基于固态碳源短程反硝化-厌氧氨氧化的脱氮装置及方法

技术领域

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种基于固态碳源短程反硝化-厌氧氨氧化的脱氮装置及方法。

背景技术

随着工业化和城市化的发展，水体富营养化问题日益严重，水体中的含氮化合物成为引起水体富营养化的重要因子。因此，氮素去除是污水处理的重要环节。

厌氧氨氧化是先进的生物脱氮工艺，可在厌氧条件下以氨为电子供体将亚硝酸盐还原成氮气。该工艺无需提供氧气和额外的碳源，节省了能耗和有机物投加，大幅度降低了运行成本。目前，市政污水中的氮元素主要以氨氮形式存在，因此，亟需为厌氧氨氧化反应提供亚硝酸盐反应基质。

短程反硝化是指反硝化反应中将硝酸盐还原成亚硝酸盐的生物过程。通过短程反硝化，可以为厌氧氨氧化过程提供的亚硝酸盐反应基质。短程反硝化可由异养微生物在有机物作为电子供体的情况下实现。文献报道该过程需要控制一定的C/N比(通常为2-3)以实现亚硝酸盐的高效积累。过高含量的有机物会导致硝酸盐还原为氮气而不产生亚硝酸盐积累，而且会导致有机物残留，造成二次污染，并影响耦合的厌氧氨氧化过程；过低含量的有机物会导致硝酸盐还原电子供体不足，亚硝酸盐积累效率低。因此，为短程反硝化生物反应提供高效适量的碳源是实现短程反硝化-厌氧氨氧化脱氮的关键。

固态碳源具有缓释作用，通过生物驯化以及工艺调节，可达到碳源释放速率和消耗速率的平衡，实现碳源的高效利用，具有经济性。因此，亟需提供一种以固态碳源为短程反硝化提供高效稳定的有机物来源的短程反硝化-厌氧氨氧耦合化生物脱氮工艺，以期有效控制C/N比，实现高效、经济的短程反硝化-厌氧氨氧耦合化生物脱氮。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于固态碳源短程反硝化-厌氧氨氧化的脱氮装置及方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明提供了一种基于固态碳源短程反硝化-厌氧氨氧化的脱氮装置，包括由下至上依次连通的布水排泥装置、反应装置和三相分离装置；

所述布水排泥装置为下部逐渐缩小且具有内腔的结构，底部开设排泥口，内腔下部设有用于均匀分布含氨氮污水的布水器，布水器通过第一进水管与外部连通；

所述反应装置内部包括同轴套设的第一腔室和第二腔室；所述第一腔室为用于接种活性污泥的柱状硝化区，底部与布水排泥装置连通，硝化区下部设有用于向上布气的布气器，布气器通过进气管与外部连通；所述第二腔室位于第一腔室的外侧，包括均用于接种并固定化厌氧污泥的上部短程反硝化区和下部厌氧氨氧化区；短程反硝化区和厌氧氨氧化区之间通过第二筛网连通，厌氧氨氧化区和布水排泥装置通过第一筛网连通；所述短程反硝化区上部设有固态碳源，位于厌氧氨氧化区上部的反应装置周向设有第二进水管，第二进水管用于向厌氧氨氧化区中通入含氨氮污水；

所述三相分离装置的底部与反应装置的顶部连通，顶部盖设密封盖，内部同轴设有竖向的气体收集管，气体收集管与三相分离装置外壁之间构成沉淀区；气体收集管的底部连接向外扩张的喇叭状集气罩，上部侧壁设有斜向上的气体导流板；位于气体导流板下方的气体收集管侧壁开设液体回流口，液体回流口通过液体回流管与第一进水管连通；气体收集管的上部开设排气口和用于实现气压保护的气压平衡口；三相分离装置的上部侧壁开设排水口。

作为优选，所述硝化区、短程反硝化区和厌氧氨氧化区的体积之比为(3～2):1:(1～1.5)；所述固态碳源设置于短程反硝化区上部的1/5～1/3高度处。

作为优选，所述布气器位于硝化区底部的1/5～1/4高度处，用于实现污水沿硝化区-短程反硝化区-厌氧氨氧化区-硝化区流动的循环处理过程。

作为优选，所述沉淀区的底部为向内收缩的结构，底部沿水平方向的倾斜角度为50～60°；所述集气罩沿水平方向的倾斜角度为50～60°。

作为优选，所述布水器位于布水排泥装置底部的1/3～1/2高度处。

作为优选，所述气压平衡口位于气体收集管上方的1/10～1/8高度处，且高于排水口的水平位置；所述液体回流口位于气体收集管下方的1/3～1/2高度处，且低于排水口的水平位置。

