CN113024032B - 一种短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-mbr-硫自养反硝化脱氮工艺及系统 - Google Patents

一种短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-mbr-硫自养反硝化脱氮工艺及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化‑MBR‑硫自养反硝化脱氮工艺及系统。该工艺包括：废水依次经过短程反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺、短程硝化工艺、缺氧MBR工艺和硫自养反硝化工艺；缺氧MBR工艺利用短程反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺产生的氮气进行循环曝气，缺氧MBR工艺中的硝化液回流至短程反硝化工艺。该系统包括依次连接的短程反硝化罐、厌氧氨氧化罐、短程硝化池、封闭式缺氧MBR池和硫自养反硝化滤池；封闭式缺氧MBR池包括与短程反硝化罐和厌氧氨氧化罐的氮气出口连接的循环曝气装置，封闭式缺氧MBR池通过硝化液回流管与短程反硝化罐连接。

Description

一种短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱 氮工艺及系统
技术领域
本发明涉及废水脱氮技术领域，具体涉及一种短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺及系统。
背景技术
随着社会工业化进程的发展，人类生活水平逐渐提高，由人为活动产生的大量含氮废水排入河流等自然水体，破坏生态系统平衡，导致水体富营养化使水质逐渐恶化。
目前采用的传统脱氮工艺为A/O工艺，影响传统脱氮工艺关键因素在于是反硝化过程中碳源的消耗量大。在新型脱氮工艺中，厌氧氨氧化工艺对废水中NO2 --N和NH4 +-N比例要求严格，NO2 --N/NH4 +-N接近于1.0是厌氧氨氧化反应顺利进行的前提，并且脱氮能力有限，总氮(TN)的去除效率最高约为89％。短程硝化反硝化技术在脱氮过程中能够有效节约药耗和能耗，理论上耗氧量节约25％左右，碳源节约40％左右，但是对反应条件的控制有严格要求，难以实现稳定运行。单独采用硫自养反硝化滤池处理含硝态氮废水，虽然不需要额外添加有机碳源，但是反应过程为产酸过程，同时产生大量硫酸盐，不适用于高总氮废水。
中国专利发明名称“短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化脱氮工艺及控制方法(专利公开号：CN106966498A)”通过在反应器中填充填料实现同步短程硝化反硝化和厌氧氨氧化，但是工艺对进水氨氮、总氮浓度要求低，氨氮浓度为250～400mg/L，TN的去除效率仅为80％～85％。
中国专利发明名称“厌氧氨氧化-硫自养反硝化耦合脱氮除硫的废水处理工艺(专利公开号：CN104843863A)”通过厌氧氨氧化细菌和脱氮硫杆菌为反应主体，实验同步脱氮除硫，但是反应器对进水水质要求严格，进水氨以N计、亚硝酸盐以N计的浓度之比为1:1～1:1.32，硫化物以S计、氨以N计的浓度之比为1:1.54～1:1.74，很难满足实际废水的脱氮要求。
中国专利发明名称“一种利用厌氧氨氧化-硫自养反硝化耦合脱氮的UBF反应器及其系统和脱氮方法(专利公开号：CN107162184A)”通过厌氧氨氧化细菌和硫自养菌实现全程自养脱氮，但是工艺进水适用于氨氮浓度低于400mg/L的废水，并且反应过程需要实时投加酸碱调节pH。
发明内容
针对上述技术问题以及本领域存在的不足之处，本发明提供了一种短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺，为异养、自养耦合脱氮工艺，具有总氮和氨氮去除效率高、运行稳定的优点，并且具有运行成本低、能耗低、药耗低、污泥产量少的特点，特别适用于处理氨氮浓度不低于1200mg/L、C/N比不大于2的高氨氮低C/N比的废水。
一种短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺，包括：废水依次经过短程反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺、短程硝化工艺、缺氧MBR工艺和硫自养反硝化工艺；
所述缺氧MBR工艺利用所述短程反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺产生的氮气进行循环曝气，所述缺氧MBR工艺中的硝化液回流至所述短程反硝化工艺。
