一种稳定实现短程硝化厌氧氨氧化过程的方法

1.本发明属于环境保护及化工技术领域，尤其涉及一种稳定实现短程硝化厌氧氨氧化过程的方法。


背景技术：

2.我国氨氮污染状况日益严峻，由此引发的环境问题引起了各方的高度关注，尤其在污水脱氮领域，传统的脱氮技术已难以满足更高的处理要求。厌氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation,anammox)作为硝化脱氮的捷径反应，突破了传统硝化
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反硝化的基本理论，缩短了反应路径，同时可节省由添加外部碳源、化学中和剂等操作造成的成本支出，一直被认为是一条高效、经济、可持续的脱氮路径。厌氧氨氧化脱氮的技术优点包括：1)脱氮效率高，相同污泥量，相同容积下，厌氧氨氧化可较传统硝化
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反硝化的脱氮负荷提升数倍以上；2)曝气能耗低，由于厌氧氨氧化是在厌氧的状态下完成对氨氮及硝酸盐氮的去除。因此，污水中仅部分氨氮被氧化为亚硝态氮即可满足脱氮过程的需求；3)污泥产量低，由于厌氧氨氧化为自养型脱氮工艺，污泥产率远低于传统硝化反硝化等脱氮工艺；4)无需外加碳源，对于c/n比较低的废水，传统脱氮工艺须补充碳源以满足反硝化过程的进行，而厌氧氨氧化菌作为自养菌，无需外加碳源，整个系统的碳耗远小于传统脱氮工艺。
3.由于厌氧氨氧化脱氮的技术特性，基于厌氧氨氧化的工艺均需与短程硝化反应(partial nitrification,pn)相耦合，将废水中氨氮部分转化为亚硝酸盐氮，其耦合方式主要分为两种：两级分置或建立单级短程硝化
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厌氧氨氧化系统。对于大部分低氨氮的主流污水处理而言，较低的氨氮浓度很容易破坏短程硝化
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厌氧氨氧化过程的稳定性，导致现有基于厌氧氨氧化的脱氮工艺的稳定性较差，抗冲击性不高，对低浓度氨氮废水难以进行有效处理。
4.因此，如何有效地将短程硝化工艺和厌氧氨氧化工艺相结合，并提高短程硝化
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厌氧氨氧化工艺的稳定性成为这一工程应用的主要技术难题。


技术实现要素：

5.为了解决上述的技术问题，本发明提供一种稳定实现短程硝化厌氧氨氧化过程的方法，其包括以下步骤：
6.步骤1，外部污水进入短程硝化厌氧氨氧化反应装置；
7.步骤2，所述污水进行cod去除反应；
8.步骤3，经过步骤2处理的污水进行短程硝化反应；
9.步骤4，经过步骤3处理的污水进行厌氧氨氧化反应；
10.步骤5，经过步骤4处理的污水排出所述短程硝化厌氧氨氧化装置。
11.优选地，所述短程硝化厌氧氨氧化反应装置主要由进水泵室、cod去除反应室、短程硝化反应室、波浪板室和厌氧氨氧化反应室组成；
12.步骤2的反应过程在所述cod去除反应室内进行，经过所述cod反应后的污水中cod
与氨氮浓度的比值＜1.5；
13.步骤3的反应过程在所述短程硝化反应室内进行，所述短程硝化反应室内污水的溶解氧≥0.5mg/l，经过所述短程硝化反应后的污水中氨氮与亚硝胺的浓度比为0.7～1.35；
14.步骤4的反应过程在所述厌氧氨氧化反应室内进行，污水的水力停留时间≥2小时。
15.优选地，所述cod去除反应室内设置填料支架；
16.所述填料架为长方体或多面体，其内部设置多块肋板，不同肋板之间沿竖直方向并行排列。
17.优选地，所述肋板在水平方向上的截面呈s形，相邻两块所述肋板之间的距离为0.1
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5cm。
18.优选地，所述填料架的下端固定在填料架支架上，所述填料架支架固定在所述cod去除反应室的底部；
19.所述填料架的底端距离所述cod去除反应室的底部的高度为所述cod去除反应室总高度的45～55％。
20.优选地，所述短程硝化反应室内设置限载机构，所述限载机构安装在限载机构支架上，所述限载机构支架固定在所述短程硝化反应室的底部，所述限载机构在传动机构的作用下，能沿所述限载机构支架上下移动。
21.优选地，所述限载机构包括至少一个开孔平板，所述开孔的内径＜微生物填料外径的30％，所述平板的密度为950～1050kg/m3。
22.优选地，所述短程硝化反应室的底部设置曝气装置和在线do检测装置。
