申请日2007.04.17
公开(公告)日2007.10.10
IPC分类号C02F101/38; C02F3/30
摘要
一种高浓度有机废水深度脱氮处理方法，属废水生物处理领域，该方法包括包括顺次串联在一起的厌氧除碳区、好氧亚硝化加厌氧氨氧化脱氮区和传统硝化反硝化(A/O工艺)区，在厌氧除碳区，采用厌氧生物反应器，对原水中的有机污染物进行厌氧的生物处理，去除绝大部分的有机物，在好氧亚硝化加厌氧氨氧化脱氮区，氨氮与亚硝酸盐氮被去除生成氮气，在传统硝化反硝化(A/O工艺)区将厌氧氨氧化出水中的硝酸盐进行反硝化反应以氮气形式排除，过剩的有机物进行好氧生物反应，得到去除，使得最终的出水的有机物(COD)和总氮、氨氮都达到排放标准。本发明在高效的除碳脱氮的同时，反应的能耗得到较大程度的降低，运行的稳定性得到提升。
権利要求書
1、一种用于高浓度有机废水深度脱氮处理方法，该方法包括顺次串联在一起的厌氧 除碳区、好氧亚硝化加厌氧氨氧化脱氮区和传统硝化反硝化区：
在厌氧除碳区，采用厌氧生物反应器，对原水中的有机污染物进行厌氧的生物处理，去 除有机物，并产生沼气以充分回收能量;
好氧亚硝化加厌氧氨氧化脱氮区包括如下工序：亚硝化反应器中，废水中的氨氮在亚硝 化菌的作用下进行自养的生长代谢，转化为亚硝酸盐氮，为了使亚硝化反应器出水符合后续 的厌氧氨氧化反应器的进水基质比例条件，只需控制亚硝化反应进行50%~57%的程度，即亚 硝化反应器的出水中所含的氨氮与亚硝酸盐氮的质量比例1∶1~1∶1.32;在厌氧氨氧化反 应器中，厌氧氨氧化菌群在厌氧条件下以氨氮为电子供体，以亚硝酸盐氮为电子受体，以碳 酸氢根离子为碳源进行厌氧氨氧化反应，氨氮与亚硝酸盐氮以1∶1~1∶1.32的比例同时被 去除生成氮气，同时产生硝酸盐氮，硝酸盐氮占进水总氮的13~20%;
传统硝化反硝化区：在缺氧段厌氧氨氧化出水中的硝酸盐与来自进水超越而来的1%~5% 的原水混合后进行反硝化反应，超越来的少量原水为反硝化反应补充有机碳源，过剩的有机 物在好氧段进行好氧生物反应得到去除，含氮的有机物分解后产生的氨氮在好氧段进行硝化 反应，硝酸盐回流到缺氧段同样进行反硝化脱氮反应;在好氧段，厌氧氨氧化出水中的有机 物进一步氧化分解，使得最终的出水的有机物和总氮、氨氮都达到排放标准。
2、根据权利要求1所述的用于高浓度有机废水深度脱氮处理方法，其特征在于在厌 氧除碳区和好氧亚硝化加厌氧氨氧化脱氮区之间连接中间沉淀池，对从厌氧除碳生物反应器 的出水进行悬浮物去除，在悬浮物去除工艺中保证出水悬浮物小于30mg/L。
3、根据权利要求2所述的用于高浓度有机废水深度脱氮处理方法，其特征在于在中 间沉淀池与好氧亚硝化加厌氧氨氧化脱氮区之间设置反硝化池I，将厌氧氨氧化反应器的出 水回流到反硝化池I，经中间沉淀后的厌氧生化处理出水与厌氧氨氧化反应器部分出水在所 述反硝化池I进行反硝化，进一步降低有机物含量，减少有机物对后续亚硝化加厌氧氨氧化 脱氮效率的潜在的抑制性影响。
4、根据权利要求3所述的用于高浓度有机废水深度脱氮处理方法，厌氧氨氧化反应 器出水回流到反硝化池I的比例根据厌氧除碳生物反应器的运行效果进行调节，控制回流比 在50~100%。
