WO2023082316A1 - 一种基于低氧完全硝化耦合内碳源短程反硝化厌氧氨氧化深度脱氮的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于低氧完全硝化耦合内碳源短程反硝化厌氧氨氧化深度脱氮的装置，包括城市污水原水箱（1）、厌氧反应器（2）、低氧脱氮反应器（3）；首先将城市污水泵入厌氧反应器（2），将污水中的有机物转化为内碳源的形式储存于活性污泥中，而后其出水以泥水混合物的形式进入厌氧氨氧化菌与完全硝化菌共生的低氧脱氮反应器（3），通过控制器（35）控制溶解氧浓度，在低氧条件下实现厌氧氨氧化菌与完全硝化菌共存，并利用内碳源实现完全硝化-短程反硝化-厌氧氨氧化自养脱氮过程，实现节能降耗、深度脱氮。

Description

一种基于低氧完全硝化耦合内碳源短程反硝化厌氧氨氧化深度脱氮的装置和方法 技术领域
本发明涉及污水生物处理领域，特别涉及一种基于低氧完全硝化耦合内碳源短程反硝化厌氧氨氧化深度脱氮的装置和方法。
背景技术
自2015年完全硝化菌被两个研究团队发现并以论文形式发表刊登在《Nature》上以后，完全硝化菌的存在更新了一百多年以来大家对硝化作用的理解。19世纪末俄国科学家分离出来了两种能将硝化作用分步完成的细菌，分别是AOB和NOB。虽然近年来已经证明了完全硝化菌在微生物动力学和热力学都比AOB和NOB具有一定的竞争优势，但因其反应路径较长，细菌生长速率低，或许是这么多年来一直未被观测到的原因。自完全硝化菌面世以来，其低能耗、低底物浓度的特点吸引了不少科学家的注意，但因其生理生化特点尚不明晰的原因，暂无与其他微生物进行耦合深度脱氮的具体方法。
发明内容
鉴于此，本发明提出一种基于低氧完全硝化耦合内碳源短程反硝化厌氧氨氧化深度脱氮的装置和方法，本发明利用厌氧储存内碳源、低氧全程硝化、缺氧短程反硝化与厌氧条件下厌氧氨氧化结合，有望实现极限低氧条件下的深度脱氮。采用内碳源供给短程反硝化将硝态氮转化亚硝态氮，再通过厌氧氨氧化反应将亚硝态氮和氨氮转化为氮气。相比传统硝化反硝化脱氮，短程反硝化厌氧氨氧化有机碳源需求量低、耗氧量低，同时由于完全硝化与短程反硝化厌氧氨氧化同时发生，理论上可实现100％脱氮，这就为深度脱氮提供了可能。
本发明的技术方案是这样实现的：一种基于低氧完全硝化耦合内碳源短程反硝化厌氧氨氧化深度脱氮的装置，包括城市污水原水箱、厌氧反应器、低氧脱氮反应器；所述城市污水原水箱包括箱体、第一溢流管、放空管和进水泵， 所述第一溢流管和放空管设于箱体上；所述厌氧反应器包括厌氧反应容器、进水阀、第一搅拌器和第二溢流管，所述第二溢流管设于厌氧反应容器上，所述第一搅拌器的搅拌叶位于厌氧反应器内部；所述低氧脱氮反应器包括低氧脱氮反应容器、第二搅拌器、曝气头、空压机、控制器、第三溢流管、出水阀、膜组件和污泥回流泵；所述空压机、气体流量计、曝气头依次通过管道连接，所述曝气头位于低氧脱氮反应容器内部；所述控制器分别与溶解氧传感器和空压机连接；所述控制器通过溶解氧传感器的溶解氧值来控制空压机，当溶解氧大于0.07mg/L时空压机停止运行，当溶解氧低于0.02mg/L时，空压机开启运行。所述第二搅拌器的搅拌叶位于低氧脱氮反应容器内部；所述膜组件安装于低氧脱氮反应容器内壁，采用膜组件出水；本发明采用控制器控制低氧脱氮反应器中溶解氧，确保完全硝化菌能进行硝化作用，而厌氧氨氧化不会受到氧抑制。所述城市污水原水箱的箱体通过进水泵与所述厌氧反应器的厌氧反应容器的进水管相连接，利用水泵用于将所述城市污水原水箱内污水输送至厌氧反应器；所述厌氧反应器的出水管与所述低氧脱氮反应容器相连接；所述污泥回流泵通过管道分别与所述低氧脱氮反应容器、所述城市污水原水箱的进水泵和厌氧反应器的进水阀之间的管道连接。
进一步的，所述膜组件由聚乙烯中空纤维膜组成，膜纤维孔径为0.1μm，能够截留微生物细胞，使微生物细胞无法通过，进而留存在反应器内，并使反应器有较长的污泥龄。因厌氧氨氧化菌和完全硝化菌生长速率都较慢，防止因生物量流失而导致的脱氮效果低。
进一步的，所述膜组件连接有蠕动泵，以保持MBR(膜生物反应器)中的水位恒定。
