申请日2018.03.14
公开(公告)日2018.09.28
IPC分类号C02F3/30; C02F3/34; C02F101/16
摘要
一种基于固相反硝化和异养硝化‑好氧反硝化的低温低碳氨氮废水处理装置及方法，包括反应器和回流系统，反应器的上部、下部分别设置流化床好氧区、滤池缺氧区，滤池缺氧区和流化床好氧区内均填充有固体碳源填料，滤池缺氧区与流化床好氧区之间通过多孔布水板隔开，布水板上安装有曝气管，曝气管通过气体流量计与曝气装置连接;反应器的下端设有进水口，上端设有出水口，反应器的出水进入二沉池，二沉池出水通过溢流口进入中间储水箱，回流系统的上游端连通中间储水箱的出水，回流系统的下游端通过液体流量计与反应器下端的回流口连通;流化床好氧区内设有溶氧监测仪、硝酸盐浓度监测仪。其能在低温低碳条件下仍能实现氨氮和总氮的高效去除。
权利要求书
1.一种基于固相反硝化和异养硝化-好氧反硝化的低温低碳氨氮废水处理装置，其特征在于：包括反应器和二沉池，所述反应器的下部设有滤池缺氧区，所述反应器的上部设有流化床好氧区，所述反应器的滤池缺氧区和流化床好氧区内均填充有固体碳源填料，作为生物膜载体，所述反应器的滤池缺氧区与流化床好氧区之间通过布水板隔开，所述布水板设有若干布水孔，所述布水板上安装有曝气管，所述曝气管上设有曝气孔，所述曝气管通过气体流量计与曝气装置连接，使流化床好氧区内的生物膜载体在曝气装置的作用下呈流化状态;所述反应器的下端设有进水口，所述反应器下端的进水口连接进水管，所述反应器的上端设有出水口，所述反应器上端的出水口连接出水管，所述出水管的上游端与反应器上端的出水口连接，所述出水管的下游端与二沉池的进水口连通，所述二沉池设有回流口，所述二沉池的回流口通过回流水泵、第一液体流量计与反应器下端的回流口连通，且通过第一液体流量计控制回流比;所述反应器的流化床好氧区内设置有溶氧监测仪，用于监测流化床好氧区的溶解氧浓度，并通过气体流量计控制溶解氧浓度，所述反应器的流化床好氧区的出水段设置有硝酸盐浓度监测仪，当出水中的硝酸盐浓度超过一定限值时，控制回流水泵开启，使二沉池中的水按一定回流比回流至反应器的滤池缺氧区进行反硝化，完成生物脱氮的过程。
2.根据权利要求1所述的低温低碳氨氮废水处理装置，其特征在于：所述二沉池的底部设置排泥口，所述二沉池的上端设置溢流口用于出水，所述二沉池的下端设置回流口，所述回流口位于排泥口上方。
3.根据权利要求1所述的低温低碳氨氮废水处理装置，其特征在于：所述反应器的滤池缺氧区和流化床好氧区内填充的固体碳源填料均为亲电子改性的固体碳源填料;反应器滤池缺氧区的生物膜载体上挂膜有异养反硝化菌和固体碳源降解菌，反应器流化床好氧区的生物膜载体上挂膜有异养硝化-好氧反硝化菌、异养反硝化菌和固体碳源降解菌;反应器的流化床好氧区内设置固体碳源填料同时作为生物膜的悬浮载体和微生物的有机碳源;反应器的缺氧滤池区内设置固体碳源填料同时作为生物膜的固定化载体和微生物的有机碳源;反应器的流化床好氧区内的固体碳源填料的填充体积为20%-40%,反应器的缺氧滤池区的固体碳源填料的填充体积为80%-90%;反应器为圆柱形结构，好氧区和缺氧区的体积比为2:1-3:1。
