申请日2018.11.26
公开(公告)日2019.02.19
IPC分类号C02F3/30; C02F11/04; C02F101/16
摘要
本发明涉及一种污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法以及装置，该装置由调蓄箱、亚硝化反应器、中间储水箱、厌氧氨氧化反应器组成;污泥热水解厌氧消化沼液进入调蓄箱调节其pH、碱度值，然后进入亚硝化反应器中实现热水解沼液的部分亚硝化，将沼液中氨氮按一定比例氧化成亚硝氮，同时去除易降解有机物的;随后进入中间储水箱，调节沼液中亚硝氮与氨氮的比值、pH及碱度;最后将调节好的出水进入厌氧氨氧化反应器，实现沼液中氮的去除。与现有技术相比，本发明具有氨氮去除率高效果好同时实现去除大部分易降解有机物等优点。
权利要求书
1.一种污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)污泥热水解厌氧消化沼液的预处理
将污泥热水解厌氧消化沼液的PH值调节至7.5-8.3，然后调节沼液碱度至4500-6000mgCaCO3/L，进水后预沉淀2-4h，排出沉积污泥，获得反应进水;
(2)亚硝化反应-反硝化反应
步骤(1)中反应进水加入亚硝化反应器进行全部亚硝化反应或者部分亚硝化反应得到亚硝化反应-反硝化反应出水;
(3)将污泥热水解厌氧消化沼液的PH调节至7.2-8，然后加入步骤(2)中得到的亚硝化反应-反硝化反应出水，调节所述亚硝化反应-反硝化反应出水的NO2--N与NH4+-N的比值为1.19-1.30，进水后预沉淀2-4h，排出沉积的污泥，得到厌氧氨氧化反应进水;
(4)厌氧氨氧化反应
步骤(3)中得到的厌氧氨氧化反应进水加入厌氧氨氧化反应器进行厌氧氨氧化反应，完成对所述污泥热水解厌氧消化沼液的处理过程。
2.根据权利要求1所述的一种污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法，其特征在于，所述的步骤(1)中沼液的PH值采用NaHCO3和HCl调节;沼液碱度采用NaHCO3调节。
3.根据权利要求1所述的一种污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法，其特征在于，所述步骤(2)中亚硝化反应器采用SBR工艺运行，包括反应启动阶段和稳定反应阶段，该亚硝化反应器的运行方法具体为：
(1)启动阶段
接种部分亚硝化反应-反硝化反应所使用的污泥，采用SBR工艺运行，反应器内污泥浓度为4-5mg/L，pH控制在7.5-8.3，温度为33-35℃;阶段性梯度增加反应器负荷，将进水NH4+-N的浓度从200～1000mL提升至1800mg/L，控制溶解氧由0.8-1.5mg/L降为0.3-0.7mg/L，HRT为40h;
(2)稳定运行阶段
所述稳定运行阶段中亚硝化反应器的排水比设为50%，所述反应进水的NH4+-N为1400-1800mg/L，COD为1800-2300mg/L;
所述全部亚硝化反应的工艺参数为：单个周期反应时间为7-11h;所述亚硝化反应-反硝化反应出水中NH4+-N浓度为5-50mg/L，NO2--N浓度为1200-1500mg/L，COD为697-1339mg/L;
所述部分亚硝化反应的工艺参数为：反应周期包括厌氧搅拌阶段、曝气搅拌阶段，其中厌氧搅拌3-8h，曝气搅拌5-8h;曝气量为0.88-2L空气/min·L反应器;所述亚硝化反应-反硝化反应出水中NH4+-N浓度为400-600mg/L，NO2--N浓度为500-650mg/L，所述亚硝化反应-反硝化反应出水中NO2--N与NH4+-N的比值为1-1.5。
