废水亚硝化预处理设备和方法
【专利摘要】一种废水亚硝化预处理设备包括串联的第一SBR反应器和第二SBR反应器，废水流入所述第一SBR反应器，所述第一SBR反应器的出水流入所述第二SBR反应器，所述第一SBR反应器用于通过序批式缺氧好氧反应处理，去除废水进水中的碳源和进行反硝化以去除部分硝态氮，同时对进水中的部分氨氮进行短程硝化以生成亚硝酸盐，而第二SBR反应器用于通过序批式缺氧好氧反应处理，对所述第一SBR反应器的出水中剩余的氨氮进行短程硝化以生成亚硝酸盐。在此还披露了一种采用该设备的废水亚硝化预处理方法。该设备/方法能够高效去除废水中的氨氮，实现出水氮元素以亚硝酸盐为主，为后续反硝化或厌氧氨氧化等处理工艺提供优质进水。
【专利说明】废水亚硝化预处理设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及废水处理技术，特别是一种废水亚硝化预处理设备和方法。
【背景技术】
[0002]污水中氮磷是造成水体富营养化的重要营养物质。随着我国及各国水体富营养化问题的日趋严重，以及未来污水排放标准的提升，都需要对污水氮磷等营养排放进行严格控制。适量氮是生物生长所必需的营养元素之一，而高浓度氮元素会引起水体富营养化。高浓度氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐也对人体健康有负面影响。我国《污水综合排放标准》规定氮元素标准为:总氮为15毫克/升，氨氮为5毫克/升。对于污水处理厂厌氧消化液和脱泥水等都会回流到污水处理主体工艺中，对污水处理厂氮负荷的增加量约为5-10%，所以此类废水的预处理技术对保障污水处理厂氮达标处理具有重要的意义。此外，对于垃圾渗滤液等高氨氮废水，研发经济高效稳定的强化脱氮技术，也是污水处理领域急需的技术需求。
[0003]污水中的氮素一般以氨氮和有机氮的形式存在，只含有少量或不含亚硝酸盐和硝酸盐形态的氮素。传统生物脱氮工艺中，有机氮被脱氨基作用转化为氨氮，氨氮通过硝化菌的硝化作用逐次转化为亚硝态氮和硝态氮，最后通过反硝化菌的反硝化作用将硝态氮转化为氮气并从水中逸出释放到大气中，从而达到去除氮的目的。传统工艺如果通过亚硝酸盐途径，可以节省曝气量25%，以及节省反硝化碳源40%，所以通过亚硝酸盐途径反硝化脱氮，具有较好的经济优势和高效特征。针对高氨氮废水，已开发出最新工艺如厌氧氨氧化工艺，此工艺主要是在厌氧条件下，氨氮和亚硝酸盐作用生成氮气。所以开发出有效地亚硝化工艺，对后续反硝化以亚硝酸盐为电子供体或者厌氧氨氧化工艺都具有重要的实际意义。
[0004]硝化过程包括两个步骤:(1)氨氧化步骤，氨氮被氨硝化菌硝化为亚硝酸盐；和
(2)亚硝酸盐硝化步骤，亚硝酸盐被亚硝酸盐硝化菌氧化为硝酸盐。硝化过程的每一个步骤由不同种类的硝化菌群的生化作用实现。在污水处理工艺中，不同工艺结构或者不同运行条件下会驯化出不同种类的氨硝化菌及不同种类的亚硝酸硝化菌。根据进化论理论，每一类菌群，整体可以分为具有r 一生长策略和具有K 一生长策略的两种类型。K-生长策略硝化菌是稳定环境的维护者，当环境条件发生变化时，其适应性和竞争性较差，所以其主要存在于低营养基质环境中。当在动态变化条件下或存在营养梯度条件下，硝化工艺应该会驯化出具有r 一生长策略的硝化菌。r 一生长策略的硝化菌具有反应速率快，处理能力高的特点。因此，如果采用合适的工艺驯化出具有r 一生长策略的硝化菌，则将会有效地提高污水硝化效率，降低反应时 间和反应器体积等，是有效地污水处理工艺。
