申请日2015.06.02
公开(公告)日2015.09.09
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明公开了处理高氨氮废水的装置及方法。该方法，包括如下步骤：接种活性污泥至反应器中，开启搅拌器，重复循环下述步骤：1)开启曝气系统和进水泵，采用序批式进水，按照设计处理量，待处理的高氨氮废水被输入反应器中，关闭进水泵;2)关闭曝气系统，在碳源的作用下，废水中的硝态氮被还原为亚硝态氮，亚硝态氮被还原为氮气;3)开启曝气系统，废水中的氨态氮和有机物被氧化，氨态氮被氧化为亚硝态氮，亚硝态氮被氧化为硝态氮;4)在好氧阶段开始60～120min后，开启出水泵，设计处理量的废水经膜组件中膜的过滤后排出，依次关闭出水泵和曝气系统。本发明将高污泥浓度SBR工艺与膜分离技术结合，具有序批式进水，连续出水的运行特点;碳源投加量更加准确。
权利要求书
1.一种处理高氨氮废水的装置，其特征在于：它包括进水系统、曝气系统、碳 源投加系统、反应系统、膜分离系统和出水系统;
所述反应系统包括一反应器，所述反应器为一容器，所述反应器的上方设有搅拌 器;
所述进水系统包括一原水箱，所述原水箱通过进水泵与所述反应器连接;
所述曝气系统包括空压机、气体流量计和曝气器，所述曝气器置于所述反应器中;
所述碳源投加系统包括一碳源储箱，所述碳源储箱通过碳源投加泵与所述反应器 连接;
所述膜分离系统为一膜组件，所述膜组件置于所述反应器中;
所述出水系统包括一产水箱，所述膜组件的出水口通过出水泵与所述产水箱连 接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置还包括一实时控制系统， 所述实施控制系统包括探头、集成电路箱和数字触控板;
所述探头包括pH探头、ORP探头和溶解氧DO探头，均与所述集成电路箱连接， 所述集成电路箱与所述数字触控板连接。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述膜组件置于所述反应器 的侧壁处;
所述膜组件为板框式膜组件，所述板框式膜组件包括1～2个膜单元，每个所述膜 单元由两片膜组成，所述膜的材质为聚偏氟乙烯，孔径≤0.1μm，有效面积为0.5m2; 所述膜组件的内部还设有曝气器，依次与另一空压机和另一气体流量计连接，为所述 膜曝气。
4.利用权利要求1-3中任一项所述的装置处理高氨氮废水的方法，包括如下步骤：
接种活性污泥至所述反应器中，开启所述搅拌器，重复循环下述步骤(1)-步骤 (4)：
(1)进水阶段：开启所述曝气系统和所述进水泵，采用序批式进水，按照设计 处理量，待处理的所述高氨氮废水被输入所述反应器中，关闭所述进水泵;
(2)兼氧阶段：关闭所述曝气系统，在碳源的作用下，废水中的硝态氮被还原 为亚硝态氮，亚硝态氮被还原为氮气;
(3)好氧阶段：开启所述曝气系统，废水中的氨态氮和有机物被氧化，所述氨 态氮被氧化为亚硝态氮，亚硝态氮被氧化为硝态氮;
(4)排水阶段：在所述好氧阶段开始60～120min后，开启所述出水泵，设计处 理量的所述废水经所述膜组件中膜的过滤后排出，依次关闭所述出水泵和所述曝气系 统。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述实时控制系统全程开启，监 测所述高氨氮废水中的氧化还原电极电位、pH值和溶解氧的大小;
所述膜组件中的曝气器全程开启，曝气流量为5～15L/min·片。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于：所述接种的活性污泥的浓度 为5000mg/L～5500mg/L，梯度提高污水的进水浓度，将活性污泥浓度增高至 10000mg/L～12000mg/L;
