申请日2020.02.10
公开(公告)日2020.05.15
IPC分类号C02F3/30; C02F101/16
摘要
本发明公开了一种SHARON‑ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统，依次包括SHARON快渗区和ANAMMOX快渗区;SHARON快渗区内填充有滤料I，滤料I用粗河砂、沸石砂和改性污泥基生物炭混合制成;ANAMMOX快渗区内填充有滤料II和滤料III，滤料II和滤料III交替分布;滤料II采用细河砂;滤料III采用多孔玄武岩纤维填料球;ANAMMOX快渗区的外周浸入集水区内。本发明具有脱氮、除磷效果好、运行成本低、占地面积小、环境友好度高、适用范围广等优点，为人工快速渗滤系统高效、低耗、环保脱氮提供一条新途径，也为污水治理领域强化脱氮提供一种新工艺。
权利要求书
1.一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统，其特征在于，沿过滤方向上，依次设有SHARON快渗区(7)和ANAMMOX快渗区(9);
所述SHARON快渗区(7)内填充有滤料I(14)，所述滤料I(14)用粗河砂、沸石砂和改性污泥基生物炭混合制成;
所述ANAMMOX快渗区(9)内填充有滤料II(15)和滤料III(16)，所述滤料II(15)和滤料III(16)交替分布;滤料II(15)采用细河砂;滤料III(16)采用多孔玄武岩纤维填料球;
所述ANAMMOX快渗区(9)的外周浸入集水区(11)内，ANAMMOX快渗区(9)的滤液输出端与集水区(11)连通。
2.根据权利要求1所述的一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统，其特征在于，所述粗河砂、沸石砂、改性污泥基生物炭三者质量配比为(6～8):(1～3):1;且粗河砂、沸石砂、改性污泥基生物炭的粒径分别为0.8mm～1.0mm、0.5mm～0.8mm、0.25mm～0.3mm。
3.根据权利要求1所述的一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统，其特征在于，所述改性污泥基生物炭通过以下方法制备：取好氧池剩余污泥、缺氧池剩余污泥、厌氧池剩余污泥的一种或几种污泥;将污泥经限氧热解、加酸超声改性处理获得改性污泥基生物炭。
4.根据权利要求1所述的一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统，其特征在于，所述细河砂的粒径为0.1mm～0.3mm;所述多孔玄武岩纤维填料球的直径为2cm～5cm，内部填充有长1cm～3cm的玄武岩纤维，填充率为50%～90%。
5.根据权利要求1所述的一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统，其特征在于，所述滤料I(14)在填充入SHARON快渗区(7)内之前采用好氧硝化污泥进行接种;配制好氧硝化污泥混合液用于接种，混合液MLSS为4000mg/L～5000mg/L;
所述细河砂在填充入ANAMMOX快渗区(9)之前采用混合污泥进行接种，所述混合污泥由好氧硝化污泥和厌氧氨氧化污泥按照体积比1:(2～5)混合制成;好氧硝化污泥的MLSS为3000mg/L～4000mg/L，厌氧氨氧化污泥的MLSS为4000mg/L～5000mg/L;所述多孔玄武岩纤维填料球在填充入ANAMMOX快渗区(9)之前采用厌氧氨氧化污泥进行接种，厌氧氨氧化污泥的MLSS为5000mg/L～6000mg/L。