作为优选，所述气体导流板沿水平方向的向上倾斜角度为30°～45°，位于气体收集管上方的1/3～1/2处，且气体导流板延伸至气体收集管的轴线处。

作为优选，所述布水器、布气器、硝化区、短程反硝化区和厌氧氨氧化区的竖直轴线相同。

另一方面，本发明提供了一种利用上述任一所述脱氮装置的污水处理方法，具体如下：

在硝化区中接种活性污泥，在短程反硝化区和厌氧氨氧化区中分别接种固定化厌氧污泥和厌氧氨氧化污泥；将含氨氮的污水通过第一进水管进入布水排泥装置，经布水器均匀布水后向上进入反应装置；在反应装置中，污水首先进入硝化区，通过布气器在硝化区中提供充分的氧气，微生物通过硝化反应将污水中的氨氮转化成硝氮；同时，由于布气器向上输送氧气，推动水流向上流动，在硝化区底部形成负压状态，使污水沿硝化区-短程反硝化区-厌氧氨氧化区-硝化区内循环流动；经硝化区反应后含硝酸盐的污水在内循环的作用下进入短程反硝化区，固态碳源能够缓释有机物，为微生物提供碳源，污水中的硝酸盐通过反硝化过程转化为亚硝酸盐；含亚硝酸盐的污水经过第二筛网进入厌氧氨氧化区，第二筛网能够有效拦截短程反硝化区中的厌氧污泥；同时，通过第二进水管向厌氧氨氧化区中通入含氨氮的污水；在微生物的作用下，污水中的氨氮和亚硝氮转化成氮气和部分硝氮，气水混合物再通过第一筛网后，在布水器的向上流作用下重新进入硝化区，构成污水处理的内循环过程；第一筛网能够有效拦截厌氧氨氧化区中的厌氧氨氧化污泥；

经内循环过程处理后产生的固液气混合物进入三相分离装置，在重力作用下被分离成气体和固液混合物，气体由气体收集管收集后经排气口排出，固液混合物在沉淀区和气体收集管下部通过静置沉降实现固液分离，固体污泥重新回落至反应装置，部分液体通过排水口排出，部分液体通过液体回流管回流至布水排泥装置中；当沉淀区顶部的气压过大时，开启气压平衡口，使气体通过气压平衡口进入气体收集管，并经由排气口释放，实现压力保护。

作为优选，污水在各反应区的反应停留时间之比为(3～2):1:(1～1.5)。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1)反应装置通过隔板和筛网的设置，在内部不同区域形成了好氧区和厌氧区，可同时实现硝化、短程反硝化和厌氧氨氧化，各区域功能协同，可实现污水完全脱氮；2)在短程反硝化区采用固态碳源，可有效控制碳源缓释速率，有利于实现稳定的短程反硝化，为厌氧氨氧化提供亚硝酸盐反应基质；3)固态碳源的使用可实现碳源的释放与消耗速率之间的平衡，避免过量的有机物进入厌氧氨氧化区而抑制厌氧氨氧化微生物活性；4)固态碳源的使用可提高碳源的有效利用率，减少药剂投加量，具有经济性；5)本发明的装置集布水、布气、反应、沉淀、回流等功能于一体，结构紧凑，占地面积小。

附图说明

图1是装置的结构剖面图；

图2是图1中的a-a截面图；

图中：布水排泥装置I、反应装置II、三相分离装置III、排泥口1、第一进水管2、布水器3、进气管4、第一筛网5、布气器6、第二进水管7、第二筛网8、固态碳源9、集气罩10、沉淀区11、液体回流口12、气体导流板13、气体收集管14、排水口15、气压平衡口16、密封盖17、排气口18、硝化区19、短程反硝化区20、厌氧氨氧化区21、液体回流管22。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

如图1所示，为本发明提供的一种基于固态碳源短程反硝化-厌氧氨氧化的脱氮装置，该脱氮装置包括由下至上依次连通的布水排泥装置I、反应装置II和三相分离装置III。下面将对各装置的结构和连接方式进行具体说明。

