一体化脱氮组合装置及脱氮方法
【专利摘要】一种一体化脱氮组合装置，其主要由一上流式反应器和上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器组成。本发明还公开了利用一体化脱氮组合装置进行污水脱氮处理的方法。本发明具有脱氮效率高，投资及能耗低，占地面积小，操作简便，适用水质广泛，环境风险低等特点。
【专利说明】一体化脱氮组合装置及脱氮方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高效脱氮装置，具体涉及一种新型一体化全程自养脱氮-反硝化-固定化菌藻脱氮的组合装置。
[0002]本发明还涉及利用上述装置进行脱氮的方法
【背景技术】
[0003]随着我国工农业的迅速发展和城市化进程，工业废水和生活污水排放量日益增加，湖泊流域开发活动加剧，加之一个时期以来，人们环境意识淡薄，我国大部分湖泊水体水质下降，生态系统退化，蓝藻水华频繁暴发，湖泊富营养化呈现迅猛发展的趋势。污水处理厂是许多水生生态系统(包括河流、湖泊、海湾等)重要的外源污染来源。减少外源性污染物质尤其是外源性营养物质进入湖泊，是控制湖泊富营养化的关键措施之一。此外，污水中含有大量溶解性有机氮(DON)，当排放至天然水体中，一些DON可被浮游动植物、微生物有效分解利用，从而加剧富营养化进程。因此有效降低排入天然水体中DON生物有效性，对降低水体富营养化发生风险具有重要意义。
[0004]氮素含量是水质控制的重要指标。传统废水处理的氨氮脱除一般是通过硝化和反硝化过程实现，但这一过程需要大量曝气、额外投加有机碳源和碱度，投资和运行费用高昂，而且还会产生二次污染，出水水质不能满足废水处理厂的一级排放标准。因此寻找建立一种新型的、节能环保的废水脱氮系统对我国高效处理氨氮废水具有重大意义。
[0005]厌氧氨氧化( Anammox)脱氮是一种新型高效生物脱氮技术，与传统生物脱氮技术相比，Anammox反应途径较短，无需碱度补偿和投加有机碳源，节约了大量能源和运行成本。在短程硝化和Anammox基础上发展起来的各种组合工艺也为各国学者特别关注。然而通过此项工艺处理后的污水中仍含有一些硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，导致该工艺的无机氮去除率停留在75±10%，因此为实现更高的氮去除率，对出水中硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的反硝化处理是必要的。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种一体化脱氮组合装置。
[0007]本发明的又一目的在于提供一种利用上述组合装置进行脱氮的方法。
[0008]为实现上述目的，本发明提供的一体化脱氮组合装置，主要包括:
[0009]一上流式反应器，其壳体为双层，外层为保温层，内层为反应层，顶部设有出水口和pH探头伸入口 ；
[0010]上流式反应器中部的内壁设有一环形挡圈，与该环形挡圈相对应地设有一圈上下各倾斜45°的环形挡板，环形挡板固定在上下贯通上流式反应器的轴套上，在环形挡圈和环形挡板之间形成水流通道，由环形挡板、环形挡圈和水流通道组成三相分离器；
[0011]环形挡板上方装填有biofringe填料，上流式反应器壳体位于环形挡圈的上方开设有物料添加口 ；[0012]上流式反应器的底部设有进水口，进水口上方设有一曝气头，并设置有搅拌装置；搅拌装置的转动轴插设在轴套中，转动轴的底部连接一浆片；
[0013]上流式反应器顶部的出水口连接至上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器底部的进水口，进水口上方设置有布水器；
[0014]上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器的壳体为双层，外层为保温层，内层为反应层，顶部封闭并设有出水口 ；
[0015]上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器内部的布水器上方装填有附着羊角月牙藻和细菌的褐藻硅胶胶球。
[0016]所述的一体化脱氮组合装置，其中，上流式反应器和上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器均为圆柱形壳体。
[0017]所述的一体化脱氮组合装置，其中，上流式反应器配有四个蠕动泵，分别用于进水、循环、加料、酸碱调节。
[0018]所述的一体化脱氮组合装置，其中，上流式反应器的侧壁设有不同高度的多个采样口，各采样口用阀门控制。
[0019]所述的一体化脱氮组合装置，其中，上流式反应器底部的搅拌装置为三角形且中间空心的浆片。
