CN114212885B - 两级全程氨氧化-短程反硝化厌氧氨氧化处理主流低碳氮比生活污水的装置与方法 - Google Patents

两级全程氨氧化-短程反硝化厌氧氨氧化处理主流低碳氮比生活污水的装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了两级全程氨氧化‑短程反硝化厌氧氨氧化处理主流低碳氮比生活污水的装置与方法。所述装置包括：城市污水原水箱、全程氨氧化反应器、中间水箱、短程反硝化厌氧氨氧化反应器。所述方法是一部分城市生活污水先进入全程氨氧化反应器，在曝气条件下全程氨氧化菌将这部分污水的氨氮直接氧化为硝氮，然后这部分污水与另一部分城市生活污水原水在中间水箱混合后，进入短程反硝化厌氧氨氧化反应器，实现硝氮与氨氮的全部去除。此方法可以稳定实现低碳氮比城市生活污水的深度脱氮。

Description

两级全程氨氧化-短程反硝化厌氧氨氧化处理主流低碳氮比 生活污水的装置与方法
技术领域
本发明涉及一种两级全程氨氧化-短程反硝化厌氧氨氧化处理主流低碳氮比生活污水的装置，属于污水生物处理领域。
背景技术
近年来，工农业技术和城镇化发展加快，人口数量不断增加，人类生活方式和工农业逐渐转型所导致的水污染问题，越来严重地威胁我国水资源和环境的安全。其中，含氮、磷污染物过量排放造成的水体富营养化问题尤为突出。目前，污水处理厂脱氮以生物法为主，传统硝化反硝化脱氮技术应用广泛。然而，该技术需要大量充足的碳源完成充分的反硝化。城市生活污水存在碳氮比较低的水质特点，使得常规污水处理厂对原水碳源应用不充分且外加碳源，大大增加了运行能耗，提升了污水处理成本。厌氧氨氧化的发现为污水脱氮技术的革新指明了新道路。厌氧氨氧化技术原理是，在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌利用亚硝态氮为电子受体，直接将氨氮转化为氮气，并产生小部分硝氮，这一过程不需要碳源，能够降低碳源和能源的需求。
目前，厌氧氨氧化技术应用的瓶颈主要是稳定的亚硝态氮的来源和进水中亚硝与氨氮合适的比例(1～1.32)。常见的两种亚硝态氮来源为短程硝化(NH4 +→NO2 -)和短程反硝化(NO3 -→NO2 -)。由于城市生活污水属于低氨氮废水，其短程硝化很难实现与长期稳定维持，而生活污水中的有机物往往会因为曝气而浪费掉，通过短程反硝化来有效利用污水中的有机物，并且为厌氧氨氧化提供稳定的亚硝态氮来源则是一个很好的选择。因此，将生活污水原水一分为二，一部分全部硝化，另一部分则可提供短程反硝化所需碳源以及厌氧氨氧化所需氨氮，有效利用了原水碳源的同时，可以很方便调配处水中的氨氮与亚硝的比例，可保证厌氧氨氧化工艺的稳定性。
硝化作用是全球氮素循环的重要过程，长期以来硝化作用都被认为是分两步由氨氧化细菌(AOB)或氨氧化古菌(AOA)和亚硝酸盐氧化菌(NOB)联合完成。第一步是氨氧化细菌(AOB)或氨氧化古菌(AOA)利用氧气将氨氮氧化为亚硝酸盐，第二部是亚硝酸盐氧化菌(NOB)利用氧气将亚硝酸盐氧化为硝酸盐。2015年，全程氨氧化微生物被发现和确认，即全程氨氧化菌(comammox)可以将完成硝化作用两个过程，直接将氨氧化为硝酸盐(NH4 +→NO3 -)。并且，Comammox菌广泛分布与各种生态环境中，尤其在低氧和低氨氮环境中更容易富集。另外，相比较其他氨氧化菌，其对氨和氧气更高的亲和力，因此在低氨氮城市生活污水硝化过程中利用Comammox菌的全程氨氧化作用，在低氧或者微氧条件为短程反硝化厌氧氨氧化提供硝态氮，能够能加节省曝气能耗，对未来污水处理厂脱氮新技术的研究与应用有较大的意义。
