申请日2019.08.21
公开(公告)日2019.10.22
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明提供一种用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统及构建方法，该系统由生物膜反应器、进出气系统、进出水系统和热水循环系统四大部分组成，装置分为连续式运行和间歇式运行方式，所述反应装置主体分别与进出气系统、进出水系统和热水循环系统连接;反应装置主体为密闭的内层筒体和外层筒体构成，在内层筒体内填充有填料和垫层，在内层筒体的底部安装有曝气系统。本发明利用废水厌氧池或污泥厌氧消化产生的甲烷构建反硝化型甲烷氧化系统，能有效降低城镇污水处理厂出水中的氮浓度，降低污水处理厂深度处理运行成本，实现对甲烷的资源化利用，减少甲烷的排放，减缓甲烷排放导致的温室效应，具有显著的经济和环境效益。
权利要求书
1.一种用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统，包括反应装置主体(1)、进出气系统、进出水系统和热水循环系统四大部分，其特征在于：所述反应装置主体(1)分别与进出气系统、进出水系统和热水循环系统连接;反应装置主体(1)为密闭的内层筒体和外层筒体构成，在内层筒体内填充有填料(2)和垫层(3)，在内层筒体的底部安装有曝气系统(4);所述进出气系统包括与反应装置主体(1)底部连接的进气管(7)，在进气管(7)上安装有甲烷在线监测仪(13)，在进气管(7)上位于甲烷在线监测仪(13)的进气端并联有甲烷进气管(22)和空气进气管(23)，在甲烷进气管(22)上由进气端至出气端依次连接有甲烷进气泵(20)、甲烷气体流量计(18)以及阀门(5)，在空气进气管(23)上进气端至出气端依次连接有空气进气泵(21)、空气气体流量计(19)以及阀门(5);所述进出水系统包括分别连接在反应装置主体(1)底部和上部的进水管(9)或出水管(10)，在进水管(9)上由进水端至出水端依次连接有进水箱(16)、进水泵(14)以及阀门(5)，在出水管(10)上安装有阀门(5);所述热水循环系统包括与反应装置主体(1)上内层筒体和外层筒之间的空腔连通的热水进水管(11)和热水出水管(12)，热水进水管(11)和热水出水管(12)的另一端均与恒温水箱(17)连接，在热水进水管(11)和热水出水管(12)上均安装有阀门(5)，在热水进水管(11)上靠近进水端处安装有热水循环泵(15)，在反应装置主体(1)的顶部连接有出气管(8)，在出气管(8)上由进气端至出气端依次安装有阀门(5)和甲烷在线监测仪(13)。
2.根据权利要求1所述的用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统，其特征在于：所述进气管(7)上位于甲烷在线监测仪(13)与反应装置主体(1)之间依次安装有气体单向阀(6)和阀门(5)。
3.根据权利要求1所述的用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统，其特征在于：所述填料(2)为石英砂，粒径为2～4mm;所述垫层(3)为卵石，粒径为8～16mm。
4.根据权利要求1所述的用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统，其特征在于：所述进水箱(16)内盛装有污水处理厂尾水。
5.一种基于权利要求1～4任意一项所述的用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统的构建方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：向反应装置主体(1)内加入接种污泥和废水后密封好，然后启动进出气系统，使反应装置主体(1)内只进气不进水，进行3天的微生物挂膜;
步骤二：挂膜阶段结束后，同时启动进出气系统、进出水系统和热水循环系统，使反应装置主体(1)内正常进气、进水，并通过甲烷气体流量计(18)和空气气体流量计(19)控制混合气体中甲烷浓度，使混合气体中甲烷浓度为1%～4%，同时通过热水循环系统控制反应装置的反应温度为25～30℃;
步骤三：通过甲烷在线监测仪(13)监测进气管(7)和出气管(8)中甲烷的浓度，实时观察进气管(7)和出气管(8)中甲烷浓度的变化，每隔1d检测进出水中pH、DO、温度、氨氮、亚氮、硝氮和COD浓度等物化指标，分析系统对总氮的去除情况;
