一种快速实现高氨氮废水曝气生物滤池短程硝化的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种污水处理技术，具体是高氨氮废水实现短程硝化的装置和运行方法，尤其是在曝气生物滤池中实现短程硝化的装置和运行方法，适用于高氨氮废水的脱氮处理，有利于经济有效的控制水体氮素污染，提高污水脱氮效率，节省脱氮成本，属于废水处理技术领域。
【背景技术】
[0002]随着工农业的飞速发展，工业和农业用水量日趋增加，而水资源却是有限的，因而环境问题也日益受到人类的关注，其中水环境的富营养化现象逐渐引起人们的高度重视。传统硝化反硝化是目前普遍采用的污水脱氮方法。传统硝化作用分两步进行:首先，在氨氧化细菌(AOB)的作用下，使氨氮转化为亚硝酸氮；继之，亚硝酸氮在亚硝酸盐氧化细菌(NOB)的作用下，进一步转化为硝酸氮。反硝化作用是在缺氧及存在有机碳源的条件下，硝酸氮和亚硝酸氮在反硝化菌的作用下，被还原为气态氮(N2)的过程。
[0003]短程生物脱氮技术是将生物硝化过程控制在氨氧化阶段，而后直接进行反硝化，与传统硝化反硝化脱氮工艺相比，可以节省约25% (以氧计)的能耗，并能提高1.5-2倍的反硝化速率。实现短程硝化反硝化对于提高脱氮效率、节省能源和碳源具有重要的意义，但目前仍很难实现稳定的短程硝化。
[0004]自上世纪70年代以来，生物膜工艺成为广大研究者和工程师们的研究热点。生物滤池是生物膜法处理污水的传统工艺，于19世纪末发展起来，先于活性污泥法。曝气生物滤池是普通生物滤池的一种变形形式，从单一的工艺逐渐发展成系列综合工艺，具有去除SS、COD、BOD5、硝化、脱氮的作用，其最大特点是集生物氧化和截留悬浮固体于一体，节省了后续二次沉淀池，在保证处理效果的前提下使处理工艺简化。此外，曝气生物滤池工艺有机物容积负荷高，水力负荷大，水力停留时间短，所需基建投资少，能耗及运行成本低，同时该工艺出水水质好。因此研究曝气生物滤池短程硝化的快速实现方法及稳定性问题具有重要的理论意义和应用前景。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种快速实现高氨氮废水曝气生物滤池短程硝化的装置及运行方法，通过施加各种有利于实现曝气生物滤池短程硝化的调控方法，给出最优的环境控制参数，达到快速实现曝气生物滤池短程硝化的效果。
[0006]本发明的技术方案是:
[0007]—种快速实现高氨氮废水曝气生物滤池短程硝化的装置，其特征在于，设有圆柱型反应器和圆锥型反应器相结合的反应装置、进水系统、出水系统、反冲洗系统、曝气系统、温控系统，圆柱型反应器和圆锥型反应器相结合的反应装置(24)的下端为圆锥型进水区，圆锥型进水区的上面依次为圆柱型的承托层、滤料层和清水区，圆柱型清水区的上面设有出水槽(17)即圆柱型反应器的顶部设有出水槽(17)，出水槽(17)上设有排气口(6)，圆柱型滤料层的底部和顶部分别装有压力表1(4)和压力表2 (5)，在圆柱型滤料层部分设有多个取样口(16)，圆锥型进水区内装有一曝气圆盘(15)，圆柱型清水区部分装有一曝气头
