一种基于高效短程硝化的厌氧氨氧化污水自养脱氮系统及工艺方法与流程

本发明涉及污水处理，尤其涉及一种基于高效短程硝化的厌氧氨氧化污水自养脱氮系统及工艺方法。

背景技术：

1、严格的排放标准对污水处理技术提出了更高的要求，在这众多污染物中，氮元素的去除是其中的重点与难点。目前关于污水脱氮技术主要分为两类：化学法与生物法。其中生物法因成本低、效率高而被广泛应用。现有的污水脱氮技术中主要有传统的硝化/反硝化、新兴的短程硝化/反硝化与同步硝化/反硝化，以及近些年研究热点的短程硝化-厌氧氨氧化以及短程反硝化-厌氧氨氧化。相比于传统硝化/反硝化，短程硝化/反硝化可节省25％曝气能耗，减少40％有机碳源的投加，而短程硝化/厌氧氨氧化自养脱氮技术则可节省62.5％曝气能耗，不需要添加任何有机碳源、污泥产量可降低90％、温室气体减排90％以上，因而该项技术具有广阔的市场前景。

2、短程硝化/厌氧氨氧化工艺形式主要分为一段式和两段式。一段式厌氧氨氧化工艺系指在同一反应器内相同条件下同时发生短程硝化和厌氧氨氧化的生化反应；两段式厌氧氨氧化工艺系指短程硝化反应器前置、厌氧氨氧化反应器后置，串联运行，分别通过独立控制两个反应器的反应条件，分区实现短程硝化反应、厌氧氨氧化反应的功能，从而实现脱氮的目标。由于氨氧化菌(aob)、亚硝酸盐氧化菌(nob)属于严格好氧菌，厌氧氨氧化菌(anaob)属于厌氧菌，故一段式工艺无法完全平衡脱氮过程中涉及的aob、nob以及anaob菌群之间的矛盾；而两段式工艺往往存在底物抑制、工艺控制困难、稳定性差的缺点。因此无论是一段式或两段式工艺均不能完全统一的解决自养脱氮系统的矛盾。

3、短程硝化/厌氧氨氧化工艺的脱氮过程是由aob、anaob协同完成，从生物学特征上来讲，anaob对底物利用速率高于aob对氨氮的氧化速率，故而脱氮过程的效率是由短程硝化段反应速率所决定的，其为限速步骤。欲实现工艺的最大能效，则必须从两个方面进行改进。其一，提高由nh4+-n向no2--n的转化速率，也就是需要最大可能地提高aob菌群的数量和最大效率地发挥aob的生物活性；其二，在系统内淘洗nob，杜绝由no2--n向no3--n的不利转化。短程硝化产生的no2--n同时是nob、anaob所需基质，由于nob增殖速率高于anaob，故而通常情况下，nob对no2--n基质的竞争优势是大于anaob，因此在厌氧氨氧化的耦合工艺中需要将nob淘洗出系统之外。

4、专利号为cn105000664a的发明专利公开了一体式短程硝化-厌氧氨氧化方法脱氮效果恶化的原位恢复方法，通过投加羟胺或肼等提高aob和anaob的活性及丰度，同时抑制nob活性，使组合工艺出水中的no3--n浓度迅速降低。然而在第二阶段，结合污泥龄控制，将处于抑制状态下的nob逐步从系统中淘汰出去，使no2--n累积率、anaob活性以及组合方法的脱氮负荷得到同步提高。该方法需要不断地投入的羟胺或肼化学药剂，由于羟胺对nob的抑制作用是可逆的，一旦停止投加后，系统的出水中no3--n浓度会迅速升高，导致脱氮负荷的再次降低。因此需要研发不需化学试剂并可稳定地淘洗nob，从而提高nh4+-n向no2--n转化速率，进而提高脱氮效率的方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种基于高效短程硝化的厌氧氨氧化污水自养脱氮系统及污水处理工艺方法，该装置不需化学试剂就可淘洗nob，从而提高nh4+-n向no2--n的有效转化。

