CN1927739A

CN1927739A - 短程硝化－厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮运行方式及装置

Info

Publication number: CN1927739A
Application number: CN 200610032147
Authority: CN
Inventors: 徐峥勇; 杨朝晖; 曾光明; 王荣娟
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2006-08-29
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2026-08-29
Also published as: CN100402444C

Abstract

一种短程硝化－厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮运行方式及装置，通过实时控制反应容器内污水的温度和高频度曝气—缺氧交替的限制性曝气方式抑制亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌的生长，使氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌分别成为硝化和反硝化阶段的优势菌种。在硝化阶段，硝化作用停止在亚硝酸盐阶段，而反硝化阶段则由氨氮作为直接电子供体还原亚硝盐硝酸。装置采用固定式球型组合填料，球形外壳为聚丙烯，内部填充生物质复合材料，采用分段式离散进水模式将运行周期内待处理污水按一定的比例分成四部分分阶段注入到反应容器中。本发明具有运行管理方便、占地面积小、污泥产量小、能耗低、基建运行费用低、脱氮效率高，且处理效果稳定等特点。

Description

短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮运行方式及装置

技术领域

本发明属于环境保护、污水处理技术领域，具体涉及一种短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮运行方式及装置。

背景技术

传统的生物脱氮主要通过硝化-反硝化两段工艺共同完成。在硝化阶段，氨氮被转化为硝酸盐氮的过程分成两个连续的反应，首先是由氨氧化细菌将氨氮转化为亚硝酸盐，然后由亚硝酸盐氧化细菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐。此工艺有两方面不足，首先是能耗大，氨氮硝化过程需要外加能源供给氧气，前置反硝化系统需设置回流比较大的混合液内回流，这也增加了能耗。其次，反硝化反应需要碳源作为电子供体，若污水中碳源不足(C/N过低)，则需投加甲醇等有机碳，这不仅增加了运行费用，还增加了运行管理的难度。因此，国内外的专家学者一直都在尝试寻找一种低耗高效的脱氮工艺。

短程硝化-厌氧氨氧化的协同作用原理为高氨氮垃圾渗滤液的脱氮提供了一条新型的高效生物脱氮途径。该途径和传统的好氧-厌氧(A/O)生物脱氮途径相比至少可以节约62.5％的能耗，节约50％的碱量，无需外加碳源，而且在运行过程中污泥产量极小，仅为传统生物脱氮过程的15％，大大节约了运行成本。但是现有的短程硝化-厌氧氨氧化的协同作用工艺还存在以下几个问题：①氨氧化的产物亚硝酸盐本身是致畸、致癌、致突变物质，同时它还可与芳香胺等物质反应，生成其他亚硝化副产物，该类物质对受纳水体和人类健康更有害；②氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌的生长温度都较高，在冬季和低温的北方，为了维持合适的反应温度，对反应过程进行保温需要消耗较多能源；③亚硝酸盐浓度累积一定程度会对氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌都产生毒害作用，从而降低脱氮效率；④目前世界上仅有荷兰鹿特丹Dokhaven市政废水处理场以短程硝化-厌氧氨氧化的协同作用为基础的工业装置在投入使用，该装置由一个前置短程硝化(SHARON)反应装置和一个厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应装置组成，由于短程硝化和厌氧氨氧化分别在不同的容器中进行，使得整个工艺的基建投资和占地面积增加。

污水生物脱氮技术是当今水污染控制领域的一个重要研究方向，研究开发高效、低耗的生物脱氮工艺和装置已成为当前水处理界的重要研究课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮运行方式及装置，可使短程硝化和厌氧氨氧化在同一个反应容器内实现，缩短反应时间，并缩减反应容器的体积，将硝化反应停止在亚硝酸盐阶段；采用分段式进水模式分散进水负荷，提高了装置的抗冲击负荷能力和处理能力；可有效控制亚硝酸盐最大累积浓度，降低亚硝酸盐对生物膜的毒害作用发，脱氮效率高，并且处理效果稳定。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案。

本发明的短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮运行方式，其特征在于①曝气与缺氧两种方式高频度交替运行，使得在曝气阶段产生的亚硝酸在缺氧阶段得到及时地去除，使亚硝酸的最大累积浓度得到控制；②实行限制性曝气，曝气时反应容器中溶解氧浓度为1.1～1.5mg/L，创造亚硝酸盐氧化细菌活性受限的低溶氧浓度环境，而在该环境下氨氧化细菌的活性不会受到抑制。

其具体工序为：

I)进水期：将运行周期内待处理污水总量的20％～40％在可对污水加温的预热水槽中加热至26℃～33℃后，加入到其内装设有固定式球型组合填料的反应容器中；进水时间为0.1～0.4小时；

