高氨氮废水高效处理方法与流程

1.本发明涉及废水处理技术领域，特别涉及一种高氨氮废水高效处理方法。


背景技术：

2.由于水质指标的不同和工艺条件的限制，针对不同类别的废水，采用的处理技术有很大差异，如在中高浓度氨氮废水处理过程中常采用汽提回收技术、气提脱除、氨气脱气膜技术、化学沉淀等。而在低浓度氨氮废水处理中考虑到成本和效益问题常采用吸附法、生物法等。
3.(1)气提脱除法：含氮废水于碱性条件下，水中的铵离子将平衡移动至氨气相，再利用空气气提塔将氨气分离出来。建设费与管理费用便宜，且可去除高浓度氨氮废水，但需较大动力费用、并适当提升温度(低温下处理效能降低)。气提法的应用，引入了大量空气，目前多利用酸(如硫酸等)将氨气进行吸收，而产生高浓度的硫酸铵。然而此高浓度的硫酸铵副产物仍需要后续清运与处理，且随着环保越来越严格，后端的应用通路有很大问题。且尽管气提脱除法可以将大部分氨氮脱除，但处理后的废水中氨氮仍然高达100mg/l以上，无法直排，还需要后续深度处理。
4.(2)汽提回收法：含氮废水于碱性条件下，水中的铵离子转变成氨气，让废水与水蒸汽直接接触，使废水中的氨气挥发扩散到气相中，达到从废水中分离污染物的目的。与气提脱除不同之处，在于汽提回收是利用水将氨气进行吸收而不使用硫酸，故不会产生高浓度硫酸铵废液，其技术重点是加强前处理与高效率的汽提塔和吸收器的设计。
5.(3)氨气脱气膜：以蒸汽压力差做为驱动力的薄膜分离技术，操作温度约为40～80℃，也是利用ph值的调整，使废水中氨氮转换为氨气，此气相氨气再扩散穿越膜孔至疏水性薄膜另一端，由硫酸溶液进行吸收(absorption)程序，将其转换为硫酸铵((nh4)2so4)，但面临的技术难点为需提升通量、解决薄膜结垢难题，且硫酸铵副产物的后端处理难题。
6.(4)化学沉淀法：化学沉淀法是通过向水中投加化学药剂，使氨反应生成不溶于水的沉淀，从而达到废水脱氮的目的。一般所用的化学药剂为镁盐和可溶性磷酸盐，使污水中的氨氮和磷以鸟粪石(磷酸铵镁)的形式沉淀出来，同时回收污水中的氮和磷。化学沉淀法的氨氮脱除率一般为80％～90％，工艺比较简单、设备投资较少。但由于需要向废水中投加国家严格控制排放的磷酸盐(国家一级标准要求磷＜0.5mg/l),后续除磷要求很高，且还有后端磷酸铵镁资源化利用问题。
7.(5)吸附法：是一种或几种物质(称为吸附物)的浓度在另一种物质(称为吸附剂)表面上自动发生变化的过程，其实质是物质从液相或气相到固体表面的一种传质现象。吸附法是处理低浓度氨氮废水较有发展前景的方法之一。吸附法常利用多孔性固体作为吸附剂，处理低浓度氨氮废水较为理想的是离子交换吸附法，它属于交换吸附方法的一种，利用吸附剂上的可交换离子与废水中的nh
4+
发生交换并吸附nh3分子以达到去除水中氨的目的，是可逆过程，离子间的浓度差和吸附剂对离子的亲和力为吸附过程提供动力。一般只适用于低浓度氨氮废水，而对于高浓度的氨氮废水，使用吸附法会因吸附剂更换频繁而造成操
作困难，因此需要结合其他工艺来协同完成脱氮过程。
8.(6)折点氯化法：折点氯化法是污水处理工程中常用的一种脱氮工艺，其原理是将氯气通入氨氮废水中达到某一临界点，使氨氮氧化为氮气的化学过程。其处理效率高且效果稳定，去除率可达100％；该方法不受盐含量干扰，不受水温影响操作方便，有机物含量越少时氨氮处理效果越好，不产生沉淀，初期投资少，反应迅速完全能对水体起到杀菌消毒的作用。但折点氯化法仅适用于低浓度废水的处理，因此多用于氨氮废水的深度处理。该方法的缺点是：液氯消耗量大，费用较高，且对液氯的贮存和使用的安全要求较高，反应副产物氯胺和氯代有机物会对环境造成二次污染。
