申请日20200714
公开(公告)日20200915
IPC分类号C02F3/30; C02F101/16
摘要
本发明公开了一种处理低C/N城市污水连续流的强化脱氮系统及方法。该强化脱氮系统包括依次连接的原水水池、强化脱氮装置和沉淀池;还包括：反应前氨氮在线传感器、反应前硝态氮在线传感器、反应后氨氮在线传感器、反应后硝态氮在线传感器、pH在线传感器、控制系统、搅拌装置、曝气器、气体流量计、鼓风机、厌氧氨氧化菌悬浮填料、溢流口、加药装置、加药泵。本发明能够实现外碳源反硝化、内碳源反硝化、短程反硝化耦合厌氧氨氧化三种脱氮技术的耦合，大大提高了脱氮效率，能够为低C/N城市污水处理厂的新建及原有以AO/A2O作为主要生物处理工艺的污水处理厂的升级改造提供一定的参考。
权利要求书
1.一种处理低C/N城市污水连续流的强化脱氮系统，其特征在于，该强化脱氮系统包括依次连接的原水水池(1)、强化脱氮装置(2)和沉淀池(3);
所述强化脱氮装置(2)包括依次设置的厌氧区(21)、缺氧1区(22)、好氧1区(23)、缺氧2区(24)和好氧2区(25)，相邻区域之间设置有折流板，各个区域内部可选地设置有折流板，引导水流按运行方向依次通过厌氧区(21)、缺氧1区(22)、好氧1区(23)、缺氧2区(24)和好氧2区(25);
所述强化脱氮系统还包括：
反应前氨氮在线传感器(51)，设置于好氧1区(23)的末端;
反应前硝态氮在线传感器(52)，设置于好氧1区(23)的末端;
反应后氨氮在线传感器(54)，设置于缺氧2区(24)的末端;
反应后硝态氮在线传感器(55)，设置于缺氧2区(24)的末端;
pH在线传感器(53)，设置于缺氧2区(24)的首端;
控制系统(5)，所述控制系统(5)连接反应前氨氮在线传感器(51)、反应前硝态氮在线传感器(52)、pH在线传感器(53)、反应后氨氮在线传感器(54)、反应后硝态氮在线传感器(55)和计算机(56);根据各传感器采集到的信号，通过计算机(56)输出，实时监测好氧1区(23)末端和缺氧2区(24)末端的氨氮和硝态氮的浓度以及缺氧2区(24)首端的pH;
搅拌装置(26)，设置于所述厌氧区(21)、所述缺氧1区(22)和所述缺氧2区(24)内;
曝气器(28)，设置于所述好氧1区(23)和所述好氧2区(25)内;
厌氧氨氧化菌悬浮填料(211)，设置于缺氧2区(24)内;
溢流口(212)，设置于好氧2区(25)顶部，与沉淀池(3)相连;
所述强化脱氮系统还包括气体流量计(29)和鼓风机(210)，控制系统(5)、鼓风机(210)和气体流量计(29)依次连接，控制系统(5)用于控制鼓风机(210)调节曝气器(28)的曝气量;
所述强化脱氮系统还包括加药装置(4)和加药泵(41)，控制系统(5)连接加药装置(4)，控制加药装置(4)通过加药泵(41)向缺氧2区(24)首端投加药剂。
2.根据权利要求1所述的强化脱氮系统，其中，所述悬浮填料(211)为中心有网格结构的圆柱状，尺寸为D10mm×7mm、D25mm×10mm或D25mm×4mm，密度为0.94-0.97g/cm3，孔隙率为85%-95%，有效比表面积为500-1200m2/m3。
3.根据权利要求1所述的强化脱氮系统，其中，
所述强化脱氮系统还包括进水泵(11)，用于将原水水池(1)的城市污水输送至厌氧区(21)。
4.根据权利要求1所述的强化脱氮系统，其中，
所述强化脱氮系统还包括污泥回流泵(31)，回流污泥通过污泥回流泵(31)回流至强化脱氮装置(2)的厌氧区(21)。
5.根据权利要求1所述的强化脱氮系统，其中，
所述强化脱氮系统还包括硝化液回流泵(27)，用于将好氧1区(23)末端的液体输送至缺氧1区(22)的首端。
6.根据权利要求1所述的强化脱氮系统，其中，所述强化脱氮系统还包括排泥阀(32)，剩余污泥通过排泥阀(32)排放。
7.一种处理低C/N城市污水连续流的强化脱氮方法，其特征在于，该强化脱氮方法采用权利要求1-6中任意一项所述的该强化脱氮系统，该强化脱氮方法包括：
