申请日2013.08.27
公开(公告)日2013.12.11
IPC分类号C02F9/14
摘要
SBR短程硝化-SBBR厌氧氨氧化组合垃圾渗滤液生物脱氮装置与方法属于污水生物脱氮技术领域，适用于高氨氮低碳氮比(C/N)的废水。本发明装置设有SBR和SBBR。SBR反应器主要进行短程硝化反应，以下简称SBRSBNR，SBBR反应器主要进行厌氧氨氧化反应，以下简称SBBRANAMMOX。渗滤液原液首先与SBBRANAMMOX出水回流液混合后进入SBRSBNR进行反硝化，既可以稀释渗滤液原液，又可以充分利用原水中的碳源去除出水中的部分硝态氮。然后SBRSBNR的出水再与渗滤液原液混合进入SBBRANAMMOX进行厌氧氨氧化-反硝化同步脱氮反应，实现氮和COD的同步去除。系统COD去除率为91%，TN 去除率大于97.5%，SBBRANAMMOX的总氮负荷为0.7 Kg TN/m3左右。
权利要求书
1.一种SBR短程硝化-SBBR厌氧氨氧化组合垃圾渗滤液生物脱氮装置，其 特征在于：
由SBRSBNR(A)、一体化水箱(B)、和SBBRANAMMOX(C)串联而成;
SBRSBNR(A)至上而下设有第一取样阀 (9)，机械搅拌装置(3)和曝气头( 8)，曝气头通过气体流量计(6)与曝气泵(7)相连;反应器内设置有第 一温度传感器 (4)，外围第一控温加热带(10)，与温控箱(5)相连; 配有DO仪 (1)、第一pH仪(2)和第一ORP仪(11);
一体化水箱(B)设有垃圾渗滤液原水箱(25)、SBRSBNR出水箱(27)和SBBRANAMMOX出水回流箱(21)，分别设置有SBBRANAMMOX出水回流箱进水阀(24)、SBBRANAMMOX出 水回流箱出水阀和SBRSBNR出水箱进水阀(31)与SBRSBNR出水箱出水阀 (28) ;水箱内设置有第二温度传感器(26)，外围第二控温加热带(22)，与 温控箱(5)相连;
SBBRANAMMOX(C)至上而下设有第二取样阀(32)，内部填充有海绵填料(36)， 配有第二ORP仪(39)、第二pH仪(40);反应器顶部设有排气口(35)，经 过干燥管(34)与集气袋(33)相连;内设置有第三温度传感器(37)，外 围第三控温加热带(38)，与温控箱(5)相连，底部设置有磁力搅拌仪( 42);
一体化水箱的垃圾渗滤液原水箱(25)出水管通过垃圾渗滤液原水箱出 水泵(20)分别与SBRSBNR进水管(12)和SBBRANAMMOX进水管(15)相连，SBBRANAMMOX出水 回流箱出水管(13)通过SBBRANAMMOX出水回流箱出水泵(14)也与SBRSBNR进水管( 12)相连;SBRSBNR出水管(17)通过SBRSBNR出水泵(16)与SBRSBNR出水箱进水阀( 31)相连;SBRSBNR出水箱出水管(30)通过SBRSBNR出水箱出水泵(29)与SBBRANAMMOX进水管(15)相连;SBBRANAMMOX出水回流管(19)通过SBBRANAMMOX出水回流泵(18)与 SBBRANAMMOX出水回流箱(21)相连;系统出水通过SBBRANAMMOX出水管(41)排出。
2.应用权利要求1所述装置进行SBR短程硝化-SBBR厌氧氨氧化组合垃圾渗 滤液生物脱氮的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 启动SBRSBNR：SBRSBNR的接种污泥为城市污水处理厂的硝化污泥，以城 市垃圾填埋场晚期渗滤液为原液作为反应器进水;在反应过程中，控 制反应温度为25°C，调节曝气量来控制反应器中DO浓度为2mg/L，同 时通过添加缓冲剂调节pH在7~8.5之间;在启动过程中，逐渐增加进水 量，当反应器出水亚硝 酸积累率达到97%以上后，则可认为SBRSBNR启动成功;
