申请日2014.10.12
公开(公告)日2015.01.21
IPC分类号C02F3/30
摘要
半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的装置和方法属于污水处理领域，所述装置包括城市生活污水水箱、半硝化反应器、第一中间水箱、部分反硝化反应器、外加碳源储备箱、部分反硝化在线监测及控制系统、第二中间水箱及厌氧氨氧化反应器。所述方法包括以下步骤，生活污水首先进入半硝化反应器，通过曝气将生活污水中部分氨氮氧化为硝酸盐氮，出水进入到部分反硝化反应器，利用少量外加碳源将硝酸盐还原为亚硝酸盐，出水进入到厌氧氨氧化反应器进行脱氮。该装置与方法可以实现低碳氮比城市污水稳定高效脱氮，解决现有城市生活污水短程硝化亚硝酸盐积累不稳定及厌氧氨氧化工艺脱氮效率不高的问题。
权利要求书
1.半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的装置，其特征 在于，包括：城市生活污水水箱(1)、半硝化反应器(2)、第一中间水箱(3)、 部分反硝化反应器(4)、外加碳源储备箱(5)、部分反硝化在线监测及控制系统 (6)、第二中间水箱(7)、厌氧氨氧化反应器(8);
城市生活污水水箱(1)通过第一蠕动泵(2.1)与半硝化反应器(2)进水 口相连;半硝化反应器出水管与第一中间水箱(3)相连;第一中间水箱通过第 二蠕动泵(4.1)与部分反硝化反应器(4)进水口相连;外加碳源储备箱(5) 通过碳源投加蠕动泵(5.1)与部分反硝化反应器相连;部分反硝化反应器出水 管与第二中间水箱(7)相连;第二中间水箱通过第三蠕动泵(8.1)与厌氧氨氧 化反应器(8)进水口相连;
所述的半硝化反应器(2)设有第一搅拌装置(2.2)和第一出水口(2.3)， 反应器底部设有曝气头(2.4)，空气泵(2.5)通过气体流量计(2.6)与曝气头 相连;
所述的部分反硝化反应器设有第二搅拌装置(4.2)和第二出水口(4.3)，反 应器内部设有pH探头(6.1);
厌氧氨氧化反应器(8)设有第三搅拌装置(8.2)、温度控制装置(8.3)和 第三出水口(8.4);
所述的部分反硝化在线监测及控制系统(6)包括pH探头(6.1)、pH测定 仪主机(6.2)、计算机(6.4)，pH探头与pH测定仪主机相连，pH测定仪主机采 集的数据通过数据线传送至计算机，计算机的信号输出端与第二搅拌装置时控开 关相连，控制和调节第二搅拌装置的开关。
2.应用权利要求1所述装置进行半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳 氮比城市污水的方法，其特征在于，包括：
系统启动：接种城市污水厂剩余污泥于半硝化反应器(2)中，使反应器内 污泥浓度为2500～4000mg/L，每周期曝气1～4h，溶解氧浓度控制为2.0～4.0mg/L， 沉淀30～60min，沉淀后排水，排水比为30%～70%，当半硝化反应器出水氨氮与 硝酸盐氮的质量浓度之比在1:1～1:1.5之间时，半硝化反应器启动结束;当半硝 化反应器出水氨氮与硝酸盐氮的质量浓度之比低于1:1时，通过在1～4h范围内 减少曝气时间，使浓度之比在1:1～1:1.5范围内;当半硝化反应器出水氨氮与硝 酸盐氮的质量浓度之比高于1:1时，通过在1～4h范围内增加曝气时间，使浓度 之比在1:1～1:1.5范围内;