步骤四：运行一段时间后，对比进气管(7)和出气管(8)中甲烷的浓度，计算系统对甲烷的消耗量，并分析系统的脱氮效率，根据实际情况调整进气管(7)中甲烷的浓度;
步骤五：系统运行稳定后，观察反应装置主体(1)中填料(2)表面微生物的生长情况，分析填料(2)表面上微生物的形态，并采用16S rRNA高通量测序分析微生物种群结构，识别主要的好氧甲烷氧化菌与反硝化细菌，使填料(2)表面富集出好氧甲烷氧化菌，这样便可通过好氧甲烷氧化菌氧化甲烷生成有机物，产生的有机物作为反硝化菌脱氮所需的碳源，将尾水中的硝酸盐氮转化为氮气，达到脱氮目的。
6.根据权利要求1所述的用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统的构建方法，其特征在于：当系统采用连续运行方式时，将进水管(9)连接在反应装置主体(1)的底部，将出水管(10)连接在应装置主体(1)的上部，且水力停留时间范围为12～24h;当系统采用间歇运行方式时，将进水管(9)连接在反应装置主体(1)的上部，将出水管(10)连接在应装置主体(1)的底部，运行周期为“进水0.5h+反应12～24h+出水0.5h”，对比连续运行方式和间歇运行方式的脱氮效果，选择脱氮最优的方式运行系统。
说明书
一种用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统及构建方法
技术领域
本发明涉及一种用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统及构建方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
城镇生活污水经过传统污水处理工艺处理后，其出水中仍含有大量氮污染物，过量氮的排放，会引起水体富营养化，破坏生态环境。由于传统工艺处理后的出水C/N比较低，不能满足反硝化脱氮所需的碳源，因此，常规的深度脱氮处理技术采用外加碳源的方式，常用的碳源为葡萄糖、甲醇、乙酸钠、乙醇等，外加碳源的方式导致处理成本增加、经济效益差、资源浪费等问题，当进水水质波动的情况下容易发生碳源投加不准确的现象，影响出水水质。
甲烷是最简单的有机物，结构稳定，在自然界分布广，是沼气、油田气、天然气和煤矿坑道气的主要成分。其中，沼气中成分有50%～80%的甲烷，产生于沼泽地、化粪池、湖泊底泥和废水厌氧池等，是通过有机物的微生物厌氧消化实现，属于二次能源、可再生能源。
甲烷氧化菌能以甲烷作为唯一的碳源和能源物质，广泛分布于自然环境中如生活垃圾卫生填埋场、泥炭沼泽、煤矿坑、污水处理厂污泥、土壤、水库与河流沉积物和深海沉积物等，在碳循环、氮循环和氧循环中起重要作用。相关研究发现，甲烷氧化菌在氧化甲烷的同时能实现氮的去除，该过程分为反硝化型甲烷好氧氧化(AME-D)和反硝化型甲烷厌氧氧化(ANME-D)。反硝化型甲烷好氧氧化(AME-D)和反硝化型甲烷厌氧氧化(ANME-D)过程均能有效实现氮的去除，但反硝化型甲烷好氧氧化(AME-D)过程需要氧的参与。关于反硝化型甲烷好氧氧化过程(AME-D)的作用机理存在两种解释：①反硝化过程由好氧甲烷氧化菌实现，相关研究发现，部分甲烷氧化菌的基因中含有脱氮基因nirS、nirK和norB等;②反硝化过程由好氧甲烷氧化菌和反硝化细菌协同实现，甲烷氧化菌氧化甲烷会产生中间产物，如甲醇、甲醛、乙酸盐和柠檬酸盐等，所产生的中间产物为反硝化细菌提供碳源。
因此，如何利用废水厌氧池或污泥厌氧消化产生的甲烷构建反硝化型甲烷氧化系统，以降低城镇污水处理厂出水中的氮浓度，降低污水处理厂深度处理运行成本，实现对甲烷的资源化利用，减少甲烷的排放，减缓甲烷排放导致的温室效应等问题，是目前污水处理亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明针对城镇污水处理厂尾水中总氮(TN)浓度高，现采用的深度处理工艺中，需额外投加甲醇、乙酸钠等碳源，处理成本高、经济效益差、资源浪费等问题突出，同时由于污水和污泥处理过程中的厌氧段产生大量甲烷气体，直接排放环境，引发温室效应，对环境造成污染等问题，本发明提供一种用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统及构建方法，以克服现有技术中的不足。
