通过FA与FNA联合控制实现污泥消化液短程硝化的装置与方法

摘要

本发明公开了一种通过FA与FNA联合控制实现污泥消化液短程硝化的装置，所述装置设有原水箱、短程硝化反应器、沉淀池和出水箱；短程硝化反应器分为缺氧搅拌区和好氧区，在好氧区中安装DO与pH值在线控制器；在反应器底部的曝气头；利用该装置实现短程硝化的方法包括：1.系统启动；2.运行时的调整操作；本发明适用于污水处理厂的污泥消化液的硝化，装置结构简单，方法工艺简单，便于操作，节省大量碳源，硝化速度快，效果好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生化法污水生物处理技术领域，通过游离氨FA(Free Ammonia)与游离亚硝酸FNA(Free Nitrous Acid)联合控制实现污泥消化液短程硝化的装置与方法，适用于城市污水处理厂污泥消化液及其它诸如养殖废水、味精废水、焦化废水等高氨氮(NH₄⁺-N)有机工业废水处理。

背景技术

我国的水污染不断加剧，而水资源短缺已经制约中国经济社会的发展，使得城市污水厂的排放标准不断提高，污水的再生回用已经是大势所趋。在城市污水处理过程中产生的大量剩余污泥通常在消化池中进行处置并回收甲烷。但在厌氧消化过程由于有机氮的厌氧氨化作用，污泥中的氮素大部分以NH₄⁺-N形式转移到污泥消化液中。消化液的NH₄⁺-N可达1500mg/L，使得污泥消化液成为典型的高NH₄⁺-N低C/N废水，所含NH₄⁺-N占污水厂氮负荷的15％-25％。

现有的生化处理工艺将污泥消化液回流与原水一并处理，通过传统的生物脱氮工艺进行脱氮(A-O或A²/O工艺)，这大大增加了污水处理的氮负荷。对原水碳源缺乏的城市污水而言，消化液的回流导致脱氮除磷效率难以提高，进水的部分氮素在曝气池和消化池被反复氧化和还原，形成不良循环。污泥厌氧消化的代谢特征和污泥消化液直接回流到污水系统的传统工艺，是许多污水处理厂脱氮效率低的一个主要但经常被忽略的主要原因。

传统生物脱氮通过硝化将NH₄⁺-N转化为NO₃^--N，再通过反硝化将NO₃^--N转化为氮气从水中逸出。在硝化阶段，NH₄⁺-N被转化成NO₃^--N是由两类独立的细菌完成的两个不同反应，首先由亚硝化菌(Nitrosomonas)将NH₄⁺-N转化为NO₂^--N，然后由硝化菌(Nitrobacter)将NO₂^--N转化为NO₃^--N。对于反硝化菌而言，也可经NH₄⁺-N→NO₂^--N→N₂这样的“简捷”途径完成，即短程生物脱氮工艺。短程脱氮具有如下优势：节省25％供氧量；节约40％反硝化碳源；减少污泥生成量；缩短反应时间，反应器容积相应减少30％～40％。所以短程硝化脱氮技术适应污泥消化液的水质，可以节省建设和运行费用。高NH₄⁺-N污泥消化液稳定高效短程生物脱氮是污水生物脱氮的公认难题，特别是常温条件下连续流活性污泥反应器中实现污泥消化液短程生物脱氮未见报道。

针对污泥消化液处理的现状和短程生物脱氮的特点，如果能够在污泥消化液旁侧处理系统中实现高NH₄⁺-N的短程硝化，而后在主流工艺中完成反硝化，就可节省大量的反硝化碳源，进而提高污水厂的脱氮效率，达到节能降耗的目的，同时为污泥消化液全程自养脱氮打下基础。可见，在连续流活性污泥反应器中实现和控制污泥硝化液短程硝化的装置和方法具有创新性，市场应用前景广阔。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出一种通过FA与FNA联合控制实现污泥消化液短程硝化的装置和方法，在连续流活性污泥反应器中，通过FA与FNA联合控制实现污泥消化液高NO₂^--N累积率(可达95％)的短程生物硝化，从而节省大量的反硝化碳源。该发明克服了污泥消化液传统工艺的不足，而且具有工艺流程简单、适应污泥消化液水质特点，运行灵活、操作简单的特点。应用于实际可大幅度的降低建设和运行费用、无二次污染。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

