专利名称：一种城市污水高效低耗生物脱氮方法
技术领域：
本发明属于城市污水处理与资源化领域。具体涉及专用于常温条件下城 市污水的高效率低能耗生物脱氮的方法。
背景技术：
传统的硝化/反硝化生物脱氮工艺在废水脱氮领域曾起到了非常重要的
作用。但其硝化阶段能耗巨大若不考虑硝化过程中硝化菌的增殖，则氧化 lg氨氮(NH/-N)为硝酸盐氮(N031)将消耗4. 57g02、 7. 14g碱度(以CaC03 计)；反硝化阶段碳源需求量高，还原lgN0「-N需要2. 86g可生物降解COD 作为氢供体。目前，城市生活污水的C/N值较低，生物脱氮处理所面临的最 大问题是碳源不足，为达到脱氮效果必须额外投加碳源，从而导致污水处理 的能耗和成本大大增加。
厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, 简称Anammox),是指在 厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以氨氮为电子供体，以亚硝酸盐为电子受体，直 接将氨氮和亚硝酸盐氮同时转化成氮气而释放到大气中，从而实现废水中氮 素脱除的目的。由于厌氧氨氧化途径是在亚硝化(Nitrosification,又称短 程硝化)基础上进行的生物自养脱氮，所以它与传统的硝化/反硝化脱氮工艺 相比，具有耗氧量少、不需要碳源和污泥产量低等众多优点。目前，有关厌 氧氨氧化工艺的研究和应用，主要是针对污泥消化回流液和垃圾渗滤液等高 温高氨氮废水，而对于常温条件下低氨氮城市污水厌氧氨氧化的研究尚处于 探索阶段。因此，厌氧氨氧化可被视为目前城市污水生物脱氮处理中最具潜 力的可持续发展的生物脱氮工艺。
发明内容
本发明的目的在于解决现有城市污水生物脱氮能耗物耗高的问题，而提 供一种城市污水高效低耗的生物脱氮方法。
本发明所提供的一种城市污水高效低耗生物脱氮方法，是在常温条件下, 以城市污水厌氧/好氧生物除磷的二级出水(磷和有机物已经得到去除)为基 础用水，采用生物膜滤池系统，通过控制反应器的设备运行参数，来实现城 市污水的同步亚硝化/厌氧氨氧化生物自养脱氮。具体步骤如下
1 ) ^搭建生物滤池
生物滤池的滤料可以是石英砂、陶粒、火山岩等无机材料，也可以是塑 料、纤维、树脂等有机材料，形状为粒状、波紋板、蜂窝形等。可以选择一 种滤料，以同一种密度均匀布置，或采用不同密度布置，也可以是多种滤料 分层布置。
控制溶解氧，宏观上，可以通过控制滤层厚度的方式，或者在池壁不同 位置开孔的方式，使沿曝气气流方向，在滤层前段供氧充足均匀，可以发生
部分亚硝化反应；而在后段为厌氧区，可以达到厌氧氨氧化反应的环境条件; 微观上，从曝气生物滤料表层膜的微环境来看，生物膜的外层为好氧环境， 由于生物膜外层好氧氨氧化菌对水中氧气的消耗，在生物膜的里层自然形成 缺氧和厌氧环境，在此环境条件下，厌氧氨氧化菌可以利用亚硝酸细菌代谢 产生的部分亚硝酸盐氮和部分剩余氨氮这两种基质，进行厌氧氨氧化生物自 养脱氮反应。
安装蠕动泵装置，控制生物膜滤池的水流方向和水力负荷。根据污水水 流方向与气流方向的不同，生物滤池可以分为以下两种
a、 污水 从滤池上部向下
流， 空气从滤池自下而上曝气。
污水自上向下流经滤料，同时空气和系统中产生的氮气与水流方向相反, 使水与气充分接触。
b、 污水和空气都^人滤池下部流入，方向自下而上。
