申請日2015.08.24
公開(公告)日2016.01.20
IPC分類號(hào)C02F3/28; C02F101/16
摘要
本實(shí)用新型涉及一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置，包括裝置本體，其特征在于，裝置本體頂部一側(cè)設(shè)有進(jìn)水管，進(jìn)水管和位于裝置本體頂部的配水槽相連，配水槽通過管路與位于裝置本體底部的布水系統(tǒng)相連接，三相分離器設(shè)置于裝置本體上部，三相分離器上方設(shè)置有沼氣收集管和出水管，所述出水管通過回流管與進(jìn)水管相連通。反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化細(xì)菌已得到了較大程度的富集。除此之外，在進(jìn)行厭氧氨氨氧化的同時(shí)，平均有84.7%的COD也被去除。
權(quán)利要求書
1.一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置，包括裝置本體，其特征在于，裝置本體頂部一側(cè)設(shè)有進(jìn)水管，進(jìn)水管和位于裝置本體頂部的配水槽相連，配水槽通過管路與位于裝置本體底部的布水系統(tǒng)相連接，三相分離器設(shè)置于裝置本體上部，三相分離器上方設(shè)置有沼氣收集管和出水管，所述出水管通過回流管與進(jìn)水管相連通。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述配水槽位于裝置本體頂部的中心處。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述出水管的水平高度低于進(jìn)水管，所述出水管與進(jìn)水管間的回流管為U型管連。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，所述布水系統(tǒng)設(shè)置有6-8根布水支管。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，所述布水支管上設(shè)置有3-4排相互平行的布水孔，所述各排布水孔在布水管上縱切面間的夾角為15-18°。
說明書
一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置
技術(shù)領(lǐng)域
本實(shí)用新型屬于生物處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置。
背景技術(shù)
水是社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，自然環(huán)境尤其是水環(huán)境遭到了較嚴(yán)重的破壞，江河及湖庫水環(huán)境質(zhì)量日趨惡化。從上世紀(jì)八十年代開始，國家加快了對水環(huán)境治理的步伐，污水處理率有了較大提高，然而我國緩流水體富營養(yǎng)化問題不僅沒有解決，而且有日益嚴(yán)重的趨勢。
隨著水體富營養(yǎng)化程度的不斷嚴(yán)重，國內(nèi)外開始注重污水中氮元素的去除�，F(xiàn)在普遍應(yīng)用的傳統(tǒng)污水生物脫氮工藝如缺氧/好氧(AO)工藝，厭氧/缺氧/好氧(A2O)工藝，SBR工藝，氧化溝工藝等，均需要?jiǎng)?chuàng)造好氧環(huán)境將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，而后利用有機(jī)物(能量載體)將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)�。而�?shí)際城市污水大都C/N比較低，難以滿足反硝化所需的碳源，需要投加甲醇等外碳源，以提高系統(tǒng)總氮TN去除率，進(jìn)一步增加了系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。因此傳統(tǒng)脫氮工藝在曝氣環(huán)節(jié)消耗了大量的能量，屬于高能耗的污水處理工藝，不符合低能耗、可持續(xù)的發(fā)展原則。
近年來由于含氨氮廢水導(dǎo)致水體污染和富營養(yǎng)化的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，開發(fā)和應(yīng)用高效節(jié)能的可持續(xù)廢水脫氮工藝已成為當(dāng)今水污染控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。厭氧氨氧化工藝是目前已知的最經(jīng)濟(jì)的生物脫氮途徑，與傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮工藝相比具有需氧量低、運(yùn)行費(fèi)用低和不需要外加碳源等優(yōu)點(diǎn)。近年來備受矚目，國外有許多研究人員對該工藝的運(yùn)行條件以及其中新發(fā)現(xiàn)的厭氧氨氮細(xì)菌進(jìn)行了多方面的研究，然而對如何利用普通污泥成功實(shí)現(xiàn)厭氧氨氧化過程的報(bào)道并不多見。利用普通污泥實(shí)現(xiàn)厭氧氧化過程對于該工藝在實(shí)際工程中的推廣具有重大意義。
