CN114275895A - 一种高效脱氮污水处理工艺与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效脱氮污水处理工艺与应用，属于污水处理领域，采用由聚乙烯悬浮填料和聚氨酯海绵填料混合得到的混合填料作为污泥载体，其包括如下步骤：(1)接种亚硝化絮体污泥，持续闷曝24‑48h；(2)采用限氧曝气，维持溶解氧浓度在0.3～0.6mg/L，控制水温；(3)投加厌氧氨氧化颗粒污泥，曝气方式改为间歇曝气，曝气12min/停曝18min，内回流比1.5～10；反应器内溶解氧浓度控制在0.1～0.2mg/L，水力停留时间为18h；(4)采用特定条件的气反冲‑气水反冲‑水反冲方式进行反冲洗，(5)按前述步骤成功启动装置后，通过调节内回流比控制反应器内溶解氧为0.04mg/L，不设温度控制，缩短水力停留时间至7h，连续运行反应器。本工艺可以高效稳定降低污水中氨氮。
Description
技术领域
本发明涉及一种高效脱氮污水处理工艺与应用，属于环境工程污水处理技术领域。
背景技术
近几年发布的《中国环境状况公报》有关数据表明，氨氮仍是我国水体污染的主要指标，是水体修复的重点对象之一。氨氮废水大部分来自于工业生产(石油炼化厂、味精厂等)污水处理厂污泥浓缩及脱水间、养殖场以及垃圾填埋场等。水体中氮素富集是引起富营养化的主要原因之一，水体富营养化则会引起藻类以及浮游植物等过度生长，诱发水华、赤潮等，而藻类以及浮游植物的代谢产物(如藻毒素)也存在致毒性。氨能降低生物细胞内血红蛋白结合氧的能力，进而致使水体中鱼类等水生生物因缺氧而死亡。
目前我国颁布了更严格的城镇污水排放标准(GB18918-2002)，相比以前城市污水处理厂出水氮元素的浓度有了更严格的要求，其中规定出水氨氮浓度低于5mg/L、总氮浓度低于15mg/L。随着环保要求的提高以及对水质要求的重视，在不久的将来，氮的排放标准将更加严格。
现在大部分污水处理厂所使用的污水脱氮技术是传统的AAO工艺。该工艺具有聚磷菌与反硝化细菌的碳源竞争、有机物对硝化细菌的抑制作用、曝气能耗高等诸多弊端。虽改良AAO、倒置AAO、UCT等许多工艺应运而生，但都没摆脱硝化-反硝化的固定过程。很多污水处理厂会采用加大曝气量方法试图使出水氨氮达标，但是此种方法并无法保证氨氮去除效果，而且还会造成能源的浪费。
基于厌氧氨氧化的单级自养脱氮工艺(S-PNA)一种完全的自养过程，先由氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacteria，AOB)将约55％NH4 +-N氧化成NO2 --N；之后厌氧氨氧化细菌(anaerobic ammonia oxidizing bacteria，AnAOB)以NO2 --N为电子受体，与剩余的NH4 +-N反应生成N2。总反应方程式为：
与传统生物脱氮工艺相比，基于厌氧氨氧化的单级自养脱氮工艺可节省55-60％的曝气能耗，45％的碱度消耗和100％的反硝化碳源，从而大幅降低了污水处理的成本与能耗。厌氧氨氧化工艺被认为是构建未来新型污水处理厂最为合适的主流脱氮工艺。然而传统的单级自养脱氮工艺脱氮效果较差，出水水质难以稳定达到城镇污水氨氮指标一级排放标准。
发明内容
针对上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一目的在于提供一种高效脱氮污水处理工艺，是基于单级自养脱氮工艺，采用单组式双层组合载体升流式反应系统处理含氮污水；
所述单组式双层组合载体升流式反应系统内设置有上下两层的填料区，所述填料区的上下两层中均设置有混合填料；所述混合填料由聚乙烯悬浮填料和聚氨酯海绵填料混合得到；
所述高效脱氮污水处理工艺包括如下步骤：
