专利名称：一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法
技术领域：
本发明涉及一种污水深度处理方法，尤其是涉及一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法。
背景技术：
目前针对有机碳源含量低的污水的脱氮处理，仍以悬浮式活性污泥法为主要工艺，由于有机物负荷低，污泥活性较低且易解体。实践中常结合物化絮凝的措施强化活性污泥絮体的稳定性，但往往会增加污泥中有机高分子物质的含量，加大剩余污泥处置难度。为了避免悬浮式活性污泥法工艺的不足，生物膜 处理技术的应用越来越广泛。目前直接用于污水生物处理过程的生物膜反应池中，多采用聚乙烯材料填料为生物膜载体，如(半)软性填料、组合式填料、弹性填料、球形或斜管形填料等。这些填料的优点是比表面积大、稳定性好、不易堵塞；缺点是溶解氧传质阻力大、内层生物膜老化后形成大量死泥，造成污泥产量大，生物膜活性低。粒状滤料作为生物膜载体主要用于污水深度处理过程中，主要有各种陶粒、无烟煤等，其优点是稳定性好、比表面积较大、表面生物膜随水流或气流剪切力作用而更新快，生物膜活性高，溶解氧传质好等；缺点是颗粒间空隙小，容易堵塞。本研究针对低有机浓度、低碳氮比污水的水质特点，提出以当量粒径为5_左右的粒状页岩陶粒，和当量粒径为5_左右且中孔发达的颗粒活性炭分别作为限氧和缺氧生物膜载体，在充分发挥粒状填料优势的基础上，利用原水有机底物浓度低的特点，运行中通过水流和气流的剪切作用，削弱了粒状滤料层易堵塞的不足。同时，发挥页岩陶粒内含有多种矿物质，利于生物膜生长的特点，来完善限氧段生物膜结构，促进短程硝化反硝化发生；利用缺氧段颗粒活性炭对有机物的选择吸附特性，通过延长难降解有机物的停留时间来增强其生物利用率，并促进缺氧段的脱氮进程。传统的好氧硝化、缺氧反硝化生物脱氮过程中，有研究表明，当原水C0D/TKN >
8.O时，反硝化所需有机碳源才较充足。对于低碳氮比污水尤其是C0D/TKN < 5. O的我国南方大部分城市污水而言，传统生物脱氮效能常因有机碳源不足而受到限制。本发明的立足点是通过限氧-缺氧组合生物膜过程，在限氧段采用多孔页岩陶粒作为滤料，发挥其富微生物微量营养元素的优势，促进生物膜生长，并通过限氧条件，完善并稳定生物膜内好氧、缺氧微区共存的结构，实现限氧生物膜段部分全程硝化和同时硝化反硝化效能，同时强化短程硝化，以实现出水中氨氮与亚硝酸盐氮含量相当，为后续缺氧段的厌氧氨氧化脱氮提供有利的水质条件；在缺氧段利用中孔发达的颗粒活性炭对限氧段出水中难降解有机物进一步吸附，延长难降解有机物在缺氧段的停留时间，提高其生物利用率，优化有机碳源用于异养反硝化脱氮的应用过程，并通过优化环境条件和进水水质条件促进厌氧氨氧化脱氮的发生，实现异养与自养复合脱氮效能，进而达到低碳氮比污水的深度生物脱氮效能。
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对低有机浓度、低碳氮比污水经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，包括以下步骤
(I)将限氧生物膜反应器及缺氧生物膜反应器串联；(2)调节限氧生物膜反应器内的溶解氧、污水停留时间及生物固体停留时间，在限氧生物膜反应器内对污水进行短程硝化、部分全程硝化及同时硝化反硝化脱氮，控制限氧生物膜反应器出水中氨氮与亚硝酸盐氮含量比接近I : 1，实现部分脱氮效能；(3)调节缺氧生物膜反应器内污水停留时间及生物固体停留时间，在缺氧生物膜反应器内对污水进行异养反硝化脱氮及厌氧氨氧化脱氮，实现异养与自养同时脱氮效能。所述的污水在限氧生物膜反应器中的停留时间为4 6h，生物固体在限氧生物膜反应器中的停留时间为7 10天；所述的污水在缺氧生物膜反应器中的停留时间为10h，生物固体在缺氧生物膜反应器中的停留时间为30天。污水为低有机物浓度、低碳氮比污水，污水中氮主要存在形态为氨氮与有机氮。所述的低有机浓度是指COD含量为80 150mg/L。所述的低碳氮比是指C0D/TN为2. 5
