申请日2013.11.05
公开(公告)日2015.05.13
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明提供一种脱除废水中氨氮的方法，包括如下内容：(1)培养获得硝化颗粒污泥和反硝化颗粒污泥，硝化颗粒污泥的粒径大于反硝化颗粒污泥;(2)将两种颗粒污泥加入到流化床反应器中进行级配，硝化颗粒污泥在反应器下部进行硝化反应，反硝化颗粒污泥在反应器上部进行反硝化脱氮，利用流化床流化气体所携带的氧气含量控制进水口区域的溶解氧浓度为1.0～4.0mg/L。本发明利用流化床，将不同大小和不同脱氮性能的颗粒污泥在反应器中进行级配，使硝化颗粒污泥和反硝化颗粒污泥在同一反应器的不同区域发挥脱氮性能，减少彼此间干扰，实现了高效的同步硝化反硝化脱氨氮过程。
权利要求书
1.一种脱除废水中氨氮的方法，其特征在于包括如下内容：(1)培养获得硝化颗粒污泥和反硝化颗粒污泥，硝化颗粒污泥的粒径大于反硝化颗粒污泥;(2)将两种颗粒污泥加入到流化床反应器中进行级配，硝化颗粒污泥在反应器下部进行硝化反应，反硝化颗粒污泥在反应器上部进行反硝化脱氮，利用流化床流化气体所携带的氧气含量控制进水口区域的溶解氧浓度为1.0～4.0mg/L。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：硝化颗粒污泥的粒径在2.0～5.0mm，平均密度为1.02～1.3g/cm3;反硝化颗粒污泥的粒径在1.0～4.0mm，平均密度为1.02～1.3g/cm3。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：硝化颗粒污泥的粒径在2.0～4.0mm，反硝化颗粒污泥的粒径在1.0～3.0mm。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：启动过程中，两种颗粒污泥在反应器中的填充体积分数为5%～30%，硝化颗粒污泥和反硝化颗粒污泥的质量比为1:1～5:1。
5.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：在硝化和反硝化污泥培养池中投加0.1～1.0mm的活性炭作为吸附载体，培养获得颗粒污泥。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：投加不同大小的活性炭作为吸附载体，在硝化污泥培养池中投加0.5～1.0mm的活性炭作为吸附载体，在反硝化污泥培养池中投加0.1～0.5mm的活性炭作为吸附载体。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：根据污泥和废水的特性，控制废水流速为1～10mm/s，停留时间为10～24h。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：控制废水流速为3～6mm/s，停留时间为12～20h。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：控制废水处理体系的温度为20℃～40℃，pH值为6～9。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在流化床反应器顶端设置旋风分离器、旋液分离器或者可以进行气液固分离的多相分离器，防止污泥冲出并将处理后的废水和气体进行分离。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：废水处理过程中，控制硝化颗粒污泥的污泥浓度为2.0～8.0g/L，反硝化颗粒污泥的污泥浓度为1.0～5.0g/L，当污泥不足或者过剩时，通过在线置换装置进行调节。