(2) 启动SBBRANAMMOX：以城市污水厌氧氨氧化反应器中的污泥为接种污泥 ，投加到加了海绵填料的SBBRANAMMOX中，填充比为30%~50%;将SBRSBNR启动成 功后的出水与垃圾渗滤液混合后作为SBBRANAMMOX进水，保证进水混合液中N H4+-N/NO2--N质量浓度比为1:1.2~1.4;通过加热带控制SBBRANAMMOX温度稳 定在30°C，通过磁力搅拌仪进行厌氧搅拌;当生物膜挂膜成功且进水 总氮TN浓度达到450mg/L以上、反应器出水的NH4+-N与NO2--N浓度均小 于10mg/L后，表明厌氧氨氧化反应器启动成功;
(3) SBRSBNR和SBBRANAMMOX分别完成启动后，将两反应器与一体化水箱串联运 行，组成为SBR短程硝化-SBBR厌氧氨氧化组合垃圾渗滤液生物脱氮装 置：
①将一体化水箱中的垃圾渗滤液原水箱与SBBRANAMMOX出水回流箱的出水管通 过蠕动泵与SBRSBNR进水管相连，使垃圾渗滤液与SBBRANAMMOX出水回流液以1:3 .5~4.5的体积比混合注入SBRSBNR中;
②开启SBRSBNR的温控装置和机械搅拌装置进行反硝化反应，控制反应器 温度为25°C;在此阶段，观察反应器中的氧化还原电位ORP和pH 值 的变化，当ORP 逐渐下降到出现平台，pH 值逐渐升高到不再变化时 ，表明反硝化结束;此时关闭SBRSBNR的机械搅拌装置，停止缺氧搅拌;
③开启SBRSBNR的曝气装置和机械搅拌装置进行短程硝化反应;在此阶段 ，观察反应器中的ORP、pH 值和DO浓度的变化，当ORP值逐渐增大到 出现平台，pH 值由逐渐降低转变为逐渐升高且DO浓度增大到4mg/L以 上时，表明硝化反应结束，关闭气泵和机械搅拌装置，停止曝气和搅 拌;静置沉淀后出水排入一体化水箱中的SBRSBNR出水箱;
④将一体化水箱中的垃圾渗滤液原水箱与SBRSBNR出水箱的出水管通过蠕 动泵与SBBRANAMMOX进水管相连，使垃圾渗滤液与SBRSBNR出水混合后注入SBBRANAMMOX中，保证混合液中NH4+-N/NO2--N质量浓度比为1:1.2~1.4;
⑤开启SBBRANAMMOX的温控装置和磁力搅拌仪进行厌氧氨氧化-反硝化同步脱 氮反应，控制反应器温度为30°C;反应结束后，把出水部分回流到S BBRANAMMOX出水回流箱中;当SBBRANAMMOX总氮负荷高于0.5Kg TN/m3d，并且系统 出水总氮TN小于50mg/L后，系统完成了垃圾渗滤液的全程自养脱氮过 程。
说明书
SBR短程硝化-SBBR厌氧氨氧化组合垃圾渗滤液生物脱氮装置与方法
技术领域
本发明属于污水生物脱氮技术领域，适用于处理晚期垃圾渗滤液等氨 氮浓度高而C/N低的废水。具体有以下技术特点：(1)通过回流适量SB BRANAMMOX出水至SBRSBNR中，利用渗滤液中的有机碳源进行反硝化反应，在去除 厌氧氨氧化反应器残留硝氮的同时去除了原水中的COD，同时还为硝化 反应提供一定碱度;(2)通过动态控制来实现垃圾渗滤液短程硝化反应 ;(3)通过生物膜系统实现厌氧氨氧化-反硝化同步反应，在脱氮的同 时去除COD。
背景技术
近年来，随着我国城市发展加快，城市生活垃圾产量也不断增加，卫 生填埋法成了主要的垃圾处理和处置方法。卫生填埋会产生填埋气和 渗滤液，其中渗滤液因水质水量变化大、有机物和氨氮浓度高、营养 元素比例失调等水质特点，使现有的垃圾渗滤液的处理方法效率低且 成本高。因此，需要提出更加经济有效的脱氮装置和方法。
传统的生物脱氮工艺主要是由有机氮氨化、硝化和反硝化来实现的。 在硝化阶段，NH4+-N先在氨氧化菌(AOB)作用下转化为NO2--N，然后在 亚硝氧化菌(NOB)的作用下转化为NO3--N，此阶段要消耗大量氧气;在 反硝化阶段，反硝化菌以NO3--N为电子受体，有机物作为电子供体， 将硝氮转化为氮气完成生物脱氮，此阶段需要消耗大量有机物。
