一种污水处理的高效生物脱氮工艺的制作方法

本发明涉及一种污水处理的高效生物脱氮工艺，属于污水处理技术领域。

技术背景

我国不但水资源严重短缺，水质污染也日益严重。氨氮是水处理中主要的目标去除物之一，而厌氧氨氧化是目前已知的最经济的生物脱氮技术。

厌氧氨氧化是指厌氧氨氧化菌在厌氧或缺氧条件下，以no2^-为电子受体氧化nh4⁺，产生n2和少量no3^-的生物过程。与传统的工艺相比，厌氧氨氧化处理技术缩短了脱氮途径，具有节省能量、降低剩余污泥产量、节约投资成本和运行费用的优势，同时还具有可持续性的特点。厌氧氨氧化技术在处理低碳氮比的高氨氮浓度废水方面具有广阔的市场前景。

主流部分亚硝化-厌氧氨氧化是指在污水厂主流而非侧流阶段，应用部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺。与传统的生物脱氮(硝化-反硝化)相比，pn/a具有独特的技术优势：一、其曝气能耗只有传统工艺的55％～60％；二、该工艺碳源需求少；三、该工艺可以减少45％碱度消耗量；四、厌氧氨氧化工艺的污泥产量也远低于传统脱氮工艺，这将显著降低剩余污泥的处理和处置成本。但是厌氧氨氧化处理低浓度含氮废水仍存在一些问题：如运行条件要求严格、厌氧氨氧化菌生物量不足、nob难以抑制、长期运行性能不稳定等。

生物填料具有高强度、轻质、比表面积大和孔隙率高等特点，其丰富的内表面为微生物提供附着的表面和内部空间，提高反应器可承受的有机负荷。在低氨氮废水中加入具有氨氮吸附能力的生物填料，可以提高反应器的抗冲击强度，生物填料具有对氨氮吸附平衡性能，可以维持适宜的游离氨浓度，从而选择性抑制亚硝酸盐氧化菌活性，实现低氨氮废水稳定亚硝化，为后续连接的厌氧氨氧化工艺提供了稳定的进水条件。

综上所述，为了简化运行操作，提高反应生物量，强化厌氧氨氧化脱氨效果，维持反应器长期运行，本发明开发了一种污水处理的高效生物脱氮工艺，采用沸石作为流化填料，活性炭纤维作为固定纤维填料，吸附氨氮，优化生物群落结构与微生态环境，促进富集功能菌群，强化厌氧氨氧化过程，本发明在运行性能降低时启动加药系统加药，采用底部曝气实现内循环，使装置长期稳定运行，采用分区控制，在反应器内形成相对好氧和相对缺氧区，具有结构简单紧凑、操作方便、脱氨效果好、节能高效、环境友好等优点。

技术实现要素：

本发明要解决的问题在于：针对以硝化-反硝化为核心的传统生物脱氮工艺能耗大、流程长、效率低，基于厌氧氨氧化技术的生物脱氮工艺控制难、运行性能不稳定的问题，本发明提供了一种结构简单紧凑、流场优化、操作方便、易于控制、能耗低且长期运行性能稳定的污水处理的高效生物脱氮工艺。

本发明提出的一种污水处理的高效生物脱氮工艺，其特征如下：所述工艺是一种采用污水处理的高效生物脱氮装置来处理低浓度氨氮污水的工艺；所述工艺由高效生物脱氮装置主体、沉淀池、恒温系统、进水系统、曝气系统、加药系统构成；所述高效生物脱氮装置主体由恒温水浴层、外筒、筒形导流器、内腔和三角导流器、流化填料、固定纤维填料和加药系统构成；根据装置结构和功能特点划分为底部进水曝气区、中心上向流区、外侧下向流区、周边出水区和固定填料区；所述恒温水浴层设有恒温层进水口和恒温层出水口；所述外筒由上部圆筒和下部倒圆台连接而成，所述上部圆筒设有出水口、加药口、固定纤维填料i、环状开孔加药管和固定支座，所述下部倒圆台下底面设有进水口、进气口和排泥口，所述进气口位于底面正中心，进水口位于其一侧并伸入三角导流器内部，通过直角弯头与进气混合；所述筒形导流器由中空圆筒i和外壁的固定支架i构成；所述内腔由固定支架ii、固定纤维填料ii和中空圆筒ii构成；所述三角导流器由固定支架iii和中空导流筒构成；所述污水处理的生物脱氮工艺包括以下步骤：

