一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法
2023-07-12 14:22:56 1
專利名稱：一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法
技術領域：
本發明涉及一種汙水深度處理方法，尤其是涉及一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法。
背景技術：
目前針對有機碳源含量低的汙水的脫氮處理，仍以懸浮式活性汙泥法為主要工藝，由於有機物負荷低，汙泥活性較低且易解體。實踐中常結合物化絮凝的措施強化活性汙泥絮體的穩定性，但往往會增加汙泥中有機高分子物質的含量，加大剩餘汙泥處置難度。為了避免懸浮式活性汙泥法工藝的不足，生物膜 處理技術的應用越來越廣泛。目前直接用於汙水生物處理過程的生物膜反應池中，多採用聚乙烯材料填料為生物膜載體，如(半)軟性填料、組合式填料、彈性填料、球形或斜管形填料等。這些填料的優點是比表面積大、穩定性好、不易堵塞；缺點是溶解氧傳質阻力大、內層生物膜老化後形成大量死泥，造成汙泥產量大，生物膜活性低。粒狀濾料作為生物膜載體主要用於汙水深度處理過程中，主要有各種陶粒、無煙煤等，其優點是穩定性好、比表面積較大、表面生物膜隨水流或氣流剪切力作用而更新快，生物膜活性高，溶解氧傳質好等；缺點是顆粒間空隙小，容易堵塞。本研究針對低有機濃度、低碳氮比汙水的水質特點，提出以當量粒徑為5_左右的粒狀頁巖陶粒，和當量粒徑為5_左右且中孔發達的顆粒活性炭分別作為限氧和缺氧生物膜載體，在充分發揮粒狀填料優勢的基礎上，利用原水有機底物濃度低的特點，運行中通過水流和氣流的剪切作用，削弱了粒狀濾料層易堵塞的不足。同時，發揮頁巖陶粒內含有多種礦物質，利於生物膜生長的特點，來完善限氧段生物膜結構，促進短程硝化反硝化發生；利用缺氧段顆粒活性炭對有機物的選擇吸附特性，通過延長難降解有機物的停留時間來增強其生物利用率，並促進缺氧段的脫氮進程。傳統的好氧硝化、缺氧反硝化生物脫氮過程中，有研究表明，當原水C0D/TKN >
8.O時，反硝化所需有機碳源才較充足。對於低碳氮比汙水尤其是C0D/TKN < 5. O的我國南方大部分城市汙水而言，傳統生物脫氮效能常因有機碳源不足而受到限制。本發明的立足點是通過限氧-缺氧組合生物膜過程，在限氧段採用多孔頁巖陶粒作為濾料，發揮其富微生物微量營養元素的優勢，促進生物膜生長，並通過限氧條件，完善並穩定生物膜內好氧、缺氧微區共存的結構，實現限氧生物膜段部分全程硝化和同時硝化反硝化效能，同時強化短程硝化，以實現出水中氨氮與亞硝酸鹽氮含量相當，為後續缺氧段的厭氧氨氧化脫氮提供有利的水質條件；在缺氧段利用中孔發達的顆粒活性炭對限氧段出水中難降解有機物進一步吸附，延長難降解有機物在缺氧段的停留時間，提高其生物利用率，優化有機碳源用於異養反硝化脫氮的應用過程，並通過優化環境條件和進水水質條件促進厭氧氨氧化脫氮的發生，實現異養與自養複合脫氮效能，進而達到低碳氮比汙水的深度生物脫氮效能。
發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種對低有機濃度、低碳氮比汙水經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，包括以下步驟
