本发明属于污水处理与环境保护领域，具体涉及一种污水处理和N2O减排的耦合装置及其运行方法。
背景技术：
：污水生物脱氮除磷工艺被广泛应用于城市污水处理厂，主要用于去除污水中的氮磷污染物，以控制水体的富营养化。生物脱氮过程包括：（1）硝化作用，即硝化菌将污水中的氨氮转化为硝酸盐；（2）反硝化作用，即反硝化菌利用有机物作为反硝化碳源将硝酸盐还原为N2，从而达到将氮从污水中脱除的目的。氧化亚氮（N2O）是全球3大主要的温室气体之一，其增温势能分别约为CO2的310倍、CH4的4-30倍。大气中90%以上的N2O来源于生物氮循环过程，其中污水生物脱氮是N2O的一个重要产生源，每年排放的N2O量约为(0.13-3.00)×1012kg，占全球N2O总排放量的21.5%-25.0%，且有日益增加的趋势。N2O是生物硝化和反硝化过程的产物，生物脱氮过程中不可避免地会释放N2O气体。因此，如何在保证污水生物脱氮效果的同时实现N2O的减排是全球污水处理厂面临的一个重要难题。技术实现要素：本发明解决的技术问题是提供了一种污水处理和N2O减排的耦合装置及其运行方法，该组合装置的水处理工艺主体为污水处理常用的生物脱氮工艺：缺氧/好氧（AO）、厌氧/缺氧/好氧（A2O）等；N2O的减排包括两部分，一是由集气罩收集污水脱氮过程中产生的N2O气体，传输进入填料吸收塔利用气液传质将气体N2O传入液相；二是将溶解了N2O的污水输送到缺氧池，通过缺氧池中的反硝化作用将溶解态的N2O还原为N2，该过程所用的吸收水为好氧池与缺氧池的内循环污水，在实现污水处理工艺内循环的同时，这部分污水将水处理过程产生的N2O吸收并输送到缺氧池，在反硝化作用下将N2O还原为N2，达到了N2O减排的目的，实现“一水两用”，避免增加额外运行费用。本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种污水处理和N2O减排的耦合装置，其特征在于包括缺氧处理池、好氧处理池、污泥沉淀池和填料吸收塔，缺氧处理池上部的缺氧处理池进水口与污水排放管道连接，缺氧处理池中设有缺氧池搅拌器，缺氧处理池出水通过缺氧处理池出水口溢流进入好氧处理池，好氧处理池的底部设有与气泵相连的曝气管，好氧处理池上部的好氧处理池出水口通过管道与污泥沉淀池连接，污泥沉淀池的上部设有溢流堰和污泥沉淀池出水口，污泥沉淀池的下部设有污泥沉淀池排泥口，污泥沉淀池通过污泥回流泵和管道与缺氧处理池连接，缺氧处理池和好氧处理池的上方设有封闭的集气罩，该集气罩上部的集气罩出气口通过管道与填料吸收塔下部的填料吸收塔进气口连接，填料吸收塔顶部的填料吸收塔进水口通过循环泵和管道与好氧处理池连接，填料吸收塔底部的填料吸收塔出水口通过管道与缺氧处理池连接，填料吸收塔的内部设有喷淋系统、填料支撑板和填料层，其中喷淋系统设置于填料吸收塔的上部，填料层通过填料支撑板固定于填料吸收塔的中部，该填料层的填料为聚乙烯鲍尔环，填料吸收塔的上部设有填料吸收塔排气口。本发明所述的污水处理和N2O减排的耦合装置的运行方法，其特征在于具体步骤为：污水通过缺氧处理池上部的缺氧处理池进水口进入缺氧处理池，污水在缺氧处理池中的停留时间为1.5-2h，缺氧处理池中设有缺氧池搅拌器用于保持污水处理装置中污泥处于悬浮的状态，搅拌速率为500r/min；缺氧处理池中处理过的污水通过缺氧处理池出水口溢流进入好氧处理池，污水在好氧处理池中的停留时间为6-8h，好氧处理池的底部设有与气泵相连的曝气管，气泵通过曝气管在好氧处理池中进行曝气用于维持好氧处理池中泥水混合物的溶解氧浓度，溶解氧浓度控制在1.5-3mg/L；好氧处理池中处理过的污水通过好氧处理池出水口溢流进入污泥沉淀池，污水在污泥沉淀池中的停留时间为1-2h，污泥沉淀池中沉淀后的污水通过污泥沉淀池溢流堰溢流后经污泥沉淀池出水口排出，经污泥沉淀池中沉淀后的污泥部分由污泥回流泵回流至缺氧处理池用于保持足够的微生物浓度，污泥回流比为100%-200%，剩余污泥则由污泥沉淀池排泥口排出；填料吸收塔中的污水通过填料吸收塔出水口排入缺氧处理池，该过程实现了缺氧与好氧处理过程中内回流液循环的回流，同时循环水还作为填料塔的吸收剂，吸收通过集气罩收集的污水处理过程中产生的N2O，内循环液再通过循环泵将好氧处理池中硝化过程产生的硝酸盐输送到缺氧处理池进行反硝化，同时还吸收了气体中的N2O，溶解态的N2O随着内循环液进入缺氧处理池，在反硝化作用下，溶解态N2O被还原为N2，大幅度减少了污水处理过程N2O的排放量。