II)反应期：所述反应期分为四个曝气与缺氧循环，第一至第三曝气与缺氧循环均依次包含曝气、进水和缺氧三个阶段，

曝气阶段：向反应容器内提供微量空气，固定式球型组合填料表面形成的生物膜上以及污水中的微生物对有机物进行降解并催化氨氮被氧化成亚硝酸盐，每一个曝气阶段的时间均为1.5～2小时；

进水阶段：停止曝气，将运行周期内待处理污水总量的20％～40％在预热水槽中加热至26℃～33℃后，加入到反应容器中；进水时间为0.05～0.2小时；

缺氧阶段：生物膜上以及污水中的微生物利用水中的亚硝酸盐和氨氮进行厌氧氨氧化反应产生氮气，每一个缺氧阶段的时间均为1～1.5小时；

第四曝气与缺氧循环包含第四曝气阶段和第四缺氧阶段及沉淀期，

第四曝气阶段：向反应容器内提供微量空气，生物膜上以及污水中的微生物对有机物进行降解并催化氨氮被氧化成亚硝酸盐，曝气时间为1.5～2小时；

第四缺氧阶段及沉淀期：停止曝气，生物膜上以及污水中的微生物利用水中的亚硝酸盐和氨氮进行厌氧氨氧化反应产生氮气，进一步去除残余氨氮和亚硝酸盐氮，同时对处理的污水进行沉淀，历时1～2小时；

III)排水期：将处理后的污水排出反应容器。

本发明的短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮装置，其特征在于它包括可对污水加温的预热水槽、反应容器、曝气机和曝气头，预热水槽通过管路与反应容器上端所设进水口相连，反应容器内装设有固定式球型组合填料和加热器，反应容器的下端设有出水口，中部设有取样口，顶部设置有自动气压平衡阀门，曝气头装设于反应容器底部，位于球型组合填料下方，曝气机置于反应容器一侧，通过管路与装于反应容器内的曝气头相连。

作为本发明的进一步改进，所述预热水槽与反应容器之间设有电磁计量泵，曝气机与曝气头之间设有气体流量计，反应容器内设有温度传感器，出水口处带有电磁阀，反应容器一旁设有可对本装置实现自动控制的自动控制部分。

所述反应容器中装设有填料固定支架，球型组合填料装于填料固定支架中。所述曝气头为由固定式球型组合填料底部垂直向上曝气的微孔曝气盘。

所述球型组合填料由中空鱼网状球形外壳和装于壳内的内部填充物质组成，内部填充物质的装填体积占中空鱼网状球形外壳中空部分体积的30～50％。所述中空鱼网状球形外壳的材质为聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯或聚氨酯，其直径为50～150mm。所述内部填充物质由生物质材料和人工高分子材料以1∶1的体积配比组成。

所述生物质材料为自然风干的空心竹节，竹节直径5～8mm，长10～20mm；人工高分子材料为聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯或聚氨酯塑料的柔性丝状物，丝状物直径为0.5～1mm。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮运行方式，建立了氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌的共生系统，快速积累氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌，可快速有效的抑制亚硝酸盐氧化细菌和反硝化细菌的生长，使氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌分别成为硝化和反硝化阶段的优势菌种。在硝化阶段，硝化作用停止在亚硝酸盐阶段，而反硝化阶段则由NH₄ ⁺作为直接电子供体还原亚硝盐硝酸，控制亚硝酸盐最大累积浓度，降低了亚硝酸盐对生物膜的毒害作用。

2、通过实行限制性曝气，控制曝气时反应容器中溶解氧浓度为1.1～1.5mg/L，在低溶解氧浓度下快速有效的抑制亚硝酸盐氧化细菌，将硝化反应停止在亚硝酸盐阶段，而在该环境下氨氧化细菌的活性不会受到抑制。

3、高频度曝气与缺氧交替的间歇运行方式使得在曝气阶段产生的亚硝酸在缺氧阶段得到及时地去除，从而使亚硝酸的最大累积浓度得到控制，避免了亚硝酸盐对氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌产生毒害作用。

4、本发明的装置只有一个反应容器，短程硝化和厌氧氨氧化在同一个反应容器内实现，缩短了反应时间，相应地减少了反应容器的体积以及处理构筑物的数量和基建投资，装置结构简单紧凑，运行管理方便。采用固定式球形组合填料，填料具有较强的生物亲和性和亲水性，比表面积大，易于微生物生长挂膜；填料内部核心易于更换，耐酸碱、抗老化、使用寿命长，运行管理方便。

5、电磁计量泵分别连接预热水槽和反应容器，可在自动控制部分的控制下向反应容器实时定量加水。采用分段式离散进水模式，充分发挥序批式反应装置的运行优势，将负荷压力分散到各反应阶段，提高了装置的抗冲击负荷能力和处理能力，有利于装置的稳定运行。