另一方面，目前UASB布水形式分為池底布水和池頂布水。底部進(jìn)水的優(yōu)點(diǎn)是進(jìn)水通過動(dòng)力裝置將原水注入反應(yīng)器，進(jìn)水壓力大，可以有效攪動(dòng)池底污泥，不易形成短流。但是底部布水時(shí)，布水管一旦堵塞不易察覺，久而久之堵塞的管道得不到疏通便會(huì)嚴(yán)重影響UASB的處理效率。而池頂布水是通過在UASB反應(yīng)器頂部設(shè)置進(jìn)水槽，有一槽一管式，有一槽多管式。這種布水方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠直觀觀察出進(jìn)水的分布，布水管堵塞時(shí)容易疏通，彌補(bǔ)了底部進(jìn)水的缺點(diǎn)。但是頂部進(jìn)水的不足之處是進(jìn)水動(dòng)力小，對池底污泥的攪動(dòng)較小，容易形成短流，造成UASB有效容積降低，大大影響容積負(fù)荷。
實(shí)用新型內(nèi)容
為解決上述問題，本實(shí)用新型提供了一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置，開發(fā)了一種新型UASB反應(yīng)器，并對現(xiàn)有的厭氧氨氧化工藝進(jìn)行研究，以自配高氮低碳廢水為進(jìn)水,普通厭氧污泥為接種污泥,在溫度35℃，pH7.5～8.0的條件下連續(xù)運(yùn)行220天;之后又在工程中進(jìn)行了改造和試驗(yàn)，成功實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化。
為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)目的，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是：
一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理裝置，包括裝置本體，裝置本體頂部一側(cè)設(shè)有進(jìn)水管，進(jìn)水管和位于裝置本體頂部的配水槽相連，配水槽通過管路與位于裝置本體底部的布水系統(tǒng)相連接，三相分離器設(shè)置于裝置本體上部，三相分離器上方設(shè)置有沼氣收集管和出水管，所述出水管通過回流管與進(jìn)水管相連通。
本實(shí)用新型將配水槽設(shè)置和布水系統(tǒng)分別設(shè)置在裝置本體的頂部和底部，利用水的流動(dòng)性將配水槽中水的勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，提供足夠的進(jìn)水動(dòng)力，上述設(shè)計(jì)既克服了現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)水動(dòng)力小，對池底污泥的攪動(dòng)較小，容易形成短流，造成UASB有效容積降低的問題，也解決了出進(jìn)水的分布和布水管堵塞不易觀察的問題。
進(jìn)一步地，所述配水槽位于裝置本體頂部的中心處。配水槽位于裝置本體中部時(shí)，最大限度地將重力勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，提高進(jìn)水動(dòng)力，節(jié)約能耗，管路排布簡單。
進(jìn)一步地，所述出水管的水平高度低于進(jìn)水管，所述出水管與進(jìn)水管間的回流管為U型管。保證處于未運(yùn)行狀態(tài)的裝置在出水口閥門關(guān)閉時(shí)，出水管的水不會(huì)溢流到進(jìn)水管中，且出水管和進(jìn)水管間的回流管上無需設(shè)置閥門。
進(jìn)一步地，所述布水系統(tǒng)設(shè)置有6-8根布水支管。在保證處理效率的前提下，最大限度減少布水支管數(shù)，節(jié)約耗材。
進(jìn)一步地，所述布水支管上設(shè)置有3-4排相互平行的布水孔，所述各排布水孔在布水管上縱切面間的夾角為15-18°。水力分布更加均勻，增加了污泥的流動(dòng)性，COD去除率提高5%左右。
一種含氮廢水的UASB厭氧氨氧化處理方法，包括如下步驟：
(1)將普通厭氧污泥作為接種污泥投加至上流式厭氧UASB反應(yīng)器中;
(2)向高氮低碳廢水中加入有機(jī)物作為厭氧UASB反應(yīng)器進(jìn)水;配水中NO2--N的濃度為690-700mg/L，NH4+-N的濃度為250-270mg/L;
(3)厭氧UASB反應(yīng)器在20-43℃，pH值為6.7-8.3的條件下連續(xù)流運(yùn)行30-35天，