本发明的脱氮工艺，在短程反硝化工艺中，反硝化细菌充分利用原水中的有机碳源实现短程反硝化，产生氮气；剩余亚硝酸盐氮与原水中氨氮在厌氧氨氧化工艺中进行厌氧氨氧化反应，产生氮气；在短程硝化工艺通过硝化细菌进一步将剩余氨氮转化为亚硝酸盐氮；然后废水通过缺氧MBR工艺，缺氧MBR工艺利用短程反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺产生的氮气循环曝气；最后废水通过缺氧MBR工艺的膜组件进入硫自养反硝化工艺，实现深度脱氮。本发明采用缺氧MBR工艺，并利用短程反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺产生的氮气循环曝气，一方面减轻膜污染的同时，减少硝化液回流溶解氧对原废水中有机碳源的消耗，提高短程反硝化能力，确保进入硫自养反硝化池水质，另一方面无需额外氮气能源，节约成本。
作为优选，所述短程反硝化工艺中，污泥浓度为4000～6000mg/L，脱氮负荷为0.25～0.3kgTN m-3d-1。
作为优选，所述厌氧氨氧化工艺中，污泥浓度为4000～6000mg/L，脱氮负荷为0.25～0.4kgTN m-3d-1。
为了更好地控制短程硝化工艺中的硝化反应为短程硝化，所述短程硝化工艺中，溶解氧(DO)优选为0.8～1.5mg/L，具体可通过自动控制柜和风机控制，例如，当短程硝化工艺中DO>1.5mg/L时，风机自动停止，当DO<0.8mg/L时，风机自动开启。
所述缺氧MBR工艺中，循环曝气的压力优选为50～100kPa，当压力大于100kPa时，可开启减压阀自动泄压。
对于脱氮工艺，理论脱氮效率＝回流比/(1+回流比)，提高回流比能够有效提高脱氮效率。本发明脱氮工艺中，由于MBR反应区利用短程反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺产生的氮气进行曝气，实际为缺氧环境，所以含有污泥的MBR硝化液回流至短程反硝化工艺时，可避免回流溶解氧对短程反硝化罐中有机碳源的消耗，因此硝化液的回流比也可以显著提高。所述缺氧MBR工艺中，硝化液回流比优选为500％～600％。
所述硫自养反硝化工艺的进水硝酸盐浓度优选低于250mg/L，进一步优选低于200mg/L。具体可通过控制MBR产水中硝酸盐氮的浓度(例如，通过便携式硝酸盐氮测试仪，实时测定MBR池硝酸盐氮浓度，当硝酸盐氮浓度大于250mg/L，补充微量碳源)，使得进入硫自养反硝化工艺的硝酸盐氮低于250mg/L，甚至低于200mg/L，从而避免硫自养反硝化区产水中硫酸盐浓度过高。
作为优选，所述废水中总氮浓度为1500～2000mg/L，氨氮浓度为1200～1700mg/L，C/N比为1～2:1。短程反硝化工艺中，亚硝酸盐在异养菌的作用下充分利用原水中的有机物进行反硝化。当进水C/N比大于3时，进入厌氧氨氧化工艺的废水COD较高，异养菌会大量繁殖，与厌氧氨氧化菌竞争底物，从而对厌氧氨氧化菌造成抑制。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮系统，包括依次连接的短程反硝化罐、厌氧氨氧化罐、短程硝化池、封闭式缺氧MBR池和硫自养反硝化滤池；
所述封闭式缺氧MBR池包括与所述短程反硝化罐和厌氧氨氧化罐的氮气出口连接的循环曝气装置，所述封闭式缺氧MBR池通过硝化液回流管与所述短程反硝化罐连接。
上述脱氮系统可进行所述短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺。
本发明中的短程反硝化罐充分利用原水中的有机碳源，在脱氮除碳的同时避免有机物对厌氧氨氧化细菌的抑制。氨氮与亚硝酸盐氮进入厌氧氨氧化罐，在自养型厌氧氨氧化菌的作用下去除总氮。剩余氨氮在短程硝化池中实现短程硝化，经封闭式缺氧MBR池部分回流至短程反硝化罐，部分进入硫自养反硝化滤池实现深度脱氮。封闭式缺氧MBR池利用短程反硝化罐和厌氧氨氧化罐产生的氮气循环曝气，避免回流硝化液中溶解氧对原水中碳源的消耗。
作为优选，所述短程反硝化罐和厌氧氨氧化罐均设有溢流堰、位于上部的三相分离器、位于顶部的气体收集管、位于下端的进水口和位于上端的出水口。所述短程反硝化罐的出水口与所述厌氧氨氧化罐的进水口连接。短程反硝化罐的三相分离器可截留罐内的异养微生物，保持反硝化细菌浓度，避免对后续厌氧氨氧化罐内的厌氧氨氧化细菌造成抑制；产生的氮气则可通过气体收集管进行收集。厌氧氨氧化罐的三相分离器可截留厌氧氨氧化菌，保证罐内菌种浓度，避免厌氧氨氧化细菌进入短程硝化池而在溶解氧作用下产生抑制；产生的氮气则可通过气体收集管进行收集。
所述短程硝化池亦可称为好氧池，可设有pH计。
所述封闭式缺氧MBR池可通过密封盖进行实现封闭式。
作为优选，所述硫自养反硝化滤池包括多孔承托层和滤料层，所述硫自养反硝化滤池的底部接收所述封闭式缺氧MBR池的产水；
所述多孔承托层的材质为砾石，高度为0.3～0.5m，孔径为0.2～0.4cm，孔隙率为60％～70％；
所述滤料层由硫磺颗粒和滤料组成，高度为1.5～2.5m，所述硫磺颗粒的粒径为0.2～0.4cm，填充率为25％～35％。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
