一种低碳源污水自养反硝化深度脱氮装置及方法与流程

本发明涉及污水净化处理技术领域，更确切的说，属于废水深度脱氮技术领域。尤其属于一种低碳源污水自养反硝化深度脱氮装置及方法。

背景技术：

随着我国工业的发展、人民生活水平的提高，在生产、生活中的氮排放量也急剧增加。当前我国各类水环境质量标准和水处理污染物排放标准仅规定了氨氮和总氮的限值而未对硝态氮实施限制性规定。例如在《城镇污水处理厂污染物排放标准》（gb18918-2002）中规定了氨氮和总氮一级a的最高允许排放标准分别为5（8）和15mg/l。由此可见，虽然某些环境水体或污水处理厂尾水已达到质量标准或排放标准，但其中的硝态氮含量仍很高。水体中氮元素的增多，不仅会频繁引起水体富营养化，还会对水生生物、生态环境产生巨大危害。因此，随着我国科技水平的不断提高，通过去除硝态氮来降低水体中的总氮含量必然会越来越受到关注。

目前，废水脱硝态氮中应用最广的为异养反硝化技术。其原理是：在好氧条件下，亚硝化菌和硝化菌将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮，最后在缺氧条件下，通过反硝化作用将硝氮转化为氮气。其中，反硝化反应的影响因素众多，主要有溶解氧、污泥龄、温度、c/n等。在异养反硝化技术中，其使用的反硝化菌为异养型兼性厌氧细菌。在处理低碳氮比废水时，要投加大量的有机碳源，并且不同水质水量需投加的碳源量也不同，这不仅增加了废水处理的成本，还增加了其操作难度。因此，寻求一种高效经济的深度脱氮方法，已成为目前废水脱氮领域的重大关注点。

自养反硝化深度脱氮技术是指在缺氧条件下，自养反硝化菌以氢气、硫单质及其化合物、铁单质等无机物为电子供体将硝态氮还原为氮气。自养反硝化技术具有反硝化效率高、无需外加碳源、成本低等优点。目前，常见的自养反硝化技术多以硫自养反硝化和铁自养反硝化为主。但因某些原因限制了该技术的应用。比如：以硫磺为电子供体的反应器，出水硫酸根浓度过高；硫磺硬度小，且易随出水流出；铁自养菌反应速率快、碱度消耗及副产物低但生长缓慢，启动时间长。因此，开发出一款新型、安全、高效的自养反硝化处理装置具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于一方面提供一种自养反硝化深度脱氮装置，通过构建自养反硝化生物滤床，优化填料种类及填料配比，优化运行方式及运行条件，提高体系中自养反硝化菌的生物活性及反硝化能力，从而减少了启动时间、增强了体系脱氮效果，并具有能耗低、反应快、无二次污染等特点。

另一方面提供一种自养反硝化深度脱氮方法，解决现有自养反硝化技术在处理低碳源污水过程中出现的启动时间长、出水硫酸根浓度高、易堵塞、硫磺易流出等问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种低碳源污水自养反硝化深度脱氮装置，包括调节池、反应器、沉淀池，所述调节池内设有ph探头和溶解氧探头，所述ph探头连接ph自动控制系统，所述溶解氧探头连接溶解氧自动控制系统；

所述调节池的底部和反应器的底部之间通过进水泵、进水阀、进水流量计、三通阀连接，污水从调节池内流出，通过进水泵、进水阀、进水流量计、三通阀进入反应器内；

所述反应器内的底端设有排泥区，排泥区的上方设有布水管，排泥区和布水管之间有滤网相隔，所述布水管上方依次设有石灰石填料i层、复合填料层、石灰石填料ii层，所述石灰石填料i层、复合填料层、石灰石填料ii层构成反应区；

所述反应器顶端两侧设有溢流堰，溢流堰的外侧设有溢流槽，其中一侧的溢流槽底部设有反冲洗排水口，反冲洗排水口通过反冲洗排水阀连接到调节池的进水口；另一侧的溢流槽的底部设有反应器排水口，反应器排水口通过排水阀连接到沉淀池的进水口；

所述反应器的顶部设有活动密封盖，所述活动密封盖内设有三相分离器，三相分离器内部以及三相分离器与活动密封盖之间形成集气区，三相分离器的顶端连接排气管，排气管延伸至活动密封盖外端，排气管的外端设有气压计和自动排气阀；

所述沉淀池的底部设有沉淀池排泥阀，顶部设有沉淀池出水口，沉淀池出水口的内侧设有沉淀池溢流堰。

优选的，所述三通阀的第一端连接进水流量计，第二端连接反应器的进水口，第三端连接反冲洗进水流量计，反冲洗进水流量计通过反冲洗进水阀连接反冲洗泵，反冲洗泵外接清水池。