[0005]序批式活性污泥法(SBR)，是一种不同于传统连续流活性污泥法的污水处理工艺。SBR是活性污泥法初创时期充排式反应器的一种改进模型。1914年英国的Ardern和Lockett首创活性污泥法时采用的就是间歇法。到80年代，SBR工艺开始得到大量开发与推广应用。SBR工艺之所以日益受到重视是由于具有以下优点:工艺流程简单，不设二沉池，无污泥回流；投资省，占地少，运行费用低；处理效率高；操作灵活多样；耐冲击负荷能力强等。同时，SBR工艺中存在营养梯度，有利于驯化出r 一生长策略的微生物种群。而且，对于产生高氨氮废水的来源，一般是间歇性运行的，所以SBR工艺是比较合适的工艺。
【发明内容】
[0006]本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种废水亚硝化预处理设备和方法，能够高效去除废水中的氨氮，实现出水氮元素以亚硝酸盐为主，为后续反硝化或厌氧氨氧化等处理工艺提供优质进水。
[0007]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:
[0008]一种废水亚硝化预处理设备，包括串联的第一 SBR反应器和第二 SBR反应器，废水流入所述第一 SBR反应器，所述第一 SBR反应器的出水流入所述第二 SBR反应器，所述第一SBR反应器用于通过序批式缺氧好氧反应处理，通过反硝化去除废水进水中的碳源，同时对进水中的部分氨氮进行短程硝化以生成亚硝酸盐，而第二 SBR反应器用于通过序批式缺氧好氧反应处理，对所述第一 SBR反应器的出水中剩余的氨氮进行短程硝化以生成亚硝酸盐。
[0009]进一步地:
[0010]包括将所述第二 SBR反应器的部分出水回流到所述第一 SBR反应器的回流系统。
[0011]所述第一 SBR反应器和所述第二 SBR反应器采用多级缺氧/好氧交替运行的反应模式，其中所述第一 SBR反应器的第一反应阶段为缺氧阶段，所述第二 SBR反应器的第一反应阶段为好氧阶段，所述第一 SBR反应器和所述第二 SBR反应器的最后反应阶段均为好氧阶段。
[0012]在本文中，多级缺氧/好氧交替是指缺氧阶段和/或好氧阶段出现两次以上，并且时间上交替发生。
[0013]所述第一 SBR反应器的反应模式为:缺氧-好氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧，所述第二 SBR反应器的反应模式为:好氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧-缺氧-好氧；优选地，所以好氧阶段最长为60分钟；更优选地，所述第一 SBR反应器的反应时间为:60分钟缺氧-60分钟好氧-40分钟缺氧-60分钟好氧-40分钟缺氧_60分钟好氧_40分钟缺氧-60分钟好氧,所述第二 SBR反应器的反应时间为:60分钟好氧-60分钟缺氧_60分钟好氧-60分钟缺氧-60分钟好氧-60分钟缺氧-60分钟好氧。
[0014]所述第一 SBR反应器和/或所述第二 SBR反应器各自配备有曝气泵和/或搅拌器，其中所述曝气泵用于在反应的好氧阶段对反应器内进行充氧，所述搅拌器用于在反应的缺氧阶段和/或好氧阶段在反应器内进行搅拌以使污泥处于悬浮状态。
[0015]所述第一 SBR反应器的出水端设有第一出水储存池，以便于将所述第一 SBR反应器出水作为所述第二 SBR反应器的进水；和/或所述第二 SBR反应器出水端设有第二出水储存池，以便于将所述第二 SBR反应器的部分出水回流到所述第一 SBR反应器。
