CN113045122A - 基于硝酸盐调控的污水混合生物脱氮方法与装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于硝酸盐调控的污水混合生物脱氮方法与装置，该污水混合生物脱氮方法，包括待处理污水进入生物反应器的生物厌氧区，与沉淀区回流的污泥、生物好氧区回流的混合液发生反应；之后进入生物缺氧区；然后进入到生物好氧区；最后生物好氧区的混合污泥进入到沉淀区进行泥水分离，部分沉淀区的污泥回流至生物厌氧区和生物缺氧区。本发明生物好氧区混合液回流至生物厌氧区、生物缺氧区的比例根据回流混合液的硝酸盐浓度、进水COD浓度和COD/硝酸盐的比值进行综合调控。本发明混合生物脱氮集合了两种工艺的优势，污水中的总氮除了通过传统硝化反硝化异养脱氮外，亦可通过厌氧氨氧化自养脱氮。

Description

基于硝酸盐调控的污水混合生物脱氮方法与装置
技术领域
本发明属于污水生物处理领域，具体涉及一种基于硝酸盐调控的污水混合生物脱氮方法与装置。
背景技术
厌氧消化液及养殖废水含有高浓度的COD和氨氮，且C/N比较低，处理难度大，而污水直接排放会造成严重的水体污染。硝化反硝化是一种传统的生物脱氮(BNR)工艺，应用广泛，被90％以上的市政污水处理厂采用，其效果稳定，运行维护简单，但存在曝气能耗高、外加碳源需求量大、污泥产量大等问题。在处理厌氧消化液等高浓度低C/N比(仅为1～3，低于反硝化所需的5～6)的污水时，局限性尤为明显。厌氧氨氧化(Anammox)自养脱氮是一种新型生物脱氮工艺，其氧气需求量低、几乎不需要外投碳源且污泥产量很低，环境友好、节能降耗，在研究领域与工程应用领域广受关注。开发了以厌氧氨氧化为核心的PN-A、PD-A工艺等多种工艺，但由于厌氧氨氧化菌对DO、pH、T、有机物等因素较为敏感，工艺控制条件复杂、运行稳定性差，世界范围内工程规模的厌氧氨氧化污水厂仅有100多座。若将传统的硝化反硝化工艺与厌氧氨氧化工艺耦合在一起，形成混合生物脱氮工艺，则在处理厌氧消化液时，既能利用Anammox提高脱氮效率，又能利用硝化反硝化增强工艺运行稳定性，且能降低能耗。因此，亟需在现有传统脱氮工艺构筑物基础上，抓住二者的耦合点，通过工艺参数的精准调控，提高厌氧氨氧化过程在整体中的脱氮贡献率，形成一种高效、稳定、经济的新型生物脱氮工艺。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于硝酸盐调控的污水混合生物脱氮方法与装置，以期至少部分地解决上述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，提供了一种基于硝酸盐调控的污水混合生物脱氮方法，包括：
待处理污水进入生物反应器的生物厌氧区，与沉淀区回流的污泥、生物好氧区回流的混合液发生反应；
之后进入生物缺氧区，再次与沉淀区回流的污泥、生物好氧区回流的混合液发生反硝化、短程反硝化和厌氧氨氧化反应；
然后进入到生物好氧区，发生好氧硝化、短程硝化和厌氧氨氧化反应；
最后生物好氧区的混合污泥进入到沉淀区进行泥水分离，部分沉淀区的污泥回流至生物厌氧区和生物缺氧区。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种基于硝酸盐调控的污水混合生物脱氮装置，用于执行如上所述的污水混合生物脱氮方法，包括：
进水区；
生物厌氧区，其内发生生物厌氧反应，生物厌氧区的进口与进水单元的出口连接；
生物缺氧区，其内发生生物缺氧反应，其进口与生物厌氧区的出口连接；
生物好氧区，其内发生生物好氧反应，其进口与生物缺氧区的出口连接；以及
沉淀区，与生物好氧区的出口连接；
其中，所述生物好氧区与生物厌氧区之间设有第一回流组件，第一回流组件将生物好氧区内的污泥回流至生物厌氧区；