本发明与现有技术相比具有以下有益效果：1、设备简单，运行费用低，不产生二次污染；2、保持污水处理效果的同时可实现污水生物脱氮过程中N2O的大幅减排；3、应用范围广，可应用于缺氧/好氧工艺（AO）、厌氧缺氧好氧工艺（A2O）、氧化沟等现有常见污水处理工艺；4、对现有污水处理工艺改造时，只需增设填料吸收塔和集气罩，简单易行，可操作性强。附图说明图1是本发明的结构示意图。图中：1-缺氧处理池进水口；2-缺氧处理池；3-缺氧池搅拌器；4-缺氧处理池出水口；5-好氧处理池；6-曝气管；7-好氧处理池出水口；8-气泵；9-污泥沉淀池；10-溢流堰，11-污泥沉淀池出水口；12-污泥沉淀池排泥口；13-污泥回流泵；14-填料吸收塔；15-集气罩；16-填料吸收塔进气口；17-集气罩出气口；18-循环泵；19-密封法兰；20-填料吸收塔进水口；21-喷淋系统；22-填料支撑板；23-填料层；24-填料吸收塔排气口；25-填料吸收塔出水口。具体实施方式结合附图详细描述本发明的具体内容。如图1所示，一种污水处理与N2O减排的耦合装置，包括缺氧处理池2、好氧处理池5、填料吸收塔14和污泥沉淀池9，具体连接方式为：缺氧处理池2出水通过缺氧处理池出水口4进入好氧处理池5，好氧处理池5出水通过好氧处理池出水口7进入污泥沉淀池9，集气罩15收集的废气由集气罩出气口17送入填料吸收塔14中，好氧处理池5中一部分污水由循环泵18送入填料吸收塔14中，填料吸收塔14的填料吸收塔出水口25与缺氧处理池2连接，缺氧处理池2和污泥沉淀池9由污泥回流泵13连接。处理污水通过缺氧处理池2上部的缺氧处理池进水口1进入缺氧处理池2，污水在缺氧处理池2中的停留时间为1.5-2h，缺氧处理池2中处理过的污水通过缺氧处理池出水口4溢流进入好氧处理池5，该过程仅依靠重力流动，不产生额外能耗；污水在好氧处理池5中的停留时间为6-8h，好氧处理池5中处理过的污水通过好氧处理池出水口7溢流进入污泥沉淀池9，该过程仅依靠重力流动，不产生额外能耗；污水在污泥沉淀池9中的停留时间为1-2h，污泥沉淀池9中沉淀后的污水通过污泥沉淀池溢流堰10溢流后经污泥沉淀池出水口11排出，该过程仅靠重力流动，不产生额外能耗，经污泥沉淀池9中沉淀后的污泥部分由污泥回流泵13回流至缺氧处理池2，污泥回流比为100%-200%，用于保持足够的微生物浓度，剩余污泥则由污泥沉淀池排泥口12排出。缺氧处理池2中设有缺氧池搅拌器3以保持污水处理装置中污泥的悬浮状态，搅拌速率约为500r/min；好氧处理池5中设有曝气管6，气泵8与曝气管6连接，装置运行时，气泵8通过曝气管6在好氧处理池5中进行曝气，以维持好氧处理池5中泥水混合物的溶解氧浓度，溶解氧浓度控制在1.5-3mg/L；填料吸收塔14中的污水通过填料吸收塔出水口25排入缺氧处理池2，该过程不仅实现了缺氧与好氧处理过程中内回流液循环的回流，同时循环水还作为填料吸收塔的吸收剂，吸收通过集气罩15收集的污水处理过程中产生的N2O，实现“一水两用”，并且不增加额外运行费用。内循环液在通过循环泵18将好氧处理池5中硝化过程产生的硝酸盐输送到缺氧处理池2进行反硝化，同时还吸收了气体中的N2O，溶解态的N2O随着内循环液进入缺氧处理池2，在反硝化作用下，溶解态N2O被还原为N2，从而大幅度减少了污水处理过程N2O的排放量。本装置设有填料吸收塔14用于内循环液对污水处理过程释放N2O的吸收，填料吸收塔14塔体材质为PVC，塔体内填料使用聚乙烯鲍尔环，该填料具有通量大、阻力小、分离效率高及操作弹性大等优点，并且成本低廉，适合大规模污水处理过程使用；另外，这种填料有利于内循环液在填料塔内的均匀分布，增大水体和气体的接触面积，有效促进水体紊流状态减少层流流态，从而加强内循环液和N2O之间的气液传质效率；所述填料吸收塔14内部设有喷淋系统21、填料支撑板22及填料层23，喷淋系统能促进内循环液在填料中的均匀分布，增加气液接触面积，加强液体的紊流状态，从而增强N2O吸收效率；缺氧处理池2和好氧处理池5上部设有集气罩15收集废气，所述集气罩15为梯形体，下部敞口，上部密封，上部设有集气罩出气口17，下部与缺氧-好氧处理池上部通过密封法兰19密封连接；集气罩15