[0016]所述第一 SBR反应器和所述第二 SBR反应器利用水泵出水和进水。
[0017]按照预定的时间条件从反应器中排出一定体积的污泥，以控制反应器内的污泥龄，优选地，所述第一 SBR反应器污泥龄的预设范围为15到20天，所述第二 SBR反应器在预定的稳定条件下不排泥，更优选的，所述预定的稳定条件是指污泥龄达到预设污泥龄的3倍以上。
[0018]所述第一 SBR反应器和所述第二 SBR反应器的运行周期均包括进水、反应、沉淀和排水阶段，在所述反应阶段进行所述序批式缺氧好氧反应处理，在所述沉淀阶段，使反应器中的污泥发生沉降以使上清液能够被排出。
[0019]一种废水亚硝化预处理方法，可采用前述的任一种废水亚硝化预处理设备对废水进行处理，以使水中的氮主要被短程硝化为亚硝酸盐。
[0020]本发明的有益技术效果:
[0021]本发明采用两个串联的SBR反应器，第一 SBR反应器主要通过反硝化去除废水进水中的碳源，同时发生部分短程硝化，而第二 SBR反应器主要用于实现短程硝化，针对污水处理厂厌氧消化液和脱泥水以及垃圾渗滤液等具有低碳源高氨氮类废水，这两级SBR反应器有效地适应于废水产生的间歇性特征，利用SBR序批式缺氧好氧反应处理，有利于驯化出具有r 一生长策略的微生物种群，能够对低碳源高氨氮废水高效地去除氨氮，实现出水中氮元素以亚硝酸盐为主，从而为后续外加碳源反硝化或厌氧氨氧化等处理工艺提供优质进水。特别是，针对污水处理的两级SBR序批式反应工艺，形成了动态变化条件或营养梯度条件，所用硝化工艺能够驯化出具有r 一生长策略的硝化菌，有利于短程硝化得到亚硝酸盐。
[0022]优选的方案中，反应运行模式中采用多级缺氧好氧交替模式，能够促进氨氮氧化菌的生长而抑制亚硝酸盐氧化菌的生长，所以能够进一步高效地实现亚硝酸盐积累。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本发明一种实施例的废水亚硝化预处理设备和工艺示意图。
[0024]图中标号说明:1-第一进水池；2_第一进水泵；3_第一曝气泵；4_第一搅拌器；5-第一 SBR反应器；6_第一出水泵；7_第一出水储水池；8_第二进水泵；9_第二曝气泵；10-第二搅拌器；11-第二 SBR反应器；12-第二出水泵；13-第二出水储水池；14-出水回流 栗。
【具体实施方式】
[0025]以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0026]如图1所示，废水亚硝化预处理设备包括两个SBR反应器。第一 SBR反应器5用于通过反硝化去除碳源和进行部分硝化，其中反硝化是为了更好地去除进水中的碳源，所驯化的菌群主要以反硝化菌为主，同时具有部分硝化菌。优选地，第一 SBR反应器5采用多级缺氧好氧模式，在好氧阶段能够进一步去除碳源和实现部分硝化。第二 SBR反应器11主要是进行短程硝化(硝化成亚硝酸盐)。当碳源在第一 SBR反应器5中得到有效去除后，出水仅含有氨氮和部分硝态氮，所以第二 SBR反应器11主要是将氨氮硝化成亚硝酸盐。
[0027]采用两个SBR反应器的优点如下:
[0028]1、因为原水中一般含有少量有机碳源，采用两个串联SBR反应器，可有效利用和去除碳源，同时避免碳源利用异养菌对硝化菌的影响，有利短程硝化。
