申请日2009.10.09
公开(公告)日2010.03.17
IPC分类号C02F9/14; C02F1/44; C02F3/30
摘要
本发明公开了一种单级全程自养脱氮污水处理设备及工艺，所述的设备包括反应器、出水泵、搅拌器、分离膜组件和曝气膜组件，分离膜组件安装在反应器内的中央位置，曝气膜组件由膜管组成，缠绕在反应器内壁;所述的进气管与曝气膜组件连接，出水泵进水口通过管路与分离膜组件连接。所述的方法主要是控制溶解氧在0.5-1.0mg/L左右，使氨氮在氨氧化菌作用下发生部分短程硝化，然后停止曝气，通过厌氧氨氧化作用完成脱氮，经过膜分离作用获得清洁出水。本发明将曝气膜和分离膜安置在同一个反应器中，形成膜曝气分离反应器，实现无泡曝气、膜分离和生物降解的耦合。利用膜曝气效率高，易于控制的特点实现含氮废水良好的短程硝化。
权利要求书
1、一种单级全程自养脱氮污水处理设备包括反应器(5)、出水泵(2)和 搅拌器(4)，所述的搅拌器(4)安装在反应器(5)底部，所述的反应器(5) 底部安装有进水管(6)和排泥管(7)，所述的反应器(5)上安装有进气管(8)， 其特征在于：所述的设备还包括分离膜组件(1)、曝气膜组件(3)，所述的分 离膜组件(1)安装在反应器(5)内的中央位置，所述的曝气膜组件(3)由膜 管组成，缠绕在反应器(5)内壁;所述的进气管(8)与曝气膜组件(3)连接， 所述的出水泵(2)安装在出水管路上，其进水口通过管路与分离膜组件(1) 连接、其出水口连接有排水管(9)。
2、根据权利要求1所述的单级全程自养脱氮污水处理设备，其特征在于： 所述的曝气膜组件(3)的曝气膜采用孔径在微米级范围的无机或有机微孔膜， 所述的分离膜组件(1)是微滤膜和超滤膜组件。
3、根据权利要求1所述的单级全程自养脱氮污水处理设备，其特征在于： 所述的曝气膜组件(3)由微孔滤膜组成，安装在反应器(5)底部。
4、根据权利要求1所述的单级全程自养脱氮污水处理设备，其特征在于： 在所述的反应器(5)的外部设置有监测运行状态的监控仪表(10)，所述的监 控仪表(10)包括气体流量和压力监测装置、进水流量控制和监测装置、在线 溶解氧仪、亚硝酸盐和硝酸盐浓度监测装置。
5、一种单级全程自养脱氮污水处理工艺包括以下步骤：
A、接种或驯化氨氧化菌和厌氧氨氧化菌：建议在30℃左右的条件下，按 照现有技术所述典型工艺进行菌种驯化;
B、反应器(5)采用间歇曝气、间歇出水运行模式：将高氨氮废水从进水 管(6)输入反应器(5)，向反应器(5)中通入空气或氧气进行曝气，控制曝 气条件，建议控制溶解氧在0.5-1.0mg/L左右，使氨氮在氨氧化菌作用下发生部 分短程硝化，也就是说通过亚硝化使氨氮与亚硝酸氮浓度比例约为1∶1，然后停 止曝气，使亚硝酸氮和剩余氨氮在厌氧氨氧化作用下生成氮气，完成脱氮，经 过膜分离作用获得清洁出水。
6、根据权利要求5所述的单级全程自养脱氮污水处理工艺，其特征在于： 所述的步骤B也可以采用反应器(5)连续曝气的运行模式：将高氨氮废水从进 水管(6)输入反应器(5)，向反应器(5)中通入空气或氧气进行曝气，控制 低溶解氧在0.5mg/L以下，同时完成部分短程硝化和厌氧氨氧化两个过程，完成 脱氮，经过膜分离作用获得清洁出水。
说明书
一种单级全程自养脱氮污水处理设备及其工艺
技术领域
本发明涉及一种环境工程中污水处理技术，特别是一种单级全程自养脱氮 污水处理设备及其工艺。
背景技术
水体富营养化的一个重要污染源就是以氨氮为首要污染物的含氮废水。含 氮废水来源广泛，如何采用高效低耗工艺进行废水脱氮是水污染控制技术研究 的重要方向。针对水中的氨氮污染，目前常用的氨氮控制技术可分为物化处理 技术和生物处理技术。生物处理技术因其效率较高、成本较低、能够将氨氮转 化为氮气(N2)受到更多的关注。
传统氨氮废水脱氮工艺通常采用硝化-反硝化工艺，即氨态氮(NH4+-N)首 先在硝化菌的作用下经亚硝化、硝化过程生成硝态氮(NO3--N)，在这一过程中 需要提供足够的氧气(O2)作为电子受体;然后在反硝化菌的作用下发生反硝 化作用，生成亚硝酸氮(NO2--N)，并进而生成N2完成脱氮作用，在这一过程 中需要提供充足的有机碳源作为电子供体。
基于20世纪90年代厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程的发现，近十几年来， 研究人员已经广泛研究采用短程硝化-厌氧氨氧化过程完成氨氮废水脱氮作用。 该过程发生途径为：氨氮首先在亚硝化菌作用下发生短程硝化作用生成NO2--N， 然后再在厌氧氨氧化菌的作用下，利用外加或剩余的氨氮作为电子供体，生成 的亚硝酸氮为电子受体，转化为氮气，达到脱氮的目的。该过程为完全自养过 程，节省了大量氧气和有机碳源，并且产生污泥量少，尤其适合于处理高氨氮 废水，是一种很有应用前景的脱氮工艺。其基本化学方程式可表示为：
NH4++1.5O2 →NO2-+H++H2O
NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→
