本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种强化N2O产生并回收利用的污水生物脱氮方法和装置。
背景技术：
N2O是一种极具发展前途的无毒推进剂，作为强氧化剂和助燃机剂可用于航天航空领域火箭发动机的启动和提高赛车动力速度。然而，N2O同时也是一种具有较高增温势能（约是CO2的265倍）的温室气体，在污水处理过程中被认为是一种具有较大环境负面效应的副产物。研究表明，每年污水处理过程中产生的N2O已经达到了全球N2O总释放量的2.5%-25%。目前，水处理领域大多数研究都集中在如何最大限度的减少N2O产生，而强化N2O产生并收集它作为能源回收利用是一种新构想，也使N2O成为了一种潜在的可再生能源。
从污水中回收能源一般是通过厌氧消化达到的，有机物转化为CH4，然后CH4以空气中的O2作为氧化剂来燃烧发电。事实上，N2O是一种比O2更强大的氧化剂，可以提高CH4燃烧产生的能量，使用N2O作为氧化剂能够避免其作为温室气体排放到大气，并可同时提高CH4的燃烧产能（Scherson Y D, Woo S G, Criddle C S. Environmental Science & Technology, 2014, 48(10):5612-9）。然而，目前已有的强化污水处理过程中N2O产生的方法存在污水脱氮效率较低和N2O转化率不高等问题，使这种能源回收途径难以在实际处理过程中应用。发明专利（CN201310357185.7）提供了一种强化N2O产生的装置和控制方法，在缺氧段发生的内源反硝化作用实现溶解态N2O的积累，再通过曝气搅动作用实现N2O的回收，但NO2-还原率和N2O转化率较低。发明专利（CN201310743142.2）利用污泥消化液短程硝化的方法来强化N2O的产生，但其曝气阶段能耗高，脱氮效率较低。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题是提供了一种强化N2O产生并回收利用的污水生物脱氮方法和装置，在实现高效生物脱氮的同时能够以高转化率强化N2O产生并回收利用，对处理氮负荷较高的污水具有明显的优势。本发明主要包含三个步骤：（1）部分好氧硝化作用将NH4+氧化为NO2-；（2）部分异氧反硝化作用将NO2-还原为N2O；（3）收集N2O实现能源的回收。本发明可在去除污水中氨氮的同时回收N2O作为能源，操作方法简单，能耗低，脱氮效率高，N2O转化率较高。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种强化N2O产生并回收利用的污水生物脱氮方法，其特征在于具体步骤为：污水由短程硝化池上部的进水口进入短程硝化池，在短程硝化池内的停留时间为48h，短程硝化池内部设有曝气管，用于控制污水中的溶解氧浓度为0.2-0.5mg/L，短程硝化池内设有DO在线监测系统，用于随时监测短程硝化池内的DO，短程硝化池内设有短程硝化池搅拌器，用于保持污泥的悬浮状态，控制搅拌速率为300r/min，短程硝化池内设有pH在线监测系统，用于实时监测污水的pH值并通过添加0.5mol/L的硫酸溶液调节污水的pH值维持在7.0-7.3，短程硝化池内设有加热棒，用于控制污水温度为35℃，短程硝化池内的污水通过短程硝化池出水口溢流进入短程反硝化池；污水在短程反硝化池内的停留时间为24h，短程反硝化池内设有短程反硝化池搅拌器，控制搅拌速率为150r/min，短程反硝化池上部设有加药口，用于在短程反硝化初期即反应时间在0-1h时添加乙酸作为碳源以使污水中的C/N控制为3，短程反硝化池上部设有集气罩，该集气罩上部设有N2O收集管，用于收集污水处理过程中产生的N2O气体，处理过的污水通过短程反硝化池出水口进入污泥沉淀池；污水在污泥沉淀池中的停留时间为0.5-1h，污泥沉淀池中沉淀后的污水通过污泥沉淀池溢流堰溢流后经污泥沉淀池出水口排出，污泥沉淀池中沉淀后的剩余污泥由污泥沉淀池排泥口排出。