2、本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了一种基于高效短程硝化的厌氧氨氧化污水自养脱氮系统，包括短程硝化区、消氧区、厌氧氨氧化区、回流区、空气提推区和澄清区，所述短程硝化区顶部设有进水管，所述短程硝化区的顶部与消氧区的顶部连通，所述消氧区的底部与厌氧氨氧化区连通，所述厌氧氨氧化区的顶部与回流区的顶部连通，所述澄清区、回流区和空气提推区的底部相互连通，且空气提推区的顶部与短程硝化区的顶部连通，构成循环系统；所述短程硝化区内部设有曝气装置，所述厌氧氨氧化区内部设有生物填料与机械搅拌装置，生物填料上附着anaob菌；所述空气提推区的内部设有空气提推器，所述澄清区顶部设有出水管。

3、在以上技术方案的基础上，优选地，所述厌氧氨氧化区内部设悬浮式或固定式的生物填料，所述生物填料的填充体积比为15％～45％。

4、在以上技术方案的基础上，优选地，所述消氧区和澄清区内部均设有导流板，所述消氧区内部的导流板朝厌氧氨氧化区底部倾斜，所述澄清区内部的导流板朝回流区底部倾斜。

5、另一方面，本发明提供了一种基于高效短程硝化的厌氧氨氧化污水自养脱氮工艺方法，包括如下步骤：

6、s1，来水通过进水管进入短程硝化区并与由空气提推区循环而来的混合液快速的充分混合，在短程硝化区发生有机物的氧化和短程硝化反应；

7、s2，短程硝化反应结束后，混合液进入消氧区，经微生物对混合液中的溶解氧充分的消耗和利用后，通过消氧区底部进入厌氧氨氧化区；

8、s3，厌氧氨氧化区附着于生物填料上的anaob利用混合液中的nh4+-n、no2--n进行脱氮，随后混合液由厌氧氨氧化区顶部进入回流区；

9、s4，绝大部分混合液在空气提推器的作用下再次进入短程硝化区，另一部分的混合液则进入澄清区实现泥水分离，澄清后的清水由顶部的出水管流出反应器，污泥则在自身重力作用下沉降下滑至回流区与混合液再次进入短程硝化区，整个系统在流态上依次形成往复循环的反应周期。

10、所述系统内的水力循环是由空气提推器实现的，因而本系统的内循环倍数可实现几十倍至几百倍的变化。在此技术方案基础上，系统内不同物理空间的反应环境(好氧/厌氧)可以实现快速交替转换；此外，所述系统内絮体污泥、底物基质(包括nh4+-n、no2--n等)亦可以短时间内于好氧环境、厌氧环境之间快速交替出现；进一步地实现短程硝化、厌氧氨氧化反应在有限时间内快速的交替发生，进而实现no2--n产生即消耗，由此简化anaob底物基质分配的逻辑并达到高效稳定的脱氮目的。

11、在以上技术方案的基础上，优选地，所述系统反应区的絮体污泥浓度为3000mg/l～6000mg/l，污泥龄为15d～20d，所述絮体污泥在短程硝化区内暴露时间为5min～60min，在厌氧氨氧化区内暴露时间为5min～30min，短程硝化区与厌氧氨氧化区的容积比为3～1。

12、在以上技术方案的基础上，优选地，所述污水自养脱氮工艺方法在ph为7.5～8.5、温度为25℃～35℃、氨氮浓度为5mg/l～15mg/l、游离氨浓度为0.5mg/l～5mg/l的条件下进行。

13、在以上技术方案的基础上，优选地，所述短程硝化区内的曝气装置为连续曝气与间歇曝气两种模式，do浓度为0.5mg/l～1.5mg/l，间歇曝气时曝停比不低于0.5；厌氧氨氧化区的orp为-100mv～50mv。