23.优选地，所述波浪室内设置波浪板，所述波浪板至少设置一层，所述波浪板的一端衔接所述短程硝化反应室的排水口，另一端衔接所述厌氧氨氧化反应室的进水口；
24.当所述波浪板的层数≥2时，所述波浪板呈上下层叠分布，相邻上下两层所述波浪板头尾衔接，使得所有的所述波浪板串连成污水流经的通道；
25.经过所述短程硝化反应处理后的污水在所述波浪板上的水力停留时间≥0.5小时。
26.优选地，在所述厌氧氨氧化反应室的上部设置齿状微生物填料支架，微生物填料能悬挂在相邻两齿状凸起之间，所述微生物填料的底部设置有配重物。
27.本发明的有益效果如下：
28.第一方面，在本发明的cod去除反应阶段，cod去除反应室内的填料架，为兼性厌氧微生物提供了附着的填料场所，使得兼性厌氧微生物能在填料架上对水体中的有机污染物进行有效处理，并且阻止了多余的污泥进入短程硝化单元。
29.第二方面，在短程硝化反应阶段，通过短程硝化反应室内的限载机构可以调整微生物填料的分布状态，从而可以自由调节短程硝化效率并配合在线溶解氧的调控，使短程硝化反应体系能适应不同浓度的污染物冲击，获得一个稳定的短程硝化处理效果。
30.第三方面，本发明利用波浪室内的波浪板，很好地限制了短程硝化单元对厌氧氨氧化单元菌群结构的影响，有效降低了少量溶解氧对厌氧氨氧化单元的冲击，提高了厌氧氨氧化菌的活性，保证了厌氧氨氧化菌的纯度及运行稳定性。
31.第四方面，在厌氧氨氧化反应阶段，厌氧氨氧化菌的填料悬挂在厌氧氨氧化反应室顶部的齿状微生物填料支架上，通过调整填料之间的距离可以提高厌氧氨氧化菌的富集效果和厌氧氨氧化反应的效率。
32.总之，本发明中采用上述四种独特结构有效地提高了系统的运行稳定性，提高了反应器的性能，简化了污水处理过程，提高了处理效率。
附图说明
33.图1是本发明的流程示意图；
34.图2是本发明采用的污水处理装置的平面结构示意图；
35.图中各部分的标记如下：101
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壳体、102
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厌氧氨氧化反应室、103
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排水口、104
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进水泵室、105
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进水泵、106
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进水管、107
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cod去除反应室进水总管、108
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cod去除反应室进水支管、109
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阀门、110
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填料架、111
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溢流管进水孔、112
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溢流管、113
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cod去除反应室一、114
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cod去除反应室二、115
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cod去除反应室三、116
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短程硝化反应室进水总管、117
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短程硝化反应室进水支管、118
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限载机构开孔、119
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限载机构平板、120