对于高氨氮、低碳氮比(C/N比仅在1左右)的晚期垃圾渗滤液而言，因 其有机碳源严重不足，使得传统生物脱氮效率只能达到10%左右，处理 能耗大。近年来，为了提高垃圾渗滤液的脱氮效率，很多新的生物脱 氮技术应运而生，其中，短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺成了研究热点 之一。短程硝化技术，是将生物硝化过程控制在氨氧化阶段，使NH4+-N在转化为NO2--N后不再转变为NO3--N;厌氧氨氧化技术是将NH4+-N 和NO2--N直接转化为氮气的生物反应技术。而短程硝化-厌氧氨氧化组 合工艺则结合了两种技术的优点，相对于传统工艺来说，大大减少了 耗氧量、不需要投加外碳源、剩余污泥产量少且提高了脱氮效率。为 维持短程硝化，必须降低亚硝酸盐氧化速率，提高氨氧化速率，其影 响因素包括： pH、溶解氧、温度、污泥停留时间、游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)， 其中FA是重要的影响因素。FA对硝化反应速率的影响是通过AOB和NOB 的选择性抑制实现的。已有研究表明，FA对NOB的抑制浓度为0.1~1.0 mg·L-1，对AOB的抑制浓度为10~150 mg·L-1。而因垃圾渗滤液氨氮 浓度很高，从而使得通过控制FA浓度实现短程硝化的可行性很高，但 短程硝化-厌氧氨氧化组合工艺在处理垃圾渗滤液时仍有很多技术难点 ：(1)短程硝化结束时间难以控制，过曝气不但浪费能源，还会破坏短 程效果;(2)厌氧氨氧化菌倍增时间长(11~14天)，细胞产率低，导致 厌氧氨氧化工艺启动时间长，且对环境条件敏感，难以稳定运行;(3 )厌氧氨氧化反应所需NH4+-N与NO2--N比例为1:1.32，通常有两种方法 实现：一是半短程，即在短程硝化反应进行到NH4+-N/NO2--N比为1:1 .32时，停止曝气搅拌，但由于垃圾渗滤液水质波动较大，半短程极难 控制;二是全短程，即使反应器中的NH4+-N完全硝化成为NO2--N，再 与渗滤液原液混合，使混合液中NH4+-N/NO2--N比例为1:1.32，但由于 垃圾渗滤液往往碱度不够，使得渗滤液中的NH4+-N难以完全短程硝化 为NO2--N。(4)厌氧氨氧化反应会产生一定量的硝态氮，从而导致出 水总氮相对较高。
SBBR反应器是通过在SBR反应器中引入生物膜而形成的一种改良工艺。 SBBR工艺用于培养厌氧氨氧化菌有以下优点：(1)生物膜系统具有较长 的污泥停留时间，适合于培养生长速率较慢的厌氧氨氧化菌;(2)生物 膜系统中菌种繁多，反硝化菌和厌氧氨氧化菌互利共生，能为厌氧氨 氧化菌提供良好的厌氧环境：生物膜表层生长的反硝化菌可利用水中 的COD进行反硝化反应，并为生长于里层的厌氧氨氧化菌提供一定量的 NO2--N;(3)生物膜系统具有良好的耐冲击性能，有利于厌氧氨氧化反 应器的长期稳定运行。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供了一种垃圾渗滤液短程硝化 -厌氧氨氧化生物脱氮的装置与方法，解决垃圾渗滤液因高氨氮、低C /N比难处理的问题，并解决了垃圾渗滤液实现全短程时碱度不足以及 厌氧氨氧化处理出水中残留硝态氮较高的问题，提高了TN去除率。
本发明的技术方案，SBR短程硝化-SBBR厌氧氨氧化组合垃圾渗滤液脱 氮装置与方法，其特征在于：
一种SBR短程硝化-SBBR厌氧氨氧化组合垃圾渗滤液脱氮装置，其特征 在于：
如图1所示，整个组合装置由SBRSBNRA、一体化水箱B、和SBBRANAMMOXC串联而成 ;
SBRSBNRA至上而下设有第一取样阀 9，机械搅拌装置3和曝气头8，曝气 头通过气体流量计6与曝气泵7相连;反应器内设置有第一温度传感器 4，外围第一控温加热带10，与温控箱5相连;配有DO仪 1、第一p H仪2和第一ORP仪11;