(4)經(jīng)過30-35天的培養(yǎng)，將厭氧UASB反應(yīng)器進(jìn)水氨氮濃度提高到600-900mg/L，繼續(xù)運(yùn)行50-60天，
(5)經(jīng)過50-60天的培養(yǎng)，將厭氧UASB反應(yīng)器進(jìn)水氨氮濃度調(diào)整為低濃度，繼續(xù)運(yùn)行110-120天，即得低濃度廢水。
優(yōu)選的是，步驟(1)中，厭氧污泥的VSS/SS為0.73-0.75。
優(yōu)選的是，步驟(2)中，所述的有機(jī)物為NO2–-N和NH4+-N。
優(yōu)選的是，步驟(3)中，進(jìn)水有機(jī)COD濃度為1500-1550mg/L，容積負(fù)荷基本維持在2.5-2.7kg/(m3·d)。
優(yōu)選的是，步驟(3)中，厭氧UASB反應(yīng)器在40±3℃，pH7.8-8.3的條件下連續(xù)流運(yùn)行30-35天。
優(yōu)選的是，所述上流式厭氧UASB反應(yīng)器中，所述厭氧污泥氨負(fù)荷為0.02-0.03kg/(Kg.d)，厭氧氨氧化菌的倍增時(shí)間為11d。
優(yōu)選的是，步驟(5)中，進(jìn)水中NO2–-N濃度為270-280mg/L。
優(yōu)選的是，上述的上流式厭氧UASB反應(yīng)器內(nèi)部核心設(shè)備采用改性聚丙烯材料，無需涂裝防腐材料，減少了運(yùn)行過程中的維護(hù)費(fèi)用。
優(yōu)選的是，所述基質(zhì)亞硝酸鹽濃度低于5mmol/L。
上述的方法處理后的反應(yīng)器底部的厭氧泥樣，所述厭氧泥樣的VSS/SS為0.62-0.63。
設(shè)計(jì)原理：
(1)氨氮的去除
根據(jù)進(jìn)水氨氮可將整個(gè)運(yùn)行過程分為3個(gè)階段：適應(yīng)期(1-30天)、高濃度運(yùn)行期(30-62天)和低濃度運(yùn)行期(63-220天)。
在適應(yīng)期，進(jìn)水氨氮濃度在220mg/L左右，出水氨氮濃度略高于進(jìn)水濃度，說明氨氮在反應(yīng)器中沒有得到去除，這與在普通厭氧反應(yīng)器中觀察到的現(xiàn)象一致。
在第二階段提高進(jìn)水氨氮濃度(即提高厭氧氧化細(xì)菌生長所需的基質(zhì)濃度)，以加速厭氧氨氧化細(xì)菌的生長。在此期間，反應(yīng)器的進(jìn)水氨氮濃度均較高，基本在600-900mg/L之間波動(dòng)，平均濃度為700mg/L。在第30～40天，氨氮的容積負(fù)荷較低，平均約為0.9kg/(m3·d)，而氨氮的去除率也相對較低，平均僅為12.5%。這表明經(jīng)過約一個(gè)月的適應(yīng)期后，反應(yīng)器污泥中的厭氧氨氧化細(xì)菌逐漸生長和繁殖起來，并開始去除進(jìn)水中的氨氮。與適應(yīng)期相比，此階段最大特點(diǎn)是反應(yīng)器出水氨氮濃度均略低于進(jìn)水濃度，此現(xiàn)象表明在該反應(yīng)器中，厭氧氨氧化已經(jīng)逐漸產(chǎn)生。
在第三個(gè)階段，隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，厭氧氨氧化反應(yīng)越來越明顯，在第80～90天，厭氧氨氧化反應(yīng)所占比例僅為10%;而在第140～180天，此反應(yīng)所占比例上升到45%，在試驗(yàn)的最后階段(即第180～220天)，所占比例已達(dá)到平均約65%左右。說明在該反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化細(xì)菌已得到了較大程度的富集。除此之外，在進(jìn)行厭氧氨氧化的同時(shí)，平均有84.7%的COD也被去除。
(2)COD和NO2–-N的去除
因?yàn)閰捬醢毖趸^程首先是在一個(gè)反硝化流化床反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)的，因此，在實(shí)驗(yàn)中、在啟動(dòng)運(yùn)行UASB時(shí)，其進(jìn)水中也同時(shí)加入了一定量的有機(jī)物，模擬反硝化反應(yīng)器的運(yùn)行。結(jié)果如下：
除適應(yīng)期外，反應(yīng)器對進(jìn)水中的有機(jī)COD去除率均較高，平均為84.7%。而進(jìn)水中有機(jī)COD的濃度明顯分為2個(gè)階段：1～65天，進(jìn)水中有機(jī)COD濃度較高，波動(dòng)大，平均為1500mg/L，容積負(fù)荷基本維持在2.5kg/(m3·d)左右，在第66～220天，進(jìn)水COD基本維持在240ml/L左右，該階段有機(jī)負(fù)荷維持在1kg/(m3·d)左右。