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短程硝化反应室一、121
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短程硝化反应室二、122
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短程硝化反应室三、123
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波浪板、124
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波浪板室、125
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厌氧氨氧化反应室进水管、126
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排泥管、127
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微生物填料、128
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微生物填料悬挂支架。
36.图3是本发明采用的污水处理设备中a
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a截面结构示意图；
37.图中各部分的标记如下：201
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填料架支架；
38.图4是本发明采用的污水处理设备中b
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b截面结构示意图；
39.图中各部分的标记如下：301
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曝气孔、302
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曝气装置支架、303
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曝气装置、304
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限载机构支架；
40.图5是本发明采用的污水处理设备中填料架中的肋板的俯视结构示意图；
41.图中各部分的标记如下：401
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肋板、402
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填料架边框；
42.图6是本发明采用的污水处理设备中齿状微生物填料支架的结构示意图；
43.图中各部分的标记如下：501
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凹槽形悬挂支架、502
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锯齿形悬挂支架、503
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v形悬挂支架。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的设计方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.本发明的发明人根据短程硝化
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厌氧氨氧化工艺处理污水的技术特点，设计了一种稳定实现短程硝化厌氧氨氧化过程的方法，该方法主要包括以下步骤：1)外部污水进入短程硝化厌氧氨氧化反应装置；2)污水进行cod去除反应；3)经过步骤2处理的污水进行短程硝化反应；4)经过步骤3处理的污水进行厌氧氨氧化反应；5)经过步骤4处理的污水排出短程硝化厌氧氨氧化装置。该方法用于污染物(例如污水)的处理，能有效地提高系统的运行稳定性，提高反应器的性能，简化污水处理过程，提高处理效率。
46.本发明中采用的污水处理装置主要由壳体、隔板、填料架、限载机构和波浪板组