本发明将全程氨氧化技术与短程反硝化及厌氧氨氧化技术相结合，原污水分为两部分，一部分进入全程氨氧化反应器将氨氮直接氧化为硝态氮，由于Comammox菌的低氨氮低氧生长特性，大大节省了曝气能耗；接着另一部分原污水同硝化液一同进入短程反硝化厌氧氨氧化反应器中，异养菌利用原污水中的有机物将硝态氮反硝化为亚硝态氮，同时亚硝态氮和原污水中的氨氮一同被厌氧氨氧化菌利用，实现深度脱氮。该过程充分利用了原污水中的有机物，并且合理控制两部分原污水的比例，可以很好地为厌氧氨氧化过程提供合适比例的亚硝态氮和氨氮，进而实现城市污水经济高效脱氮。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种两级全程氨氧化-短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市生活污水深度脱氮的装置和方法，实现将全程氨氧化技术和短程反硝化与厌氧氨氧化技术联合应用于城市生活污水脱氮处理中，相比较传统方式，耗氧量显著降低，充分利用原污水碳源，降低碳源投加能耗，同时可一定程度降低污泥产量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种两级全程氨氧化-短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市生活污水深度脱氮的装置，包括：城市生活污水箱(1)、全程氨氧化反应器(2)、中间水箱(3)、短程反硝化厌氧氨氧化反应器(4)；所述城市污水原水箱(1)为密闭箱体，设有溢流管Ⅰ(1.1)和放空管Ⅰ(1.2)；所述全程氨氧化反应器(2)设有进水阀(2.2)、搅拌器(2.3)、曝气泵(2.4)、气体流量计(2.5)、微孔曝气头(2.6)、溢流堰(2.7)、pH/DO测定仪(2.8)和排水阀(2.9)；所述中间水箱为密闭箱体，设有溢流管Ⅱ(3.1)和放空管Ⅱ(3.2)；所述短程反硝化厌氧氨氧化反应器设有进水阀Ⅱ(4.3)、取样口(4.4)、三相分离器(4.5)、回流泵(4.6)和出水口(4.7)。
所述城市生活污水箱(1)通过进水泵Ⅰ(2.1)与全程氨氧化反应器(2)连接；全程氨氧化反应器(2)通过排水阀(2.9)和排水泵Ⅰ(2.10)连接中间水箱(3)；城市生活污水箱(1)通过进水泵Ⅱ(4.1)与中间水箱(3)连接；中间水箱(3)通过进水泵Ⅲ(4.2)与短程反硝化厌氧氨氧化反应器(4)连接。
本发明还提供了一种两级全程氨氧化-短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市生活污水深度脱氮的方法，其具体启动与调控步骤如下：
1)启动系统：将具有全程氨氧化的污泥投加至全程氨氧化反应器(2)内，使反应器内污泥浓度(MLSS)为2500～5000mg/L；将具有短程反硝化厌氧氨氧化活性的污泥投加至短程反硝化厌氧氨氧化反应器(4)中，使反应器内污泥浓度(MLSS)为3000～5000mg/L；
2)运行时调控操作如下：
2.1)城市污水原水箱(1)中的污水通过进水泵Ⅰ(2.1)进入全程氨氧化反应器(2)内，进水时间为5～15min；然后全程氨氧化反应器(2)进行缺氧搅拌0.5～1.0h，将上周期产生的硝态氮反硝化为氮气；之后好氧曝气1.5～3.0h，DO浓度控制在0.2～0.4mg/L，静沉30min后将全部被氧化为硝氮的上清液排至中间水箱(3)，排水比为50％；控制反应器污泥龄为50d；
2.2)城市污水原水箱(1)中的原水通过进水泵Ⅱ(4.1)进入中间水箱(3)，使得中间水箱(3)内的废水中原水和全程氨氧化反应器(2)产生的排水比例为1:1～1.32:1；
2.3)中间水箱(3)中的废水通过进水泵Ⅲ(4.2)连续进入短程反硝化厌氧氨氧化反应器(4)中，水力停留时间(HRT)为3～6h，回流比为100～500％，出水实现深度脱氮并排放。
综上所述，本发明提供的一种两级全程氨氧化-短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市生活污水深度脱氮的装置和方法，其处理城市污水流程为：一部分原污水首先进入全程硝化反应器中，异养菌利用进水中的有机物将上周期产生的硝态氮全部反硝化为氮气，然后在好氧条件下通过Comammox菌的作用将氨氮全部氧化为硝态氮；接着，另一部分含有氨氮和有机物的原污水和硝化液以约为1:1的比例一同进入短程反硝化厌氧氨氧化反应器中，实现城市生活污水的经济高效脱氮。