一体化水箱B设有垃圾渗滤液原水箱25、SBRSBNR出水箱27和SBBRANAMMOX出水回 流箱21，分别设置有SBBRANAMMOX出水回流箱进水阀24、SBBRANAMMOX出水回流箱出 水阀和SBRSBNR出水箱进水阀31与SBRSBNR出水箱出水阀 28;水箱内设置有 第二温度传感器26，外围第二控温加热带22，与温控箱5相连;
SBBRANAMMOXC至上而下设有第二取样阀32，内部填充有海绵填料36，配有第 二ORP仪39、第二pH仪40;反应器顶部设有排气口35，经过干燥管34与 集气袋33相连;内设置有第三温度传感器37，外围第三控温加热带38 ，与温控箱5相连，底部设置有磁力搅拌仪42;
一体化水箱的垃圾渗滤液原水箱25出水管通过垃圾渗滤液原水箱出水 泵20分别与SBRSBNR进水管12和SBBRANAMMOX进水管15相连，SBBRANAMMOX出水回流箱出 水管13通过SBBRANAMMOX出水回流箱出水泵14也与SBRSBNR进水管12相连;SBRSBNR出 水管17通过SBRSBNR出水泵16与SBRSBNR出水箱进水阀31相连;SBRSBNR出水箱出 水管30通过SBRSBNR出水箱出水泵29与SBBRANAMMOX进水管15相连; SBBRANAMMOX出水 回流管19通过SBBRANAMMOX出水回流泵18与SBBRANAMMOX出水回流箱21相连;系统出 水通过SBBRANAMMOX出水管41排出。
根据以上述装置，实现晚期垃圾渗滤液的脱氮处理方法，包括以下步 骤：
(1) 启动SBRSBNR：SBRSBNR的接种污泥为城市污水处理厂的硝化污泥，以城 市垃圾填埋场晚期渗滤液为原液作为反应器进水。在反应过程中，控 制反应温度为25°C，调节曝气量来控制反应器中DO浓度为2mg/L，同 时通过添加缓冲剂调节pH在7~8.5之间。在启动过程中，逐渐增加进水 量，保证反应器中的FA浓度高于NOB的抑制浓度而不抑制AOB，同时控 制反应时间与反应器运行周期，当反应器出水亚硝酸积累率达到97%以 上后，则可 认为SBRSBNR启动成功。
(2) 启动SBBRANAMMOX：以城市污水厌氧氨氧化反应器中的污泥为接种污泥 ，投加到加了海绵填料的SBBRANAMMOX中，填充比为30%~50%。将SBRSBNR启动成 功后的出水与垃圾渗滤液混合后作为SBBRANAMMOX进水，保证进水混合液中N H4+-N/NO2--N质量浓度比为1:1.2~1.4。通过加热带控制SBBRANAMMOX温度稳 定在30°C，通过磁力搅拌仪进行厌氧搅拌。当生物膜挂膜成功且进水 总氮TN浓度达到450mg/L以上、反应器出水的NH4+-N与NO2--N浓度均小 于10mg/L后，表明厌氧氨氧化反应器启动成功。
(3) SBRSBNR和SBBRANAMMOX分别完成启动后，将两反应器与一体化水箱串联运 行，组成为SBR短程硝化-SBBR厌氧氨氧化组合垃圾渗滤液生物脱氮装 置：
①将一体化水箱中的垃圾渗滤液原水箱与SBBRANAMMOX出水回流箱的出水管通 过蠕动泵与SBRSBNR进水管相连，使垃圾渗滤液与SBBRANAMMOX出水回流液以1:3 .5~4.5的体积比混合注入SBRSBNR中，保证渗滤液原液中的有机碳源能在 反硝化阶段全部去除，且FA浓度高于NOB的抑制浓度而不抑制AOB。
②开启SBRSBNR的机械搅拌装置，从而利用原渗滤液中的碳源进行反硝化 反应。这样既去除了渗滤液中的COD，也能去除SBBRANAMMOX出水中的残留NO 3--N及SBRSBNR中未排出的NO2--N，在提高了TN去除率的同时，也为后续 的短程硝化反应补充了一定量的碱度，利于实现全短程。开启SBRSBNR的 温控装置，使反应器温度为25°C。在此阶段，通过观察反应器中的O RP和pH 值的变化来判定反硝化终点。当ORP 逐渐下降到出现平台， pH 值逐渐升高到不再变化时，表明反硝化结束。此时关闭SBRSBNR的机 械搅拌装置，停止缺氧搅拌。
