一種前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器及脫氮方法與流程
2023-05-02 23:49:46
本發明屬於廢水生物處理脫氮技術領域，具體涉及一種前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器及脫氮方法。
背景技術：
近年來，厭氧氨氧化作為一種新型的生物脫氮技術，因其具有高效的脫氮效能、無需有機物參與、處理成本低的特點而受到眾多研究者的青睞。厭氧氨氧化是指在厭氧的條件下厭氧氨氧化菌利用氨氮作為電子供體，亞硝氮作為電子受體進行生物反應，並轉化生成氮氣的過程。而亞硝化是指好氧的亞硝化菌利用分子氧將氨氮轉化為亞硝氮的過程。通過控制參數的調控可以實現廢水中氨氮部分轉化為亞硝氮，以適應後續厭氧氨氧化過程中氨氮與亞硝酸的反應比例，俗稱部分亞硝化。因此利用部分亞硝化反應與厭氧氨氧化反應結合可以實現高氨氮廢水的自養生物脫氮。與傳統的生物脫氮過程相比，部分亞硝化與厭氧氨氧化聯合工藝可以降低氧氣需求，脫氮效能高，極大地降低了動力和能源的消耗。
然而好氧產酸的亞硝化菌與產鹼的厭氧氨氧化菌存在溶解氧、pH等生理特性差異，很難在單一反應器內充分發揮各自的優勢。因此採用聯合工藝處理高氨氮廢水時，如何實現部分亞硝化與厭氧氨氧化的銜接變得非常重要。
目前已報導的部分亞硝化-厭氧氨氧化聯合工藝主要有兩種形式：一種是將兩種微生物放置在兩個裝置內單獨培養，通過串聯實現廢水部分亞硝化-厭氧氨氧化工藝聯合，例如：SBR+厭氧類反應器、SHARON+厭氧類反應器。然而，由於亞硝化菌具有較強的適應性，將亞硝化功能單獨放置在反應器內培養，易引起亞硝化菌生長，從而影響亞硝化效果長久穩定的運行；並且，厭氧氨氧化是一個pH值增大的反應，亞硝化是一個pH值減小的反應，採用亞硝化+厭氧氨氧化工藝需要分別加酸鹼調節兩個反應器的pH值，增加了工藝複雜性。
另一種是通過工藝條件控制實現兩種微生物在同一反應器內混合培養，例如OLAND工藝、CANON工藝。然而，由於厭氧氨氧化菌是嚴格厭氧菌，而亞硝化菌需要供氧來維持其代謝功能，將兩者混置在單一反應器中，無論如何限氧，溶解氧都會對厭氧氨氧化菌的脫氮效能產生影響。並且，這種工藝常通過間歇式曝氣提供亞硝化的需氧和厭氧氨氧化的無氧條件，對曝氣控制的要求高且較為複雜。
另外，部分亞硝化-厭氧氨氧化工藝在脫除氨氮的同時會產生11％硝酸鹽，導致在處理高氨氮廢水時很難達標排放。因此反硝化裝置在脫氮過程中變得尤為重要。而傳統的反硝化裝置需要大量的有機物才能實現硝酸鹽的去除。為此，利用存在水體中的有機物或者投加的電子供體，將此部分硝酸鹽再次轉化為亞硝酸鹽，供厭氧氨氧化菌使用，可極大地減少能源的消耗。
技術實現要素：
本發明的目的在於，提供一種前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器及脫氮方法，創造出有利於反硝化菌、亞硝化菌和厭氧氨氧化菌生長的環境，實現完全的自養生物脫氮。
為實現上述目的，本發明的技術方案如下：
一種前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器，該反應器包括好氧區3、厭氧區5和氣升裝置，其中，所述好氧區3包括下部的反應區14和上部由曝氣尾氣形成的集氣室4，反應區14的下部設置有曝氣裝置8，曝氣裝置8與風機連接，好氧區3內馴化或者接種用於亞硝化的亞硝化菌；
所述厭氧區5位於好氧區3的內部，好氧區3與厭氧區5連通，厭氧區5的頂部設有沉澱區7，沉澱區7的上部設置有出水口9；厭氧區5內馴化或者接種用於厭氧氨氧化的厭氧氨氧化菌；
