申请日2013.08.16
公开(公告)日2013.11.27
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明公开了一种强化污水处理过程中N2O产生的装置与控制方法。所述装置包括原水水箱、进水泵、短程硝化液水箱、短程硝化液流进泵、产N2O反应器、空压机。所述产N2O反应器为一密封性SBR反应器，设有密封盖、水封装置、药剂投加口、N2O收集管、搅拌器、曝气气体管、曝气头、DO探头和pH探头。所述方法是以污泥内碳源作为反硝化碳源，通过亚硝酸盐对N2O还原酶活性的抑制，实现N2O的积累;而后通过曝气将混合液中的N2O吹脱至气相中，收集后可用于甲烷燃烧的氧化剂，来提高产能。此方法可使污水处理厂产能增加与N2O的释放量减少，同时还可减少污泥产量，降低反硝化碳源需求量。
权利要求书
1.一种强化污水处理过程中N2O产生的装置，其特征在于：包括原水水箱 (1)、进水泵(2)、短程硝化液水箱(3)、短程硝化液泵(4)、产N2O反应器(5)、 空压机(6);所述产N2O反应器(5)为一密封型SBR，设有密封盖(5.9)和水 封装置(5.12)、N2O收集管(5.13)和药剂投加口(5.11)，反应器中设有搅拌器 (5.10)和搅拌浆(5.8)，反应器壁上设有取样口兼排泥口(5.2)、出水管(5.7)、 DO探头(5.3)和pH探头(5.5)，溶氧仪(5.4)和pH计(5.6)分别连接相对应 的探头，反应器底部设有放空管(5.1);原水水箱(1)通过进水泵(2)与产N2O 反应器(5)相连接;短程硝化液水箱(3)通过短程硝化液泵(4)与产N2O反 应器(5)相连接。
2.根据权利要求1所述装置实现强化污水处理过程中N2O产生的方法，其 特征在于包括以下步骤：
1)取城市污水处理厂生物除磷系统的剩余污泥，加入到反应器中，投加后 活性污泥浓度MLSS为1500-3000mg/L;
2)进水阶段在进水的同时进行搅拌，进水体积为反应器容积的5%-25%;
3)厌氧搅拌阶段运行时间为1-2h;
4)进短程硝化液阶段同时进行搅拌，进短程硝化液体积为反应器容积的 5-25%;使反应器内亚硝酸盐氮浓度增至15-40mg/L;
5)缺氧搅拌阶段运行时间为3-8h，并通过在线监测pH值，当pH值开始由 上升转为下降时，停止搅拌;
6)曝气阶段运行时间为0.5-1.5h，控制DO浓度为1.0-2.0mg/L;
7)排放剩余污泥，通过调整排泥量控制系统污泥龄为3-10d;
8)沉淀时间为0.5-1.0h;
9)闲置时间为0.5-3.0h。
说明书
一种强化污水处理过程中N2O产生的装置与控制方法
技术领域
本发明涉及一种强化污水处理过程中N2O产生的装置与控制方法，属于污水生物处理技 术领域。
背景技术
N2O是《京都议定书》规定的6种温室气体(CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs、SF6)之一， 其化学性质稳定，在大气中存留时间长，全球增温潜势是CO2的190-270倍，同时还会破坏 臭氧层。近年来，为了控制水体富营养化，污水处理厂不断升级改造达到高效生物脱氮除 磷的目的，而N2O排放量随之逐年增加。据估算，2005至2020年间污水处理厂N2O排放量 占全球N2O释放量的比例将上升13%。
目前对污水处理厂中N2O产生与释放的研究集中于N2O释放的控制方面，进而缓减温室 效应。其主要有以下几个方面：1)基于N2O产生机理的研究，运用数学模型预测污水处理 厂中氧N2O的产量;2)通过不断探讨污水处理厂中导致N2O产生的因素：高NO2--N，内碳源 反硝化，低C/N，硝化过程中的低DO和反硝化过程中存在DO等，进一步完善N2O的控制措施。 3)优化污水处理厂N2O的取样检测策略，如在线连续检测和定时取样检测等方法，权衡每 种方法的优缺点，进一步为污水处理厂N2O产生和释放量的表征提供有效数据。
此外，N2O降解为氮气和氧气的生成焓为82kJ/mol，通常被用作为火箭的推进剂、 机动车辆引擎的助燃剂，重要的是N2O替代氧气作为氧化剂氧化甲烷可增加329KJ/mol的产 能，见式(1)和式(2)。因此，如果能强化污水生物脱氮过程中N2O产生，随后将其收集 用于氧化污泥发酵产生的甲烷，则可提高污水处理厂甲烷氧化过程产生的能量，同时还可 以达到N2O释放量控制目的，因为在此过程中N2O被还原为N2。
CH4+4N2O→CO2+2H2O+4N2,△HOR=-1219KJ/mol (1)
CH4+2O2→CO2+2H2O+4N2,△HOR=-890KJ/mol (2)
