基于双回流和梯度限氧的低碳氮比污水脱氮装置及其方法与流程

本发明属于环境工程污水生物处理脱氮技术领域，具体涉及一种基于双回流和梯度限氧，通过自养硝化反硝化对低碳氮比污水脱氮的方法。

背景技术：

近几十年来，我国经济社会快速发展、城镇规模日益扩大、城镇污水排放量急剧增加，而现有城镇污水处理厂因技术工艺存在缺陷等问题，导致大量氮元素等进入水体，水环境污染状况日益恶化。同时，国家对污水处理厂的出水水质要求越来越严格，《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)中一级a标准要求出水氨氮浓度小于5mg/l，总氮浓度小于15mg/l。浙江省更是提出了清洁水排放，氨氮浓度小于3mg/l，总氮浓度小于12mg/l，达到地表水iv类水标准排放。目前，很多城镇污水处理厂的排放标准依然处于一级b标准，有的甚至不能稳定达标，出水水质亟待提高。

目前关于污水脱氮的方法可以分为物化法和生物法，其中生物法因高效性和经济可行性而被广泛应用于城镇污水的处理。传统的污水生物脱氮技术包括氨化、硝化和反硝化三个过程：氨化是指水体中的有机氮在氨化菌的作用下转化成氨态氮；硝化则是氨态氮被氨氧化菌氧化成亚硝态氮，继而由亚硝酸盐氧化菌将亚硝态氮氧化成硝态氮；反硝化，即在缺氧或者厌氧的条件下，亚硝态氮和硝态氮被反硝化菌还原成氮气。硝化过程需要大量曝气消，动力消耗大；反硝化过程需要大量的碳源。我国城镇污水的碳氮比普遍低于4，碳源不足，在实际运行中，需要投加碳源，造成运行费用增加。同时，外加碳源还会导致剩余污泥量增大，加大污水处理厂处理污泥的成本和难度。

因此，在现有的基础研究上，突破传统工艺，开发处理效率高、运行费用低、出水水质符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)一级a的城镇污水生物脱氮处理技术具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有污水生物脱氮技术处理低碳氮比污水硝化过程需要大量曝气，反硝化过程需要外加碳源的不足，提供一种基于双回流和梯度限氧，通过自养硝化反硝化对低碳氮比污水高效脱氮的方法。本发明提供的方法不需要大量曝气和外加碳源，运行费用低，处理效率高，出水水质稳定，氨氮浓度小于3mg/l，总氮浓度小于12mg/l，可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)中一级a标准和浙江省清洁水排放标准对氨氮和总氮的要求。

为实现上述发明的目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于双回流和梯度限氧的低碳氮比污水脱氮装置，其包括调节池、配水槽、生物转盘脱氮反应器、梯度限氧生化池和沉淀池；调节池、配水槽、生物转盘脱氮反应器、梯度限氧生化池和沉淀池通过配水管道依次首尾连通；所述调节池前端设置进水口；所述梯度限氧生化池包括四个依次串联相连通的反应室，进水以推流的方式顺次通过第一反应室、第二反应室、第三反应室和第四反应室；每个所述反应室内装有搅拌装置和曝气装置；所述梯度限氧生化池末端设置污水回流管道，用于将部分污水分别回流到配水槽前端和梯度限氧生化池的第一反应室前端；所述沉淀池末端设有出水口和排泥口；所述排泥口设于沉淀池底部，外接污泥管道，用于排出沉淀池的污泥，同时将部分污泥分别回流到配水槽前端和梯度限氧生化池的第一反应室前端。

作为优选，所述生物转盘脱氮反应器的盘片为立体网状结构，空隙率95％～98％以上。

作为优选，所述生物转盘脱氮反应器的转盘上部装有半圆形玻璃钢盖。

作为优选，所述生物转盘脱氮反应器的转速可调节。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述处理装置的基于双回流和梯度限氧的低碳氮比污水脱氮方法，其步骤如下：

1)污水通过调节池后，与梯度限氧生化池末端回流液及沉淀池回流污泥混合并进入配水槽，利用微生物分解硫系污染物消除异味，同时根据进水水质调节回流比保证进入生物转盘脱氮反应器的氨氮浓度低于200mg/l；

2)将配水槽的出水引入生物转盘脱氮反应器，通过调节转盘的转速来控制生物转盘脱氮反应器内溶氧浓度为0.8～1.0mg/l，利用生物膜上的生物相，实现氮系及碳系污染物的部分去除，优化进入梯度限氧生化池的水质；

3)将生物转盘脱氮反应器的出水引入梯度限氧生化池，通过控制曝气装置使四个反应室内的曝气量随水流方向依次递减，实现污水氮的深度脱除；梯度限氧生化池的第四反应室末端部分污水回流至配水槽和梯度限氧生化池的第一反应室前端；