4.根据权利要求1所述的一种污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法，其特征在于，步骤(4)中所述厌氧氨氧化反应器采用连续流工艺运行，包括启动阶段和稳定运行阶段，具体运行方式为：
(1)启动阶段
采用逐步提高厌氧氨氧化反应器负荷的方式启动反应器，将厌氧氨氧化反应器进水中NH4+-N由50mg/L逐级调节至400-600mg/L，NO2--N由66mg/L逐级调节至500-650mg/L，COD为905.17-1200mg/L;厌氧氨氧化反应器的HRT由最初的9h增加至29-40h;
(1)稳定运行阶段
所述厌氧氨氧化反应器内PH值为7-8.3，反应温度为33-35℃;所述厌氧氨氧化反应器出水中NH4+-N为0-10mg/L，NO2--N为0-20mg/L，NO3--N为20-70mg/L，COD为700-1000mg/L;氮氧化负荷为0.71-1.31kgN/m3·d。
5.根据权利要求1所述的一种污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法，其特征在于，所述亚硝化反应器启动时间为12-20天，HRT为25-35小时;厌氧氨氧化反应器启动时间为40-60天，HRT为29-36小时。
6.一种应用如权利要求1所述的污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法的装置，其特征在于，包括依次连接的热水解沼液调蓄箱(1)、亚硝化反应器(2)、中间储水箱(3)、厌氧氨氧化反应器(4)，以及pH控制系统、溶解氧控制系统和搅拌系统，所述热水解沼液调蓄箱(1)通过第一输送泵(2.1)与亚硝化反应器(2)的进水口和中间储水箱(3)的进水口相连;所述亚硝化反应器(2)的出水口通过第二输送泵(3.1)与中间储水箱(3)的进水口相连;中间储水箱(3)的出水口通过第三输送泵(4.1)与厌氧氨氧化反应器(4)的进水口相连;
所述热水解沼液调蓄箱(1)、亚硝化反应器(2)、中间储水箱(3)、厌氧氨氧化反应器(4)底部设有排泥管;
所述pH控制系统包括酸碱泵(5.1)、PH调节剂储罐(5.2)、pH在线测定仪、pH控制器;所述热水解沼液调蓄箱(1)、亚硝化反应器(2)、中间储水箱(3)、厌氧氨氧化反应器(4)中均设有pH探头，所述pH探头与所述控制器信号连接，所述pH控制器控制酸碱泵(5.1)的开关;PH调节剂储罐(5.2)装有酸性调节剂或者碱性调节剂;
所述溶解氧控制系统包括DO在线测定仪(2.5)和DO控制系统(2.7);所述亚硝化反应器(2)的下部设有曝气头(2.10)，空压机(2.8)通过气量调节阀(2.9)与所述曝气头(2.10)相连;所述DO在线测定仪(2.5)设于所述亚硝化反应器(2)内部，与所述DO控制系统(2.7)相连，所述DO控制系统(2.7)控制所述调节阀(2.9)的开度。
所述热水解沼液调蓄箱(1)、亚硝化反应器(2)、中间储水箱(3)、厌氧氨氧化反应器(4)内均设有搅拌系统，所述搅拌系统包括搅拌机和与搅拌装置。
7.根据权利要求6所述的污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法的装置，其特征在于，所述pH探头分别设于所述热水解沼液调蓄箱(1)、亚硝化反应器(2)、中间储水箱(3)、厌氧氨氧化反应器(4)高度的1/2处。
8.根据权利要求6所述的污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法的装置，其特征在于，所述DO在线测定仪设于所述亚硝化反应器(2)高度的1/2处。
9.根据权利要求6所述的污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法的装置，其特征在于，所述厌氧氨氧化反应器(4)内设有折流板(4.6)，所述厌氧氨氧化反应器(4)的出水口(4.7)设于所述厌氧氨氧化反应器(4)沉淀区的上端。