气水同向流，可以均匀布气布水，同时可避免截留的悬浮物聚集。
2)生物膜滤池的启动
生物滤池挂膜方式分为直接挂膜和接种挂膜两种方式。
a、 直接挂膜
启动初期，通过控制曝气量，使生物滤池内部水中溶解氧浓度达到4mg/L; 通过调整蠕动泵转速，将生物滤池滤速控制在l. 5m/h。在此运行条件下，当 生物滤池硝化率达到50y。时，认为好氧硝化生物膜挂膜成功，此阶段需要10天。 之后，生物滤池内部水中溶解氧浓度控制在2mg/L,生物滤池滤速控制在2m/h， 使亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌相对于硝酸细菌在该环境条件下占优势，连续运 行50天，可以成功启动亚硝化/厌氧氨氧化生物膜滤池系统。
b、 接种挂膜
接种挂膜是直接将活性污泥反应系统中的亚硝酸细菌和生物膜滤池系统 中的厌氧氨氧化菌接入搭建好的反应器中。之后，控制生物滤池内部水中溶
解氧浓度在2mg/L，控制生物滤池滤速在2m/h,使亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌相 对于硝酸细菌在该环境条件下占优势，连续运行30天，可以成功启动亚硝化/ 厌氧氨氧化生物膜滤池系统。
3)生物膜滤池运行
启动成功的生物膜滤池的运行方式根据进水方式的不同可以分为间歇式 和连续式两种运4于方式。
a、 间l欠式运4亍
间歇式运行的生物滤池内部不安装曝气装置。在生物膜滤池前端设一高 位水箱，设置高位水箱最低水位高于生物滤池上端水位，并安装阀门，来控 制生物滤池的进水。在高位水箱底部安装有微孔曝气装置，控制水箱水中的 溶解氧浓度达到8mg/L。生物膜滤池间歇运行一个周期主要分为进水、运行、 排水三个步骤。间歇式运行控制生物滤池的滤速为3m/h，运行周期为6h。其 中，运行阶段要通过蠕动泵装置水流方向和水力负荷，并将生物滤池的出水 回流至高位水箱，通过控制高位水箱的出水阀门，使生物滤池的进出水水量 保持平衡。在高位水箱中充氧的污水依靠重力作用通过阀门自动流入生物膜 滤池，污水中溶解的氧气很快被亚硝酸菌的好氧代谢消耗，污水中约有2mg/L 的冊4+-!^皮氧化为N02—-N，而后Anammox菌以生成的NO,-N为电子受体，NH/-N 为电子供体，将它们一并代谢生成氮气。通过蠕动泵的回流循环作用和亚硝 酸菌和厌氧氨氧化菌的协同代谢作用，使污水中的氨氮最终全部以氮气的形 式得到去除。
b、 连续流运4亍
将微孔曝气装置置于生物膜滤池的底部，水流方向自下而上；也可以将 微孔曝气装置置于生物滤池的中上部，水流自上而下。控制生物膜滤柱中的 溶解氧浓度为2mg/L,滤速为3m/h。进水先主要进行部分亚硝化反应，而后主 要进行Ana隨ox生物自养脱氮反应，污水中的氮素最后以氮气的形式排出系 统。
上述生物膜滤池的排放出水中，NH4+-N<5mg/L, N0「-N=0mg/L， TN<15mg/L， 水质优于城市污水一级A排放标准，满足再生水用户对7K质的要求。与现有城市污水生物脱氮处理方法相比较，本发明具有以下有益效果
1) 本发明方法采用的生物膜滤池系统，将科学新发现的Anammox工艺， 首次成功应用于城市污水生物脱氮的处理，实现了城市污水同步亚硝化和厌 氧氨氧化生物自养脱氮，为城市污水简捷高效生物脱氮开创了新途径。