通过FA与FNA联合控制实现污泥消化液短程硝化的装置，其特征在于：设有原水箱(1)、短程硝化反应器(2)、沉淀池(3)和出水箱(4)；短程硝化反应器在长度方向上平均分为9个格室，第1格室为缺氧搅拌区(2.6)，该区内设有调速搅拌器(2.10)，其余的8个格室为好氧区(2.9)，按照水流方向上下交错设置孔径为15mm的过流孔，在好氧区中安装DO与pH值在线控制器(2.7、2.8)；气泵(2.1)通过进气管(2.2)、气体流量计(2.3)、气量调节阀(2.4)与设在反应器底部的曝气头(2.5)连接；原水箱通过进水泵(1.1)、吸水管(1.2)、压水管(1.3)与缺氧搅拌区(2.6)相连接；短程硝化反应器通过出水管(2.11)连接沉淀池的中心管(3.4)，在中心管下方设有锥形反射板(3.6)，沉淀池自上而下设置取样阀门(3.5)，沉淀池通过污泥回流泵(3.1)、排泥阀(3.2)、出水回流管路(3.3)与短程硝化反应器的缺氧搅拌区(2.6)相连接；沉淀池的出水管(3.7)连接出水箱，原水箱与出水箱分别设置放空阀(1.4、4.1)，出水箱还设有出水管(4.3)和溢水管(4.2)。

本发明还提供了一种利用上述装置通过FA与FNA联合控制实现污泥消化液短程硝化的方法，其特征包括以下步骤：

1)系统启动：将污泥消化液用自来水按照1∶1的比例稀释，而后将稀释后的消化液充满短程硝化反应器，而后将从城市污水厂曝气池取得的活性污泥投加到短程硝化反应器中，投加后短程硝化反应器的混合液污泥浓度MLSS为3000-4000mg/L；

2)运行时的调整操作：

(1)依据消化液NH₄⁺-N浓度的变化，波动范围为300～1000mg/L，，调节短程硝化反应器的进水量，即当消化液NH₄⁺-N浓度有较大幅度提高时，则适当减小进水流量，而当消化液NH₄⁺-N浓度有较大幅度降低时，则适当增大进水流量，最终将进水NH₄⁺-N负荷控制在0.2～0.7Kg NH₄⁺-N/m³·d的范围内；同时控制进水pH值在6.5～8.0，当pH值＜6.5时，投加NaHCO₃提高pH值，消化液的pH值通常不会高于8.0；这样通过NH₄⁺-N负荷与pH值的控制维持短程硝化反应器的缺氧区的游离氨FA浓度范围为30-15mg/L，用以抑制NO₂^--N氧化菌NOB的生长代谢，但基本不抑制NH₄⁺-N氧化菌AOB；

(2)随着NH₄⁺-N硝化的进行，在好氧区的第6-第8格室，pH值将不断降低，此时FA浓度逐渐降低到0.1mg/L以下，失去对NOB的抑制作用；当最后格室pH值＜5.5时，则在原水投加NaHCO₃，使进水碱度与NH₄⁺-N的比值在7.2左右，使最后格室的碱度＞100mgCaCO₃/L，进而维持第6-第8格室的pH值在5.5-6.5；由于NH₄⁺-N不断被AOB氧化为亚硝酸氮NO₂^--N，此时NO₂^--N浓度提高到100～300mg/L；这样通过将pH值控制在5.5-6.5，同时产生了100～300mg/L的NO₂^--N，使得第6-第8格室的游离亚硝酸FNA浓度在0.05-0.20mg/L，抑制NOB的生长的代谢，最终在全流程实现稳定的短程硝化反应。