发明内容
本发明目的是为了解决上述技术问题，提出的一种强化污水处理过程中N2O产生的装 置与控制方法。该发明通过利用污泥内碳源作为反硝化碳源，利用亚硝酸盐抑制氧化亚氮 还原酶活性，提高内源反硝化过程N2O产生量，从而为N2O氧化甲烷提高污水处理厂产能提 供了基础。本发明改变了传统N2O控制减排的思路，从强化脱氮过程中N2O的产生来入手， 而后再用于甲烷氧化产生N2，从而逆向解决了N2O排放的问题;与此同时还提高了污水处理 厂甲烷燃烧发电过程产生的能量。经物料衡算表明，本发明可使污水处理厂需氧量降低20% 的和污泥量降低40%，产能增加60%。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种强化污水处理过程中N2O产生的装 置。其特征在于：包括原水水箱1、进水泵2、短程硝化液水箱3、短程硝化液泵4、产N2O 反应器5、空压机6。所述产N2O反应器5为一密封型SBR，设有密封盖5.9和水封装置5.12、 N2O收集管5.13和药剂投加口5.11，反应器中设有搅拌器5.10和搅拌浆5.8，反应器壁上 设有取样口兼排泥口5.2、出水管5.7、DO探头5.3和pH探头5.5，溶氧仪5.4和pH计5.6 分别连接相对应的探头，反应器底部设有放空管5.1。原水水箱1通过进水泵2与产N2O反 应器5相连接;短程硝化液水箱3通过短程硝化液泵4与产N2O反应器5相连接。
在本发明的装置中，强化污水处理过程中N2O产生的流程如下：首先通过进水泵将原水 输送至反应器，而后在厌氧搅拌阶段贮存内碳源(PHAs)，随后将含有亚硝酸盐的短程硝 化液输送至反应器中，在缺氧搅拌阶段发生内源反硝化，实现N2O在混合液中积累，而后通 过曝气作用将其吹脱至气体中，最后将含N2O的气体收集，输送至甲烷燃烧发电机组，将N2O 还原为N2，最终实现N2O减排，同时提高甲烷燃烧过程的产能。
本发明提供了一种利用上述装置强化污水处理过程中N2O产生的方法，其特征在于包括 以下步骤：
1)取城市污水处理厂生物除磷系统的剩余污泥，加入到反应器中，投加后活性污泥浓 度MLSS为1500-3000mg/L。
2)进水阶段在进水的同时进行搅拌，进水体积为反应器容积的5%-25%。
3)厌氧搅拌阶段运行时间为1-2h。
4)进短程硝化液阶段同时进行搅拌，进短程硝化液体积为反应器容积的5-25%;使反 应器内亚硝酸盐氮浓度增至15-40mg/L。
5)缺氧搅拌阶段运行时间为3-8h，并通过在线监测pH值，当pH值开始由上升转为 下降时，停止搅拌。
6)曝气阶段运行时间为0.5-1.5h，控制DO浓度为1.0-2.0mg。
7)排放剩余污泥，通过调整排泥量控制系统污泥龄为3-10d。
8)沉淀时间为0.5-1.0h。
9)闲置时间为0.5-3.0h。
技术原理：
强化污水处理过程中N2O产生的技术原理是通过利用污泥内碳源(PHAs)作为反硝化碳 源，通过亚硝酸盐抑制N2O还原酶活性，实现反硝化过程中N2O的积累;通过后续的曝气作 用将混合液中的N2O吹脱至气体中，最后实现N2O的收集利用。
现有研究表明，高浓度亚硝酸盐会对反硝化过程中N2O还原酶活性产生抑制，导致反硝 化中间产物N2O出现积累。Yang等研究结果显示以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化过程中 N2O产量是以硝酸盐作为电子受体时的1.5倍。Wang等在研究以内碳源为反硝化碳源的反硝 化除磷过程中，发现当添加亚硝酸盐取代硝酸盐作为电子受体时，N2O产率提高5倍;同时 发现在反硝化C/N相同的条件下，利用内碳源比外碳源产生的N2O多。基于以上研究结果国 内外学者提出控制反硝化过程中亚硝酸盐浓度和保证反硝化碳源充足，从而控制污水处理 过程中N2O的释放量。但将N2O释放减排与N2O利用综合考虑，则通过利用污泥内碳源作为反 硝化碳源，同时控制亚硝酸盐浓度，提高反硝化过程中N2O积累，而后再利用N2O氧化甲烷， 同时实现N2O释放量控制和甲烷燃烧产能增加的目的。
本发明的一种强化污水处理过程中N2O产生的装置和方法与传统污水生物脱氮工艺相 比有如下优点：
1、与传统硝化反硝化相比，本技术可节省反硝化碳源56%，因为仅是将亚硝酸盐氮还 原为N2O，使反应流程变短。
2、可提高污水处理厂甲烷燃烧产生的能量，因为通过N2O替代氧作为氧化剂氧化甲烷， 可使单位甲烷燃烧产能增加37%。
3、可改善污水处理厂的生活环境条件，因为生物反应器是密闭的，可有效控制臭味 的扩散。