4.5。所述的限氧生物膜反应器包括集泥斗、配水配气室、进水管、进气管、承托层、滤层及出水区，所述的集泥斗设在反应器底部，所述的配水配气室设在集泥斗上部，所述的进水管及进气管设在配水配气室两侧，污水及空气经进水管及进气管进入反应器，所述的滤层经承托层支撑在配水配气室的上部，所述的出水区设在滤层的上部。所述的缺氧生物膜反应器包括集泥斗、配水配气室、进水管、反冲洗气管、承托层、滤层及出水区，所述的集泥斗设在反应器底部，所述的配水配气室设在集泥斗上部，所述的进水管及反冲洗气管设在集泥斗两侧，污水经进水管进入反应器，所述的滤层经承托层支撑在配水配气室的上部，所述的出水区设在滤层的上部。所述的限氧生物膜反应器滤层内的滤料为页岩陶粒，页岩陶粒的粒径为3 5_，其化学成分包括SiO2、Al2O3及Fe2O3。所述的缺氧生物膜反应器滤层内的滤料为煤质颗粒活性炭，煤质颗粒活性炭的粒径为4 6mm,中孔发达。所述的限氧生物膜反应器对污水过滤时采用气、水同向的升流模式，缺氧生物膜反应器对污水过滤时采用水升流模式。采用连续水冲、间歇气冲的方式对限氧生物膜反应器中的页岩陶粒及缺氧生物膜反应器中的颗粒活性炭上的生物膜进行更新。与现有技术相比，本发明具有以下优点(I)通过调节限氧池溶解氧(D0)、水力停留时间、固体停留时间(过滤周期)等操作，实现强化限氧段短程硝化，部分全程硝化和适度同时硝化反硝化的处理效能，达到出水氨氮与亚硝酸盐氮含量比接近I : I的水平，并实现部分脱氮效能；(2)通过缺氧段活性炭对限氧段出水中难降解有机物的吸附，提高其在生物降解过程的利用率，促进异养反硝化脱氮进程，同时，利用颗粒活性炭表面异养、自养的生物膜分区结构，结合缺氧段进水氨氮与亚硝酸盐氮的相对含量，调节缺氧段生物固体停留时间，促进厌氧氨氧化与传统异养反硝化共存的脱氮过程，进而削弱缺氧区脱氮对有机碳源的依赖性，实现对低有机浓度、低碳氮比污水的深度脱氮效果。
图I为本发明的流程图；图2为限氧生物膜反应器的结构示意图；图3为缺氧生物膜反应器的结构示意图。图中I为集泥斗、2为配水配气室、3为承托层、4为滤层、5为出水区、6为出水槽、7为放空管、8为滤头、9为过滤进水管、10为反冲水管、11为进水管、12为过滤进气管、13为反冲气管、14为进气管、15为出水管。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，其流程如图I所示，采用限氧生物膜反应器及缺氧生物膜反应器串联的处理模式。限氧生物膜反应器的结构如图2所示，从下到上依次为放空管7、集泥斗I、配水配气室2、圆柱形滤层4、出水区5 ;配水配气室中下部设进水管11和进气管14，其中进水管连接过滤进水管9和反冲进水管10，进气管连接过滤曝气管12和反冲气管13 ;承托层3上布设滤头8 ;出水区上部设周边出水槽6，连接出水管15。缺氧生物膜反应器的结构如图3所示，从下到上依次为放空管7、集泥斗I、配水配气室2、圆柱形滤层4、出水区5 ;配水配气室中下部设进水管11和反冲气管13，其中进水管连接过滤进水管9和反冲进水管10 ;承托层3上布设滤头8 ;出水区上部设周边出水槽6，连接出水管15。限氧生物膜反应器的结构参数均为集泥斗I高O. 5m、进水区高O. 5m、配水配气室2高O. 5m、滤层4高I. 0m、滤层4的内径为O. 8m、出水区5高I. Om,设有保护高O. 3m,反应器总高3. 8m。缺氧生物膜反应器的结构参数均为集泥斗I高O. 5m、进水区高O. 5m、配水配气室2高O. 5m、滤层4高I. Om、滤层4的内径为I. 2m、出水区5高I. Om，设有保护高O. 3m,反应器总高3. 8m。为了促进限氧段生物膜的形成，限氧生物膜反应器的滤层4内采用页岩陶粒滤料，该页岩陶粒具有足够的机械强度，耐磨损，化学性能稳定，表面粗糙具有棱角、空隙率大、比表面积高、吸附性能好、密度适宜且含有多种微生物生长所需的微量营养物质，利于生物膜生长，其物理性能参数为粒径3 5mm、堆积密度彡I. Og/cm3、筒压强度彡6. 5Mpa、空隙率彡45%。为了促进缺氧生物膜反应器内生物膜内异养、自养菌群的分区结构形成，并保证一定的空隙率，所选择的煤质颗粒活性炭需具有足够的机械强度，耐磨损，化学性质稳定，表面粗糙、比表面积大、中孔发达，对有机物吸附性能好。其物理性能参数为粒径4 6mm，空隙率彡40%。