因此，本发明提供的一种两级全程氨氧化-短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市生活污水深度脱氮的装置和方法，与现有传统生物脱氮工艺相比具有以下优势：
(1)Comammox菌很适合在城市生活污水低氨氮水质特征条件下富集与生存，同时仅需在较低的溶解氧(DO)条件下就可以将污水中的氨氮全部氧化为硝氮，相比传统硝化更节省曝气能耗；
(2)污水分为两部分，一部分进入全程氨氧化反应器，另一部分与第一部分被硝化后所得的硝化液混合进入短程反硝化厌氧氨氧化反应器，两部分污水比例很好调控可为厌氧氨氧化反应提供合适的亚硝与氨氮比例，易于保证短程反硝化与厌氧氨氧化反应器的稳定运行；
(3)该工艺同时有效利用了原污水中的有机物进行短程反硝化，然后耦合厌氧氨氧化反应，无需外碳源投加，节省了污水处理成本；
(4)整个系统污泥龄较长，可减少剩余污泥产量。
附图说明
图1为两级全程氨氧化-短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市生活污水深度脱氮系统的装置示意图。
图中1为城市污水原水箱、2为全程氨氧化反应器、3为中间水箱、4为短程反硝化厌氧氨氧化反应器；1.1为溢流管Ⅰ、1.2为放空管Ⅰ；2.1为进水泵Ⅰ、2.2为进水阀Ⅰ、2.3为搅拌器、2.4为曝气泵、2.5为气体流量计、2.6为微孔曝气头、2.7为溢流堰、2.8为pH/DO测定仪、2.9为排水阀、2.10为出水泵；3.1为溢流管Ⅱ、3.2为放空管Ⅱ；4.1为进水泵Ⅱ、4.2为进水泵Ⅲ、4.3为进水阀Ⅱ、4.4为取样口、4.5为三相分离器、4.6为回流泵、4.7为出水口。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步详细说明：如图1所示，一种两级全程氨氧化-短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市生活污水深度脱氮系统的装置：包括城市生活污水箱(1)、全程氨氧化反应器(2)、中间水箱(3)、短程反硝化厌氧氨氧化反应器(4)；其特征在于，所述城市生活污水箱(1)通过进水泵Ⅰ(2.1)与全程氨氧化反应器(2)连接；全程氨氧化反应器(2)通过排水阀(2.9)和排水泵Ⅰ(2.10)连接中间水箱(3)；城市生活污水箱(1)通过进水泵Ⅱ(4.1)与中间水箱(3)连接；中间水箱(3)通过进水泵Ⅲ(4.2)与短程反硝化厌氧氨氧化反应器(4)连接。
城市污水在此工艺中的处理流程为：一部分原污水首先进入全程硝化反应器中，异养菌利用进水中的有机物将上周期产生的硝态氮全部反硝化为氮气，然后在好氧条件下通过Comammox菌的作用将氨氮全部氧化为硝态氮；接着，另一部分含有氨氮和有机物的原污水和硝化液以约为1:1的比例一同进入短程反硝化厌氧氨氧化反应器中，实现城市生活污水的经济高效脱氮。
试验用水为某小区生活污水，其水质如下：COD浓度为120～60mg/L，
NH4 +-N浓度为40～68mg/L，NO2 --N和NO3 --N浓度均小于0.5mg/L；其中碳氮比在2.3至3.4之间，属于典型的低碳氮比城市生活污水。试验所用各反应器均由有机玻璃制成，全程氨氧化反应器的有效体积为10L,短程反硝化厌氧氨氧化反应器有效体积为5L。
具体运行操作如下：
1)启动系统：将具有全程氨氧化的污泥投加至全程氨氧化反应器(2)内，使反应器内污泥浓度(MLSS)为3500mg/L；将具有短程反硝化厌氧氨氧化活性的污泥投加至短程反硝化厌氧氨氧化反应器(4)中，使反应器内污泥浓度(MLSS)为4500mg/L；
2)运行时调控操作如下：