成。壳体内部的密闭容置空间由隔板分割成进水泵室、cod去除反应室、短程硝化反应室、波浪板室和厌氧氨氧化反应室。在采用本发明的装置处理污水时，先通过管道将污水由本装置的进水口输送至进水泵室的泵内，然后在泵提供的压力下将污水输送至cod去除反应室内。在cod去除反应室内的填料架上，污水与兼性厌氧微生物填料充分接触，通过兼性厌氧微生物的作用，分解污水中的有机污染物，从而降低污水的cod值，处理后的污水中cod与氨氮浓度的比值＜1.5。经过cod去除反应室处理后的污水进入短程硝化反应室进一步处理，在短程硝化反应室内，污水与限载机构承载的氨氧化微生物载体充分接触，氨氧化微生物通过自身的代谢活动将污水中的铵态氮氧化为亚硝态氮。接下来，污水自短程硝化反应室流经波浪板，经过波浪板的缓冲和沉降作用，再进入厌氧氨氧化反应室。在厌氧氨氧化反应室内，厌氧氨氧化微生物填料上的厌氧氨氧化菌将污水中的亚硝态氮氧化为氮气，从而完成污水的处理过程。经过处理后的清水由设置在厌氧氨氧化反应室上的排水口流出污水处理装置，结束整个污水处理的过程。
47.图2示出了本发明采用的污水处理装置的结构。壳体101的密闭空间被隔板分割成了进水泵室104、cod去除反应室一113、cod去除反应室二114、cod去除反应室三115、短程硝化反应室一120、短程硝化反应室二121、短程硝化反应室三122、波浪板室124和厌氧氨氧化反应室102。厌氧氨氧化反应室102位于污水处理装置的最左侧，与其紧邻的是进水泵室104和波浪板室124。进水泵室104位于波浪板室124的下方，两者由同一块隔板隔开。进水泵室104的右侧紧挨cod去除反应区，该反应区由三个结构相同的cod去除反应室构成。自进水泵室104的右侧隔断开始，依次为cod去除反应室一113、cod去除反应室二114、cod去除反应室三115。cod去除反应室三115的右侧壁为壳体101。cod去除反应区的上方为短程硝化反应区，其也由三个结构相同的短程硝化反应室构成。三个短程硝化反应室分别与三个cod去除反应室一一对应并紧邻。其中，短程硝化反应室三122与cod去除反应室一113对应，短程硝化反应室二121与cod去除反应室二114对应，短程硝化反应室一120与cod去除反应室三115对应。短程硝化反应室三122的左侧紧邻波浪板室124。
48.如图2和图3所示，进水泵室104内设置进水泵105，进水泵105的进水口通过进水管106连通外部污水水源。进水管106穿过进水泵室104的外侧壁上的进水口。进水泵105的排水口连接cod去除反应室进水总管107的一端，在cod去除反应室进水总管107上分别设置有通往每个cod去除反应室的进水支管108，cod去除反应室进水总管107的另一端连接最后的cod去除反应室的进水支管。在cod去除反应室进水总管107上和cod去除反应室进水支管108上均设置有控制污水流向的阀门109，通过阀门109的开启或关闭可以分别为每个cod去除反应室提供待处理的污水。cod去除反应室一113的进水支管的顶端连接cod去除反应室进水总管107，另一端开口于cod去除反应室一113的底部。通过cod去除反应室一113的进水支管可以将进水总管107内的污水引入cod去除反应室一113。cod去除反应室一113的底部安装有填料架支架201，填料架支架201的顶端安装有填料架110，从而使得填料架110悬浮在cod去除反应室一113内。填料架110底端距离cod去除反应室一113底部的高度优选为cod去除反应室一113总高度的45～55％，从而更好地防止cod去除反应室一113的内部短流和出现污水流动死区，进一步提高cod的去除效率。填料架110优选为长方体或者多面体，其内部设置有多块肋板401(见图5)，不同的肋板之间沿竖直方向并行排列，肋板401固定在填料架边框402上。肋板401在水平方向上的截面优选为s形，并且相连两块肋板401之间的距离
优选为0.1～5cm。这种肋板的形状和排布方式使得兼性厌氧微生物填料在填料架内呈一定角度分布，从而增大了污水与兼性厌氧菌之间的接触面积，提高了有机污染物的降解效率。同时s形肋板还可以沉降和截留悬浮的微生物。
49.如图2和图3所示，cod去除反应室一113的右侧顶部设置了溢流管112，溢流管112的管壁上开设有溢流管进水孔111，位于cod去除反应室一113顶部的污水通过溢流管进水孔111汇集入溢流管112。溢流管112的一端开口于cod去除反应室进水总管107，另一端为盲端。通过控制管道上的阀门109可以让污水依次进入cod去除反应室进水总管107、cod去除反应室进水支管108、cod去除反应室一113、cod去除反应室一的溢流管112、cod去除反应室进水总管107，然后通过cod去除反应室二114的进水支管流入cod去除反应室二114的底部。同样，经过cod去除反应室二114处理后的污水流入cod去除反应室三115的底部，进一步在cod去除反应室三115内进行铵态氮到亚硝态氮的转化，降低污水中的cod值。