本发明适于低有机浓度、低碳氮比污水的深度生物脱氮处理，进水水质特点是有机碳源含量低、原水碳氮比低、氮的存在形态主要为氨氮或有机氮。在限氧生物膜反应器中，正常过滤时，污水和压缩空气首先进入配水配气室2，在滤头8的作用下，污水和气泡均匀进入滤层4，污水和气泡在滤料孔隙穿过，污染物和溶解氧(DO)在孔隙水流和滤料表面生物膜间进行传质，并被生物膜内复合菌群生化转化，出水由出水槽6进入出水管15。缺氧生物膜反应器的过滤过程与限氧生物膜反应器的不同在于，前者无需供氧。在限氧滤层内气、水同向流的运行过程中，滤料表面微孔结构致溶解氧(DO)传质不均，且随生物膜的增厚削弱溶解氧(DO)传质，且通过限制溶解氧(DO)的供应，促进滤料表面生物膜形成好氧、缺氧微区共存的结构，进而实现强化短程硝化、部分全程硝化和同时硝化反硝化的发生，在保证出水氨氮与亚硝酸盐氮相对含量接近I : I的前提下，达到20 30%的脱氮率。在缺氧生物膜反应器中，虽然原水经限氧生物膜反应器处理后，其有机碳源含量更低，且可生物降解性较差，但通过活性炭对其吸附，延长其在缺氧段的停留时间，在生物利用速率较慢的情况下，提高其利用率，相当于促进了以此部分有机物为碳源的 异养反硝化进程；同时，利用缺氧段进水中氨氮与亚硝酸盐氮含量相当的特性，以及缺氧段生物膜中自养与异养分区共存的特性，适度延长生物固体停留时间(过滤周期)，促进厌氧氨氧化过程的发生，进而实现厌氧氨氧化与传统异养反硝化共存，削弱传统异养脱氮过程对有机碳源的依赖程度，从而提高低碳氮比污水的脱氮效率。本发明通过调整两级生物膜反应器分别为限氧和缺氧环境，进而分别强化短程硝化和缺氧段自养、异养同时脱氮效能，实现深度脱氮。通过调整限氧生物膜反应器的溶解氧(DO)和水力停留时间(HRT)，实现短程硝化，达到出水中氨氮和亚硝酸盐氮相对含量接近厌氧氨氧化的发生条件(NH4+-N NO2--N = I I. 13)，同时调节缺氧段水力停留时间(HRT)，利用活性炭对有机物的吸附特性，提高有机碳源在缺氧段的利用率，在平衡异养反硝化脱氮和厌氧氨氧化脱氮的过程中，提高COD和总氮去除效率。之所以选择粒径为4 6mm、中孔发达的煤质颗粒活性炭，是因为其一，粒径为5mm的粒状滤料层空隙率不低于40%，床层空隙率大可满足生物膜生长的空间需要，避免因堵塞而频繁反冲洗；其二，在生物膜形成的过程中，为避免颗粒活性炭表面孔隙结构堵塞，采用中孔发达的颗粒活性炭，可在生物膜形成后，仍然维持其多孔的结构特性，利于生物膜内不同区域的多种菌群分布，促进自养与异养的复合菌群结构；其三，采用煤质活性炭，主要出于对其机械强度和工程造价的考虑。在运行中，通过反冲洗过程，实现限氧段页岩陶粒和缺氧段颗粒活性炭表面生物膜的更新，颗粒活性炭对有机物吸附效能主要通过其上生物膜对有机物的降解过程得以恢复。本发明的操作控制参数为限氧-缺氧组合生物膜处理过程在处理低有机浓度、低碳氮比城市污水时，进水COD = 80 120mg/L、NH4+-N = 15 20mg/L、TN = 30mg/L 左右、COD/TN ^ 3 I 时，实现深度脱氮的工况参数为限氧池出水区DO = I. 5 2. 5mg/L, HRT为4h，过滤周期7 10天；缺氧池HRT为10h，过滤周期30天。限氧池处理出水COD为30 50mg/L(去除率为60% )、NH4+-N 为 10mg/L 左右、NOf-N 为 10mg/L 左右、NOf-N 为 5 10mg/L、TN 为 20mg/L 左右(去除率为20 30% );缺氧池处理出水(组合过程终端出水)COD为20 30mg/L (去除率为60% ), NH:-N为5 8mg/L(去除率为20 30% )、NOf-N为4_7mg/L(去除率为40% )、NO3--N为O 3mg/L(去除率为50% )、TN不超过15mg/L(去除率为30%左右)。通过限氧-缺氧组合生物膜处理流程能有效去除低有机浓度、低碳氮比污水中的COD、NH4+-N、TN。经本发明方法处理后，出 水 COD ( 30mg/L、NH4+-N ( 8mg/L(水温> 12°C时，NH4+-N ( 8mg/L)、TN ( 15mg/L,以上各指示均可达到国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)的一级标准(A标准)要求。
权利要求
1.一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 (1)将限氧生物膜反应器及缺氧生物膜反应器串联； (2)调节限氧生物膜反应器内的溶解氧、污水停留时间及生物固体停留时间，在限氧生物膜反应器内实现短程硝化、部分全程硝化及同时硝化反硝化脱氮，控制限氧生物膜反应器出水中氨氮与亚硝酸盐氮含量比接近I:I; (3)调节缺氧生物膜反应器内污水停留时间及生物固体停留时间，在缺氧生物膜反应器内对污水进行异养反硝化脱氮及厌氧氨氧化脱氮。