一种基于低氧完全硝化耦合内碳源短程反硝化厌氧氨氧化深度脱氮的方法，采用本发明任一项所述的装置，包括以下步骤：
启动系统：接种城市污水厂普通活性污泥投加至厌氧反应容器，使污泥浓度为2000-4000mg/L；将厌氧氨氧化污泥与富集培养的完全硝化污泥混合后投加至低氧脱氮反应容器，使污泥浓度达到1500-3000mg/L，在上述污泥浓度范围内调整两种菌的污泥浓度，使反应器内好氧氨氧化速率与厌氧氨氧化速率之比为1.1-1.5。
运行时调节操作如下：
(1)厌氧反应器的污泥龄控制在3-10d，低氧脱氮反应器的污泥龄控制在10-30d，水力停留时间为30-60min，污泥回流比为30-100％；
(2)将含有氨氮和COD的废水加入到城市污水原水箱中；
(3)废水按顺序依次通过城市污水原水箱、厌氧反应器和低氧脱氮反应器；
(4)打开溶解氧控制器电源以开启空压机，向低氧脱氮反应器内充入氧气，并由控制器实时监测并控制反应器内溶解氧的变化情况，使溶解氧维持在0.02-0.07mg/L之间；
(5)开启污泥回流泵将低氧脱氮反应器中的泥水混合物回流至厌氧反应器中，补充厌氧反应器的菌量以保证内碳源在其中能完全储存；当出水硝态氮升高时，提升污泥回流比，初始污泥回流比设为30％。
本发明的脱氮原理：首先将城市污水泵入厌氧反应器，将污水中的有机物转化为内碳源的形式储存于活性污泥中，而后其出水以泥水混合物的形式进入厌氧氨氧化菌与完全硝化菌共生的低氧脱氮反应器，通过控制器控制溶解氧浓度，在低氧条件下实现厌氧氨氧化菌与完全硝化菌共存，并利用内碳源实现完全硝化-短程反硝化-厌氧氨氧化自养脱氮过程，实现节能降耗、深度脱氮。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
与现有传统生物脱氮工艺相比具有以下优势：
1)短程反硝化厌氧氨氧化使得碳源需求量降低，从而使得本发明脱氮过程节省有机碳源；
2)厌氧氨氧化反应的发生使得部分氨氮无需好氧氧化，使得氧气需求量降低，从而使得本发明曝气量降低；
3)完全硝化与短程反硝化厌氧氨氧化同时发生，理论上可实现100％氮脱除，本发明可实现深度脱氮；
4)厌氧氨氧化过程中N 2O排放量少，使得本发明污水处理过程中温室气体排放量降低，有利于实现碳达峰、碳中和的目标。
附图说明
图1为本发明基于低氧完全硝化耦合内碳源短程反硝化厌氧氨氧化深度脱氮的装置的结构示意图。
图中1为城市污水原水箱、2为厌氧反应器、3为低氧脱氮反应器；10为箱体、11为第一溢流管、12为放空管、13为进水泵；20为厌氧反应容器、21为进水阀、22为第一搅拌器、23为第二溢流管；30为低氧脱氮反应容器、31为第二搅拌器、32为曝气头、33为气体流量计、34为空压机、35为控制器、36为第三溢流管、37为出水阀、38为膜组件、310为污泥回流泵、311为溶解氧传感器。
具体实施方式
为了更好理解本发明技术内容，下面提供具体实施例，对本发明做进一步的说明。
本发明实施例所用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
本发明实施例所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1所示，基于低氧完全硝化耦合内碳源短程反硝化厌氧氨氧化深度脱氮的装置包括城市污水原水箱1、厌氧反应容器20、低氧脱氮反应器3；城市污水原水箱1包括箱体10、第一溢流管11、放空管12和进水泵13，第一溢流管11位于箱体10上侧，放空管12位于箱体10底部，进水泵13位于箱体10下侧；厌氧反应器2包括厌氧反应容器20、进水阀21、第一搅拌器22和第二溢流管23，第二溢流管23位于厌氧反应容器20上侧，第一搅拌器22的搅拌叶位于厌氧反应容器20内部；低氧脱氮反应器3包括低氧脱氮反应容器30、第二搅拌器31、曝气头32、气体流量计33、空压机34、控制器35、第三溢流管36、出水阀37、膜组件38、污泥回流泵310和溶解氧传感器311；空压机34、气体流量计33、曝气头32依次通过管道连接，曝气头32位于低氧脱氮反应容器30内部；控制器35为溶解氧控制器，控制器35分别与溶解氧传感器311、空压机34连接；控制器35通过溶解氧传感器311的溶解氧值来控制空压机34，当溶解氧大于0.07mg/L时空压机34停止运行，当溶解氧低于0.02mg/L时，空压机34开启运行。