一种多级O/A厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮装置及其使用方法与流程

本发明涉及生物技术处理污水领域，更具体地说，特别涉及一种多级o/a厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮的装置及其使用方法。

背景技术：

氮污染物的去除是城市污水和工业废水处理关键问题。我国城市污水和工业废水有机物含量偏低，采用传统的硝化反硝化脱氮工艺，出水总氮难以实现达标排放。近年来，为缓解我国日益严重的水体富营养化现象，城市污水和工业废水处理厂的总氮排放标准更加严格，因此传统生物脱氮工艺处理效率低、曝气能耗高的缺点更加明显。在传统生物脱氮的升级和替代技术中，厌氧氨氧化脱氮技术是最具前景的发展方向之一。厌氧氨氧化技术是一种新型的生物脱氮技术，脱氮效率高，曝气能耗低。该脱氮工艺以厌氧氨氧化菌独特的生理代谢途径为基础，脱氮过程不需要有机物参与，因此脱氮效果不受进水有机物不足的影响；更重要的是，该部分有机物可以作为能源回收，从而可提高城市污水和工业废水处理厂能量自给率。

虽然城市污水和工业废水厌氧氨氧化脱氮工艺具取得了较明显的经济效益和环境效益，但是在目前应用厌氧氨氧化技术处理高氨氮污水仍存在诸多瓶颈，其中厌氧氨氧化工艺的出水总氮难以降低是其中之一。根据厌氧氨氧化菌的代谢机制，在氧化氨氮和亚硝酸盐生成氮气的过程中，一部分亚硝酸盐被氧化成硝酸盐，为厌氧氨氧化的同化作用提供还原力。因此，在厌氧氨氧化菌去除的总氮中，除89％转化为氮气排放外，还有11％的总氮转化为硝酸盐存留在污水中。这部分额外生成的硝酸盐可能导致出水总氮的提高，在对出水水质有严格要求的环境下，单纯的厌氧氨氧化技术将难以实现出水总氮稳定达标排放。

厌氧氨氧化的稳定运行依赖于微生物群落协同作用。系统中功能菌的流失或竞争性微生物的增长，均会导致脱氮性能下降。系统内竞争性微生物增长导致脱氮性能下降的问题仍未有效解决，尤其是低氨氮出水浓度情况下系统内亚硝态氮氧化菌(nob)的增长，会导致出水硝态氮增加。在世界范围内的厌氧氨氧化工程中，30％的系统出现过出水硝态氮浓度增加的情况，而且系统失稳后缺乏有效的调控策略降低出水中硝态氮，系统不稳定状态常持续数月时间。因此，基于厌氧氨氧化技术的污水处理工艺，如何进一步削减出水中的硝酸盐和氨氮，提高系统总氮去除率是应用该技术需要突破的瓶颈之一。本发明正是基于该研究背景下而提出，旨在实现高氨氮污水中进一步去除总氮。

