一种实现同时硝化反硝化的饮用水生物处理方法

摘要

本发明公开了一种实现同时硝化反硝化的饮用水生物处理方法。本方法采用生物滤池处理，其包括步骤：(1)将含氨氮的原水pH值调到6－9；(2)测定水体中的氨氮浓度；(3)根据进水中的氨氮浓度确定曝气位置，控制空床停留时间15～30min；(4)曝气量缓慢增加，保证生物滤池的出水溶解氧浓度为1.5～2.5mg/L。该方法在曝气生物滤池实现了同时硝化反硝化，减少了出水中总氮的浓度，降低了氮素对水体中富营养化的贡献，降低了出水中硝酸盐的浓度，能降低了二次污染的可能。提高了饮用水的安全性，给现有水厂的改造提供了新的思路，具有一定的推广价值。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种饮用水生物处理方法，具体说是一种实现同时硝化反硝化的饮用水生物处理方法。

二、背景技术

目前随着经济的高速发展，大量工业废水、生活污水及农田排水进入天然水体中，人类活动的干扰已经引起氮素循环的严重失衡，导致中间产物积累、氮素污染，整个生态系统和人类生活受到了前所未有的威胁。国家环保总局提供的资料表明(中国环境状况公报，2004)我国七大水系有27.9％的水体处于劣V类水质，而27个重点湖库有10个水库是劣V类水质，占37.0％。我国水源水微污染的突出表现之一就是富营养化水源水中NH₄⁺-N的严重超标。NH₄⁺-N进入水体后能作为微生物生长的营养物质而诱发“富营养化”，水体中藻类等浮游生物大量繁殖，引起水源水的色、味等感观指标下降，影响景观、危害水生生物的生存，造成水体生态系统的紊乱；如果不能在出厂前被有效去除，NH₄⁺-N可能作为电子供体在管网中引发硝化细菌的二次生长，形成生物膜，造成饮用水微生物学安全性的下降，加氯消毒工艺还会产生一些容易产生致突变性的消毒副产物THMs，与氨氮反应会间接危害人类的健康。

生物滤池(Biological filter，BF)是20世纪80年代欧美开发的一种新型水处理技术，它借鉴了污水处理的生物接触氧化法和给水快滤池的设计思路，集曝气、高滤速、截留悬浮物及定期反冲洗等特点于一体，具有负荷高、占地少、能耗低、出水好及工艺简单灵活等优点，世界范围内已有许多实际工程应用实例。与其它饮用水生物处理工艺相比，BF的特点是(王占生，1999，微污染水源饮用水处理：P77-P78，P133-154；Urfer et al.，1997：Biological filtration for BOM andpartical removal：a critical review；Graham，1999：Removal of humicsubstances by oxidation/biofiltration processes-a review)：(1)将生物氧化与过滤结合在一起，滤池后面不设沉淀工序，通过反冲洗实现滤池的周期运行；(2)能有效去除原水中可生物降解有机物(BOM)；(3)对低浓度甚至痕量有机物有较好的去除效果；(4)对氨氮有很高的去除率，一般在80％以上，耐冲击负荷能力强，受温度的影响也小，即使在低温条件下，生物滤池对氨氮的去除也非常显著。