[0020]本发明提供的利用上述一体化脱氮组合装置进行污水脱氮处理的方法:
[0021]污水进入上流式反应器，由三相分离器阻挡住污泥进入三相分离器上方反应室，使水流和气流从三相分离器的水流通道四周流入三相分离器的上方反应室，在上方反应室内形成回流，避免由于气流水流过大而影响反硝化菌的附着效果，并同时在biofringe填料的存在下进行反硝化，提闻脱氣效率；
[0022]三相分离器分离出污泥落入上流式反应器的底部，通过搅拌装置防止进水口的堵塞；
[0023]上流式反应器的出水进入上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器，由上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器内部的菌藻混合体对废水中的生物进行降解并去除污水中的溶解性有机氮，出水直接排入天然水体。
[0024]所述的方法，其中，对于碳氮比极低的污水，从上流式反应器的物料添加口添加有机碳源进入上流式反应器上层发生反硝化反应，以达到更高的脱氮效率。
[0025]所述的方法，其中，上流式反应器的启动过程是:
[0026]I)首先向上流式反应器中接种anammox污泥，利用人工配置含氮废水进行培养驯化；
[0027]2)向人工废水曝氮气，使进水中的溶解氧浓度为Omg/L，调节pH为7_8，人工废水成分如下:
[0028]NH4-N100mg/L, N02_N100mg/L，KHCT31.5-2.0g/L, NaC110g/L, KH2P0454mg/L，FeSO4.7H209mg/L, EDTA5mg/L,微量元素lmL/L ;所述微量元素的成分为:CuSO4.5H200.25mg/L, ZnSO4.7H200.43mg/L, CoCl2.6H200.24mg/L, MnCl2.4H200.99mg/L,NaMoO4.2H200.22mg/L, NiCl2.6H200.19mg/L, NaSeO40.llmg/L, H3BO30.014mg/L ；
[0029] 3)待反应稳定后，逐步提高进水中溶解氧浓度，以培养上流式反应器内可以消耗氧气的细菌；[0030]4)经过培养驯化，anammox颗粒污泥外层附有兼氧菌，可消耗反应器内的溶解氧，为颗粒污泥内部anammox反应营造厌氧条件；
[0031]5)向上流式反应器中接种亚硝化菌，并降低进水中的亚硝氮浓度，同时向上流式反应器进行曝气；
[0032]6)待上流式反应室的三相分离器下层实现稳定的一体化部分亚硝化-厌氧氨氧化过程后，于上流式反应室的上层放入提前接种好的附有反硝化菌的biofringe填料，实现上部的反硝化处理过程；同时通过物料添加口向上流式反应器添加少量的乙醇溶液作为外加碳源完成上流式反应室的上层反应室内的异养反硝化；
[0033]7)上流式反应器成功启动后，进水可换为实际废水。
[0034]所述的方法，其中，步骤5中是通过控制曝气量使进水中的氨氮部分转化成为亚硝氮，实现下层反应室内参与反应的氨氮:亚硝氮摩尔比约为1:1.2。
[0035]所述的方法，其中，步骤7的实际废水为垃圾渗滤液和/或污泥脱水液。
[0036]本发明的效果是:
[0037]I)本发明的一体化脱氮组合装置，与公知装置相比节省了空间，在同一反应器内实现部分亚硝化-厌氧氨氧化-反硝化组合工艺，且操作简便，适用水质广泛，脱氮效率可达95%以上。
[0038]2)本发明的一体化脱氮组合装置中的上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器，能有效去除生物有效性高的DON组分，利于废水安全排放至天然水体。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]图1是本发明的装置示意图。
[0040]附图中主要标记符号
[0041]上流式反应器部分:
[0042]1-三相分离器的环形挡板，2-三相分离器的环形挡圈，3-三角形中空搅拌桨，4-pH探头,5-曝气头,6-biofringe填料,7-螺动泵,8-附着有S.capricornutum和细菌的褐藻硅胶胶球；上流式反应器进水口 a，采样口 b、C、j、i，物料添加口 e、f,出水口 g，pH探头伸入口 h，回流口 d ；
[0043]上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器部分:
[0044]上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器进水口 m，出水口 η。
【具体实施方式】
[0045]本发明提供的一体化脱氮组合装置，主要包括:
[0046]—上流式反应器，其壳体为圆柱形双层壳体，外层为保温层，内层为反应层，顶部设有出水口 g和pH探头伸入口 h ；