本发明所述的强化N2O产生并回收利用的污水生物脱氮装置，其特征在于沿污水流动方向依次设有短程硝化池、短程反硝化池和污泥沉淀池，其中短程硝化池内处理过的污水通过短程硝化池出水口溢流进入短程反硝化池，污泥沉淀池通过连接管道与短程反硝化池出水口相连，短程硝化池的上部设有进水口，短程硝化池内设有短程硝化池搅拌器、曝气管、加热棒、DO在线监测系统和pH在线监测系统，曝气管通过管道与气泵连接，短程反硝化池内设有短程反硝化池搅拌器，短程反硝化池上部设有加药口，短程反硝化池的上部通过密封法兰固定有集气罩，该集气罩上设有N2O收集管，污泥沉淀池的上部设有溢流堰，该溢流堰的上部为污泥沉淀池出水口，污泥沉淀池的下部设有污泥沉淀池排泥口。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、运行费用低，剩余污泥产生量较少，无二次污染；
2、实现了温室气体N2O的资源化利用；
3、对处理高负荷低C/N的污水具有优势，实现高效生物脱氮的同时N2O转化率较高。
附图说明
图1是本发明中强化N2O产生并回收利用的污水生物脱氮装置的结构示意图。
图中：1-进水口；2-短程硝化池；3-短程硝化池搅拌器；4-短程硝化池出水口；5-曝气管；6-DO在线监测系统；7-pH在线监测系统；8-加热棒；9-气泵；10-短程反硝化池；11-短程反硝化池搅拌器；12-集气罩；13-密封法兰；14-加药口；15-N2O收集管；16-短程反硝化池出水口；17-污泥沉淀池；18-溢流堰；19-污泥沉淀池出水口；20-污泥沉淀池排泥口。
具体实施方式
结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种强化N2O产生并回收利用的污水生物脱氮装置，沿污水流动方向依次设有短程硝化池2、短程反硝化池10和污泥沉淀池17，其中短程硝化池2内处理过的污水通过短程硝化池出水口4溢流进入短程反硝化池10，污泥沉淀池17通过连接管道与短程反硝化池出水口16相连，短程硝化池2的上部设有进水口1，短程硝化池2内设有短程硝化池搅拌器3、曝气管5、加热棒8、DO在线监测系统6和pH在线监测系统7，曝气管5通过管道与气泵9连接，短程反硝化池10内设有短程反硝化池搅拌器11，短程硝化短程反硝化池10上部设有加药口14，短程反硝化池10的上部通过密封法兰13固定有集气罩12，该集气罩12上设有N2O收集管15，污泥沉淀池17的上部设有溢流堰18，该溢流堰18的上部为污泥沉淀池出水口19，污泥沉淀池17的下部设有污泥沉淀池排泥口20。
污水由短程硝化池2上部的进水口1进入短程硝化池2，污水在短程硝化池2内的停留时间为48h，短程硝化池2内设有曝气管5，用于控制污水中溶解氧浓度为0.2-0.5mg/L，短程硝化池2内设有DO在线监测系统6，用于随时监测短程硝化池内的DO，短程硝化池2内设有短程硝化池搅拌器3，用于保持污泥的悬浮状态，控制搅拌速率为300r/min，短程硝化池2内设有pH在线监测系统7，用于随时监测pH值，短程硝化过程中使用0.5mol/L 的硫酸溶液调节pH维持在7.0-7.3，这种中性pH有利于硝化细菌的生长，提高硝化速率，短程硝化池2内设有加热棒8，用于控制温度为35℃，上述所设反应条件有利于提供适宜的微生物条件，最大化的实现NH4+向NO2-的转化，短程硝化池2内的污水通过短程硝化池出水口4溢流进入短程反硝化池10，该过程仅靠重力作用，不产生额外能耗；污水在短程反硝化池10内的停留时间为24h，短程反硝化池10内设有短程反硝化池搅拌器11，控制搅拌速率为150r/min，短程反硝化池10上部设有加药口14，短程反硝化初期（0-1h）添加乙酸作为碳源，微生物利用乙酸合成胞内聚合物PHB，这些PHB为短程硝化池2出水中含有的NO2-提供电子进行短程反硝化作用，在该短程反硝化作用中NO2