第二搅拌器31的搅拌叶位于低氧脱氮反应容器30内部；膜组件38由聚 乙烯中空纤维膜组成，安装于低氧脱氮反应容器30内壁，膜组件38连接蠕动泵，以保持MBR中的水位恒定。城市污水原水箱1的箱体10通过进水泵13与厌氧反应容器20的进水管相连接；厌氧反应容器20的出水管与低氧脱氮反应容器30相连接；污泥回流泵310通过管道分别与低氧脱氮反应容器30、城市污水原水箱1的进水泵13和厌氧反应器的进水阀21之间的管道连接；所述城市污水原水箱1与所述厌氧反应器2的进水管相连接；所述厌氧反应器2的出水管与所述低氧脱氮反应容器3相连接；所述污泥回流泵310通过管道分别与所述低氧脱氮反应容器3、所述城市污水原水箱1和厌氧反应容器2之间的管道连接。
试验模拟城市污水作为原水，具体水质如下：COD浓度为130-280mg/L；
Figure PCTCN2021131997-appb-000001
浓度为60-89mg/L，
Figure PCTCN2021131997-appb-000002
试验系统如图1所示，厌氧反应容器20、低氧脱氮反应容器30均采用有机玻璃制成，厌氧反应容器20有效体积为10L，低氧脱氮反应容器30有效容积为10L，城市污水原水箱有效体积为20L。
具体运行操作如下：
1)启动系统：接种城市污水厂普通活性污泥投加至厌氧反应容器20内，使污泥浓度为2000-4000mg/L；将厌氧氨氧化污泥与富集培养的完全硝化污泥混合后投加至低氧脱氮反应容器30内，使污泥浓度达到1500-3000mg/L，在上述污泥浓度范围内调整两种菌的污泥浓度，使低氧脱氮反应容器30内好氧氨氧化速率与厌氧氨氧化速率之比为1.1-1.5；
运行时调节操作如下：
2.1)厌氧反应器2的污泥龄控制在3-10d，低氧脱氮反应器3的污泥龄控制在10-30d，水力停留时间为30-60min，污泥回流比为30-100％；
2.2)将含有氨氮和COD的模拟废水加入到城市污水原水箱10中；
2.3)模拟废水按顺序依次通过城市污水原水箱10、厌氧反应器20和低氧脱氮反应器30；
2.4)打开溶解氧控制器36电源以开启空压机34开关，向低氧脱氮反应器30内充入氧气，并由控制器36实时监测并控制低氧脱氮反应器30内溶解氧的变化情况，使溶解氧维持在0.02-0.07mg/L之间；
2.5)开启污泥回流泵310将低氧脱氮反应器3中的泥水混合物回流至厌氧反应器2中，补充厌氧反应器2的菌量以保证内碳源在其中能完全储存；当出水硝态氮升高时，提升污泥回流比，初始污泥回流比设为30％。
优选的，膜纤维孔径为0.1μm，微生物细胞无法通过，进而留存在反应器内。因厌氧氨氧化菌和完全硝化菌生长速率都较慢，防止因生物量流失而导致的脱氮效果低。
试验结果表明：运行稳定后，厌氧反应器出水COD浓度为30-60mg/L，
Figure PCTCN2021131997-appb-000003
Figure PCTCN2021131997-appb-000004
浓度55-80mg/L，
Figure PCTCN2021131997-appb-000005
浓度为0.1-3.5mg/L，
Figure PCTCN2021131997-appb-000006
浓度0.1-1.0mg/L；低氧脱氮反应器出水COD浓度为20-30mg/L，
Figure PCTCN2021131997-appb-000007
浓度0-10mg/L，
Figure PCTCN2021131997-appb-000008
浓度为0-3.0mg/L，
Figure PCTCN2021131997-appb-000009
浓度0-4.0mg/L。对比传统生物脱氮工艺，可节约氧气消耗60-95％，出水总氮降低50％-200％。
