一种前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器及脱氮方法与流程

本发明属于废水生物处理脱氮技术领域，具体涉及一种前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器及脱氮方法。

背景技术：

近年来，厌氧氨氧化作为一种新型的生物脱氮技术，因其具有高效的脱氮效能、无需有机物参与、处理成本低的特点而受到众多研究者的青睐。厌氧氨氧化是指在厌氧的条件下厌氧氨氧化菌利用氨氮作为电子供体，亚硝氮作为电子受体进行生物反应，并转化生成氮气的过程。而亚硝化是指好氧的亚硝化菌利用分子氧将氨氮转化为亚硝氮的过程。通过控制参数的调控可以实现废水中氨氮部分转化为亚硝氮，以适应后续厌氧氨氧化过程中氨氮与亚硝酸的反应比例，俗称部分亚硝化。因此利用部分亚硝化反应与厌氧氨氧化反应结合可以实现高氨氮废水的自养生物脱氮。与传统的生物脱氮过程相比，部分亚硝化与厌氧氨氧化联合工艺可以降低氧气需求，脱氮效能高，极大地降低了动力和能源的消耗。

然而好氧产酸的亚硝化菌与产碱的厌氧氨氧化菌存在溶解氧、pH等生理特性差异，很难在单一反应器内充分发挥各自的优势。因此采用联合工艺处理高氨氮废水时，如何实现部分亚硝化与厌氧氨氧化的衔接变得非常重要。

目前已报道的部分亚硝化-厌氧氨氧化联合工艺主要有两种形式：一种是将两种微生物放置在两个装置内单独培养，通过串联实现废水部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺联合，例如：SBR+厌氧类反应器、SHARON+厌氧类反应器。然而，由于亚硝化菌具有较强的适应性，将亚硝化功能单独放置在反应器内培养，易引起亚硝化菌生长，从而影响亚硝化效果长久稳定的运行；并且，厌氧氨氧化是一个pH值增大的反应，亚硝化是一个pH值减小的反应，采用亚硝化+厌氧氨氧化工艺需要分别加酸碱调节两个反应器的pH值，增加了工艺复杂性。

另一种是通过工艺条件控制实现两种微生物在同一反应器内混合培养，例如OLAND工艺、CANON工艺。然而，由于厌氧氨氧化菌是严格厌氧菌，而亚硝化菌需要供氧来维持其代谢功能，将两者混置在单一反应器中，无论如何限氧，溶解氧都会对厌氧氨氧化菌的脱氮效能产生影响。并且，这种工艺常通过间歇式曝气提供亚硝化的需氧和厌氧氨氧化的无氧条件，对曝气控制的要求高且较为复杂。

另外，部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺在脱除氨氮的同时会产生11％硝酸盐，导致在处理高氨氮废水时很难达标排放。因此反硝化装置在脱氮过程中变得尤为重要。而传统的反硝化装置需要大量的有机物才能实现硝酸盐的去除。为此，利用存在水体中的有机物或者投加的电子供体，将此部分硝酸盐再次转化为亚硝酸盐，供厌氧氨氧化菌使用，可极大地减少能源的消耗。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器及脱氮方法，创造出有利于反硝化菌、亚硝化菌和厌氧氨氧化菌生长的环境，实现完全的自养生物脱氮。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器，该反应器包括好氧区3、厌氧区5和气升装置，其中，所述好氧区3包括下部的反应区14和上部由曝气尾气形成的集气室4，反应区14的下部设置有曝气装置8，曝气装置8与风机连接，好氧区3内驯化或者接种用于亚硝化的亚硝化菌；

所述厌氧区5位于好氧区3的内部，好氧区3与厌氧区5连通，厌氧区5的顶部设有沉淀区7，沉淀区7的上部设置有出水口9；厌氧区5内驯化或者接种用于厌氧氨氧化的厌氧氨氧化菌；

所述气升装置包括导流管10和导气管11；

该反应器还包括缺氧区2；所述缺氧区2位于好氧区3的外部，缺氧区2与好氧区3连通；所述缺氧区2的上部设有进水口1，进水口1与水泵连接；

所述导流管10的两端分别与缺氧区2和沉淀区7连通，导气管11的一端与集气室4连通，另一端伸入导流管10位于缺氧区2的一端。

所述缺氧区2与好氧区3之间通过缺氧区与好氧区连接廊道13连通，缺氧区与好氧区连接廊道13的上端与缺氧区2连接，缺氧区与好氧区连接廊道13的下端与好氧区3连接。

所述缺氧区、好氧区与厌氧区的体积比为1:5-8:1。

一种采用所述的前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器的自养生物脱氮方法，包括如下步骤：

a)开启水泵，高氨氮废水通过缺氧区2进入好氧区3；

开启风机，空气依次通过曝气装置8进入好氧区3，好氧区3中的亚硝化菌在有氧的条件下将高氨低碳氮比废水中的氨氮部分转化为亚硝氮，得到含有氨氮和亚硝氮的废水；

b)步骤a中得到的含有氨氮和亚硝氮的废水进入厌氧区5，在厌氧氨氧化菌的作用下氨氮和亚硝氮转化为氮气和硝酸盐，完成脱氮，得到含有硝酸盐的废水；

c)完成脱氮后，导流管10中为脱氮后含有硝酸盐的废水，集气室4中为好氧区3曝气后的尾气，通过导气管11将导流管10中含有硝酸盐的废水气升入缺氧区2，利用原始高氨低碳氮比废水中的有机物或者在缺氧区2中额外投加的电子供体将硝酸盐转化为亚硝酸盐，然后经过好氧区3再次进入厌氧区5参与厌氧氨氧化反应，实现废水的自养生物脱氮。