9.(7)生物法(biological method)：废水中的氨氮在各种微生物作用下，通过硝化、反硝化等一系列反应最终生成氮气，从而达到去除的目的，生物法具有操作简单、效果稳定、不产生二次污染且经济的优点，缺点占地面积大，处理效率易受温度和有毒物质等的影响且对运行管理要求较高。
10.总的来说，目前几种传统的氨氮废水处理技术都存在一定限制性，废水处理的效率并不高，尤其针对高氨氮废水的处理存在一些缺陷，随着含氮废水排放标准日趋严格下，传统的氨氮废水处理工艺已经难以满足光伏行业、硅片、半导体等新兴行业的废水处理需求，从而开发针对这些行业的高氨氮废水的高效处理工艺已成为当务之急。


技术实现要素：

11.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高氨氮废水高效处理方法。
12.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高氨氮废水高效处理方法，包括以下步骤：
13.1)高氨氮废水进入短程硝化-反硝化并联反应系统进行短程硝化-反硝化处理：
14.短程硝化-反硝化并联反应系统包括反硝化反应装置和设置在所述反硝化反应装置上方的短程硝化反应装置，高氨氮废水先进入反硝化反应装置进行反硝化反应，所述反硝化反应装置的出水溢流进入所述短程硝化反应装置进行短程硝化反应，所述短程硝化反应装置的一部分出水外排进行下一步处理，另一部分出水回流至所述反硝化反应装置中；
15.2)废水深处理：所述短程硝化反应装置外排的出水进行沉淀处理，沉淀上清液作为达标清水排出，沉淀污泥进入水解池处理，水解池的上部出水作为达标清水排出，水解池中的污泥回流至所述反硝化反应装置中。
16.优选的是，所述反硝化反应装置内填充有反硝化颗粒污泥，反硝化颗粒污泥浓度范围为4000～6000mg/l。
17.优选的是，其中，高氨氮废水从所述反硝化反应装置的底部进入，所述短程硝化反应装置回流的部分出水也从所述反硝化反应装置的底部进入且与进入的高氨氮废水对冲，使水质充分混合。
18.优选的是，在反硝化反应过程中，对所述反硝化反应装置内施加持续搅拌作用，在反硝化颗粒污泥作用下，废水中的硝态氮及亚硝态氮被转化为氮气，同时反硝化反应过程中会产生碱度，并提供至短程硝化反应过程；
19.所述反硝化反应装置的上部设置有过滤件，反硝化反应后的废水上升经所述过滤
件过滤后溢流排出，然后上升并由底部进入所述短程硝化反应装置，同时反硝化反应过程中产生的氮气被溢流夹带一同进入所述短程硝化反应装置；上升的反硝化颗粒污泥则被所述过滤件拦截回到下方的反硝化反应区。
20.优选的是，所述短程硝化反应装置内填充有短程硝化颗粒污泥，短程硝化颗粒污泥浓度范围为4000～6000mg/l。
21.优选的是，所述短程硝化反应装置的底部设置有微孔曝气系统，来自所述反硝化反应装置的废水和氮气产生的上升流以及所述微孔曝气系统产生的搅动力使短程硝化颗粒污泥与所述短程硝化反应装置内的废水充分混合，在短程硝化颗粒污泥作用下，废水中的氨氮被转化为亚硝态氮，同时废水中的有机物被降解，并消耗来自所述反硝化反应装置的废水中携带的碱度。
22.优选的是，所述短程硝化反应装置的上部设置有三相分离元件，用于对短程硝化反应后的产物进行气、液、固三相分离，气体外排，短程硝化颗粒污泥重新回到下方的短程硝化反应区，出水一部分回流至所述反硝化反应装置的底部，另一部分外排进行废水深处理。
23.优选的是，其中，所述反硝化反应装置和所述短程硝化反应装置的容积比为1：2～1.5：2。
24.优选的是，其中，所述反硝化反应装置的回流进水量：高氨氮废水进水量＝220％～280％。
25.优选的是，所述步骤2)具体包括：