1)将原水水池(1)中的城市污水输送至强化脱氮装置(2)的厌氧区(21)，同时进入的还有来自沉淀池(3)的回流污泥，污泥回流比为100%-200%，由搅拌装置(26)均匀混合，厌氧区(21)内混合液的平均污泥浓度为6000-10000mg/L;
2)混合液随后进入缺氧1区(22)的首端，同时进入的还有经好氧1区(23)充分硝化的硝化液，硝化液的回流比为100%-300%，进入后由搅拌装置(26)均匀混合;
3)流经缺氧1区(22)的混合液随后进入好氧1区(23)，控制好氧1区(23)的溶解氧浓度为0.5-1.5mg/L，在此完成硝化反应，通过控制曝气量和水力停留时间将好氧1区(23)的混合液中40%-60%的氨氮转化为硝态氮，同时使好氧1区(23)末端的氨氮和硝态氮浓度比为1:1-1.3;
4)流经好氧1区(23)的混合液随后进入缺氧2区(24)，其中厌氧氨氧化菌悬浮填料(211)填充率为1%-50%，微生物利用内碳源将硝态氮转化为亚硝态氮;
5)流经缺氧2区(24)的混合液随后进入好氧2区(25)，控制好氧2区(25)的溶解氧浓度为0.5-2mg/L，在此完成剩余氨氮的氧化反应，保证好氧2区(25)出水氨氮的浓度<4.5mg/L;
6)好氧2区(25)出水进入沉淀池(3)，沉淀后出水直接排放，沉淀污泥进行污泥回流，根据系统处理效果与污泥浓度可选地进行排泥;
7)强化脱氮装置(2)中所述厌氧区(21)、所述缺氧1区(22)、所述好氧1区(23)、所述缺氧2区(24)和所述好氧2区(25)的体积比为1:3-4:2-3:2-4:0.5-1，总水力停留时间为8-16h。
8.根据权利要求7所述的强化脱氮方法，其中，所述强化脱氮方法还包括：加药系统(4)通过加药泵(41)将药剂投加至缺氧2区(24)首端，调节缺氧2区(24)的pH值至8.5～9.0，强化短程反硝化反应。
9.根据权利要求7所述的强化脱氮方法，其中，根据计算机(56)输出的反应前氨氮在线传感器(51)、反应前硝态氮在线传感器(52)、pH在线传感器(53)、反应后氨氮在线传感器(54)和反应后硝态氮在线传感器(55)的各指标数值并结合鼓风机(210)、加药泵(41)，及时地调整运行工况;
反应前氨氮在线传感器(51)和反应前硝态氮在线传感器(52)采集好氧1区(23)末端中的氨氮浓度和硝态氮浓度，通过计算机(56)的输出，得到实时控制变量;当氨氮浓度与硝态氮浓度比值<1时，通过降低鼓风机(210)频率和/或调小气体流量计(29)从而减小曝气量来增大氨氮负荷，降低硝化反应程度减少硝态氮的生成，以实现好氧1区(23)末端中氨氮和硝态氮的比例维持在1:1～1.3;当氨氮浓度与硝态氮浓度比值>1/1.3时，通过增加鼓风机(210)频率和/或调大气体流量计(29)从而增大曝气量降低氨氮负荷，提高硝化反应程度来增加硝态氮的生成，以实现好氧1区(23)末端中氨氮和硝态氮的比例维持在1:1～1.3;
pH在线传感器(53)采集缺氧2区(24)首端的pH值，通过计算机(56)的输出，得到实时控制变量;根据实际试验效果在10min内将反应池内的pH值调至8.5～9.0，并继续维持20min后停止加药;若在此30min内，当pH在线传感器(53)监测到池内pH值>9.5时，立即停止加药;通过控制加药泵(41)的启停，来实现加药过程;
反应后氨氮在线传感器(54)和反应后硝态氮在线传感器(55)采集缺氧2区(24)末端中的氨氮浓度和硝态氮浓度，通过计算机(56)的输出，得到实时控制变量;当反应后氨氮在线传感器(54)与反应前氨氮在线传感器(51)反馈的浓度差值在0～0.3mg/L范围内、当反应后硝态氮在线传感器(55)与反应前硝态氮在线传感器(52)时反馈的浓度差值在0～0.5mg/L范围内或者当反应后氨氮在线传感器(54)与反应后硝态氮在线传感器(55)反馈的浓度之和>13mg/L时，通过开启加药泵(41)调节缺氧2区(24)的pH值至8.5～9.0，按照设定程序停止加药，若上述控制变量仍未得到有效改善，1h后再次启动上述加药程序，直至控制变量超出加药程序启动范围，以促进短程反硝化反应的发生，从而为厌氧氨氧化菌提供反应基质，强化厌氧氨氧化自养脱氮反应;当反应后氨氮在线传感器(54)反馈的浓度值为>6mg/L时，通过增加鼓风机(210)频率和/或调大气体流量计(29)从而增大曝气量降低氨氮负荷。