反應(yīng)器的進(jìn)水中還加有一定濃度的NO2–-N，其濃度分別為：在1～65天，平均為1130mg/L;在66～220天平均為270mg/L。進(jìn)水中的NO2--N既會(huì)與有機(jī)物參與反硝化，又會(huì)參與由NH3參與的厭氧氨氧化過程。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段，除適應(yīng)期外，UASB反應(yīng)器對NO2–-N的去除效率均較高，平均為75.6%。反應(yīng)器對NO2--N的去除率與進(jìn)水中有機(jī)COD濃度密切相連。由于進(jìn)水中NO2--N的濃度(平均為690mg/L)較NH4+-N(平均250mg/L)高許多，且進(jìn)水有機(jī)物COD濃度也較高，這說明反應(yīng)器具有較強(qiáng)的反硝化能力，且反硝化能力主要受進(jìn)水有機(jī)碳源的影響。
(3)厭氧氨氧化污泥性狀
經(jīng)過220天的連續(xù)運(yùn)行，接種普通厭氧顆粒污泥的UASB反應(yīng)器已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了厭氧氨氧化工藝的啟動(dòng)運(yùn)行。運(yùn)行至210天時(shí)，從反應(yīng)器底部取泥樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)污泥呈絮狀，棕黃色，與接種的黑色顆粒污泥相比，已發(fā)生了明顯變化。這與其它厭氧氨氧化污泥相似，其VSS/SS為0.68，與接種時(shí)的0.73相比略有下降。
本實(shí)用新型的有益效果：
厭氧氨氮氧化是指在厭氧或者缺氧條件下，厭氧氨氧化菌以亞硝酸鹽或硝酸鹽為電子受體、以氨為電子供體完成生物脫氮的過程。其簡單生化反應(yīng)式為：
5NH4++3NO3--–—>4N2+9H2O+2H+
NH4++NO2–—>N2+2H2O
根據(jù)厭氧氨氧化富集培養(yǎng)中的物料平衡，在化學(xué)方程式里加入微生物本身，則為：
1NH4++1.3NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+0.066CH2O0.5N0.15+2H2O
在處理不含有機(jī)物的高負(fù)荷(含氮)廢水時(shí)，在生物脫氮系統(tǒng)中存在氮元素的損失。這是厭氧氨氧化反應(yīng)造成的。厭氧氨氧化最終產(chǎn)物大部分是N2，同時(shí)有微量的N2O、NO、NO2產(chǎn)生。厭氧氨氧化過程屬于化能自養(yǎng)型。這類反應(yīng)吉布斯自由能較低，微生物的增長率和產(chǎn)率通常較低。微生物較低的生長速率表明厭氧氨氧化系統(tǒng)所需的啟動(dòng)時(shí)間較長，但同時(shí)，污泥的產(chǎn)率較低，解決了剩余污泥的處理問題。這說明，厭氧氨氧化系統(tǒng)需要具有較好的污泥滯留能力，同時(shí)可以節(jié)省費(fèi)用。
厭氧氨氧化工藝的關(guān)鍵是獲得足量的厭氧氨氧化菌，并將其有效地保持在裝置內(nèi)，使反應(yīng)器達(dá)到設(shè)計(jì)的厭氧氨氧化效能。在實(shí)施上，不僅要優(yōu)化營養(yǎng)條件和環(huán)境條件，促進(jìn)厭氧氨氧化菌的生長，同時(shí)要設(shè)法改善菌體的沉降性能并改進(jìn)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)，促使功能菌有效持留。此工藝的技術(shù)要點(diǎn)主要包括：
1.溫度控制：溫度范圍20-43℃，最適溫度40±3℃。
2.pH控制：pH應(yīng)維持在6.7-8.3之間，最佳pH在8左右。
3.基質(zhì)和產(chǎn)物濃度：基質(zhì)氨和產(chǎn)物硝酸鹽對厭氧氨氧化的活性影響較小，但是基質(zhì)亞硝酸鹽對厭氧氨氧化活性影響較大，一旦亞硝酸鹽濃度超過100mg/L，就會(huì)對厭氧氨氧化活性產(chǎn)生明顯的抑制作用。在基質(zhì)濃度控制中，重點(diǎn)控制亞硝酸鹽濃度，使之低于5mmol/L。
4.溶解氧控制：氧氣會(huì)完全控制厭氧氨氧化過程，但除氧后這種抑制作用是可逆的，可以恢復(fù)。
5.負(fù)荷控制：厭氧氨氧化工藝常見的污泥氨負(fù)荷為0.02-0.03kg/(Kg.d)。防止污泥超負(fù)荷的措施是提高污泥濃度。
6.泥齡控制：厭氧氨氧化菌的倍增時(shí)間長達(dá)11天。厭氧氨氧化菌生長緩慢，細(xì)胞產(chǎn)率低，維持長泥齡對厭氧氨氧化工藝具有至關(guān)重要的作用。
我公司針對厭氧氨氧化反應(yīng)器建立相應(yīng)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，對反應(yīng)器中的溶解氧和生物相進(jìn)行適時(shí)監(jiān)控，確定微生物生長代謝的最佳條件及其生長緩慢的原因，保證系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，為厭氧氨氧化菌的培養(yǎng)提供理論依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，因地制宜，揚(yáng)長避短，充分利用現(xiàn)場條件及厭氧氨氧化工藝的優(yōu)越性。