接种具有亚硝酸盐积累率为70%～100%的反硝化污泥于部分反硝化反应器， 使反应器内污泥浓度在2000～4000mg/L;含有硝酸盐的废水通过蠕动泵进入部分 反硝化反应器，该废水中硝酸盐浓度为20～40mg/L，进水结束时通过碳源投加蠕 动泵加入外加碳源，使反应内初始COD与硝酸盐氮的质量浓度比为2.5～3.5;加 入碳源后缺氧搅拌30～60min，将硝酸盐转化为亚硝酸盐，在线监测反应器内pH 变化，pH信号传入计算机，求导计算，当pH曲线上升出现拐点时第二搅拌装置 关闭，沉淀后排水，排水比为50～70%;当部分反硝化出水硝酸盐氮的质量浓度 <1.0mg/L，且亚硝酸盐积累率达到70%时，部分反硝化反应器启动结束;当出水 硝酸盐氮的质量浓度>1.0mg/L，或亚硝酸盐积累率小于70%时，通过在2.5～3.5 范围内调节初始COD与硝酸盐氮的质量浓度比，使出水硝酸盐氮的质量浓度 <1.0mg/L，且亚硝酸盐积累率达到70%;
接种厌氧氨氧化污泥于厌氧氨氧化反应器，使反应器中污泥浓度为 800～2000mg/L;含有氨氮和亚硝酸盐氮的废水通过蠕动泵进入反应器，该废水 中氨氮和亚硝酸盐氮质量浓度之比在1:2～1:1.32之间，进水后搅拌3～8h;沉淀 排水，排水比为50～70%，当出水氨氮和亚硝酸盐氮的去除率达到90%时，厌氧 氨氧化反应器启动结束;当出水氨氮和亚硝酸盐氮的去除率小于90%时，通过在 3～8h范围内增加搅拌时间，使去除率达到90%;
系统运行：将半硝化反应器、部分反硝化反应器与厌氧氨氧化反应器串联， 城市生活污水进入半硝化反应器中，该城市生活污水中COD与氨氮的质量浓度 之比小于4.0，进水后曝气并搅拌1～4h，溶解氧控制在2.0～4.0mg/L，曝气结束 后沉淀排水，排水比为30%～70%，出水排入第一中间水箱;出水进入部分反硝 化反应器，投加外加碳源控制部分反硝化反应器中初始COD与硝酸盐氮的质量 浓度比为2.5～3.5，搅拌30～60min，通过监测pH变化曲线确定反应终点，将硝 酸盐转化为亚硝酸盐，当pH曲线上升出现拐点时由计算机输出信号控制搅拌装 置关闭，沉淀后排水，排水比为50～70%，出水排入第二中间水箱;部分反硝化 反应器出水全部进入厌氧氨氧化反应器，搅拌3～8h，沉淀后排水，排水比为 50～70%，通过厌氧氨氧化作用实现城市生活污水脱氮。
说明书
半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的装置与方法
技术领域
本发明涉及一种稳定高效处理低碳氮比城市污水的方法，属于污水生物处理技术领 域，具体是城市生活污水首先进入半硝化反应器，将50%～70%氨氮转化为硝酸盐，出水 进入部分反硝化反应器利用外加碳源将硝酸盐转化为亚硝酸盐，含有氨氮和亚硝酸盐的 出水通过厌氧氨氧化反应得到去除。本发明利用部分反硝化实现较高稳定的亚硝酸盐积 累，节约运行成本和费用，提供了低能耗、高效、稳定的城市污水脱氮途径。
背景技术
近年来，我国水体富营养化程度日趋严重，不仅影响饮用水水质也成为多种疾病发 生的重要诱因，给人们身体健康、水域生态环境、旅游观光及水产养殖造成了严重危害。 为了防止水体环境的进一步恶化并考虑到水资源的再生循环利用许多国家和地区的污 水氮(N)、磷(P)排放标准日趋严格。我国也对污水排放N、P的指标做了进一步的提高， 采用传统的脱氮方法不仅运行费用高，其污水脱氮效率并不能满足严格的排放标准，迫 切需求经济、稳定、高效的污水生物脱氮方法。
厌氧氨氧化(Anammox)是20世纪90年代中期由荷兰Delft技术大学开发的一种新型 生物脱氮技术，指在厌氧或缺氧条件下,微生物直接以NO2‐为电子受体,以氨氮(NH4+‐N) 为电子供体，将两种氮素同时转化为氮气的生物反应过程。与传统的硝化反硝化工艺相 比，它不需要外加有机碳源、污泥产量少、完全不需要氧气、节省了大量的运行费用， 不需要酸碱中和剂，避免二次污染，是目前经济、高效的生物脱氮技术，受到广泛关注。