[0029]2、同时采用两个SBR反应器，有利于实现微生物优势种群的分离，有利于实现各自菌群的最大反应速率和效率。本发明中，两个反应器均采用序批式反应器进行预处理，优选地，均采用多级缺氧/好氧运行模式，实现出水以亚硝酸盐为主，以为后续外加碳源反硝化或厌氧氨氧化等处理提供优质进水。
[0030]在优选的实施例中，废水亚硝化预处理设备包括将第二 SBR反应器11的部分出水回流到第一 SBR反应器5的回流系统。
[0031]低碳高氨氮污水处理主要包括碳源和氮的去除。其中氮的去除主要包括硝化工艺(本发明的亚硝化预处理工艺即对应此硝化工艺)和反硝化工艺。硝化工艺是把氨氮转化为亚硝酸盐氮(亚硝化)和硝酸盐氮，其中转化为亚硝酸盐氮所需要的充氧比转化为硝酸盐氮少25%，故能够节省能耗。另一方面，污水里的碳源可以通过反硝化得到去除。污水中，去除碳源的微生物(异养菌)和硝化氨氮到硝态氮的微生物(硝化菌)相比，异养菌比硝化菌长得快，所以在一起生长的时候会抑制硝化菌，而如果硝化菌生长不完全，硝态氮产生较少，不仅不足以通过反硝化去除碳源，而且还会因为碳源异养菌对硝化菌的抑制而限制整个过程的硝化，并最终影响脱氮。采用两个SBR反应器，在第一 SBR反应器5里面促进异养菌的生长，利用反硝化去除污水中的碳源，同时，也会有较少量的硝化菌生长；在第二 SBR反应器11里，因为所处理的水去除了有机碳源，是以氨氮为主，故可以促进硝化菌的生长，把氨氮转化为以亚硝酸盐为主的硝态氮。另外，从第二 SBR反应器11回流一部分污水，由于回流水里包含反硝化所需要的硝态氮，有利于更好地反硝化以去除污水中的碳源。因此，采用两个SBR反应器可避免第二 SBR反应器中硝化菌受到异养菌的抑制，从而使硝化菌生长速率最大化，有利于亚硝化。
[0032]废水亚硝化预处理设备主要运行处理过程如下。所需要处理的污水以及从第二SBR反应器11部分回流的污水首先在第一 SBR反应器5中进行处理，通过反硝化有效利用和去除污水中碳源和部分硝态氮，在好氧阶段也能实现部分硝化；第一 SBR反应器5的出水用泵泵入第二 SBR反应器11，进行进一步的短程硝化处理，以使第二 SBR反应器11的出水主要为亚硝酸盐。
[0033]优选的，第一 SBR反应器5出水端有第一出水储存池，以便于将第一 SBR反应器5出水作为第二 SBR反应器11的进水；第二 SBR反应器11出水端也有第二出水储存池，以便于将第二 SBR反应器11的部分出水回流到第一 SBR反应器5。
[0034]第一 SBR反应器5的运行周期包括进水、反应、沉淀和排水阶段。在进水阶段，所需要处理的低碳高氨氮废水通过第一进水泵2加入第一 SBR反应器5中，同时第二 SBR反应器11处理的部分出水通过出水回流泵14回流到第一 SBR反应器5。在反应阶段，采用序批式以及多级缺氧/好氧交替模式，有效利用进水中碳源进行反硝化，同时好氧阶段因为结合了交替缺氧阶段所以能够实现部分短程硝化。优选地，缺氧阶段采用机械搅拌器进行搅拌以使污泥处于悬浮状态，在好氧阶段同时采用曝气器进行充氧。在沉淀阶段，相关组件停止运行，使污泥发生沉降。在排水阶段，通过第一出水泵6排出预设体积的处理水到第一出水储水池7中 。优选地，根据所设计的污泥龄，按照预定时间(如在每天某时间点)或在反应阶段结束前或在污泥沉降完阶段排出一定体积的污泥，控制反应器污泥龄在预设范围内，一般控制在15到20天之间。