5、根据权利要求1、2、3、4所述的于高浓度有机废水深度脱氮处理方法，其特征 在于在厌氧除碳区，可以采用高效第三代厌氧反应器，中温的厌氧内循环反应器，厌氧颗粒 膨胀床反应器，也可采用两级升流式厌氧污泥床反应器来达到除碳的目的，使得出水中的有 机物的95%以上得到降解，为后续的脱氮处理工艺减轻负担。厌氧生物反应器运行在35~40 ℃，出水的温度维持在30℃以上。
6、据权利要求5所述的高浓度有机废水深度脱氮处理方法，其特征在于所述亚硝化 反应器中亚硝化率控制在98%以上，亚硝化程度在50~57%，出水的氨氮和亚硝酸盐氮比例在 1∶1.0~1∶1.32，溶解氧浓度在0.1~0.2mg/L，水温20~30℃、水力停留时间HRT=0.2~0.5d、 并根据实际情况投加碱。
7、根据权利要求5所述的高浓度有机废水深度脱氮处理方法，其特征在于所述厌氧 氨氧化反应器中，厌氧氨氧化阶段控制出水的总氮去除率在80%以上，氨氮与亚硝酸盐氮浓 度在5mg/L以下，并根据进水总氮的容积负荷的变化增加厌氧氨氧化反应器的内回流量，防 止进水过高的冲击负荷对反应器运行的影响，减少较高浓度亚硝酸盐氮对厌氧氨氧化菌的抑 制性影响，水力停留时间HRT=0.3d~0.4d，进水总氮的容积负荷为 1.8kgN/(m3·d)~2.2kgN/(m3·d)。
8、根据权利要求5所述的高浓度有机废水深度脱氮处理方法，其特征在于所述传统 硝化反硝化区，控制好氧段的溶解氧为2~3mg/L，水力停留时间HRT=0.3~0.4d，污泥龄在 15d左右，并根据需要补加适量的碱。控制厌氧段的溶解氧在0.5mg/L左右，水力停留时间 HRT=0.1~0.2d左右。硝化液的回流比控制在400%左右，污泥回流比在50~100%。
9、根据权利要求5所述的高浓度有机废水深度脱氮处理方法，其特征在于所述亚硝 化阶段污泥以及传统硝化反硝化阶段的剩余污泥都回流到厌氧生物反应器中进行厌氧的消 化。
10、根据权利要求5所述的高浓度有机废水深度脱氮处理方法，其特征在于将原水的 1~5%超越到厌氧氨氧化反应器后的反硝化池II中，作为反硝化的碳源，节省了反硝化所需 投加的外碳源。
说明书
高浓度有机废水深度脱氮处理方法
技术领域
本发明属于废水生物处理领域，尤其涉及对高浓度有机废水的脱氮处理方法。
背景技术
随着社会经济的不断发展，水环境污染也不断加剧，水污染防治得到越来越多的重视。 生物处理技术的广泛应用，特别是厌氧生物技术的发展，使得对于废水中有机物的去除取得 了良好的效果。然而，对于高浓度有机废水中的氮素的治理，仍没有一个较为可行的、可靠 的技术，大多数仍只对于氨氮有一定的去除，总氮的深度去除没能很好的解决。近年来，对 于进入受纳水体的氮素的控制力度的加大，使得人们开始重视高浓度有机废水中氮素的深度 脱除问题。就目前应用的传统处理工艺来看，可以分为厌氧生物处理与具有脱氮功能的好氧 生物处理工艺相结合，以及在厌氧阶段同时进行反硝化和产甲烷化再与好氧工艺串联这两种 方式。
第一种方式主要有厌氧加A/O工艺、厌氧加短程硝化反硝两种工艺流程，从工艺路线上 看，此两种工艺对高浓度有机废水进行了除碳和脱氮的分级分段处理，在各自的阶段可以培 养出优势微生物，在适合的条件下进行生长代谢，可以达到较好的处理效果。但在实际工业 应用中，由于在厌氧处理阶段高浓度有机废水中的有机物得到较大程度的降解，好氧的脱氮 生物处理(反硝化阶段)的碳源不足，外加有机碳源又使得污水处理成本大大升高，因而脱 氮效率不高，使得此两种工艺存在出水中的氮素含量仍很高，脱氮效果受到限制。而且在硝 化过程中需要消耗大量的碱(氧化1g氨氮理论需要7.14g碱度)，也增加了成本。