26.将所述短程硝化反应装置外排的出水输送至沉淀池，并在沉淀池中加入絮凝剂进行沉淀处理；
27.沉淀池的上清液作为达标清水排出，沉淀池底部的污泥通过污泥泵泵入水解池；
28.按投加量为0.005～0.01g/g向水解池中投加十二烷基苯磺酸钠，进行水解处理，水解完成后，使携带水解过程中产生的短链脂肪酸的底部活性污泥回流，与高氨氮废水一同进入所述反硝化反应装置，为反硝化过程提供碳源；水解池的上部出水则作为达标清水排出。
29.优选的是，所述反硝化反应装置的回流污泥量：高氨氮废水进水量＝80％～100％。
30.本发明的有益效果是：
31.相较于短程硝化与反硝化反应装置串联连接、且需外加碳源的传统工艺，本发明提供的高氨氮废水高效处理方法采用短程硝化与反硝化反应装置并联式布置，无需外加碳源；本发明降低了曝气能耗，曝气能耗约节省20％，且废水与污泥在反应装置中呈现流体化状态，相互能充分接触，能高效处理高浓度氨氮废水(氨氮浓度1000～1500mg/l)，且本发明的工艺，利用了处理后污泥中的“内碳源”为反硝化过程提供碳源，能实现污泥的减量化和资源化，是高氨氮废水处理技术的一个新突破点。
32.本发明能为具有高氨氮、低c/n、低水量废水特征的光伏、硅片、半导体等行业废水提供一种新型、高效的针对性处理工艺，其处理效率高、无需外加碳源、可降低曝气能耗且能实现污泥减量化及资源化。
附图说明
33.图1为本发明的高氨氮废水高效处理方法的原理框图；
34.图2为传统生物脱氮过程和本发明的短程硝化反硝化过程的原理图；
35.图3为本发明的高氨氮废水高效处理方法的流程图；
36.图4为本发明中的搅拌装置的布置示意图。
37.附图标记说明：
38.1—短程硝化-反硝化并联反应系统；
39.2—反硝化反应装置；20—反硝化颗粒污泥；21—进水口；22—回水口；23—反硝化污泥进泥口；24—反硝化污泥出泥口；25—取样口；26—溢流槽；27—出水管；28—过滤网；29—搅拌装置；
40.3—短程硝化反应装置；30—短程硝化颗粒污泥；31—短程硝化污泥进泥口；32—短程硝化污泥出泥口；33—取样口；34—三相分离元件；35—排气口；36—微孔曝气系统；
41.4—横隔板；
42.5—沉淀池；
43.6—水解池；60—搅拌器。
具体实施方式
44.下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
45.应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
46.实施例1
47.参照图1，本实施例的一种高氨氮废水高效处理方法，包括以下步骤：
48.1)高氨氮废水进入短程硝化-反硝化并联反应系统1进行短程硝化-反硝化处理：
49.短程硝化-反硝化并联反应系统1包括反硝化反应装置2和设置在反硝化反应装置2上方的短程硝化反应装置3，高氨氮废水先进入反硝化反应装置2进行反硝化反应，反硝化反应装置2的出水溢流进入短程硝化反应装置3进行短程硝化反应，短程硝化反应装置3的一部分出水外排进行下一步处理，另一部分出水回流至反硝化反应装置2中；
50.2)废水深处理：短程硝化反应装置3外排的出水进行沉淀处理，沉淀上清液作为达标清水排出，沉淀污泥进入水解池6处理，水解池6的上部出水作为达标清水排出，水解池6中的污泥回流至反硝化反应装置2中。
51.参照图2a，为传统生物脱氮过程，图2b为本发明采用的短程硝化反硝化过程，相对于传统生物脱氮过程，短程硝化反硝化过程可节约氧气消耗量和碳源的消耗量。
52.本实施例中的高氨氮废水是指废水中氨氮浓度为1000～1500mg/l，硝态氮浓度≤500mg/l，cod浓度≤400mg/l，c/n＜0.3，废水水量≤500t/d。
