申请日2016.03.28
公开(公告)日2016.07.20
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明涉及一种基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置及应用方法。该装置主体由城市污水原水箱和分段进水多级A/O装置两部分组成，其中分段进水多级A/O装置由开孔隔板分为七个区域，三段缺氧反应区、三段接触氧化反应区和沉淀区;三段缺氧反应区内均接种具有良好反硝化氨氧化活性的海绵填料，发生短程反硝化反应和厌氧氨氧化反应进行脱氮;三段接触氧化反应区均接种硝化性能良好且挂膜成熟的聚丙烯空心环填料，发生硝化反应，为短程反硝化提供底物。本发明适用于低碳源城市污水的处理，且具有高效节能、占地面积少，便于水厂升级改造的优点。它属于污水生物处理技术领域。
摘要附图
权利要求书
1.基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置，其特征在于该装置包含城市污水原水箱(1)和分段进水多级A/O装置;
所述的城市污水原水箱(1)的上端设置进水管(23)和溢流管(24)，下端设有放空管(25);所述的分段进水多级A/O装置由开孔隔板分为七个区，沿进水方向依次为第一段缺氧反应区(2)、第一段接触氧化区(3)、第二段缺氧反应区(4)、第二段接触氧化区(5)、第三段缺氧反应区(6)、第三段接触氧化区(7)和沉淀区(8);所述的城市污水原水箱(1)采用进水泵(10)和进水流量控制阀(11)分别与第一段缺氧反应区(2)、第二段缺氧反应区(4)和第三段缺氧反应区(6)连接;所述的第一段缺氧反应区(2)、第二段缺氧反应区(4)和第三段缺氧反应区(6)均设有搅拌器(12);所述的第一段接触氧化反应区(3)、第二段接触氧化反应区(5)和第三段接触氧化反应区(7)的底部均设有曝气装置和DO传感器(16)，曝气装置由空气压缩机(13)、空气转子流量计(14)和黏砂块曝气头(15)组成，DO传感器(16)通过数据线与DO测定仪(17)连接;所述的第一段缺氧反应区(2)、第二段缺氧反应区(4)和第三段缺氧反应区(6)均采用海绵(18)作为填料;所述的第一段接触氧化反应区(3)、第二段接触氧化反应区(5)和第三段接触氧化反应区(7)均采用聚丙烯空心环(19)作为悬浮填料;沉淀区(8)内设有出水管(9)，沉淀区(8)底部通过回流污泥控制阀(21)和污泥回流泵(20)与第一段缺氧反应区(2)连通，剩余污泥通过剩余污泥排放控制阀(22)排出系统。
2.根据权利要求1所述的基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置，其特征在于所述的海绵(18)固定在填料架上，填充比例为30～50%。
3.如权利要求1所述的基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置的应用方法，其特征在于该方法按照以下步骤进行：
一、接种启动阶段
第一段接触氧化反应区(3)、第二段接触氧化反应区(5)和第三段接触氧化反应区(7)内均接种具有硝化性能且已挂膜的聚丙烯空心环(19)填料，填充比达到40～60%;启动进水泵(10)向反应器中注入城市污水，然后启动空气压缩机(13)并打开空气转子流量计，对第一段接触氧化反应区(3)、第二段接触氧化反应区(5)和第三段接触氧化反应区(7)进行曝气，维持溶解氧浓度DO=3～5mg/L，使填料保持悬浮状态，闷曝24小时;
当沉淀区出水NH4+<5mg/L时，向第一段接触氧化反应区(3)、第二段接触氧化反应区(5)和第三段接触氧化反应区(7)中接种具有反硝化氨氧化活性的海绵(18)填料，采用有机玻璃丝将海绵(18)固定于缺氧反应区内填料架上，填充比达到30～50%;启动进水泵(10)，城市污水原水箱(1)中的低碳源城市污水通过进水泵(11)分三部分进入第一段缺氧反应区(2)、第二段缺氧反应区(4)和第三段缺氧反应区(6)，同时开启第一段缺氧反应区(2)、第二段缺氧反应区(4)和第三段缺氧反应区(6)的搅拌器(12)，并启动污泥回流泵(20)将沉淀区(8)的泥水混合物按照50～150%的回流比回流至第一段缺氧反应(20)，即启动完成;
二、连续运行阶段
当系统启动成功后，DO传感器(16)和DO测定仪(17)根据NH4+-N和DO的关系，通过DO值模糊控制出水NH4+-N浓度;调整第三段接触氧化反应区(7)的转子流量计(14)，使该反应区DO浓度高于设定DO值;测定各反应区出水水质，根据第一段缺氧反应区(2)、第二段缺氧反应区(4)和第三段缺氧反应区(6)的出水NO2--N和NO3--N浓度调整反应器的实际水力停留时间HRT，根据沉淀区(8)出水TN浓度，调整各段进水比例和进水C/N，实现出水水质满足一级A排放标准。
4.根据权利要求3所述的一种基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置的应用方法，其特征在于步骤一中所述的聚丙烯空心环(19)的规格为比表面积为300～460m2/m3。