1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2.03H2O
将ANAMMOX工艺应用于废水生物脱氮时，需首先解决部分硝化的问题， 即能够为厌氧氨氧化反应提供氨氮和亚硝酸氮比例近似为1∶1(理论值为1∶1.32) 的进水。这就需要建立厌氧氨氧化菌和其它微生物的协同作用系统，或与其它 工艺进行组合。基于以上两种思想，目前已开发出稳定高效亚硝化脱氨-厌氧氨 氧化(SHARON-ANAMMOX)工艺、完全自养亚硝化脱氮(CANON)工艺、 限氧自养硝化反硝化(OLAND)工艺等自养型生物脱氮工艺。其中，CANON 和OLAND工艺可以实现同一个反应器中全程自养脱氮，被认为是一种很有发 展前景的可持续脱氮工艺。
全程自养脱氮所涉及的亚硝化菌和厌氧氨氧化菌分别为好氧自养菌和厌氧 自养菌，因此一般用两种方式来开发全程自养脱氮工艺，其一是将亚硝化和厌 氧氨氧化分别在不同的反应器中进行，即所谓的二级全程自养脱氮工艺;其二 是亚硝化和厌氧氨氧化在同一个反应器中进行，即所谓的单级全程自养脱氮工 艺。单级全程自养脱氮工艺可以采取两种方式来开发：其一是通过设计和操作 控制，使反应器交替产生好氧和缺氧条件，从而使亚硝酸细菌和厌氧氨氧化菌 轮流发挥作用，以实现全程自养脱氮;其二是通过操作控制，使反应器内的微 生物形成生物膜，让亚硝酸细菌分布于好氧表层，厌氧氨氧化菌分布于缺氧内 层，并利用基质扩散实现全程自养脱氮。在实践中，连续全程自养脱氮多实现 于生物转盘、生物滤池、流化床、颗粒污泥和填料负载生物膜反应器。
单级自养脱氮技术具有占地少、耗能低、剩余污泥产量少等优势，被国内 外评价为可持续的生物脱氮技术。但目前该工艺实施过程中，菌种富集周期较 长，运行控制条件较严格，生物膜传质速率较慢，导致存在负荷低、处理效果 差、稳定性差的问题，限制了该技术的实际工程应用。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以提高氧、氨氮等 基质传质效率，增加过程控制稳定性，缩短菌种富集时间，改善工艺运行性能 的单级全程自养脱氮污水处理设备及其工艺。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种单级全程自养脱氮污水 处理设备包括反应器、出水泵和搅拌器，所述的搅拌器安装在反应器底部，所 述的反应器底部安装有进水管和排泥管，所述的反应器上安装有进气管，所述 的设备还包括分离膜组件、曝气膜组件，所述的分离膜组件安装在反应器内的 中央位置，所述的曝气膜组件由膜管组成，缠绕在反应器内壁;所述的进气管 与曝气膜组件连接，所述的出水泵安装在出水管路上，其进水口通过管路与分 离膜组件连接、其出水口连接有排水管。
本发明所述的曝气膜组件的曝气膜采用孔径在微米级范围的无机或有机微 孔膜，所述的分离膜组件是微滤膜和超滤膜组件。
本发明所述的曝气膜组件可以由微孔滤膜组成，安装在反应器底部。
本发明在所述的反应器的外部设置有监测运行状态的监控仪表，所述的监 控仪表包括气体流量和压力监测装置、进水流量控制和监测装置、在线溶解氧 仪、亚硝酸盐和硝酸盐浓度监测装置。
一种单级全程自养脱氮污水处理工艺包括以下步骤：
A、接种或驯化氨氧化菌和厌氧氨氧化菌：建议在30℃左右的条件下，按 照现有技术所述典型工艺进行菌种驯化;
B、反应器采用间歇曝气、间歇出水运行模式：将高氨氮废水从进水管输入 反应器，向反应器中通入空气或氧气进行曝气，控制曝气条件，建议控制溶解 氧在0.5-1.0mg/L左右，使氨氮在氨氧化菌作用下发生部分短程硝化，也就是说 通过亚硝化使氨氮与亚硝酸氮浓度比例约为1∶1，然后停止曝气，使亚硝酸氮和 剩余氨氮在厌氧氨氧化作用下生成氮气，完成脱氮，经过膜分离作用获得清洁 出水。
本发明所述的步骤B也可以采用反应器连续曝气的运行模式：将高氨氮废 水从进水管输入反应器，向反应器中通入空气或氧气进行曝气，控制低溶解氧 在0.5mg/L以下，同时完成部分短程硝化和厌氧氨氧化两个过程，完成脱氮，经 过膜分离作用获得清洁出水。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明的采用膜曝气DO易控制的特点，实现短程硝化;利用膜分 离MBR的良好截留效果，实现增殖极其缓慢ANAMMOX菌的富集，利用两者 的结合实现单级自养脱氮，具有明显的优势。
2、由于本发明将曝气用疏水膜和分离用亲水膜安置在同一个圆柱状反应器 中，形成膜曝气分离反应器，实现无泡曝气、膜分离和生物降解的耦合。利用 膜曝气效率高，易于控制的特点实现含氮废水良好的短程硝化;利用超滤膜的 分离作用对生长缓慢的氨氧化菌和厌氧氨氧化菌进行良好的富集，同时获得很 好的出水水质。本发明的效果和益处是膜曝气可使氧利用效率达到或接近 100%，尤其适用于含氮废水的部分硝化，另外可以提高生物反应器容积负荷， 减小占地，降低成本;分离膜可彻底去除悬浮杂质，出水无须消毒，其对活性 污泥的截留在保证生物量的同时减少了剩余污泥生成量。