(1)在单组式双层组合载体升流式反应系统的填料区下层中接种亚硝化絮体污泥，采用快速排泥挂膜法，持续闷曝24-48h，直至出水氨氮去除率稳定；在此过程中，氨氮主要通过亚硝化絮体污泥的硝化作用和填料的选择性离子吸附作用去除；
(2)采用限氧曝气，维持填料区上的层溶解氧浓度在0.3～0.6mg/L，控制单组式双层组合载体升流式反应系统内水温在30～35℃之间；测定进出水氨氮及亚硝氮浓度，直至氨氮转化率维持在50～55％之间；此时接种污泥具有良好的亚硝化性能；通过控制溶解氧、温度等反应条件有效地实现亚硝化，在富集AOB的同时，抑制NOB(亚硝酸盐氧化菌)的生长增值，提高NO2 --N的积累；
(3)向填料区上层投加厌氧氨氧化颗粒污泥，为了进一步抑制NOB的生长繁殖，曝气方式改为间歇曝气，曝气12min/停曝18min，内回流比1.5～10；填料区上层的溶解氧浓度控制在0.1～0.2mg/L之间，水温在30～35℃之间，水力停留时间为18h；
(4)采用气反冲-气水反冲-水反冲方式进行反冲洗：气反洗时间2min，强度8L/(s·m2)-1；气水联合反冲时间4min，气强度6L/(s·m2)-1，水强度4L/(s·m2)-1；水反冲时间2min，强度10L/(s·m2)-1；随着工艺运行，反应装置内会积累少量的NO3--N，反冲洗可以有效地将NOB淘洗出系统，而对AOB、AnAOB的影响较小，还可恢复滤床空隙率，更新生物膜，有利于反应装置脱氮性能的提高；
(5)按照步骤(1)～(4)，将单组式双层组合载体升流式反应系统成功启动后，通过调节内回流比，控制反应器内溶解氧为0.04mg/L，不设温度控制，缩短水力停留时间至7h，连续运行反应器。
作为本发明的一种实施方式，所述含氮污水为水温为10～26℃，氨氮浓度为30-90mg/L的生活污水，经所述高效脱氮污水处理工艺处理后，稳定有效脱氮，出水水质达到城镇污水氨氮指标一级排放标准。
作为本发明的一种实施方式，步骤(5)具体为：按照步骤(1)～(4)，将单组式双层组合载体升流式反应系统成功启动后，监测反应器在低氨氮浓度下的脱氮性能；待脱氮性能稳定后，再降低水温，监测单组式双层组合载体升流式反应系统在常温下的脱氮性能；根据运行情况，调节内回流比，同时利用反冲洗及提高进水负荷的方式，恢复与维持高效脱氮性能。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明方法利用单级自养脱氮工艺处理城市生活污水，反应装置中所添加的聚氨酯海绵填料是以特定水溶性树脂采用交联反应而得到的多孔性弹性体，孔隙率在70％左右，其分子结构中具有亲水性而具备强烈的吸水能力；聚乙烯悬浮填料呈环状结构，孔隙率在90％左右；双层填料可以为AOB和AnAOB的生长增殖提供载体，起到很好的固持作用，同时也起到固液分离、过滤截流的功能；内循环低氧曝气不利于NOB的生长且反冲洗也能有效地将NOB洗脱出系统，两者结合控制可以避免NO3 --N的积累，反冲洗后系统能快速恢复并稳定运行；
(2)随着工艺运行，反应装置内会积累少量的NO3 --N，反冲洗可以有效地将NOB淘洗出系统，而对AOB、AnAOB的影响较小，还可恢复滤床空隙率，更新生物膜，有利于反应装置脱氮性能的提高。
(3)本发明装置及方法能够最大限度降低污水中氨氮含量，当进水氨氮为45-48mg/L时，去除率高达93％以上，处理后污水的氨氮低至2-4mg/L，且平均总氮去除率也达到83％，出水水质能够稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)。
附图说明
图1为本发明的单组式双层组合载体升流式反应系统结构示意图。
具体实施方式
