申请日2010.07.30
公开(公告)日2011.02.02
IPC分类号C02F3/02; C02F101/16; C02F11/04; C02F3/10
摘要
本发明公开了一种低碳氮比污水的生物脱氮方法及其专用装置。本发明利用水解酸化反应器将污水生物处理过程产生的剩余污泥转化为水解酸化液，通过钙盐除磷方法和氨吹脱装置降低水解酸化液中磷和氮的含量后用作有机碳源，处理后的水解酸化液与低碳氮比污水按一定的流量比进入具有曝气段与非曝气段的一体化曝气生物滤池，在一定的工艺运行条件下实现提高总氮去除率的目的。本发明解决了低碳氮比污水生物脱氮过程反硝化碳源不足的问题，提高了生物脱氮的效果，不会产生二次污染。同时将剩余污泥水解酸化产物作为外加碳源，以废治废，既有效地利用了剩余污泥水解酸化液中大量的富含挥发性脂肪酸的有机质，又实现了剩余污泥的减量化、稳定化和资源化。
摘要附图
权利要求书
1.一种低碳氮比污水的生物脱氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在水解酸化反应器中，加入剩余污泥，用浓度为3.5～4.5mol/L的NaOH溶液调节反应体系的pH值至9.0，180～240r/min搅拌反应20～24h，按投配率为5～10%取出反应液，再在5000×g离心力下离心30min，取其上清液，制得初级水解酸化液;其中，剩余污泥的VSS/TSS大于40%，含水率为95～97%;
(2)用(1+1)盐酸调节初级水解酸化液的pH值至4.5～5.5，再向酸化后的初级水解酸化液中投加氯化钙溶液，然后用浓度为3.5～4.5mol/L的NaOH溶液调节投加氯化钙溶液后的初级水解酸化液的pH值至8.5～9.5，搅拌反应10～15min，再在5000×g离心力下离心30min，取其上清液，制得中级水解酸化液;其中，加入酸化后的初级水解酸化液中的Ca2+与酸化后的初级水解酸化液中的PO43--P的摩尔比为2～2.5∶1;
(3)用浓度为3.5～4.5mol/L的NaOH溶液调节中级水解酸化液的pH值至11.0～11.5，再以500～900∶1的气液比吹脱调节pH值后的中级水解酸化液中的氨，制得水解酸化液;其中，水解酸化液的COD浓度为6443.8～11401.4mg/L，TN浓度为255.62～488.64mg/L;NH4+-N浓度为219.10～385.81mg/L;TP浓度为17.550～59.470mg/L;
(4)将流量比为1∶50～100的水解酸化液和污水，连续加入曝气生物滤池进行处理，达到城镇污水处理厂污染物排放标准中对TN、NH4+-N和COD排放标准限值要求;其中，污水的COD/TN值小于2，TN浓度为30～60mg/L;曝气生物滤池设有曝气段和非曝气段，曝气段与非曝气段的体积比为1～2∶1;曝气生物滤池的气水比为8～15∶1，回流比为2∶1，水力停留时间为8～10h;
其中，步骤(1)～(4)均在室温下进行。
2.根据权利要求1所述的低碳氮比污水的生物脱氮方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的投配率为5%。
3.根据权利要求1所述的低碳氮比污水的生物脱氮方法，其特征在于：步骤(2)中，加入酸化后的初级水解酸化液中的Ca2+与酸化后的初级水解酸化液中的PO43--P的摩尔比为2∶1。
4.根据权利要求1所述的低碳氮比污水的生物脱氮方法，其特征在于：步骤(3)中，吹脱调节pH值后的中级水解酸化液中氨的气液比为500∶1。
5.根据权利要求1所述的低碳氮比污水的生物脱氮方法，其特征在于：步骤(4)中，水解酸化液和污水的流量比为1∶75。
6.根据权利要求1所述的低碳氮比污水的生物脱氮方法，其特征在于：步骤(4)中，曝气生物滤池的气水比为10∶1。
7.一种权利要求1所述的低碳氮比污水的生物脱氮方法的专用装置，包括水解酸化罐、吹脱塔和一体化曝气生物滤池，其特征在于：所述的一体化曝气生物滤池包括曝气段和非曝气段，在所述的一体化曝气生物滤池的侧壁上至少设置有1个空气入口，在所述的空气入口上连接有穿孔曝气管，所述的穿孔曝气管均匀分布在一体化曝气生物滤池内的滤料层中;所述的曝气段为通有空气的穿孔曝气管上段滤料层;所述的非曝气段为通有空气的穿孔曝气管下段滤料层。
8.根据权利要求7所述的低碳氮比污水的生物脱氮方法的专用装置，其特征在于：所述的空气入口为5个。
9.根据权利要求7所述的低碳氮比污水的生物脱氮方法的专用装置，其特征在于：所述的曝气段与非曝气段的体积比在0.2～5∶1之内可调。