4.根据权利要求3所述的低温低碳氨氮废水处理装置，其特征在于：亲电子改性的固体碳源填料是经阳离子聚合物改性的可生物降解聚合物;阳离子聚合物为聚季铵盐-10(PQAS-10)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)中的一种或两种的混合;可生物降解聚合物是聚羟基脂肪酸酯、聚乳酸、聚β-己内酯、聚丁二酸丁二醇酯中的一种或几种的组合，其相对分子量是40,000、50,000、60,000、80,000或140,000;阳离子聚合物和可生物降解聚合物通过机械搅拌、共混、挤出成型工序加工成一定的形状和规格的固体碳源填料。
5.根据权利要求1或3或4所述的低温低碳氨氮废水处理装置，其特征在于：固体碳源填料为中空结构;中空结构内设有交叉的隔板;中空结构的外表面设有若干沿中空结构轴向延伸的突起;中空结构为中空圆柱体;固体碳源填料的规格为：高度为10.0-12.0 mm，外径为 10.0-12.0 mm, 内径为8.6-10.6 mm，比表面积为500-800 m2/m3。
6.根据权利要求1所述的低温低碳氨氮废水 处理装置，其特征在于：所述反应器的缺氧滤池区下端设有填料支承板，使固定生物膜载体位于填料支承板上方，所述填料支承板上设有若干布水孔，所述填料支承板与反应器的底部之间留有缓冲空间，所述反应器的进水口、回流口设置在填料支承板的下方，与该缓冲空间连通;所述缓冲空间设有排空口;所述曝气装置通过管道与该缓冲空间连通，用于滤池缺氧区的反冲气洗;所述反应器的流化床好氧区上端设有填料挡板，使悬浮生物膜载体位于填料挡板下方;所述出水口位于填料挡板的上方。
7.根据权利要求1所述的低温低碳氨氮废水处理装置，其特征在于：所述进水管的上游端通过第二液体流量计与进水泵连通，所述进水管的下游端与反应器下端的进水口连通;所述布水板沿径向设有曝气管安装槽，所述曝气管安装在布水板的曝气管安装槽中;所述曝气管安装槽从布水板的中心沿直径方向向外延伸，贯穿布水板，形成开口槽。
8.采用权利要求1-7中任一所述的低温低碳氨氮废水处理装置实现低温低碳氨氮废水的高效处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)闷曝阶段:
将生物膜载体按照设定的投加比例加入反应器的缺氧区和好氧区，同时将活性污泥分别加入好氧区和缺氧区，将污水注满整个反应器，启动曝气装置，将好氧区的溶解氧浓度维持在设定范围内,同时使好氧区内的生物膜载体呈流化状态;同时，开启好氧区出水的回流系统，实现反应器内的混合液在好氧区和缺氧区的循环;闷曝一段时间后，关闭回流系统，反应器内的混合液静置一段时间后排出上清液，重新注满新鲜的污水，重复上述操作，直到好氧区和缺氧区的生物膜载体上出现肉眼可以见的薄的一层生物膜，同时缺氧区有微量气泡产生，表明接种污泥适应了反应器内的环境，闷曝结束;
2)连续进水培养:
闷曝结束后采取小流量连续进水;控制本阶段的曝气量小于闷曝阶段的曝气量，但是仍保持填料的流化状态，将好氧区溶解氧浓度维持在设定范围内;同时将回流系统的回流比控制在1:1;在好氧区投加具有高效异养硝化-好氧反硝化性能的功能菌;在连续进水培养的过程中，每天取好氧区的出水作为水样，测定其中COD、氨氮和总氮的浓度;当生物膜载体上的生物膜从薄的一层逐渐到覆盖整个生物膜载体，同时好氧区和缺氧区的生物膜的颜色也分别从最初的淡黄色和浅褐色变成浅褐色和深褐色，此时好氧区出水中的氨氮变化浓度出现了明显的拐点，在这之后氨氮浓度急剧下降并趋于稳定，连续一段时间氨氮和总氮的去除率误差在设定范围之内，表明好氧区和缺氧区填料上的生物膜挂膜成功，反应器启动结束;