5.根据权利要求3所述的基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置的应用方法，其特征在于步骤一中所述海绵(18)填料的尺寸为2cm×2cm×2cm。
6.根据权利要求3所述的基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置的应用方法，其特征在于步骤一中定期对沉淀区底部脱落的生物膜进行清理。
7.根据权利要求2所述的基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置的应用方法，其特征在于步骤二中根据第一段缺氧反应区(2)、第二段缺氧反应区(4)和第三段缺氧反应区(6)的出水NO2--N和NO3--N浓度调整反应器的实际水力停留时间HRT的方法为：测定第一段缺氧反应区(2)、第二段缺氧反应器(4)和第三段缺氧反应器(6)的出水NO2--N和NO3--N浓度，当出水NO3--N浓度>5.0mg/L且出水NO2--N浓度<3.0mg/L时，延长反应器的HRT为8～10h;当出水NO2--N浓度>3.0mg/L且出水NO3--N浓度<5.0mg/L时，缩短反应器的HRT为6～8h。
8.根据权利要求2所述的基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置的应用方法，其特征在于步骤二中根据沉淀区(8)出水TN浓度，调整各段进水比例和进水C/N的方法为：测定沉淀区(8)出水TN浓度，当出水TN浓度>15mg/L时，提高第一段缺氧反应区的首段进水量，同时可以将进水C/N提高至3.0～4.0;当出水TN浓度<15mg/L时，维持现状。
说明书
基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置及应用方法
技术领域
本发明涉及基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置及应用方法。
背景技术
传统生物脱氮技术是通过硝化作用，将氨氮(NH4+)转化为硝酸盐氮(NO3-)，而后通过反硝化作用将硝酸盐氮(NO3-)转化为氮气(N2)，从而达到将氮从水中去除的目的。此技术在硝化过程中1molNH4+氧化为1molNO3-需要消耗1.9mol的氧气(O2)，合成3.4g生物体;后续反硝化过程中将1molNO3-还原为0.5molN2需要消耗57gCOD，生成17g的生物体，因此要求原污水C/N(COD/TN)为4.07。而大多数实际城市污水或工业废水的C/N都低于4.07，为了达到高效脱氮的目的就需要投加外碳源(如甲醇等)，从而提高了脱氮的运行费用。
厌氧氨氧化菌(Anaerobicammoniumoxidation,Anammox)的发现，使低能耗、可持续污水处理技术成为可能。厌氧氨氧化自养脱氮工艺需要将部分的NH4+氧化为NO2-，而后得到的NO2-再氧化剩余部分的NH4+，最终达到脱氮的目的。此过程中1molNH4+只需消耗0.8mol的O2;仅以CO2作为碳源，无需有机物的消耗;由于是全程自养脱氮，所以污泥产生量低，1molNH4+的去除仅生成3g生物体。通过以上的分析，可以看出与传统生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化自养脱氮技术可节省100%的有机碳源消耗，可节约60%的曝气量，可减少90%的污泥产量，从而大大降低了污水处理工艺的直接能耗和运行费用。
目前，限制厌氧氨氧化技术在城市污水处理厂中应用的瓶颈主要是厌氧氨氧化反应所需的底物NO2-得不到稳定的供应。一般来说，底物NO2-的获得主要来自于短程硝化(NH4+仅氧化为NO2-)，然而由于低碳源城市污水水质的特殊性(原水NH4+浓度低、水质水量波动大)，制约了低碳源城市污水短程硝化实现的稳定性，故而无法为厌氧氨氧化反应提供充足且稳定的NO2-供给。最新研究表明低C/N条件下的短程反硝化技术(NO3-仅还原为NO2-)可获得较高的亚硝酸盐积累，从而可作为厌氧氨氧化反应所需底物NO2-的另一种来源。因此若能基于短程反硝化技术为厌氧氨氧化反应提供亚硝态氮，在分段进水多级A/O工艺中实现反硝化氨氧化(Denitrifyingammoniumoxidation,DEAMOX)则可稳定实现低碳源城市污水的自养脱氮，为厌氧氨氧化技术在城市污水处理中的应用提供技术支持。
发明内容
本发明的目的是针对普通短程硝化型自养脱氮工艺难以稳定应用于城市污水处理的难题，提供基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置及应用方法。
本发明基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置，包含城市污水原水箱和分段进水多级A/O装置;