优选的，所述反应器内壁设有气反冲洗管，气反冲洗管通过进气流量计、进气阀连接空气压缩机。

优选的，所述反应器底部设有反应器底座。

优选的，所述排泥区呈“v”型结构。

优选的，所述复合填料层是由硫磺颗粒、菱铁矿颗粒、木屑按照1-2∶5-6∶0.5-1的体积比均匀混合组成。

一种低碳源污水自养反硝化深度脱氮方法，该方法包括启动阶段和运行阶段，具体步骤为：

启动阶段：

s101：污水由调节池的进水口进入调节池，调节系统进水水质及水量并加入适量有利于自养反硝化菌繁殖的微量元溶液；

s102：打开活动密封盖向反应器内加入预先缺氧培养过的污水处理厂活性污泥，调节池的污水通过进水泵经进水阀、进水流量计和三通阀由布水管进入反应器，调节进水流量使水力停留时间为24h，自养反硝化菌在反应区生长繁殖并逐渐形成生物膜，反应后的出水经溢流堰进入溢流槽，最后经反应器排水口、排水阀流出反应器进入沉淀池内，反应过程中产生的氮气由三相分离器收集后，且集气区的压力到达设定数值后，经排气管由自动排气阀排出，待反应器出水硝态氮去除率达80%以上时，可视为反应器启动成功；

运行阶段：

s201：污水由调节池的进水口进入调节池，调节系统进水水质及水量；

s202：污水经调节池通过进水泵、进水阀、进水流量计以及三通阀进入反应器内，污水由布水管自下而上依次通过已完成挂膜的石灰石填料i层、复合填料层、石灰石填料ii层，此时调节进水流量使水力停留时间为3~8h；

s203：在缺氧环境下，活性污泥中的硫自养反硝化菌利用复合填料层中的复合填料提供的电子s和fe²⁺，将水中的硝态氮还原成氮气并通过自动排气阀排出，在此过程中s和fe²⁺分别被氧化成so4^2-和fe³⁺；

s204：s203中的自养反硝化反应过后的污水经溢流堰进入溢流槽，最终经过反应器排水口、排水阀进入沉淀池，水中的磷酸根与fe³⁺反应生成的磷酸铁沉淀在沉淀池中沉淀，然后经沉淀池排泥阀排出，反应产生的氮气由三相分离器收集后，经排气管由自动排气阀排出。

优选的，所述s101中进水水质ph保持在7.0-8.0，进水水质溶解氧浓度为0.5-1.5mg/l。

优选的，s101中所述微量元溶液的组成：na2moo4·2h2o1.0g/l；feso4·7h2o38.0g/l；caco32.0g/l；znso4·7h2o1.5g/l；mncl2·4h2o1.0g/l；cuso4·5h2o0.25g/l；cocl2·6h2o0.25g/l；nic12·6h2o0.25g/l；h3bo30.5g/l；hcl(32wt%)50.0g/l。

优选的，所述s201中进水水质ph保持在7.0-8.0，进水水质溶解氧浓度为0.2-0.5mg/l。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明基于自养反硝化的深度脱氮方法的这一技术方案，即使在低碳源条件下，也无需外加碳源，且体系无需搅拌即可实现污水的深度脱氮，极大地降低了处理及运行成本。

2、本发明基于自养反硝化的深度脱氮装置的这一技术方案，通过优化填料种类及填料配比，优化运行方式及运行条件，提高系统中自养反硝化菌的生物活性及自养反硝化能力，从而减少了启动时间、增强了脱氮效果。

3、现有技术中硫自养反硝化脱氮速率高但出水硫酸根浓度高，而铁自养反硝化菌生长缓慢，启动时间长。本发明脱氮装置中的复合填料，通过合理的硫磺及菱铁矿配比，改善了反应系统中硫自养反硝化菌和铁自养反硝化菌的比例，从而在减少出水硫酸根浓度的同时，仍具有较好的脱氮速率和效果。

4、本发明通过向脱氮装置中添加比例适当的固相碳源-木屑，使自养反硝化体系中存在少量的异样反硝化，既可以实现碱度互补，又能降低自养反硝化过程中硫酸根的产量，为反硝化菌生长繁殖提供能量从而减少系统启动时间。

5、本发明脱氮装置中在反应区配置的石灰石填料层-复合填料层-石灰石填料层，以石灰石填料层充当滤网，不仅可以为系统提供碱度，而且杜绝了复合填料中的硫磺颗粒随出水流出系统。

附图说明

图1是本发明实施例1中自养反硝化深度脱氮装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1中反应器的结构示意图；