2) 本发明方法的生物膜滤池反应器启动周期短，由于亚硝酸菌与厌氧氨 氧化菌在同一生物膜滤池内部的协同脱氮作用，该一体化生物膜滤池的脱氮 性能更加稳定。
3) 本发明方法的建设费用比传统硝化/反硝化脱氮系统省20%以上，运 行费用省30%之上，再生水成本减少20%之上，这就大大降低了城市污水再 生处理的成本费用，加快污水资源化的进程，为緩解和解决水危机提供技术 支撑。
以下结合具体实施方式
对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并 不局限于此。
具体实施例方式
试验以某小区生活污水经厌氧/好氧生物除磷二级处理出水为基础用水， 具体水质如下COD=50~60mg/L, BOD《15mg/L, SS^30mg/L， NH4+-N=55 ~ 85mg/L， N02K).25mg/L, NQ3H.5mg/L, TP^lmg/L, PH=7.0~8.5。
试验用水预处理将城市污水引入格栅、沉砂池和沉淀池，主要去除污 水中的较大颗粒固体悬浮物，出水进入厌氧/好氧生物除磷活性污泥反应池， 厌氧/好氧池中生物除磷的同时降解大部分有机物，污水中的氨氮尚没有发生 硝化反应，出水C/N比较低，作为一体式生物膜滤池自养脱氮反应的适宜进 水。
厌氧氨氧化生物滤池处理后的出水7K质如下COD<50mg/L; BOD5<10mg/L; SS<10mg/L; NH4+-N<5mg/L,去除率95%以上；TN《15mg/L，去除率90%以上； TP《0, 5mg/L; PH=7. 0~8. 5。
具体处理如下
实施例1
1)将预处理后的污水引入高位水箱中，作为间歇式生物滤池反应系统的 进水，控制高位水箱底部微孔曝气装置，使水箱污水溶解氧浓度达到8mg/L。 高位水箱底部安装出水阀，通过调节阀门旋钮，可以控制水箱出水流量。
2) 间歇式生物膜滤池系统以有机玻璃为使用材质加工而成，直径20cm, 高3m。滤柱最底层铺设20cm高粒径为l-2cm的鵝卵石，作为承托层，再添 加150cm粒径为6-8mm的火山岩作为主反应区填料。间歇式生物膜滤池水流 方向采用下向流。将蠕动泵安装于生物滤池底部和高位水箱之间，此为回流 装置，用于控制生物滤池的滤速，同时将污水进行循环脱氮处理。
开启高位水箱出水阀，当生物滤池中水位淹没滤料时，开启蠕动泵回流 装置，并控制生物滤池的进出水流量均为1000mL/min，此时滤速为3m/h。污 水中的溶解氧和部分氨氮^皮生物滤池中的亚硝酸菌代谢，生成亚硝酸盐；厌 氧氨氧化菌以氨氮为电子供体，以生成的亚硝酸盐氮为电子受体，将氨氣和 亚硝酸盐氮同时转化为氮气，排出系统。
3) 在步骤2)工况运行5h后，关闭蠕动泵回流装置，并开启一体化生物 膜反应器底部的排水阀，排水中的氨氮浓度为0. 532mg/L,亚硝酸盐氮浓度为 Omg/L,硝酸盐氮浓度为11.536mg/L,水质氮素含量优于城市污水一级A排放 标准，满足再生水用户对水质的要求。
实施例2
连续流生物膜滤池以有机玻璃为使用材质加工而成，直径8cm，高2.8m。 滤柱最底层铺设10cm高粒径为0.5-lcm的鵝卵石，作为承托层，再添加140cm 粒径为2-4mm的陶粒作为主反应区填料。生物滤池底部安装有微孔曝气系统， 控制生物膜滤池内水中溶解氧浓度为2mg/L。连续流生物膜滤池水流方向采 用上向流。