(I)將限氧生物膜反應器及缺氧生物膜反應器串聯；(2)調節限氧生物膜反應器內的溶解氧、汙水停留時間及生物固體停留時間，在限氧生物膜反應器內對汙水進行短程硝化、部分全程硝化及同時硝化反硝化脫氮，控制限氧生物膜反應器出水中氨氮與亞硝酸鹽氮含量比接近I : 1，實現部分脫氮效能；(3)調節缺氧生物膜反應器內汙水停留時間及生物固體停留時間，在缺氧生物膜反應器內對汙水進行異養反硝化脫氮及厭氧氨氧化脫氮，實現異養與自養同時脫氮效能。所述的汙水在限氧生物膜反應器中的停留時間為4 6h，生物固體在限氧生物膜反應器中的停留時間為7 10天；所述的汙水在缺氧生物膜反應器中的停留時間為10h，生物固體在缺氧生物膜反應器中的停留時間為30天。汙水為低有機物濃度、低碳氮比汙水，汙水中氮主要存在形態為氨氮與有機氮。所述的低有機濃度是指COD含量為80 150mg/L。所述的低碳氮比是指C0D/TN為2. 5
4.5。所述的限氧生物膜反應器包括集泥鬥、配水配氣室、進水管、進氣管、承託層、濾層及出水區，所述的集泥鬥設在反應器底部，所述的配水配氣室設在集泥鬥上部，所述的進水管及進氣管設在配水配氣室兩側，汙水及空氣經進水管及進氣管進入反應器，所述的濾層經承託層支撐在配水配氣室的上部，所述的出水區設在濾層的上部。所述的缺氧生物膜反應器包括集泥鬥、配水配氣室、進水管、反衝洗氣管、承託層、濾層及出水區，所述的集泥鬥設在反應器底部，所述的配水配氣室設在集泥鬥上部，所述的進水管及反衝洗氣管設在集泥鬥兩側，汙水經進水管進入反應器，所述的濾層經承託層支撐在配水配氣室的上部，所述的出水區設在濾層的上部。所述的限氧生物膜反應器濾層內的濾料為頁巖陶粒，頁巖陶粒的粒徑為3 5_，其化學成分包括SiO2、Al2O3及Fe2O3。所述的缺氧生物膜反應器濾層內的濾料為煤質顆粒活性炭，煤質顆粒活性炭的粒徑為4 6mm,中孔發達。所述的限氧生物膜反應器對汙水過濾時採用氣、水同向的升流模式，缺氧生物膜反應器對汙水過濾時採用水升流模式。採用連續水衝、間歇氣衝的方式對限氧生物膜反應器中的頁巖陶粒及缺氧生物膜反應器中的顆粒活性炭上的生物膜進行更新。與現有技術相比，本發明具有以下優點(I)通過調節限氧池溶解氧(D0)、水力停留時間、固體停留時間(過濾周期)等操作，實現強化限氧段短程硝化，部分全程硝化和適度同時硝化反硝化的處理效能，達到出水氨氮與亞硝酸鹽氮含量比接近I : I的水平，並實現部分脫氮效能；(2)通過缺氧段活性炭對限氧段出水中難降解有機物的吸附，提高其在生物降解過程的利用率，促進異養反硝化脫氮進程，同時，利用顆粒活性炭表面異養、自養的生物膜分區結構，結合缺氧段進水氨氮與亞硝酸鹽氮的相對含量，調節缺氧段生物固體停留時間，促進厭氧氨氧化與傳統異養反硝化共存的脫氮過程，進而削弱缺氧區脫氮對有機碳源的依賴性，實現對低有機濃度、低碳氮比汙水的深度脫氮效果。
圖I為本發明的流程圖；圖2為限氧生物膜反應器的結構示意圖；圖3為缺氧生物膜反應器的結構示意圖。圖中I為集泥鬥、2為配水配氣室、3為承託層、4為濾層、5為出水區、6為出水槽、7為放空管、8為濾頭、9為過濾進水管、10為反衝水管、11為進水管、12為過濾進氣管、13為反衝氣管、14為進氣管、15為出水管。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，其流程如圖I所示，採用限氧生物膜反應器及缺氧生物膜反應器串聯的處理模式。限氧生物膜反應器的結構如圖2所示，從下到上依次為放空管7、集泥鬥I、配水配氣室2、圓柱形濾層4、出水區5 ;配水配氣室中下部設進水管11和進氣管14，其中進水管連接過濾進水管9和反衝進水管10，進氣管連接過濾曝氣管12和反衝氣管13 ;承託層3上布設濾頭8 ;出水區上部設周邊出水槽6，連接出水管15。