所述梯度提高分为三个阶段，第一个阶段为5～10日，进水稀释至为原污水浓度 的1/4;第二个阶段为5～10日，进水稀释至原污水浓度的1/2;第三个阶段为30～55 日。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述高 氨氮废水中氨态氮的浓度500～900mg/L，COD含量为5000～10000mg/L;
所述高氨氮废水来自畜禽养殖废水、垃圾渗滤液或污泥消化液;
所述设计处理量为0.5～1.5L/cycle;
所述输入的流量为0.5～1L/min;
待处理的所述高氨氮废水被输入所述反应器中保持3～5min后进入所述兼氧阶段。
8.根据权利要求5-7中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，当废水 的氧化还原电极电位随时间的变化值即dORP/dt为0～-5时，判定碳源不足，开启所述 碳源投加泵，为所述反应器投加碳源，每次开启时间为0.5～1min，保持10～20min后， 进入下一次判定;当所述dORP/dt小于-5时，延时10～30min后，开启所述曝气系统， 进入步骤(3)中。
9.根据权利要求4-8中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述好 氧阶段的时间为9～180min，曝气流量为0.5～10L/min;
步骤(4)中，所述排水阶段的时间为30～90min，所述出水泵为间歇式抽吸，每 开8～10分钟停2～4分钟。
10.根据权利要求5-9中任一项所述的方法，其特征在于：利用下述1)-3)中至 少一种方法将全程硝化-反硝化转化为短程硝化-反硝化：
1)优化曝气时间法：脱氮稳定后，在每轮循环的所述好氧阶段，当废水中的pH 值随时间不发生改变即dpH/dt=0时，关闭所述曝气系统;
2)自由氨受控累积法：脱氮稳定后，在所述好氧阶段，降低所述曝气系统的曝 气流量，当废水中自由氨的浓度升高至大于等于20mg/L时，恢复曝气流量;
所述曝气系统整个循环中的曝气流量被降低至0.2～1L/min;
上述1)和2)中所述脱氮稳定均是指当所述废水中的氨态氮的去除率大于80%， 且排出的废水中的硝态氮占所述废水中总氮的含量大于70%时;
3)SRT控制法：所述方法还包括排泥的步骤，所述排泥在所述好氧阶段之后， 控制所述反应器中的污泥的平均停留时间为12～15天。
说明书
处理高氨氮废水的装置及方法
技术领域
本发明涉及处理高氨氮废水的装置及方法，特别涉及一种利用SBR工艺和膜分离技术处理高氨氮废水的装置及方法，属于污水处理领域。
背景技术
随着人类对环境要求逐渐提高，污水排放标准将不断收紧。生物硝化反硝化是目前普遍采用的污水脱氮方法。传统的生物法通常采用全程硝化—反硝化工艺脱氮，即好氧单元由氨氧化菌(Ammonia Oxidizing Bacteria，AOB)将氨氮氧化成亚硝氮后，再由硝化菌(Nitrite Oxidizing Bacteria，NOB)氧化成硝态氮;兼氧(厌氧)单元则将生成的硝态氮还原成亚硝氮后再还原成氮气。这在实际运行中，特别是对高氨氮、低碳氮比废水的处理过程中，好氧段内氨氮氧化成硝氮与兼氧段内硝氮还原成氮气所需外部碳源的补充均会产生过高的运行成本。因此研究开发优化能源消耗的脱氮新工艺迫在眉睫。1989年，YamamotoK等发表首篇浸没式MBR的研究以后，浸没式MBR与外置式MBR相比，因省略了循环泵而降低了能耗、占地紧凑等优点，逐步在研究和工程应用中受到重视(YamamotoK,HiasaH,TalatM,etal.1989.Direct solid liquid separation using holllowfibe membranes in activated sludge aeration tanks).1998年，Hellinga C等利用氨氧化菌世代时间短于硝化菌，选择合适的污泥停留时间(SRT)淘汰硝化菌而保留氨氧化菌，从而在单个反应器中首先实现了的亚硝化-反亚硝化过程，即氨氮被氧化成亚硝氮后直接被还原成氮气(Hellinga C，Schellen AAJC，Mulder JW，van LoosdrechtMCM，Heijen，JJ，1998.The SHARON Process：an innovative method for nitrogen removal from ammonium-rich wastewater.Water Sci.Technol.37，135-142)。