[0047]上流式反应器中部的内壁设有一环形挡圈2，与该环形挡圈2相对应地设有一圈上下各倾斜45°的环形挡板1，环形挡板I固定在上下贯通上流式反应器的轴套上，在环形挡圈2和环形挡板I之间形成弯曲的水流通道，由环形挡圈2、环形挡板I和水流通道组成本发明上流式反应器中的三相分离器。
[0048]环形挡板I的上方装填有biofringe填料6，上流式反应器的壳体位于环形挡圈的上方开设有物料添加口 e、f，用于添加有机碳源进入上流式反应器上层发生反硝化反应；上流式反应器的侧壁设有不同高度的多个采样口 b、c、j、i，各采样口均采用阀门控制，上流式反应器采样口的出水进行循环回流，其作用主要有两个:
[0049]第一，下层反应室未处理完全的氨氮回流至上流式反应器入口进行再一次处理，由此可提高上流式反应器的脱氮效率；
[0050]第二，可达到稀释进水氨氮的目的，降低了上流式反应器真正地运行负荷，也达到了减少温室气体一氧化二氮排放的目的。上流式反应器还配有四蠕动泵7，分别用于进水、循环、加料、酸碱调节。
[0051]上流式反应器的底部设有进水口 a，进水口 a上方设有一曝气头5，并设置有搅拌装置3 ;搅拌装置3的转动轴插设在轴套中，转动轴的底部连接一浆片，本发明的浆片为三角形且中间空心的浆片。
[0052]上流式反应器顶部的出水口 g连接至上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器底部的进水口 m，进水口 m上方设置有布水器ml。上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器的壳体为圆柱形双层壳体，外层为保温层，内层为反应层，顶部封闭并设有出水口 n，布水器ml上方装填有附着羊角月牙藻和细菌的褐藻硅胶胶球8。
[0053]本发明利用上述一体化脱氮组合装置进行污水脱氮处理的方法:
[0054]本发明的三相分离器将上流式反应器分为上下两层反应室，下层的全程自养脱氮过程的出水通过三相 分离器进入上层反应室，三相分离器可有效防止下层反应室的污泥随水流、气流进入上层反应室；上层反应室进行反硝化过程，水流和气流能从三相分离器的四周流入上层反应室，在上层反应室内形成回路，并可以截留上层反应室的污泥，以防进入下层反应室，同时还可有效截留住因较高负荷或较大产气量而导致的部分反硝化菌掉落(部分掉落的菌可以截留在三相分离器上部的槽内)，确保了上流式反应器的脱氮效率。三相分离器起到双重保险，阻挡极少数的下层或上层污泥进入相反的反应室内。
[0055]流式反应器底部的中空三角形搅拌的装置主要可实现几个功能:
[0056]第一，上流式反应器底部呈锥形，由于大量污泥堆砌于底部，容易堵塞进水口，搅拌器的设置可有效防止进水口的堵塞；
[0057]第二，实现泥、水、底物的均匀混合，增加了颗粒污泥之间、与器壁、与水分子的碰撞几率，从而增大了剪切力，有助于形成密实饱满的外层好氧、内层厌氧的颗粒污泥。
[0058]第三，该中空三角形搅拌装置并不会使反应器底部污泥全部旋转起来，因而在达到均匀混合的前提下，有利于加强该外层好氧、内层厌氧颗粒污泥的稳定性；底部曝气头的添加，可达到均匀曝气和加强搅拌的目的，还可增大污泥之间以及与水分子间的碰撞几率，既节省能耗又提高脱氮效率。
[0059]上流式反应器的出水进入上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器，由上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器内部的菌藻混合体对废水中的生物进行降解并去除污水中具有较高生物可利用性的D0N，出水直接排入天然水体。对于碳氮比极低的污水，从上流式反应器的物料添加口添加有机碳源进入上流式反应器上层发生反硝化反应，以达到更高的脱氮效率。
[0060]本发明的一体化脱氮组合装置启动运行方法:
[0061]本发明的一体化脱氮组合装置在启动运行前，采用先培养厌氧氨氧化菌，且待上流式反应器稳定后，通过逐步增加进水溶解氧含量以培养可消耗氧气的菌群；其次接种硝化菌，向上流式反应器曝气并控制曝气量，同时逐步降低进水亚硝氮含量(最终进水全部为氨氮)，使得通过颗粒污泥外层好氧层后的氨氮部分转化成为亚硝态氮，使进入颗粒污泥内部的氨氮与亚硝氮摩尔比约为1: 1.2，进行厌氧氨氧化过程中氨氮的去除率可高达90%;最后加入附着反硝化菌的biofring填料，且通过物料添加口加入少量的乙醇溶液作为外加碳源，完成上流式反应器中上层反应室内的异养反硝化，出水的氨氮去除率可达95%以上。本发明实现了同一反应器进行部分亚硝化-厌氧氨氧化-反硝化一体化工艺过程，节省了大量空间和能源，且具有较高的脱氮效率。
[0062]固定化细菌-羊角月牙藻(Selenastrum capricornutum)反应器的添加:
[0063]污水处理厂出水中富含大量各种形态的溶解性有机氮(DON)，一些小分子DON可被天然水体中的浮游动植物直接利用，还有一部分DON首先被细菌矿化成氨氮、硝氮，再被藻类分解利用。本发明的上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器通过菌藻混合分解利用具有较高生物有效性的DON组分，大大降低出水中生物有效性高的DON含量(40%以上)，从而降低其排入到天然水体后导致天然水体富营养化的风险。
[0064]本发明的在启动过程中使用人工配制高氮废水，废水成分如下=NH4-NlOOmg/L, N02-N100mg/L, KHC032.0g/L, KH2P0454mg/L, FeSO4.7H209mg/L, EDTA5mg/L,微量元素(CuSO4.5H200.25mg/L, ZnSO4.7H200.43mg/L, CoCl2.6H200.24mg/L, MnCl2.4H200.99mg/L,NaMoO4 *2H200.22mg/L, NiCl2 *6H200.19mg/L, NaSeO40.1 lmg/L, H3BO30.014mg/L)，通过 ImoI/L的HCl调节pH为7-8。通过氮气对进水进行曝气，使进水中的溶解氧浓度低于0.5mg/L。接种Anammox污泥，在蠕动泵的作用下将废水从底部送入圆柱形上流式反应器中。反应器有效容积为5L，反应器底部为锥形，开启三角形中空搅拌器3，防止污泥堵塞进水口，使泥水均匀混合，同时还可增大污泥之间、污泥与器壁的碰撞几率，增大之间的剪切力，有利于形成坚固、饱满的颗粒污泥。此时设定的进水总氮浓度(ΝΗ4-Ν+Ν02-Ν)约为200mg/L，水力停留时间(HRT)约为5h。逐步提高进水总氮浓度、降低HRT以达到提高进水负荷的目的，经过一个月左右的培养驯化，进水总氮负荷达到1.56kg-N/m3/day，且脱氮负荷达到1.25kg_N/m3/day。
[0065]之后逐步提高进水中DON含量以培养反应器中能够消耗氧气的菌群，待上流式反应器稳定后，向上流式反应器中接种硝化菌，开启曝气装置，逐步降低进水中NO2-N含量直到Omg/L。由于部分亚硝化、厌氧氨氧化均为耗碱过程，因而事先调节进水碱度(Alk)/NH4-N比例为5-6，实现全程自养脱氮过程，同时通过pH联动仪(lmol/L的HCl和lmol/L的NaHCO3)确保上流式反应器内ph为7.5-7.8。经过2个多月的培养，上流式反应器进水负荷约为1.18kg-N/m3/day，其中NH4-N浓度为150mg/L，水利停留时间3h，曝气量为0.8L/min，搅拌桨的搅拌速率约为12转/分，此时上流式反应器运行状态稳定，脱氮率高达90%以上。
[0066]向上流式反应器的上层反应室放入事先培养附着好的附有反硝化菌的biofringe填料，该填料具有 较强的吸附能力，污泥可有效地附着于其上，不仅可避免污泥的流失，还能防止由于较高负荷和较大曝气量而导致的污泥沉降性能的恶化。同时将人工配制废水换为某污水处理厂的污泥脱水液，该污泥脱水液的水质指标为:1000-1200mg/L NH4-N,30-70mg/L NO2-N, 180-280mg/L COD, 50-100mg/L SS，70_120mg/L D0N，pH8。稀释进水使进水NH4-N浓度约为150-200mg/L，开启上流式反应器中部的回流装置，回流比为0.5，水力停留时间仍保持为3h，曝气量为1.2-1.4L/min。通过物料添加口添加少量的乙醇溶液作为外加碳源完成上流式反应器中上层反应室内的异样反硝化，出水总无机氮的去除率可达95%以上。
[0067]上流式反应器的出水进入上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器，水力停留时间设定为2天，菌藻混合体有效的对废水中生物有效性高的DON组分进行降解利用，使得从上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器中出来的DON去除率达40%以上，出水可直接排入天然水体，有效 地降低其引起天然水体富营养化的风险。
【权利要求】