12.根据权利要求1或11所述的方法，其特征在于：加入活性污泥处理含氨废水所需的营养物质，营养物质的配比为：Fe2+浓度为0.01～0.06g/L，K+浓度为0.05～0.5g/L，Ca2+浓度为0.01～0.1g/L，Mg2+浓度为0.05～0.5g/L;pH值为6.5～7.5。
13.根据权利要求1或11所述的方法，其特征在于：按照碳氮质量比为3:1～10:1补加反硝化所需的有机碳源，有机碳源可以是丁二酸钠、乙酸钠、甲醇、葡萄糖或木质纤维素水解液。
说明书
一种脱除废水中氨氮的方法
技术领域
本发明属于废水处理领域，具体涉及一种脱除废水中氨氮的方法。
背景技术
化工生产企业因其生产工艺特点，每天排放大量含氨废水。如果直接排放，会造成水体富营养化，藻类过度生长，不仅降低了水体观赏价值，而且使水生生物缺氧死亡。一些藻类蛋白毒素还会经过食物链使人中毒，严重危害人类及生物生存。为此，如何经济有效地去除废水中的氨氮已成为亟待解决的问题。
生物脱氮是从废水中去除氮素污染的较为经济有效的方法之一，一般包括硝化过程和反硝化过程。硝化过程是由硝化菌将氨氮转化为NO2-和NO3-的反应过程。反硝化过程是在无氧或低氧条件下，NO3-和NO2-被微生物还原转化为气体物质的过程，反应过程中需要以有机碳作为碳源和能源。不管是传统脱氮工艺还是新型脱氮工艺，负责脱氮的微生物主要是硝化菌和反硝化菌。在实际应用中，由于两种菌体生长环境的差异，一般是将硝化过程和反硝化过程分离开，如传统的A/O，A2/O工艺，存在工艺冗长，污水处理构筑物占地面积大，投资和运行费用高等诸多弊端。
同步硝化反硝化脱氮是指硝化反应和反硝化反应在同一反应器内同步进行的新型工艺，不仅克服了传统工艺硝化和反硝化过程在两个不同的反应器内进行的不足，而且在降低能耗和物耗等方面具有突出的优势。例如，可以减少反硝化反应设备、节省基建费用;反硝化过程产生的碱可部分中和硝化过程产生的酸，减少碱液的消耗，能有效地保持反应器中pH稳定。因此，同步硝化反硝化脱氮过程，已经成为水处理领域的研究热点。
国外有研究者将硝化菌和反硝化菌置于同一反应器中混合培养，虽可以达到单个反应器的同步硝化反硝化，但是反硝化结果不尽人意，离实际应用还有一定的距离。荷兰Olburgen土豆加工废水处理项目采用短程硝化和厌氧氨氧化组合实现同步硝化反硝化，但是由于反硝化采用专性厌氧的厌氧氨氧化细菌，该细菌长期处于一定浓度的有氧环境中，从而在一定程度上降低了厌氧氨氧化细菌的活性，导致脱氮效果不理想。国内也进行了一些相关的研究工作，耿金菊等利用反硝化菌群和自养硝化菌群组合脱氮(应用与环境生物学报,2002,8(1):78-82)，虽然具有较好的氨氮脱除能力，但抗冲击能力较弱，高于300mg/L的高浓度氨氮能抑制菌体的生长，并且氨氮浓度高于200mg/L时，脱氮后氨氮残余量较多，同步不耐受高浓度有机碳，500mg/L的有机碳浓度抑制菌体生长并降低脱氮效果;这种组合菌群中的各类细菌培养与生长条件不一致，一种发挥功能时另一种却被处于抑制状态，导致彼此不协调，生物脱氮时间延长，成本增大，脱氮效率受到影响。CN201210067682.9公开了一种同步硝化反硝化的污水处理方法，通过生物膜加大反应器内生物量和生物种类，保证世代较长的微生物(如硝化菌)生存，利于硝化反应;并且，生物膜载体从表面到内部存在溶解氧浓度的梯度现象，相应有好氧、缺氧和兼氧区状态，为直接脱氮提供了良好的环境;反应过程中，采用充氧装置，促成反应器内形成明显的好氧、缺氧段，形成同步硝化和反硝化的宏观环境;同时进行硝化和反硝化反应。但是，该法需要采用生物载体构建不同生物量和生物种类的生物膜，生物膜载体从表面到内部需要存在相应有好氧、缺氧和兼氧区的溶解氧浓度的梯度状态，实际操作难度较大，并不能调控硝化菌和反硝化菌各自的脱氮效率。