53.参照图3，本实施例中，短程硝化-反硝化并联反应系统1整体为一个柱状容器，下面为反硝化反应装置2，上面为短程硝化反应装置3，中间通过横隔板4隔开，柱状容器整体可采用可选择用有机玻璃或不锈钢板等材质。反硝化反应装置2和短程硝化反应装置3的容积比为1：2～1.5：2。进一步的，反硝化反应装置2的有效容积为20l～30l，短程硝化反应装
置3的有效容积为40l。
54.本实施例中，反硝化反应装置2内填充有反硝化颗粒污泥20，反硝化颗粒污泥20浓度范围为4000～6000mg/l。反硝化反应装置2的底部设置有进水口21，进水口21的对侧设置有回水口22，反硝化反应装置2上还设置有反硝化污泥进泥口23和反硝化污泥出泥口24，用于向反硝化反应装置2中补充反硝化颗粒污泥20及将底部的反硝化颗粒污泥20排出，工作时，根据反应需要控制污泥的进出。
55.进一步的，在反硝化反应装置2的上部外侧壁上设有取样口25，用于抽取水样进行水质分析，上部内侧壁设有溢流槽26，溢流槽26槽体连通出水管27，该出水管27连通至短程硝化反应装置3的底部。
56.进一步的，反硝化反应装置2内部还设置有搅拌装置29，搅拌装置29可以为单个或多个，用于提供对反硝化反应装置2内的充分搅拌作用；例如，参照图4，在一种实施例中，拌装置包括四个，沿圆周方向均匀间隔布置。
57.其中，高氨氮废水从反硝化反应装置2底部的进水口21进入，短程硝化反应装置3回流的部分出水从反硝化反应装置2底部的回水口22进入，与高氨氮废水对冲，使水质能充分混合；且在反硝化反应过程中，通过搅拌装置29对反硝化反应装置2内施加持续搅拌作用，使得废水与反硝化颗粒污泥20能充分混合接触，在反硝化颗粒污泥20作用下，废水中的硝态氮及亚硝态氮被转化为氮气，同时反硝化反应过程中会产生碱度，并提供至短程硝化反应过程；
58.反硝化反应装置2的上部设置有过滤件，用于进行液、固两相分离，本实施例中为一过滤网28；反硝化反应后的废水上升经过滤网28过滤后进入溢流槽26，然后经反硝化反应装置2的出水管27进入短程硝化反应装置3的底部，同时反硝化反应过程中产生的氮气和碱度被溢流夹带一同进入短程硝化反应装置3；上升的反硝化颗粒污泥20则被过滤网28拦截回到下方的反硝化反应区。
59.传统的串联式短程硝化-反硝化反应装置2(短程硝化反应装置3与反硝化反应装置2单独设置，以串联形式连接，即反硝化反应装置2在前，短程硝化反应装置3在后)中，反硝化反应装置2上部需设置三相分离元件34，而本发明的并联式短程硝化-反硝化反应装置2中，反硝化反应装置2上部无需设置三相分离元件34，只需设置过滤网28，拦截上浮的反硝化颗粒污泥20，而反硝化阶段产生的氮气可随出水管27进入短程硝化反应装置3底部，同时能为短程硝化反应装置3起到增加曝气量的效果，如此可减少通入空气量，相当于降低了短程硝化反应中的曝气能耗。
60.本实施例中，短程硝化反应装置3内填充有短程硝化颗粒污泥30，短程硝化颗粒污泥30浓度范围为4000～6000mg/l。短程硝化反应装置3的底部设置有微孔曝气系统36，来自反硝化反应装置2的废水和氮气产生的上升流以及微孔曝气系统36产生的搅动力使短程硝化颗粒污泥30与短程硝化反应装置3内的废水充分混合，在短程硝化颗粒污泥30作用下，废水中的氨氮被转化为亚硝态氮，同时废水中的有机物被降解，并消耗来自反硝化反应装置2的废水中携带的碱度，可减少碱性药剂的使用量。相比传统硝化-反硝化工艺(氨氮需在供氧和碱度条件下被转化为硝态氮)，本发明的工艺可减少供氧量(曝气量)(理论上节省曝气量25％)以及减少碱度投加，因此可降低能耗。
