洗运行的自动控制。反洗结束后自动进入正常运行阶段。
实施例2
本系统的水处理工艺步骤为：二级生化处理后的污水先进入进水水箱1中，当进水智能分析单元判断集水箱液位较高时，启动提升泵，将污水打入异养深度脱氮单元，直到进水水箱1液位重新处于较低时停止。
进入异养深度脱氮单元的污水与经过硫自养反硝化后的自养深度脱氮单元出水按照回流比进入异养深度脱氮单元底部，先通过其底部的配水滤头，之后均匀的与填料上的生物膜接触，这时异养细菌利用进水中的有机物作为碳源将进水中的部分NO3 --N转化为N2，实现异养反硝化脱氮。之后污水经异养深度脱氮单元上的集水槽收集后，自流进入中间进水水箱6。
当进水智能分析单元判断中间进水水箱6液位较高时，启动二次提升泵，将污水打入自养深度脱氮单元，直到中间进水水箱6液位重新处于较低时停止。
进入自养深度脱氮单元的污水与经过硫自养反硝化后的自养深度脱氮单元出水按照回流比及硫粉悬浊液在硫粉混合器中混合后进入自养深度脱氮单元底部，先通过其底部的配水滤头，之后均匀的与填料上的生物膜接触，这时自养细菌利用单质硫(S)为电子供体，以硝酸盐为电子受体将硝氮NO3 --N还原为氮气N2，实现自养反硝化脱氮。之后污水经自养深度脱氮单元上的集水槽收集后，自流进入出水水箱。
本系统的进水水质要求为：TN≤25mg/L。经本系统处理后的出水的水质：TN≤5mg/L。
Claims (8)
1.一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统，其特征在于，包括进水智能分析单元、异养深度脱氮单元、自养深度脱氮单元、自适应驱氮反洗单元、智慧药剂投加单元、PLC控制器；
所述进水智能分析单元采集进水水质参数和水位信息并发送给PLC控制器，实现对异养深度脱氮单元、自养深度脱氮单元的运行参数进行调整；
所述异养深度脱氮单元利用其进水中碳源对进水进行异养反硝化处理；
所述自养深度脱氮单元对异养深度脱氮单元的出水进行硫自养反硝化处理；
所述自适应驱氮反洗单元采集异养深度脱氮单元、自养深度脱氮单元的压力分时差、溶解氧和氧化还原电位信息并发送给PLC控制器，还提供一套异养深度脱氮单元和自养深度脱氮单元共用的驱氮水泵和反洗风机，实现异养深度脱氮单元、自养深度脱氮单元的驱氮反洗运行参数的自适应调整；
所述PLC控制器根据pH值和NO3 --N去除率控制所述智慧药剂投加单元向自养深度脱氮单元投加碳酸钠和硫粉。
2.根据权利要求1所述的一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统，其特征在于，所述进水智能分析单元包括设置于异养深度脱氮单元内的pH仪，设置于自养深度脱氮单元内的pH仪，设置于异养深度脱氮单元进水侧的硝氮测定仪、液位计和pH仪，设置于自养深度脱氮单元出水侧的硝氮测定仪；pH仪、硝氮测定仪、液位计均与PLC控制器连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统，其特征在于，所述异养深度脱氮单元、自养深度脱氮单元均为单独设置的高塔滤池，滤池中部设置有承托层和滤料层，所述的滤料层位于承托层之上，滤料层适宜生物膜的生长和硫粉的均匀分布。
4.根据权利要求3所述的一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统，其特征在于，所述滤料为陶瓷滤料，其比表面积为1m2/g以上，堆积空隙率≥40％，堆积密度在800～1100kg/m3。
5.根据权利要求1所述的一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统，其特征在于，所述异养深度脱氮单元与自养深度脱氮单元均配置有内回流泵，内回流泵与PLC控制器连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统，其特征在于，所述异养深度脱氮单元与自养深度脱氮单元均配置有氧化还原电位分析仪、压差分析仪和溶解氧分析仪，均与PLC控制器连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮系统，其特征在于，所述智慧药剂投加单元包括碳酸钠加药装置、硫粉悬浊液加药装置和硫粉混合器，碳酸钠加药装置、硫粉悬浊液加药装置与硫粉混合器的连接管路上分别设置控制阀门，控制阀门与PLC控制器连接。
8.一种基于异养和自养联合处理的深度脱氮方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将经过好氧处理，且ph为6～9，TN≤25mg/L的污水输入异养深度脱氮单元进行异养反硝化处理，污水与异养反硝化生物滤料的有效接触时间为2～6h；
步骤2：将异养深度脱氮单元出水输入自养深度脱氮单元进行硫自养反硝化处理，当自养深度脱氮单元进水的pH低于6.5时，向污水中投加浓度为5％～10％的碳酸钠溶液，使污水pH维持在中性状态；污水与硫自养反硝化生物滤料的有效接触时间为1～2h；
步骤3：检测自养深度脱氮单元进水和出水的NO3 --N含量，如果出水NO3 --N浓度高于4.5mg/L，则向自养深度脱氮单元内污水中投加浓度为2.5％-3.5％的硫粉溶液；
步骤4：异养深度脱氮单元的部分出水和硫自养反硝化生物滤池的部分出水分别回流，使异养反硝化生物滤池的进水流量为0.4～1.2m3/h，异养反硝化生物滤池内上升流为5～10m/h，硫自养反硝化生物滤池内上升流为3～7m/h；
步骤5：当运行过程中异养反硝化生物滤池或硫自养反硝化生物滤池压力分时差高于0.01MPa时，自适应驱氮反洗单元对异养深度脱氮单元或自养深度脱氮单元进行反冲洗。
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