技术实现要素：

针对现有技术中高氨氮污水处理中存在的上述不足，本发明的目的是针对单纯的短程硝化厌氧氨氧化技术难以实现出水总氮稳定达标的问题，提供一种多级o/a厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮的装置及其使用方法，通过多级两段式短程硝化-厌氧氨氧化耦合反硝化实现高氨氮污水总氮进一步去除的目的。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多级o/a厌氧氨氧化脱氮装置，其特征在于：其包括储存高氨氮污水的原水箱、多级o/a生化反应器、沉淀池；其中，所述原水箱的底部设有放空管，原水箱的顶部设有溢流管，所述原水箱的放空管上设有阀门；所述原水箱通过进水泵与所述生化反应器的进水管相连通；所述多级o/a生化反应器包括自左向右依次设置的第一缺氧区、第一好氧区、第一红菌区、第二好氧区、第二红菌区、第三好氧区、第三红菌区、第四好氧区、第二缺氧区和第五好氧区；所述第一缺氧区设有搅拌器，所述第二缺氧区设有搅拌器、碳源投加装置和碳源储存装置；所述碳源投加装置与碳源存储装置相连接；第一好氧区、第二好氧区、第三好氧区、第四好氧区、第五好氧区的底部均设置有用于持续曝气的微孔曝气盘；所述第一红菌区、第二红菌区、第三红菌区内均设置有固定支架，所述固定支架上挂设有厌氧氨氧化生物膜的海绵填料，所述第一红菌区、第二红菌区、第三红菌区的底部均采用穿孔持续曝气方式用于低溶解氧条件下活性污泥的悬浮；第一好氧区、第二好氧区、第三好氧区、第四好氧区、第五好氧区、第一红菌区、第二红菌区、第三红菌区均连接有加热装置、鼓风机、气体流量计；所述鼓风机分别与微孔曝气盘和穿孔曝气管相连接；所述气体流量计与鼓风机相连接；所述第四好氧区通过污泥内回流泵与第一缺氧区相连；所述沉淀池设置有上清液排放管、出水管路和污泥回流管；所述上清液排放管和出水管路均位于沉淀池的中上方；所述污泥回流管上设有排泥阀。

作为上述方案的进一步优化，所述第一缺氧区的搅拌器设有用于调节搅拌速率的调速器，所述进水管设置于第一缺氧区；所述第一缺氧区还设置有污泥外回流管及污泥内回流管；所述污泥内回流管通过污泥内回流泵与所述第四好氧区相连接；所述污泥外回流管通过污泥外回流泵与沉淀池的污泥回流管相连接。

作为上述方案的进一步优化，该装置还包括自动控制系统，所述自动控制系统包括控制器、温度传感器、氧浓度传感器、氮浓度传感器、流量传感器、存储器；所述温度传感器分别设置于第一好氧区、第二好氧区、第三好氧区、第四好氧区、第五好氧区、第一红菌区、第二红菌区、第三红菌区用于检测好氧区或者红菌区内的实时的温度信号，并将实时温度信号发送至控制器；所述流量传感器设置于进水管、内回流管、外回流管及出水管路上用于实时监测进水管、内回流管、外回流管、出水管路上的流量信号，并将实时流量信号发送至控制器；所述氧浓度传感器设置于第一好氧区、第二好氧区、第三好氧区、第四好氧区、第五好氧区用于检测好氧区内的实时氧浓度信号，并将实时的氧浓度信号发送至控制器；所述氮浓度传感器设置于出水管路上用于实时检测氮浓度信号，并将检测的氮浓度信号发送至控制器；所述气体流量计还与控制器相连接，并将实时检测的气体流量信号发送至控制器；控制器将接收到的实时温度信号、流量信号、氧浓度信号、氮浓度、气体流量信号经数据转换后与存储器的相应阈值进行比较，并将比较的结果存储于存储器中；所述控制器还分别与加热装置、进水泵、污泥内回流泵、鼓风机控制连接。

作为上述方案的进一步优化，所述自动控制系统还包括与控制器通过网络连接的无线收发器；所述无线收发器通过网络还与云服务器相连接；所述云服务器还通过网络与远程监控中心或者智能移动终端无线通讯连接；所述网络为2g、3g、4g、5g或者wifi网络。

作为上述方案的进一步优化，所述自动控制系统还包括与控制器相连接的信号异常报警器；所述控制器根据比较的结果控制信号异常报警器发出报警提示信号；所述报警提示信号包括灯光闪烁和/或提示音。

本发明上述一种多级o/a厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮工艺的使用方法包括如下步骤：

1)接种污泥：多级o/a生化反应器按照体积比1:1接种稳定运行的高氨氮污水处理系统排放的短程硝化污泥，使得絮体污泥浓度在4-5g/l；并从稳定运行的高氨氮污水厌氧氨氧化反应器内取生物膜填料接种至红菌区，填料填充比为5％-8％；