1)在所述装置主体内部填充20％～30％倍体积的流化填料；

2)进水系统将含氨氮废水从下部倒圆台底部的进水口泵入，与流化填料混合，混合液经曝气后通过三角导流器，从三角导流器的内侧流入内腔的内侧，流出后经筒形导流器导流，使上升混合液向下流，由内腔外侧底部进入内侧实现内循环，经处理后由装置主体内部上部的出水口流入沉淀池，最后从沉淀池出水口排出；

3)曝气系统将进气泵入下部倒圆台内部中心位置；

4)加药系统通过加药泵将药剂泵入加药口，然后通过环状开孔加药管将药剂注入高效生物脱氮装置主体内部；所述工艺添加的流化填料为沸石，固定纤维填料为活性炭纤维；所述装置在底部曝气形成上升气流来实现内循环；所述工艺通过加药系统向反应器内投加药剂强化脱氮效果。

所述装置恒温水浴层厚度为2～5cm，其上设有恒温层进水口和恒温层出水口；所述上部圆筒高径比为1.2～2，内壁设置固定支座、出水口、加药口、固定纤维填料和环状开孔加药管；所述下部倒圆台上底面与上部圆筒相接，直径相同，下底面直径为上部圆筒直径的0.2～0.5倍，下部倒圆台高为下底面直径的1.2～2倍；所述固定支座设有3组，分别用于固定筒形导流器、内腔和三角导流器，每组数量为2～4个；所述固定纤维填料i采用活性炭纤维，从出水口下方沿内壁开始安放，所述固定纤维填料i安放高度为上部圆筒高度的0.5～0.85倍，厚度为0.2～5cm；所述环状开孔加药管与加药口相连接，所述环状开孔加药管固定高度位于固定纤维填料i的1/10～1/2处，与加药口相水平，管径为5～10mm，开孔孔径为1～2mm；所述进气口位于倒圆台下底面正中心；所述进水口位于进气口左侧0.5～2cm处，且伸入三角导流器内部，通过直角弯头使进水与进气混合；所述排泥口位于进气口右侧0.5～2cm处。所述中空圆筒ii高径比为2～8；所述中空圆筒i直径为外筒内径的0.4～0.6倍；所述中空导流筒由上端柱体和下端台体相连而成，其上端面直径为中空圆筒ii直径的0.4～0.6倍，下端面直径为上端面的2～4倍，中空导流筒高为上端面直径的1.5～3倍。

所述流化填料是将沸石研磨粉碎过30～200目标准筛，然后投加5～15g/l的剂量在所述高效生物脱氮装置主体内部；所述沸石随混合液在高效生物脱氮装置主体内部内循环；所述沸石孔隙率为30％～50％，孔容为0.08～0.20cm³/g，比表面积为50～500m²/g，孔容为0.08～0.20cm³/g，吸附容量为7.00～20.00mg/g。

所述固定纤维填料i和固定纤维填料ii选用活性炭纤维；所述活性炭纤维比表面积为bet800～1200m²/g，干重为80～150g/m²，厚度为0.2～5cm，平均孔径为1～4nm；所述固定纤维填料i固定在出水口下方的上部圆筒内壁上，固定纤维填料i高度为上部圆筒高度的0.5～0.85倍；所述固定纤维填料ii固定于中空圆筒ii的外壁；所述固定纤维填料上适量蓄积生物膜，当出水悬浮固体浓度过量时启动排泥泵进行排泥。