3)废水处理装置运行:
反应器启动结束后，开始进污水进行废水处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤1)中反应器的流化床好氧区内的生物膜载体的填充体积为20%-40%,反应器的缺氧滤池区的生物膜载体的填充体积为80%-90%;步骤1)中反应器的水力停留时间HRT控制在10-12 h，好氧区HRT为6.6-8 h，缺氧区为3.4-4h;步骤1)中将好氧区的溶解氧浓度维持在3.0-3.5 mg/L;步骤2)中反应器的水力停留时间HRT控制在12-15 h，好氧区8.0-10.0 h, 缺氧区4.0-5.0 h;步骤2)中将好氧区溶解氧浓度维持在2.5-3.0 mg/L;步骤3)中反应器的水力停留时间HRT控制在9-10 h,其中好氧区6-6.7 h, 缺氧区3-3.3 h;步骤3)中反应器采取上向流连续进水的运行模式;步骤2)闷曝结束后采取小流量连续进水，并按照一定的梯度逐渐减低反应器内的水温;在每次改变温度的时间节点在好氧区投加具有高效异养硝化-好氧反硝化性能的功能菌。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤2)中连续进水培养阶段投加的功能菌为耐低温且具有高效异养硝化-好氧反硝化性能的功能菌。
说明书
基于固相反硝化和异养硝化-好氧反硝化的低温低碳氨氮废水处理装置及方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，特别涉及一种基于固相反硝化和异养硝化-好氧反硝化的低温低碳氨氮废水处理装置及方法，通过固体碳源载体实现固相反硝化和异养硝化-好氧反硝化协同，主要针对低温低碳氨氮废水的脱氮处理。
背景技术
我国环保部发布的《中国环境质量公报》显示我国水环境的污染状况在不断加剧，其中氮(亚硝态氮、硝态氮和氨氮)是主要的污染指标。在水环境污染不断加剧，环境容量不断减小的情况下，提高污水厂的排放标准，降低排放污水中污染物的浓度则成为控制水污染最直接有效的方法。面临更高的排放标准，污水厂势必要进行提标改造以应对新的需求。在提标改造和达标排放的过程中，污水厂都面临着两个比较严峻的问题，一是低温问题，传统的硝化菌是自养菌，其在常温下的比增长速率比异养菌小一个数量级，而其最小污泥停留时间比异养菌又要大一个数量级。因此，在活性污泥工艺中存在硝化菌流失的现象。在低温条件下，硝化菌的比增长速率比常温下条件下小两个数量级，硝化菌的生长繁殖速率更加缓慢，导致好氧池里的硝化菌流失更加严重，硝化微生物生物量低，硝化效果恶化严重，氨氮排放无法达标。二是低碳源问题。低碳源化趋势一方面会进一步降低好氧池内的硝化菌的生物量，另外一方面，低碳源条件下，反硝化菌和除磷菌存在碳源的竞争，无法获得充足的电子供体，使得反硝化菌的反硝化效果变差，硝酸盐和总氮的去除率下降，总氮排放无法达标。因此，低温条件下，如何提高硝化微生物的生物量和硝化性能，保障反硝化微生物脱氮所需的碳源是污水厂在提标改造和达标排放中亟待解决的关键问题。