6.根据权利要求1所述的一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统，其特征在于，所述SHARON快渗区(7)和ANAMMOX快渗区(9)的高度比为(1～3):1;所述集水区(11)的高度比ANAMMOX快渗区(9)高出2cm～3cm;所述集水区(11)与ANAMMOX快渗区(9)的内径比为(1.5～4):1。
7.根据权利要求1所述的一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统，其特征在于，所述SHARON快渗区(7)的输入端设有过渡层I(6)，过渡层I(6)采用粒径为0.5cm～1.5cm的碎石填充，填充高度为2.5cm～5cm;SHARON快渗区(7)和ANAMMOX快渗区(9)之间设有过渡层II(8)，过渡层II(8)采用粒径为0.1cm～0.3cm的陶粒填充，填充高度为2.5cm～5cm;所述ANAMMOX快渗区(9)与集水区(11)之间设有过渡层III(10)，过渡层III(10)采用粒径为0.1cm～0.3cm的碎石填充，填充高度为2.5cm～5cm。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统，其特征在于，还包括布水区(5)和导液管(20);所述布水区(5)设于SHARON快渗区(7)上方;所述导液管(20)的输出端设于SHARON快渗区(7)内，导液管(20)的输入端用于导入NaCl溶液。
9.一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤水处理方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统处理污水，包括以下步骤：
步骤A：向SHARON快渗区(7)布水，采用淹水、落干交替运行的方式布水;
步骤B：在落干期间，待落干1h～3h后，向SHARON快渗区(7)导入NaCl溶液;
步骤C：循环步骤A和B，直至SHARON快渗区(7)的出水中NH4+-N和NO2--N的质量浓度比为1:1，完成半硝化的启动;
步骤D：停止导入NaCl溶液，重复步骤A，SHARON快渗区(7)的出水进入ANAMMOX快渗区(9)后，NH4+-N和NO2--N通过厌氧氨氧化被转化为N2去除。
10.根据权利要求9所述的一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤水处理方法，其特征在于，所述步骤A中，向SHARON快渗区(7)布水，控制进水水力负荷为0.8m/d～1.5m/d，每天运行2个周期，每个周期布水12h，每个周期采用淹水、落干交替运行的方式布水，淹水、落干时间比为1:(2～4);所述步骤B中，水力负荷为0.1m/d～0.5m/d，NaCl溶液中，NaCl的质量浓度为0.5%～1.0%。
说明书
一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统及污水处理方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统及污水处理方法。
背景技术
人工快速渗滤系统作为一类新型污水生态处理技术，在中小城镇生活污水、农村分散污水、受污染地表水的处理中具有显著的优势，应用前景广阔。人工快速渗滤系统主要依靠滤料截留、吸附、微生物转化等途径，实现对污水中COD、NH4+-N的去除，运营成本相比活性污泥体系更低。然而，传统的人工快速渗滤系统存在一个较大的缺陷，即其NH4+-N去除效果较好，但是总氮(TN)去除率却仅有30%左右，绝大部分NH4+-N并未能转化成N2，而是被微生物转化为NO3--N后随出水流出系统，导致出水中TN含量依然较高，若直接排放将对水体造成富营养化的威胁。因此，解决人工快速渗滤系统脱氮效率低的问题，对于推进该技术的推广应用具有非常重要的现实意义。
究其原因，传统人工快速渗滤系统之所以脱氮效率低，主要是由于：