所述生物好氧区与生物缺氧区之间设有第二回流组件，第二回流组件将生物好氧区内的混合液回流至生物缺氧区；
所述沉淀区与生物厌氧区之间设有第三回流组件，第三污泥回流组件将沉淀区内的污泥回流至生物厌氧区；
所述沉淀区与生物缺氧区之间设有第四污泥回流组件，第四污泥回流组件将沉淀区内的污泥回流至生物缺氧区。
基于上述技术方案可知，本发明的基于硝酸盐调控的污水混合生物脱氮方法与装置相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：
1、本发明混合生物脱氮集合了两种工艺的优势，污水中的总氮既可以通过传统硝化反硝化异养脱氮方式去除，亦可以通过厌氧氨氧化自养脱氮方式去除；脱氮方式主要取决于反应调控条件，相比于依赖单一脱氮模式，更适应污水进水水质波动，运行效果稳定性更高；
2、整体上，混合生物脱氮相比于传统硝化反硝化脱氮在节能降耗方面表现良好，调控至以厌氧氨氧化为主时，处理每吨污水总能耗可降低45％～55％，达到1kW h/m3左右；去除每公斤氮的总能耗可降低35％～45％左右，达到2.5kW h/kg N；
3、由于同时存在反硝化脱氮和厌氧氨氧化脱氮，相比于传统生物脱氮而言，可以降低反硝化碳源投加量。当厌氧氨氧化的脱氮贡献调控至50％以上时，反硝化贡献相应降低，可节省50％～100％碳源投加量，即处理每吨水节省2.4～4.9公斤碳源；
4、由于进水中部分氨氮在厌氧区或者好氧区进行去除，生物好氧区氨氮去除负荷降低，以厌氧氨氧化脱氮为主时，生物好氧区存在亚硝化作用，生物好氧区的曝气量相比于满负荷的全程硝化反应时降低；
5、该方法注重基于硝酸盐等参数的综合调控策略的实施，可在原有构筑物基础上进行，不必拆除重建，节省土建费用投入与改造费用。
附图说明
图1是基于硝酸盐调控的混合生物脱氮装置的结构示意图。
附图标记说明：
1.1-污水进水箱、1.2-进水泵、2.1-生物厌氧区、2.2-生物缺氧区、2.3-生物好氧区、2.4-搅拌桨、2.5-曝气盘、2.6-空气流量计、2.7-回流泵、2.8-第一污泥回流组件、2.9-第二污泥回流组件、2.10-生物曝气泵、2.11-好氧区出水泵、3.1-沉淀区、3.2-污泥回流泵、3.3-出水管、3.4-第三污泥回流组件、3.5-第四污泥回流组件。
具体实施方式
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。
本发明公开了一种基于硝酸盐调控的污水混合生物脱氮方法，包括：
待处理污水进入生物反应器的生物厌氧区，与沉淀区回流的污泥、生物好氧区回流的混合液发生反应；
之后进入生物缺氧区，再次与沉淀区回流的污泥、生物好氧区回流的混合液发生反硝化、短程反硝化和厌氧氨氧化反应；
然后进入到生物好氧区，发生好氧硝化、短程硝化和厌氧氨氧化反应；
最后生物好氧区的混合污泥进入到沉淀区进行泥水分离，部分沉淀区的污泥回流至生物厌氧区和生物缺氧区。
在本发明的一些实施例中，所述生物好氧区混合液回流至生物厌氧区、生物缺氧区的比例根据回流混合液的硝酸盐浓度、进水COD浓度和COD/硝酸盐的比值进行综合调控。
在本发明的一些实施例中，当生物厌氧区有机物与硝态氮质量比低于2～5(例如为1、2、3、3.71、4、5)且好氧区硝态氮出水浓度高于50～80mg/L(例如为50mg/L、55mg/L60mg/L、65mg/L、70mg/L、75mg/L、80mg/L)时，向生物厌氧区中投加有机物，使有机物与硝态氮质量比维持在2～5(例如为1、2、3、3.71、4、5)，或者降低好氧区混合液回流比例。
在本发明的一些实施例中，所述生物好氧区混合液回流至生物厌氧区的比例为50至200％，例如为50％、60％、70％、80％、90％、100％、120％、150％、180％、190％、200％；生物好氧区混合液回流至生物缺氧区的比例为30至170％，例如为30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、120％、150％、170％、。
