一种实现城市污水Anammox脱氮最大化的系统与方法

一种实现城市污水anammox脱氮最大化的系统与方法
技术领域
1.本发明属于污水生物处理技术领域，更具体地，涉及一种实现城市污水anammox脱氮最大化的系统与方法，属于污水生物脱氮技术领域。


背景技术：

2.水体富营养化是世界水环境面临并急需解决的重要污染问题，水体富营养化将导致水环境内的藻类、鱼类等水生生物的大量死亡，并且会造成水体发黑发臭的现象。当前城市生活污水的深度脱氮除磷，成为遏制水体富营养化的重要途径之一。传统的硝化/反硝化脱氮工艺已广泛应用于全球污水处理厂。然而，考虑到硝化/反硝化过程中有着相当大的能量消耗和有机碳的需求，与当今绿色节能可持续发展经济模式主题相违背。而随着我国污水排放标准愈加严格，因此进一步探求具有可持续发展前景的新型生物脱氮工艺，减少碳源的投加和曝气量的消耗，无疑是现阶段污水处理研究的重点方向，具有深远的现实意义。
3.厌氧氨氧化(anammox)作为一种新型的自养脱氮技术，在缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以no
2-为电子受体，将nh
4
转化为n2，具有无需曝气和有机碳源、污泥产量低、脱氮负荷高等优点，成为污水脱氮领域的研究热点。目前，厌氧氨氧化技术已成功应用于污泥消化液、垃圾渗滤液、制药废水、养殖废水等高氨氮废水处理工程。然而对于城市污水而言，由于nh
4 -n浓度较低，短程硝化过程中难以实现稳定的no
2-‑
n积累，运行过程会不可避免地产生no
3-‑
n，导致厌氧氨氧化工艺处理效果差，出水总氮浓度高。
4.近年来，我国学者首次提出短程反硝化这一新技术，为突破anammox工艺在城市污水处理中难以稳定获取no
2-‑
n这一瓶颈提供了新方法。当前主流anammox工艺存在的关键问题是anammox贡献率较低，如果实现城市污水anammox脱氮最大化，大大降低运行过程中曝气量和碳源的消耗，这将更加符合绿色可持续发展理念。
5.基于此，本发明在现有技术的基础上，创新anammox为核心的深度脱氮工艺，利用侧流短程硝化进行辅助和增强主流anammox脱氮过程，结合主流短程硝化和短程反硝化工艺，借助侧流高nh
4 -n废水短程硝化和短程反硝化no
2-‑
n稳定高效产生的特点，使得城市污水anammox脱氮最大化，为城市污水深度脱氮提供了新路线。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现城市污水anammox脱氮最大化的系统与方法，设置侧流工艺将短程硝化产生的no
2-‑
n补充到主流anammox反应器中，主流短程硝化和短程反硝化工艺同时也为anammox反应器提供基质no
2-‑
n，创新性的利用复合工艺为anammox最大化的提供no
2-‑
n；另一方面，通过最后环节设置短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺，进行氮素的兜底去除，从而实现城市污水最大化脱氮，大大提高工艺稳定性和城市污水处理效率。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种实现城市污水anammox脱氮最大化的系统，包括：城市污水原水箱(1)、有机物捕获反应器(2)、主流短程硝化反应器(3)、厌氧氨
氧化反应器(4)、短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器(5)、污泥厌氧消化液储备箱(6)、侧流短程硝化反应器(7)；其中，城市污水原水箱(1)中的污水进入有机物捕获反应器(2)，进行cod的捕获去除；有机物捕获反应器(2)出水流经主流短程硝化反应器(3)；污泥厌氧消化液储备箱(6)中的污泥消化液进入侧流短程硝化反应器(6)，进行短程硝化产no
2-‑
n；侧流短程硝化反应器(6)的出水与主流短程硝化反应器(3)的出水一同输送到厌氧氨氧化反应器(4)进行氮素去除，最后厌氧氨氧化反应器(4)出水和城市污水再一同进入短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器(5)进行深度脱氮。
8.所述城市污水原水箱(1)为密闭箱体，设有溢流管ⅰ(1.1)和放空管ⅰ(1.2)；
9.所述有机物捕获反应器(2)设有搅拌器ⅰ(2.1)、曝气头ⅰ(2.2)、气体流量计ⅰ(2.3)、气泵ⅰ(2.4)、进水泵ⅰ(2.5)；
10.所述主流短程硝化反应器(3)设有搅拌器ⅱ(3.1)、do/ph在线测定仪ⅰ(3.2)、曝气头ⅱ(3.3)、气体流量计ⅱ(3.4)、气泵ⅱ(3.5)、进水泵ⅱ(3.6)、取样口ⅰ(3.7)；
11.所述厌氧氨氧化反应器(4)设有取样口ⅱ(4.1)、进水泵ⅲ(4.2)、出水口(4.3)、三相分离器(4.4)、集气瓶(4.5)、进水泵ⅳ(4.6)；
12.所述短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器(5)设有搅拌器ⅲ(5.1)、do/ph在线测定仪ⅱ(5.2)、取样口ⅲ(5.3)、进水泵
ⅴ
(5.4)、进水泵ⅵ(5.5)；
13.所述污泥厌氧消化液储备箱(6)设有溢流管ⅰ(6.1)和放空管ⅰ(6.2)；
14.所述侧流短程硝化反应器(7)设有搅拌器ⅳ(7.1)、do/ph在线测定仪ⅲ(7.2)、曝气头ⅲ(7.3)、气体流量计ⅲ(7.4)、气泵ⅲ(7.5)、进水泵ⅶ(7.6)、取样口ⅳ(7.7)。根据权利要求1所述一种实现城市污水anammox脱氮最大化的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