2.根据权利要求I所述的一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，其特征在于，所述的污水在限氧生物膜反应器中的停留时间为4 6h，生物固体在限氧生物膜反应器中的停留时间为7 10天；所述的污水在缺氧生物膜反应器中的停留时间为10h，生物固体在缺氧生物膜反应器中的停留时间为30天。
3.根据权利要求I所述的一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，其特征在于，所述的污水为低有机物浓度、低碳氮比污水，污水中氮主要存在形态为氨氮与有机氮。
4.根据权利要求3所述的一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，其特征在于，所述的低有机物浓度是指COD含量为80 150mg/L，所述的低碳氮比是指C0D/TN为2.5 4. 5。
5.根据权利要求I所述的一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，其特征在于，所述的限氧生物膜反应器包括集泥斗、配水配气室、进水管、进气管、承托层、滤层及出水区，所述的集泥斗设在反应器底部，所述的配水配气室设在集泥斗上部，所述的进水管及进气管设在配水配气室两侧，污水及空气经进水管及进气管进入反应器，所述的滤层经承托层支撑在配水配气室的上部，所述的出水区设在滤层的上部。
6.根据权利要求I所述的一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，其特征在于，所述的缺氧生物膜反应器包括集泥斗、配水配气室、进水管、反冲洗气管、承托层、滤层及出水区，所述的集泥斗设在反应器底部，所述的配水配气室设在集泥斗上部，所述的进水管及反冲洗气管设在集泥斗两侧，污水经进水管进入反应器，所述的滤层经承托层支撑在配水配气室的上部，所述的出水区设在滤层的上部。
7.根据权利要求I所述的一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，其特征在于，所述的限氧生物膜反应器滤层内的滤料为页岩陶粒，该页岩陶粒的粒径为3 5mm，其化学成分包括SiO2、Al2O3及Fe2O3。
8.根据权利要求I所述的一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，其特征在于，所述的缺氧生物膜反应器滤层内的滤料为煤质颗粒活性炭，该煤质颗粒活性炭的粒径为4 6mm,中孔发达。
9.根据权利要求I所述的一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，其特征在于，所述的限氧生物膜反应器对污水过滤时采用气、水同向的升流模式，缺氧生物膜反应器对污水过滤时采用水升流模式.
10.根据权利要求I所述的一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，其特征在于，采用连续水冲、间歇气冲的方式对限氧生物膜反应器中的页岩陶粒及缺氧生物膜反应器中的颗粒活性炭上的生物膜进行更新。
全文摘要
本发明涉及一种经组合生物膜过程深度脱氮的污水处理方法，将限氧生物膜反应器和缺氧生物膜反应器串联；调节限氧生物膜反应器内的溶解氧、污水停留时间及生物固体停留时间，实现短程硝化效能，并存在全程硝化及同时硝化反硝化脱氮，以达到限氧生物膜反应器出水中氨氮与亚硝酸盐氮含量比接近1∶1；调节缺氧生物膜反应器内污水停留时间及生物固体停留时间，利用活性炭对难降解有机物的吸附作用和限氧段的出水水质特性，实现异养反硝化脱氮及厌氧氨氧化脱氮。与现有技术相比，本发明通过限氧与缺氧组合式生物膜处理过程，实现限氧段强化短程硝化，缺氧段异养与自养同时脱氮效能，达到对低有机物浓度、低碳氮比污水的深度脱氮效果。
文档编号C02F3/30GK102689986SQ20121020250
公开日2012年9月26日 申请日期2012年6月18日 优先权日2012年6月18日
发明者丁毅, 孙倩, 徐文璐, 杜威, 杨娜, 王利鹏, 胡园园, 艾奇峰, 陈善佳, 陈秀荣, 陈鹭, 黄华 申请人:华东理工大学