由于在氨氮去除方面的优势，在去除微污染水源中氨氮的工艺中生物滤池成为首选工艺。良好的充氧是硝化作用顺利进行的必要条件，要保证氨氮的去除率，必须给生物滤池曝气。曝气量不足，硝化作用受到抑制，常通过延长空床停留时间才改善运行效果，但氨氮去除率仍不理想，同时还会影响整个系统的处理量；曝气量过大，溶解氧过高，带来大量能耗，这势必给运行成本带来很大的负担。为了提高氨氮的去除效果，常常会对生物滤池进行过量曝气，昂贵的固定投资、持续曝气所需巨大的能耗使得许多中小型水厂的生产成本不堪重负，不得不放弃曝气生物滤池工艺仍旧采用投资少、运行成本低的常规工艺。此外饮用水生物滤池工艺中通过硝化作用去除氨氮实质上仅仅是氮的形态的转化，水体中氮的总量并没有减少，还极有可能将进水中的氨氮污染转变成出水中的硝酸盐氮及亚硝酸盐氮的污染，即可能导致二次污染。因此在生物滤池工艺处理微污染水中的氨氮中面临两个问题：一方面要考虑合适曝气强度以尽可能的降低能耗，即提高氧气的利用率以保证一定的氨氮去除能力，另一方面又要考虑降低出水的硝态氮的浓度以防止二次污染。如何在曝气生物滤池中实现同时硝化反硝化(SND)是解决问题的关键。

传统的生物脱氮过程包括将氨氮氧化为硝酸盐氮或亚硝酸盐氮的硝化反应和将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原成氮气的反硝化反应。硝化反应是由自养菌在好氧条件下完成，而反硝化反应是由异养菌在缺氧条件下完成的。传统的生物脱氮工艺中硝化和反硝化是在两个或多个具有不同溶解氧浓度的反应器中分别进行，或是在时间上造成交替缺氧、好氧环境在同一个反应器进行。但这样的工艺往往存在需进硝化液回流或外加碳源及补充碱度，占地面积广，运行成本高等问题。

溶解氧在生物反应器内浓度及分配是影响同时硝化反硝化顺利进行的主要因素之一。为保证氨氮去除效果，生物滤池常采用的是底部过量曝气，实际运行过程氧气并不能被完全利用，硝化作用主要发生在滤料层的前端，到后端滤料层内由于氨氮被大量消耗，氧气的利用率大大降低，有机物取代氨氮作为电子供体被一些反硝化细菌利用，在生物膜内部的缺氧环境或厌氧环境中以硝酸盐为电子受体进行生物脱氮。在这种情况下，氧气反而会起到抑制作用，影响生物脱氮的进程。因而通过寻找合适的气水比(曝气强度)和曝气位置以确保水体中含有一定浓度的溶解氧以实现同时硝化反硝化，对保证氨氨去除率的同时又尽量降低能耗，并提高生物脱氮效率的意义重大，具有较高的经济效益和环境效益。

三、发明内容

1、要解决的技术问题

针对现有饮用水生物处理中曝气生物滤池曝气强度难以控制，不是运行效果久佳就是运行成本偏高，以及出水中硝酸盐浓度偏高的不足，根据不同水质改变曝气强度和曝气位置保持生物滤池内含有适量的溶解氧，提供一种实现同时硝化反硝化的饮用水生物处理方法。该方法可以在曝气生物滤池实现同时硝化反硝化，降低出水中硝酸盐的浓度，提高饮用水的安全性，

2、技术方案

一种实现同时硝化反硝化的饮用水生物处理方法，采用生物滤池处理，其包括步骤：

(1)将含氨氮的原水pH值调到6-9；

(2)测定水体中的氨氮浓度；

(3)根据进水中的氨氮浓度参照下表1确定曝气位置，控制空床停留时间15～30min；

表1不同氨氮浓度下的生物滤池采用的曝气位置

  原水氨氮浓度(mg/L)  曝气位置  ＜3  滤料层的前1/3处  3～10  滤料层的前2/3处  ＞10  底部曝气

(4)曝气量缓慢增加，保证生物滤池的出水溶解氧浓度为1.5～2.5mg/L。

表1中曝气位置是指从生物滤池中滤料的顶部算起，如滤料层的前1/3处指的是从滤料顶端向下算起的1/3处。

对于已知碳氮比在2～5之间的微污染水源水，可以通过表2中的气水比和曝气位置来更好、更快地控制水体中的溶解氧。表2中的曝气方式采用曝气管直接通入填料层(类似于穿孔管曝气)，填料切割产生气泡的方式，传质效率不高，由于不同的曝气方式其曝气效率和氧气的利用率也不同，在本技术的使用中可以根据实际情况进行适当调整，以出水DO控制在1.5～2.5mg/L之间为宜。