所述的城市污水原水箱上设置进水管、溢流管和放空管;所述的分段进水多级A/O装置由开孔隔板分为七个区，沿进水方向依次为第一段缺氧反应区、第一段接触氧化区、第二段缺氧反应区、第二段接触氧化区、第三段缺氧反应区、第三段接触氧化区和沉淀区;所述的城市污水原水箱采用进水泵和进水流量控制阀分别与第一段缺氧反应区、第二段缺氧反应区和第三段缺氧反应区连接;所述的第一段缺氧反应区、第二段缺氧反应区和第三段缺氧反应区均设有搅拌器;所述的第一段接触氧化反应区、第二段接触氧化反应区和第三段接触氧化反应区的底部均设有曝气装置和DO传感器，曝气装置由空气压缩机、空气转子流量计和黏砂块曝气头组成，DO传感器通过数据线与DO测定仪连接;所述的第一段缺氧反应区、第二段缺氧反应区和第三段缺氧反应区均采用海绵作为填料;所述的第一段接触氧化反应区、第二段接触氧化反应区和第三段接触氧化反应区均采用聚丙烯空心环作为悬浮填料;沉淀区内设有出水管，沉淀区底部通过回流污泥控制阀和污泥回流泵与第一段缺氧反应区连通，剩余污泥通过剩余污泥排放控制阀排出系统。
基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O工艺的自养脱氮装置的应用方法，按照以下步骤进行：
一、接种启动阶段
第一段接触氧化反应区、第二段接触氧化反应区和第三段接触氧化反应区内均接种具有硝化性能且已挂膜的聚丙烯空心环填料，填充比达到40～60%;启动进水泵向反应器中注入城市污水，然后启动空气压缩机并打开空气转子流量计，对第一段接触氧化反应区、第二段接触氧化反应区和第三段接触氧化反应区进行曝气，维持溶解氧浓度DO=3～5mg/L，使填料保持悬浮状态，闷曝24小时;
当沉淀区出水NH4+<5mg/L时，向第一段接触氧化反应区、第二段接触氧化反应区和第三段接触氧化反应区中接种具有反硝化氨氧化活性的海绵填料，采用有机玻璃丝将海绵固定于缺氧反应区内填料架上，填充比达到30～50%;启动进水泵，城市污水原水箱中的低碳源城市污水通过进水泵分三部分进入第一段缺氧反应区、第二段缺氧反应区和第三段缺氧反应区，同时开启第一段缺氧反应区、第二段缺氧反应区和第三段缺氧反应区的搅拌器，并启动污泥回流泵将沉淀区的泥水混合物按照50～150%的回流比回流至第一段缺氧反应，即启动完成;
二、连续运行阶段
当系统启动成功后，DO传感器和DO测定仪根据NH4+-N和DO的关系，通过DO值模糊控制出水NH4+-N浓度;调整第三段接触氧化反应区的转子流量计，使该反应区DO浓度高于设定DO值;测定各反应区出水水质，根据第一段缺氧反应区、第二段缺氧反应区和第三段缺氧反应区的出水NO2--N浓度调整反应器的实际水力停留时间HRT，根据沉淀区出水TN浓度，调整各段进水比例和进水C/N，实现出水水质满足一级A排放标准。
所述的开孔隔板按照水流方向采用上下交错设置过流孔的方式进行连接各个格室;所述的沉淀区底部设为倒置方锥体，锥面与水平面成45度倾角，底面至距离底面1/8～1/5水深区域为污泥沉淀区;所述的海绵填料的尺寸为2cm×2cm×2cm;所述的聚丙烯空心环的规格为比表面积为300～460m2/m3。
基于本发明的试验装置，城市污水的处理流程为：
首段进水与沉淀区回流的泥水混合物混合进入第一段缺氧反应区后，该区海绵填料上的短程反硝化细菌首先利用原水中的有机碳源发生短程反硝化反应，将沉淀区回流污泥中的NO3-还原为NO2-，同时海绵填料上的厌氧氨氧化菌再将得到的NO2-和NH4+转化为N2，完成生物脱氮反应;而后第一段缺氧反应区的泥水混合物进入第一段接触氧化反应区，在氧气的作用下完成剩余有机物的氧化分解，并发生好氧硝化反应，硝化细菌利用氧气将未参与厌氧氨氧化反应的NH4+全部氧化为NO3-，为下一段的短程反硝化反应提供底物;二段和三段进水与首段进水一致，首先在缺氧反应区中发生短程反硝化反应和厌氧氨氧化反应完成生物脱氮，然后在接触氧化反应区发生硝化反应，为短程反硝化提供底物;三段进水后的泥水混合物进入沉淀区进行泥水分离，上清液作为出水由出水管排出系统，部分沉淀的脱落生物膜随着泥水混合物回流至第一段缺氧反应区，另一部分沉淀污泥作为剩余污泥进行定期排放。
本发明涉及的基于短程反硝化的低碳源城市污水分段进水多级A/O自养脱氮装置及应用方法，与现有技术相比，具有以下优点：
(1)低碳源城市污水的异养型短程反硝化技术相比于自养型的短程硝化技术更加稳定和高效，能够为后续的厌氧氨氧化菌提供更加充足和稳定的NO2-底物;
(2)反硝化氨氧化技术能够节省接近一半的曝气能耗，节约60%的有机碳源，并且可进一步提高出水TN的去除效果，降低出水的氮含量;
(3)硝化液从各段接触氧化区直接进入下一段的缺氧区，不用设置硝化液内回流设施，简化了工艺流程，节省了动力费用;
(4)分段进水方式使污染物质沿反应器均匀分布，更能充分发挥各功能细菌的作用，提高了该工艺对水量水质冲击负荷的抵抗力，并且反硝化出水进入好氧区，在一定程度上弥补了硝化反应对碱度的需求，减少了碱度物质的投加量;
(5)对现有水厂的升级改造相对简单，易于推广应用