第二种方式主要有厌氧同时反硝化产甲烷加好氧工艺、厌氧同时反硝化产甲烷加厌氧除 碳加好氧工艺两种工艺流程，要在厌氧反应器中实现反硝化，必须在好氧阶段实现完全的硝 化或亚硝化，动力消耗依然大，而且全流程的脱氮效率取决于好氧阶段的硝化液到厌氧阶段 的回流比，预达到的脱氮效率越高，所需的硝化液的回流比也越高，而过高的回流比会给厌 氧反应阶段带来显著的不利影响，影响全流程的处理效果。另外过大的回流比产生的动力消 耗也十分巨大。反硝化反应与产甲烷反应在微观上不可能实现同时，依然存在着先后的次序 问题，仅在宏观上在同一反应器中实现了同时。反硝化菌与产甲烷菌的共生颗粒污泥的培养 驯化也存在着一定的难度和不稳定性。
二十世纪九十年代以来发现的厌氧氨氧化现象为高浓度含氨废水的生物脱氮处理的 大发展奠定了基础。一批基于厌氧氨氧化理论的新型生物脱氮技术应运而生。由于在同一反 应器中实现多类反应的矛盾性，尝试在多段反应器中分别实现高效除碳和高效除氮，并结合 新型的生物脱氮技术产生了厌氧生物除碳加好氧除碳亚硝化加厌氧氨氧化(ANAMMOX)的工艺 路线。
由于厌氧氨氧化工艺特别适合低有机碳高氨氮的废水的脱氮处理，因此可以将厌氧好氧 处理后的出水直接进行厌氧氨氧化的生物脱氮处理。由于厌氧氨氧化菌是一自养菌，在生长 代谢过程中以无机碳为碳源，因此在脱氮过程中无需添加有机碳源。而且厌氧氨氧化反应做 为一种新型的脱氮技术，其氮容积负荷率和去除负荷都是传统的硝化反硝化工艺所无法比拟 的，因而对于原水中的氮的负荷有着更大的适应范围。但此工艺路线也存在着一些不足之处。 首先是厌氧氨氧化反应会产生20%左右的硝酸盐氮，因此在出水的氨氮和亚硝酸盐几乎为零 的情况下，仍存在着一定浓度的硝酸盐氮，总氮的去除率只能达到85%左右。其次，虽然亚 硝化反应阶段可以与好氧的除碳构筑物合建，但仍需新建厌氧氨氧化的反应装置，增加了基 建费用。第三，厌氧氨氧化脱氮效率关键在于进水中的基质比例(氨氮/亚硝酸盐氮)，当好 氧的亚硝化阶段处理不稳定时，出水的总氮将成倍增减，给工艺出水的稳定达标带来潜在的 影响。
通过以上的分析可以看出，目前在高浓度有机废水的深度脱氮处理方面还没有一种既高 效、可靠又节能、经济的稳定的工艺路线。各种处理工艺都存在着缺点和不足之处，因此开 发一种工艺路线合理、经济高效的脱氮工艺十分必要。
发明内容
本发明提供了一种符合实际工业应用的合理的对高浓度有机废水进行深度生物脱氮的技 术，它能够在较大的环境因素的变化中适用，所需的控制性因素或控制条件少，易于稳定实 现。这种技术能够适应多种高浓度有机废水的除碳和深度脱氮要求，出水能够达到有机物和 氮素的排放标准。
本技术对于高浓度有机废水的脱氮原理主要是基于亚硝化-厌氧氨氧化工艺。将厌氧加好 氧处理工艺对有机物的良好去除与亚硝化-厌氧氨氧化工艺对氮的良好去除效果和独特的适 用条件相结合，在达到对废水中有机物的高效去除的同时保证了总氮的深度脱除，使得出水 的氨氮和总氮都能达到排放要求。与背景技术中所阐述的“厌氧加好氧加厌氧氨氧化”工艺 的分级分段处理不同，将亚硝化-厌氧氨氧化技术真正融入到厌氧好氧的联合处理工艺中，采 用独特的工艺路线，使工艺的运行具有其他工艺所无法比拟的稳定性和可靠性。