异养硝化-好氧反硝化(Heterotrophic Nitrification-AerobicDenitrification，以后简称HN-AD)是指从自然环境中分离出的一些特殊细菌，既可以进行异养硝化，又可以同时进行好氧反硝化，从而实现废水中含氮污染物有效去除的新型生物脱氮技术。和传统硝化菌相比，HN-AD菌的最大优势在于它是异养菌，生长速率快，生物量大，可在好氧池内长时间停留，同时它耐低温，在低温条件下可以保持较高的硝化活性。此外，HN-AD菌耐有机负荷，可同时去除COD和氨氮，并且可以在好氧池内同时实现硝化和反硝化。因此，在低温条件下HN-AD和传统硝化菌相比更有优势。但是，在HN-AD技术的实际应用过程中，发现了一些限制性因素。例如，具有高HN-AD性能的功能菌的数量较少、HN-AD菌对溶氧和碳源有一定的需求，直接将HN-AD功能菌投入好氧池，由于其竞争力较弱，无法形成优势菌群、低碳源条件下总氮去除率不高。由于这些限制性因素的存在，降低了基于HA-AD技术水处理系统的高效性和稳定性。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于固相反硝化和异养硝化-好氧反硝化的低温低碳氨氮废水处理装置及方法，其在缺氧滤池-好氧生物流化床一体化反应器中采用固体碳源作为好氧生物流化床生物膜载体和有机碳源，既能固定具有高效HN-AD性能的功能菌，同时也能保证HN-AD菌对碳源的需求，解决了HN-AD菌在系统内竞争力弱，容易流失，难以形成优势菌群，无法稳定发挥其高效HN-AD性能的问题，且采用固体碳源同时作为缺氧滤池中反硝化微生物的载体和有机碳源，可以连续稳定地为反硝化菌提供脱氮所需的碳源，解决了低碳条件下硝酸盐和总氮去除率不高的问题。
本发明的目的是采用下述方案实现的：一种基于固相反硝化和异养硝化-好氧反硝化的低温低碳氨氮废水处理装置，包括反应器和二沉池，所述反应器的下部设有滤池缺氧区，所述反应器的上部设有流化床好氧区，所述反应器的滤池缺氧区和流化床好氧区内均填充有固体碳源填料，作为生物膜载体，所述反应器的滤池缺氧区与流化床好氧区之间通过布水板隔开，所述布水板设有若干布水孔，所述布水板上安装有曝气管，所述曝气管上设有曝气孔，所述曝气管通过气体流量计与曝气装置连接，使流化床好氧区内的生物膜载体在曝气装置的作用下呈流化状态;所述反应器的下端设有进水口，所述反应器下端的进水口连接进水管，所述反应器的上端设有出水口，所述反应器上端的出水口连接出水管，所述出水管的上游端与反应器上端的出水口连接，所述出水管的下游端与二沉池的进水口连通，所述二沉池设有回流口，所述二沉池的回流口通过回流水泵、第一液体流量计与反应器下端的回流口连通，且通过第一液体流量计控制回流比;所述反应器的流化床好氧区内设置有溶氧监测仪，用于监测流化床好氧区的溶解氧浓度，并通过气体流量计控制溶解氧浓度，所述反应器的流化床好氧区的出水段设置有硝酸盐浓度监测仪，当出水中的硝酸盐浓度超过一定限值时，控制回流水泵开启，使二沉池中的水按一定回流比回流至反应器的滤池缺氧区进行反硝化，完成生物脱氮的过程。本发明可以采用手动方式控制曝气装置、回流水泵、进水泵等，也可以设置控制器自动控制曝气装置、回流水泵、进水泵等。二沉池的设置是因为反应器出水中有悬浮污泥，通过沉淀让泥水分离。
缺氧滤池-好氧生物流化床一体化反应器中缺氧区和好氧区通过多孔板隔开，多孔板同时充当好氧区的布水装置，多孔板在实现均匀布水的同时对填料其承托作用。缺氧滤池-好氧生物流化床一体化反应器上设置有溶氧监测仪和硝酸盐浓度在线监测仪，可实时监控反应器内的运行条件。进水管上设置有进水阀门。所述曝气管与曝气装置之间的管路上设置有曝气阀门。出水管上设置有反应器出水阀门。所述二沉池的回流口与反应器下端的回流口之间的管道上设置有回流阀门。与反应器的排空口连通的排空管上设置有排空阀门。曝气装置采用气泵。