61.其中，微孔曝气系统36采用微孔曝气膜片，此种运行方式提高了纳米气泡的产生
量(相比其他常规曝气器，进气量增加了一倍，相当于降低50％左右的能耗)，能增加气泡在水体中的停留时间，使氧气利用效率高和能源消耗低。工作过程中，根据短程硝化反应装置3内do(溶解氧)含量定期开启微孔曝气系统36，借助两侧进水水流(夹带氮气)产生的上升流以及微孔曝气系统36间歇曝气产生的搅动力使得短程硝化反应装置3内水质与短程硝化颗粒污泥30充分混合，使得颗粒污泥呈现流体化状态，本发明的工艺可省去短程硝化反应装置3内部增设搅拌装置29，降低能耗。
62.本实施例中，短程硝化反应装置3上设有短程硝化污泥进泥口31和短程硝化污泥出泥口32，用于向短程硝化反应装置3补充短程硝化颗粒污泥30及将底部的短程硝化颗粒污泥30排出，工作时，根据反应需要控制污泥的进出。进一步的，在短程硝化反应装置3的侧壁外部设有多个取样口33，延短程硝化反应装置3外壁均匀分布，用于抽取短程硝化反应装置3内不同位置水样，进行水质检测分析。
63.本实施例中，短程硝化反应装置3的上部设置有三相分离元件34，用于对短程硝化反应后的产物进行气、液、固三相分离，气体由排气口35外排，短程硝化颗粒污泥30重新回到下方的短程硝化反应区，澄清的出水一部分回流至反硝化反应装置2的底部，另一部分外排进行废水深处理。进一步的，其中，反硝化反应装置2的混合液回流比为220％～280％，即回流进水量：高氨氮废水进水量＝220％～280％；反硝化反应装置2污泥回流比为80％～100％，即回流污泥量：高氨氮废水进水量＝80％～100％。
64.本实施例中，步骤2)具体包括：
65.将短程硝化反应装置3外排的出水输送至沉淀池5，并在沉淀池5中加入絮凝剂进行沉淀处理；沉淀池5有效容积约为15～20l，材质可选用有机玻璃或不锈钢板；沉淀池5的上清液作为达标清水排出，沉淀池5底部的污泥通过污泥泵泵入水解池6。
66.按投加量为0.005～0.01g/g向水解池6中投加十二烷基苯磺酸钠，进行水解处理，水解池6有效容积约为15～20l，材质可选用有机玻璃或不锈钢板，水解完成后，使携带水解过程中产生的短链脂肪酸的底部活性污泥回流，与高氨氮废水一同进入反硝化反应装置2，为反硝化过程提供碳源；水解池6的上部出水则作为达标清水排出。其中，水解池6内设置有搅拌器60。
67.进入水解池6中的剩余污泥的主要成分为难降解的微生物菌体骨架并吸附了一部分待降解的污染物，其在水解池6中通过厌氧消化产生短链脂肪酸，该短链脂肪酸可替代甲醇等外加碳源，用于反硝化所需碳源，且其脱氮效果甚至优于外加碳源，脱氮速率是投加的外加碳源(甲醇)的脱氮速率的1.5倍。表面活性剂(十二烷基硫酸钠)可以提高剩余污泥的水解速率并抑制产甲烷过程，从而大幅度提高活性污泥产生短链脂肪酸的量。活性污泥再回流至反硝化反应装置2进行利用，能充分发掘活性污泥潜在的“内碳源”，以补充反硝化所需碳源，能提高本发明的工艺的绿色环保性、可持续性。
68.实施例2
69.本实施例提供了一种采用实施例1的方法进行高氨氮废水处理的应用实验。
70.本实施例中，高氨氮废水来自某光伏行业废气洗涤塔出水(高氨氮废水)，相关参数为：水量165m3/d，水质为ph 10.75、ss 10mg/l、cod 58mg/l、nh
4+-n 1418mg/l、硝态氮308mg/l、总氮1726mg/l、电导率2570us/cm。
71.本实施例中，短程硝化颗粒污泥30和反硝化颗粒污泥20由以下方法得到(其中，短