布水排泥装置I具有内腔，下部为逐渐缩小的结构。布水排泥装置I的底部开设排泥口1，用于定期开启排除污泥。布水排泥装置I的内腔下部固定设有能向上布水的布水器3，布水器3通过第一进水管2与外部连通，能够将通过第一进水管2进入布水排泥装置I内腔中的含氨氮污水均匀分布。布水器3可以设置在位于布水排泥装置I底部的1/3～1/2高度处。

如图2所示，反应装置II具有内腔，内腔中通过隔板分隔为第一腔室和第二腔室，第一腔室和第二腔室同轴套设，即第一腔室为位于中心的柱状结构，第二腔室为套设于第一腔室外部的筒状结构。具体的，第一腔室作为硝化区19，用于接种能够通过硝化反应将污水中氨氮转化成硝氮的活性污泥，硝化区19的底部与布水排泥装置I连通，通过均匀布水后的待处理污水能从布水排泥装置I中进入硝化区19，硝化区19下部设有用于向上布气的布气器6，布气器6通过进气管4与外部连通。第二腔室包括位于上部的短程反硝化区20和位于下部的厌氧氨氧化区21，短程反硝化区20用于接种能够通过反硝化反应将污水中硝氮转化成亚硝氮的厌氧污泥，厌氧氨氧化区21用于接种能够通过厌氧氨氧化反应将污水中氨氮和亚硝氮转化成氮气和部分硝氮的厌氧氨氧化污泥，由于短程反硝化区20和厌氧氨氧化区21中接种的污泥只有在缺氧甚至厌氧情况下才能进行脱氮反应，因此需要对这两个区域的污泥进行固定，以防进入硝化区(好氧)会发生氧毒害问题，影响处理效果。可以将短程反硝化区20和厌氧氨氧化区21之间通过第二筛网8连通，厌氧氨氧化区21和布水排泥装置I通过第一筛网5连通，通过第一筛网5和第二筛网8的布设来进一步防止短程反硝化区20中的厌氧污泥和厌氧氨氧化区21中的厌氧氨氧化污泥移动。在短程反硝化区20上部设有固态碳源9，固态碳源可有效控制碳源缓释速率，有利于实现稳定的短程反硝化，为厌氧氨氧化提供稳定的亚硝酸盐基质；同时，固态碳源的使用可实现碳源的释放与消耗速率之间的平衡，避免过量的有机物进入厌氧氨氧化区而抑制厌氧氨氧化微生物的活性。固态碳源9可以设置于短程反硝化区20上部的1/5～1/3高度处。位于厌氧氨氧化区21上部的反应装置II周向设有第二进水管7，第二进水管7用于向厌氧氨氧化区21中通入含氨氮污水。

这里布气器6的作用主要有两方面：一方面，布气器6能为微生物发生硝化反应提供氧气；另一方面，布气器6能推动水流向上流动，并在硝化区19下部形成负压，实现污水沿硝化区19-短程反硝化区20-厌氧氨氧化区21-硝化区19流动并构成内循环。布气器6可以设置于硝化区19底部的1/5～1/4高度处，以便于更好的实现污水沿硝化区19-短程反硝化区20-厌氧氨氧化区21-硝化区19流动的循环处理过程。

在实际应用时，为了实现更好的脱氮处理效果，可以将硝化区19、短程反硝化区20和厌氧氨氧化区21的体积之比设置为(3～2):1:(1～1.5)。

三相分离装置III主要用于实现气液固的三相分离，其底部与反应装置II的顶部连通，顶部盖设密封盖17，三相分离装置III整体呈密封状态。三相分离装置III的内部同轴设有竖向的气体收集管14，气体收集管14与三相分离装置III外壁之间构成沉淀区11。为了便于沉淀后的污泥回落至反应装置II中，可以将沉淀区11的底部设置为向内收缩的结构，底部沿水平方向的倾斜角度为50～60°。气体收集管14的底部连接向外扩张的喇叭状集气罩10，由于集气罩10的设置，三相分离装置III中的固体在重力作用下无法进入气体收集管14中。集气罩10可以设置为沿水平方向斜向外倾斜50～60°的结构。气体收集管14的上部侧壁设有斜向上的气体导流板13，用于进一步实现气液分离。位于气体导流板13下方的气体收集管14侧壁开设液体回流口12，液体回流口12通过液体回流管22与第一进水管2连通，用于将部分液体回流至布水排泥装置I中重新处理。气体收集管14的上部开设排气口18和用于实现气压保护的气压平衡口16，气压平衡口16可以定期开启，以便于排出聚集在沉淀区顶部的气体，防止气压过大影响装置的正常运行。在三相分离装置III的上部侧壁开设排水口15，用于定期排出经过装置完全脱氮处理后的污水。