[0035]第二 SBR反应器11的运行周期也包括进水、反应、沉淀和排水阶段。在进水阶段，所需要处理的废水采用第二进水泵8从第一出水储水池7加入第二 SBR反应器11中。在反应阶段，采用序批式以及多级缺氧/好氧模式，能够抑制硝化菌对亚硝酸酸盐的硝化，有效实现短程硝化。优选地，缺氧阶段采用机械搅拌器进行搅拌以使污泥处于悬浮状态，在好氧阶段同时采用曝气器进行充氧。在沉淀阶段，组件停止运行，使污泥发生沉降。在排水阶段，通过第二出水泵12排出预设体积的处理水到第二出水储水池13中。优选地，按照预定时间(如在每天某时间点)或在反应阶段结束前或在污泥沉降完阶段排出一定体积的污泥，控制反应器内的污泥龄。预设污泥龄为15到20天，在第二 SBR反应器11的污泥龄达到预设污泥龄的3倍以上运行稳定以后，由于该反应器中此时主要将含有硝化菌，至此可以不再排泥，以维持较高浓度的硝化菌生物量。
[0036]在一个具体实施例中，两个SBR反应器的运行周期(从进水到出水的时间段)为8小时。每周期中，第一 SBR反应器5进水为1/3反应器体积，同时从第二 SBR反应器11出水回流体积为1/6反应器体积；每周期中，第二 SBR反应器11处理水量为1/2反应器体积。8小时反应过程中，第一 SBR反应器5米用的缺氧/好氧交替模式为:60分钟缺氧+60分钟好氧+40分钟缺氧+60分钟好氧+40分钟缺氧+60分钟好氧+40分钟缺氧+60分钟好氧。由于第一 SBR反应器5主要是为了进行反硝化和有效利用进水中的碳源，交替模式采用开始为缺氧条件、接下来为多级好氧与缺氧交替运行，能够有效利用进水中的碳源，有利于促进反硝化过程，同时又能够实现短程硝化。由于交替模式抑制的亚硝酸盐硝化菌一般在60分钟后能够恢复活性，所以好氧阶段最大设为60分钟。第二 SBR反应器11采用的缺氧/好氧交替模式为:60分钟好氧+60分钟缺氧+60分钟好氧+60分钟缺氧+60分钟好氧+60分钟缺氧+60分钟好氧。由于第二 SBR反应器11进水没有碳源，所以开始先进行好氧硝化反应，后面的交替模式能够有效抑制亚硝酸盐硝化菌的生长而实现短程硝化。
[0037]优选的实施例里，第一 SBR反应器5污泥龄采用15天，第二 SBR反应器11在稳定条件下不排泥。
[0038]实验研究结果证明，本发明能高效处理低碳高氨氮废水。对进水碳源浓度COD为800mg/L和氨氮浓度为800mg/L左右的低碳高氨氮废水,第一 SBR反应器5和第二 SBR反应器11都采用8小时运行周期，出水COD小于30mg/L，氨氮浓度小于10mg/L，亚硝酸盐氮浓度在450mg/L左右，而硝酸盐 氮浓度小于80mg/L，有效实现了亚硝化过程，能为后续反硝化或厌氧氨氧化处理提供有效地高亚硝酸盐含量进水。两个反应器的水力停留时间为48小时；总氨氮去除负荷为400mg/L.d，远大于大多数高氨氮废水处理所采用的去除负荷(一般在 100-200mg/L.d)。
[0039]在实际使用过程中，因为第二 SBR反应器11出水主要含有亚硝酸盐，根据进水负荷，出水氨氮含量会有所不同，当采用后续外加碳源反硝化脱氮时，负荷可以满足完全去除氨氮值；当后续采用厌氧氨氧化工艺时，可以根据第二 SBR反应器11出水氨氮和亚硝酸盐比例，或者与第一 SBR反应器5出水(主要含有氨氮和少量亚硝酸盐)进行合适混合，达到厌氧氨氧化所需氨氮和亚硝酸合适比例。