所述氣升裝置包括導流管10和導氣管11；
該反應器還包括缺氧區2；所述缺氧區2位於好氧區3的外部，缺氧區2與好氧區3連通；所述缺氧區2的上部設有進水口1，進水口1與水泵連接；
所述導流管10的兩端分別與缺氧區2和沉澱區7連通，導氣管11的一端與集氣室4連通，另一端伸入導流管10位於缺氧區2的一端。
所述缺氧區2與好氧區3之間通過缺氧區與好氧區連接廊道13連通，缺氧區與好氧區連接廊道13的上端與缺氧區2連接，缺氧區與好氧區連接廊道13的下端與好氧區3連接。
所述缺氧區、好氧區與厭氧區的體積比為1:5-8:1。
一種採用所述的前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器的自養生物脫氮方法，包括如下步驟：
a)開啟水泵，高氨氮廢水通過缺氧區2進入好氧區3；
開啟風機，空氣依次通過曝氣裝置8進入好氧區3，好氧區3中的亞硝化菌在有氧的條件下將高氨低碳氮比廢水中的氨氮部分轉化為亞硝氮，得到含有氨氮和亞硝氮的廢水；
b)步驟a中得到的含有氨氮和亞硝氮的廢水進入厭氧區5，在厭氧氨氧化菌的作用下氨氮和亞硝氮轉化為氮氣和硝酸鹽，完成脫氮，得到含有硝酸鹽的廢水；
c)完成脫氮後，導流管10中為脫氮後含有硝酸鹽的廢水，集氣室4中為好氧區3曝氣後的尾氣，通過導氣管11將導流管10中含有硝酸鹽的廢水氣升入缺氧區2，利用原始高氨低碳氮比廢水中的有機物或者在缺氧區2中額外投加的電子供體將硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽，然後經過好氧區3再次進入厭氧區5參與厭氧氨氧化反應，實現廢水的自養生物脫氮。
本發明的有益效果在於：
1)本發明的前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器通過將反硝化菌、亞硝化菌與厭氧氨氧化菌在單一反應器內分區進行，實現半反硝化、亞硝化與厭氧氨氧化反應裝置的一體化，只需簡單控制就能保證三者的生長環境不相互影響。
2)本發明的前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器將亞硝化區的曝氣尾氣用於氣升，實現一體化反應器內液體的循環回流，有利於缺氧區、好氧區與厭氧區pH的酸鹼互補，同時將好氧區產生的亞硝酸鹽快速輸送至厭氧區供厭氧氨氧化使用，從而使硝化細菌處於飢餓狀態，限制硝化菌的生長。
3)本發明的前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器在無需額外能量消耗的情況下，提高厭氧區上升流速，增加泥水混合條件，促使厭氧區汙泥顆粒化。
4)本發明的前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器將厭氧氨氧化產生的硝酸鹽回流至缺氧區，可充分利用原水中的有機物或者其他電子供體進行半反硝化反應，將硝酸鹽反硝化至亞硝酸鹽階段。
5)本發明的前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器控制條件少且簡便易行，有利於高效穩定地實現自養生物脫氮，能夠避免pH值波動對反應器的衝擊，適應高氨氮濃度的進水。
附圖說明
圖1為本發明的前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器的結構示意圖。
附圖標記說明
1 進水管
2 缺氧區
3 好氧區
4 集氣室
5 厭氧區
6 好氧區與厭氧區連接廊道
7 沉澱區
8 曝氣裝置
9 出水管
10 導流管
11 導氣管
12 進氣管
13 缺氧區與好氧區連接廊道