2)反应器启动：

①开启进水泵，将高氨氮污水从原水箱引至第一缺氧区；第一缺氧区的搅拌器开启，促进泥水混合，强化传质，活性污泥吸附降解进水中的有机物，以回流污泥中硝酸盐作为电子受体，发生反硝化反应，进水量根据反应器出水水质效果进行调整；

②混合液随后进入到交替设置的好氧区和红菌区内，好氧区和红菌区内设有加热装置，保持温度在30℃-40℃；鼓风机开启，调整曝气管路的阀门进行曝气，控制反应器第一、第二、第三、第四和第五好氧区内的溶解氧在1-2mg/l，实现短程硝化，但生成的亚硝浓度需控制在70mg/l以下，防止对系统微生物产生抑制作用；混合液进入到第四好氧区时通过污泥回流泵将混合液回流至第一缺氧区，促进反硝化脱氮，回流比为100％；混合液进入到第五好氧区时可通过曝气进一步提高系统氨氮去除率和cod去除率；

③混合液进入到第一红菌区、第二红菌区和第三红菌区，红菌区通过穿孔曝气，促进泥水混合，同时通过气体流量计调整曝气量，保持红菌区内溶解氧在0.5mg/l以下，ph在7.0以上，利用进水中氨氮和好氧区产生的亚硝，进行厌氧氨氧化反应，实现系统的总氮去除；

④在第二缺氧区活性污泥通过外加碳源发生反硝化反应，进一步提高系统总氮去除率，控制溶解氧低于0.2mg/l；

⑤混合液随后进入到沉淀池，活性污泥混合液在沉淀池进行泥水分离，上清液溢流出水作为最终出水，沉淀池底部浓缩污泥通过污泥回流泵分别回流至缺氧区，污泥回流比为100％；

3)反应器稳定运行：通过定期监测系统内运行参数和水质参数数据，判断系统的运行情况，同时调整曝气量、污泥回流量及排泥量；当每个好氧区的溶解氧浓度高于2mg/l时或第五好氧区氨氮浓度低于1mg/l时，降低每个好氧区的曝气量；当每个好氧区的溶解氧度浓度低于1mg/l时或第五好氧区氨氮浓度高于10mg/l，提高每个好氧区的曝气量；当第一缺氧区的硝酸盐浓度高于5mg/l时，降低向第一缺氧区的污泥回流比例，当第二缺氧区的硝酸盐浓度高于10mg/l，增加第二缺氧区碳源投加量。

本发明是一种基于高氨氮污水的多级o/a厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮装置与方法，与现有传统生物脱氮工艺和常规短程硝化/厌氧氨氧化脱氮工艺相比具有以下优势：

①本发明设有前置缺氧区，在缺氧区回流污泥与原水充分混合，利用进水中的有机物进行反硝化反应。进水中有机物在缺氧区迅速下降，使得异养菌在好氧区的增殖受限，降低了对厌氧氨氧化等自养微生物的影响，提高了系统抗有机物冲击负荷的能力。

②本发明后置缺氧区的设置为短程反硝化与全程反硝化提供了一个适宜的条件，系统中的亚硝酸盐和硝酸盐在缺氧条件下被还原为氮气，有效降低出水总氮。

③本发明设置多级两段式好氧/红菌交替区域，可实现氨氧化菌和厌氧氨氧化菌在各自最适环境下发挥最大作用，提高系统脱氮效果，好氧区溶解氧浓度控制在2mg/l，可有效提高氨氧化菌活性及增殖速率，红菌区溶解氧浓度控制在0.5mg/l以下，可为厌氧氨氧化菌提供低氧环境，利于厌氧氨氧化菌发挥更大活性。多级两段式可有效控制系统内亚硝酸盐浓度，降低游离亚硝酸对氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的抑制作用。

④本发明末端设置好氧区，可进一步降低出水氨氮及cod浓度，可以实现系统氨氮和cod去除率的进一步提高，使得出水水质达到更加严格的排放标准，提高整体工艺的运行效果。