在本发明的一些实施例中，所述生物好氧区溶解氧浓度为0.05至0.5mg/L，例如为。
在本发明的一些实施例中，系统启动时，在生物反应器中接种传统活性污泥与厌氧氨氧化污泥的比例在(5至10)∶1，例如为5∶1、6∶1、7∶1、8∶1、9∶1、10∶1；混合污泥浓度为3000至5000mg/L，例如为3000mg/L、3500mg/L、4000mg/L、4500mg/L、5000mg/L。
本发明还公开了一种污水混合生物脱氮装置，用于执行如上所述的污水混合生物脱氮方法，包括：
进水区；
生物厌氧区，其内发生生物厌氧反应，生物厌氧区的进口与进水单元的出口连接；
生物缺氧区，其内发生生物缺氧反应，其进口与生物厌氧区的出口连接；
生物好氧区，其内发生生物好氧反应，其进口与生物缺氧区的出口连接；以及
沉淀区，与生物好氧区的出口连接；
其中，所述生物好氧区与生物厌氧区之间设有第一回流组件，第一回流组件将生物好氧区内的污泥回流至生物厌氧区；
所述生物好氧区与生物缺氧区之间设有第二回流组件，第二回流组件将生物好氧区内的混合液回流至生物缺氧区；
所述沉淀区与生物厌氧区之间设有第三回流组件，第三污泥回流组件将沉淀区内的污泥回流至生物厌氧区；
所述沉淀区与生物缺氧区之间设有第四污泥回流组件，第四污泥回流组件将沉淀区内的污泥回流至生物缺氧区。
在本发明的一些实施例中，所述进水区设有进水箱，所述进水箱与生物厌氧区的进口连接；
在本发明的一些实施例中，所述进水区还设有进水泵，进水泵将进水箱中的待处理污水运送到生物厌氧区。
在本发明的一些实施例中，所述生物厌氧区设有搅拌组件；在本发明的一些实施例中，所述搅拌组件包括搅拌桨；
在本发明的一些实施例中，所述生物缺氧区设有搅拌组件；在本发明的一些实施例中，所述搅拌组件包括搅拌桨。
在本发明的一些实施例中，所述生物好氧区设有曝气组件；其中，所述曝气组件包括曝气盘；
在本发明的一些实施例中，所述生物好氧区设有空气流量计。
本发明针对常规生物脱氮工艺和自养型生物脱氮工艺难以处理高有机物、高氨氮、低碳氮比污水的问题，提出一种基于硝酸盐调控的混合生物脱氮装置及方法。该方法需要在生物反应器中培养具有常规生物脱氮功能的硝化细菌和反硝化细菌以及具有自养型生物脱氮的厌氧氨氧化(Anaerobic ammonia oxidation，Anammox)细菌。该方法采用的装置由生物反应器、曝气与搅拌单元、污泥与混合液回流单元组成；生物反应器由厌氧区、缺氧区、好氧区和沉淀区组成；污水、回流污泥以及好氧区回流混合液按照一定的比例一起进入到生物厌氧区进行反硝化、短程反硝化和厌氧氨氧化反应，好氧区混合液回流至生物厌氧区、缺氧区的比例根据回流混合液的硝酸盐浓度、进水COD浓度和COD/硝酸盐的比值进行综合调控；而后进入到生物缺氧区，与回流的部分好氧区混合液再次进行反硝化、短程反硝化和厌氧氨氧化反应；然后进入到生物好氧区，发生好氧硝化、短程硝化和厌氧氨氧化作用；最后好氧区混合污泥进入到沉淀区进行泥水分离，部分沉淀区的污泥回流至生物厌氧区和生物缺氧区。
其中，该方法有两种适用工况：污水、回流污泥以及生物好氧区回流混合液按照一定的比例一起进入到生物反应器的生物厌氧区，当污水中的有机物和硝酸盐质量比低于3～5、优选3.71时，为了提高污水总氮的去除率，需要向进水中加入碳源，将回流液中过量的硝酸盐还原为氮气；污水进入到生物缺氧区，微生物利用进水中剩余的有机物继续还原硝酸盐为亚硝酸盐或者氮气；最后污水进入到好氧区，微生物将氨氮转化为亚硝酸盐或者硝酸盐，此种条件下，生物反应器以传统硝化反硝化生物脱氮为主，厌氧氨氧化自养型生物脱氮为辅。另一种工况是：当污水中的有机物和硝酸盐质量比高于3.71时，不需要向进水投加碳源，污水依次进入到生物厌氧区和生物缺氧区，微生物利用有机物、硝酸盐和氨氮发生全程反硝化、短程反硝化和厌氧氨氧化反应，最后进入到好氧区，通过控制溶解氧浓度，在好氧区发生短程硝化和厌氧氨氧化反应，此种条件下，生物反应器以厌氧氨氧化自养型生物脱氮为主，传统硝化反硝化生物脱氮为辅。