50.需要说明的是，本发明中采用的污水处理装置不限于包括一个cod去除反应室，cod去除反应室的数量可根据污水的污染情况和处理量进行选择，可以设置一个、两个或者多个。污水处理时，可以根据cod去除反应室的处理效果，并控制cod去除反应室进水总管107、cod去除反应室进水支管108和阀门109的开启或关闭，选择具体需要cod去除反应室的数目。当cod去除反应室的数量≥2时，cod去除反应室之间可以通过控制cod去除反应室进水总管107、cod去除反应室进水支管108和溢流管112上的阀门109形成污水处理的串联通路，从而延长兼性厌氧菌对污水的处理时间，最大限度的降解污水中的有机污染物，降低污水中的cod值。
51.在本发明的一个具体实施例中，将cod去除反应室一113内的进水总管107上的阀门109关闭，将cod去除反应室一113的进水支管108和溢流管112开启，外部污水会经过cod去除反应室一113进行处理，然后流入cod去除反应室二114上部的进水总管107内，此时将cod去除反应室二114内的进水支管开启，同时将cod去除反应室二114内进水总管107上的阀门关闭，污水将进入cod去除反应室二114内继续处理。然后开启cod去除反应室二114内的溢流管和cod去除反应室三115的进水支管，经过cod去除反应室二114处理的污水流入cod去除反应室三115，在cod去除反应室三115内继续进行处理。在此过程中，外部污水经过了三个cod去除反应室的依次处理。另外，当外部污水的污染物浓度较低，只需要一个cod去除反应室时，可以将最后一个cod去除反应室(如图2和图3中的115)之前的cod去除反应室的进水支管和溢流管通过阀门关闭，打开进水总管上的所有阀门和最后一个cod去除反应室的进水支管，则外部污水可以直接进入最后一个cod去除反应室。同样，可以选择使用最后两个cod去除反应室进行两级cod去除反应。
52.如图2和图4所示，污水经过三个cod去除反应室(113、114、115)处理后，由最后一个cod去除反应室(115)顶部设置的短程硝化反应室进水总管116进入短程硝化反应室一120，通过阀门109打开短程硝化反应室一120内的进水支管117并关闭进水总管116，污水流入短程硝化反应室一120的底部。然后，污水与球状纤维填料上富集的氨氧化菌充分接触，氨氧化菌通过自身的代谢活动,将污水中的铵态氮氧化成亚硝态氮。一方面，短程硝化反应室一120的底部安装有限载机构支架304，限载机构支架304内设置有传动机构，优选为传动带或者链条。限载机构支架304上安装有限载机构，其主要作用为承载球状纤维填料并限制填料的运动范围。限载机构包括至少一个水平方向设置的限载机构平板119，限载机构平板
119优选为长方形，限载机构平板119上开设有若干个开孔118，限载机构开孔118的内径小于球形填料外径的30％，限载机构平板119的密度为950～1050kg/m3。限载机构平板119的一侧固定在限载机构支架304上，使得限载机构平板119呈水平状态，并且限载机构平板119连接在传动机构上，当传动机构转动时，可带动限载机构平板119上下运动。在水流和限载机构平板119的共同作用下，球状纤维填料在限载机构上的分布状态能被调整，从而增大填料间的空隙，避免填料之间相互挤压，提高填料的传质效率，更好地适应高浓度氨氮进水。为了更好地处理污水，限载机构平板119的数目优选为两个以上，进一步优选为两个，具体数目根据污水中氨氮的浓度和污水的处理量进行选择。当限载机构平板119的数目≥2时，限载机构平板119呈上下层叠分布，如图4中的三个限载机构平板119上下平行排列。另一方面，在短程硝化反应室一120的底部还设置有曝气装置303，优选为曝气管、曝气盘或射流曝气器中的任意一种。曝气装置303安装在曝气装置支架302上，曝气装置支架302固定在短程硝化反应室一120的底部。在曝气装置的作用下，空气由曝气孔301进入短程硝化反应室一120，然后与污水充分混合，再从短程硝化反应室一120的底部向上流动，与限载机构上的填料充分接触，为氨氧化菌提供充足的氧气。在氨氧化菌的作用下，污水中的铵态氮转化为亚硝态氮。最后一个方面，短程硝化反应室一120内还设置有在线do监测装置，通过监测污水中的溶解氧浓度控制曝气装置303的运行，优选溶解氧浓度控制在0.28～2.11mg/l的范围内。
53.如图4所示，关闭短程硝化反应室一120内的进水总管116上的阀门和短程硝化反应室二121内的进水总管116上的阀门，打开短程硝化反应室一120内溢流管和短程硝化反应室二121内进水支管。经过短程硝化反应室一120处理后的污水通过溢流管、进水总管、进水支管形成的管路输送至短程硝化反应室二121的底部，然后在曝气装置、限载机构、球状载体上的氨氧化菌的共同作用下，将污水中的铵态氮转化为亚硝态氮。同样，经过短程硝化反应室二121处理后的污水通过溢流管、进水总管、进水支管输送至短程硝化反应室三122内，然后在短程硝化反应室三122内完成短程硝化反应。