该工艺相对全程硝化-反硝化最多可节省25%的曝气量，40%的外部碳源，并减少40%的生物增量。这引起世界各后续的研究工作旨在拓宽亚硝化—反亚硝化的应用范围或降低其对运行条件的要求，并寻求传统工艺与MBR的优化结合。彭永臻等发明了缺氧/好氧SBR+厌氧氨氧化+好氧SBR工艺处理低C/N生活污水深度脱氮的装置和方法;樊耀波等发明了一体化A2/O-MBR反应器。此外，自动控制系统也逐步应用于污水处理工艺以方便管理，节省人力。
上述研究中SBR虽然可达到良好的脱氮效果，但针对高氨氮废水需要较高的污泥浓度(10000mg/L以上)，这造成了出水沉淀时间较长增加了工艺的HRT，同时，由于高污泥浓度下出水SS较高，直接导致出水水质不稳定。因此，开发出利用序批式活性污泥法和膜分离技术处理高氨氮废水的装置及方法迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的是提供处理高氨氮废水的装置及方法，该装置将高效截留功效的膜技术与SBR工艺进行优化组合，在实现良好出水水质的同时缩短了工艺的水力停留时间(HRT)，具有序批式进水，连续出水的运行特点;同时，本发明分别采用pH探头、DO(溶解氧)探头及ORP(氧化还原电极电位)探头对反应器进行连续监测建立自控系统，可及时控制碳源，将硝化-反硝化过程转变为短程硝化-反硝化过程。
本发明提供的一种处理高氨氮废水的装置，它包括进水系统、曝气系统、碳源投加系统、反应系统、膜分离系统和出水系统;
所述反应系统包括一反应器，所述反应器为一容器，所述反应器的上方设有搅拌器;
所述进水系统包括一原水箱，所述原水箱通过进水泵与所述反应器连接;
所述曝气系统包括空压机、气体流量计和曝气器，所述曝气器置于所述反应器中;
所述碳源投加系统包括一碳源储箱，所述碳源储箱通过碳源投加泵与所述反应器连接;
所述膜分离系统为一膜组件，所述膜组件置于所述反应器中;
所述出水系统包括一产水箱，所述膜组件的出水口通过出水泵与所述产水箱连接。
本发明装置在运行过程中，首先，将活性污泥接种与所述反应器中;所述高氨氮废水储存于所述原水箱中，在所述进水泵的作用下，所述高氨氮废水被输送至所述反应器内;当所述曝气系统处于关闭状态时，在碳源投加系统投加的碳源的作用下，所述高氨氮废水中的亚硝态氮被还原为硝态氮，硝态氮被还原为氮气(兼氧阶段或厌氧阶段);当所述曝气系统处于开启状态时，所述曝气系统可为所述反应器内的废水提供氧气，所述废水中的氨态氮在污泥中氨氧化细菌的作用下被氧化为亚硝态氮，亚硝态氮在亚硝酸氧化细菌的作用下被氧化为硝态氮(好氧阶段);经处理的废水经过膜分离系统后，被进一步净化，通过所述出水泵被排至所述产水箱内。
上述装置中，所述装置还包括一实时控制系统，所述实施控制系统包括探头、集成电路箱和数字触控板;所述探头包括pH探头、ORP探头和溶解氧DO探头，均与所述集成电路箱连接，所述集成电路箱与所述数字触控板连接所述实时控制系统;通过所述集成电路箱和所述数字触控板记录和计算所述pH探头、所述ORP探头和所述溶解氧DO探头的实时监测数据，从而根据设定的程序控制进出水泵、碳源投加泵、曝气系统及搅拌器的启停，实时控制各反应单元的交替进行。
上述装置中，所述曝气器可置于所述反应器的底部，以充分曝气。