技术原理：污泥消化液为典型的高NH₄⁺-N、低C/N废水。污泥消化液的碱度仅为NH₄⁺-N的4～6倍，完全硝化碱度不足，硝化时pH值过度降低。对于高NH₄⁺-N、低C/N比的污泥消化液脱氮而言，如果能够实现高NO₂^--N累积率短程硝化，同时利用污泥消化液中有限的碳源进行部分反硝化，可节省大量的反硝化碳源。

目前硝化液的短程硝化大都在间歇运行的反应器中完成，而在连续流的反应器中实现短程硝化因为操作管理简单而更有实际意义。短程硝化通常在低溶解氧的环境中实现，而本研究的短程硝化是在高溶解氧的环境条件下实现的，具有更高的NH₄⁺-N硝化速率。

废水中的NH₄⁺-N因pH值不同，分子态和离子态的氨以不同的比例存在。FA对硝化作用有明显的抑制作用，NOB比AOB属更易受到FA的抑制，0.1～1.0mg/L的FA就会抑制亚硝酸菌的活性。只有当FA达到10～100mg/L时才会对AOB活性产生影响。同时废水中的NO₂^--N因pH值不同，分子态和离子态的亚硝酸盐以不同的比例存在，随着pH值的不断降低，FNA的比例不断提高。FNA对NOB有明显的抑制作用，NOB比AOB更易受到FNA的抑制，0.02mg/L的FNA就会抑制NOB的活性。只有当FNA达到0.40mg/L时才会对AOB活性产生影响。

在短程硝化反应器的前段由于高氨氮的硝化逐渐完成，pH值不断的降低，进而游离氨FA的浓度也逐渐的降低，但只要FA浓度＞0.1mg/L，就会维持FA对NOB的抑制作用。在反应器的后段，由于NH₄⁺-N浓度和pH值大幅度的降低，导致FA趋近于0mg/L，进而失去对NOB的抑制作用。但此时由于大部分氨氮转化为NO₂^--N，使得FNA浓度＞0.01mg/L，这样在反应器的后端NOB受到FNA的抑制。这样分别通过反应器前段和后段较高浓度的FA与FNA对NOB的选择性抑制作用实现了稳定的短程硝化。

所述污泥消化液短程硝化的简要过程是：将污泥消化液与沉淀池回流污泥按30％～150％的比例，分别泵入到短程硝化反应器的缺氧搅拌区，使回流污泥中的NO₂^--N与NO₃^--N利用原水中的有机碳源进行部分反硝化；缺氧区的泥水混合液进入到好氧区，完成高NH₄⁺-N的短程硝化。在好氧区NH₄⁺-N被氧化为NO₂^--N和少量的NO₃^--N，实现高NO₂^--N累积率的短程硝化。短程硝化反应器中的混合液流入到沉淀池进行泥水分离，污泥通过污泥流泵回流到短程硝化反应器的缺氧区，上清液流入到出水箱溢流出水。

本发明涉及的通过FA与FNA联合控制实现污泥消化液短程硝化的方法与现有技术相比，具有下列优点：

1)与污泥消化液直接回流到主流区的传统做法比较，在本工艺中，污泥消化液实现NH₄⁺-N的短程硝化，并且利用消化液中的有限碳源完成一定的反硝化。经过预处理后在进入到主流区，可以节省大量的有机碳源，提高低C/N比的城市污水脱氮除磷效率，提高出水水质；

2)原污泥消化液与回流出水，首先在缺氧区利用原水中的有机碳源进行反硝化脱氮，同时回收碱度提高缺氧区pH值；

3)与SHARON等污泥消化液硝化工艺比较，本工艺不必控制反应温度和污泥龄，因而具有很高的生物量，提高了反应器的容积负荷率、减少池容，进而节省了建设和运行费用；

4)通过短程硝化实现NH₄⁺-N的高效短程硝化，不仅节省25％的曝气量，而且节省40％的反硝化所需碳源，这对碳源缺乏的污泥消化液的脱氮至关重要；

5)利用消化液的水质特点，在硝化过程中通过碱度和NH₄⁺-N的比例关系，通过FA与FNA联合生物控制实现并维持稳定的短程硝化；

6)回流出水不仅可以完成反硝化，在实现脱氮的同时回收碱度，提高系统pH值，而且可稀释进水高NH₄⁺-N浓度，使FA浓度只对NOB抑制，但不抑制AOB，从而形成短程硝化。同时通过FA的冲击负荷阻止因NOB的适应性而维持短程硝化；