生物流化床的填料是悬浮的，缺氧滤池的填料是固定的，所谓流化就是让填料悬浮流化起来，所谓滤池就是让填料固定，让污水流经填料，通过生物作用，过滤掉污水中的污染物。
流化床好氧区内的生物膜载体在曝气装置的作用下呈流化状态，滤池缺氧区的生物膜载体是固定，是因为好氧池停留时间长，污水可以和填料充分接触，而缺氧池停留时间短，要使缺氧区内达到较好的反硝化效果，需要污水与填料充分的接触，如果让缺氧区填料呈流化态，在短的停留时间下，污水未和生物膜接触反应就流出缺氧区达不到好的脱氮效果。
所述二沉池的底部设置排泥口，所述二沉池的上端设置溢流口用于出水，所述二沉池的下端设置回流口，所述回流口位于排泥口上方。与二沉池的排泥口连通的排泥管上设置有控制阀门。将回流口设置在二沉池的下端，用于保证回流液的溶氧符合要求(溶氧很低)，可有效避免回流过程中的复氧，降低好氧区出水中过高的溶解氧对缺氧区的影响。
氨氮有机废水首先通过进水泵泵入缺氧区，进水流量通过第二液体流量计控制，原水中的有机物在该区域得以去除，同时又可以满足固定生物膜填料上微生物反硝化所需的碳源，缺氧区的水随后通过多孔布水板流入好氧区，好氧区中的悬浮生物膜载体在曝气装置的作用下呈流化状态，载体上的生物膜可以和水体中的基质充分地接触，通过异养硝化-好氧反硝化和固相反硝化作用实现氨氮和总氮的有效去除，好氧区内设置有溶氧仪探头，可随时监测好氧区的溶解氧浓度，好氧区的出水端设置有多孔填料挡板，防止填料的流失，好氧区的出水随后进入二沉池，好氧区的出水段设置有硝酸盐浓度在线监测仪，当出水中的硝酸盐浓度超过一定限值时，通过控制回流水泵将二沉池中的水按一定回流比回流至反应器的滤池缺氧区进行反硝化，完成生物脱氮的过程。回流比指的是回流进入缺氧区的流量和原水进入缺氧区的流量之比。
因为二沉池的下端水体中溶氧很低，不需要外设避免复氧的其他装置，当然，也可以设置避免复氧的其他装置，如所述二沉池与反应器之间设有中间储水箱、提升泵和高位水箱，所述二沉池的回流口可以为溢流口，二沉池出水通过溢流口进入中间储水箱，所述提升泵的上游端与中间储水箱的出水口连通，所述提升泵的下游端与高位水箱的进水口连通，所述高位水箱的出水口通过第一液体流量计与反应器下端的回流口连通，当反应器出水中的硝酸盐浓度超过一定限值时，启动提升泵，将中间储水箱中的水按一定回流比泵入密闭的高位水箱，高位水箱中的水在重力流作用下，回流至一体化反应器的缺氧区进行反硝化，从而完成生物脱氮的过程。二沉池和中间储水箱的设置是为硝化液的回流提供条件的，二沉池的设置是因为反应器出水中有悬浮污泥，通过沉淀让泥水分离，中间储水箱是为了控制回流系统的回流比提供条件的。
所述反应器的滤池缺氧区和流化床好氧区内填充的固体碳源填料均为亲电子改性的固体碳源填料，固体碳源的亲电子改性有利于微生物的附着和生长;反应器滤池缺氧区的生物膜载体上挂膜有异养反硝化菌和固体碳源降解菌，反应器流化床好氧区的生物膜载体上挂膜有异养硝化-好氧反硝化菌、异养反硝化菌和固体碳源降解菌;反应器的流化床好氧区内设置固体碳源填料同时作为生物膜的悬浮载体和微生物的有机碳源;反应器的缺氧滤池区内设置固体碳源填料同时作为生物膜的固定化载体和微生物的有机碳源;反应器的流化床好氧区内的固体碳源填料的填充体积为20%-40%,反应器的缺氧滤池区的固体碳源填料的填充体积为80%-90%;反应器为圆柱形结构，好氧区和缺氧区的体积比为2:1-3:1。
