申请日2017.04.07
公开(公告)日2017.06.13
IPC分类号C02F9/14; C02F3/30
摘要
本发明公开了基于强化碳捕获与厌氧氨氧化的低能耗城市污水脱氮方法。原水水箱为一封闭箱体，设有溢流管和放空管;生物稳定反应器和生物吸附反应器分别为高DO和低DO环境，通过提高微生物吸附有机物能力，强化城市污水碳捕获;生物脱氮反应器依次分为低DO好氧区、缺氧区、好氧区和沉淀区，首先在低DO好氧区发生短程硝化厌氧氨氧化反应，将氨氮转化为氮气和部分硝态氮;而后以部分原水中有机物为碳源，通过短程反硝化厌氧氨氧化反应实现深度脱氮;为了避免出水存在氨氮，缺氧区后端增加好氧区，保证污水中剩余的氨氮氧化为硝酸盐;最后，污水经过沉淀区后排放。通过以上方法，可提高城市污水能量回收效率，并实现深度脱氮。
权利要求书
1.基于强化碳捕获与厌氧氨氧化的低能耗城市污水脱氮装置，其特征在于,设有城市污水原水箱(1)、生物稳定反应器(2)、生物吸附反应器(3)、中间沉淀池(4)、生物脱氮反应器(5);城市污水原水箱(13)设有溢流管(1.1)和放空管(1.2);城市污水原水箱(1)通过生物吸附反应器原水进水泵(3.1)与生物吸附反应器(3)相连接;生物吸附反应器(3)通过生物吸附反应器出水管(3.3)与中间沉淀池(4)相连接;中间沉淀池(4)通过污泥回流泵与生物稳定反应器2相连接，生物稳定反应器2中设置气量调节阀(2.1)和曝气头(2.2);中间沉淀池(4)通过中间沉淀池出水管(4.4)与生物脱氮反应器(5)相连接，同时还有城市污水原水箱(1)通过生物脱氮反应器原水进水泵(5.1)与生物脱氮反应器(5)相连接;生物脱氮反应器(5)分为数个格室，格室依次为低DO好氧区(5.5)、缺氧区(5.6)、好氧区(5.7)、沉淀区(5.8)，设置有空压机(5.3)、气体流量计(5.4)、缺氧搅拌器(5.9)、生物脱氮反应器出水阀(5.10)、生物脱氮反应器出水管(5.11)。
2.应用权利要求1所述装置实现强化强化碳捕获与厌氧氨氧化的低能耗城市污水脱氮的方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)启动系统：接种城市污水 厂活性污泥投加至生物稳定反应器(2)和生物吸附反应器(3)，使污泥浓度分别达到1000-2000mg/L和500-1000mg/L;在生物脱氮反应器(5)中，低DO好氧区(5.5)投加具有短程硝化与厌氧氨氧化生物膜的填料，填充比为50-80%;缺氧区(5.6)投加具有短程反硝化与厌氧氨氧化生物膜的填料，填充比为50-80%;好氧区(5.7)投加具有硝化生物膜的填料，填充比为50-80%;
2)运行时调节操作如下：
2.1)生物稳定反应器(2)污泥回流比控制在50-100%，溶解氧浓度控制在3.5-5mg/L，该反应器(2)的水力停留时间HRT控制在30-60min;
2.2)生物吸附反应器(3)中城市污水进水比例为80-90%，溶解氧浓度控制在0.2-0.5mg/L，该反应器(2)的水力停留时间HRT控制在60-90min;污泥龄控制在0.5-1.1天;
2.3)生物脱氮反应器(5)运行方式为，中间沉淀池出水首先进入生物脱氮反应器的低DO好氧区(5.5)，此区域DO浓度控制在0.3-0.5mg/L，水力停留时间HRT控制在6-10h;而后低DO好氧区的出水和部分城市污水同时进入缺氧区(5.6)，城市污水进水比例为10-20%，水力停留时间HRT控制在1-2h;然后缺氧区出水进入好氧区(5.7)发生硝化反应，此区域DO浓度控制在1.0-2.0mg/L，水力停留时间HRT控制在1-2h;最后，缺氧区出水进入沉淀区(5.8)，沉淀1-2h后通过排水阀排水;
2.4)生物脱氮反应器(5)中，当低DO好氧区(5.5)氨氮浓度小于2mg/L时，若硝态氮浓度>12mg/L，则增加缺氧区(5.6)城市污水进水比例，直至硝态氮浓度浓度<8mg/L。
说明书
基于强化碳捕获与厌氧氨氧化的低能耗城市污水脱氮方法
技术领域
本发明涉及一种基于强化碳捕获与厌氧氨氧化的低能耗城市污水脱氮装置与方法，属于污水生物处理技术领域。
背景技术
随着工业企业的不断发展，以及人们生活水平不断提高，城镇污水中的主要污染物种类除有机物外，氮和磷的含量也日益增加，这加剧了水体富营养化的进程，造成水源污染，河道黑臭，鱼虾死亡，不但破坏了景观，同时也对人类健康带来了威胁。近年来，为了控制水体富营养化，大量污水处理厂不断新建，同时现有污水处理厂不断升级改造，通过高效的生物脱氮去除城市污水中的含氮污染物。然而，目前的污水处理厂属于能耗大户，高能耗加剧了运营单位的成本负担。因此，在能源危机日益严重的背景下，既能达到污水处理厂高效生物脱氮，又能降低能耗，进而削弱污水处理厂运营成本，显得尤为重要。