14、在以上技术方案的基础上，优选地，来水的碳氮比为0.3：1～2.0:1，氮负荷为0.5kg n/m3·d～2.0kgn/m3·d。

15、在以上技术方案的基础上，优选地，所述消氧区水力停留时间为15min～45min。

16、在以上技术方案的基础上，优选地，所述空气提推区气水比宜为10：1～40：1。

17、在以上技术方案的基础上，优选地，所述澄清区的表面负荷为0.5m3/m2·d～0.8m3/m2·d。

18、本发明的一种基于高效短程硝化的厌氧氨氧化污水自养脱氮系统及污水处理工艺方法相对于现有技术具有以下有益效果：

19、(1)在发明的系统中，絮体内aob、nob往复交替暴露于好氧、厌氧环境，可以实现nob的稳定抑制。一方面，在本系统中通过控制系统内fa、溶do浓度实现nob的选择性抑制。另一方面，通过控制nob有氧段暴露时长、厌氧段暴露时长来进一步地抑制nob的活性。在一个周期内，nob暴露于有氧段时活性恢复的滞后性导致其在系统内的增殖速率低于aob，经历多次周期性的循环后，aob在种群数量上将大于nob，从而逐渐占据优势生态位，而nob会被淘洗出系统外，从而实现no2--n的稳定累积。

20、(2)本发明充分结合水力流态的优化组合，具备了推流式与完全混合式流态的组合流态特征，在此特征条件下，可以简化底物分配逻辑，在反应器内无需严格控制no2--n、nh4+-n底物比例。在一个交替周期内(厌氧、好氧)，短程硝化区发生较低底物基质浓度的生化反应，即由nh4+-n向no2--n的转化，在空气提推器的推流作用下，未反应的nh4+-n与生成的no2--n迅速转移至厌氧区，二者与附着于生物填料上的anaob发生厌氧氨氧化反应，产生氮气。由于厌氧氨氧化的效率高于短程硝化的效率，因此在一个交替周期内，由nh4+-n转化而来的no2--n在厌氧区可以得到充分代谢，存在no2--n浓度的累积问题的概率较低，而未反应完全的nh4+-n则进入下一个交替周期，往复循环。综上可知，当n趋向于一定级数时，组合的短程硝化区、厌氧氨氧化区便发生了流态上转变，在一定程度上同时具备了完全混合式反应器的特征。故而在本发明中，底物分配的逻辑是由流态上的转变得以实现的，结合了一段式工艺的优点，同时规避了两段式工艺的缺点，从而简化了工艺的控制逻辑与操作控制难度，是实现稳态脱氮的重要基础。

21、(3)在发明的系统中，aob、anaob均可最大限度发挥各自生物活性，提高了其对底物的利用效率。首先，交替式的好氧、厌氧环境有利于提高絮体污泥内的aob对氨氮的氧化活性，同时aob在有氧阶段可以不受溶解氧传质限制，对氨氮进行高效氧化；其次，anaob存在于厌氧氨氧化区生物填料上，不会产生溶氧因子对其代谢活性的抑制作用的现象，故而可以实现anaob对底物的高效利用。此外，本发明通过增设无氧提供的消氧区以降低短程硝化内混合液中携带的do对anaob的胁迫影响。在消氧区内，混合液内絮体污泥会进一步地消耗水中的do进行呼吸作用直至do接近于零，从而进一步保障了厌氧氨氧化区内纯粹的厌氧反应环境。

22、(4)本发明的短程硝化厌氧氨氧化工艺具有高倍循环与低底物基质浓度的特征，具有抵抗环境因子变化的能力，使得工艺具有更强的稳定性。一方面，高倍循环可以瞬间稀释进水中高浓度的污染物，缓解了由污染物浓度变化、水量变化引起的冲击影响，使得工艺具有更强的稳定性；另一方面，时间上具有交替式的好氧、厌氧环境的推流式特征与空间上具有完全混合式反应器的特征，使得反应器内维持了低底物浓度和稳定的酸碱平衡系统。而且，来水底物进入短程硝化区后不会引起底物浓度的宽幅变化，一般而言浓度波动范围处于10％以内，因此解决了反应体系内由anaob底物引起的抑制的可能性。