①硝化过程不完全，由于人工快速渗滤系统不提供额外的曝气供氧手段，NH4+-N的氧化效率可能受到不利影响;
②反硝化过程不完全，反硝化过程需要良好的缺/厌氧环境，而快速渗滤过程携带进入的氧气无法保证该反应条件，其次，在由上往下的渗滤过程中，污水中碳源逐渐被消耗，不能达到反硝化过程对碳源的需求，导致反硝化不能顺利进行;
③污水停留时间短，由于人工快速渗滤系统的水力负荷是传统土壤渗滤系统的5～10倍，污水在滤料体系的停留时间较短，部分NH4+-N、NO3--N不能被良好的吸附在滤料上，容易随水流出。
为解决上述问题，投加外源碳源、改善氧环境、改良滤料结构是目前采取的主流措施，但外加碳源不仅会增加运行成本，同时碳源的投加量不易控制，极易造成二次污染，而仅改善氧环境或改良滤料结构并不能解决碳源缺乏这一问题，长期运行效果不佳。采用半硝化- 厌氧氨氧化(SHARON-ANAMMOX)用于人工快速渗滤系统，无需外加碳源，可有效解决碳源问题。因此要较好的解决人工快速渗滤系统脱氮效率低的问题，需要有效改善氧环境和改良滤料结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对人工快速渗滤系统脱氮效率低的问题，本发明提供了解决上述问题的一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统，将半硝化-厌氧氨氧化用于人工快速渗滤系统中，通过改进滤料结构，可有效改善氧环境、延长污水停留时间，进一步提高人工快速渗滤系统脱氮效率。
本发明通过下述技术方案实现：
一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统，沿过滤方向上，依次设有 SHARON快渗区和ANAMMOX快渗区;所述SHARON快渗区内填充有滤料I，所述滤料I 用粗河砂、沸石砂和改性污泥基生物炭混合制成;所述ANAMMOX快渗区内填充有滤料II 和滤料III，所述滤料II和滤料III交替分布;滤料II采用细河砂;滤料III采用多孔玄武岩纤维填料球;所述ANAMMOX快渗区的外周浸入集水区内，ANAMMOX快渗区的滤液输出端与集水区连通。
进一步地，所述粗河砂、沸石砂、改性污泥基生物炭三者质量配比为(6～8):(1～3):1;且粗河砂、沸石砂、改性污泥基生物炭的粒径分别为0.8mm～1.0mm、0.5mm～0.8mm、0.25mm～ 0.3mm。
进一步地，所述改性污泥基生物炭通过以下方法制备：取好氧池剩余污泥、缺氧池剩余污泥、厌氧池剩余污泥的一种或几种污泥;将污泥经限氧热解、加酸超声改性处理获得改性污泥基生物炭。
进一步地，所述细河砂的粒径为0.1mm～0.3mm;所述多孔玄武岩纤维填料球的直径为 2cm～5cm，内部填充有长1cm～3cm的玄武岩纤维，填充率为50%～90%。
进一步地，所述滤料I在填充入SHARON快渗区内之前采用好氧硝化污泥进行接种;配制好氧硝化污泥混合液用于接种，混合液MLSS为4000mg/L～5000mg/L;所述细河砂在填充入ANAMMOX快渗区之前采用混合污泥进行接种，所述混合污泥由好氧硝化污泥和厌氧氨氧化污泥按照体积比1:(2～5)混合制成;好氧硝化污泥的MLSS为3000mg/L～4000mg/L，厌氧氨氧化污泥的MLSS为4000mg/L～5000mg/L;所述多孔玄武岩纤维填料球在填充入ANAMMOX快渗区之前采用厌氧氨氧化污泥进行接种，厌氧氨氧化污泥的MLSS为 5000mg/L～6000mg/L。
进一步地，所述SHARON快渗区和ANAMMOX快渗区的高度比为(1～3):1;所述集水区的高度比ANAMMOX快渗区高出2cm～3cm;所述集水区与ANAMMOX快渗区的内径比为(1.5～4):1。