目前尽管同步硝化反硝化有了较大的发展，但是普遍存在着负荷较小，去除率偏低，运行不稳定等不足，不能有效处理含氨废水，并且有些正在运行的工艺并没有考虑总氮的去除问题。这大大限制了同步硝化反硝化工艺的发展和应用。因此，如何更好的提供适宜的生长条件，保证硝化和反硝化都可以高效进行，使同步硝化反硝化长期稳定的运行，对加快同步硝化反硝化脱氮工艺工业应用的进程具有积极意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种脱除废水中氨氮的方法。本发明利用流化床，将不同大小和不同脱氮性能的颗粒污泥在反应器中进行级配，使硝化污泥颗粒和反硝化污泥颗粒在同一反应器的不同区域发挥脱氮性能，减少彼此间干扰，实现了高效的同步硝化反硝化脱氨氮过程。
本发明脱除废水中氨氮的方法，包括如下内容：(1)培养获得硝化颗粒污泥和反硝化颗粒污泥，硝化颗粒污泥的粒径大于反硝化颗粒污泥;(2)将两种颗粒污泥加入到流化床反应器中进行级配，硝化颗粒污泥在反应器下部进行硝化反应，反硝化颗粒污泥在反应器上部进行反硝化脱氮，利用流化床流化气体所携带的氧气含量控制进水口区域的溶解氧浓度为1.0～4.0mg/L。
本发明中，硝化颗粒污泥和反硝化颗粒污泥采用本领域技术人员所熟知的方式培养。硝化颗粒污泥的粒径在2.0～5.0mm，优选为2.0～4.0mm，平均密度为1.02～1.3g/cm3;反硝化颗粒污泥的粒径在1.0～4.0mm，优选为1.0～3.0mm，平均密度为1.02～1.3g/cm3。为了增加颗粒污泥的稳定性，在硝化和反硝化污泥培养池中投加0.1～1.0mm的活性炭作为吸附载体，培养获得颗粒污泥。为了进一步增加颗粒污泥的稳定性和脱氮的高效性，最好是投加不同大小的活性炭作为吸附载体，在硝化污泥培养池中投加0.5～1.0mm的活性炭作为吸附载体，在反硝化污泥培养池中投加0.1～0.5mm的活性炭作为吸附载体。如果单纯依靠颗粒污泥自身的大小实现级配，则位于流化床下部的硝化颗粒污泥的吸附量和吸附厚度均较大，长期运行易造成表面菌体吸附不牢固和脱落的现象。不规则颗粒污泥尺寸一般指颗粒的平均当量直径(即与球形颗粒具有相同的外表面积)。启动过程中，两种颗粒污泥在反应器中的填充体积分数为5%～30%，硝化颗粒污泥和反硝化颗粒污泥的质量比为1:1～5:1。
本发明中，根据流态化基本原理，颗粒污泥在流化床中主要受重力、浮力和曳力，其中，颗粒的平均密度和粒径决定着颗粒的受力情况，即不同颗粒具有不同的平均密度和粒径，其在流化床中的受力不同，故悬浮的高度也不同。根据上述原理，在颗粒污泥平均密度接近的情况下，培养获得不同大小的颗粒污泥，就可以在流化床反应器内实现两种不同功能的颗粒污泥的级配，沿物料流动方向颗粒尺寸减小，则粒径相对较大的硝化颗粒污泥位于反应器下部，粒径相对较小的反硝化颗粒污泥位于反应器上部。从反应器底部进入的含氨废水首先与硝化颗粒污泥进行硝化反应，将氨氮转化成硝氮或者亚硝氮;然后废水进入上部区域在反硝化颗粒污泥的作用下进行反硝化脱氮，将硝氮或者亚硝氮转化成氮气。根据污泥和废水的特性，控制废水流速为1～10mm/s，优选为3～6mm/s，停留时间为10～24h，优选为12～20h。