54.需要说明的是，本发明的污水处理装置中的短程硝化反应室的数目≥2，并且各个短程硝化反应室组成一个短程硝化反应区。通过进水总管116、进水支管117、溢流管112以及各管道上的阀门109可以向任意一个短程硝化反应室内输入cod去除反应室处理后的污水。也可以将任意两个或两个以上的短程硝化反应室串连成污水处理的短程硝化反应通道。例如，将任意一个短程硝化反应室内的进水总管上的阀门打开，同时将进水支管和溢流管上的阀门关闭，污水将跳过该短程硝化反应室而直接进入下一个短程硝化反应室。在短程硝化反应区内，cod去除反应室处理后的污水由最后一个cod去除反应室进入短程硝化反应室，经过短程硝化反应后的污水由最后一个短程硝化反应室内的进水总管的管口排出短程硝化反应区，进入后续的厌氧氨氧化反应阶段。
55.短程硝化反应室的数目根据进水水质和短程硝化反应过程中的水质进行选择。当进水氨氮浓度达到40mg/l以上时，第一个短程硝化反应室内的溶解氧＞2mg/l，后续短程硝化反应室内的溶解氧浓度在0.5～2mg/l，当某一个短程硝化反应室内污水的氨氮浓度低于20mg/l，并且污水中氨氮与亚硝胺的浓度比为0.7～1.35时，该反应室处理后的污水进入后续的厌氧氨氧化反应阶段。当进入短程硝化反应区的水中氨氮浓度为20～40mg/l时，第一个短程硝化反应室内的溶解氧＞1.5mg/l，后续短程硝化反应室内的溶解氧浓度在0.5～
1.5mg/l，当某一个短程硝化反应室内污水的氨氮浓度低于20mg/l，并且污水中氨氮与亚硝胺的浓度比为0.7～1.35时，该反应室处理后的污水进入后续的厌氧氨氧化反应阶段。
56.如图2和图4所示，经过短程硝化反应室处理后的污水可通过控制溢流管112、总进水管116和分进水管117上的阀门109，由位于短程硝化反应室三122内的总进水管116的开口流至波浪板室124内的波浪板123上。污水在流经波浪板的过程中，溶解氧会逐渐溢出。污水中悬浮的污泥也会逐渐沉降，尤其是遇到波浪板上的凸起部分，污泥会被拦截而沉降。污水在波浪板上的水力停留时间≥0.5小时，经过波浪板的缓冲作用，污水中的溶解氧和污泥量大大减少。这对于后续的厌氧氨氧化反应更加有利。波浪板123的一侧固定在波浪板室124的侧壁上。波浪板123头部的侧壁高于波浪板上的凸起部分，波浪板123尾部侧壁底部开设有排水孔，该排水孔可以连通厌氧氨氧化反应室进水管125。波浪板123的一端承接短程硝化反应后的污水，另一端连通厌氧氨氧化反应室进水管125。经过波浪板沉降后的污水由厌氧氨氧化反应室进水管125输送至厌氧氨氧化反应室。
57.图4示出了波浪板123的具体排布方式，波浪板123的数目优选至少一块。当波浪板123的数目≥2时，波浪板之间呈上下层叠分布，相邻上下两块波浪板头尾衔接，使得污水由上层波浪板的尾部溢流至下层波浪板的头部，流经下层波浪板后，由下层波浪板的尾部溢流至下下层波浪板的头部，直至最后一块波浪板的尾部，最后，通过厌氧氨氧化反应室进水管125输送至厌氧氨氧化反应室内。
58.如图2和图4所示，厌氧氨氧化反应室进水管125的一端连通波浪板123的尾部，另一端开口于厌氧氨氧化反应室102的底部。厌氧氨氧化反应室102的上部侧壁上安装有微生物填料悬挂支架128，微生物填料悬挂支架128的形状优选为齿状结构(见图6)，进一步优选为凹槽形悬挂支架501、锯齿形悬挂支架502或者v形悬挂支架503中的任意一种。微生物填料悬挂支架128的凹陷处用于悬挂微生物填料127，微生物填料127优选为帘式纤维状填料，填料的底部设置有配重物，从而保持微生物填料127位于竖直方向。配重物优选为角铁、方形不锈钢、铁块等。在微生物填料悬挂支架128上，相邻的凹陷处之间的水平间距为1～2cm。而相邻两条微生物填料127之间的水平间距优选为3～8cm，具体微生物填料之间的距离可以根据厌氧氨氧化反应的需要进行调整，调整的方式优选为提前设置或者在线调整。另外，在厌氧氨氧化反应室102的上部侧壁上开设有排水口，排水口上安装有排水管103。为了保障厌氧氨氧化反应的反应效果，污水在厌氧氨氧化反应室102内的水力停留时间≥2小时。经过厌氧氨氧化反应室处理后的清水由排水管103排出本发明的污水处理装置。
59.如图2所示，为了更好的保证污水处理过程的顺利运行，所有的cod去除反应室、短程硝化反应室、波浪板室和厌氧氨氧化反应室的底部侧壁上均设置有排泥管126。
60.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的改进和修改也应视为落在本发明的保护范围内。