本发明的有益效果在于：

1)本发明的前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器通过将反硝化菌、亚硝化菌与厌氧氨氧化菌在单一反应器内分区进行，实现半反硝化、亚硝化与厌氧氨氧化反应装置的一体化，只需简单控制就能保证三者的生长环境不相互影响。

2)本发明的前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器将亚硝化区的曝气尾气用于气升，实现一体化反应器内液体的循环回流，有利于缺氧区、好氧区与厌氧区pH的酸碱互补，同时将好氧区产生的亚硝酸盐快速输送至厌氧区供厌氧氨氧化使用，从而使硝化细菌处于饥饿状态，限制硝化菌的生长。

3)本发明的前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器在无需额外能量消耗的情况下，提高厌氧区上升流速，增加泥水混合条件，促使厌氧区污泥颗粒化。

4)本发明的前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器将厌氧氨氧化产生的硝酸盐回流至缺氧区，可充分利用原水中的有机物或者其他电子供体进行半反硝化反应，将硝酸盐反硝化至亚硝酸盐阶段。

5)本发明的前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器控制条件少且简便易行，有利于高效稳定地实现自养生物脱氮，能够避免pH值波动对反应器的冲击，适应高氨氮浓度的进水。

附图说明

图1为本发明的前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器的结构示意图。

附图标记说明

1 进水管

2 缺氧区

3 好氧区

4 集气室

5 厌氧区

6 好氧区与厌氧区连接廊道

7 沉淀区

8 曝气装置

9 出水管

10 导流管

11 导气管

12 进气管

13 缺氧区与好氧区连接廊道

14 反应区

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

文中所述半反硝化的定义为在高氨氮废水的自养生物脱氮过程中将硝酸盐转化为亚硝酸盐的过程。

本发明的前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器包括好氧区3、厌氧区5、缺氧区2和气升装置。

所述好氧区3包括下部的反应区14和上部由曝气尾气形成的集气室4，反应区14的下部设置有曝气装置8，曝气装置8通过进气管12与风机(图中未示出)连接，好氧区3内驯化或者接种用于亚硝化的亚硝化菌和用于截留亚硝化菌的悬浮吸附填料。

所述厌氧区5位于好氧区3的内部，好氧区3与厌氧区5之间通过好氧区与厌氧区连接廊道6连通，好氧区与厌氧区连接廊道6的上端与好氧区3连接，好氧区与厌氧区连接廊道6的下端与厌氧区5连接，这样能够使好氧区与厌氧区连接廊道6中的液体流向始终是从好氧区3流向厌氧区5；厌氧区5的顶部设有沉淀区7，沉淀区7的上部设置有出水口9；厌氧区5内驯化或者接种有用于厌氧氨氧化的厌氧氨氧化菌。

所述缺氧区2位于好氧区3的外部，缺氧区2与好氧区3之间通过缺氧区与好氧区连接廊道13连通，缺氧区与好氧区连接廊道13的上端与缺氧区2连接，缺氧区与好氧区连接廊道13的下端与好氧区3连接；所述缺氧区2的上部设有进水口1，进水口1与水泵(图中未示出)连接。脱氮后含有硝酸盐的废水通过气升装置快速进入缺氧区2并与缺氧区2中的高氨低碳氮比废水中的有机物或者在缺氧区2中额外投加的电子供体快速混合，缺氧区2利用原始高氨低碳氮比废水中有机物或者在缺氧区2中额外投加单质硫/零价铁等作为电子供体，将硝酸盐转化为亚硝酸盐，实现硝酸盐的半反硝化，为厌氧区5提供亚硝酸盐，实现完全自养脱氮。

所述缺氧区、好氧区与厌氧区的体积比依据半反硝化能力、亚硝化能力和厌氧氨氧化能力的匹配确定，优选为1:5-8:1。

所述气升装置包括导流管10和导气管11，导流管10的两端分别与缺氧区2和沉淀区7连通，导气管11的一端与集气室4连通，另一端伸入导流管10位于缺氧区2的一端。气升装置可控制液体回流，提升厌氧区的上升流速，实现污泥颗粒化；同时缓解好氧区3、厌氧区5、缺氧区2的pH波动。

本发明的采用前置反硝化自养生物脱氮的一体化反应器的自养生物脱氮方法，包括如下步骤：

a)开启水泵，高氨氮废水依次通过进水管1、缺氧区2、缺氧区与好氧区连接廊道13进入好氧区3；

开启风机，空气依次通过进气管12和曝气装置8进入好氧区3，好氧区3中的亚硝化菌在有氧的条件下将高氨低碳氮比废水中的氨氮部分转化为亚硝氮，得到含有氨氮和亚硝氮的废水；

b)步骤a中得到的含有氨氮和亚硝氮的废水通过好氧区与厌氧区连接廊道6进入厌氧区5，在厌氧氨氧化菌的作用下氨氮和亚硝氮转化为氮气和硝酸盐，完成脱氮，得到含有硝酸盐的废水；

c)完成脱氮后，导流管10中为脱氮后含有硝酸盐的废水，集气室4中为好氧区3曝气后的尾气，通过导气管11将导流管10中含有硝酸盐的废水气升入缺氧区2，利用原始高氨低碳氮比废水中的有机物或者额外在缺氧区2中投加的电子供体将硝酸盐转化为亚硝酸盐，然后经过好氧区3再次进入厌氧区5参与厌氧氨氧化反应，实现废水的自养生物脱氮。同时转化为亚硝酸盐的回流液不仅可缓解缺氧区2、好氧区3和厌氧区5生化反应产生的酸碱，维持各区的pH稳定；还可以提升厌氧区5的上升流速，是污泥处于悬浮状态，有利于颗粒化。