本发明中，利用流化床流化气体所携带的氧气含量控制进水口区域的溶解氧浓度为1.0～3.0mg/L。随着物料流动的方向，氧气在硝化区得到有效利用，进入上部区域溶解氧浓度相对不足，有利于反硝化在无氧或低氧条件下进行。当溶解氧浓度出现波动时，通过调节流化气体所携带的氧气的含量，以保证溶解氧的浓度在适宜的值。控制废水处理体系的温度为20℃～40℃，pH值为6～9。
本发明中，流化床底部设进气口和进水口，顶端设排气口和出水口。在反应器顶端设置旋风分离器、旋液分离器或者可以进行气液固分离的多相分离器，防止污泥冲出并将处理后的废水和气体进行分离。流化床的其它操作条件按常规处理废水的硝化污泥和反硝化污泥的条件控制。设置培养体系溶解氧量的测定装置，根据需要调整进气中的氧浓度。同时提供pH电极检测，以便通过外源加入酸、碱来实现系统pH控制。温度控制为内部盘管加热方式或者在反应器外部设置控温夹套来维持所需要的温度。
本发明中，废水处理过程中，控制硝化颗粒污泥的污泥浓度为2.0～8.0g/L，反硝化颗粒污泥的污泥浓度为1.0～5.0g/L，当污泥不足或者过剩时，通过在线置换装置进行调节。含氨废水为一切适合生物法处理的含COD和氨氮的废水，氨氮浓度一般为100～1000mg/L。可以加入活性污泥处理含氨废水所需的营养物质，以提高其反应活性。营养物质的配比为：Fe2+浓度为0.01～0.06g/L，K+浓度为0.05～0.5g/L，Ca2+浓度为0.01～0.1g/L，Mg2+浓度为0.05～0.5g/L;pH值为6.5～7.5。
本发明中，按照碳氮质量比为3:1～10:1补加反硝化所需的有机碳源，有机碳源可以是丁二酸钠、乙酸钠、甲醇、葡萄糖或木质纤维素水解液等。以批次或连续方式补充有机碳源，最好根据有机碳源的消耗速度进行流加，以减少有机碳源对硝化污泥的影响。
与现有技术相比，本发明具有以下突出特点：
1、利用流态化技术，根据不同脱氮性能和不同大小的颗粒污泥在流化床中受力不同悬浮在不同位置进行级配，使硝化颗粒污泥和反硝化颗粒污泥在同一反应器的不同区域发挥脱氮性能，颗粒污泥在各自单独的空间作用，减少彼此间干扰，克服了现有技术需要使用多个反应器或直接将硝化污泥和反硝化污泥进行混合处理含氨废水的不足。
2、硝化污泥和反硝化污泥对溶解氧的需求不同，好氧反硝化污泥虽然具有耐氧能力，但是其在低氧条件下脱氮性能更高，因此将两种污泥直接混合进行脱氮存在弊端。本发明利用流化床流化气体携带的氧气含量控制进入硝化区的溶解氧浓度，氧气在硝化区得到有效利用，进入反硝化区的溶解氧相对不足，有利于反硝化污泥发挥脱氮性能。与两种污泥直接混合相比，本发明可以提供不同的氧环境，使硝化污泥和反硝化污泥在各自适宜的溶解氧条件下生长，有效提高硝化污泥和反硝化污泥的脱氮活性，提高了同步硝化反硝化的效率。
3、硝化污泥利用废水中的氨氮进行硝化反应，产生的硝氮和/或亚硝氮可以进入上部反硝化区作为反硝化污泥的营养物质，反硝化污泥将硝氮和/或亚硝氮转化成气体不断排出。随着反应物料的流动和反硝化的进行，硝氮和/或亚硝氮会不断进入上部区域满足反硝化污泥的需要;同时由于硝化区产物抑制作用的削减，有助于提高硝化反应的进程和效果，二者互相补充和促进，实现了总氮的高效脱除。
4、随着硝化反应的进行，需要补加碱液维持适宜生长的pH，而反硝化过程产生的碱可部分中和硝化过程产生的酸，减少碱液的消耗，能有效地保持反应器中pH稳定，符合节能减排的要求。
5、本发明方法流程简单、反应器结构简单、反应器空间利用率高，工艺操作平稳、灵活性高，可以用于各种含氨废水的处理。