综上所述，本发明具有运行管理方便、占地面积小、污泥产量小、能耗低、基建运行费用低、脱氮效率高，并且处理效果稳定等特点。可广泛应用于畜禽养殖场污水、屠宰场污水、小城镇生活污水、垃圾渗滤液、生物制药污水等高氨氮污水的脱氮处理。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明的工序示意图。

图中各标号表示：

1、预热水槽 2、电磁计量泵

3、反应容器 4、球型组合填料

5、温度传感器 6、加热器

7、曝气头 8、气体流量计

9、曝气机 10、自动控制部分

11、自动气压平衡阀门 12、取样口

13、出水口 14、填料固定支架

具体实施方式

实施案例：某小型垃圾填埋场垃圾渗滤液脱氮处理。

某小型垃圾填埋场垃圾渗滤液处理系统日均处理水量为50m³/日，所选装置反应容器3有效容积为150m³，预热水槽1容积为50m³。

本实施例的装置结构如图1所示，它包括可对污水加温的预热水槽1、反应容器3、曝气机9和曝气头7，预热水槽1通过管路与反应容器3上端所设进水口相连，预热水槽1可将进水预加热至26℃～33℃，预热水槽1与反应容器3之间设有电磁计量泵2，可通过所设自动控制部分10向反应容器3实施实时定量加水，反应容器3内设有固定式球型组合填料4和加热器6，反应容器3的内壁上悬挂一填料固定支架14，球型组合填料4装于填料固定支架14中，在使用过程中，易更换、耐酸碱、抗老化、使用寿命长，安装方便，有利于微生物的积累和生物膜的形成。加热器6则通过安装座装于反应容器3内侧面，反应容器3内还设有温度传感器5，温度传感器5置于反应容器3内的污水中并与自动控制部分10相连，以实时监控水温，自动控制部分10接收温度传感器5反馈的水温信息后实时控制加热器6对污水进行加热，水温控制在28℃～33℃。反应容器3的下端设有出水口13，出水口13处带有电磁阀，在自动控制部分10的控制下可定时定量出水，反应容器3中部设有取样口12，顶部设置有自动气压平衡阀门11，曝气头7装设于反应容器3底部，位于球型组合填料4下方，本实例中为一由球型组合填料4底部垂直向上曝气的微孔曝气盘。曝气机9置于反应容器3一侧，通过管路与装于反应容器3内的曝气头7相连，曝气机9与曝气头7之间设有气体流量计8，可实行限制性曝气，曝气时反应容器3中溶解氧浓度为1.1～1.5mg/L，创造亚硝酸盐氧化细菌生长受限的低溶氧浓度环境，而在该环境下氨氧化细菌的活性不会受到抑制。可对本装置实现自动控制的自动控制部分10设于反应容器3一旁。

球型组合填料4由空鱼网状球形外壳和装于壳内的内部填充物质组成，内部填充物质的装填体积占空鱼网状球形外壳中空部分体积的40％。中空鱼网状球形外壳的材质为聚丙烯，直径为80mm；内部填充物质由生物质材料和人工高分子材料以1∶1的体积配比组成，生物质材料主要为自然风干的空心竹节，竹节直径5～8mm，长10～20mm；人工高分子材料为聚乙烯塑料的柔性丝状物，丝状物直径为0.5～1mm。

本实施例运用上述装置的具体运行方式为：

①曝气与缺氧两种方式高频度交替运行，使得在曝气阶段产生的亚硝酸在缺氧阶段得到及时地去除，使亚硝酸的最大累积浓度得到控制；②实行限制性曝气，曝气时容器中溶解氧浓度为1.1～1.5mg/L，创造亚硝酸盐氧化细菌生长受限的低溶氧浓度环境，而在该环境下氨氧化细菌的活性不会受到抑制。其具体工序如图2所示：

进水阶段1：将待处理的污水在预热水槽1中预加热至31℃，开启电磁计量泵2通过进水口向反应容器3加水，进水量为20m³，进水时间为0.1～0.2小时，水温控制在31℃。

曝气阶段1：曝气机9开始曝气，持续曝气1.5小时，通过气体流量计8控制水中溶解氧浓度在1.1～1.5mg/L，向反应容器3内提供微量空气，在微孔曝气盘的剪切作用下分散成为小气泡向污水和球型组合填料4上的生物膜扩散，生物膜上以及污水中的微生物对有机物进行降解并催化，好氧氨氧化细菌利用氧气和氨氮进行新陈代谢，并将氨氮氧化成亚硝酸盐。由于溶解氧浓度不足，亚硝酸盐氧化细菌活性受到抑制，亚硝酸盐不能被氧化成硝酸盐而在装置中积累。

进水阶段2：关闭曝气机9，停止曝气，开启电磁计量泵2将预热水槽1中的待处理污水加入反应容器3中，进水量为10m³，进水时间为0.05～0.1小时，水温控制在31℃。