4)梯度限氧生化池出水引入沉淀池，泥水分离后澄清液外排，部分污泥分别回流至配水槽和梯度限氧生化池前端，其余污泥排出。

作为优选，所述步骤2)中生物转盘脱氮反应器工作时污泥浓度在10000～30000mg/l。

作为优选，所述配水槽中的出水亚硝态氮与氨氮的摩尔比为1.0～1.4：1。

作为优选，所述梯度限氧生化池中第一反应室、第二反应室、第三反应室和第四反应室的溶解氧浓度分别控制在0.8～0.6mg/l、0.6～0.4mg/l、0.4～0.2mg/l和0.2mg/l以下。

作为优选，步骤1)中污水的城镇污水。

与现有的技术相比，本发明的有益成果在于：

1、本发明脱氮效率高，最终出水氨氮浓度小于3mg/l，总氮浓度小于12mg/l，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)中一级a标准和浙江省清洁水排放标准对氨氮和总氮的要求。

2、本发明能耗低，在整个处理过程溶解氧浓度均低于1.0mg/l，曝气量小，节省大量能耗。

3、本发明无需外加碳源，节省了外加碳源的费用，同时减少了剩余污泥产生量，与活性污泥法相比，剩余污泥产生量减少40～50％。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

附图标记如下：调节池1、配水槽2、生物转盘脱氮反应器3、梯度限氧生化池4、沉淀池5。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细阐述。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，本实施例中的一种基于双回流和梯度限氧的低碳氮比污水脱氮装置，其包括调节池1、配水槽2、生物转盘脱氮反应器3、梯度限氧生化池4和沉淀池5；调节池1、配水槽2、生物转盘脱氮反应器3、梯度限氧生化池4和沉淀池5通过配水管道依次首尾连通。调节池1前端设置进水口，待处理污水从该进水口输入。梯度限氧生化池4包括四个依次串联相连通的反应室，进水以推流的方式顺次通过第一反应室、第二反应室、第三反应室和第四反应室。每个反应室内装有独立的搅拌装置和曝气装置，通过调节曝气速率和搅拌速度可以分别控制四个反应室溶解氧浓度。梯度限氧生化池4末端设置污水回流管道，用于将部分污水分别回流到配水槽2前端和梯度限氧生化池4的第一反应室前端。沉淀池5末端设有出水口和排泥口，出水口外接出水管；排泥口设于沉淀池5底部，外接污泥管道，用于排出沉淀池5的污泥，同时将部分污泥分别回流到配水槽2前端和梯度限氧生化池4的第一反应室前端。

本实施例中，生物转盘脱氮反应器3的盘片为立体网状结构，盘片的立体网状结构采用网状纤维加工而成，空隙率95％～98％以上。生物转盘脱氮反应器3的转盘上部装有半圆形玻璃钢盖。生物转盘脱氮反应器3的转速可调节，通过调节转盘转速可使系统处于不同的溶氧状态。

基于上述处理装置的基于双回流和梯度限氧的低碳氮比污水脱氮方法，其步骤如下：

1)污水通过调节池1后，与梯度限氧生化池4末端回流液及沉淀池5回流污泥混合并进入配水槽2，利用微生物分解硫系污染物消除异味，同时根据进水水质调节回流比保证进入生物转盘脱氮反应器3的氨氮浓度低于200mg/l；

2)将配水槽2的出水引入生物转盘脱氮反应器3，通过调节转盘的转速来控制生物转盘脱氮反应器3内溶氧浓度为0.8～1.0mg/l，利用生物膜上的生物相，实现氮系及碳系污染物的部分去除，优化进入梯度限氧生化池4的水质；

3)将生物转盘脱氮反应器3的出水引入梯度限氧生化池4，通过控制曝气装置使四个反应室内的曝气量随水流方向依次递减，实现污水氮的深度脱除；梯度限氧生化池4的第四反应室末端部分污水回流至配水槽2和梯度限氧生化池4的第一反应室前端；

4)梯度限氧生化池4出水引入沉淀池5，泥水分离后澄清液外排，部分污泥分别回流至配水槽2和梯度限氧生化池4前端，其余污泥排出。

本发明梯度限氧生化池末端回流液、沉淀池回流污泥和调节池出水混合，通过调节回流比使混合液的溶解氧浓度在1.0mg/l，混合液进入配水槽，停留2～4h，在此处利用回流污泥中的枯草芽孢杆菌等微生物分解混合液中的硫化物，消除异味，同时将混合液的溶解氧浓度降低到0.8～1.0mg/l。

配水槽出水引入生物转盘脱氮反应器，通过调节转盘的转速使反应器内的溶解氧浓度维持在0.8～1.0mg/l，停留时间8～12h。生物转盘脱氮反应器3工作时污泥浓度在10000～30000mg/l。与盘片表面接触的水在枯草芽孢杆菌等微生物的作用下主要发生亚硝化反应，将氨氮转化成亚硝态氮，而盘片内部由于溶解氧浓度更低，主要发生反硝化反应将硝态氮和亚硝态氮还原成氮气脱出，同时降低污水的cod。配水槽的出水中的亚硝态氮与氨氮比例控制为1.0～1.4：1，为后续的深度脱氮创造了良好进水条件。