其中，好氧区混合液的回流比例根据回流混合液的硝酸盐浓度、进水COD浓度和COD/硝酸盐的比值进行综合调控。当生物厌氧区有机物与硝态氮质量比低于3～5、优选3.71且好氧区硝态氮出水浓度高于50～80mg/L时，适时往进水投加有机物，使有机物与硝态氮质量比维持在3～5、优选3.71左右，或者适时降低好氧区混合液回流比例；
其中，好氧区混合液回流至生物厌氧区的比例q1为50～200％，回流至生物缺氧区的比例q2为30～170％；沉淀区污泥回流至生物厌氧区和缺氧区的比例在50～100％之间；
其中，通过调节风机或空气流量计控制生物好氧区的溶解氧浓度，使生物好氧区溶解氧浓度在0.05～0.5mg/L之间。
其中，启动时，在生物厌氧区、生物缺氧区以及生物好氧区同时接种污泥传统污水处理厂污泥和具有活性的厌氧氨氧化污泥，投加污泥比例均为在10∶1～5∶1，混合污泥浓度为3000～5000mg/L；
其中，二沉池污泥(即沉淀区污泥)回流至生物厌氧区和缺氧区的比例在50～100％之间。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，本实施例的基于硝酸盐调控的污水混合生物脱氮装置中，污水进水箱1.1通过进水泵1.2和生物反应区连接，生物反应区包括生物厌氧区2.1、生物缺氧区2.2和生物好氧区2.3，其中在生物厌氧区2.1和生物缺氧区2.2设有搅拌桨2.4、在生物好氧区2.3设置曝气盘2.5和空气流量计2.6，并于生物曝气泵2.10连接。生物好氧区2.3的污泥通过回流泵2.7回流至生物厌氧区2.1和生物缺氧区2.2，其中生物好氧区2.3的污泥通过第一回流管2.8回流至生物厌氧区2.1，生物缺氧区2.2的污泥通过第二回流管2.9回流至生物缺氧区2.2。好氧区出水通过出水泵2.11与沉淀区3.1相连接，沉淀区污泥通过回流泵3.2回流至生物厌氧区2.1和生物缺氧区2.2，其中沉淀区污泥通过第三回流管3.4回流至生物厌氧区2.1，回流比例为Q1；沉淀区污泥通过第四回流管3.4回流至生物缺氧区2.2，回流比例为Q2，沉淀区最终通过出水管3.3出水。
采用上述污水混合生物脱氮装置进行试验，采用某生猪养殖污水厌氧消化液，具体水质如下：COD浓度为258～602mg/L；NH4+-N浓度为124～259mg/L；NO3--N浓度＜0.5mg/L；NO2--N浓度＜0.5mg/L。试验反应器如图1所示，各反应器均采用有机玻璃制成。
具体操作如下：
1、启动系统：接种污泥传统污水处理厂污泥和具有活性的厌氧氨氧化污泥，投加污泥比例在7∶1，混合污泥浓度为4520mg/L；
2、运行时调节操作：污水、二沉池污泥以及好氧区回流混合液一起进入到生物厌氧区2.1进行反硝化、短程反硝化和厌氧氨氧化反应；而后进入到生物缺氧区2.2，与好氧区混合液再次进行反硝化脱氮、厌氧氨氧化和短程反硝化反应；然后进入到生物好氧区2.3，发生好氧硝化、短程硝化和厌氧氨氧化作用；最后好氧区混合污泥进入到沉淀区3.1进行泥水分离，部分二沉池污泥回流至生物厌氧区和生物缺氧区。
3、好氧区混合液回流至生物厌氧区的比例q1为100％，回流至生物缺氧区的比例q2为90％；
4、当生物厌氧区有机物与硝态氮质量比低于3.71且好氧区硝态氮出水浓度高于80mg/L时，适时往进水投加有机物，使机物与硝态氮质量比维持在3.71左右，或者适时降低好氧区混合液回流比例；
