基于自养反硝化的一体化新型脱氮反应装置及工艺方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及基于自养反硝化的一体化新型脱氮反应装置及工艺方法，属于水污染 控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 氮污染物是引起水体富营养化的重要原因之一，氮污染控制是目前我国乃至世界 范围内亟需解决的一个水环境问题。
[0003] 生活污水、受污染的地表水等污染水体中的氮污染物以氨氮、硝酸盐为主，常规生 物脱氮处理方法的基本原理是：氨氮在氨氧化菌（AOB)的作用下被氧化为亚硝酸盐，进而 在亚硝酸盐氧化菌（NOB)的作用下被氧化为硝酸盐；硝酸盐在反硝化菌的作用下被还原为 氮气排出水体，从而彻底脱氮。通常，在水处理工艺中利用异养反硝化作用，即需要以有机 物为电子供体，给微生物生长提供碳源和能源。然而，对于碳氮比（C0D/N)较低的污水、废 水和受污染自然水体，则需要通过额外投加有机物（如投加乙酸钠、甲醇等，或配比一定量 含有较高浓度有机污染物的污水）促进异养反硝化过程，由于污水处理过程受到多种复杂 因素的综合影响，有机碳源的投加量不易控制，容易导致出水中存在有机物残留等问题，此 外，运行成本也会因此增加。
[0004] 与异养反硝化菌有所不同，自养反硝化菌能够以氢、硫等无机物为电子供体，并以 无机碳（〇)2或[~|(：03-)为碳源，完成硝酸盐到氮气的转化。基于自养反硝化过程的脱氮工 艺，无需投加有机碳源且污泥产生量较少，具有良好的应用前景，然而，目前却较少得以开 发和应用。其关键问题之一是自养反硝化菌的电子供体来源，若投加氢气、硫化物等，控制 不当则会引入新的问题（如氢气易燃易爆、硫化物引入污染等）。利用微电解载体自身产生 的电子传递，为自养反硝化菌提供电子供体，进而实现脱氮的水处理工艺鲜有报道。此外， 在实际污染水体中必然还会存在一定浓度的有机物，从工艺原理、设备结构、控制要素等多 重角度出发，开发同时去除氨氮、硝酸盐和有机物的一体化反应装置及工艺方法，具有良好 应用前景和重要实际意义。
【发明内容】
[0005] 为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于开发一种控制效果好、占地面积小 的基于自养反硝化的一体化新型脱氮反应装置及工艺方法，利用有机生物膜载体上富集的 好氧微生物完成有机物氧化、氨氧化和亚硝酸盐氧化过程，利用微电解载体上富集的自养 反硝化微生物进一步将硝酸盐转化为氮气，从而在无需投加有机物或氢气等外源物质的条 件下，实现污染水体中氨氮、硝酸盐和有机物的同时、有效去除。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007] 基于自养反硝化的一体化新型脱氮反应工艺方法，包括以下步骤；
[0008] 污水由进水系统先后进入好氧反应区、中间沉淀区和自养反硝化区，首先实现有 机物、氨氮和亚硝酸盐的氧化过程，进而实现好氧污泥的沉淀、回流过程和硝酸盐还原生成 氮气的转化过程，最终由出水系统排出。
[0009] 好氧反应区内以悬浮形式填充有机生物膜载体，通过活性污泥接种并培养挂膜， 在有机生物膜载体上富集具有有机物氧化、氨氧化和亚硝酸盐氧化功能的异养好氧微生 物、氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌等微生物，利用微生物作用将进水中的有机物分解为二氧 化碳，并将氨氮氧化为硝酸盐。
[0010] 中间沉淀区设置导流档板和回流缝，利用导流挡板降低水流流速使好氧反应区 生成并流出的过剩污泥沉淀和排出，利用回流缝由沉淀区向好氧反应区回流污泥。
[0011] 自养反硝化反应区内以固定床形式填充微电解载体，通过活性污泥接种并培养挂 膜，在微电解载体上富集自养反硝化菌，利用载体的微电解反应产生电子传递，为自养反硝 化菌的反硝化过程提供电子，还原硝酸盐至氮气，实现水中氮污染物的彻底去除。
[0012] 好氧反应区内的有机生物膜载体可由聚氯乙烯（PVC)、聚乙烯（PE)、聚丙烯（PP) 及其改性材料、聚氨酯（PU)等高分子有机材料制成多孔且易于挂膜的球状、块状等多种形 状。
[0013] 好氧反应区内设置曝气系统，为有机生物膜载体上富集的微生物提供充足的氧 气。好氧反应区内设置出水隔板，以截留有机生物膜载体。
[0014]自养反硝化区内的微电解载体可由铁粉和碳粉混合后，烧制并定型成球状、块状 等形状。自养反硝化区内的微电解载体上，除自养反硝化菌外，还可富集异养反硝化菌、异 养好氧菌、氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌等其他种类微生物，与自养反硝化菌协同作用实现 氮污染物和有机污染物的共同去除。
[0015]自养反硝化反应区包含反应段和出水段。自养反硝化反应区的反应段内设置限氧 系统，为微电解载体上富集的微生物提供限氧条件。限氧系统由溶解氧探头监测溶解氧浓 度，当溶解氧浓度过高时，由自动控制系统调节曝气量，以保障自养反硝化反应段的溶解氧 浓度在3mg/L以下。自养反硝化反应区的出水段内设置曝气系统，进一步去除残留的氨氮 及有机物。
[0016] 基于自养反硝化的一体化新型脱氮反应装置，包括反应器主体、进水系统、出水系 统、污泥排除系统、曝气和限氧系统；
[0017] 反应器主体为同心圆柱形，内环为好氧反应区，外环为中间沉淀区和自养反硝化 区，外环中间沉淀区和自养反硝化区的内边壁即为内环好氧反应区的外边壁；
[0018] 好氧反应区内设置多孔载体承托板，其上填充有机生物膜载体，好氧反应区和中 间沉淀区之间顶部设置第一出水堰，底部设置回流缝；中间沉淀区和自养反硝化区之间设 置导流挡板，顶部设置第二出水堰；自养反硝化区内设置多孔载体承托板，其上填充微电解 载体；
[0019] 进水系统包括进水泵、进水管路、进水阀门和布水系统；进水泵、进水阀门设置于 反应器主体之外，并由进水管路连接至布水系统；布水系统设置于反应器主体内的好氧反 应区底部，位于好氧区曝气头之上、多孔载体承托板之下；
[0020] 出水系统包括最终出水堰和出水管路；最终出水堰设置于反应器主体的自养反硝 化区出水段顶部，并与设置于反应器主体之外的出水管路相连接；
[0021] 污泥排除系统包括污泥漏斗、排泥阀门和排泥管路；污泥漏斗设置于反应器主体 的中间沉淀区底部，呈倒梯形，并通过排泥阀门与设置于反应器主体之外的排泥管路相连 接；
[0022] 曝气及限氧系统包括好氧反应区曝气系统、自养反硝化区反应段限氧系统及自养 反硝化区出水段曝气系统；好氧反应区曝气系统包括好氧区曝气头、好氧区曝气管路、好氧 区曝气阀门和好氧区空气压缩机；好氧区曝气头设置于好氧反应区底部，位于布水系统之 下，通过好氧区曝气管路和好氧区曝气阀门与位于反应器主体之外的好氧区空气压缩机相 连接；自养反硝化区反应段限氧系统包括微曝气头、限氧段曝气管路、可调节阀门、限氧段 空气压缩机、溶解氧监测探头和曝气自动控制装置；
[0023] 微曝气头设置