本发明的技术方案：一种用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统，包括反应装置主体、进出气系统、进出水系统和热水循环系统四大部分，所述反应装置主体分别与进出气系统、进出水系统和热水循环系统连接;反应装置主体为密闭的内层筒体和外层筒体构成，在内层筒体内填充有填料和垫层，在内层筒体的底部安装有曝气系统;所述进出气系统包括与反应装置主体底部连接的进气管，在进气管上安装有甲烷在线监测仪，在进气管上位于甲烷在线监测仪的进气端并联有甲烷进气管和空气进气管，在甲烷进气管上由进气端至出气端依次连接有甲烷进气泵、甲烷气体流量计以及阀门，在空气进气管上进气端至出气端依次连接有空气进气泵、空气气体流量计以及阀门;所述进出水系统包括分别连接在反应装置主体底部和上部的进水管或出水管，在进水管上由进水端至出水端依次连接有进水箱、进水泵以及阀门，在出水管上安装有阀门;所述热水循环系统包括与反应装置主体上内层筒体和外层筒之间的空腔连通的热水进水管和热水出水管，热水进水管和热水出水管的另一端均与恒温水箱连接，在热水进水管和热水出水管上均安装有阀门，在热水进水管上靠近进水端处安装有热水循环泵，在反应装置主体的顶部连接有出气管，在出气管上由进气端至出气端依次安装有阀门和甲烷在线监测仪。
进一步，所述进气管上位于甲烷在线监测仪与反应装置主体之间依次安装有气体单向阀和阀门。
进一步，所述填料为石英砂，粒径为2～4mm;所述垫层为卵石，粒径为8～16mm。
进一步，所述进水箱内盛装有污水处理厂尾水。
同时，本发明还提供一种基于上述用于城镇污水处理厂深度脱氮氧化系统的构建方法，包括以下步骤：
步骤一：向反应装置主体内加入接种污泥和废水后密封好，然后启动进出气系统，使反应装置主体内只进气不进水，进行3天的微生物挂膜;
步骤二：挂膜阶段结束后，同时启动进出气系统、进出水系统和热水循环系统，使反应装置主体内正常进气、进水，并通过甲烷气体流量计和空气气体流量计控制混合气体中甲烷浓度，使混合气体中甲烷浓度为1%～4%，同时通过热水循环系统控制反应装置的反应温度为25～30℃;
步骤三：通过甲烷在线监测仪监测进气管和出气管中甲烷的浓度，实时观察进气管和出气管中甲烷浓度的变化，每隔1d检测进出水中pH、DO、温度、氨氮、亚氮、硝氮和COD浓度等物化指标，分析系统对总氮的去除情况;
步骤四：运行一段时间后，对比进气管和出气管中甲烷的浓度，计算系统对甲烷的消耗量，并分析系统的脱氮效率，根据实际情况调整进气管中甲烷的浓度;
步骤五：系统运行稳定后，观察反应装置主体中填料表面微生物的生长情况，分析填料表面上微生物的形态，并采用16S rRNA高通量测序分析微生物种群结构，识别主要的好氧甲烷氧化菌与反硝化细菌，使填料表面富集出好氧甲烷氧化菌，这样便可通过好氧甲烷氧化菌氧化甲烷生成有机物，产生的有机物作为反硝化菌脱氮所需的碳源，将尾水中的硝酸盐氮转化为氮气，达到脱氮目的。
上述方法中，当系统采用连续运行方式时，将进水管连接在反应装置主体的底部，将出水管连接在应装置主体的上部，且水力停留时间范围为12～24h;当系统采用间歇运行方式时，将进水管连接在反应装置主体的上部，将出水管连接在应装置主体的底部，运行周期为“进水0.5h+反应12～24h+出水0.5h”，对比连续运行方式和间歇运行方式的脱氮效果，选择脱氮最优的方式运行系统。
由于采用上述技术方案，本发明的优点在于：
(1)构建的反应装置占地面积小，简单易行，成本低，参数易控制;
(2)进气中甲烷浓度低，可利用废水厌氧池或污泥厌氧消化产生的甲烷与空气混合获得，降低污水处理厂深度处理运行成本，并实现对甲烷的资源化利用，减少甲烷的排放，减缓甲烷排放导致的温室效应，具有显著的经济和环境效益，应用前景广;
(3)反应装置内填料表面形成好氧、缺氧和厌氧的生物膜系统，通过富集出的好氧甲烷氧化菌氧化甲烷产生有机物，为反硝化菌脱氮提供碳源;
(4)构建出的反硝化型甲烷好氧氧化系统(AME-D)能充分利用低浓度的甲烷混合气体，实现城镇污水尾水中总氮的高效去除。
因此，本发明利用废水厌氧池或污泥厌氧消化产生的甲烷构建反硝化型甲烷氧化系统，能有效降低城镇污水处理厂出水中的氮浓度，降低污水处理厂深度处理运行成本，实现对甲烷的资源化利用，减少甲烷的排放，减缓甲烷排放导致的温室效应，具有显著的经济和环境效益。（发明人李彦澄;杨娅男;李江;吴攀;罗坤;刘邓平;李蕾）