将预处理后的污水通过蠕动泵S1入连续流生物膜滤池中，并控制滤速为 3m/h。生物膜滤池内部的亚硝酸细菌利用水中的溶解氧，将56. 7%的氨氮转化 成亚硝酸盐，厌氧氨氧化菌在系统中厌氧的环境下，以氨氮为电子供体，以 亚硝酸盐氮为电子受体，进行厌氧氨氧化反应，将其转化为氮气，排出系统。 排水中的氨氮浓度为1.533mg/L，亚硝酸盐氮浓度为Omg/L,硝酸盐氮浓度为 ll.299mg/L,水质氮素含量优于城市污水一级A排放标准，满足再生水用户 对水质的要求。
权利要求
1、一种城市污水高效低耗生物脱氮方法，其特征在于，包括如下步骤1)搭建生物滤池，控制溶解氧，使沿曝气气流方向，在滤层前段供氧充足均匀，发生部分亚硝化反应；而在后段为厌氧区，达到厌氧氨氧化反应的环境条件；安装用于控制生物膜滤池的水流方向和水力负荷的蠕动泵；2)启动生物膜滤池生物滤池挂膜方式分为直接挂膜和接种挂膜两种方式；当生物滤池挂膜方式为直接挂膜时，启动初期，通过控制曝气量，使生物滤池内部水中溶解氧浓度达到4mg/L；通过调整蠕动泵转速，将生物滤池滤速控制在1.5m/h；在此运行条件下，当生物滤池硝化率达到50％时，认为好氧硝化生物膜挂膜成功；之后，生物滤池内部水中溶解氧浓度控制在2mg/L，生物滤池滤速控制在2m/h，连续运行50天，生物膜滤池启动成功；当生物滤池挂膜方式为接种挂膜时，直接将活性污泥反应系统中的亚硝酸细菌和生物膜滤池系统中的厌氧氨氧化菌接入搭建好的反应器中；之后，控制生物滤池内部水中溶解氧浓度在2mg/L，控制生物滤池滤速在2m/h，连续运行30天，生物膜滤池启动成功；3)运行生物膜滤池启动成功后生物膜滤池的运行方式根据进水方式的不同可以分为间歇式和连续式两种运行方式；当运行方式为间歇式运行时，在生物膜滤池前端设一高位水箱，设置高位水箱最低水位高于生物滤池上端水位，并安装阀门，来控制生物滤池的进水；在高位水箱底部安装有微孔曝气装置，控制水箱中水的溶解氧浓度达到8mg/L；生物膜滤池间歇运行一个周期分为进水、运行、排水三个步骤；控制生物滤池的滤速为3m/h，运行周期为6h；当运行方式为连续流运行时，将微孔曝气装置置于生物膜滤池的底部，水流方向自下而上；或者将微孔曝气装置置于生物滤池的中上部，水流自上而下；控制生物膜滤柱中的溶解氧浓度为2mg/L，滤速为3m/h。
全文摘要
一种城市污水高效低耗生物脱氮方法属于城市污水处理与资源化领域。本发明的目的在于解决现有城市污水生物脱氮能耗物耗高的问题。本发明是通过在常温条件下，采用生物膜滤池系统，通过调整反应器的设备运行参数，使在同一生物膜滤池系统中，满足亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌各自的生长代谢环境，快速实现城市污水厌氧氨氧化生物自养脱氮反应器的成功启动，并通过控制反应器的运行参数，依靠亚硝酸菌和厌氧氨氧化菌的协同脱氮作用，使生物膜滤池系统达到高效低耗稳定脱氮的目的。本发明将科学新发现的厌氧氨氧化生物自养脱氮简捷工艺，首次应用于城市生活污水的高效低耗脱氮处理中，具有系统启动周期短，运行稳定，污水处理效果佳，成本低等优点。
文档编号C02F3/30GK101343117SQ20081011681
公开日2009年1月14日 申请日期2008年7月18日 优先权日2008年7月18日
发明者杰 张, 冬 李, 王俊安 申请人:北京工业大学