-氧化PHB，利用微生物胞内碳源PHB进行的反硝化作用可抑制N2O还原酶的活性，最大化的促进水体中的NO2-转化为N2O，同时也去除了水中的NO2-，降低了水体中TN浓度，所添加乙酸量使污水中的C/N控制为3，污水C/N过高，乙酸不能全部用于合成胞内聚合物PHB，水体中残余的乙酸被异养反硝化微生物利用发生氧化还原作用，促进污水中氮元素在反硝化过程中彻底还原为N2，不利于N2O的回收，污水C/N过低，会减少系统中微生物胞内聚合物PHB的合成量，造成反硝化过程中电子供体不足，污水中的NO2-不能被全部还原而残留在水中，进而造成系统内TN去除率和N2O转化率降低，短程反硝化池10上部设有集气罩12，集气罩12上部设有N2O收集管15用于收集污水处理过程中产生的N2O气体，处理过的污水通过短程反硝化池出水口16进入污泥沉淀池17，该过程仅靠重力作用，不产生额外能耗；污水在污泥沉淀池17中的停留时间为0.5-1h，污泥沉淀池17中沉淀后的污水通过污泥沉淀池溢流堰18溢流后经污泥沉淀池出水口19排出，该过程仅靠重力流动，不产生额外能耗，污泥沉淀池17中沉淀后的剩余污泥由污泥沉淀池排泥口20排出。
实施例1
以某污水处理厂的厌氧消化液为例，污水进水水质为：COD浓度为1200mg/L，NH4+-N浓度为1400mg/L，TP浓度为46mg/L，pH为8.7左右，所选择的短程硝化池有效容积为12L，短程反硝化池容积为6L，反应器接种污泥采用污水处理厂短程硝化池新鲜活性污泥，反应器内污泥浓度维持在2500-3000mg/L，污泥泥龄维持在22d，短程硝化池DO维持在0.2-0.5mg/L。
具体操作步骤如下：
（1）装置启动：首先取接种的污水处理厂短程硝化池新鲜活性污泥投入短程硝化池，污泥浓度为2500-3000mg/L；
（2）污水由进水口进入短程硝化池，短程硝化过程中使用0.5mol/L的硫酸溶液调节pH,控制pH为7.1，溶解氧浓度控制0.2-0.5mg/L，反应温度利用加热棒控制在35℃；
（3）经过短程硝化池处理过的含有NO2-（约1300 mg/L）的污水进入短程反硝化池中，反硝化初期添加乙酸溶液（122mM）控制C/N为3，乙酸合成PHB为NO2-提供电子进行反硝化作用。
试验结果表明，系统运行稳定后短程硝化过程中污水中约93%的NH4+转化为NO2-，反硝化结束后约77%的NO2-转化为N2O，COD去除率达到92%，TN去除率达到91%，在实现污水脱氮效率的同时实现了N2O的回收利用。
实施例2
以餐厨污水为例，污水进水水质为：COD浓度460mg/L，NH4+-N浓度500mg/L，TP浓度为12mg/L，pH为8.3左右，所选择的短程硝化池有效容积为20L，短程反硝化池容积为10L，反应器接种污泥采用污水处理厂短程硝化池新鲜活性污泥，反应器内污泥浓度维持在3000-4000mg/L，污泥泥龄维持在20d，短程硝化池DO维持在0.2-0.5mg/L。
具体操作步骤如下：
（1）装置启动：首先取接种的污水处理厂短程硝化池新鲜活性污泥投入短程硝化池，污泥浓度为3000-4000mg/L；
（2）污水由进水口进入短程硝化池，短程硝化过程中使用0.5mol/L的硫酸溶液调节pH,控制pH为7.1，溶解氧浓度控制0.2-0.5mg/L，反应温度利用加热棒控制在35℃左右；
（3）经过短程硝化池处理过的含有NO2-（约470 mg/L）的污水进入短程反硝化池中，反硝化初期添加乙酸溶液（122mM）控制C/N为3，乙酸合成PHB为NO2-提供电子进行反硝化作用。
试验结果表明，系统运行稳定后短程硝化过程中污水中约95%的NH4+转化为NO2-，反硝化结束后约76%的NO2-转化为N2O，COD去除率达到87%，TN去除率达到92%，在实现污水脱氮效率的同时强化了N2O的产生与回收。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。