说明书
一种低碳氮比污水的生物脱氮方法及其专用装置
技术领域
本发明属于环境工程水处理领域，涉及剩余污泥水解酸化产物经除磷脱氨后作为有机碳源应用于低碳氮比污水的处理并提高生物脱氮效率的方法及其专用装置。
背景技术
低碳氮比污水是一类有机物浓度偏低，氮含量较高的污水，许多地区的生活污水，垃圾渗滤液，部分工业废水等都属于这类污水。低碳氮比污水中有机质缺乏使得这类污水在生物处理系统中有机碳源不足，导致总氮去除率偏低。传统生物脱氮需要足够数量的有机质，而这类污水中本身含有的有机质较少，无法满足反硝化所需的碳源要求。外加有机碳源是一类重要的提高低碳氮比污水生物脱氮效果的方法。
目前，外加有机碳源以甲醇、乙醇、乙酸钠等为主，但由于这类有机碳源成本高，有些甚至有毒性，在实际生产中没有被广泛运用。寻找合适的外加有机碳源成为关注的热点。
城市污泥经水解酸化可产生较多的溶解性有机物，在水解与发酵细菌作用下，将碳水化合物、蛋白质与脂肪水解并发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸和甘油等，水解阶段产生的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单的以挥发性脂肪酸(VFAs)为主的末端产物，并分泌到细胞外。VFAs中的乙酸和丙酸是增强生物脱氮的有利基质，拥有比甲醇和乙醇更高的反硝化速率。
国内吴一平等以初沉污泥厌氧水解/酸化产物为反硝化的碳源研究脱氮速率，发现初沉污泥水解产物的脱氮速率分别为城市污水脱氮速率的3倍，是投加甲醇脱氮速率的1.33倍;高永青等研究了剩余污泥酸化液用作A2/O系统的补充碳源时的反硝化速率和系统的脱氮除磷能力;Tong等利用回收氮磷后的剩余污泥水解酸化液作为外加碳源研究了SBR反应器生物脱氮除磷性能，在酸化液流量∶进水流量为1∶35时，TN和P的去除率分别为83.2%和92.9%，同时比较了出水COD中的主要成分;Zheng等研究了在低溶解氧条件下，外加污泥水解酸化液能够提高SBR反应器生物脱氮效果，TN去除率从61%上升至81%，但出水COD会有所上升，在54mg/L左右。
国外大多数的研究中利用污水处理厂的初沉污泥水解发酵产酸，也有对初沉污泥与剩余污泥的混合污泥和高浓度污水的水解酸化研究。Elefsiniotis等研究初沉污泥厌氧消化产生的VFAs的反硝化速率，结果显示挥发酸中的小分子物质如甲酸、乙酸极易被反硝化菌利用，平均反硝化速率为0.0111gNOx--N/(gVSS·d)，VFAs比其他有机质更适合作为碳源被微生物利用。Aravinthan等研究了不同的方法获得的污泥水解酸化产物用于反硝化速率的对比实验，在灭菌锅条件下碱性水解酸化液的反硝化速率最高，不同的处理方法对水解酸化液生物降解性能有重要的影响。
利用富含VFAs的水解酸化液作为有机碳源可以提高反硝化速率和总氮去除率，目前外加水解酸化液条件下的低碳氮比污水的生物脱氮集中在SBR和A2/O工艺形式，研究结果距离工业化生产还有一段距离，生物脱氮的效率并不高，存在产生二次污染的风险，尤其当COD/TN值很低(COD/TN<2)时，生物脱氮效果并不理想，还不能满足城镇污水处理厂污染物排放标准中对TN、NH4+-N和COD排放标准限值要求。
发明内容
发明目的：针对低碳氮比污水普遍存在碳源不足而造成污水生物处理工艺总氮去除率不高的难题，本发明的目的是提供一种低碳氮比污水的生物脱氮方法，以实现提高总氮去除率的目的。本发明的另一目的是提供上述低碳氮比污水的生物脱氮方法的专用装置。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种低碳氮比污水的生物脱氮方法，包括以下步骤：
(1)在水解酸化反应器中，加入剩余污泥，用浓度为3.5～4.5mol/L的NaOH溶液调节反应体系的pH值至9.0，180～240r/min搅拌反应20～24h，按投配率为5～10%取出反应液，再在5000×g离心力下离心30min，取其上清液，制得初级水解酸化液;其中，剩余污泥的VSS/TSS大于40%，含水率为95～97%;
(2)用(1+1)盐酸调节初级水解酸化液的pH值至4.5～5.5，再向酸化后的初级水解酸化液中投加氯化钙溶液，然后用浓度为3.5～4.5mol/L的NaOH溶液调节投加氯化钙溶液后的初级水解酸化液的pH值至8.5～9.5，搅拌反应10～15min，再在5000×g离心力下离心30min，取其上清液，制得中级水解酸化液;其中，加入酸化后的初级水解酸化液中的Ca2+与酸化后的初级水解酸化液中的PO43--P的摩尔比为2～2.5∶1;
