一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置及处理高氨氮污水的方法

摘要

本发明公开了一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置及处理高氨氮污水的方法，该装置包括反应器，所述反应器内通过两块隔板依次分隔成第一反应区、过渡区和第二反应区，第一反应区与过渡区上部连通；过渡区与第二反应区底部连通；所述第一反应区与第二反应区内设有布水装置、搅拌装置和曝气装置；反应器顶部设有出水口；所述过渡区内设有用于富集微生物的生物填料。本发明通过隔板将反应器内分为两个反应区和一个过渡区，并在过渡区内设置生物填料，使得在一体化装置中同步实现两个反应区的独立及串联运行，并通过过渡区调整两个反应区的活性污泥浓度，调控微生物环境，实现了高氨氮污水的高效处理，降低污水的氮、磷含量。

说明书

技术领域

本发明涉及低碳高氮污水处理技术领域，尤其涉及一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式 生物反应装置及处理高氨氮污水的方法。

背景技术

水污染问题日益受到人们的关注，水体富营养化日趋恶化，造成富营养化的主要原因是 N、P的大量排放。国家“十二五”规划把氮氧化物和氨氮列入了约束性指标，明确减排目标 为10％，“十三五”期间氮减排力度会进一步加大。氨氮减排不是仅围绕氨氮一个指标进行， 同样对总氮的脱除提出了要求，氨氮减排与总氮的控制相结合可以达到氮减排事半功倍的效 果。

随着我国经济迅速发展壮大，由此而产生的高氨氮废水也成为行业发展制约因素之一。 近年来最典型的高氨氮废水主要来源于纺织印染、制药、养殖、肉类加工等生产行业以及垃 圾渗滤液和污泥消化液等，氨氮浓度一般在1000-6000mg/L之间，系国家严禁直排的高污染 废水。

高氨氮废水成分复杂、污染物浓度高但往往比例严重失调，碳氮比很低，难以营造适宜 的微生物种群生长环境，易出现污泥解体，生物处理难度大。脱氮反硝化过程理论上每还原 1mg/LNO₃-N会消耗2.86mg/L有机碳源，实际应用中会远高于此数值，污水处理是高耗行 业，氨氮和总氮作为减排指标后，运行成本将进一步提高。氮减排与高碳源消耗、高能耗的 矛盾日益突出，受到了各国环保领域的高度重视，经济有效的控制低碳高氮废水污染成为当 前环保工作者研究的重要课题。

对于低碳高氮废水的脱氮除磷处理，AO工艺是目前的主流工艺，该工艺在处理低碳高 氮污水时，在好氧段需要补充大量碱度，在缺氧段需要补充大量碳源，运行成本较高。近几 年来，研究者不断寻找新型的脱氮除磷工艺，我国低碳高氮废水的去除效果有了很大进步， 但上述问题仍没有很好的改善。

申请公布号为CN103819000A的中国发明专利申请文献公开了一种强化脱氮处理的 AO/SBR系统及工艺，该系统提供了一种将厌氧、好氧、SBR有效组合的强化脱氮工艺技术， 提高了传统SBR设备的使用率，能够强化中小型污水的处理。

申请公布号为CN104250050A的中国发明专利申请文献公开了一种将A/MBBR/A应用于 低碳氮比城市污水的脱氮除磷技术，利用新的反硝化除磷技术代替传统的脱氮除磷方法，由 反硝化聚磷菌(DPB)在厌氧/缺氧(A/A)交替环境中，通过它们独特的新陈代谢功能同时完成过 量吸磷和反硝化脱氮双重目的，提高了碳源利用率，但技术实现要求较高。

与传统的硝化反硝化过程相比，短程硝化反硝化过程在氨氧化阶段可节省25％的供氧量， 与缺氧反硝化除磷技术结合，可节省50％的碳源需求量，硝化和反硝化速率较高，反应时间 短，反应器容积可减少30％～40％，且污泥减量效果显著。短程硝化反硝化过程的关键是把硝 化反应控制在亚硝态氮的短程硝化过程，尽量减少向硝态氮转化。

申请公布号为CN103880183A的中国发明专利申请文献公开了一种短程硝化耦合反硝化 除磷的A²/O-生物接触氧化装置的实时控制及方法，公开了将两种新型脱氮技术耦合，成功实 现了短程硝化反硝化脱氮，但是A²/O基建投资和运行成本高，运行维护比较复杂。

申请公布号为CN103708615A的中国发明专利申请文献公开了一种低碳城市污水除磷与 短程硝化的单污泥系统序批式反应装置与方法，公开了一种将聚磷菌和氨氮氧化细菌同时富 集于单污泥系统中，在一个序批式反应器内实现了强化生物除磷和短程硝化，但普遍无法实 现短程硝化的长期稳定运行。

