申请日2016.02.23
公开(公告)日2016.06.22
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明公开了一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置及处理高氨氮污水的方法，该装置包括反应器，所述反应器内通过两块隔板依次分隔成第一反应区、过渡区和第二反应区，第一反应区与过渡区上部连通;过渡区与第二反应区底部连通;所述第一反应区与第二反应区内设有布水装置、搅拌装置和曝气装置;反应器顶部设有出水口;所述过渡区内设有用于富集微生物的生物填料。本发明通过隔板将反应器内分为两个反应区和一个过渡区，并在过渡区内设置生物填料，使得在一体化装置中同步实现两个反应区的独立及串联运行，并通过过渡区调整两个反应区的活性污泥浓度，调控微生物环境，实现了高氨氮污水的高效处理，降低污水的氮、磷含量。
摘要附图
权利要求书
1.一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，包括反应器，其特征在于，所述反应器内通过两块隔板依次分隔成第一反应区、过渡区和第二反应区，第一反应区与过渡区上部连通;过渡区与第二反应区底部连通;
所述第一反应区与第二反应区内设有布水装置、搅拌装置和曝气装置;反应器顶部设有出水口;
所述过渡区内设有用于富集微生物的生物填料。
2.如权利要求1所述的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，其特征在于，所述隔板的一端滑动安装于反应器内，用于调整过渡区的体积大小。
3.如权利要求1所述的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，其特征在于，所述隔板位于上部连通或底部连通之处的一端设有可调节隔板高度的堰板。
4.如权利要求1所述的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，其特征在于，所述生物填料通过起支撑作用的网架固定于过渡区内，所述网架分为上、中、下三层，位于上层的生物填料为悬浮填料，位于中层的生物填料为纤维填料，位于下层的生物填料为弹性填料。
5.如权利要求4所述的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，其特征在于，所述悬浮填料经网包包裹后固定于网架上;所述纤维填料和弹性填料的两端固定于网架上。
6.如权利要求4所述的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，其特征在于，所述悬浮填料为锯齿形流化床填料、多面空心球型悬浮填料、多孔球型悬浮填料中的至少一种，填充空隙率为45～85%。
7.如权利要求4所述的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，其特征在于，所述纤维填料为无纺布、碳素纤维中的一种，填充孔隙率为85～95%。
8.如权利要求4所述的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，其特征在于，所述弹性填料为立体弹性填料和混合式立体弹性填料中的一种，填充孔隙率为55～75%。
9.如权利要求1所述的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，其特征在于，所述短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置还包括溶解氧、pH值在线监测电极和电路控制系统，所述布水装置、搅拌装置、曝气装置以及溶解氧、pH值在线监测电极均与电路控制系统连接。
10.一种利用如权利要求1～9任一所述的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置处理高氨氮污水的方法，其特征在于，包括：通过控制搅拌装置和曝气装置的开闭，实现第一反应区和第二反应区之间缺氧反应和好氧反应的交替;控制布水装置对处于缺氧反应的区域进行布水;根据第一反应区和第二反应区内泥水的pH值来控制第一反应区和第二反应区之间缺氧反应和好氧反应的交替频率，根据氨氧化率来调整缺氧和好氧反应的时间比。
说明书
一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置及处理高氨氮污水的方法
技术领域
本发明涉及低碳高氮污水处理技术领域，尤其涉及一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置及处理高氨氮污水的方法。
背景技术