所述工艺采用自控设备监测反应器内混合液中悬浮固体浓度；所述工艺反应器混合液中悬浮固体浓度大于60g/l时，自控设备启动排泥泵，对高效生物脱氮装置主体进行排泥。

所述工艺脱氮效果下降至总氮去除率低于50％时启动加药泵，将药剂泵入加药口从而进入装置主体；所述药剂为厌氧氨氧化的中间产物、高氯酸、次氯酸、次溴酸或亚硝酸；所述药剂投加量为1～5mg/l；所述加药系统中环状开孔加药管沿上部圆筒内壁安放，与加药口相连接，管径为5～10mm，开孔孔径为1～2mm，环状开孔加药管固定高度位于固定纤维填料i的1/10～1/2处。

所述污水处理的生物脱氮工艺运行时先分别接种20％～60％高效生物脱氮装置主体体积的硝化污泥与20％～60％高效生物脱氮装置主体体积的厌氧氨氧化污泥到高效生物脱氮装置主体内，然后开始启动反应器；所述工艺通过进水系统将低浓度氨氮污水泵入装置主体，进水氨氮浓度为40～80mg/l，hrt为2～12h；所述工艺运行时高效生物脱氮装置主体内部温度维持为25℃～40℃，采用空气泵连续曝气，曝气率为0～6m³空气/m³/h，装置主体内部溶解氧浓度为0～2mg/l，ph为7～8.5。

所述工艺的工作模式设定为低浓度氨氮污水进入高效生物脱氮装置主体底部进水曝气区，从而进入中心向上流区，流经外侧下向流区，从周边出水区的出水口出水；曝气系统所用曝气头安置于高效生物脱氮装置主体下部倒圆台底板中心位置；恒温系统所用恒温水经恒温箱处理，然后泵入恒温层上部进水口，从恒温层下部出水口流出，最后进入恒温箱往复循环。

与现有主流部分亚硝化厌氧氨氧化工艺相比，本发明具有明显优势：

1)本发明在高效生物脱氮装置主体底部曝气，形成上升气流，带动底部沸石流化填料和悬浮污泥向上流动，进水在此混合后，经过三角导流器进入内腔后继续上升，经筒形导流器导流后向下流，再次进入内腔，形成混合液内部自循环的过程；

2)本发明在高效生物脱氮装置主体内部通过三角导流器与内腔将装置主体分成相对好氧区与相对厌氧区，此外本发明利用沸石流化吸附剂联合活性炭纤维固定床，可实现部分亚硝化-厌氧氨氧化工艺在低氨氮污水生物处理中稳定运行；通过投加沸石吸附剂，利用沸石对氨氮的吸附作用，在低氨氮废水的环境中形成局部较高的氨氮浓度，促进氨氧化菌的生长与富集，抑制亚硝酸盐氧化菌，实现氨氮废水稳定亚硝化，为后续厌氧氨氧化工艺提供稳定的进水条件；通过设计活性炭纤维固定床，可吸附大量剩余部分氨氮，为厌氧氨氧化过程提供充足的基质，活性炭纤维具有表面积大、亲和性高的特点，为厌氧氨氧化菌的生长繁殖提供着生附着或穴居条件，可选择性富集厌氧氨氧化菌，优化生物群落结构，吸附水中氨氮，强化脱氮效果；

3)本发明在高效生物脱氮装置主体内部设置投药点，在出水效果变差时加入厌氧氨氧化的中间产物、高氯酸、次氯酸、次溴酸或亚硝酸以解除亚硝酸盐对厌氧氨氧化菌的抑制，强化厌氧氨氧化过程，提高反应器中厌氧氨氧化菌活性，抑制其中亚硝酸盐氧化菌与异养菌的活性，以维持反应器长期稳定运行，维持脱氮效果；

4)本发明采用自控设备监测反应器混合液中悬浮固体浓度，在工艺反应器混合液中悬浮固体浓度过大时，自控设备启动排泥泵排泥，操作方便，易于控制处理效果；

5)本发明高效生物脱氮装置主体为部分亚硝化-厌氧氨氧化技术的一体式反应器，其独特的圆筒形内部设计结构，实现了反应器流场的优化、内部自动循环，具有占地小、流程短、操作简单、控制方便的特点。