总的来说，当前高氨氮污水处理中普遍存在污水进水碳氮比低，常规生物脱氮工艺设备 闲置率高，硝化过程能耗碱耗高，反硝化过程碳源不足，总氮去除效率不高且难以稳定保持 等问题。

发明内容

本发明提供了一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置及处理高氨氮污水的 方法，该装置及方法能够实现短程硝化-反硝化过程，实现高氨氮污水的高效处理，降低污水 的氮、磷含量。

一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，包括反应器，所述反应器内通过两 块隔板依次分隔成第一反应区、过渡区和第二反应区，第一反应区与过渡区上部连通；过渡 区与第二反应区底部连通；

所述第一反应区与第二反应区内设有布水装置、搅拌装置和曝气装置；反应器顶部设有 出水口；

所述过渡区内设有用于富集微生物的生物填料。

本发明将反应器分隔成三个区域，分别为第一反应区、过渡区和第二反应区，通过PLC 的优化控制程序，分别实现第一反应区和第二反应区内各自缺氧和好氧环境的反复交替，各 自通过间歇曝气的方式形成特殊高效的微生物环境，富集氨氧化菌、抑制亚硝酸盐氧化菌并 共存厌氧氨氧化菌。

同时，第一反应区和第二反应区存在协同作用，即缺氧和好氧环境在两个反应区交叉错 位实现，一方面污水与活性污泥的混合液在好氧环境内向上流动，在缺氧环境内向下流动， 可以构成无动力内循环体系，混合液可在反应区的缺氧环境和好氧环境中交替循环，同步实 现污水的硝化与反硝化过程，提高污水脱氮效率。另一方面，污水内循环过程要通过过渡区， 由此实现过渡区从上到下三个不同溶氧区，在生物填料的作用下形成一个有层次的微生物富 集环境，过渡区可以实现两反应区的活性污泥浓度的调控，以及在受到负荷冲击时具备微生 物环境的缓冲性，实现了一体化装置处理高氨氮污水的运行稳定性和高效性。

作为优选，所述隔板的一端滑动安装于反应器内，用于调整过渡区的体积大小。基于两 反应区实际污泥生长特征和运行情况，通过调整过渡区的大小一方面可以实现两个反应区有 效反应体积的调整，构建适应水质波动的高效的功能区结构分配，让一体化装置的反应区利 用率更高；另一方面加快调控过渡区高浓度微生物环境对整个生物体系的微生物结构的调控， 耐负荷冲击力更强，从而减少PLC程序调整的频率，使得一体化装置管理更加方便。

作为优选，所述隔板位于上部连通或底部连通之处的一端设有可调节隔板高度的堰板。 通过调节堰板高度，可以调整污水和活性污泥混合液通过过渡区过程中的流量，从而使两反 应区各自内部的脱氮系统的脱氮效果可控性更好。

具体地，所述生物填料通过起支撑作用的网架固定于过渡区内，所述网架分为上、中、 下三层，位于上层的生物填料为悬浮填料，位于中层的生物填料为纤维填料，位于下层的生 物填料为弹性填料。

作为优选，上、中、下填料层的高度比为1～2:3～6:1～3。

所述悬浮填料，经网包包裹后固定于网架上。所述纤维填料和弹性填料的两端固定于网 架上。

作为优选，所述悬浮填料为锯齿形流化床填料、多面空心球型悬浮填料、多孔球型悬浮 填料中的至少一种，填充空隙率为45～85％。

此类填料具有高的比表面积，单位容积内生物量高，脱氮、分解有机物能力强。流化床 填料为密度接近水的悬浮填料，只需很低的流化动力即可完成流化，包括齿轮型、锯齿型、 花型、环型等。悬浮填料选用规格根据反应器实际容积选定，要求悬浮填料比表面积达 300～800m²/m³。

作为优选，所述纤维填料为无纺布、碳素纤维中的一种，填充孔隙率为85～95％。此类纤 维填料具有高度的生物亲和性，进入水体后其表面会很快形成活性生物膜，且微生物在填料 上的附着量大不易脱落，附着在填料上的微生物群的内部，不仅存在好氧微生物群，并且因 其氧的传质由内向外呈递减，也分布着厌氧微生物群，形成的微生物群落更丰富。

作为优选，所述弹性填料为立体弹性填料和混合式立体弹性填料中的一种，填充孔隙率 为55％～75％。此类立体弹性填料充氧性能好、启动挂膜快、不堵塞、不结团，可调节丝条粗 细密度及不同组装方式，孔隙可变性大，而且能在运行过程中获得愈来愈大的比表面积，又 能进行良好的新陈代谢，使用寿命长，不需经常更换。