缺氧生物膜反應器的結構如圖3所示，從下到上依次為放空管7、集泥鬥I、配水配氣室2、圓柱形濾層4、出水區5 ;配水配氣室中下部設進水管11和反衝氣管13，其中進水管連接過濾進水管9和反衝進水管10 ;承託層3上布設濾頭8 ;出水區上部設周邊出水槽6，連接出水管15。限氧生物膜反應器的結構參數均為集泥鬥I高O. 5m、進水區高O. 5m、配水配氣室2高O. 5m、濾層4高I. 0m、濾層4的內徑為O. 8m、出水區5高I. Om,設有保護高O. 3m,反應器總高3. 8m。缺氧生物膜反應器的結構參數均為集泥鬥I高O. 5m、進水區高O. 5m、配水配氣室2高O. 5m、濾層4高I. Om、濾層4的內徑為I. 2m、出水區5高I. Om，設有保護高O. 3m,反應器總高3. 8m。為了促進限氧段生物膜的形成，限氧生物膜反應器的濾層4內採用頁巖陶粒濾料，該頁巖陶粒具有足夠的機械強度，耐磨損，化學性能穩定，表面粗糙具有稜角、空隙率大、比表面積高、吸附性能好、密度適宜且含有多種微生物生長所需的微量營養物質，利於生物膜生長，其物理性能參數為粒徑3 5mm、堆積密度彡I. Og/cm3、筒壓強度彡6. 5Mpa、空隙率彡45%。為了促進缺氧生物膜反應器內生物膜內異養、自養菌群的分區結構形成，並保證一定的空隙率，所選擇的煤質顆粒活性炭需具有足夠的機械強度，耐磨損，化學性質穩定，表面粗糙、比表面積大、中孔發達，對有機物吸附性能好。其物理性能參數為粒徑4 6mm，空隙率彡40%。
本發明適於低有機濃度、低碳氮比汙水的深度生物脫氮處理，進水水質特點是有機碳源含量低、原水碳氮比低、氮的存在形態主要為氨氮或有機氮。在限氧生物膜反應器中，正常過濾時，汙水和壓縮空氣首先進入配水配氣室2，在濾頭8的作用下，汙水和氣泡均勻進入濾層4，汙水和氣泡在濾料孔隙穿過，汙染物和溶解氧(DO)在孔隙水流和濾料表面生物膜間進行傳質，並被生物膜內複合菌群生化轉化，出水由出水槽6進入出水管15。缺氧生物膜反應器的過濾過程與限氧生物膜反應器的不同在於，前者無需供氧。在限氧濾層內氣、水同向流的運行過程中，濾料表面微孔結構致溶解氧(DO)傳質不均，且隨生物膜的增厚削弱溶解氧(DO)傳質，且通過限制溶解氧(DO)的供應，促進濾料表面生物膜形成好氧、缺氧微區共存的結構，進而實現強化短程硝化、部分全程硝化和同時硝化反硝化的發生，在保證出水氨氮與亞硝酸鹽氮相對含量接近I : I的前提下，達到20 30%的脫氮率。在缺氧生物膜反應器中，雖然原水經限氧生物膜反應器處理後，其有機碳源含量更低，且可生物降解性較差，但通過活性炭對其吸附，延長其在缺氧段的停留時間，在生物利用速率較慢的情況下，提高其利用率，相當於促進了以此部分有機物為碳源的 異養反硝化進程；同時，利用缺氧段進水中氨氮與亞硝酸鹽氮含量相當的特性，以及缺氧段生物膜中自養與異養分區共存的特性，適度延長生物固體停留時間(過濾周期)，促進厭氧氨氧化過程的發生，進而實現厭氧氨氧化與傳統異養反硝化共存，削弱傳統異養脫氮過程對有機碳源的依賴程度，從而提高低碳氮比汙水的脫氮效率。本發明通過調整兩級生物膜反應器分別為限氧和缺氧環境，進而分別強化短程硝化和缺氧段自養、異養同時脫氮效能，實現深度脫氮。通過調整限氧生物膜反應器的溶解氧(DO)和水力停留時間(HRT)，實現短程硝化，達到出水中氨氮和亞硝酸鹽氮相對含量接近厭氧氨氧化的發生條件(NH4+-N NO2--N = I I. 13)，同時調節缺氧段水力停留時間(HRT)，利用活性炭對有機物的吸附特性，提高有機碳源在缺氧段的利用率，在平衡異養反硝化脫氮和厭氧氨氧化脫氮的過程中，提高COD和總氮去除效率。