14 反應區
具體實施方式
下面結合實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。
文中所述半反硝化的定義為在高氨氮廢水的自養生物脫氮過程中將硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽的過程。
本發明的前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器包括好氧區3、厭氧區5、缺氧區2和氣升裝置。
所述好氧區3包括下部的反應區14和上部由曝氣尾氣形成的集氣室4，反應區14的下部設置有曝氣裝置8，曝氣裝置8通過進氣管12與風機(圖中未示出)連接，好氧區3內馴化或者接種用於亞硝化的亞硝化菌和用於截留亞硝化菌的懸浮吸附填料。
所述厭氧區5位於好氧區3的內部，好氧區3與厭氧區5之間通過好氧區與厭氧區連接廊道6連通，好氧區與厭氧區連接廊道6的上端與好氧區3連接，好氧區與厭氧區連接廊道6的下端與厭氧區5連接，這樣能夠使好氧區與厭氧區連接廊道6中的液體流向始終是從好氧區3流向厭氧區5；厭氧區5的頂部設有沉澱區7，沉澱區7的上部設置有出水口9；厭氧區5內馴化或者接種有用於厭氧氨氧化的厭氧氨氧化菌。
所述缺氧區2位於好氧區3的外部，缺氧區2與好氧區3之間通過缺氧區與好氧區連接廊道13連通，缺氧區與好氧區連接廊道13的上端與缺氧區2連接，缺氧區與好氧區連接廊道13的下端與好氧區3連接；所述缺氧區2的上部設有進水口1，進水口1與水泵(圖中未示出)連接。脫氮後含有硝酸鹽的廢水通過氣升裝置快速進入缺氧區2並與缺氧區2中的高氨低碳氮比廢水中的有機物或者在缺氧區2中額外投加的電子供體快速混合，缺氧區2利用原始高氨低碳氮比廢水中有機物或者在缺氧區2中額外投加單質硫/零價鐵等作為電子供體，將硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽，實現硝酸鹽的半反硝化，為厭氧區5提供亞硝酸鹽，實現完全自養脫氮。
所述缺氧區、好氧區與厭氧區的體積比依據半反硝化能力、亞硝化能力和厭氧氨氧化能力的匹配確定，優選為1:5-8:1。
所述氣升裝置包括導流管10和導氣管11，導流管10的兩端分別與缺氧區2和沉澱區7連通，導氣管11的一端與集氣室4連通，另一端伸入導流管10位於缺氧區2的一端。氣升裝置可控制液體回流，提升厭氧區的上升流速，實現汙泥顆粒化；同時緩解好氧區3、厭氧區5、缺氧區2的pH波動。
本發明的採用前置反硝化自養生物脫氮的一體化反應器的自養生物脫氮方法，包括如下步驟：
a)開啟水泵，高氨氮廢水依次通過進水管1、缺氧區2、缺氧區與好氧區連接廊道13進入好氧區3；
開啟風機，空氣依次通過進氣管12和曝氣裝置8進入好氧區3，好氧區3中的亞硝化菌在有氧的條件下將高氨低碳氮比廢水中的氨氮部分轉化為亞硝氮，得到含有氨氮和亞硝氮的廢水；
b)步驟a中得到的含有氨氮和亞硝氮的廢水通過好氧區與厭氧區連接廊道6進入厭氧區5，在厭氧氨氧化菌的作用下氨氮和亞硝氮轉化為氮氣和硝酸鹽，完成脫氮，得到含有硝酸鹽的廢水；
c)完成脫氮後，導流管10中為脫氮後含有硝酸鹽的廢水，集氣室4中為好氧區3曝氣後的尾氣，通過導氣管11將導流管10中含有硝酸鹽的廢水氣升入缺氧區2，利用原始高氨低碳氮比廢水中的有機物或者額外在缺氧區2中投加的電子供體將硝酸鹽轉化為亞硝酸鹽，然後經過好氧區3再次進入厭氧區5參與厭氧氨氧化反應，實現廢水的自養生物脫氮。同時轉化為亞硝酸鹽的回流液不僅可緩解缺氧區2、好氧區3和厭氧區5生化反應產生的酸鹼，維持各區的pH穩定；還可以提升厭氧區5的上升流速，是汙泥處於懸浮狀態，有利於顆粒化。