进一步地，所述短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置还包括溶解氧、pH值在 线监测电极和电路控制系统，所述布水装置、搅拌装置、曝气装置以及溶解氧、pH值在线监 测电极均与电路控制系统连接；用于实时监测反应器内的溶解氧含量以及pH值变化情况。

一种利用所述的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置处理高氨氮污水的方法， 包括：通过控制搅拌装置和曝气装置的开闭，实现第一反应区和第二反应区之间缺氧反应和 好氧反应的交替；控制布水装置对处于缺氧反应的区域进行布水；根据第一反应区和第二反 应区内泥水的pH值来控制第一反应区和第二反应区之间缺氧反应和好氧反应的交替频率， 根据氨氧化率来调整缺氧和好氧反应的时间比。

作为优选，控制第一反应区和第二反应区第一个好氧反应时的溶解氧含量在0.5～2.0mg/L 之间，pH值降低幅度小于0.2时，以一个交替频率为单位，增加缺氧反应和好氧反应的交替 频率直至pH值降低幅度为0.4以上；当pH降低幅度为1.0以上时，逐级降低溶解氧含量。 当氨氧化率小于85％时，以10min为单位进行微调，延长好氧曝气时间直至控制氨氧化率在 90％以上。

所述布水装置，可根据体系内有机物消耗历程决定布水比例。所述pH降低幅度，可根 据实际进水氨氮浓度调整设定。所述的溶解氧含量，可根据体系亚硝态氮积累情况可调，通 常应控制初始好氧阶段溶解氧含量<1.0mg/L。本发明所述的第一反应区和第二反应区即可同 时配合运行，也可独立运行。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过隔板的设置将反应器内部分为两个反应区和一个过渡区，并在过渡区内 设置富集微生物的生物填料，使得在一体化装置中同步实现两个反应区的短程硝化-反硝化反 应的独立及串联运行，并通过过渡区调整两个反应区的活性污泥浓度，调控微生物环境，实 现了高氨氮污水的高效处理，降低污水的氮、磷含量。

(2)本发明两反应区可控的无动力内循环建立的独立和串联运行环境，不同于两级处理， 两反应区硝化和反硝化效率均得到加强，且设备利用率大幅提高，无需控制污泥回流和内回 流，运行管理方便，这对节省基建投资，简化污水处理工艺，降低运行成本，扩大应用范围 具有很大现实意义。

(3)本发明的运行方法短程硝化启动速度快且稳定性好，不需要严格控制条件。同时碱 度利用效率高，进一步降低脱氮成本。

附图说明

图1为本发明短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置的结构示意图。

图2为实施例1中本发明装置的运行模式示意图。

图3为实施例1运行方法下短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置内微生物群落 的分析结果。

图4为实施例1运行方法下短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置的单个运行周 期内pH、DO的在线电极监测结果。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明技术方案做进一步的阐述。

如图1所示，本发明提供了一种短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置，该装置 包括反应器、在线监测电极以及电路控制系统。

其中，反应器内通过两块隔板依次分隔成第一反应区1、过渡区3和第二反应区2，第一 反应区1与过渡区3之间通过第一隔板4分隔，并且第一反应区1与过渡区3上部连通；过 渡区3与第二反应区2之间通过第二隔板5分隔，并且过渡区3与第二反应区2底部连通。

第一反应区1和第二反应区2的底部均设有曝气盘6，与反应器外部的曝气泵7连接。 第一反应区1和第二反应区2内还均设有搅拌装置8、布水装置9以及溶解氧在线监测电极 10和pH值在线监测电极11。上述曝气泵7、搅拌装置8、布水装置9以及溶解氧在线监测 电极10、pH值在线监测电极11均通过PLC电路控制系统12进行控制。第一反应区1和第 二反应区2的底部还设有排泥口，反应区的底部还设有导流斜坡14，顶部设有出水口15。布 水装置9通过水泵与进水池13连通。

第一隔板4的顶部和第二隔板5的底部均设可调节隔板长度的堰板16，堰板可使隔板最 大长度为反应器高度。过渡区3内设有用于富集微生物的生物填料17，该生物填料17通过 起支撑作用的网架固定于过渡区3内。网架为不锈钢网架，共分成上、中、下三层，位于上 层的生物填料为悬浮填料，位于中层的生物填料为纤维填料，位于下层的生物填料为弹性填 料。悬浮填料经不锈钢网包包裹后固定于网架上；纤维填料和弹性填料的两端固定于网架上。 上、中、下填料层的高度比为1:3:1。