图3是本发明实施例1中反应器集气区底部横向剖面图；

图中：1、调节池，2、ph自动控制系统，3、ph探头，4、溶解氧探头，5、溶解氧自动控制系统，6、进水泵，7、进水阀，8、进水流量计，9、反冲洗泵，10、反冲洗进水阀，11、反冲洗进水流量计，12、沉淀池，13、沉淀池排泥阀，14、沉淀池出水口，15、沉淀池溢流堰，16、反应器，17、三通阀，18、反应器底座，19、滤网，20、排泥区，21、排泥阀，22、布水管，23、空气压缩机，24、进气阀，25、进气流量计，26、石灰石填料ii层；27、排水阀，28、反应器排水口，29、溢流槽，30、溢流堰，31、集气区，32、自动排气阀，33、气压计，34、三相分离器，35、活动密封盖，36、反冲洗排水口，37、反冲洗排水阀，38、复合填料层，39、气反冲洗管，40、石灰石填料i层，41、排气管。

具体实施方式

为方便对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明做进一步解释说明。

实施例1

图1示出了本实施例的低碳源污水自养反硝化深度脱氮装置的结构示意图。该装置包括调节池1、反应器16、沉淀池12，所述调节池1内设有ph探头3和溶解氧探头4，所述ph探头3连接ph自动控制系统2，所述溶解氧探头4连接溶解氧自动控制系统5，ph自动控制系统2用于监测调节池1内污水的ph，溶解氧自动控制系统5用于监测调节池1内污水的溶解氧浓度。

所述调节池1底部设有出水口，反应器16底部设有进水口，调节池1的出水口与反应器16的进水口之间通过管道连接，管道上安装有进水泵6、进水阀7、进水流量计8、三通阀17，调节池1内的污水通过进水泵6、进水阀7、进水流量计8、三通阀17进入反应器16内。

如图2所示，所述反应器16底部设有反应器底座18，反应器16内的底端设有排泥区20，优选的，排泥区20呈“v”型结构，排泥区20的上方设有滤网19，进一步优选的，滤网19的孔径为5~9mm。滤网19的上方设有布水管22，污水经三通阀17进入布水管22内，排泥区20的底部连接排泥阀21，将污泥排出。当排泥区20设计成“v”型结构时，这样的倒圆锥形结构可以方便污泥沉淀，并通过排泥区20的底部经排泥阀21排出。

所述布水管22上方依次设有石灰石填料i层40、复合填料层38、石灰石填料ii层26，所述石灰石填料i层40、复合填料层38、石灰石填料ii层26构成反应区，反应区优选为圆柱形。所述排泥区20与反应区的体积比为1∶15-20。

如图2所示，所述反应器16顶端两侧设有溢流堰30，溢流堰30的外侧设有溢流槽29，其中一侧的溢流槽29底部设有反冲洗排水口36，反冲洗排水口36通过反冲洗排水阀37连接到调节池1的进水口；另一侧的溢流槽29的底部设有反应器排水口28，反应器排水口28通过排水阀27连接到沉淀池12的进水口。

如图1所示，所述沉淀池12的底部设有沉淀池排泥阀13，顶部设有沉淀池出水口14，沉淀池出水口14的内侧设有沉淀池溢流堰15。

如图2所示，所述反应器16的顶部设有活动密封盖35，活动密封盖35和反应器16依靠螺丝连接固定，中间设有密封垫片，保证反应器密闭性。优选的，所述活动密封盖35为可拆卸的圆锥形结构，方便收集气体。结合图3，所述活动密封盖35内设有三相分离器34，三相分离器34内部以及三相分离器34与活动密封盖35之间形成集气区31，三相分离器34的顶端连接排气管41，排气管41延伸至活动密封盖35外端，排气管41的外端设有气压计33和自动排气阀32，自动排气阀32内设有浮筒和阀杆，当集气区31内的气体压力大于系统压力时，浮筒便会下落带动阀杆向下运动，阀口打开，气体排出；当气体压力低于系统压力时，浮筒上升带动阀杆向上运动，阀口关闭，从而为反应器内部提供缺氧环境。自动排气阀32不断循环运作。其中，系统压力可设置为0.1mpa。

如图1所示，所述三通阀17的第一端连接进水流量计8，第二端连接反应器16的进水口，第三端连接反冲洗进水流量计11，反冲洗进水流量计11通过反冲洗进水阀10连接反冲洗泵9，反冲洗泵9外接清水池。

如图2所示，所述反应器16内壁设有气反冲洗管39，气反冲洗管39通过进气流量计25、进气阀24连接空气压缩机23。空气压缩机23产生的压缩气体进入气反冲洗管39内，