现有的污水生物脱氮工艺需要通过好氧硝化和缺氧反硝化，实现污水中有机物和氮的去除。然而，氨氮氧化为硝酸盐需要大量的电能输入，同时污水中的有机物需要为缺氧反硝化提供有机物作为电子供体从而实现总氮去除。因此，这种工艺不但曝气能耗大，而且大幅度降低了污水中有机物的能源回收的可能性。目前已有发明提出了短程硝化+厌氧氨氧化工艺，该工艺借助生物吸附和短程硝化/厌氧氨氧化自养脱氮技术，可实现降低污水厂处理能耗和提高污水厂能量回收率的目的(ZL201310001101.6)。然而，该工艺运行过程中污水中的碳氧化严重，大量碳被氧化为二氧化碳，降低了生物可吸附碳的总量，从而不利于污泥富集有机物进行产甲烷发电;同时厌氧氨氧化会产生硝态氮，使得系统出水中硝态氮浓度相对较高，难以实现深度脱氮。
发明内容
本发明的目的就是针对现有工艺能耗大且能源回收率低和难以实现深度脱氮的问题，提出一种基于强化碳捕获与厌氧氨氧化的低能耗城市污水脱氮装置与方法。
本发明的技术方案为：提供了一种基于强化碳捕获与厌氧氨氧化的低能耗城市污水脱氮装置：设有城市污水原水箱1、生物稳定反应器2、生物吸附反应器3、中间沉淀池4、生物脱氮反应器5;城市污水原水箱1设有溢流管1.1和放空管1.2;城市污水原水箱1通过生物吸附反应器原水进水泵3.1与生物吸附反应器3相连接;生物吸附反应器3通过生物吸附反应器出水管3.3与中间沉淀池4相连接;中间沉淀池4通过污泥回流泵与生物稳定反应器2相连接，生物稳定反应器2中设置气量调节阀2.1和曝气头2.2;中间沉淀池4通过中间沉淀池出水管4.4与生物脱氮反应器相连接，同时还有城市污水原水箱1通过生物脱氮反应器原水进水泵5.1与生物脱氮反应器5相连接。生物脱氮反应器5分为数个格室，格室依次为低DO好氧区5.5、缺氧区5.6、好氧区5.7、沉淀区5.8，设置有空压机5.3、气体流量计5.4、缺氧搅拌器5.9、生物脱氮反应器出水阀5.10、生物脱氮反应器出水管5.11。
城市污水在此装置中的流程为：首先中间沉淀池的回流污泥进入生物稳定反应器，高DO条件下进行生物稳定。而后部分城市污水原水与生物稳定反应器出水一起进入生物吸附反应器，经过生物稳定的活性污泥吸附城市污水中的有机物，从而实现碳捕获的目的。生物吸附反应器出水进入中间沉淀池，沉淀后的活性污泥部分以剩余污泥的形式排放，部分进行回流。中间沉淀池出水首先进入生物脱氮反应器的低DO好氧区，在此将污水中的部分氨氮转化为实现短程硝化作用;然后厌氧氨氧化菌利用部分氨氮和生成的发生厌氧氨氧化反应，生成氮气和硝态氮;而后低DO好氧区的出水和部分城市污水原水同时进入缺氧区，利用原水中的有机物作为碳源，将上一阶段生成的硝态氮转为后，然后通过厌氧氨氧化反应将原水中的氨氮和生成的进行去除。然后缺氧区出水进入好氧区发生硝化反应，保证剩余氨氮都转化为硝态氮;最后，缺氧区出水进入沉淀区，经过沉淀后排放，最终实现了生物脱氮的目的。
技术原理：
强化碳捕获主要是提高生物吸附能力，在脱氮工艺前端分别增加高DO生物稳定反应器和低DO生物吸附反应器，在高DO生物稳定反应器中只引进回流污泥，对污泥进行曝气稳定，由于回流污泥中有机物匮乏，则微生物处于“饥饿”环境;而后高DO生物稳定反应器的混合液进入低DO生物吸附反应器，同时引进部分原污水，由于原污水中有机物丰富，则为微生物创造了“盛宴”环境，微生物可大量吸收原污水中的有机物。通过以上高DO生物稳定和低DO生物吸附，激发了微生物吸附有机物潜力，即强化了微生物原对污水中进行碳捕获的能力，有助于提高下一阶段污泥产甲烷效率。而后，经过有机物去除的污水都进入低DO好氧区，该阶段发生短程硝化与厌氧氨氧化反应，实现氨氮的去除。由于厌氧氨氧化反应会产生部分硝酸盐，因此增加了缺氧区，引入进剩余原污水，以原水中有机物为碳源，发生短程反硝化和厌氧氨氧化，实现深度脱氮。为了避免出水存在氨氮，缺氧区后端增加好氧区，保证污水中剩余的氨氮氧化为硝酸盐。最后，污水经过沉淀区后排放。
本发明基于强化污水碳捕获和厌氧氨氧化反实现生物高效脱氮和能源回收，与传统生物脱氮工艺相比具有以下优势：
1)将活性污泥进行生物稳定，强化污水中有机物的生物吸附效率，降低了有机物碳氧化的程度，生物吸附将有机物富集至污泥中，随后将富含有机物的活性污泥通过厌氧发酵产甲烷，从而提高实现污水能量回收率;
2)短程硝化厌氧氨氧化反应只需要低DO条件，溶解氧浓度在0.2-0.5mg/L范围内，所以可以实现曝气量的大幅降低，最终达到污水处理能耗的降低;
3)短程反硝化和厌氧氨氧化可以强化生物深度脱氮，降低了有机物消耗，节约碳源，可以为污水处理厂带来降低运行成本的好处;
4)本装置不但可以降低污水处理能耗，同时提高污水中能量回收率，有望使城市污水厂实现能量自给或能量外供。