之所以選擇粒徑為4 6mm、中孔發達的煤質顆粒活性炭，是因為其一，粒徑為5mm的粒狀濾料層空隙率不低於40%，床層空隙率大可滿足生物膜生長的空間需要，避免因堵塞而頻繁反衝洗；其二，在生物膜形成的過程中，為避免顆粒活性炭表面孔隙結構堵塞，採用中孔發達的顆粒活性炭，可在生物膜形成後，仍然維持其多孔的結構特性，利於生物膜內不同區域的多種菌群分布，促進自養與異養的複合菌群結構；其三，採用煤質活性炭，主要出於對其機械強度和工程造價的考慮。在運行中，通過反衝洗過程，實現限氧段頁巖陶粒和缺氧段顆粒活性炭表面生物膜的更新，顆粒活性炭對有機物吸附效能主要通過其上生物膜對有機物的降解過程得以恢復。本發明的操作控制參數為限氧-缺氧組合生物膜處理過程在處理低有機濃度、低碳氮比城市汙水時，進水COD = 80 120mg/L、NH4+-N = 15 20mg/L、TN = 30mg/L 左右、COD/TN ^ 3 I 時，實現深度脫氮的工況參數為限氧池出水區DO = I. 5 2. 5mg/L, HRT為4h，過濾周期7 10天；缺氧池HRT為10h，過濾周期30天。限氧池處理出水COD為30 50mg/L(去除率為60% )、NH4+-N 為 10mg/L 左右、NOf-N 為 10mg/L 左右、NOf-N 為 5 10mg/L、TN 為 20mg/L 左右(去除率為20 30% );缺氧池處理出水(組合過程終端出水)COD為20 30mg/L (去除率為60% ), NH:-N為5 8mg/L(去除率為20 30% )、NOf-N為4_7mg/L(去除率為40% )、NO3--N為O 3mg/L(去除率為50% )、TN不超過15mg/L(去除率為30%左右)。通過限氧-缺氧組合生物膜處理流程能有效去除低有機濃度、低碳氮比汙水中的COD、NH4+-N、TN。經本發明方法處理後，出 水 COD ( 30mg/L、NH4+-N ( 8mg/L(水溫> 12°C時，NH4+-N ( 8mg/L)、TN ( 15mg/L,以上各指示均可達到國家《城鎮汙水處理廠汙染物排放標準》(GB18918-2002)的一級標準(A標準)要求。
權利要求
1.一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 (1)將限氧生物膜反應器及缺氧生物膜反應器串聯； (2)調節限氧生物膜反應器內的溶解氧、汙水停留時間及生物固體停留時間，在限氧生物膜反應器內實現短程硝化、部分全程硝化及同時硝化反硝化脫氮，控制限氧生物膜反應器出水中氨氮與亞硝酸鹽氮含量比接近I:I; (3)調節缺氧生物膜反應器內汙水停留時間及生物固體停留時間，在缺氧生物膜反應器內對汙水進行異養反硝化脫氮及厭氧氨氧化脫氮。
2.根據權利要求I所述的一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，其特徵在於，所述的汙水在限氧生物膜反應器中的停留時間為4 6h，生物固體在限氧生物膜反應器中的停留時間為7 10天；所述的汙水在缺氧生物膜反應器中的停留時間為10h，生物固體在缺氧生物膜反應器中的停留時間為30天。
3.根據權利要求I所述的一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，其特徵在於，所述的汙水為低有機物濃度、低碳氮比汙水，汙水中氮主要存在形態為氨氮與有機氮。