说明书
一种污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法及装置
技术领域
本发明涉及一种高效处理污泥热水解厌氧消化沼液的方法，尤其是涉及一种污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法及装置。
背景技术
随着人类生活水平不断提高，污水处理设施建设得到高速发展，与此同时，污泥作为污水生物处理的副产物，其产量急剧增加。热水解厌氧消化技术可提高污泥的水解效果和有机物降解率，增加沼气产量;杀灭污泥中病菌;缩短厌氧消化的停留时间，提高消化池内的污泥浓度。同时使消化后的污泥易于脱水，污泥体积减少，因而在越来越多的实际工程中得到应用。
但是，污泥热水解厌氧消化技术产生的沼液中氨氮和有机物较之普通污泥厌氧消化液显著提高，处理难度进一步增加，目前，该沼液主要回流至污水处理厂前端进行处理，高氨氮的消化液直接回流会增加15%～25%的进水氨氮负荷，降低城市污水处理厂的出水水质，因此，面对更高浓度氨氮和COD的热水解消化液的处理，是污泥处理厂发展污泥热水解厌氧消化技术处理污泥亟需解决的问题。
热水解污泥消化液是一种典型的碱度与有机碳双重缺乏的高氨氮废水，采用传统的硝化反硝化脱氮技术不仅处理费用高昂，且很难保证稳定的出水效果，厌氧氨氧化脱氮技术是解决热水解污泥消化液问题的有效途，该技术已广泛应用于传统沼液的脱氮处理，但关于该技术在热水解消化液脱氮处理中的研究与工程应用案例较少，工艺研究集中在热水解沼液的一体式厌氧氨氧化脱氮研究，且报道突出的共性，表明污泥热水解厌氧消化沼液对功能菌(AOB及Anammox菌)具有抑制作用、启动时间长、运行稳定性较差、脱氮性能不足、工艺运行控制较为复杂，在一定程度上增加了运行管理难度。
本发明针对上述问题，提出热水解沼液先通过部分亚硝化再进行厌氧氨氧化的脱氮工艺，采用原沼液辅助调配部分亚硝化段出水产物的组成，实现高效、高负荷、低成本、较低控制难度的热水解沼液的脱氮及COD的去除。
中国专利108585202A公布了一种序批式反应器中实现部分短程硝化、污泥发酵耦合反硝化与厌氧氨氧化处理生活污水的工艺，包括进水水箱、部分短程硝化反应器(PN-SBR)、中间水箱、厌氧氨氧化耦合污泥发酵与反硝化反应器ASFD-SBR)、出水水箱。部分短程硝化反应器(PN-SBR)中进行部分短程硝化，将原水中一部分氨氮转化为亚硝态氮。厌氧氨氧化耦合污泥发酵与反硝化反应器FD-SBR)中厌氧氨氧化菌将进水氨氮和亚硝态氮转化为氮气和少量硝态氮，产生的硝态氮由污泥发酵产生的碳源还原为氮气，其中固定床填料用于持留厌氧氨氧化菌，反硝化与污泥发酵过程在絮体污泥中发生。但是该专利提供的处理生活污水的工艺仅能处理低浓度氨氮的生活污水，而污泥热水解厌氧消化沼液中氨氮的浓度较高，该工艺不能处理污泥热水解厌氧消化技术产生的沼液。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法及装置，具体是一种部分亚硝化-反硝化-厌氧氨氧化处理污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法及装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
(1)污泥热水解厌氧消化沼液的预处理
将污泥热水解厌氧消化沼液的PH值调节至7.5-8.3，然后调节沼液碱度至4500-6000mgCaCO3/L，进水后预沉淀2-4h，排出沉积污泥，获得反应进水;
(2)亚硝化反应-反硝化反应
步骤(1)中反应进水加入亚硝化反应器进行全部亚硝化反应或者部分亚硝化反应得到亚硝化反应-反硝化反应出水;