10.根据权利要求7所述的强化脱氮方法，其中，所述低C/N城市污水的C/N比为1-3。
说明书
一种处理低C/N城市污水连续流的强化脱氮系统及方法
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，更具体地，涉及一种处理低C/N城市污水连续流的强化脱氮系统及方法，特别适用于城市污水处理厂的新建及原有以AO/A2O作为主要生物处理工艺的污水处理厂的升级改造。
背景技术
当前我国自然水体污染形势严峻，城镇污水处理厂是解决城市水污染问题不可或缺的组成部分。为进一步控制水体污染，我国城镇污水排放标准也日益提高，为了在我国城市污水C/N值较低的条件下仍能实现高品质的出水水质，城镇污水处理厂输入大量能源、碳源药剂，运行成本居高不下，并且产生大量剩余污泥和臭味等问题，难以实现可持续发展。国内外大型污水处理厂中应用最广泛的主要生物处理工艺为传统的AO/A2O工艺，利用传统的硝化反硝化工艺对污水中的氮素进行去除，该工艺存在技术落后、运行费用高等问题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提出一种处理低C/N城市污水连续流的强化脱氮系统与方法，较传统脱氮工艺能够节约50%的脱氮曝气量、节省100%的外碳源投加费用、降低运行费用、减少剩余污泥产量，绿色环保，且引入实时控制系统，能够及时灵活的调整运行效果，处理效果稳定且脱氮效率高，能够为低C/N城市污水处理厂的新建及原有以AO/A2O作为主要生物处理工艺的污水处理厂的升级改造提供一定的参考。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种强化脱氮系统，该强化脱氮系统包括依次连接的原水水池、强化脱氮装置和沉淀池;
所述强化脱氮装置包括依次设置的厌氧区、缺氧1区、好氧1区、缺氧2区和好氧2区，相邻区域之间设置有折流板，各个区域内部可选地设置有折流板，引导水流按运行方向依次通过厌氧区、缺氧1区、好氧1区、缺氧2区和好氧2区;
所述强化脱氮系统还包括：
反应前氨氮在线传感器，设置于好氧1区的末端;
反应前硝态氮在线传感器，设置于好氧1区的末端;
反应后氨氮在线传感器，设置于缺氧2区的末端;
反应后硝态氮在线传感器，设置于缺氧2区的末端;
pH在线传感器，设置于缺氧2区的首端;
控制系统，所述控制系统连接反应前氨氮在线传感器、反应前硝态氮在线传感器、pH在线传感器、反应后氨氮在线传感器、反应后硝态氮在线传感器和计算机;根据各传感器采集到的信号，通过计算机输出，实时监测好氧1区末端和缺氧2区末端的氨氮和硝态氮的浓度以及缺氧2区首端的pH;
搅拌装置，设置于所述厌氧区、所述缺氧1区和所述缺氧2区内;
曝气器，设置于所述好氧1区和所述好氧2区内;
厌氧氨氧化菌悬浮填料，设置于缺氧2区内;
溢流口，设置于好氧2区顶部，与沉淀池相连;
所述强化脱氮系统还包括气体流量计和鼓风机，控制系统、鼓风机和气体流量计依次连接，控制系统用于控制鼓风机调节曝气器的曝气量;
所述强化脱氮系统还包括加药装置和加药泵，控制系统连接加药装置，控制加药装置通过加药泵向缺氧2区首端投加药剂。
作为优选方案，所述悬浮填料为中心有网格结构的圆柱状，尺寸为D10mm×7mm、D25mm×10mm或D25mm×4mm，密度为0.94-0.97g/cm3，孔隙率为85-95%，有效比表面积为500-1200m2/m3。
作为优选方案，所述强化脱氮系统还包括进水泵，用于将原水水池的城市污水输送至厌氧区。