进一步地，所述SHARON快渗区的输入端设有过渡层I，过渡层I采用粒径为0.5cm～1.5cm的碎石填充，填充高度为2.5cm～5cm;SHARON快渗区和ANAMMOX快渗区之间设有过渡层II，过渡层II采用粒径为0.1cm～0.3cm的陶粒填充，填充高度为2.5cm～5cm;所述ANAMMOX快渗区与集水区之间设有过渡层III，过渡层III采用粒径为0.1cm～0.3cm的碎石填充，填充高度为2.5cm～5cm。
进一步地，还包括布水区和导液管;所述布水区设于SHARON快渗区上方;所述导液管的输出端设于SHARON快渗区内，导液管的输入端用于导入NaCl溶液。
一种SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤水处理方法，采用上述 SHARON-ANAMMOX复合型人工快速渗滤系统处理污水，包括以下步骤：
步骤A：向SHARON快渗区布水，采用淹水、落干交替运行的方式布水;
步骤B：在落干期间，待落干1h～3h后，向SHARON快渗区导入NaCl溶液;
步骤C：循环步骤A和B，直至SHARON快渗区的出水中NH4+-N和NO2--N的质量浓度比为1:1，完成半硝化的启动;
步骤D：停止导入NaCl溶液，重复步骤A，SHARON快渗区的出水进入ANAMMOX 快渗区后，NH4+-N和NO2--N通过厌氧氨氧化被转化为N2去除。
进一步地，所述步骤A中，向SHARON快渗区布水，控制进水水力负荷为0.8m/d～1.5m/d，每天运行2个周期，每个周期布水12h，每个周期采用淹水、落干交替运行的方式布水，淹水、落干时间比为1:(2～4);所述步骤B中，水力负荷为0.1m/d～0.5m/d，NaCl溶液中，NaCl 的质量浓度为0.5%～1.0%。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明通过改进滤料结构、优化处理方法，可有效优化脱氮氧环境(为硝化过程提供适当的氧环境，无须增加额外曝气供氧手段，为反硝化过程创造良好的缺/厌氧环境)、利于延长污水停留时间，提高脱氮效率。
本发明强化脱氮的原理主要基于半硝化-厌氧氨氧化(SHARON-ANAMMOX)，污水首先在SHARON快渗区7的滤料I14内发生半硝化，即污水中约50%的NH4+-N被转化为 NO2--N，使得SHARON快渗区7的出水中NH4+-N和NO2--N的质量浓度比约为1:1，进入 ANAMMOX快渗区9后，NH4+-N和NO2--N通过厌氧氨氧化被转化为N2而去除。
(1)污水在SHARON快渗区7内发生半硝化的原理如下：
①良好的好氧环境：SHARON快渗区7采用淹水、落干交替运行的方式实现自然复氧，同时，该过程仅需氧化约一半的NH4+-N为NO2--N，需氧量相比传统硝化反硝化、短程硝化反硝化低很多;采用不同粒径的滤料级配，有利于氧气在系统内的扩散，为硝化细菌提供适宜的好氧环境。
②丰富的微生物：滤料I14采用粗河砂、沸石砂、改性污泥基生物炭均匀混合而成，不同类型的滤料为不同类型的微生物提供了适宜的生态位，同时沸石砂、改性污泥基生物炭对污水中的污染物具有较高的吸附性能，能为微生物提供良好的营养基础。此外，滤料I14在填充前采用好氧硝化污泥进行接种，可加速好氧硝化的快速启动。
③硝化细菌的选择性抑制：NH4+-N的氧化包括两个步骤，一是NH4+-N在氨氧化菌(AOB) 的作用下氧化为NO2--N，二是NO2--N在亚硝酸氧化菌(NOB)的作用下进一步氧化为NO3--N。在SHARON快渗区7内，设有导液管20，在落干期通过导液管20将质量分数为0.5%～1.0%的NaCl溶液导入SHARON快渗区7的滤料I14内，可选择性抑制NOB活性而对AOB不产生影响，循环操作可实现AOB的高效富集和NOB的逐步淘汰，从而使NH4+-N被AOB氧化为NO2--N后难以进一步氧化为NO3--N，SHARON快渗区7出水中NH4+-N和NO2--N的质量浓度比约为1:1，满足后续厌氧氨氧化对进水水质的需求。