(3)将污泥热水解厌氧消化沼液的PH调节至7.2-8，然后加入步骤(2)中得到的亚硝化反应-反硝化反应出水，调节所述亚硝化反应-反硝化反应出水的NO2--N与NH4+-N的比值为1.25-1.33，进水后预沉淀2-4h，排出沉积的污泥，得到厌氧氨氧化反应进水;
(4)厌氧氨氧化反应
步骤(3)中得到的厌氧氨氧化反应进水加入厌氧氨氧化反应器进行厌氧氨氧化反应，完成对所述污泥热水解厌氧消化沼液的处理过程。
所述的步骤(1)中沼液的PH值采用NaHCO3和HCl调节;沼液碱度采用NaHCO3调节。
本发明中原沼液首先经过部分亚硝化的预处理段，实现大部分易降解有机物的去除，采用原沼液辅助调节NO2--N与NH4+-N比值，为后续厌氧氨氧化段的稳定运行提供理想进水
所述步骤(2)中亚硝化反应器采用SBR工艺运行，包括反应启动阶段和稳定反应阶段，该亚硝化反应器的运行方法具体为：
(1)启动阶段
接种部分亚硝化反应-反硝化反应所使用的污泥，采用SBR工艺运行，反应器内污泥浓度为4-5mg/L，pH控制在7.5-8.3，温度为33-35℃;阶段性梯度增加反应器负荷，将进水NH4+-N的浓度从200～1000mL提升至1800mg/L，控制溶解氧DO由0.8-1.5mg/L降为0.3-0.7mg/L，HRT为40h;
(2)稳定运行阶段
所述稳定运行阶段中亚硝化反应器的排水比设为50%，所述反应进水的NH4+-N为1400-1800mg/L，COD为1800-2300mg/L;
所述全部亚硝化反应的工艺参数为：单个周期反应时间为7-11h;所述亚硝化反应-反硝化反应出水中NH4+-N浓度为5-50mg/L，NO2--N浓度为1200-1500mg/L，COD为697-1339mg/L;
所述部分亚硝化反应的工艺参数为：反应周期包括厌氧搅拌阶段、曝气搅拌阶段，其中厌氧搅拌3-8h，曝气搅拌5-8h;曝气量为0.88-2L空气/min·L反应器;所述亚硝化反应-反硝化反应出水中NH4+-N浓度为400-600mg/L，NO2--N浓度为500-650mg/L，所述亚硝化反应-反硝化反应出水中NO2--N与NH4+-N的比值为1-1.5。
步骤(4)中所述厌氧氨氧化反应器采用连续流工艺运行，包括启动阶段和稳定运行阶段，具体运行方式为：
(1)启动阶段
采用逐步提高厌氧氨氧化反应器负荷的方式启动反应器，将厌氧氨氧化反应器进水中NH4+-N由50mg/L逐级调节至400-600mg/L，NO2--N由66mg/L逐级调节至500-650mg/L，COD为905.17-1200mg/L;厌氧氨氧化反应器的HRT由最初的9h增加至29-40h;
(1)稳定运行阶段
所述厌氧氨氧化反应器内PH值为7-8.3，反应温度为33-35℃;所述厌氧氨氧化反应器出水中NH4+-N为0-10mg/L，NO2--N为0-20mg/L，NO3--N为20-70mg/L，COD为700-1000mg/L;氮氧化负荷为0.71-1.31kgN/m3·d。
所述亚硝化反应器启动时间为12-20天，HRT为25-35小时;厌氧氨氧化反应器启动时间为40-60天，HRT为29-36小时。
本发明还提供了一种应用上述污泥热水解厌氧消化沼液的组合脱氮方法的装置，包括依次连接的热水解沼液调蓄箱、亚硝化反应器、中间储水箱、厌氧氨氧化反应器，以及pH控制系统、溶解氧控制系统和搅拌系统，所述热水解沼液调蓄箱通过第一输送泵与亚硝化反应器的进水口和中间储水箱的进水口相连;所述亚硝化反应器的出水口通过第二输送泵与中间储水箱的进水口相连;中间储水箱的出水口通过第三输送泵与厌氧氨氧化反应器的进水口相连;
所述热水解沼液调蓄箱、亚硝化反应器、中间储水箱、厌氧氨氧化反应器底部设有排泥管;