表2不同氨氮浓度下的生物滤池采用的气水比和曝气位置

  原水氨氮浓度  (mg/L)  气水  比  曝气位置  ＜1  0.5∶    1  滤料层的前1/3处  1～3  1∶1  滤料层的前1/3处  3～6  2∶1  滤料层的前2/3处  6～10  3∶1  滤料层的前2/3处  ＞10  4∶1  滤料层底部

表2中气水比是指曝气产生的空气体积和微污染水的体积之比，通过控制气流量和生物滤池的进水量来调节。

本发明还可通过采取以下技术措施实现更佳效果：

上述方法步骤(1)中将含氨氮的原水pH值调到7.5-8.5；

上述方法步骤(3)中控制空床停留时间20～25min；

上述方法步骤(4)中保证生物滤池的出水溶解氧浓度在1.8～2.4mg/L之间效果佳。

3、有益效果

本发明公开了一种实现同时硝化反硝化的饮用水生物处理方法。该方法在曝气生物滤池实现了同时硝化反硝化，减少了出水中总氮的浓度，降低了氮素对水体中富营养化的贡献，降低了出水中硝酸盐的浓度，能降低了二次污染的可能。提高了饮用水的安全性，给现有水厂的改造提供了新的思路，具有一定的推广价值。本发明以出水中的溶解氧浓度为控制目标，依此来选择合适的气水比(曝气强度)和曝气位置，优化了现有曝气生物滤池工艺，有效地利用了氧气的利用率，在保证氨氮去除率的同时，又大大降低了运行成本。

实验表明：碳氮比在2～5之间，出水溶解氧在1.5～2.5mg/L之间运行效果好，此时氨氮去除率能达到为90％左右，脱氮效率为25％左右。

四、具体实施方式

本发明可广泛应用于饮用水生物处理工艺，对饮用水生物处理中其它的下向流推流式反应器也同样适用。下面以下向流曝气生物滤池为例，对本发明作进一步的说明：

实施例1

将含氨氮的原水pH调到6～7，纳氏比色法测定微污染水源水中的氨氮浓度为0.78mg/L，根据表1将曝气位置置于滤料层的上端1/3处，使该微污染水进入生物滤料层，通过流量控制停留时间为15～30min，缓慢调节曝气量控制出水溶解氧浓度为1.5～2.5mg/L。处理后出水氨氮浓度为0.10mg/L，出水硝酸盐氮浓度为0.44mg/L。

实施例2。

将含氨氮的原水pH调到8～9，纳氏比色法测定微污染水源水中的氨氮浓度为2.81mg/L，根据表1将曝气位置置于滤料层的上端1/3处，使该微污染水进入生物滤料层，通过流量控制停留时间为15～30min，缓慢调节曝气量控制出水溶解氧浓度为1.5～2.5mg/L。处理后出水氨氮浓度为0.42mg/L，出水硝酸盐氮浓度为1.78mg/L。

实施例3

将含氨氮的原水pH调到7.5～8，纳氏比色法测定微污染水源水中的氨氮浓度为4.99mg/L，根据表1将曝气位置置于滤料层的上端2/3处，使该微污染水进入生物滤料层，通过流量控制停留时间为25～30min，缓慢调节曝气量控制出水溶解氧浓度为1.8～2.0mg/L。处理后出水氨氮浓度为0.46mg/L，出水硝酸盐氮浓度为3.45mg/L。

实施例4。

将含氨氮的原水pH调到8～8.5，纳氏比色法测定微污染水源水中的氨氮浓度为8.85mg/L，根据表1将曝气位置置于滤料层的上端2/3处，使该微污染水进入生物滤料层，通过流量控制停留时间为20～25min，缓慢调节曝气量控制出水溶解氧浓度为1.5～1.8mg/L。处理后出水氨氮浓度为0.81mg/L，出水硝酸盐氮浓度为5.43mg/L。