所收集的废气为含有N2O的混合气体，集气罩出气口17与填料吸收塔进气口16相连，气体在好氧区曝气过程中气体动力作用下进入集气罩15并通过集气罩出气口17进入填料吸收塔14，无需设置气泵用于气体的传输，避免系统运行额外费用的增加；好氧处理池5中的污水由循环泵18泵入填料吸收塔14，通过填料吸收塔14上部的填料吸收塔进水口20进入填料吸收塔14，喷淋系统21将污水逆向气流喷洒，有利于N2O和内循环液的充分接触，增加吸收效率；内循环液的用量可利用循环泵18进行调节，通过控制液体速率，调整系统整体的运行状态和对N2O的吸收，以提高N2O的溶解率；随后污水通过填料吸收塔14底部的填料吸收塔出水口25排入缺氧处理池2，该过程主要依靠重力作用，无需额外运行费用；在缺氧处理池2中，溶解态的N2O利用污水中存在的有机碳源进行缺氧反硝化反应，最终被还原为N2，填料吸收塔14内其余的废气由填料吸收塔14上部的填料吸收塔排气口24排出。实施例1以某小区排放的生活污水为例，污水进水水质为：COD浓度400mg/L，NH4+-N浓度45mg/L，TN浓度50mg/L，污水处理量为80L/d，反应器接种污泥采用污水处理厂好氧处理池新鲜活性污泥，反应器内污泥浓度维持在2500-3000mg/L，好氧处理池DO维持在1.5-2mg/L，污泥泥龄维持在12d。（1）污水处理：污水经缺氧处理池和好氧处理池处理后的出水主要污染物浓度及去除率如表1所示，出水达到城镇污水处理一级B标准。（2）污泥处理：经处理的好氧处理池内的泥水混合物通过好氧处理池出水口进入污泥沉淀池，沉淀1-2h后的污泥一部分由污泥回流泵回流到缺氧处理池以保持缺氧处理池内的污泥浓度，其余污泥作为剩余通过污泥沉淀池排泥口排出，经过沉淀后的上清液通过沉淀池上部的排水口排出。（3）气体收集：缺氧处理池和好氧处理池处理污水过程中逸散的N2O及其他气体组成的混合气体在好氧处理池曝气过程气体动力作用下进入集气罩，通过集气罩进入填料吸收塔。（4）N2O气体的气液传质及还原：集气罩内的含有N2O的混合气体首先通过填料吸收塔下部进气口进入填料吸收塔，同时好氧处理池内的污水由填料吸收塔的上部的进水口输入并经喷淋系统均匀喷入均匀布撒在填料上，大部分N2O气体溶解到水中，随后污水排入缺氧处理池，一方面可以为缺氧处理池提供反硝化底物硝酸盐，另一方面溶解的N2O被缺氧反硝化还原为N2。污水处理过程中释放的N2O处理前后浓度如表2所示，经本装置应用实施后，N2O释放量减少了93%，避免了大量N2O直接释放到空气中。表1污水处理前后主要污染物浓度变化及去除率（mg/L）CODNH4+-NTN出水35mg/L5mg/L12mg/L去除率91%89%76%表2N2O处理前后浓度变化（ppm）集气罩内气体填料吸收塔出气N2O浓度674.7实施例2以某污水处理厂处理污水为例，污水进水水质为：COD浓度470mg/L，NH4+-N浓度53mg/L，TN浓度58mg/L，污水处理量为80L/d，反应器接种污泥采用污水处理厂好氧处理池新鲜活性污泥，反应器内污泥浓度维持在3500-4000mg/L，好氧处理池DO维持在1.5-2mg/L，污泥泥龄维持在15d。装置启动，经处理后的出水主要污染物浓度及去除率如表3所示，出水达到城镇污水处理一级B标准；污水处理过程中释放的N2O处理前后浓度如表4所示，经本装置应用实施后，N2O释放量减少了94%，避免了大量N2O直接释放到空气中。表3污水处理前后主要污染物浓度变化及去除率（mg/L）CODNH4+-NTN出水30mg/L6mg/L8mg/L去除率94%87%86%表4N2O处理前后浓度变化（ppm）集气罩内气体填料吸收塔出气N2O浓度845.1本装置在减少污水生物脱氮过程中N2O气体大量排放的同时保证了污水处理效率，同时不增加额外的运行费用，操作简单，无二次污染。本发明对于各种常见生物脱氮工艺改造简单易行，只需增设填料吸收塔。随着我国经济发展和城镇化水平的提高，生活污水处理量不断增大，N2O排放问题也日益严重，本发明对于缓解N2O带来的环境负面效应具有积极作用。以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。当前第1页1 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