作为优选方案，所述强化脱氮系统还包括污泥回流泵，回流污泥通过污泥回流泵回流至强化脱氮装置的厌氧区。
作为优选方案，所述强化脱氮系统还包括硝化液回流泵，用于将好氧1区末端的液体输送至缺氧1区的首端。
作为优选方案，所述强化脱氮系统还包括排泥阀，剩余污泥通过排泥阀排放。
本发明的第二方面提供一种处理低C/N城市污水连续流的强化脱氮方法，该强化脱氮方法采用上述的强化脱氮系统，该强化脱氮方法包括：
1)将原水水池中的城市污水输送至强化脱氮装置的厌氧区，同时进入的还有来自沉淀池的回流污泥，污泥回流比为100%-200%，由搅拌装置均匀混合，厌氧区内混合液的平均污泥浓度为6000-10000mg/L;微生物利用城市污水中的有机物(外碳源)合成内碳源物质储存于细胞体内;
2)混合液随后进入缺氧1区的首端，同时进入的还有经好氧1区充分硝化的硝化液，硝化液的回流比为100%-300%，进入后由搅拌装置均匀混合;经过厌氧区未经降解的有机物(外碳源)和细胞体内的内碳源物质被微生物利用进行外碳源反硝化和内碳源反硝化脱氮反应;
3)流经缺氧1区的混合液随后进入好氧1区，控制好氧1区的溶解氧浓度为0.5-1.5mg/L，在此完成硝化反应，通过控制曝气量和水力停留时间将好氧1区的混合液中40%-60%的氨氮转化为硝态氮，同时使好氧1区末端的氨氮和硝态氮浓度比为1:1-1.3;
4)流经好氧1区的混合液随后进入缺氧2区，其中厌氧氨氧化菌悬浮填料填充率为1%-50%，微生物利用内碳源将硝态氮转化为亚硝态氮，为厌氧氨氧化菌提供反应基质，从而实现自养脱氮反应;
5)流经缺氧2区的混合液随后进入好氧2区，控制好氧2区的溶解氧浓度为0.5-2mg/L，在此完成剩余氨氮的氧化反应，保证好氧2区出水氨氮的浓度<4.5mg/L;
6)好氧2区出水进入沉淀池，沉淀后出水直接排放，沉淀污泥进行污泥回流，根据系统处理效果与污泥浓度可选地进行排泥;
7)强化脱氮装置中厌氧区、缺氧1区、好氧1区、缺氧2区和好氧2区的体积比为1:3-4:2-3:2-4:0.5-1，强化脱氮装置内的总水力停留时间为8-16h。
根据本发明，本领域技术人员可根据需要对填充率具体地进行选择。
根据本发明，所述低C/N城市污水的C/N比为1-3。
作为优选方案，加药系统通过加药泵将药剂投加至缺氧2区的首端，调节缺氧2区的pH值至8.5-9.0，强化缺氧2区的短程反硝化反应，从而为厌氧氨氧化自养脱氮反应提供必要保障。
根据本发明，强化脱氮装置中的好氧1区末端、缺氧2区首端和末端均设有在线监测设备，分别是反应前氨氮在线传感器、反应前硝态氮在线传感器、pH在线传感器、反应后氨氮在线传感器、反应后硝态氮在线传感器，本领域技术人员可根据计算机输出的各指标数值并结合鼓风机、加药泵等，及时调整运行工况。
作为优选方案，反应前氨氮在线传感器和反应前硝态氮在线传感器采集好氧1区末端中的氨氮浓度和硝态氮浓度，通过计算机的输出，得到实时控制变量;当氨氮浓度与硝态氮浓度比值<1时，通过降低鼓风机频率和/或调小气体流量计从而减小曝气量来增大氨氮负荷，降低硝化反应程度减少硝态氮的生成，以实现好氧1区末端中氨氮和硝态氮的比例维持在1:1～1.3;当氨氮浓度与硝态氮浓度比值>1/1.3时，通过增加鼓风机频率和/或调大气体流量计从而增大曝气量降低氨氮负荷，提高硝化反应程度来增加硝态氮的生成，以实现好氧1区末端中氨氮和硝态氮的比例维持在1:1～1.3。
作为优选方案，在一个具体的实施方式中，pH在线传感器采集缺氧2区首端的pH值，通过计算机的输出，得到实时控制变量;根据实际试验效果在10min内将反应池内pH值调至8.5～9.0，并继续维持20min后停止加药;若在此30min内，当pH在线传感器监测到池内pH值>9.5时，立即停止加药。
上述调节pH值的时间和维持加药泵开启时间可以根据实际需要进行设定修改，通过控制加药泵的启停，来实现加药过程。