氨氮的定量检测方法：采用纳氏试剂分光光度法，取待测水样25mL过膜加入比色管中，加去离子水稀释至50mL，加1.0mL酒石钾钠溶液，混匀。加1.5mL纳氏试剂，混匀。10min后于420nm波长处测定其吸光度。
亚硝氮的定量检测方法：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法，取一定体积待测水样于50mL比色管，去离子水稀释至标线，加1.0mL显色剂，混匀，20min后，于540nm处测定其吸光度。
硝氮的定量检测方法：紫外分光光度法，取一定体积待测水样置于比色管中，去离子水定容到50mL，加入1.0mL的1mol/L盐酸溶液，再加入0.1mL 0.8％氨基磺酸溶液，摇匀，UV下比色，去离子水调零，分别于220nm、275nm处测定其吸光度。
总氮的检测方法：采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，取10mL待测水样于25mL比色管中，加入4mL碱性过硫酸钾溶液(将20g过硫酸钾和7.5g NaOH溶于超纯水，500mL定容配得)，塞紧磨口塞，用纱布及纱绳裹紧管塞；将比色管置于压力蒸汽消毒器中，于120℃加热0.5h，取出比色管并冷却至室温；加入盐酸(分析纯盐酸与水体积比为1：9配得)1mL，用去离子水稀释至25mL，混匀，于220nm及275nm波长处测定其吸光度。
菌种丰度的测定方法：取适量污泥，蒸馏水离心(4000rpm，2min)清洗三遍，置于-20℃冰箱预冻2～3h后，再用冷冻干燥机进行样品冻干48h，直至样品呈干燥粉末状。称取0.1～0.2g干燥污泥，采用E.Z.N.A.
Soil DNA Kit试剂盒进行DNA提取；然后利用ND-1000紫外分光光度仪检测DNA的提取效果及浓度，确定OD260/OD280在1.8～2.0之间。最后采用SYBR Green试剂盒染色法荧光实时定量PCR技术检测污泥中全细菌、AOB、AnAOB和NOB(包括Nitrospira和Nitrobacter两属)的丰度。
本发明实施例1～3以经过高负荷活性污泥反应器预处理的实际生活污水为试验废水，其基本理化性质见下表。
表1试验废水的理化性质
装置实施例
本实施例提供了一种单组式双层组合载体升流式反应系统，如图1所示，包括进水管及反冲洗进气管1、配水区2、底部曝气管架3、填料区4、不锈钢多孔筛板5、pH计6、DO检测探头7、气体流量计8，曝气泵9、两种不同的填料10和11、出水管12以及回流管13。所述回流管13用于将出水管12与所述进水管和反冲洗进气管1连通；所述气体流量计8、曝气泵9与底部曝气管架3连通设置。
待处理污水由位于单组式双层组合载体升流式反应系统底部的进水管流入配水区2，然后向上方流动；空气经曝气泵9通过气体流量计8控制流量后经底部曝气管架3曝出，与来自配水区2的污水在填料区4下层充分混合反应；然后废水经过不锈钢多孔筛板5进入填料区4上层继续反应，最后经出水管12流出或通过回流管13回流至反冲洗进气管1或进水管中。pH计6、DO检测探头7用于监测单组式双层组合载体升流式反应系统内的pH变化和DO变化。
所述不锈钢多孔筛板5将填料区4隔离为上下两层；两种不同的填料10、11均匀混合并置于所述填料区4的上下两层中。其中，填料10为聚乙烯悬浮填料；填料11为聚氨酯海绵填料。
本发明装置所采用的填料11为聚氨酯海绵填料，其是以特定水溶性树脂采用交联反应而得到的多孔性弹性体，孔隙率在70％左右，其分子结构中具有亲水性而具备强烈的吸水能力；所采用的填料10为聚乙烯悬浮填料呈环状结构，孔隙率在90％左右；两种填料混合的技术方案，与单独聚氨酯海绵填料相比，可以为AOB和AnAOB的生长增殖提供更加适宜的载体，起到更好的固持作用，同时也具有良好的固液分离、过滤截流的性能，此外配合内循环低氧曝气条件不利于有害菌NOB的生长。当本发明的单组式双层组合载体升流式反应系统脱氮性能下降或需要维护时，可以通过反冲洗进气管1进行反冲，能有效地将有害菌NOB洗脱出系统，反冲洗后系统能快速恢复并稳定运行。