5、二沉池污泥回流至生物厌氧区和缺氧区的比例在80％之间；
6、通过调节空气流量计控制生物好氧区溶解氧浓度，使好氧区溶解氧浓度在0.1mg/L之间；
7、控制反应器水力停留时间为8～10天左右。
试验结果表明，当反应器稳定运行后，出水有机物浓度为83～129mg/L，NH4 +-N浓度为22～63mg/L；NO3 --N浓度在20～45mg/L；NO2 --N浓度3～8mg/L，取得较好的污染物去除效率。
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)

1.一种基于硝酸盐调控的污水混合生物脱氮方法，包括：
待处理污水进入生物反应器的生物厌氧区，与沉淀区回流的污泥、生物好氧区回流的混合液发生反应；
之后进入生物缺氧区，再次与沉淀区回流的污泥、生物好氧区回流的混合液发生反硝化、短程反硝化和厌氧氨氧化反应；
然后进入到生物好氧区，发生好氧硝化、短程硝化和厌氧氨氧化反应；
最后生物好氧区的混合污泥进入到沉淀区进行泥水分离，部分沉淀区的污泥回流至生物厌氧区和生物缺氧区。
2.根据权利要求1所述的污水混合生物脱氮方法，其特征在于，
所述生物好氧区混合液回流至生物厌氧区、生物缺氧区的比例根据回流混合液的硝酸盐浓度、进水COD浓度和COD/硝酸盐的比值进行综合调控。
3.根据权利要求1所述的污水混合生物脱氮方法，其特征在于，
当生物厌氧区有机物与硝态氮质量比低于2～5且好氧区硝态氮出水浓度高于50～80mg/L时，向生物厌氧区中投加有机物，使有机物与硝态氮质量比维持在2～5，或者降低好氧区混合液回流比例。
4.根据权利要求1所述的污水混合生物脱氮方法，其特征在于，
所述生物好氧区混合液回流至生物厌氧区的比例为50至200％，生物好氧区混合液回流至生物缺氧区的比例为30至170％。
5.根据权利要求1所述的污水混合生物脱氮方法，其特征在于，
所述生物好氧区溶解氧浓度为0.05至0.5mg/L。
6.根据权利要求1所述的污水混合生物脱氮方法，其特征在于，
系统启动时，在生物反应器中接种传统活性污泥与厌氧氨氧化污泥的比例在(5至10)∶1，混合污泥浓度为3000至5000mg/L。
7.一种污水混合生物脱氮装置，用于执行如权利要求1至6任一项所述的污水混合生物脱氮方法，包括：
进水区；
生物厌氧区，其内发生生物厌氧反应，生物厌氧区的进口与进水单元的出口连接；
生物缺氧区，其内发生生物缺氧反应，其进口与生物厌氧区的出口连接；
生物好氧区，其内发生生物好氧反应，其进口与生物缺氧区的出口连接；以及
沉淀区，与生物好氧区的出口连接；
其中，所述生物好氧区与生物厌氧区之间设有第一回流组件，第一回流组件将生物好氧区内的污泥回流至生物厌氧区；
所述生物好氧区与生物缺氧区之间设有第二回流组件，第二回流组件将生物好氧区内的混合液回流至生物缺氧区；
所述沉淀区与生物厌氧区之间设有第三回流组件，第三污泥回流组件将沉淀区内的污泥回流至生物厌氧区；
所述沉淀区与生物缺氧区之间设有第四污泥回流组件，第四污泥回流组件将沉淀区内的污泥回流至生物缺氧区。
8.根据权利要求7所述的污水混合生物脱氮装置，其特征在于，
所述进水区设有进水箱，所述进水箱与生物厌氧区的进口连接；
所述进水区还设有进水泵，进水泵将进水箱中的待处理污水运送到生物厌氧区。
9.根据权利要求7所述的污水混合生物脱氮装置，其特征在于，
所述生物厌氧区设有搅拌组件；其中，所述搅拌组件包括搅拌桨；
所述生物缺氧区设有搅拌组件；其中，所述搅拌组件包括搅拌桨。
10.根据权利要求7所述的污水混合生物脱氮装置，其特征在于，
所述生物好氧区设有曝气组件；其中，所述曝气组件包括曝气盘；
所述生物好氧区设有空气流量计。
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