(1)相比于传统的硝化-反硝化工艺，本发明采用自养脱氮异养脱氮相结合，在短程反硝化阶段充分利用原水中的有机碳源，在脱氮除碳的同时避免有机物对厌氧氨氧化细菌的抑制。
(2)通过MBR反应区将短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化反应区与硫自养反硝化区分离开来，避免厌氧氨氧化细菌进入硫自养反应区，造成硫自养反硝化菌与厌氧氨氧化细菌底物竞争，对厌氧氨氧化细菌造成抑制。同时，厌氧氨氧化细菌世代周期较长(11d～13d)，MBR可维持短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化反应区菌种浓度，提高脱氮容积负荷，实现高效脱氮。
(3)MBR反应区利用短程反硝化和厌氧氨氧化产生的氮气进行曝气，实际MBR反应区为缺氧过程，可通过在MBR反应区投加微量碳源，促进反硝化细菌将硝酸盐转化为氮气，控制MBR产水中硝酸盐氮的浓度，使得进入硫自养反硝化区的硝酸盐氮低于250mg/L，甚至低于200mg/L，避免硫自养反硝化区产水中硫酸盐浓度过高。
(4)MBR反应区实际为缺氧环境，MBR硝化液和污泥混合液回流至短程反硝化罐，避免回流溶解氧对短程反硝化罐中有机碳源的消耗，可显著提高回流比。
(5)硫自养反硝化过程为产酸过程，pH降低会影响硫自养反硝化细菌的活性，本发明硫自养反硝化区利用厌氧氨氧化过程和短程反硝化过程产生碱度平衡系统内的pH，省去了调节pH所用药剂，节约成本。
附图说明
图1为实施例的短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮系统结构及其工艺流程示意图；
图中：1为短程反硝化罐，2为厌氧氨氧化罐，3为短程硝化池，4为封闭式缺氧MBR池，5为硫自养反硝化滤池，6、7为三相分离器，8为pH计，9为溶解氧仪，10为MBR膜组件，11为压力表，12为减压阀，13为循环泵，14为离心泵，15为硫自养反硝化填料，16为回流泵。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
实施例
如图1所示，本实施例的短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮系统包括依次连接的短程反硝化罐1、厌氧氨氧化罐2、短程硝化池3、封闭式缺氧MBR池4和硫自养反硝化滤池5。
短程反硝化罐1和厌氧氨氧化罐2均设有溢流堰、位于上部的三相分离器6、7，以及位于顶部的气体收集管、位于下端的进水口和位于上端的出水口。短程反硝化罐1的出水口与厌氧氨氧化罐2的进水口。
短程硝化池3设有pH计8和溶解氧仪9。短程硝化池3底部与厌氧氨氧化罐2的出水口连接，顶部与封闭式缺氧MBR池4底部的进水口连接。
封闭式缺氧MBR池4通过密封盖进行实现封闭式，通过循环泵13与短程反硝化罐1和厌氧氨氧化罐2的氮气出口连接。封闭式缺氧MBR池4还设有与循环泵13连接氮气循环管路，氮气循环管路上设有压力表11和减压阀12。封闭式缺氧MBR池4底部通过回流泵与短程反硝化罐1连接，用于回流硝化液。
硫自养反硝化滤池5包括多孔承托层和滤料层。硫自养反硝化滤池5的底部通过离心泵14接收封闭式缺氧MBR池的产水。所述多孔承托层的材质为砾石，高度为0.3～0.5m，孔径为0.2～0.4cm，孔隙率为60％～70％。所述滤料层由硫磺颗粒和滤料组成，高度为1.5～2.5m，所述硫磺颗粒的粒径为0.2～0.4cm，填充率为25％～35％。
利用上述短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮系统针对低碳氮比的高氨氮废水，TN浓度为1500～2000mg/L，氨氮浓度为1200～1700mg/L，COD浓度为3000～4000mg/L，COD/TN为1～2:1。
具体包含以下步骤：
在短程反硝化罐1、厌氧氨氧化罐2分别接种长期驯化培养的短程反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌；在硫自养反硝化滤池5中接种硫自养反硝化细菌挂膜完成的填料；废水通入短程反硝化罐1，反硝化细菌以原水中有机物为电子供体，亚硝酸盐(少量硝酸盐)为电子受体进行脱氮反应；脱氮负荷为0.25～0.3kgTN m-3d-1；短程反硝化罐1出水通过厌氧氨氧化罐2下端进水口进水，厌氧氨氧化细菌以原水中氨氮为电子供体，亚硝酸盐为电子受体进行脱氮反应；脱氮负荷为0.25～0.4kgTN m-3d-1；厌氧氨氧化罐2出水进入短程硝化池3，短程硝化池3中DO为0.8～1.5mg/L，剩余氨氮在硝化细菌的作用下进行亚硝化；短程硝化池3出水进入封闭式缺氧MBR池4，封闭式缺氧MBR池4采用收集自短程反硝化罐1、厌氧氨氧化罐2产生的氮气经循环泵13进行曝气；封闭式缺氧MBR池4中硝化液通过回流泵16回流至短程反硝化罐1，因封闭式缺氧MBR池4为缺氧环境，可增大回流比至500％～600％；MBR产水通过离心泵14进入硫自养反硝化滤池5底部，通过硫自养反硝化细菌深度去除总氮；硫自养反硝化滤池5以砾石为多孔承托层，承托层高度0.3～0.5m，承托层孔径0.2～0.4cm，孔隙率60％～70％；滤料层高度为1.5-2.5m，由硫磺颗粒和滤料组成，其中硫磺颗粒粒径为0.2～0.4cm，填充率占25％～35％。