所述pH控制系统包括酸碱泵、PH调节剂储罐、pH在线测定仪、pH控制器;所述热水解沼液调蓄箱、亚硝化反应器、中间储水箱、厌氧氨氧化反应器中均设有pH探头，所述pH探头与所述控制器信号连接，所述pH控制器控制酸碱泵的开关;PH调节剂储罐装有酸性调节剂或者碱性调节剂;其中，酸性调节剂为HCl，碱性调节剂为NaHCO3。
所述溶解氧控制系统包括DO在线测定仪和DO控制系统;所述亚硝化反应器的下部设有曝气头，空压机通过气量调节阀与所述曝气头相连;所述DO在线测定仪设于所述亚硝化反应器内部，与所述DO控制系统相连，所述DO控制系统控制所述调节阀的开度。
所述热水解沼液调蓄箱、亚硝化反应器、中间储水箱、厌氧氨氧化反应器内均设有搅拌系统，所述搅拌系统包括搅拌机和与搅拌装置。
所述pH探头分别设于所述热水解沼液调蓄箱、亚硝化反应器、中间储水箱、厌氧氨氧化反应器高度的1/2处。
所述DO在线测定仪设于所述亚硝化反应器高度的1/2处。
所述厌氧氨氧化反应器内设有折流板，所述厌氧氨氧化反应器的出水口设于所述厌氧氨氧化反应器沉淀区的上端。
本发明中污泥热水解厌氧消化沼液进入调蓄箱进行水质调节(包括pH、碱度等)，之后进入亚硝化反应器中实现热水解沼液的部分亚硝化，将沼液中氨氮按一定比例氧化成亚硝氮，同时实现易降解有机物的去除。随后进入中间储水箱，调节沼液中亚硝氮与氨氮的比值、pH及碱度。最后，将调节好的出水进入厌氧氨氧化反应器，实现沼液中氮的去除。
对比中国专利108585202A中的工艺流程，可以发现，中国专利108585202A中的工艺流程主要针对的是低浓度氨氮的生活污水的处理，并不能直接应用于高浓度氨氮的污泥热水解厌氧消化沼液的脱氮处理，因此本发明的处理对象与该专利的处理对象不同;本发明的工艺整体思路与该公开专利也存在不同，在中国专利108585202A中，反硝化与厌氧氨氧化过程在同一个容器中发生，且厌氧氨氧化菌需采用固定床填料持留，本发明亚硝化阶段作为预处理段，主要反硝化过程发生在亚硝化阶段，少量发生在厌氧氨氧化段，且厌氧氨氧菌无需添加填料持留。中国专利108585202A利用污泥发酵为反硝化提供碳源，而本发明利用沼液自身含有的碳源供反硝化使用，因此反硝化所需的有机碳来源也不同。在具体反应过程中，反硝化反应针对的对象也不同：中国专利108585202A主要为反硝化厌氧氨氧化过程产生的硝氮，本发明主要反硝化亚硝化过程产生的亚硝氮，降低后续厌氧氨氧化段的压力，部分反硝化厌氧氨氧化段产生的硝氮。最后，该公开专利通过HRT调节亚硝化反应器出水的NO2--N与NH4+-N的比值，本发明采取HRT主要调节及原沼液辅助调节亚硝化反应器出水的NO2--N与NH4+-N的比值。该公开专利将反硝化过程置于第二段，生活污水中自身持有的有机碳没有有效利用，亚硝化反应器仅通过HRT调节，很难获取较为稳定的NO2--N与NH4+-N的比值的出水，使得脱氮系统总氮去除率无法得以保证。因此，虽然该公开专利与本发明的工艺流程形式上相似，但是从反应原料，反应机理以及反应最终效果来说，本发明均与该公开专利的技术有很大区别。
与现有技术相比，本发明中具有以下优点：
1)部分亚硝化段作为热水解沼液的预处理段，部分亚硝化实现的同时，充分利用沼液中易降解有机物反硝化，同时耦合好氧过程对COD进一步去除，部分毒性物质得以被活性污泥吸附，为后续厌氧氨氧化段提供理想的进水，同时缓解后续处理工艺的压力。
2)本发明通过原沼液辅助调节亚硝化反应器出水的NO2--N与NH4+-N的比值，使得系统抗亚硝氮抑制厌氧氨氧化菌的风险增强，总氮去除率增加，系统运行更为稳定。
3)与一体式厌氧氨氧化脱氮工艺相比，本工艺避免了热水解沼液对功能菌的抑制问题，操作简单，系统运行更为稳定。
4)与传统脱氮工艺相比，本工艺碳源添加量减少100%，曝气量减少40%，污泥量减少90%，整体运行成本节省84%，可显著降低运行费用。
5)该方法总氮去除率为94%-98.9%，COD去除率为56%-65%。