其中，悬浮填料为锯齿型流化床填料与多面空心球填料的组合形式，锯齿型流化床填料 规格为Φ10和Φ25，多面空心球填料规格为Φ25和Φ38，，该填充空隙率为65％，比表面积 为550m²/m³。此类填料具有高的比表面积，单位容积内生物量高，脱氮、分解有机物能力强。

纤维填料为无纺布，填充孔隙率为90％。此类纤维填料具有高度的生物亲和性，进入水 体后其表面会很快形成活性生物膜，且微生物在填料上的附着量大不易脱落，附着在填料上 的微生物群的内部，不仅存在好氧微生物群，并且因其氧的传质由内向外呈递减，也分布着 厌氧微生物群，形成的微生物群落更丰富。

弹性填料为立体弹性填料，填充孔隙率为65％。此类立体弹性填料充氧性能好、启动挂 膜快、不堵塞、不结团，可调节丝条粗细密度及不同组装方式，孔隙可变性大，而且能在运 行过程中获得愈来愈大的比表面积，又能进行良好的新陈代谢，使用寿命长，不需经常更换。 生物填料17还设有用于出水的出水管路18。

实施例1

接种污泥取自嘉兴市联合污水处理厂A²O回流污泥，接种浓度5～6g/L，本实施例采用 嘉兴市某养猪场沼气池出水进行试验，具体水质为：COD为3036±185mg/L，氨氮浓度为 785±234mg/L，总磷浓度为36.2±3.1mg/L，亚硝酸盐氮浓度≤1mg/L，硝酸盐氮浓度≤20mg/L， 总氮浓度为1592±132mg/L，碱度为4000～6000mg/L(以CaCO₃计)，pH7.8～8.3。

本实施例采用的短程硝化-反硝化间歇曝气序批式生物反应装置为不锈钢加工而成，长 35*宽25*高45cm，有效容积30L，中间通过两块隔板分隔成三个区域，反应区1、过渡区 和反应区2；隔板上的堰板的调节高度为10cm，两块隔板的总长度均为35cm。

具体的污水处理方法如下：

(1)启动阶段：反应器周期换水比为1/15(该换水比是指一个运行周期内进水水量占本 发明反应装置有效容积的比例)。

均在反应区1和反应区2的初始缺氧反应段进行布水，每次布水5min。

反应区1和反应区2依次交替进行缺氧搅拌和曝气，共循环2次；具体为：反应区1依 次进行缺氧搅拌40min，曝气60min，循环2次；与此同时，反应区2对应依次曝气40min， 缺氧搅拌60min，循环2次；反应区1进行缺氧搅拌时，反应区2进行曝气；反应区1进行 曝气时，反应区2进行缺氧搅拌；反应区1和反应区2的搅拌机转速为120r/min，曝气量为 2L/min。

循环结束后，进行沉淀60min，排水10min。

该方式运行到第10天时，氨氧化率达到80％以上，亚硝态氮积累率达到60％以上，标 志短程硝化启动完成。

(2)运行阶段：反应器周期换水比为1/10

反应区1和反应区2各自运行模式如图2所示，本实例不断优化两个反应区内缺氧和好 氧交替变换频率和反应时间，根据第一反应区和第二反应区内泥水的pH值来控制反应区内 缺氧反应和好氧反应的交替频率，根据氨氧化率来调整缺氧和好氧反应的时间比。

本实施例具体运行条件为：

反应区1和反应区2一个运行周期内共进行4次缺氧/好氧反应循环，每个缺氧反应段布 水5min，反应区1依次进行搅拌40min/曝气60min，而反应区2对应进行曝气40min/搅拌 60min，各自循环4次，控制缺氧DO<0.2mg/L，第一个好氧环境DO为0.5～2mg/L，好氧 DO根据亚硝态氮积累率调整，保持亚硝态氮积累率在70％以上。静置沉淀60min，排水10 min。

沉淀排水后，对沉淀污泥混合液进行缺氧搅拌10min，在本来运行基础上强化高污泥浓 度条件下的内源反硝化脱氮以及缺氧反硝化除磷作用，同时排泥，控制污泥龄为15～25天， 污泥浓度5000～6000mg/L。

在该进水水质和运行参数下，装置稳定运行3个月，亚硝态氮积累率稳定保持在75％以 上，实现TN去除90％以上，出水COD和氨氮均达到现行《畜禽养殖业污染物排放标准》， 且不需要额外添加碱度药剂。

以上内容是结合具体实施方式对本发明所做的说明，便于该领域技术人员更好地理解和 应用本发明，不能认为本发明的具体实施只限于这些说明，因此，该领域技术人员基于本发 明所做的简单改进都在本发明保护范围之内。