4.根據權利要求3所述的一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，其特徵在於，所述的低有機物濃度是指COD含量為80 150mg/L，所述的低碳氮比是指C0D/TN為2.5 4. 5。
5.根據權利要求I所述的一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，其特徵在於，所述的限氧生物膜反應器包括集泥鬥、配水配氣室、進水管、進氣管、承託層、濾層及出水區，所述的集泥鬥設在反應器底部，所述的配水配氣室設在集泥鬥上部，所述的進水管及進氣管設在配水配氣室兩側，汙水及空氣經進水管及進氣管進入反應器，所述的濾層經承託層支撐在配水配氣室的上部，所述的出水區設在濾層的上部。
6.根據權利要求I所述的一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，其特徵在於，所述的缺氧生物膜反應器包括集泥鬥、配水配氣室、進水管、反衝洗氣管、承託層、濾層及出水區，所述的集泥鬥設在反應器底部，所述的配水配氣室設在集泥鬥上部，所述的進水管及反衝洗氣管設在集泥鬥兩側，汙水經進水管進入反應器，所述的濾層經承託層支撐在配水配氣室的上部，所述的出水區設在濾層的上部。
7.根據權利要求I所述的一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，其特徵在於，所述的限氧生物膜反應器濾層內的濾料為頁巖陶粒，該頁巖陶粒的粒徑為3 5mm，其化學成分包括SiO2、Al2O3及Fe2O3。
8.根據權利要求I所述的一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，其特徵在於，所述的缺氧生物膜反應器濾層內的濾料為煤質顆粒活性炭，該煤質顆粒活性炭的粒徑為4 6mm,中孔發達。
9.根據權利要求I所述的一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，其特徵在於，所述的限氧生物膜反應器對汙水過濾時採用氣、水同向的升流模式，缺氧生物膜反應器對汙水過濾時採用水升流模式.
10.根據權利要求I所述的一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，其特徵在於，採用連續水衝、間歇氣衝的方式對限氧生物膜反應器中的頁巖陶粒及缺氧生物膜反應器中的顆粒活性炭上的生物膜進行更新。
全文摘要
本發明涉及一種經組合生物膜過程深度脫氮的汙水處理方法，將限氧生物膜反應器和缺氧生物膜反應器串聯；調節限氧生物膜反應器內的溶解氧、汙水停留時間及生物固體停留時間，實現短程硝化效能，並存在全程硝化及同時硝化反硝化脫氮，以達到限氧生物膜反應器出水中氨氮與亞硝酸鹽氮含量比接近1∶1；調節缺氧生物膜反應器內汙水停留時間及生物固體停留時間，利用活性炭對難降解有機物的吸附作用和限氧段的出水水質特性，實現異養反硝化脫氮及厭氧氨氧化脫氮。與現有技術相比，本發明通過限氧與缺氧組合式生物膜處理過程，實現限氧段強化短程硝化，缺氧段異養與自養同時脫氮效能，達到對低有機物濃度、低碳氮比汙水的深度脫氮效果。
文檔編號C02F3/30GK102689986SQ20121020250
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月18日 優先權日2012年6月18日
發明者丁毅, 孫倩, 徐文璐, 杜威, 楊娜, 王利鵬, 胡園園, 艾奇峰, 陳善佳, 陳秀榮, 陳鷺, 黃華 申請人:華東理工大學