经上述工艺处理，MBR出水COD为100～200mg/L，MBR出水TN为200～300mg/L，硫自养反硝化滤池5出水TN≤40mg/L。
对比例
与实施例的区别仅在于未对MBR池进行封闭式氮气循环曝气，仍采用传统空气曝气，其余均相同。
经对比例工艺处理，MBR出水COD为100～200mg/L，MBR出水TN相比于实施例提高了100～200mg/L，硫自养反硝化滤池出水TN浓度为100～150mg/L。出水TN升高的主要原因在于MBR池采用空气曝气，MBR池混合液以500％～600％回流比进入短程硝化反硝化罐，回流混合液中溶解氧消耗原水中的碳源，影响的短程反硝化罐的处理效果。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺，其特征在于，包括：废水依次经过短程反硝化工艺、厌氧氨氧化工艺、短程硝化工艺、缺氧MBR工艺和硫自养反硝化工艺；
所述缺氧MBR工艺利用所述短程反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺产生的氮气进行循环曝气，所述缺氧MBR工艺中的硝化液回流至所述短程反硝化工艺，硝化液回流比为500％～600％；
所述硫自养反硝化工艺的进水硝酸盐浓度低于250mg/L。
2.根据权利要求1所述的短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺，其特征在于，所述短程反硝化工艺中，污泥浓度为4000～6000mg/L，脱氮负荷为0.25～0.3kgTN m-3d-1。
3.根据权利要求1所述的短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺，其特征在于，所述厌氧氨氧化工艺中，污泥浓度为4000～6000mg/L，脱氮负荷为0.25～0.4kgTN m-3d-1。
4.根据权利要求1所述的短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺，其特征在于，所述短程硝化工艺中，溶解氧为0.8～1.5mg/L。
5.根据权利要求1所述的短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺，其特征在于，所述缺氧MBR工艺中，循环曝气的压力为50～100kPa。
6.根据权利要求1所述的短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺，其特征在于，所述废水中总氮浓度为1500～2000mg/L，氨氮浓度为1200～1700mg/L，C/N比为1～2:1。
7.根据权利要求1所述的短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺，其特征在于，采用短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮系统，所述短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮系统包括依次连接的短程反硝化罐、厌氧氨氧化罐、短程硝化池、封闭式缺氧MBR池和硫自养反硝化滤池；
所述封闭式缺氧MBR池包括与所述短程反硝化罐和厌氧氨氧化罐的氮气出口连接的循环曝气装置，所述封闭式缺氧MBR池通过硝化液回流管与所述短程反硝化罐连接。
8.根据权利要求7所述的短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺，其特征在于，所述短程反硝化罐和厌氧氨氧化罐均设有溢流堰、位于上部的三相分离器、位于顶部的气体收集管、位于下端的进水口和位于上端的出水口。
9.根据权利要求7所述的短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化-MBR-硫自养反硝化脱氮工艺，其特征在于，所述硫自养反硝化滤池包括多孔承托层和滤料层，所述硫自养反硝化滤池的底部接收所述封闭式缺氧MBR池的产水；
所述多孔承托层的材质为砾石，高度为0.3～0.5m，孔径为0.2～0.4cm，孔隙率为60％～70％；
所述滤料层由硫磺颗粒和滤料组成，高度为1.5～2.5m，所述硫磺颗粒的粒径为0.2～0.4cm，填充率为25％～35％。
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