(21);进水系统依次通过进水箱(1)、进水管(2)、蠕动栗(3)、阀门与圆锥型进水区连通；圆柱型反应器的顶部依次通过出水槽(17)、出水管(7)与出水箱/反冲洗进水箱(8)连通；出水箱/反冲洗进水箱(8)通过反冲洗水栗(9)、转子流量计(10)、阀门与圆锥型进水区连通；出水槽(17)通过反冲洗出水管(11)与反冲洗出水箱(12)连通；空气压缩机(13)通过进气管I (18)、玻璃转子流量计I (14)、阀门与曝气圆盘(15)连通，同时空气压缩机(13)通过进气管2(19)、玻璃转子流量计2(20)、阀门与和曝气头(21)连通；温控装置(23)通过圆柱型反应器外面的加热带(22)调节反应装置(24)温度。
[0008]清水区通过阀门、回流管(25)、回流栗(26)与圆柱型滤料层连通。
[0009]在进水管路上还设有转子流量计。
[0010]反应器滤料层的滤料为火山岩，其粒径为4-6_，并且该装置在启动阶段及反冲洗阶段采用底部曝气的方式调节曝气量，正常运行阶段采用底部与上部曝气结合的方式调节曝气量，进而控制反应器中溶解氧浓度。
[0011]上述的高氨氮废水曝气生物滤池短程硝化装置的运行方法，其特征是设有以下步骤:
[0012]I)启动阶段:打开进水阀门，将取自二沉池的活性污泥与待处理高氨氮废水(优选按体积2:1的比例)通过蠕动栗从圆锥型反应器部分栗入到反应器中，使其完全浸没滤料层；打开温控装置，温度控制在30-35 °C ;打开空气压缩机，使气体流经玻璃转子流量计I后通过曝气圆盘进入到反应器中(优选反应装置容积每18-19L对应气体流量控制在25L/h左右)，进入闷曝阶段，此阶段连续监测系统中D0、pH和0RP，当pH出现“氨谷”，或者ORP突然上升时，关闭曝气，一个闷曝周期结束，换污水进入下一闷曝周期；如此往复7天，之后采用连续流的方式进水；第8-11天，以1/3的设计流速进水；第12-15天，以2/3的设计流速进水；第16-19天，以设计流速进水；这三种连续流进水的情况下，仍采用下部曝气圆盘的曝气方式，曝气量均为1Q m3/h，Q为进水流量，此后进入到正常运行阶段；
[0013]上述所述的设计流速进水优选使得NH/-N负荷为0.6-0.8kg/ (m3.d)。
[0014]2)正常运行阶段:打开进水阀门，然后打开进水蠕动栗，将待处理的高氨氮废水由圆锥型底部连续进入到曝气滤料层中，通过滤料层，在氨氧化细菌的作用下，氨态氮氧化为亚硝态氮，从出水槽(7)流经出水管排至出水箱/反冲洗进水箱(8)中；此运行阶段，打开空气压缩机，使气体通过进气管I和进气管2，流经玻璃转子流量计I和玻璃转子流量计2之后，通过曝气圆盘和曝气头进行曝气，通过调节两个玻璃转子流量计维持反应器中溶解氧浓度为l_2mg/L ;回流污水通过回流管经回流栗后从圆锥型底部再次进入反应器中；
[0015]3)反冲洗运行阶段:当反应器滤料层的压力差即反应器滤料层底部和顶部的压力差大于Im时，关闭进水阀门及蠕动栗，进行反冲洗，气冲通过空气压缩机进行，水冲通过反冲洗水栗进行，气水混冲通过空气压缩机和反冲洗水栗同时进行，气冲均通过底部曝气圆盘曝气；反冲洗模式依次进行气冲、气水混冲、水冲。
[0016]优选反冲洗模式为:气冲5分钟，强度为1L/ (m2.s);气水混冲5分钟，气水强度均为1L/(m2.s);水冲10分钟，强度为1L/ (m2.s)。
[0017]4)反冲洗结束后返回至步骤2)，即正常运行阶段，继续处理。
[0018]短程生物脱氮工艺的实现条件在本质上是硝化菌群(主要包括氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌两大类细菌)结构的优化，即尽可能淘汰系统中的亚硝酸氧化细菌，保留氨氧化细菌。