③开启SBRSBNR的曝气装置和机械搅拌装置进行短程硝化反应。在此阶段 ，通过观察反应器中的ORP、pH 值和DO浓度的变化来判定硝化终点。 随着硝化反应时间增加，pH 值因产酸而逐渐降低，DO浓度缓慢增加 ，ORP值逐渐增大。当NH4+-N被消耗完时，NO2--N浓度达到最大值，p H因吹脱作用而增大，DO浓度因反应结束而迅速增加到4mg/L以上，同 时ORP值也出现平台不再增大。此时表明硝化反应结束，关闭气泵和机 械搅拌装置，停止曝气和搅拌。静置沉淀后出水排入一体化水箱中的 SBRSBNR出水箱。
④将一体化水箱中的垃圾渗滤液原水箱与SBRSBNR出水箱的出水管通过蠕 动泵与 SBBRANAMMOX进水管相连，使垃圾渗滤液与SBRSBNR出水混合后注入SBBRANAMMOX中，保 证混合液中NH4+-N/NO2--N质量浓度比为1:1.2~1.4。
⑤开启SBBRANAMMOX的温控装置和磁力搅拌仪进行反应，控制反应器温度为3 0°C。因生物膜系统中反硝化菌与厌氧氨氧化菌同时存在，所以系统 中存在反硝化反应和厌氧氨氧化反应。反应结束后，把出水部分回流 到SBBRANAMMOX出水回流箱中。当SBBRANAMMOX总氮负荷高于0.5Kg TN/m3d，并且系 统出水中总氮TN小于50mg/L N后，系统完成了垃圾渗滤液的全程自养 脱氮过程。
本发明SBR短程硝化-SBBR厌氧氨氧化组合垃圾渗滤液脱氮工艺的机理 ：SBRSBNR先后经过了反硝化和短程硝化两个阶段，在反硝化阶段，由于 厌氧氨氧化反应器出水回流，使得渗滤液原液得到稀释，且同时去除 了原液中的有机物、SBBRANAMMOX出水中的NO3--N及SBRSBNR中未排出的NO2--N， 在提高了TN去除率的同时，也为后续的短程硝化反应补充了一定量的 碱度，保证短程硝化反应完全进行。在硝化阶段，由于垃圾渗滤液中 的FA和 FNA对NOB的抑制作用，使得NO2--N大量积累，实现短程硝化 ，为之后的厌氧氨氧化反应做准备。在SBBRANAMMOX中，因生物膜系统中菌种 繁多，反硝化菌和厌氧氨氧化菌互利共生，使得反应系统能同时进行 反硝化和厌氧氨氧化反应，SBRSBNR出水与渗滤液原液混合，使得混合液 中含有COD、NH4+-N和NO2--N，满足厌氧氨氧化反应的条件。
本发明的有益效果在于：
(1)短程硝化-厌氧氨氧化组合脱氮工艺，有别于传统的硝化-反硝化脱 氮工艺，无需投加外加碳源，缩短了曝气时间和反应时间，减少了剩 余污泥产量，大大节省了能耗及运行费用。
(2)本发明在运行过程中，直接通过回流水稀释原液来保证FA浓度，不 需要外加水稀释，且不需添加其他药剂，进一步节省了运行费用，流 程简单，易于管理。
(3)SBRSBNR中先反硝化，同时去除了原液中的有机物、SBBRANAMMOX出水中的NO 3--N及SBRSBNR中部分未排出的NO2--N，提高了总氮去除率，同时还为后 续的短程硝化反应补充了一定量的碱度。
(4)通过动态控制来实现垃圾渗滤液短程硝化反应，在线监测ORP、pH 值和DO浓度的变化值，能快速了解反硝化和硝化反应的结束时间，节 省了能耗，同时能确保维持较高 的亚硝积累率。
(5)用序批式生物膜反应器培养厌氧氨氧化菌，缩短了厌氧氨氧化反应 器的启动时间;生物量高，提高了处理效率，且剩余污泥产量少;受 外界环境及水质变化的影响小，有利于长期稳定运行。
(6)生物膜系统中菌种繁多，反硝化菌和厌氧氨氧化菌互利共生，能为 厌氧氨氧化菌提供一个良好的厌氧环境。反硝化菌可以利用渗滤液原 液中的COD，去除厌氧氨氧化反应产生的NO3--N。