在实际应用时，气压平衡口16可以设置在位于气体收集管14上方的1/10～1/8高度处，且高于排水口15的水平位置。液体回流口12可以设置在位于气体收集管14下方的1/3～1/2高度处，且低于排水口15的水平位置。气体导流板13沿水平方向的向上倾斜角度为30°～45°，位于气体收集管14上方的1/3～1/2处，且气体导流板13延伸至气体收集管14的轴线处。布水器3、布气器6、硝化区19、短程反硝化区20和厌氧氨氧化区21的竖直轴线相同。

利用上述脱氮装置的污水处理方法，具体如下：

在硝化区19、短程反硝化区20和厌氧氨氧化区21中分别接种适合的生物污泥，并将短程反硝化区20和厌氧氨氧化区21中接种的污泥固定。短程反硝化区20和厌氧氨氧化区21可以采用填料挂膜污泥、颗粒污泥、凝胶固定的污泥等污泥固定方式。

将含氨氮的污水通过第一进水管2进入布水排泥装置I，在装置的持续应用过程中，经液体回流管(22)回流的沉淀区(11)液体也会一通与新的含氨氮污水一通进入布水排泥装置I。污水经布水器3均匀布水后，向上进入反应装置II。

在反应装置II中，污水首先进入硝化区19，通过布气器6在硝化区19中提供充分的氧气，微生物通过硝化反应将污水中的氨氮转化成硝氮。同时，由于布气器6向上输送氧气，推动水流向上流动，在硝化区19底部形成负压状态，使污水沿硝化区19-短程反硝化区20-厌氧氨氧化区21-硝化区19内循环流动。经硝化区19反应后含硝酸盐的污水在内循环的作用下进入短程反硝化区20，固态碳源9能够缓释有机物，为微生物提供碳源，污水中的硝酸盐通过反硝化过程转化为亚硝酸盐。含亚硝酸盐的污水经过第二筛网8进入厌氧氨氧化区21，第二筛网8能够有效拦截短程反硝化区20中的厌氧污泥。同时，通过第二进水管7向厌氧氨氧化区21中通入含氨氮的污水。在微生物的作用下，污水中的氨氮和亚硝氮转化成氮气和部分硝氮，气水混合物再通过第一筛网5后，在布水器3的向上流作用下重新进入硝化区19，构成污水处理的内循环过程；第一筛网5能够有效拦截厌氧氨氧化区21中的厌氧氨氧化污泥。在实际应用时，污水在硝化区19、短程反硝化区20和厌氧氨氧化区21中的反应停留时间之比为(3～2):1:(1～1.5)。

经内循环过程处理后产生的固液气混合物进入三相分离装置III，在重力作用下被分离成气体和固液混合物，气体由气体收集管14收集后经排气口18排出，气体包括未利用的空气和反应产生的氮气。固液混合物在沉淀区11和气体收集管14下部通过静置沉降实现固液分离，固体污泥重新回落至反应装置II，部分液体通过排水口15排出，部分液体通过液体回流管22回流至布水排泥装置I中。当沉淀区11顶部的气压过大时，开启气压平衡口16，使气体通过气压平衡口16进入气体收集管14，并经由排气口18释放，实现压力保护。

本发明将硝化、短程反硝化和厌氧氨氧化三个过程耦合，通过布气器为硝化过程供氧，且推动硝化区水流上升，形成下部负压，实现短程反硝化区和厌氧氨氧化区的水流内循环。在内循环过程中，硝化过程将氨氮氧化成硝氮，再通过短程反硝化在固态碳源提供有机物的情况下将硝氮还原成亚硝氮，亚硝氮和分段进水的氨氮在厌氧氨氧化作用下生成氮气和一部分硝氮，再进入循环反应中被进一步去除，实现完全生物脱氮。本发明通过在短程反硝化过程中使用固态碳源，通过控制碳源释放速率与消耗速率的平衡，实现对短程反硝化过程中C/N比的有效控制，促进亚硝酸盐的积累；同时避免过量的有机物进入厌氧氨氧化区，有利于高效厌氧氨氧化过程的实现。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。