固体碳源降解菌的作用是将大分子固体碳源降解为小分子，异养反硝化菌的作用是利用小分子作为电子供体进行反硝化。异养硝化-好氧反硝化菌位于生物膜的最外层，在好氧的条件下可以同时发挥硝化和反硝化作用，提高氮的去除。
由于反应器为圆柱形构造，有利于反应器内混合流处于良好的紊动，保持填料悬浮状态，提高充氧速率，减小水头损失。好氧区和缺氧区的体积比为2:1-3:1，合理的体积比值意味着缺氧区和好氧区合理的水力停留时间比值，有利于氨氮和总氮的去除。好氧区内的悬浮生物膜载体的填充体积为20%-40%,合理的填充体积既能保证好氧区的硝化效果，同时也不会对悬浮活性污泥的生长构成影响，并且和填充体积相匹配的曝气量也不会对缺氧区的反硝化造成影响。缺氧滤池区的固定生物膜载体的填充体积为80%-90%，合理的填充体积有利于在较短的HRT条件下实现总氮的高效去除。
亲电子改性的固体碳源填料是经阳离子聚合物改性的可生物降解聚合物;阳离子聚合物为聚季铵盐-10(PQAS-10)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)中的一种或两种的混合;可生物降解聚合物是聚羟基脂肪酸酯、聚乳酸、聚β-己内酯、聚丁二酸丁二醇酯中的一种或几种的组合，其相对分子量是40,000、50,000、60,000、80,000或140,000;阳离子聚合物和可生物降解聚合物通过机械搅拌、共混、挤出成型工序加工成一定的形状和规格的固体碳源填料。阳离子聚合物的种类影响其亲电子性能，而固体碳源材料的相对分子量则影响其生物降解性能。此外，固体碳源的形态和表面结构也影响微生物的附着和生长。固体碳源填料为中空结构;中空结构内设有交叉的隔板;中空结构为中空圆柱体。中空结构的表面设有若干沿中空结构轴向延伸的突起，优选地，若干轴向延伸的突起环中空结构圆周均匀分布，突起和中间交叉隔板的作用都是为了增加载体的比表面积，有利于微生物的附着和生长。合理的载体规格则有利于载体的悬浮和生物量的保证。优选地，固体碳源填料的规格为：高度为10.0-12.0 mm，外径为 10.0-12.0 mm, 内径为8.6-10.6 mm，比表面积为500-800 m2/m3。固体碳源填料的密度与水相当，可以保证固体碳源填料曝气条件下在水体中呈流化状态。
所述反应器的缺氧滤池区下端设有填料支承板，使固定生物膜载体位于填料支承板上方，所述填料支承板上设有若干布水孔，所述填料支承板与反应器的底部之间留有缓冲空间，所述反应器的进水口、回流口设置在填料支承板的下方，与该缓冲空间连通;所述缓冲空间设有排空口，用于反冲水排放;所述曝气装置通过管道、反冲气阀门与该缓冲空间连通，用于滤池缺氧区的反冲气洗;所述反应器的流化床好氧区上端设有填料挡板，使悬浮生物膜载体位于填料挡板下方;所述出水口位于填料挡板的上方。缺氧滤池-好氧生物流化床一体化反应器外设置可同时用于好氧区曝气和缺氧区反冲气洗的曝气装置即气泵，简化了工艺流程。本发明可以采用进水泵或回流水泵进行反冲水洗。
所述进水管的上游端通过第二液体流量计与进水泵连通，所述进水管的下游端与反应器下端的进水口连通;所述二沉池的底部设有排泥口;所述布水板沿径向设有曝气管安装槽，所述曝气管安装在布水板的曝气管安装槽中;所述曝气管安装槽从布水板的中心沿直径方向向外延伸，贯穿布水板，形成开口槽。曝气管的合适设置可以保证悬浮填料良好的悬浮状态。