厌氧氨氧化所需的基质之一为亚硝酸盐，而自然水体中一般不存在亚硝酸盐，因此 需要采取前处理措施。目前普遍的方法是在厌氧氨氧化工艺前设置短程硝化工艺，将污 水中的氨氮通过曝气氧化为亚硝酸盐，调节进水中氨氮和亚硝酸盐的比例为1:1.32，再通 过厌氧氨氧化进行自养脱氮。短程硝化工艺主要通过控制溶解氧、温度、pH或游离氨的 抑制作用实现，但是短程硝化面临的最大问题是获得足够且稳定的亚硝酸盐积累。而对 于低碳氮比的城市生活污水，常温下短程硝化难以维持稳定，导致后续厌氧氨氧化脱氮 效率不高，控制过程较为复杂，这也是限制短程硝化‐厌氧氨氧化技术应用于城市污水的 瓶颈。
获得亚硝酸盐的另一种方法为通过反硝化将硝酸盐还原为亚硝酸盐，即部分反硝化。 完整的异养反硝化作用为硝酸盐通过有机碳源还原为亚硝酸盐，再还原为一氧化氮、氧 化亚氮，最终还原为氮气。接种合适的接种污泥和控制适宜的碳氮比和反应时间可以实 现反硝化过程中较高的亚硝酸盐积累，从而为厌氧氨氧化提供电子受体。为厌氧氨氧化 的实际应用提供稳定、有效的方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出了一种低碳氮比城市生活污水进行半 硝化，将部分氨氮转化为硝酸盐，再控制适宜的碳氮比和反应时间通过部分反硝化将硝 酸盐还原为亚硝酸盐，最终利用厌氧氨氧化作用实现自养脱氮的工艺和方法。
本发明通过以下技术方案实现：
半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的装置，其特征在于，包括： 城市生活污水水箱1、半硝化反应器2、第一中间水箱3、部分反硝化反应器4、外加碳 源储备箱5、部分反硝化在线监测及控制系统6、第二中间水箱7、厌氧氨氧化反应器8;
城市生活污水水箱1通过第一蠕动泵2.1与半硝化反应器2进水口相连;半硝化反应 器出水管与第一中间水箱3相连;第一中间水箱通过第二蠕动泵4.1与部分反硝化反应器 4进水口相连;外加碳源储备箱5通过碳源投加蠕动泵5.1与部分反硝化反应器相连;部 分反硝化反应器出水管与第二中间水箱7相连;第二中间水箱通过第三蠕动泵8.1与厌氧 氨氧化反应器8进水口相连;
所述的半硝化反应器2设有第一搅拌装置2.2和第一出水口2.3，反应器底部设有曝 气头2.4，空气泵2.5通过气体流量计2.6与曝气头相连。
所述的部分反硝化反应器设有第二搅拌装置4.2和第二出水口4.3，反应器内部设有 pH探头6.1;
厌氧氨氧化反应器8设有第三搅拌装置8.2、温度控制装置8.3和第三出水口8.4;
所述的部分反硝化在线监测及控制系统6包括pH探头6.1、pH测定仪主机6.2、计 算机6.4，pH探头与pH测定仪主机相连，pH测定仪主机采集的数据通过数据线传送至 计算机，计算机的信号输出端与第二搅拌装置时控开关相连，控制和调节第二搅拌装置 的开关。
半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水的方法，其特征在于，包括：
系统启动：接种城市污水厂剩余污泥于半硝化反应器2中，使反应器内污泥浓度为 2500～4000mg/L，每周期曝气1～4h，溶解氧浓度控制为2.0～4.0mg/L，沉淀30～60min，沉 淀后排水，排水比为30%～70%，当半硝化反应器出水氨氮与硝酸盐氮的质量浓度之比在 1:1～1:1.5之间时，半硝化反应器启动结束;当半硝化反应器出水氨氮与硝酸盐氮的质量 浓度之比低于1:1时，通过在1～4h范围内减少曝气时间，使浓度之比在1:1～1:1.5范围内; 当半硝化反应器出水氨氮与硝酸盐氮的质量浓度之比高于1:1时，通过在1～4h范围内增 加曝气时间，使浓度之比在1:1～1:1.5范围内;