(3)用浓度为3.5～4.5mol/L的NaOH溶液调节中级水解酸化液的pH值至11.0～11.5，再以500～900∶1的气液比吹脱调节pH值后的中级水解酸化液中的氨，制得水解酸化液;其中，水解酸化液的COD浓度为6443.8～11401.4mg/L，TN浓度为255.62～488.64mg/L;NH4+-N浓度为219.10～385.81mg/L;TP浓度为17.550～59.470mg/L;
(4)将流量比为1∶50～100的水解酸化液和污水，连续加入曝气生物滤池进行处理，达到城镇污水处理厂污染物排放标准中对TN、NH4+-N和COD排放标准限值要求;其中，污水的COD/TN值小于2，TN浓度为30～60mg/L;曝气生物滤池设有曝气段和非曝气段，曝气段与非曝气段的体积比为1～2∶1;曝气生物滤池的气水比为8～15∶1，回流比为2∶1，水力停留时间(HRT，基于一体化曝气生物滤池内陶粒滤料层的体积，下同)为8～10h;
其中，步骤(1)～(4)均在室温下进行，室温为23～27℃。
步骤(1)中，所述的投配率为5%。投配率即为投入的污泥体积与反应体系总体积的比值，投入的污泥体积与取出的反应液体积相同;例如，在5L反应体系中，取出500mL反应液，同时添加500mL污泥，即为投配率10%;剩余污泥的VSS/TSS为44～50%，含水率为95～96%。
步骤(2)中，，加入酸化后的初级水解酸化液中的Ca2+与酸化后的初级水解酸化液中的PO43--P的摩尔比为2∶1。
步骤(3)中，吹脱调节pH值后的中级水解酸化液中氨的气液比为500∶1。
步骤(4)中，水解酸化液和污水的流量比为1∶75;曝气生物滤池的气水比为10∶1。
一种低碳氮比污水的生物脱氮方法的专用装置，包括水解酸化罐、吹脱塔和一体化曝气生物滤池，所述的一体化曝气生物滤池包括曝气段和非曝气段，在所述的一体化曝气生物滤池的侧壁上至少设置有1个空气入口，在所述的空气入口上连接有穿孔曝气管，所述的穿孔曝气管均匀分布在一体化曝气生物滤池内的滤料层中;所述的曝气段为通有空气的穿孔曝气管上段滤料层;所述的非曝气段为通有空气的穿孔曝气管下段滤料层。
所述的空气入口为5个。所述的曝气段与非曝气段的体积比在0.2～5∶1之内可调。
一体化曝气生物滤池装有粒径为Φ3～5mm的陶粒滤料。
本发明中的一体化曝气生物滤池的滤料层具有曝气段和非曝气段，曝气段为通有空气的穿孔曝气管上段滤料层，非曝气段为通有空气的穿孔曝气管下段滤料层;各穿孔曝气管沿一体化曝气生物滤池侧壁均匀分布在滤料层中，通过在不同位置穿孔曝气管通气的方式控制曝气段与非曝气段的体积比，进气量通过流量计来控制;曝气段主要进行硝化反应，将氨氮氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，非曝气段主要进行异养反硝化，使亚硝酸盐氮和硝酸盐氮在缺氧条件下通过反硝化作用形成氮气而脱除;进水采用上向流的方式，污水由污水箱经进水计量泵，与一定投配流量比条件下的外加水解酸化液一起进入一体化曝气生物滤池;一体化曝气生物滤池浸没水层中设有回流管，通过回流泵以一定回流比回流至一体化曝气生物滤池进水口。通过外加水解酸化液，提高污水的碳氮比，使得反硝化过程在一体化曝气生物滤池中能顺利进行，从而提高总氮去除效果，同时控制一体化曝气生物滤池出水的氨氮浓度和有机物浓度，避免产生二次污染。
本发明中按5～10%的污泥投配率进行水解酸化罐运行，能产生富含挥发性脂肪酸(VFAs)的水解酸化液，同时氨化效果良好，能将大量有机氮转化成氨氮，投配率太高会使氨化不彻底，水解酸化液中的有机氮浓度偏高，不利于后续的脱氨处理，投配率太低则有机质浓度偏低。调节水解酸化液pH值为4.5～5.5以消除碳酸盐，节省钙盐用量，提高除磷效果。
有益效果：本发明利用除磷脱氨后的剩余污泥水解酸化液为有机碳源，通过一体化曝气生物滤池，一方面可以有效地解决低碳氮比污水因碳源不足而导致的总氮去除率偏低的难题，提高总氮的去除效果，且不会产生二次污染。另一方面将剩余污泥水解酸化产物作为外加碳源，以废治废，以剩余污泥水解酸化液中大量的富含挥发性脂肪酸的有机质代替成本较高的甲醇、乙酸钠等物质，降低了低碳氮比污水处理的成本，同时又实现了剩余污泥的减量化、稳定化和资源化。另外，具有曝气段与非曝气段的一体化曝气生物滤池，运行调控方便、易于操作维护。本发明具有良好的环境效益、经济效益和社会效益。