本发明混合填料的设置与反冲洗设置的结合可以避免NO3 --N的过度积累，为装置稳定脱氮运行创造有利条件，因此非常适于单级自养脱氮工艺处理含氮废水，例如城市生活污水。
优选地，所述填料区4上下两层高度之比为2:3；
优选地，所述填料区4上层的高度为1-2m；
优选地，所述填料区4下层的高度为1.5-3m；
优选地，所述填料区4的高度为2.5-5m；
优选地，所述填料区4上下两层内填料的填充比均为30％。
实施例1
(1)以前述装置实施例中的单组式双层组合载体升流式反应系统为反应装置。在反应装置填料区4下层中接种亚硝化絮体污泥(取自无锡市新城污水处理厂的好养污泥，并经过实验室驯化得来的：闷曝一段时间恢复其活性后，间歇更换模拟污水，进水氨氮浓度为150mg/L，开始每4天换水一次，后逐渐减少到每36小时换水一次，总培养时间为一个月)，闷曝持续时间为24-48h；
(2)采用限氧曝气，维持反应器内填料区4上层溶解氧浓度在0.3～0.6mg/L，控制反应器内填料区4上层水温在30～35℃之间；
(3)向填料区4上层投加厌氧氨氧化颗粒污泥，曝气方式改为间歇曝气：曝气12min/停曝18min，内回流比1.5～10；反应器内填料区4上层溶解氧浓度控制在0.1～0.2mg/L之间，水温控制在30～35℃之间，水力停留时间设为18h；
(4)采用气反冲-气水反冲-水反冲方式进行反冲洗，气反洗时间2min，强度8L/(s·m2)-1；气水联合反冲时间4min，气强度6L/(s·m2)-1，水强度4L/(s·m2)-1；水反冲时间2min，强度10L/(s·m2)-1；
(5)按以上四步，装置成功启动后，控制反应器内循环比为1:15～1:20，水力停留时间至7h，以预处理过的生活污水(见表1)作为反应器进水，进水氨氮为45～48mg/L，连续运行反应器。
经过测定，处理后水的氨氮含量为3～4mg/L，平均氨氮去除率达到92.5％，总氮去除率达到90.3％。
实施例2
参照实施例1，区别仅在于调整内循环比为1:20～1:24，具体步骤如下：
(1)以前述装置实施例中的单组式双层组合载体升流式反应系统为反应装置。在反应装置填料区4下层中接种亚硝化絮体污泥(取自无锡市新城污水处理厂的好养污泥，并经过实验室驯化得来的：闷曝一段时间恢复其活性后，间歇更换模拟污水，进水氨氮浓度为150mg/L，开始每4天换水一次，后逐渐减少到每36小时换水一次，总培养时间为一个月)，闷曝持续时间为24-48h；
(2)采用限氧曝气，维持反应器内填料区4上层溶解氧浓度在0.3～0.6mg/L，控制反应器内填料区4上层水温在30～35℃之间；
(3)向填料区4上层投加厌氧氨氧化颗粒污泥，曝气方式改为间歇曝气：曝气12min/停曝18min，内回流比1.5～10；反应器内填料区4上层溶解氧浓度控制在0.1～0.2mg/L之间，水温控制在30～35℃之间，水力停留时间设为18h；
(4)采用气反冲-气水反冲-水反冲方式进行反冲洗，气反洗时间2min，强度8L/(s·m2)-1；气水联合反冲时间4min，气强度6L/(s·m2)-1，水强度4L/(s·m2)-1；水反冲时间2min，强度10L/(s·m2)-1；
(5)按以上四步，装置成功启动后，控制反应器内循环比为1:20～1:24，水力停留时间至7h，以预处理过的生活污水作为反应器进水，进水氨氮为45～48mg/L，连续运行反应器。
经过测定，处理后水的氨氮含量维持在2～3mg/L，平均氨氮去除率达到93.6％，总氮去除率达到90.9％。
实施例3
参照实施例1，区别仅在于调整步骤(5)的水力停留时间为10h，具体步骤如下：