⑤本发明中反应器整体设计成多个区域，红菌区穿孔曝气管及厌氧氨氧化填料支架均设置成可移动样式，使得系统可根据进水水质和处理效果灵活调整缺氧/好氧/红菌各区域体积比，从而提高反应器脱氮效率。

综上，本发明应用了厌氧氨氧化生物脱氮技术，与现有常规生物脱氮工艺相比具有出水水质效果好，总氮去除率高，运行控制简单易行等优势；而且本发明在厌氧氨氧化脱氮工艺的基础上，通过设前置缺氧区和后置缺氧区，结合污泥回流，引入了厌氧氨氧化耦合反硝化技术，与常规的厌氧氨氧化技术相比也具有显著地优势。本发明适用于高氨氮污水的处理；抗进水的冲击负荷能力强，总氮去除效率高，系统控制灵活。

附图说明

图1为本发明高氨氮污水的多级o/a厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮装置的整体结构示意图。

图中：1是原水箱；1.1是放空管；1.2是溢流管；1.3是进水泵；2.1是第一缺氧区；2.2是第一好氧区；2.3是第一红菌区；2.4是第二好氧区；2.5是第二红菌区；2.6是第三好氧区；2.7是第三红菌区；2.8是第四好氧区；2.9是第二缺氧区；2.10是第五好氧区；2.11是搅拌器；2.12是加热棒；2.13是填料支架；2.14是微孔曝气盘；2.15是穿孔曝气管；2.16是气体流量计；2.17是污泥内回流泵；2.18是鼓风机；2.19是碳源投加装置；2.20是碳源储存装置；3是沉淀池；3.1是出水管路；3.2是污泥外回流泵；3.3是排泥阀门。

具体实施方式

下面结合图1对本发明作进一步说明。

一种多级o/a厌氧氨氧化脱氮装置，其包括储存高氨氮污水的原水箱1、多级o/a生化反应器2、沉淀池3；其中，所述原水箱1的底部设有放空管1.1，原水箱的顶部设有溢流管1.2，所述原水箱的放空管上设有阀门；所述原水箱1通过进水泵1.3与所述生化反应器2的进水管相连通；所述多级o/a生化反应器2包括自左向右依次设置的第一缺氧区2.1、第一好氧区2.2、第一红菌区2.3、第二好氧区2.4、第二红菌区2.5、第三好氧区2.6、第三红菌区2.7、第四好氧区2.8、第二缺氧区2.9和第五好氧区2.10；所述第一缺氧区设有搅拌器2.11，所述第二缺氧区设有搅拌器2.11、碳源投加装置2.19和碳源储存装置2.20；所述碳源投加装置与碳源存储装置相连接；第一好氧区、第二好氧区、第三好氧区、第四好氧区、第五好氧区的底部均设置有用于持续曝气的微孔曝气盘2.15；所述第一红菌区、第二红菌区、第三红菌区内均设置有固定支架，所述固定支架上挂设有厌氧氨氧化生物膜的海绵填料2.13，所述第一红菌区、第二红菌区、第三红菌区的底部均采用穿孔持续曝气2.16方式用于低溶解氧条件下活性污泥的悬浮；第一好氧区、第二好氧区、第三好氧区、第四好氧区、第五好氧区、第一红菌区、第二红菌区、第三红菌区均连接有加热装置2.12、鼓风机2.18、气体流量计2.16；所述鼓风机分别与微孔曝气盘相连接；所述气体流量计与鼓风机相连接；所述第四好氧区2.8通过污泥内回流泵2.17与第一缺氧区2.1相连；所述沉淀池设置有上清液排放管、出水管路3.1和污泥回流管；所述上清液排放管和出水管路均位于沉淀池的中上方；所述污泥回流管上设有排泥阀3.3。

所述第一缺氧区的搅拌器设有用于调节搅拌速率的调速器，所述进水管设置于第一缺氧区；所述第一缺氧区还设置有污泥外回流管及污泥内回流管；所述污泥内回流管通过污泥内回流泵2.17与所述第四好氧区相连接；所述污泥外回流管通过污泥外回流泵与沉淀池的污泥回流管相连接。