[0040]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种废水亚硝化预处理设备，其特征在于，包括串联的第一 SBR反应器和第二 SBR反应器，废水流入所述第一 SBR反应器，所述第一 SBR反应器的出水流入所述第二 SBR反应器，所述第一 SBR反应器用于通过序批式缺氧好氧反应处理，通过反硝化去除废水进水中的碳源，同时对进水中的部分氨氮进行短程硝化以生成亚硝酸盐，而第二 SBR反应器用于通过序批式缺氧好氧反应处理，对所述第一 SBR反应器的出水中剩余的氨氮进行短程硝化以生成亚硝酸盐。
2.如权利要求1所述的废水亚硝化预处理设备，其特征在于，还包括将所述第二SBR反应器的部分出水回流到所述第一 SBR反应器的回流系统。
3.如权利要求1所述的废水亚硝化预处理设备，其特征在于，所述第一SBR反应器和所述第二 SBR反应器采用多级缺氧/好氧交替运行的反应模式，其中所述第一 SBR反应器的第一反应阶段为缺氧阶段，所述第二 SBR反应器的第一反应阶段为好氧阶段，所述第一SBR反应器和所述第二 SBR反应器的最后反应阶段均为好氧阶段。
4.如权利要求3所述的废水亚硝化预处理设备，其特征在于，所述第一SBR反应器的反应模式为:缺氧_好氧_缺氧_好氧_缺氧_好氧_缺氧_好氧，所述第二 SBR反应器的反应模式为:好氧_缺氧_好氧_缺氧_好氧_缺氧_好氧；优选地，所以好氧阶段最长为60分钟；更优选地,所述第一 SBR反应器的反应时间为:60分钟缺氧-60分钟好氧_40分钟缺氧-60分钟好氧-40分钟缺氧-60分钟好氧-40分钟缺氧-60分钟好氧，所述第二SBR反应器的反应时间为:60分钟好氧-60分钟缺氧-60分钟好氧_60分钟缺氧_60分钟好氧-60分钟缺氧-60分钟好氧。
5.如权利要求1至4任一项所述的废水亚硝化预处理设备，其特征在于，所述第一SBR反应器和/或所述第二 SBR反应器各自配备有曝气泵和/或搅拌器，其中所述曝气泵用于在反应的好氧阶段对反应器内进行充氧，所述搅拌器用于在反应的缺氧阶段和/或好氧阶段在反应器内进行搅拌以使污泥处于悬浮状态。
6.如权利要求1至4任一项所述的废水亚硝化预处理设备，其特征在于，所述第一SBR反应器的出水端设有第一出水储存池，以便于将所述第一 SBR反应器出水作为所述第二 SBR反应器的进水；和/或所述第二 SBR反应器出水端设有第二出水储存池，以便于将所述第二 SBR反应器的部分出水回流到所述第一 SBR反应器。
7.如权利要求1至4任一项所述的废水亚硝化预处理设备，其特征在于，所述第一SBR反应器和所述第二 SBR反应器利用水泵出水和进水。
8.如权利要求1至4任一项所述的废水亚硝化预处理设备，其特征在于，按照预定的时间条件从反应器中排出一定体积的污泥，以控制反应器内的污泥龄，优选地，所述第一SBR反应器污泥龄的预设范围为15到20天，所述第二 SBR反应器在预定的稳定条件下不排泥，更优选的，所述预定的稳定条件是指污泥龄达到预设污泥龄的3倍以上。
9.如权利要求1至4任一项所述的废水亚硝化预处理设备，其特征在于，所述第一SBR反应器和所述第二 SBR反应器的运行周期均包括进水、反应、沉淀和排水阶段，在所述反应阶段进行所述序批式缺氧好氧反应处理，在所述沉淀阶段，使反应器中的污泥发生沉降以使上清液能够被排出。
10.一种废水亚硝化预处理方法，其特征在于，包括采用权利要求1至9任一项所述的废水亚硝化预处理设备对废水进行处理以使水中的氮主要被短程硝化为亚硝酸盐。
【文档编号】C02F3/30GK103833136SQ201410101592
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】吴光学 申请人:清华大学深圳研究生院