综上，本发明采用沸石作为流化填料，活性炭纤维作为固定纤维填料，吸附氨氮，优化生物群落结构与微生态环境，促进富集功能菌群，强化厌氧氨氧化过程，本发明使用加药系统控制加药，采用底部曝气实现内循环，使装置长期稳定运行，采用分区控制，在反应器内形成相对好氧和相对缺氧区，具有结构简单紧凑、操作方便、脱氨效果好、节能高效、环境友好等优点。

附图说明

图1是一种污水处理的高效生物脱氮工艺流程示意图。

图2是装置分区示意图。

图例说明

(1)、恒温系统

(1-1)、恒温层进水口(1-2)、恒温层出水口

(1-3)、恒温槽(1-4)、恒温水浴层

(2)、高效生物脱氮装置主体

(2-1)、出水口(2-2)、进水口

(2-3)、进气口(2-4)、排泥口

(2-5)、加药口(2-6)、固定支座

(2-7)、环状开孔加药管(2-8)、固定纤维填料i

(2-9)、上部圆筒(2-10)、下部倒圆台

(2-11)、外筒(2-12)、排泥泵

(3)、筒形导流器

(3-1)、中空圆筒i(3-2)、固定支架i

(4)、内腔

(4-1)、固定支架ii(4-2)、固定纤维填料ii

(4-3)、中空圆筒ii

(5)、三角导流器

(5-1)、固定支架iii(5-2)、中空导流筒

(6)、流化填料

(7)、沉淀池

(7-1)、沉淀池进水口(7-2)、沉淀池出水口

(7-3)、沉淀池排泥口

(8)、进水系统

(8-1)、基质桶(8-2)、进水泵

(9)、曝气系统

(9-1)、空气泵(9-2)、气体流量计

(10)、加药系统

(10-1)、加药盒(10-2)、加药泵

(11)、固定纤维填料(12)、自控设备

(13)、中心上向流区(14)、外侧下向流区

(15)、周边出水区(16)、固定填料区

(17)、底部进水曝气区

具体实施方式

下面以具体实施例的方式来对本发明进行详细阐述。

一种污水处理的高效生物脱氮工艺主要由高效生物脱氮装置主体(2)、沉淀池(7)、恒温系统(1)、进水系统(8)、曝气系统(9)、加药系统(10)构成。

所述恒温系统(1)由恒温水浴层(1-4)、恒温层进水口(1-1)(孔口直径7mm)和恒温层出水口(1-2)(孔口直径7mm)构成。

所诉外筒(2-11)由上部圆筒(2-9)(高290mm，直径210mm)和下部倒圆台(2-10)(上底面直径210mm，下底面直径50mm，高60mm)构成；所述上部圆筒(2-9)设有出水口(2-1)(孔口直径7mm)、加药口(2-5)(孔口直径7mm)、固定纤维填料i(2-8)(厚度30mm)、环状开孔加药管(2-7)(管径5mm、孔径1mm)和固定支座(2-6)；所述出水口(2-1)设于距装置顶端20mm处；所述加药口(2-5)设于距装置顶端60mm处；所述环状开孔加药管(2-7)沿上部圆筒内壁安放；所述固定纤维填料i(2-8)采用活性炭纤维，设于距装置顶端32mm处，高度为240mm；所述固定支座(2-6)设有3组，每组4个，高度依次距顶端5mm、195mm和272mm；所述下部倒圆台(2-10)下底面设有进水口(2-2)，其孔口直径为7mm、进气口(2-3)，其孔口直径为7mm和排泥口(2-4)其孔口直径为7mm；所述进气口(2-3)位于底面正中心；所述进水口(2-2)位于进气口(2-3)左侧10mm处，并伸入三角导流器(5)内，通过直角弯头与进气混合；所述排泥口(2-4)位于进气口(2-3)右侧10mm处。所述筒形导流器(3)由中空圆筒i(3-1)(高118mm，直径110mm)和固定支架i(3-2)构成；所述中空圆筒i(3-1)顶端距装置顶端7mm；所述固定支架i(3-2)设于距中空圆筒i(3-1)顶端5mm处，数量为4个；所述内腔(4)由固定支架ii(4-1)、固定纤维填料ii(4-2)(厚度10mm)和中空圆筒ii(4-3)(高200mm，直径50mm)构成；所述固定支架ii(4-1)设置距中空圆筒ii(4-3)顶端15mm处，数量为4个；所述固定纤维填料ii(4-2)采用活性炭纤维，设于中空圆筒ii(4-3)的外壁；所述中空圆筒ii(4-3)安放高度距装置顶端50mm；所述三角导流器(5)由固定支架iii(5-1)和中空导流筒(5-2)组成；所述中空导流筒(5-2)由上端柱体(高35mm，直径30mm)和下端台体(上底面直径30mm，下底面直径100mm，高30mm)组成，中空导流筒(5-2)顶端与内腔(4)底端相水平；所述固定支架iii(5-1)设于距中空导流筒(5-2)顶端27mm处，数量为4个。