程硝化颗粒污泥30和反硝化颗粒污泥20是采用相同方式得到，区别仅在于培养驯化阶段采用人工配水水质不同，培养驯化短程硝化颗粒污泥采用水质为含氨氮水质，培养驯化反硝化颗粒污泥采用含亚硝态氮水质)：接种来自某污水处理厂二沉池的絮状污泥，污泥取回后先经过1个月的培养驯化后再投放至反硝化反应装置2和短程硝化反应装置3内，其中培养驯化阶段采用人工配水进行驯化，驯化好的污泥投放至反应装置内后，开启反应装置启动阶段，起初采用稀释原水的形式，逐步增加进水氨氮浓度的方式启动反应装置，初始氨氮浓度设置为100mg/l，当出水稳定后(出水氨氮去除率＞90％)逐步增加到200mg/l、400mg/l、600mg/l、800mg/l直至1000mg/l，每个阶段开始提高进水的浓度驯化5-7天，出水稳定至少1星期后开始下一阶段驯化，待反应装置启动完成后，开启100％原水进水，进行应用实验。
72.具体处理方法包括以下步骤：
73.1)高氨氮废水由进水口21泵入反硝化反应装置2，进水流量为2.5l/h，反应装置中的反硝化颗粒污泥20浓度为4620mg/l，ph控制在7.0-7.9之间，溶解氧do控制在0.2～0.5mg/l，开启搅拌，设置污泥回流比为100％，因水解池6中回流污泥能提供部分碳源，且根据反硝化反应装置2取水口检测可知，反应装置中c/n满足2～4范围要求，因此无需外加碳源，停留时间为8h，反应装置中亚硝态氮在反硝化菌作用下转化为氮气；
74.2)反硝化反应装置2处理后的废水上升被过滤网28过滤后，经溢流槽26进入出水管27，再从底部泵入短程硝化反应装置3内，短程硝化反应装置3中的短程硝化颗粒污泥30浓度为5160mg/l，ph控制在7.0-7.9之间，开启曝气系统，溶解氧do控制在2～4mg/l，设置混合液回流比为250％，停留时间为10h，短程硝化反应装置3中的氨氮在亚硝化菌作用下转化为亚硝态氮，经处理后的水经过三相分离元件34，气体经排气口35排出，污泥截留返回短程硝化反应工作区，出水一部分回流至反硝化反应装置2，一部分排至沉淀池5。
75.3)短程硝化反应装置3的出水进入沉淀池5沉淀后，沉淀池5内投入适量絮凝剂，污泥经絮凝后沉淀至沉淀池5底部并泵入水解池6，上部澄清出水达标排放；
76.4)沉淀池5污泥进入水解池6，向水解池6中投加0.007g/g表面活性剂(十二烷基苯磺酸钠)，开启搅拌器60，停留时间为12h，污泥经水解后得到的携带短链脂肪酸的活性污泥回流至反硝化反应装置2，为反硝化反应提供所需碳源，上部澄清出水达标排放。
77.经在线仪器检测分析及取样口取样分析得到，反应装置运行稳定后，短程硝化反应装置3中亚硝态氮累计率＞90％，氨氮去除率＞99.5％，反硝化反应装置2中亚硝态氮、硝态氮去除率＞99.2％，出水氨氮浓度为5.04mg/l、硝态氮浓度为4.85mg/l，总氮浓度为9.89mg/l，cod浓度为33mg/l。
78.传统生化工艺中，高浓度氨氮(氨氮浓度1000～1500mg/l)进水会使得反应系统崩溃，所以传统生化工艺仅适用于氨氮浓度低于500mg/l的废水，且要求废水可生化性好，c/n＞3；而包括光伏行业在内的一些行业中，因其内部制程原因，产生的氨氮废水特点为氨氮浓度高、cod浓度极低、可生化性差、硝态氮浓度低、废水水量少，针对此种废水特征，采用短程硝化-反硝化串联工艺，或传统生化(a/o)模式，已无法高效处理，且处理效率极低、能耗很大，需外加大量碳源，废水处理成本极高。而本发明的工艺能够实现具有该特征的高浓度氨氮废水的高效处理，且无需外加碳源，还能降低曝气能耗，还可实现污泥减量化及资源化。
79.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列
运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。