上述装置中，所述膜组件可置于所述反应器的侧壁处，以避免阻碍所述反应器上 方的搅拌器的运行，避免所述反应器及所述搅拌器的损坏;
所述膜组件为板框式膜组件，所述板框式膜组件包括1～2个膜单元，每个所述膜单元由两片膜组成;所述膜的材质为聚偏氟乙烯，孔径≤0.1μm，每个所述膜单元(膜元件)的有效面积为0.5m2;所述膜组件的内部还设有曝气器，依次与另一空压机和另一气体流量计连接，为所述膜曝气，降低所述膜的污染，延长所述膜的使用寿命。
本发明进一步提供了一种处理高氨氮废水的方法，包括如下步骤：
接种活性污泥至所述反应器中，开启所述搅拌器，重复循环下述步骤(1)-步骤(4)：
(1)进水阶段：开启所述曝气系统和所述进水泵，采用序批式进水，按照设计处理量，待处理的所述高氨氮废水被输入所述反应器中，关闭所述进水泵;
(2)兼氧阶段：关闭所述曝气系统，在碳源的作用下，废水中的硝态氮被还原为亚硝态氮，亚硝态氮被还原为氮气;
(3)好氧阶段：开启所述曝气系统，废水中的氨态氮和有机物被氧化，所述氨态氮被氧化为亚硝态氮，亚硝态氮被氧化为硝态氮;
(4)排水阶段：在所述好氧阶段开始60～120min后，开启所述出水泵，设计处理量的所述废水经所述膜组件中膜的过滤后排出，依次关闭所述出水泵和所述曝气系统。
上述方法中，所述方法还包括全程开启实时控制系统的步骤，监测所述高氨氮废水中的氧化还原电极电位、pH值和溶解氧的大小;
所述膜组件中的曝气器全程开启，曝气流量可为5～15L/min，具体可设置两片曝气膜，曝气流量为8L/min，以降低膜污染，延长膜的使用寿命。
上述方法中，所述接种的活性污泥的浓度可为5000mg/L～5500mg/L、5000mg/L或5500mg/L，具体可来自城市污水处理厂的回流污泥;由于本发明高氨氮废水的处理需要在高污泥浓度下进行，梯度提高污水的进水浓度，可将活性污泥浓度增高至10000mg/L～12000mg/L，具体可增高至11000mg/L;
所述梯度提高分为三个阶段，第一个阶段可为5～10日，具体可为5～7日、5日或7日，进水稀释至为原污水浓度的1/4;第二个阶段可为5～10日，具体可为5～7日、5日或7日，进水稀释至原污水浓度的1/2;第三个阶段可为30～55日，具体可为45日，至启动阶段完成;
当所述高氨氮废水中氨态氮的去除率(进水氨氮浓度/出水氨氮浓度)大于80%，排出的废水中的硝态氮占所述废水中总氮的含量大于70%时，反应器达到稳定全程脱氮，启动阶段完成，梯度提高可使所述污泥中的微生物尽快适应所述原污水水质和反应器环境条件。
上述方法中，步骤(1)中，所述高氨氮废水中氨态氮的浓度可为400～900mg/L，COD含量可为2000～6000mg/L;
所述高氨氮废水来自畜禽养殖废水、垃圾渗滤液或污泥消化液;
所述设计处理量可为0.5～1.5L/cycle，具体可为1～1.5L/cycle、1L/cycle或1.5L/cycle;
所述输入的流量可为0.5～1L/min，具体可为0.5L/min;
待处理的所述高氨氮废水被输入所述反应器中保持3～5min，具体可为5min，与反应器中高浓度的活性污泥混合液混合均匀后，进入后续的兼氧阶段。
上述方法中，步骤(2)中，所述高氨氮废水中的有机物可优先作为碳源为所述兼氧阶段中所述硝态氮和所述亚硝态氮的还原提供电子，当所述废水中的碳源不足时，再及时开启所述碳源投加泵为所述反应器投加碳源，通过此种方式可使碳源的投加量更加的准确，节省碳源，降低成本。
当废水的氧化还原电极电位随时间的变化值即dORP/dt为0～-5时，判定碳源不足，开启所述碳源投加泵，为所述反应器投加碳源，每次开启时间可为0.5～1min，具体可为0.5min或1min，保持10～20min后，具体可保持10～15min、10min或15min后，进入下一次判定;当所述dORP/dt小于-5时，可延时10～30min后，具体可延时20～30min、20～25min、25～30min、20min、25min或30min，开启所述曝气系统，进入步骤(3)中，通过延时可保证反硝化的充分进行。