(1)以前述装置实施例中的单组式双层组合载体升流式反应系统为反应装置。在反应装置填料区4下层中接种亚硝化絮体污泥(取自无锡市新城污水处理厂的好养污泥，并经过实验室驯化得来的：闷曝一段时间恢复其活性后，间歇更换模拟污水，进水氨氮浓度为150mg/L，开始每4天换水一次，后逐渐减少到每36小时换水一次，总培养时间为一个月)，闷曝持续时间为24-48h；
(2)采用限氧曝气，维持反应器内填料区4上层溶解氧浓度在0.3～0.6mg/L，控制反应器内填料区4上层水温在30～35℃之间；
(3)向填料区4上层投加厌氧氨氧化颗粒污泥，曝气方式改为间歇曝气：曝气12min/停曝18min，内回流比1.5～10；反应器内填料区4上层溶解氧浓度控制在0.1～0.2mg/L之间，水温控制在30～35℃之间，水力停留时间设为18h；
(4)采用气反冲-气水反冲-水反冲方式进行反冲洗，气反洗时间2min，强度8L/(s·m2)-1；气水联合反冲时间4min，气强度6L/(s·m2)-1，水强度4L/(s·m2)-1；水反冲时间2min，强度10L/(s·m2)-1；
(5)按以上四步，装置成功启动后，控制反应器内循环比为1:15～1:20，水力停留时间至10h，以预处理过的生活污水(见表1)作为反应器进水，进水氨氮为45～48mg/L，连续运行反应器。
经过测定，处理后水的氨氮含量维持在4～5mg/L，平均氨氮去除率达到87.1％，总氮去除率达到82.3％。
实施例4
参照实施例1，区别仅在于，以模拟废水作为反应器进水，进水氨氮为110～115mg/L，具体步骤如下：
(1)以前述装置实施例中的单组式双层组合载体升流式反应系统为反应装置。在反应装置填料区4下层中接种亚硝化絮体污泥(取自无锡市新城污水处理厂的好养污泥，并经过实验室驯化得来的：闷曝一段时间恢复其活性后，间歇更换模拟污水，进水氨氮浓度为150mg/L，开始每4天换水一次，后逐渐减少到每36小时换水一次，总培养时间为一个月)，闷曝持续时间为24-48h；
(2)采用限氧曝气，维持反应器内填料区4上层溶解氧浓度在0.3～0.6mg/L，控制反应器内填料区4上层水温在30～35℃之间；
(3)向填料区4上层投加厌氧氨氧化颗粒污泥，曝气方式改为间歇曝气：曝气12min/停曝18min，内回流比1.5～10；反应器内填料区4上层溶解氧浓度控制在0.1～0.2mg/L之间，水温控制在30～35℃之间，水力停留时间设为18h；
(4)采用气反冲-气水反冲-水反冲方式进行反冲洗，气反洗时间2min，强度8L/(s·m2)-1；气水联合反冲时间4min，气强度6L/(s·m2)-1，水强度4L/(s·m2)-1；水反冲时间2min，强度10L/(s·m2)-1；
(5)按以上四步，装置成功启动后，控制反应器内循环比为1:15～1:20，水力停留时间至7h，以模拟废水作为反应器进水，进水氨氮为110～115mg/L，连续运行反应器。
经过测定，处理后水的氨氮含量维持在8～10mg/L，平均氨氮去除率达到92.5％，总氮去除率达到81.7％。
对比例1
参照实施例2，区别仅在于，气反洗时间2min，强度4.5L/(s·m2)-1；气水联合反冲时间4min，气强度6L/(s·m2)-1，水强度4L/(s·m2)-1；水反冲时间2min，强度1.5L/(s·m2)-1。
经过测定，处理后水的氨氮含量维持在20～23mg/L，平均氨氮去除率达到49.6％，总氮去除率达到45.8％。
对比例2
参照实施例2，区别仅在于，曝气18min/停曝12min。
经过测定，处理后水的氨氮含量维持在16～20mg/L，平均氨氮去除率达到53.8％，总氮去除率达到49.7％。
对比例3