缺氧阶段1：缺氧持续时间为1小时，曝气机9处于关闭状态，生物膜上以及污水中的微生物利用水中的亚硝酸盐和氨氮进行厌氧氨氧化反应，在厌氧氨氧化细菌的作用下，亚硝酸盐和氨氮被氧化还原转化为氮气。

曝气阶段2：运行控制及其反应机理同曝气阶段1。

进水阶段3：运行控制同进水阶段2。

缺氧阶段2：运行控制及其反应机理同缺氧阶段1。

曝气阶段3：运行控制及其反应机理同曝气阶段1。

进水阶段4：运行控制同进水阶段2。

缺氧阶段3：运行控制及其反应机理同缺氧阶段1。

第四曝气阶段4：运行控制及其反应机理同曝气阶段1。

第四缺氧阶段4及沉淀期：停止曝气，生物膜上以及污水中的微生物利用水中的亚硝酸盐和氨氮进行厌氧氨氧化反应产生氮气，进一步去除残余氨氮和亚硝酸盐氮，该阶段是整个运行周期中唯一一次在阶段开始之前没有设置进水阶段的缺氧阶段，该阶段的作用是为了彻底的去除反应容器中残余氨氮和亚硝酸盐氮。同时第四缺氧阶段4在整个运行周期中同时也发挥了对处理的污水最终沉淀的作用，视为运行周期中的沉淀期，使反应时间缩短。历时1小时。

排水期，出水口13的电磁阀开启，反应容器3中经过处理的污水外排，排水时间0.5～1小时。

本实施例进水氨氮和总氮分别在215.9～498.5mg.L^-1和289.4～613.7mg.L^-1之间波动，出水氨氮浓度均低于28mg.L^-1，氨氮平均去除效率达到93.9％，出水总氮浓度均低于67mg.L^-1，总氮平均去除效率达到89％。

Claims

1、一种短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮运行方式，其特征在于①曝气与缺氧两种方式高频度交替运行，使得在曝气阶段产生的亚硝酸在缺氧阶段得到及时地去除，使亚硝酸的最大累积浓度得到控制；②实行限制性曝气，曝气时反应容器中溶解氧浓度为1.1～1.5mg/L，创造亚硝酸盐氧化细菌活性受限的低溶氧浓度环境，而在该环境下氨氧化细菌的活性不会受到抑制。

2、根据权利要求1所述的短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮运行方式，其特征在于具体工序为：

III)排水期：将处理后的污水排出反应容器。

3、一种短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮装置，其特征在于它包括可对污水加温的预热水槽(1)、反应容器(3)、曝气机(9)和曝气头(7)，预热水槽(1)通过管路与反应容器(3)上端所设进水口相连，反应容器(3)内装设有固定式球型组合填料(4)和加热器(6)，反应容器(3)的下端设有出水口(13)，中部设有取样口(12)，顶部设置有自动气压平衡阀门(11)，曝气头(7)装设于反应容器(3)底部，位于球型组合填料(4)下方，曝气机(9)置于反应容器(3)一侧，通过管路与装于反应容器(3)内的曝气头(7)相连。

4、根据权利要求3所述的短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮装置，其特征在于所述预热水槽(1)与反应容器(3)之间设有电磁计量泵(2)，曝气机(9)与曝气头(7)之间设有气体流量计(8)，反应容器(3)内设有温度传感器(5)，出水口(13)处带有电磁阀，反应容器(3)一旁设有可对本装置实现自动控制的自动控制部分(10)。

5、根据权利要求3或4所述的短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮装置，其特征在于所述反应容器(3)中装设有填料固定支架(14)，球型组合填料(4)装于填料固定支架(14)中。

6、根据权利要求5所述的短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮装置，其特征在于所述曝气头(7)为由固定式球型组合填料(4)底部垂直向上曝气的微孔曝气盘。

7、根据权利要求5所述的短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮装置，其特征在于所述球型组合填料(4)由中空鱼网状球形外壳和装于壳内的内部填充物质组成，内部填充物质的装填体积占中空鱼网状球形外壳中空部分体积的30～50％。

8、根据权利要求7所述的短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮装置，其特征在于所述中空鱼网状球形外壳的材质为聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯或聚氨酯，其直径为50～150mm。

9、根据权利要求8所述的短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮装置，其特征在于所述内部填充物质由生物质材料和人工高分子材料以1∶1的体积配比组成。

10、根据权利要求9所述的短程硝化-厌氧氨氧化序批式生物膜脱氮装置，其特征在于所述生物质材料为自然风干的空心竹节，竹节直径5～8mm，长10～20mm；人工高分子材料为聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯或聚氨酯塑料的柔性丝状物，丝状物直径为0.5～1mm。