水污染问题日益受到人们的关注，水体富营养化日趋恶化，造成富营养化的主要原因是N、P的大量排放。国家“十二五”规划把氮氧化物和氨氮列入了约束性指标，明确减排目标为10%，“十三五”期间氮减排力度会进一步加大。氨氮减排不是仅围绕氨氮一个指标进行，同样对总氮的脱除提出了要求，氨氮减排与总氮的控制相结合可以达到氮减排事半功倍的效果。
随着我国经济迅速发展壮大，由此而产生的高氨氮废水也成为行业发展制约因素之一。近年来最典型的高氨氮废水主要来源于纺织印染、制药、养殖、肉类加工等生产行业以及垃圾渗滤液和污泥消化液等，氨氮浓度一般在1000-6000mg/L之间，系国家严禁直排的高污染废水。
高氨氮废水成分复杂、污染物浓度高但往往比例严重失调，碳氮比很低，难以营造适宜的微生物种群生长环境，易出现污泥解体，生物处理难度大。脱氮反硝化过程理论上每还原1mg/LNO3-N会消耗2.86mg/L有机碳源，实际应用中会远高于此数值，污水处理是高耗行业，氨氮和总氮作为减排指标后，运行成本将进一步提高。氮减排与高碳源消耗、高能耗的矛盾日益突出，受到了各国环保领域的高度重视，经济有效的控制低碳高氮废水污染成为当前环保工作者研究的重要课题。
对于低碳高氮废水的脱氮除磷处理，AO工艺是目前的主流工艺，该工艺在处理低碳高氮污水时，在好氧段需要补充大量碱度，在缺氧段需要补充大量碳源，运行成本较高。近几年来，研究者不断寻找新型的脱氮除磷工艺，我国低碳高氮废水的去除效果有了很大进步，但上述问题仍没有很好的改善。
申请公布号为CN103819000A的中国发明专利申请文献公开了一种强化脱氮处理的AO/SBR系统及工艺，该系统提供了一种将厌氧、好氧、SBR有效组合的强化脱氮工艺技术，提高了传统SBR设备的使用率，能够强化中小型污水的处理。
申请公布号为CN104250050A的中国发明专利申请文献公开了一种将A/MBBR/A应用于低碳氮比城市污水的脱氮除磷技术，利用新的反硝化除磷技术代替传统的脱氮除磷方法，由反硝化聚磷菌(DPB)在厌氧/缺氧(A/A)交替环境中，通过它们独特的新陈代谢功能同时完成过量吸磷和反硝化脱氮双重目的，提高了碳源利用率，但技术实现要求较高。
与传统的硝化反硝化过程相比，短程硝化反硝化过程在氨氧化阶段可节省25%的供氧量，与缺氧反硝化除磷技术结合，可节省50%的碳源需求量，硝化和反硝化速率较高，反应时间短，反应器容积可减少30%～40%，且污泥减量效果显著。短程硝化反硝化过程的关键是把硝化反应控制在亚硝态氮的短程硝化过程，尽量减少向硝态氮转化。
申请公布号为CN103880183A的中国发明专利申请文献公开了一种短程硝化耦合反硝化除磷的A2/O-生物接触氧化装置的实时控制及方法，公开了将两种新型脱氮技术耦合，成功实现了短程硝化反硝化脱氮，但是A2/O基建投资和运行成本高，运行维护比较复杂。
申请公布号为CN103708615A的中国发明专利申请文献公开了一种低碳城市污水除磷与短程硝化的单污泥系统序批式反应装置与方法，公开了一种将聚磷菌和氨氮氧化细菌同时富集于单污泥系统中，在一个序批式反应器内实现了强化生物除磷和短程硝化，但普遍无法实现短程硝化的长期稳定运行。
总的来说，当前高氨氮污水处理中普遍存在污水进水碳氮比低，常规生物脱氮工艺设备闲置率高，硝化过程能耗碱耗高，反硝化过程碳源不足，总氮去除效率不高且难以稳定保持等问题。
发明内容
本发明提供了一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置及处理高氨氮污水的方法，该装置及方法能够实现短程硝化-反硝化过程，实现高氨氮污水的高效处理，降低污水的氮、磷含量。
一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，包括反应器，所述反应器内通过两块隔板依次分隔成第一反应区、过渡区和第二反应区，第一反应区与过渡区上部连通;过渡区与第二反应区底部连通;
所述第一反应区与第二反应区内设有布水装置、搅拌装置和曝气装置;反应器顶部设有出水口;
所述过渡区内设有用于富集微生物的生物填料。
本发明将反应器分隔成三个区域，分别为第一反应区、过渡区和第二反应区，通过PLC的优化控制程序，分别实现第一反应区和第二反应区内各自缺氧和好氧环境的反复交替，各自通过间歇曝气的方式形成特殊高效的微生物环境，富集氨氧化菌、抑制亚硝酸盐氧化菌并共存厌氧氨氧化菌。
同时，第一反应区和第二反应区存在协同作用，即缺氧和好氧环境在两个反应区交叉错位实现，一方面污水与活性污泥的混合液在好氧环境内向上流动，在缺氧环境内向下流动，可以构成无动力内循环体系，混合液可在反应区的缺氧环境和好氧环境中交替循环，同步实现污水的硝化与反硝化过程，提高污水脱氮效率。另一方面，污水内循环过程要通过过渡区，由此实现过渡区从上到下三个不同溶氧区，在生物填料的作用下形成一个有层次的微生物富集环境，过渡区可以实现两反应区的活性污泥浓度的调控，以及在受到负荷冲击时具备微生物环境的缓冲性，实现了一体化装置处理高氨氮污水的运行稳定性和高效性。