2.1)城市污水原水箱(1)中的污水通过进水泵Ⅰ(2.1)进入全程氨氧化反应器(2)内，进水时间为10min；然后全程氨氧化反应器(2)进行缺氧搅拌1.0h，将上周期产生的硝态氮反硝化为氮气；之后好氧曝气3.0h，DO浓度控制在0.2～0.4mg/L，静沉30min后将全部被氧化为硝氮的上清液排至中间水箱(3)，排水比为50％；控制反应器污泥龄为50d；
2.2)城市污水原水箱(1)中的原水通过进水泵Ⅱ(4.1)进入中间水箱(3)，使得中间水箱(3)内的废水中原水和全程氨氧化反应器(2)产生的排水比例为1:1；
2.3)中间水箱(3)中的废水通过进水泵Ⅲ(4.2)连续进入短程反硝化厌氧氨氧化反应器(4)中，水力停留时间(HRT)为5h，回流比为300％，出水实现深度脱氮并排放。
试验结果表明：运行稳定后，该系统最终出水COD为35～55mg/L,出水TN小于7mg/L，系统平均总氮为去除率为90％以上，可广泛应用于城市生活污水的处理。
以上对本发明所提供的一种两级全程氨氧化-短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市生活污水深度脱氮系统的装置与方法进行了详细介绍，并运用具体个例对本发明的原理及实施办法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明及其核心思想；同时，对于本技术领域的一般技术人员来说，根据本发明的思想，在具体实施方式及应用上做出的改变之处，也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.两级全程氨氧化-短程反硝化厌氧氨氧化处理主流低碳氮比生活污水的方法，该方法所用装置包括城市污水原水箱（1）、全程氨氧化反应器（2）、中间水箱（3）、短程反硝化厌氧氨氧化反应器（4）；所述城市污水原水箱（1）为密闭箱体，设有溢流管Ⅰ（1.1）和放空管Ⅰ（1.2）；所述全程氨氧化反应器（2）设有进水阀（2.2）、搅拌器（2.3）、曝气泵（2.4）、气体流量计（2.5）、微孔曝气头（2.6）、溢流堰（2.7）、pH/DO测定仪（2.8）和排水阀（2.9）；所述中间水箱为密闭箱体，设有溢流管Ⅱ（3.1）和放空管Ⅱ（3.2）；所述短程反硝化厌氧氨氧化反应器设有进水阀Ⅱ（4.3）、取样口（4.4）、三相分离器（4.5）、回流泵（4.6）和出水口（4.7）；
其中所述城市污水原水箱（1）通过进水泵Ⅰ（2.1）与全程氨氧化反应器（2）连接；全程氨氧化反应器（2）通过排水阀（2.9）和排水泵Ⅰ（2.10）连接中间水箱（3）；城市污水原水箱（1）通过进水泵Ⅱ（4.1）与中间水箱（3）连接；中间水箱（3）通过进水泵Ⅲ（4.2）与短程反硝化厌氧氨氧化反应器（4）连接；
其特征在于，具体启动和调控步骤如下：
1）启动系统：将具有全程氨氧化的污泥投加至全程氨氧化反应器（2）内，使反应器内污泥浓度（MLSS）为2500~5000 mg/L；将具有短程反硝化厌氧氨氧化活性的污泥投加至短程反硝化厌氧氨氧化反应器（4）中，使反应器内污泥浓度（MLSS）为3000~5000 mg/L；
2）运行时调控操作如下：
2.1）城市污水原水箱（1）中的污水通过进水泵Ⅰ（2.1）进入全程氨氧化反应器（2）内，进水时间为5~15 min；然后全程氨氧化反应器（2）进行缺氧搅拌0.5~1.0 h，将上周期产生的硝氮反硝化为氮气；之后好氧曝气1.5~3.0 h，DO浓度控制在0.2~0.4 mg/L，静沉30 min后将全部被氧化为硝氮的上清液排至中间水箱（3），排水比为50%；控制全程氨氧化反应器（2）污泥龄为50 d；
2.2）城市污水原水箱（1）中的原水通过进水泵Ⅱ（4.1）进入中间水箱（3），使得中间水箱（3）内的废水中原水和全程氨氧化反应器（2）产生的排水比例为1:1~1.32:1；
2.3）中间水箱（3）中的废水通过进水泵Ⅲ（4.2）连续进入短程反硝化厌氧氨氧化反应器（4）中，水力停留时间（HRT）为3~6 h，回流比为100~500%，出水排放。
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