本发明所采用的亚硝化和厌氧氨氧化菌两类微生物的基本代谢过程如下：
(1)亚硝化过程：
废水中的氨氮在自养的亚硝化菌的作用下，以无机碳(碳酸根离子)为碳源进行生长代 谢，发生亚硝化反应。通过控制反应过程中的工艺条件，如溶解氧，pH等，将硝化过程控制 在亚硝化阶段，只产生亚硝酸盐，而不发生硝酸盐的积累。
NH4 ++1.5O2+2HCO3→NO2 -+2CO2+3H2O
(2)厌氧氨氧化过程：
废水中的氨氮和亚硝酸盐氮在厌氧氨氧化菌的作用下，进行厌氧的自养生长代谢，发生 厌氧氨氧化反应，等比例的去除氨氮和亚硝酸盐氮。在此过程中，不需要有机物为碳源，而 是以碳酸氢根离子为碳源，以氨氮为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，反应需要维持闭光、 严格厌氧，较高的温度(25~35℃)等环境条件。
1.44NH4 ++NO2 -+0.49HCO3 -+0.13H+→2.012N2+0.18NO3 -+0.333CH2O0.5N0.15+2.58H2O，
本发明的工艺流程如下，具体分为依次串联的三个区域：
(1)厌氧除碳区：
本功能区采用厌氧生物反应器，在最优条件下对原水中的有机污染物进行厌氧的生物处 理，去除绝大部分的有机物，并使沼气的产率达到最大化以充分回收能量。
(2)好氧亚硝化加厌氧氨氧化脱氮区：
本功能区是实现对高浓度有机废水进行深度脱氮。在亚硝化反应器中，废水中的氨氮在 亚硝化菌的作用下进行自养的生长代谢，转化为亚硝酸盐氮。为了使亚硝化反应器出水符合 后续的厌氧氨氧化反应器的进水基质比例条件，只需控制亚硝化反应进行50%左右的程度， 即亚硝化反应器的出水中所含的氨氮与亚硝酸盐氮的质量比例约为1∶1。由于此阶段的亚硝 化反应只需要在微氧的条件下进行，一方面可以节省曝气量，另一方面使得进入厌氧氨氧化 反应器的水中溶解氧浓度尽量的低，减少抑制性影响。
在厌氧氨氧化反应器中，厌氧氨氧化菌群在厌氧条件下以氨氮为电子供体，以亚硝酸盐 氮为电子受体，以碳酸氢根离子为碳源进行厌氧氨氧化反应，氨氮与亚硝酸盐氮以1∶1~1∶ 1.32的比例同时被去除生成氮气，同时产生20%左右的硝酸盐氮。
(3)传统硝化反硝化(A/O工艺)区
虽然废水中的氨氮在亚硝化-厌氧氨氧化阶段已经得到去除，但由于厌氧氨氧化反应本身 需要产生约为15~20%的硝酸盐，当原水中氮的浓度较低时，厌氧氨氧化出水的硝酸盐的含量 也相应的增加。为了使出水中的总氮进一步去除，在工艺路线的最后加一段传统硝化反硝化 阶段处理工艺(A/O工艺)，来保证出水的氮素达到排放标准。
在缺氧段(A段)厌氧氨氧化出水中的硝酸盐与来自进水超越而来的1%~5%的原水混合后 进行反硝化反应，超越来的少量原水为反硝化反应补充有机碳源，过剩的有机物在好氧段(O 段)进行好氧生物反应，得到去除，含氮的有机物分解后产生的氨氮在好氧段进行硝化反应， 硝酸盐回流到缺氧段同样进行反硝化脱氮反应。在好氧段，厌氧氨氧化出水中的有机物进一 步氧化分解，使得最终的出水的有机物(COD)和总氮、氨氮都达到排放标准。
由于前一阶段的厌氧阶段已经脱除了95%~98%以上的有机物;亚硝化-厌氧氨氧化反应已 经去除了废水中约80%以上的总氮，从而使得工艺后部的传统硝化反硝化阶段(A/O)工艺的 负荷大大降低，使得反应器的容积需求减小，需要的供气量减少。而A段需要的原水超越量 只占总量的1%~5%，动力的消耗较小。