所述固定纤维填料(11)选用比表面积为bet1000m²/g，克重120g/m²的活性炭纤维。

所述流化填料(6)是将沸石研磨粉碎过30～200目标准筛，然后投加10g/l的剂量在所述高效生物脱氮装置主体(2)内部；所述沸石随混合液在高效生物脱氮装置主体(2)内部内循环；所述沸石密度小于2.0g/cm³、比表面积为200～400m²/g，孔容为0.0891cm³/g，吸附容量为7.00～20.00mg/g。

所述加药系统(10)中环状开孔加药管(2-7)沿上部圆筒(2-9)内壁安放，与加药口(2-5)相连接，管径为5～10mm，开孔孔径为1～2mm，环状开孔加药管(2-7)固定高度位于固定纤维填料i(2-8)的1/10～1/2处；所述工艺脱氮效果下降至总氮去除率低于50％时启动加药泵(10-2)，将药剂泵入高效生物脱氮装置主体(2)；所述药剂为厌氧氨氧化的中间产物，投加量为1～5mg/l。

所述工艺采用自控设备(12)监测反应器中悬浮固体浓度；所述工艺反应器中悬浮固体浓度大于60g/l时，自控设备(12)启动排泥泵(2-12)，对高效生物脱氮装置主体(2)进行排泥。

所述污水处理的高效生物脱氮工艺包括以下步骤：

1)所述高效生物脱氮装置主体设计有效容积为4.86l；根据反应器有效容积将流化填料以10g/l的投加量投加进主反应器内，投加量为48.6g；

2)将固定纤维填料固定在装置主体内壁以及中空圆筒外壁；

3)取污水处理厂的硝化污泥1.5l于主反应装置中，在实验室培养驯化的厌氧氨氧化污泥取1.5l接种于活性炭纤维固定床；

4)以碳酸氢铵为进水唯一氮源，添加微量元素溶液进行模拟污水配制，进水氨氮浓度为46.5～53.8mg/l，ph＝7.5～8.5，温度为32～36℃；开启水泵从装置主体下部倒圆台底部进水口进水，污水泵入后与流化填料混合，混合液经曝气后从三角导流器的内侧流入内腔的内侧，流出后经中空导流器导流向下流，然后进入内侧实现内循环，出水由出水管流入沉淀池，最后从沉淀池上端出水管排出；

5)进水同时启动曝气，曝气量为37.04l空气/l，水力停留时间为6h，控制内腔溶解氧浓度为0.3～0.5mg/l，活性炭纤维固定床溶解氧浓度为0.05mg/l；

6)装置启动后采用自控设备监测反应器内悬浮固体浓度。当反应器中悬浮固体浓度大于60g/l时，自控设备启动排泥泵，对装置主体进行排泥；

7)分别采用纳氏试剂分光光度法、碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法和红外光散射法检测进出水氨氮和总氮指标以及悬浮固体浓度，当总氮去除率小于50％时，自控设备开启加药泵将厌氧氨氧化的中间产物泵入装置主体，投加量为1～5mg/l。

连续运行95天后，氨氮和总氮的去除率分别达到89.7％和73.5％，且运行性能保持稳定。