上述方法中，步骤(3)中，所述好氧阶段的时间可为9～180min，具体可为120～150min、120～135min、135min或150min，曝气流量可为0.5～10L/min，具体可为4～5L/min、4L/min或5L/min;
上述方法中，步骤(4)中，所述排水阶段的时间可为30～90min，具体可为40～60min、40min或60min，所述出水泵为间歇式抽吸，可每开8～10分钟停2～4分钟，具体可每开8分钟停2分钟。
上述方法中，所述反应器的温度可为20～30℃，具体可为20～25℃、20℃或25℃。
上述方法中，为了将全程硝化-反硝化转变为短程硝化-反硝化，需要促进氨氧化细菌(AOB)生长，抑制亚硝酸氧化菌(NOB)生长，利用下述1)-3)中至少一种方法将全程硝化-反硝化转化为短程硝化-反硝化：
1)优化曝气时间法：脱氮稳定后，在每轮循环的所述好氧阶段，当废水中的pH值随时间不发生改变即dpH/dt=0时，关闭所述曝气系统;
2)自由氨受控累积法：脱氮稳定后，在所述好氧阶段，降低所述曝气系统的曝气流量，当废水中自由氨的浓度升高至大于等于20mg/L时，恢复曝气流量;
所述曝气系统整个循环中的曝气流量可被降低至0.2～1L/min，具体可被降至0.5 L/min;
上述方法1)中，在每轮循环的好氧单元，根据pH连续监测曲线上的“氨谷点”(ammoniavalley)实时控制好氧单元的时长，即先采用合适的曝气流量持续曝气，当pH连续监测曲线出现“氨谷点”后立即停止曝气。通过优化曝气时间以逐步减少亚硝氮的氧化，从而使脱氮过程逐渐由全程硝化-反硝化转变为短程硝化反硝化，亚硝化率可以持续增高并最终达到80%。
上述方法2)中，通过降低曝气流量，控制偏低的溶解氧(DO)使反应体系内自由氨浓度(FA)升高至大于等于20mg/L，同时氨氧化细菌的生长速率大于亚硝酸氧化菌。然后将曝气流量恢复至合适的曝气流量持续曝气直到亚硝化率达到80%以上，之后重新恢复正常进出水处理循环，实现氨氮废水处理的亚硝化-反亚硝化。
上述1)和2)中所述脱氮稳定均是指当所述废水中的氨态氮的去除率大于80%，且排出的废水中的硝态氮占所述废水中总氮的含量大于70%时;
3)SRT控制法：所述方法还包括排泥的步骤，所述排泥在所述好氧阶段之后，控制所述反应器中的污泥的平均停留时间为12～15天。
上述方法3)中，由于氨氧化细菌的污泥龄一般在10～12天，而亚硝酸氧化菌的污泥龄则一般在18～20天，控制系统污泥平均停留时间12～15天可以使数量逐渐减少，从而使得氨氧化细菌在真个硝化菌群中的比例不断提高，亚硝化率得以持续增长。
利用本发明装置和方法可实现亚硝化-反亚硝化途径处理高氨氮废水(亚硝化率达到80%)，保证反应器高效去除氮(约95%TN，约99%NH3-N及约98%COD)，产水量为2～6(L/h)，减少了水力停留时间，降低了曝气能耗，并节省了外部碳源。
本发明处理高氨氮废水的装置和方法具有如下优点：
1)本发明将高污泥浓度SBR工艺与膜分离技术结合起来，具有序批式进水，连续出水的运行特点，实现了缺氧/好氧SBR序批反应和膜分离技术连续运行的优化结合;
2)本发明采用膜出水的方式，保证了较高污泥浓度下的出水水质，简化了传统SBR的工序，缩短了HRT;
3)本发明利用ORP的单位时间变化值作为反亚硝化进程的判断依据，控制碳源投加泵进行脉冲式投加，提高了碳源投加的精确性，节约外部碳源投加量降低污水处理成本;
4)采用pH探头在线监测氨氧化反应进程，判定NO2最大积累时间，优化曝气时间以节约曝气量降低污水处理成本。
总之，本发明将高污泥浓度SBR工艺与膜分离技术相结合，同时采用pH、DO(溶解氧)及ORP(氧化还原电位)电极对反应器进行连续监测建立自控系统，为全新的 SBR+MBR半连续运行工艺。