1.一种一体化脱氮组合装置，主要包括: 一上流式反应器，其壳体为双层，外层为保温层，内层为反应层，顶部设有出水口和pH探头伸入口； 上流式反应器中部的内壁设有一环形挡圈，与该环形挡圈相对应地设有一圈上下各倾斜45°的环形挡板，环形挡板固定在上下贯通上流式反应器的轴套上，在环形挡圈和环形挡板之间形成水流通道，由环形挡板、环形挡圈和水流通道组成三相分离器； 环形挡板上方装填有biofringe填料，上流式反应器壳体位于环形挡圈的上方，开设有物料添加口 ； 上流式反应器的底部设有进水口，进水口上方设有一曝气头，并设置有搅拌装置；搅拌装置的转动轴插设在轴套中，转动轴的底部连接一浆片； 上流式反应器顶部的出水口连接至上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器底部的进水口，进水口上方设置有布水器； 上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器的壳体为双层，外层为保温层，内层为反应层，顶部封闭并设有出水口； 上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器内部的布水器上方装填有附着羊角月牙藻和细菌的褐藻硅胶胶球。
2.根据权利要求1所述的一体化脱氮组合装置，其中，上流式反应器和上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器 均为圆柱形壳体。
3.根据权利要求1所述的一体化脱氮组合装置，其中，上流式反应器配有四个蠕动泵，分别用于进水、循环、加料、酸碱调节。
4.根据权利要求1所述的一体化脱氮组合装置，其中，上流式反应器的侧壁设有不同高度的多个采样口，各采样口用阀门控制。
5.根据权利要求1所述的一体化脱氮组合装置，其中，上流式反应器底部的搅拌装置为三角形且中间空心的浆片。
6.利用权利要求1所述一体化脱氮组合装置进行污水脱氮处理的方法: 污水进入上流式反应器，由三相分离器阻挡住污泥进入三相分离器上方反应室，使水流和气流从三相分离器的水流通道四周流入三相分离器的上方反应室，在上方反应室内形成回流，避免由于气流水流过大而影响反硝化菌的附着效果，并同时在biofringe填料的存在下进行反硝化，提高脱氮效率； 三相分离器分离出污泥落入上流式反应器的底部，通过搅拌装置防止进水口的堵塞； 上流式反应器的出水进入上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器，由上流式固定化细菌-羊角月牙藻反应器内部的菌藻混合体对废水中的生物进行降解并去除污水中的溶解性有机氮，出水直接排入天然水体。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，对于碳氮比极低的污水，从上流式反应器的物料添加口添加有机碳源进入上流式反应器上层发生反硝化反应，以达到更高的脱氮效率。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，上流式反应器的启动过程是: 1)首先向上流式反应器中接种anammox污泥，利用人工配置含氮废水进行培养驯化； 2)向人工废水曝氮气，使进水中的溶解氧浓度为Omg/L，调节pH为7-8，人工废水成分如下:NH4-N100mg/L, N02_N100mg/L，KHCO3L 5-2.0g/L, NaCllOg/L, KH2P0454mg/L，FeSO4.7H209mg/L, EDTA5mg/L,微量元素lmL/L ;所述微量元素的成分为:CuSO4.5H200.25mg/L, ZnSO4.7H200.43mg/L, CoCl2.6H200.24mg/L, MnCl2.4H200.99mg/L,NaMoO4.2H200.22mg/L, NiCl2.6H200.19mg/L, NaSeO40.llmg/L, H3BO30.014mg/L ； 3)待反应稳定后，逐步提高进水中溶解氧浓度，以培养上流式反应器内可以消耗氧气的细菌； 4)经过培养驯化，anammox颗粒污泥外层附有兼氧菌，可消耗反应器内的溶解氧，为颗粒污泥内部anammox反应营造厌氧条件； 5)向上流式反应器中接种亚硝化菌，并降低进水中的亚硝氮浓度，同时向上流式反应器进行曝气； 6)待上流式反应器的三相分离器下层实现稳定的一体化部分亚硝化-厌氧氨氧化过程后，于上流式反应器的上层放入提前接种好的附有反硝化菌的biofringe填料，实现上部的反硝化处理 过程；同时通过物料添加口向上流式反应器添加少量的乙醇溶液作为外加碳源完成上流式反应器的上层反应室内的异样反硝化； 7)上流式反应器成功启动后，进水可换为实际废水。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤5中是通过控制曝气量使进水中的氨氮部分转化成为亚硝氮，实现下层反应室内参与反应的氨氮:亚硝氮摩尔比约为1:1.2。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，步骤7的实际废水为垃圾渗滤液和/或污泥脱水液。
【文档编号】C02F101/38GK103964640SQ201410201471
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】张莉, 杨嘉春, 王圣瑞 申请人:中国环境科学研究院