作为优选，所述隔板的一端滑动安装于反应器内，用于调整过渡区的体积大小。基于两反应区实际污泥生长特征和运行情况，通过调整过渡区的大小一方面可以实现两个反应区有效反应体积的调整，构建适应水质波动的高效的功能区结构分配，让一体化装置的反应区利用率更高;另一方面加快调控过渡区高浓度微生物环境对整个生物体系的微生物结构的调控，耐负荷冲击力更强，从而减少PLC程序调整的频率，使得一体化装置管理更加方便。
作为优选，所述隔板位于上部连通或底部连通之处的一端设有可调节隔板高度的堰板。通过调节堰板高度，可以调整污水和活性污泥混合液通过过渡区过程中的流量，从而使两反应区各自内部的脱氮系统的脱氮效果可控性更好。
具体地，所述生物填料通过起支撑作用的网架固定于过渡区内，所述网架分为上、中、下三层，位于上层的生物填料为悬浮填料，位于中层的生物填料为纤维填料，位于下层的生物填料为弹性填料。
作为优选，上、中、下填料层的高度比为1～2:3～6:1～3。
所述悬浮填料，经网包包裹后固定于网架上。所述纤维填料和弹性填料的两端固定于网架上。
作为优选，所述悬浮填料为锯齿形流化床填料、多面空心球型悬浮填料、多孔球型悬浮填料中的至少一种，填充空隙率为45～85%。
此类填料具有高的比表面积，单位容积内生物量高，脱氮、分解有机物能力强。流化床填料为密度接近水的悬浮填料，只需很低的流化动力即可完成流化，包括齿轮型、锯齿型、花型、环型等。悬浮填料选用规格根据反应器实际容积选定，要求悬浮填料比表面积达300～800m2/m3。
作为优选，所述纤维填料为无纺布、碳素纤维中的一种，填充孔隙率为85～95%。此类纤维填料具有高度的生物亲和性，进入水体后其表面会很快形成活性生物膜，且微生物在填料上的附着量大不易脱落，附着在填料上的微生物群的内部，不仅存在好氧微生物群，并且因其氧的传质由内向外呈递减，也分布着厌氧微生物群，形成的微生物群落更丰富。
作为优选，所述弹性填料为立体弹性填料和混合式立体弹性填料中的一种，填充孔隙率为55%～75%。此类立体弹性填料充氧性能好、启动挂膜快、不堵塞、不结团，可调节丝条粗细密度及不同组装方式，孔隙可变性大，而且能在运行过程中获得愈来愈大的比表面积，又能进行良好的新陈代谢，使用寿命长，不需经常更换。
进一步地，所述短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置还包括溶解氧、pH值在线监测电极和电路控制系统，所述布水装置、搅拌装置、曝气装置以及溶解氧、pH值在线监测电极均与电路控制系统连接;用于实时监测反应器内的溶解氧含量以及pH值变化情况。
一种利用所述的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置处理高氨氮污水的方法，包括：通过控制搅拌装置和曝气装置的开闭，实现第一反应区和第二反应区之间缺氧反应和好氧反应的交替;控制布水装置对处于缺氧反应的区域进行布水;根据第一反应区和第二反应区内泥水的pH值来控制第一反应区和第二反应区之间缺氧反应和好氧反应的交替频率，根据氨氧化率来调整缺氧和好氧反应的时间比。
作为优选，控制第一反应区和第二反应区第一个好氧反应时的溶解氧含量在0.5～2.0mg/L之间，pH值降低幅度小于0.2时，以一个交替频率为单位，增加缺氧反应和好氧反应的交替频率直至pH值降低幅度为0.4以上;当pH降低幅度为1.0以上时，逐级降低溶解氧含量。当氨氧化率小于85%时，以10min为单位进行微调，延长好氧曝气时间直至控制氨氧化率在90%以上。
所述布水装置，可根据体系内有机物消耗历程决定布水比例。所述pH降低幅度，可根据实际进水氨氮浓度调整设定。所述的溶解氧含量，可根据体系亚硝态氮积累情况可调，通常应控制初始好氧阶段溶解氧含量<1.0mg/L。本发明所述的第一反应区和第二反应区即可同时配合运行，也可独立运行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过隔板的设置将反应器内部分为两个反应区和一个过渡区，并在过渡区内设置富集微生物的生物填料，使得在一体化装置中同步实现两个反应区的短程硝化-反硝化反应的独立及串联运行，并通过过渡区调整两个反应区的活性污泥浓度，调控微生物环境，实现了高氨氮污水的高效处理，降低污水的氮、磷含量。
(2)本发明两反应区可控的无动力内循环建立的独立和串联运行环境，不同于两级处理，两反应区硝化和反硝化效率均得到加强，且设备利用率大幅提高，无需控制污泥回流和内回流，运行管理方便，这对节省基建投资，简化污水处理工艺，降低运行成本，扩大应用范围具有很大现实意义。
(3)本发明的运行方法短程硝化启动速度快且稳定性好，不需要严格控制条件。同时碱度利用效率高，进一步降低脱氮成本。