[0019]本发明所提供的快速实现高氨氮废水曝气生物滤池短程硝化的装置和运行方法是将提高氨氧化菌生长速率，降低亚硝酸盐氧化菌生长速率，即最有利于富集氨氧化菌、淘汰亚硝酸氧化菌的因素综合在一起，具体包括:
[0020]I)高氨氮废水中的高游离氨浓度，有利于氨氧化细菌的富集。当游离氨浓度大于0.6mg/l时，几乎可以全部抑制亚硝酸盐氧化细菌的活性；当游离氨浓度大于40mg/l时，才会严重抑制氨氧化细菌的活性。因此，高氨氮废水中的高游离氨会抑制亚硝酸盐氧化细菌的活性，从而有利于氨氧化细菌的富集。
[0021]2)系统运行温度控制在30_35°C，利于富集氨氧化细菌。在30°C以上的温度条件下，氨氧化细菌的生长速率大于亚硝酸盐氧化细菌的生长速率，系统长期在此温度下运行，有利于富集氨氧化细菌。
[0022]3)系统控制在偏低的溶解氧浓度下，有利于富集氨氧化细菌。根据两类微生物的生理特性，在好氧阶段，由于氨氧化细菌对氧的亲和能力比亚硝酸氧化细菌强，氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌的氧饱和常数分别为0.2-0.4mg/L和1.2-1.5mg/L。因此较低的溶解氧浓度下，氨氧化细菌的生长速率大于亚硝酸氧化细菌的生长速率。长期在此条件下运行，有利于富集氨氧化细菌。
[0023]4)对曝气生物滤池进行适时适度反冲洗，有利于富集氨氧化细菌。氨氧化细菌的世代时间(即细菌增长一倍的时间)比亚硝酸氧化细菌的世代时间短。因此适时适度的反冲洗可以使亚硝酸氧化细菌还未充分繁殖就被排出系统，从而保证氨氧化细菌在整个硝化菌群中的比例不断提高，进而淘汰亚硝酸氧化细菌。
[0024]5)系统进水pH值控制在7.5-8.5范围内，有利于富集氨氧化细菌。氨氧化细菌和亚硝酸氧化细菌的最适PH范围有所差异，分别为7.0-8.5和6.5-7.5。因此长期在这种条件下运行，有利于氨氧化细菌的富集。
[0025]6)启动阶段进行间歇曝气，有利于提高氨氧化细菌的竞争力。根据两类微生物的生理特性，每一个缺氧阶段之后的好氧阶段氨氧化细菌总是比亚硝酸氧化菌提前恢复活性，这样氨氧化细菌的生长速率在好氧阶段就高于亚硝酸氧化菌的生长速率，减少了亚硝酸氧化细菌的生长机会。
[0026]本发明的高氨氮废水曝气生物滤池短程硝化的装置与运行方法同现有处理高氨氮废水的处理技术相比，具有下列优点:
[0027]I)节能降耗效果好。污水处理厂的大部分费用用于电耗及药耗，然而短程硝化只需将氨氮氧化成亚硝酸氮，节省了 25%的曝气能耗，即降低了电耗，使污水处理厂的能耗降低。
[0028]2)亚硝酸盐积累率高。由于该装置和方法充分利用高氨氮废水中的游离氨，并通过调节曝气量控制溶解氧的方法，充分促进亚硝酸盐的积累。
[0029]3)可靠性高。曝气生物滤池抗冲击负荷能力强，无污泥膨胀问题，一段时间不运转，微生物不会流失，几天内即可恢复到正常处理水平。
[0030]4)基建费用和运行费用低。曝气生物滤池的基建费用和运行费用大大低于传统常规二级处理技术的费用。
[0031]5)简化流程。曝气生物滤池集过滤、生物吸附和生物氧化于一体，可同时起到普通曝气池、二沉池和砂滤池的作用，将物理截留和生物处理在同一反应器中完成。
[0032]6)较小的池容和占地。曝气生物滤池的占地面积仅是常规二级生物处理的1/10-1/5左右，这一点对于沿海城市，或土地较