7)短程硝化通常在低溶解氧的环境中实现，而本研究的短程硝化实在高溶解氧的环境条件下实现的，具有更高的NH₄⁺-N硝化速率。

附图说明

图1为通过FA与FNA联合控制实现污泥消化液短程硝化的装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明新型作进一步的说明：实施例1：

本发明通过FA与FNA联合控制实现污泥消化液短程硝化的方法，

污泥消化液取自北京市高碑店城市污水处理厂的消化污泥脱水车间，为典型的污泥消化液。该污泥消化液水质：COD 100～250mg/l；NH₄⁺-N 250～400mg/l；SS 30～100mg/l；碱度1200～2300mg/l；TP 20～35mg/l；pH值7.0～7.6。该污泥消化液为典型的高NH₄⁺-N低C/N比的污泥消化液。试验如图1所示，由原水箱、短程硝化反应器、沉淀池、出水箱组成。原水水箱的有效容积为500L。短程硝化反应器的有效容积为45L，反应器尺寸为L×B×H＝90×10×50cm，平均分成9个格室，中间隔板由上下交错的小孔连接，第1个格室为缺氧搅拌区，第2～9格室为好氧短程硝化区。沉淀池的直径D＝20cm，高度H＝50cm，中心管的直径D＝1.5cm。

具体的操作过程如下：

将原水箱1注满原污泥消化液，出水箱4注满系统出水。启动进水泵1.1和污泥回流泵3.1，进水泵1.1的流量为30L/d，污泥回流泵3.1的流量为原水流量的50％，即15L/d，则短程硝化反应器2进水混合液的流量为45L/d。

确保短程硝化反应器2出水端FA＞1mg/L的策略如下：首先在提高NH₄⁺-N硝化率的前提下，通过短程硝化反应器2缺氧区2.6的反硝化回收碱度，同时利用穿孔管曝气的CO₂吹脱作用使得短程硝化反应器pH值＞7.8，进而维持较高的FA浓度。当反硝化与曝气吹脱的综合作用仍然不能维持出水端FA＞1mg/L时，可以适当的提高出水NH₄⁺-N浓度维持FA＞1mg/L。

启动污泥回流泵3.1将沉淀池3的污泥回流到短程硝化反应器2的进水端。打开空气调节阀2.4，将气体流量计2.3的流量调整为150L/h，启动气泵2.1，经过刚玉曝气头2.5进行曝气。在曝气区完成剩余有机物的氧化和高NH₄⁺-N的短程硝化。短程硝化反应器混合液通过出水管4.3进入沉淀池IV的中心管3.4，在沉淀池中均匀配水，而后进行泥水分离。泥水分离后上清液通过出水回流管3.3进入到出水箱4，最终出水通过溢流管4.2溢流出系统。

连续试验结果表明：短程硝化反应器出水COD＜100mg/L，NO_x^--N的最大去除率为20％～40％，同时为硝化回收部分碱度。短程硝化反应器II出水较低的COD浓度，其中50％左右的COD是难于生化的，这为高NH₄⁺-N在短程硝化反应器的硝化创造了有利条件。原污泥消化液的NH₄⁺-N浓度为250～400mg/l，短程硝化反应器的最大NH₄⁺-N去除速率为0.50Kg NH₄⁺-N/m³·d，在14～30℃，NH₄⁺-N的去除率在60％～80％左右，NO₂^--N累积率为75％～85％。由于原水有机碳源的不足，使得系统无机氮TIN去除率在20％～50％。