接种具有亚硝酸盐积累率为70%～100%的反硝化污泥于部分反硝化反应器，使反应器 内污泥浓度在2000～4000mg/L;含有硝酸盐的废水通过蠕动泵进入部分反硝化反应器， 该废水中硝酸盐浓度为20～40mg/L，进水结束时通过碳源投加蠕动泵加入外加碳源，使反 应内初始COD与硝酸盐氮的质量浓度比为2.5～3.5;加入碳源后缺氧搅拌30～60min，将 硝酸盐转化为亚硝酸盐，在线监测反应器内pH变化，pH信号传入计算机，求导计算， 当pH曲线上升出现拐点时第二搅拌装置关闭，沉淀后排水，排水比为50～70%;当部分 反硝化出水硝酸盐氮的质量浓度<1.0mg/L，且亚硝酸盐积累率达到70%时，部分反硝化反 应器启动结束;当出水硝酸盐氮的质量浓度>1.0mg/L，或亚硝酸盐积累率小于70%时，通 过在2.5～3.5范围内调节初始COD与硝酸盐氮的质量浓度比，使出水硝酸盐氮的质量浓度 <1.0mg/L，且亚硝酸盐积累率达到70%;
接种厌氧氨氧化污泥于厌氧氨氧化反应器，使反应器中污泥浓度为800～2000mg/L; 含有氨氮和亚硝酸盐氮的废水通过蠕动泵进入反应器，该废水中氨氮和亚硝酸盐氮质量 浓度之比在1:2～1:1.32之间，进水后搅拌3～8h;沉淀排水，排水比为50～70%，当出水氨 氮和亚硝酸盐氮的去除率达到90%时，厌氧氨氧化反应器启动结束;当出水氨氮和亚硝 酸盐氮的去除率小于90%时，通过在3～8h范围内增加搅拌时间，使去除率达到90%;
系统运行：将半硝化反应器、部分反硝化反应器与厌氧氨氧化反应器串联，城市生 活污水进入半硝化反应器中，该城市生活污水中COD与氨氮的质量浓度之比小于4.0，进 水后曝气并搅拌1～4h，溶解氧控制在2.0～4.0mg/L，曝气结束后沉淀排水，排水比为 30%～70%，出水排入第一中间水箱;出水进入部分反硝化反应器，投加外加碳源控制反 应器中初始COD与硝酸盐氮的质量浓度比为2.5～3.5，搅拌30～60min，通过监测pH变化 曲线确定反应终点，将硝酸盐转化为亚硝酸盐，当pH曲线上升出现拐点时由计算机输出 信号控制搅拌装置关闭，沉淀后排水，排水比为50～70%，出水排入第二中间水箱;部分 反硝化反应器出水全部进入厌氧氨氧化反应器，搅拌3～8h，沉淀后排水，排水比为 50～70%，通过厌氧氨氧化作用实现城市生活污水脱氮。
技术原理：
半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市生活污水是指污水首先进入半硝 化反应器，将50%～60%氨氮通过好氧曝气氧化为硝酸盐，排出含有硝酸盐的出水再进入 部分反硝化反应器，该反应器的接种污泥内含有一类具有不完全反硝化特性的菌群，其 具有只能将硝酸盐还原为亚硝酸盐的特性，通过向部分反硝化反应器中投加乙酸钠作为 外加碳源，控制反应器中初始碳氮比在2.5～3.5，不完全反硝化菌利用有机物将硝酸盐还 原为亚硝酸盐，过程中通过在线监测pH值控制反应时间，实现亚硝酸盐的最大积累，为 厌氧氨氧化提供电子受体。同时含有氨氮和亚硝酸盐的出水进入厌氧氨氧化反应器实现 低碳氮比城市污水的高效脱氮。
本发明涉及的半硝化/部分反硝化/厌氧氨氧化处理低碳氮比城市污水具有以下优点：
1)与传统硝化‐反硝化工艺相比，半硝化只将污水中部分氨氮氧化为硝酸盐氮，节省 曝气过程所需能耗;
2)利用一类具有不完全反硝化特性的反硝化菌，通过外加碳源，将硝酸盐还原为亚 硝酸盐，只需控制初始COD与硝酸盐氮质量浓度比和反应时间，运行操作简单，能够实 现稳定亚硝酸盐积累;
3)与完全反硝化相比，部分反硝化节省外加碳源投加量，减少污泥产量，降低后续 剩余污泥处置费用。