综上，城市污水首先进入厌氧反应器，将污水中的有机物转化为内碳源的形式储存于活性污泥中，而后其出水进入厌氧氨氧化菌与完全硝化菌共生的低氧脱氮反应器，实现完全硝化-短程反硝化厌氧氨氧化自养脱氮；低氧脱氮反应器通过控制器将溶解氧控制在目标范围内，在低氧条件下实现厌氧氨氧化菌与完全硝化菌共存，并利用内碳源实现完全硝化-短程反硝化-厌氧氨氧化自养脱氮过程，实现节能降耗、深度脱氮。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

  1. 一种基于低氧完全硝化耦合内碳源短程反硝化厌氧氨氧化深度脱氮的装置，其特征在于，包括城市污水原水箱、厌氧反应器、低氧脱氮反应器；
    所述低氧脱氮反应器包括低氧脱氮反应容器、第二搅拌器、曝气头、空压机、气体流量计、控制器、第三溢流管、出水阀、膜组件和污泥回流泵；所述空压机、气体流量计、曝气头依次通过管道连接，所述曝气头位于低氧脱氮反应容器内部；所述控制器分别与溶解氧传感器和空压机连接；所述第二搅拌器的搅拌叶位于低氧脱氮反应容器内部；所述膜组件安装于低氧脱氮反应容器内壁；
    所述城市污水原水箱与所述厌氧反应器的进水管相连接；所述厌氧反应器的出水管与所述低氧脱氮反应容器相连接；所述污泥回流泵通过管道分别与所述低氧脱氮反应容器、所述城市污水原水箱和厌氧反应器之间的管道连接。
  2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述城市污水原水箱包括箱体、第一溢流管、放空管和进水泵，所述第一溢流管和放空管设于箱体上，所述进水泵用于将所述城市污水原水箱内污水输送至厌氧反应器。
  3. 根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述厌氧反应器包括厌氧反应容器、进水阀、第一搅拌器和第二溢流管，所述第二溢流管设于厌氧反应容器上，所述第一搅拌器的搅拌叶位于厌氧反应容器内部。
  4. 根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述膜组件由聚乙烯中空纤维膜组成，所述聚乙烯中空纤维膜的膜纤维孔径为0.1μm，所述膜组件连接有蠕动泵。
  5. 一种基于低氧完全硝化耦合内碳源短程反硝化厌氧氨氧化深度脱氮的方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的装置，包括以下步骤：启动系统：接种城市污水厂普通活性污泥投加至厌氧反应容器，使污泥浓度为2000-4000mg/L；将厌氧氨氧化污泥与富集培养的完全硝化污泥混合后投加至低氧脱氮反应容器，使污泥浓度达到1500-3000mg/L，在上述污泥浓度范围内调整两种菌的污泥浓度，使低氧脱氮反应器内好氧氨氧化速率与厌氧氨氧化速率之比为1.1-1.5。
  6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，厌氧反应器的污泥龄控制在3-10d，低氧脱氮反应器的污泥龄控制在10-30d，水力停留时间为30-60min，污泥回流比为30-100％。
  7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将含有氨氮和COD的废水加入到城市污水原水箱中，废水按顺序依次通过城市污水原水箱、厌氧反应器和低氧脱氮反应器。
  8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，打开溶解氧控制器电源以开启空压机，向低氧脱氮反应器内充入氧气，并由控制器实时监测并控制反应器内溶解氧的变化情况，使溶解氧维持在0.02-0.07mg/L之间。
  9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，开启污泥回流泵将低氧脱氮反应器中的泥水混合物回流至厌氧反应器中，补充厌氧反应器的菌量以保证内碳源在其中能完全储存；当出水硝态氮升高时，提升污泥回流比，初始污泥回流比设为30％。
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