该装置还包括自动控制系统，所述自动控制系统包括控制器、温度传感器、氧浓度传感器、氮浓度传感器、流量传感器、存储器；所述温度传感器分别设置于第一好氧区、第二好氧区、第三好氧区、第四好氧区、第五好氧区、第一红菌区、第二红菌区、第三红菌区用于检测好氧区或者红菌区内的实时的温度信号，并将实时温度信号发送至控制器；所述流量传感器设置于进水管、内回流管、外回流管及出水管路上用于实时监测进水管、内回流管、外回流管、出水管路上的流量信号，并将实时流量信号发送至控制器；所述氧浓度传感器设置于第一好氧区、第二好氧区、第三好氧区、第四好氧区、第五好氧区用于检测好氧区内的实时氧浓度信号，并将实时的氧浓度信号发送至控制器；所述氮浓度传感器设置于出水管路上用于实时检测氮浓度信号，并将检测的氮浓度信号发送至控制器；所述气体流量计还与控制器相连接，并将实时检测的气体流量信号发送至控制器；控制器将接收到的实时温度信号、流量信号、氧浓度信号、氮浓度、气体流量信号经数据转换后与存储器的相应阈值进行比较，并将比较的结果存储于存储器中；所述控制器还分别与加热装置、进水泵、污泥内回流泵、鼓风机控制连接。

所述自动控制系统还包括与控制器通过网络连接的无线收发器；所述无线收发器通过网络还与云服务器相连接；所述云服务器还通过网络与远程监控中心或者智能移动终端无线通讯连接；所述网络为2g、3g、4g、5g或者wifi网络。

所述自动控制系统还包括与控制器相连接的信号异常报警器；所述控制器根据比较的结果控制信号异常报警器发出报警提示信号；所述报警提示信号包括灯光闪烁和/或提示音。

本发明一种多级o/a厌氧氨氧化耦合反硝化脱氮工艺的使用方法包括如下步骤：

1)接种污泥：多级o/a生化反应器按照体积比1:1接种稳定运行的高氨氮污水处理系统排放的短程硝化污泥，使得絮体污泥浓度在4-5g/l；并从稳定运行的高氨氮污水厌氧氨氧化反应器内取生物膜填料接种至红菌区，填料填充比为5％-8％；

2)反应器启动：

①开启进水泵，将高氨氮污水从原水箱引至第一缺氧区；第一缺氧区的搅拌器开启，促进泥水混合，强化传质，活性污泥吸附降解进水中的有机物，以回流污泥中硝酸盐作为电子受体，发生反硝化反应，进水量根据反应器出水水质效果进行调整；

②混合液随后进入到交替设置的好氧区和红菌区内，好氧区和红菌区内设有加热装置，保持温度在30℃-40℃；鼓风机开启，调整曝气管路的阀门进行曝气，控制反应器第一、第二、第三、第四和第五好氧区内的溶解氧在1-2mg/l，实现短程硝化，但生成的亚硝浓度需控制在70mg/l以下，防止对系统微生物产生抑制作用；混合液进入到第四好氧区时通过污泥回流泵将混合液回流至第一缺氧区，促进反硝化脱氮，回流比为100％；混合液进入到第五好氧区时可通过曝气进一步提高系统氨氮去除率和cod去除率；

③混合液进入到第一红菌区、第二红菌区和第三红菌区，红菌区通过穿孔曝气，促进泥水混合，同时通过气体流量计调整曝气量，保持红菌区内溶解氧在0.5mg/l以下，ph在7.0以上，利用进水中氨氮和好氧区产生的亚硝，进行厌氧氨氧化反应，实现系统的总氮去除；

④在第二缺氧区活性污泥通过外加碳源发生反硝化反应，进一步提高系统总氮去除率，控制溶解氧低于0.2mg/l；

⑤混合液随后进入到沉淀池，活性污泥混合液在沉淀池进行泥水分离，上清液溢流出水作为最终出水，沉淀池底部浓缩污泥通过污泥回流泵分别回流至缺氧区，污泥回流比为100％；