该过程的化学反应方程式如下：
0.5NH4++0.75O2→0.5NO2-+H++0.5H2O (1)
(2)污水在ANAMMOX快渗区9内发生厌氧氨氧化的原理如下：
①良好的缺/厌氧环境：ANAMMOX快渗区9内滤料I15采用细河砂，可减少SHARON 快渗区7出水中携带的溶解氧扩散，同时滤料I15在填充前采用好氧硝化污泥和厌氧氨氧化污泥的混合污泥进行接种，好氧硝化污泥的引入可以消耗进水中残存的溶解氧，进一步保障ANAMMOX快渗区9内的缺/厌氧环境;此外，ANAMMOX快渗区9的外周设置有集水区 11，集水区11的高度比ANAMMOX快渗区9高出2cm～3cm，出水口12的高度与ANAMMOX 快渗区9的高度相同，可使ANAMMOX快渗区9长期处于淹水状态，为厌氧氨氧化菌(AAOB) 的生长提供良好的缺/厌氧环境。
②良好的微生物附着条件：ANAMMOX快渗区9内填充有滤料II15和滤料III16，采用交替排列方式填充，为AAOB的生存提供了多样化附着条件，特别是滤料III16，采用多孔玄武岩纤维填料球，内部填充的玄武岩纤维对污染物和微生物均具有良好的吸附性，在填充前采用厌氧氨氧化污泥进行接种，有利于AAOB的富集，对厌氧氨氧化的快速挂膜启动非常有利。
③稳定的进水水质：SHARON快渗区7出水中NH4+-N和NO2--N的质量浓度比约为1:1，且水质较为稳定，能为ANAMMOX快渗区9内发生厌氧氨氧化提供适宜的基质条件，从而达到高效的脱氮效果。
④适宜的水力停留时间：在SHARON快渗区7的落干期，ANAMMOX快渗区9的污水能较长时间的保留在系统内，水力停留时间较传统人工快速渗滤系统显著提高，延长了ANAMMOX快渗区9内AAOB对污水的处理时间，提高处理效果。
该过程的化学反应方程式如下：
NH4++NO2-→N2+2H2O (2)
2、本发明是在传统人工快速渗滤系统的基础上，开发出了适用于该体系的新的生物脱氮技术，既能弥补传统人工快速渗滤系统的技术缺陷，又能为污水脱氮提供一种新的技术储备，对保护水生态环境具有重要意义。综合效果优良，具有脱氮、除磷效果好、运行成本低、占地面积小、环境友好度高、适用范围广等有益效果。
(1)脱氮效果好：SHARON快渗区具有良好的好氧环境、丰富的微生物和对硝化细菌的选择性抑制功能，可实现NH4+-N的高效半硝化，同时ANAMMOX快渗区具有良好的缺/ 厌氧环境、良好的微生物附着条件、稳定的进水水质和适宜的水力停留时间，可实现NH4+-N 和NO2--N的高效厌氧氨氧化，从而取得高效脱氮效果。
(2)除磷效果好：SHARON快渗区和ANAMMOX快渗区所选用的滤料能实现对磷素污染物的高效吸附或截留，被吸附或截留在滤料表面的磷素污染物，通过滤料表面生物膜上微生物的同化作用以及反硝化除磷菌的反硝化除磷作用而被高效去除。
(3)运行成本低：滤料和设备成本低，无需投加外源碳源，无需人工曝气供氧，SHARON 过程仅需氧化50%的NH4+-N为NO2--N，大幅节约氧耗，无需对温度和pH等条件进行控制，无需对剩余污泥进行处理，维护管理简单，运行成本低廉。
(4)占地面积小：将SHARON快渗区和ANAMMOX快渗区复合成一体式人工快速渗滤系统，结构紧凑，节省占地面积。
(5)环境友好度高：无需额外投加碳源，可避免因碳源投加过量导致的二次污染;不产生剩余污泥，减少了剩余污泥处理过程对环境的危害;可实现氮素污染物的高效脱除，避免了氮素污染物超标排放引发的水体污染问题，具有较高的环境友好度。
(6)适用范围广：应用范围广泛，对城镇生活污水、农村分散污水、偏远地区生活污水、受污染河流水、富营养化湖水等具有较高脱氮要求的污/废水处理均适用。（发明人陈佼;陆一新;刘佩森;李洋涛;唐丽;胥瑶）