参照实施例2，区别仅在于，气反洗时间1min，强度8L/(s·m2)-1；气水联合反冲时间2min，气强度6L/(s·m2)-1，水强度4L/(s·m2)-1；水反冲时间1min，强度4L/(s·m2)-1。
经过测定，处理后水的氨氮含量维持在18～23mg/L，平均氨氮去除率达到56.9％，总氮去除率达到51.6％。
对比例4
参照实施例2，区别仅在于，曝气6min/停曝24min。
经过测定，处理后水的氨氮含量维持在25～29mg/L，平均氨氮去除率达到41.94％，总氮去除率达到39.7％。
对比例5
参照实施例2，区别仅在于，采用的单组式双层组合载体升流式反应系统中填料层的上层采用沸石填料；填料层下层采用聚氨酯海绵填料。
经过测定，处理后水的氨氮含量维持在9～11mg/L，平均氨氮去除率达到76.82％，总氮去除率达到74.53％。可见，改变上下层填料类型后，脱氮效果显著下降。
通过对实施例2和对比例5中的填料层上下两层的污泥菌种分析(结果参见表2)可知：相比对比例5，实施例2中AOB与AnAOB的丰度更高，NOB的丰度更低，说明聚氨酯海绵填料与聚乙烯悬浮填料混合填料更能有效地抑制NOB的生长增殖，并富集AOB。
表2实施例2和对比例5中的填料层上下两层的污泥菌种分析结果
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (4)
1.一种高效脱氮污水处理工艺，其特征在于，是基于单级自养脱氮工艺，采用单组式双层组合载体升流式反应系统处理含氮污水；
所述单组式双层组合载体升流式反应系统内设置有上下两层的填料区，所述填料区的上下两层中均设置有混合填料；所述混合填料由聚乙烯悬浮填料和聚氨酯海绵填料混合得到；
所述高效脱氮污水处理工艺包括如下步骤：
(1)在单组式双层组合载体升流式反应系统的填料区下层中接种亚硝化絮体污泥，采用快速排泥挂膜法，持续闷曝24-48h，直至出水氨氮去除率稳定；
(2)采用限氧曝气，维持填料区上层的溶解氧浓度在0.3～0.6mg/L，控制单组式双层组合载体升流式反应系统内水温在30～35℃之间；测定进出水氨氮及亚硝氮浓度，直至氨氮转化率维持在50～55％之间；
(3)向填料区上层投加厌氧氨氧化颗粒污泥，曝气方式改为间歇曝气，曝气12min/停曝18min，内回流比1.5～10；填料区上层的溶解氧浓度控制在0.1～0.2mg/L之间，水温在30～35℃之间，水力停留时间为18h；
(4)采用气反冲-气水反冲-水反冲方式进行反冲洗：气反洗时间2min，强度8L/(s·m2)-1；气水联合反冲时间4min，气强度6L/(s·m2)-1，水强度4L/(s·m2)-1；水反冲时间2min，强度10L/(s·m2)-1；
(5)按照步骤(1)～(4)，将单组式双层组合载体升流式反应系统成功启动后，通过调节内回流比，控制反应器内溶解氧为0.04mg/L，不设温度控制，缩短水力停留时间至7h，连续运行反应器。
2.根据权利要求1所述的高效脱氮污水处理工艺，其特征在于，所述含氮污水为水温为10～26℃，氨氮浓度为30-90mg/L的生活污水，经所述高效脱氮污水处理工艺处理后，稳定有效脱氮，出水水质达到城镇污水氨氮指标一级排放标准。
3.根据权利要求1所述的高效脱氮污水处理工艺，其特征在于，步骤(5)具体为：按照步骤(1)～(4)，将单组式双层组合载体升流式反应系统成功启动后，监测反应器在低氨氮浓度下的脱氮性能；待脱氮性能稳定后，再降低水温，监测单组式双层组合载体升流式反应系统在常温下的脱氮性能；根据运行情况，调节内回流比，同时利用反冲洗及提高进水负荷的方式，恢复与维持高效脱氮性能。
4.权利要求1-3中任一项所述的高效脱氮污水处理工艺在实际城镇污水中的应用。
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