当前一阶段反应运行不稳定后，此阶段的硝化反硝化工艺也可以保证出水的达标排放， 从而使全流程具有运行的稳定性和可靠性。
为降低进入亚硝化反应器和厌氧氨氧化反应器的悬浮物的量，使得亚硝化反应器内的菌 种能在最优的条件下生长代谢，防止引入过多的异养菌对亚硝化菌产生竞争性影响，减少亚 硝化菌过多的随出水流失量，在厌氧除碳区和好氧亚硝化加厌氧氨氧化脱氮区增加中间沉淀 池，对从厌氧生物反应器的出水进行悬浮物去除，减少厌氧生化反应器中流失的厌氧异养菌 对亚硝化-厌氧氨氧化反应段的竞争性影响，沉淀污泥可回流到升流厌氧反应器中。
中间沉淀池后设置反硝化I段，厌氧氨氧化反应所产生的硝酸盐氮回流到反硝化I段， 以经中间沉淀后的厌氧生物除碳反应器出水中所剩余的有机物为碳源进行反硝化反应，使得 进入后续的好氧亚硝化反应器中的有机物进一步降低，减少有机物对亚硝化以及厌氧氨氧化 的潜在的抑制性影响。
在厌氧除碳区，可以采用高效第三代厌氧反应器，中温的厌氧内循环反应器(IC)，厌氧 颗粒膨胀床反应器(EGSB)，也可采用两种升流式厌氧污泥床反应器(UASB)来达到除碳的目 的，使得出水中的有机物，特别是易生物降解的有机物得到最大程度的降解，为后续的脱氮 处理工艺减轻负担。
在厌氧除碳区，中温厌氧生物反应器运行在35~40℃，出水的温度维持在30℃以上，此 温度恰恰是稳定亚硝化反应与厌氧氨氧化反应的最适合温度。从而使得能量的利用率提高， 生物代谢环境也得到优化，脱氮效率可达到较高的水平。
由此，本发明将亚硝化-厌氧氨氧化反应与厌氧生物处理和传统硝化反硝化工艺有机的结 合起来，在高效的除碳脱氮的同时，反应的能耗得到较大程度的降低，运行的稳定性得到提 升，是一种针对高浓度有机废水深度脱氮的可靠技术，具有很好的应用价值。
本发明与厌氧生物除碳加好氧除碳亚硝化加厌氧氨氧化(ANAMMOX)工艺相比，本发明真 正实现了厌氧氨氧化技术与传统的厌氧好氧技术的融合。前者对厌氧氨氧化工艺的进水进行 较高程度的前处理，如有机物的去除，悬浮物的去除等，才能保证出水中有机物达到排放标 准。而且厌氧氨氧化反应本身所产生的约20%左右的硝酸盐氮，使得出水中的总氮不能进一 步降低，而工艺运行的稳定性也有潜在的问题。而本技术在厌氧氨氧化阶段后接的传统的A/O 工艺，能确保出水的达标排放。本发明结合了厌氧加好氧工艺与亚硝化加厌氧氨氧化工艺各 自的优点，做到了真正的技术融合，分段处理即能在各类型微生物最优化的生长环境中进行 生物处理，又不同于简单的分级分段，工艺路线较为紧凑。
本发明对于高浓度有机废水中的潜在能量回收达到最大化，有利于污水处理的节能降耗。 本技术较多的采用了厌氧的生物处理技术，运行成本大大降低，是一种可持续的污水处理技 术。
本发明所需的供气量较其他工艺低，外加碳源和外加碱量都有降低。本技术应用了自养 的亚硝化-厌氧氨氧化脱氮技术，无需外加碳源;而后段的传统硝化反硝化阶段A/O工艺以总 进水中超越的少量原水作为有机碳源，也无需外加碳源。半亚硝化所需的碱度较传统工艺在 为降解，而A/O工艺的进水负荷不高，因此碱度的消耗量较少。同样，半亚硝化反应的实际 需氧量也较传统完全硝化工艺大为减小，全流程的动力消耗降低。
本发明实现了厌氧氨氧化工艺在工业废水的实际应用，并为其他新型脱氮工艺的实际应 用开发提供了基础数据。