作为优选方案，在一个具体的实施方式中，反应后氨氮在线传感器和反应后硝态氮在线传感器采集缺氧2区末端中的氨氮浓度和硝态氮浓度，通过计算机的输出，得到实时控制变量;当反应后氨氮在线传感器与反应前氨氮在线传感器反馈的浓度差值在0～0.3mg/L范围内、当反应后硝态氮在线传感器与反应前硝态氮在线传感器时反馈的浓度差值在0～0.5mg/L范围内或者当反应后氨氮在线传感器与反应后硝态氮在线传感器反馈的浓度之和>13mg/L时(满足三种情况中的至少一种)，通过开启加药泵调节缺氧2区的pH值至8.5～9.0，按照设定程序停止加药，若上述控制变量仍未得到有效改善，1h后再次启动上述加药程序，直至控制变量超出加药程序启动范围，以促进短程反硝化反应的发生，从而为厌氧氨氧化菌提供反应基质，强化厌氧氨氧化自养脱氮反应;当反应后氨氮在线传感器反馈的浓度值>6mg/L时，通过增加鼓风机频率和/或调大气体流量计从而增大曝气量降低氨氮负荷。
本发明中采用的厌氧氨氧化技术脱氮效率高、曝气能耗低，是公认的最经济高效的污水脱氮途径，有广泛的应用前景和巨大的经济价值。厌氧氨氧化技术通过短程硝化(PN)反应为其提供反应底物之一——亚硝态氮，而针对城市污水这类低氨氮污水处理，以短程反硝化(PD)反应为亚硝态氮的稳定来源，会比PN反应更具优势：首先，PN反应为自养微生物，需要对污水中的COD进行预处理之后才能进行PN反应，而PD反应不需对污水预处理，可直接利用原水COD实现部分脱氮功能，且现有污水C/N在PD反应较适宜的范围内;其次，PD反应更容易控制并能稳定维持。
基于目前水厂的AO/A2O工艺，若是采用绿色新技术对其进行升级改造，无论是从现有条件、辅助设施、还是工艺改变带来的风险方面考虑，应用短程反硝化+厌氧氨氧化技术(PDA)优势明显：1、现有条件可行——可应用原来的AO/A2O池进行改造(例如部分进水及回流管路改造、根据工艺需要更改原池子的缺氧、好氧功能区的划分)，是设备或者相关设施的改造，而不需要对构筑物进行改造，不涉及土建施工，工程量较小，工期短;2、辅助设施简单—可以利用原来厂内的外碳源投加系统，再新增一套碱投加系统，作为强化工艺运行的控制手段;3、工艺改变操作风险小——不需要对DO、pH等进行精确的控制，在改变工艺调试中不会对整个污水处理效果带来太大的风险，只在调试初期控制在一定范围内即可，逐渐改变现有运行参数即可实现工艺的转变，后期正常运行时通过日常化验检测进行工艺的调整，操作管理简单方便。在AO/A2O和PDA基础之上，通过合理调节反应池厌氧、缺氧和好氧功能区划分，充分将污水中的有机物质转化为微生物胞内碳源物质，从而能够进一步提高脱氮效率。
本发明的有益效果：
1)外碳源反硝化+内碳源反硝化+短程反硝化耦合厌氧氨氧化三种脱氮技术的耦合，大大提高了脱氮效率;
2)能够充分利用污水中的外碳源进行反硝化，同时能够将外碳源转化为内碳源物质，进而发生内碳源反硝化反应;短程反硝化过程仅仅将硝态氮反硝化至亚硝态氮，所需碳源物质较少，节省部分碳源，尤其适用于低C/N条件下的深度脱氮，能够节省100%外碳源投加费用;
3)短程反硝化耦合厌氧氨氧化技术的应用，只将污水中一半的氨氮氧化为硝态氮即可，能够节省50%的脱氮曝气量，且根据反应后的实际氨氮浓度来实时调整好氧区的曝气量，能进一步节约曝气能耗;
4)缺氧区停留时间较长，且好氧1区低DO条件，微生物生长缓慢，污泥产量低，通过ATP将多的有机物储存到细胞内，实现了内碳源的最大积累，用于内源反硝化脱氮反应;同时厌氧氨氧化技术的应用，也会降低污泥产量，从而减少水处理构筑物的占地面积和建设费用，污泥处置费用低;
5)缺氧2区可以根据具体的处理要求及处理水质填充不同比例的厌氧氨氧化菌悬浮填料，保障系统脱氮效果，处理负荷高;
6)系统内部各区域的水质在线监测，能够为缺氧2区提供合适的反应底物比例，能够有效保障厌氧氨氧化自养脱氮效果;实时控制系统的实施，便于参数灵活调整，优化系统运行效果，提高装置的实用性和可控性;
7)本发明工艺流程简单，运行管理方便，处理效果稳定，为实际工程的新建与改造提供了参考。（发明人张树军;蒋勇;王聪;田夏迪;曲之明;李琨）