上述技术方案中，所述反应区径高比为1∶2.5-4，集气区径高比为3-3.5∶1，反应区顶部与集气区底部直径比为1∶1.5。

上述技术方案中，所述石灰石填料i层40、复合填料层38、石灰石填料ii层26高度比为1∶10-12∶1。进一步，所述复合填料层38是由硫磺颗粒、菱铁矿颗粒、木屑按照1-2∶5-6∶0.5-1的体积比均匀混合组成。进一步，所述石灰石填料i层40和石灰石填料ii层26中石灰石填料的粒径为10-15mm，所述复合填料层38中的硫磺颗粒的粒径为2-5mm，菱铁矿颗粒的粒径为2-5mm，木屑的粒径为0.5-1mm。更进一步，所述石灰石填料i层40和石灰石填料ii层26中石灰石填料、所述复合填料层38中的菱铁矿颗粒为不规则颗粒，便于自养反硝化菌依附。

上述技术方案中，调节池1、反应器16、沉淀池12可根据实际应用调整体积。

实施例2

在实施例1的低碳源污水自养反硝化脱氮装置的基础上，本实施例为一种低碳源污水自养反硝化脱氮方法，该方法包括启动阶段和运行阶段，具体步骤为：

启动阶段：

s101：污水由调节池1的进水口进入调节池1，调节系统进水水质及水量，由ph自动控制系统2调节进水ph保持在7.0-8.0，由溶解氧自动控制系统5调节进水溶解氧浓度为0.5-1.5mg/l，并加入适量有利于自养反硝化菌繁殖的微量元溶液。通过营造有利于自养反硝化菌生长繁殖的环境，从而更快的挂膜，进而缩短系统启动时间。微量元溶液的组成（g/l）：na2moo4·2h2o1.0；feso4·7h2o38.0；caco32.0；znso4·7h2o1.5；mncl2·4h2o1.0；cuso4·5h2o0.25；cocl2·6h2o0.25；nic12·6h2o0.25；h3bo30.5；hcl(32wt%)50.0；

s102：打开活动密封盖35向反应器16内加入适量预先缺氧培养过的污水处理厂活性污泥。调节池1的污水通过进水泵6经进水阀7、进水流量计8和三通阀17由布水管22进入反应器16。调节进水流量使水力停留时间为24h，自养反硝化菌在反应区生长繁殖并逐渐形成生物膜。反应后的出水经溢流堰30进入溢流槽29，最后经反应器排水口28、排水阀27流出反应器16进入沉淀池12内。反应过程中产生的氮气由三相分离器34收集后，且集气区31的压力到达设定数值后，经排气管41由自动排气阀32排出。待反应器16出水硝态氮去除率达80%以上时，可视为反应器16启动成功。

本实施例中预先缺氧培养污水处理厂活性污泥按照常规缺氧处理方法，污泥缺氧处理方法为现有技术，在此不再赘述。

运行阶段：

s201：污水由调节池1的进水口进入调节池1，调节系统进水水质及水量，进水水质ph保持在7.0-8.0，进水水质溶解氧浓度为0.2-0.5mg/l；

s202：污水经调节池1通过进水泵6、进水阀7、进水流量计8以及三通阀17进入反应器16内，污水由布水管22自下而上依次通过已完成挂膜的石灰石填料i层40、复合填料层38、石灰石填料ii层26，此时调节进水流量使水力停留时间为3-8h；

s203：在缺氧环境下，活性污泥中的硫自养反硝化菌利用复合填料层38中的复合填料提供的电子s和fe²⁺，将水中的硝态氮还原成氮气并通过自动排气阀32排出，在此过程中s和fe²⁺分别被氧化成so4^2-和fe³⁺。石灰石填料层38不仅为反应提供碱度还可避免其中的硫磺颗粒流出系统；

该步骤中进行的自养反硝化反应主要为：

1.1s+no3^-+0.4co2+0.76h2o+0.08nh4⁺→0.08c2h7o2+0.5n2+1.1so4^2-+1.28h⁺

no3^-+0.33fes2+0.67h2o→12n2+0.67so4^2-+0.33fe(oh)3+0.33h⁺

s204：s203中的自养反硝化反应过后的污水经溢流堰30进入溢流槽29，最终经过反应器排水口28、排水阀27进入沉淀池12，水中的磷酸根与fe³⁺反应生成的磷酸铁沉淀在沉淀池中沉淀，然后经沉淀池排泥阀13排出。反应产生的氮气由三相分离器34收集后，经排气管41由自动排气阀32排出。

反应器16经过一段时间的运行后，通过气反冲洗系统冲洗填料层（石灰石填料i层、复合填料层、石灰石填料层ii层）。此时，关闭进水泵6、进水阀7、排水阀27、三通阀17的进水端。打开空气压缩机23、进气阀24，调节进气流量计25至合适流量。压缩气体通过反应器16内的气反冲洗管39进入反应器16内冲刷填料层。气体由自动排气阀32排出反应器16。关闭空气压缩机23、进气阀24。然后打开反冲洗泵9、反冲洗进水阀10、反冲洗排水阀37，对反应器16进行冲洗，出水由反冲洗排水口36流入调节池1。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。