3)反应器稳定运行：通过定期监测系统内运行参数和水质参数数据，判断系统的运行情况，同时调整曝气量、污泥回流量及排泥量；当每个好氧区的溶解氧浓度高于2mg/l时或第五好氧区氨氮浓度低于1mg/l时，降低每个好氧区的曝气量；当每个好氧区的溶解氧度浓度低于1mg/l时或第五好氧区氨氮浓度高于10mg/l，提高每个好氧区的曝气量；当第一缺氧区的硝酸盐浓度高于5mg/l时，降低向第一缺氧区的污泥回流比例，当第二缺氧区的硝酸盐浓度高于10mg/l，增加第二缺氧区碳源投加量。

在设计及试验中，主要结构的尺寸选择可以如下，需要说明的是：各区域容积均可根据实际运行状态进行调整：

原水箱1设置为400l，所述生化反应器为有机玻璃材质的连续流反应器，有效容积为80l，其中所述第一缺氧区(2.1)、第二缺氧区(2.9)第四好氧区(2.8)和第五好氧区(2.10)容积均为4l；所述第一好氧区(2.2)、第二好氧区(2.4)和第三好氧区(2.6)容积均为8l；所述第一红菌区(2.3)、第二红菌区(2.5)和第三红菌区(2.7)容积分别为12l、16l和12l。所述沉淀池有效容积为40l。

以某污水处理厂经过热水解-厌氧消化-板框脱水后的消化液作为实施例，其典型的氨氮浓度值在1600-2000mg/l，碱度约为6500mg/l(以caco3计)，c/n比低于0.5，利用本发明提供的基于高氨氮污水的多级o/a厌氧氨氧化脱氮装置进行高氨氮污水处理，操作方法步骤如下：

第一步，接种污泥。生化反应器按照体积比1:1接种稳定运行的高氨氮污水处理系统排放的短程硝化污泥，使得絮体污泥浓度在4-5g/l；并从稳定运行的高氨氮污水厌氧氨氧化反应器内取生物膜填料接种至红菌区，填料填充比为5％-8％。

第二步，反应器启动：开启进水泵，将高氨氮污水从原水箱引至第一缺氧区；第一缺氧区的搅拌器开启，促进泥水混合，强化传质；混合液随后进入到交替设置的好氧区和红菌区，鼓风机开启，同时调整曝气管路的阀门进行曝气，控制反应器五个好氧区内的溶解氧在2mg/l；混合液进入到三个红菌区，红菌区通过穿孔曝气，促进泥水混合，同时通过气体流量计调整曝气量，保持红菌区内溶解氧在0.5mg/l以下；混合液进入到第四好氧区时通过污泥回流泵将混合液回流至第一缺氧区，促进反硝化脱氮，回流比为100％；混合液随后进入到沉淀池，污泥混合液在沉淀池进行泥水分离，上清液溢流出水作为最终出水，沉淀池底部浓缩污泥通过污泥回流泵分别回流至缺氧区，污泥回流比为100％。

第三步，反应器稳定运行：通过定期监测系统内运行参数和水质参数数据，判断系统的运行情况，同时调整曝气量、污泥回流量及排泥量。当好氧区的溶解氧浓度高于2mg/l时或第五好氧区氨氮浓度低于1mg/l时，降低好氧区的曝气量；当好氧区的溶解氧度浓度低于1mg/l时或第五好氧区氨氮浓度高于10mg/l，提高好氧区的曝气量。当第一缺氧区的硝酸盐浓度高于5mg/l时，降低向第一缺氧区的污泥回流比例，当第二缺氧区的硝酸盐浓度高于10mg/l，增加第二缺氧区碳源投加量。

连续的试验结果表明：该系统表现良好的总氮去除效果，出水的氨氮和总氮可以分别稳定达到5mg/l、15mg/l以下。

对于上述实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。