实施例5

将含氨氮的原水pH调到7.5～8.5，纳氏比色法测定微污染水源水中的氨氮浓度为15.14mg/L，根据表1将曝气位置置于滤料层底部，使该微污染水进入生物滤料层，通过流量控制停留时间为15～30min，缓慢调节曝气量控制出水溶解氧浓度为1.8～2.4mg/L。处理后出水氨氮浓度为2.47mg/L，出水硝酸盐氮浓度为8.45mg/L。

实施例6

将含氨氮的原水pH调到6～7，纳氏比色法测定微污染水源水中的氨氮浓度为0.78mg/L，高锰酸盐氧化法测得COD_Mn为3.04mg/L，将该微污染水流经生物滤料层，通过流量控制停留时间为25min，根据表2将曝气位置置于滤料层的上端1/3处，气水比0.5∶1，此时出水溶解氧浓度为1.5～2.5mg/L。处理后出水氨氮浓度为0.07mg/L，出水硝酸盐氮浓度为0.38mg/L。

实施例7

将含氨氮的原水pH调到8～9，纳氏比色法测定微污染水源水中的氨氮浓度为2.81mg/L，高锰酸盐氧化法测得COD_Mn为5.97mg/L，将该微污染水流经生物滤料层，通过流量控制停留时间为20min，根据表2将曝气位置置于滤料层的上端1/3处，气水比1∶1，此时出水溶解氧浓度为1.5～2.5mg/L。处理后出水氨氮浓度为0.25mg/L，出水硝酸盐氮浓度为1.53mg/L。

实施例8

将含氨氮的原水pH调到8.5～9，纳氏比色法测定微污染水源水中的氨氮浓度为3.66mg/L，高锰酸盐氧化法测得COD_Mn为8.93mg/L，将该微污染水流经生物滤料层，通过流量控制停留时间为30min，根据表2将曝气位置置于滤料层的上端2/3处，气水比2∶1，此时出水溶解氧浓度为1.5～2.5mg/L。处理后出水氨氮浓度为0.30mg/L，出水硝酸盐氮浓度为2.05mg/L。

实施例9

将含氨氮的原水pH调到6～6.5，纳氏比色法测定微污染水源水中的氨氮浓度为4.99mg/L，高锰酸盐氧化法测得COD_Mn为11.04mg/L，将该微污染水流经生物滤料层，通过流量控制停留时间为15～30min，根据表2将曝气位置置于滤料层的上端2/3处，气水比2∶1，此时出水溶解氧浓度为2.0～2.4mg/L。处理后出水氨氮浓度为0.33mg/L，出水硝酸盐氮浓度为2.95mg/L。

实施例10

将含氨氮的原水pH调到6～9，纳氏比色法测定微污染水源水中的氨氮浓度为8.85mg/L，高锰酸盐氧化法测得COD_Mn为19.21mg/L，将该微污染水流经生物滤料层，通过流量控制停留时间为15～30min，根据表2将曝气位置置于滤料层的上端2/3处，气水比3∶1，此时出水溶解氧浓度为1.5～2.5mg/L。处理后出水氨氮浓度为0.84mg/L，出水硝酸盐氮浓度为6.01mg/L。

实施例11

将含氨氮的原水pH调到8～9，纳氏比色法测定微污染水源水中的氨氮浓度为12.08mg/L，高锰酸盐氧化法测得COD_Mn为25.37mg/L，将该微污染水流经生物滤料层，通过流量控制停留时间为15～30min，根据表2将曝气位置置于滤料层底部，气水比4∶1，此时出水溶解氧浓度为1.5～2.5mg/L。处理后出水氨氮浓度为2.27mg/L，出水硝酸盐氮浓度为6.01mg/L。