生物转盘脱氮反应器出水引入梯度限氧生化池，以推流的方式逐一通过反应室。梯度限氧生化池内每个反应室的溶解氧浓度不同，按推流行进的方向逐渐降低。通过调节曝气速率和搅拌速度将四个反应室，即第一反应室、第二反应室、第三反应室和第四反应室的溶解氧浓度分别控制在0.8～0.6mg/l、0.6～0.4mg/l、0.4～0.2mg/l和0.2mg/l以下。生化池前端溶解氧较高的反应室主要进行亚硝化反应，后面溶解氧较低的反应室则主要进行厌氧氨氧化等反应。梯度限氧生化池末端的污水部分回流到反应池前端进行再次处理，沉淀池污泥部分回流到生化池前端补充微生物的流失。

梯度限氧生化池末端部分污水分别回流到配水槽前端和梯度限氧生化池前端，而沉淀池的部分污泥回流到同样的位置，形成双回流系统，调节了各个反应器的进出水水质，同时保证了各个反应器的微生物浓度，有利于污水氮元素的深度脱出。

下面基于上述装置和工艺，结合具体实施例对本发明的效果进行说明。下面个实施例以某城市污水处理厂的原水作为污水进行处理，该污水的cod为180～250mg/l，氨氮浓度为20～50mg/l，总氮为21～60mg/l。

实施例1

以该市镇污水处理厂原水作为处理污水进入调节池，调节池出水与梯度限氧生化池末端回流液和沉淀池回流污泥混合后，形成溶解氧浓度为1.0mg/l的混合液进入配水槽，并停留2h，利用微生物分解硫系污染物消除异味；配水槽出水引入生物转盘脱氮反应器，通过调节转盘的转速来控制生物转盘脱氮反应器内溶解氧浓度为1.0mg/l，处理停留时间为10h；考虑生物转盘脱氮反应器的水质波动，设置回流比(调节池出水：梯度限氧生化池末端回流到配水槽污水)为3，此处可去除约50％的氨氮和总氮；将生物转盘脱氮反应器的出水引入梯度限氧生化池内，通过调节每个反应室内的曝气速率和搅拌速度控制反应室的溶解氧浓度，第一反应室控制在0.8mg/l，第二反应室控制在0.6mg/l，第三反应室控制在0.4mg/l，第四反应室控制在0.2mg/l，每个反应室的停留时间为2h，总停留时间8h，梯度限氧生化池的第四反应室末端污水部分回流到梯度限氧生化池第一反应室前端，设置回流比(生物转盘脱氮反应器出水：梯度限氧生化池末端回流到生化池前端污水)同样为3；将生物转盘脱氮反应器的出水引入沉淀池，并静置1h排除，部分污泥回流到配水系统和梯度限氧生化池前端，其余污泥排出。最终出水cod浓度为40.5mg/l，氨氮浓度为2.8mg/l，总氮浓度为11.7mg/l。

对比例1

在该对比实施例中，梯度限氧生化池混合液和沉淀池污泥回流关闭，其余的条件与实施例1中一致。最终出水cod浓度为73.4mg/l，氨氮浓度为8.5mg/l，总氮浓度为22.7mg/l。

与实施例1相比，该对比实施例关闭了双回流系统，一方面没有污泥回流至水槽和限氧反应池前端，导致其中的微生物浓度降低，处理效率降低，另一方面梯度限氧生化池末端水没有回流再处理直接进入沉淀池，最终导致了出水的cod、氨氮和总氮浓度升高，出水水质变差，不能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)中一级a标准要求。

对比例2

在该对比实施例中，梯度限氧生化池的四个反应室的溶解氧均控制在0.5mg/l，其余的条件与实施例1中一致。最终出水cod浓度为45.8mg/l，氨氮浓度为9.4mg/l，总氮浓度为25.3mg/l。

与实施例1相比，该对比实施在梯度限氧生化池没有实施前高后低的梯度限氧，每个反应室的溶解氧浓度均控制在0.5mg/l，污水在梯度限氧生化池内不能在不同的溶解氧条件下进行亚硝化，导致亚硝化效率降低，不能优化厌氧氨氧化和反硝化进水水质，最终导致了出水的cod、氨氮和总氮浓度升高，出水水质变差，不能满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)中一级a标准要求。

实施例2

在该实施例中，将生物转盘脱氮反应器的溶解氧控制在0.9mg/l，梯度限氧生化池中第一反应室溶解氧控制在0.7mg/l，第二反应室溶解氧控制在0.5mg/l，第三反应室溶解氧控制在0.3mg/l，第四反应室溶解氧控制在0.1mg/l，其余的条件与实施例中一致。最终出水cod浓度为42.8mg/l，氨氮浓度为2.5mg/l，总氮浓度为11.4mg/l。

实施例3

在该实施例中，将生物转盘脱氮反应器的溶解氧控制在0.8mg/l，梯度限氧生化池中第一反应室溶解氧控制在0.6mg/l，第二反应室溶解氧控制在0.4mg/l，第三反应室溶解氧控制在0.2mg/l，第四反应室溶解氧控制在0.05mg/l，其余的条件与实施例中一致。最终出水cod浓度为45.3mg/l，氨氮浓度为2.8mg/l，总氮浓度为11.8mg/l。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。