15.1)启动系统：将具有短程硝化活性的污泥分别投加至主流短程硝化反应器(3)和侧流短程硝化反应器(6)中，使反应器内污泥浓度mlss＝3.0～4.0g/l；将具有厌氧氨氧化活性的污泥投加至厌氧氨氧化反应器(4)中，使反应器内污泥浓度mlss＝5.0～10.0g/l；将具有高no
2-‑
n积累的短程反硝化污泥和厌氧氨氧化活性污泥按质量浓度比为1：1～3投加至短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器(5)中，使反应器内污泥浓度mlss＝4～6.0g/l；所述短程硝化污泥no
2-‑
n积累率大于90％，厌氧氨氧化污泥活性大于20mg n/g vss/h，短程反硝化污泥no
3-‑
n到no
2-‑
n转化率大于80％。
16.2)运行时调节操作如下
17.城市污水引入有机物捕获反应器，控制反应器溶解氧do浓度为1.0～4.0mg/l，水力停留时间为2～6h，污泥停留时间为2～6d，出水cod浓度为30～60mg/l；
18.有机物捕获反应器出水引入主流短程硝化反应器中，控制溶解氧浓度为0.1～0.5mg/l，污泥停留时间为8～15d；
19.污泥厌氧消化上清液引入侧流短程硝化反应器中，控制溶解氧浓度为0.5～1.5mg/l，污泥停留时间为8～20d，nh
4 -n去除率大于90％，no
2-‑
n积累率大于80％；
20.将主流短程硝化反应器出水与侧流短程硝化反应器出水一同进入厌氧氨氧化反应器中，控制混合进水no
2-‑
n与nh
4 -n质量浓度比为1.2～1.4，反应器出水no
2-‑
n浓度小于3mg/l；
21.厌氧氨氧化反应器出水和城市污水一同进入短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器
中，控制混合进水中no
3-‑
n与nh
4 -n质量浓度比为1.2～1.5，cod与no
3-‑
n质量浓度比为2.8～4.5，污泥停留时间为8～20d，反应器排泥粒径为小于0.2mm的絮体污泥。
22.所述厌氧氨氧化反应器运行过程，当其进水no
2-‑
n与nh
4 -n质量浓度比小于1.2时，提高主流短程硝化反应器nh
4 -n的去除率，当其大于1.4时，降低主流短程硝化反应器nh
4 -n的去除率；
23.所述厌氧氨氧化反应器运行过程，当其出水no
2-‑
n浓度大于3mg/l，适当延长水力停留时间；
24.所述短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器运行过程，当其进水cod与no
3-‑
n质量浓度比大于4.5时，通过引入有机物捕获反应器出水在2.8～4.5范围内降低cod与no
3-‑
n质量浓度比。
25.综上，提供的一种实现城市污水anammox脱氮最大化的系统与方法，其处理城市污水的流程为：城市污水原水箱中的污水进入有机物捕获反应器，进行cod的捕获去除；有机物捕获反应器出水流经主流短程硝化反应器；污泥厌氧消化液储备箱中的污泥消化液进入侧流短程硝化反应器，进行短程硝化产no
2-‑
n；侧流短程硝化反应器的出水与主流短程硝化反应器的出水一同输送到厌氧氨氧化反应器进行氮素去除，最后厌氧氨氧化反应器出水和城市污水再一同进入短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器进行深度脱氮。
26.因此，本发明一种实现城市污水anammox脱氮最大化的系统与方法，具有以下优势：
27.1.利用侧流污泥厌氧消化液进行短程硝化no
2-‑
n产生，为主流anammox提供部分底物，减少城市污水nh
4 -n的氧化比例，从而降低城市污水短程硝化过程no
3-‑
n的产生；
28.2.本发明能最大化anammox工艺在城市污水中自养脱氮比例，大大降低运行过程中的曝气量和碳源消耗，节约能源的同时也符合可持续发展理念，适合工程推广应用；
29.3.另一方面，通过设置短程反硝化将硝化过程和厌氧氨氧化反应过程产生的no
3-‑
n转化为no
2-‑
n，再通过anammox途径去除，进一步提高anammox的脱氮比例，大大降低出水总氮浓度，可以实现城市污水氮素的超深度去除，能满足今后城市污水处理对氮素更严格的要求。
附图说明
30.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
31.图1是本发明一种实现城市污水anammox脱氮最大化的系统流程示意图。
32.图2为本方法流程中c、n元素转化图。
33.aob:短程硝化细菌；anammox:厌氧氨氧化细菌；nh
4
:氨氮；no
2-:亚硝态氮；no
3-:硝态氮；cod:化学需氧量；mw:主流城市污水；dl:污泥厌氧消化出水；hras:有机物捕获反应器；pda:短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器；pn:短程硝化反应器。
34.附图标记说明：
35.图中1为城市污水原水箱、2为有机物捕获反应器、3为主流短程硝化反应器、4为厌氧氨氧化反应器、5为短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器、6为污泥厌氧消化液储备箱、7为
侧流短程硝化反应器；1.1为溢流管ⅰ、1.2为放空管ⅰ；2.1为搅拌器ⅰ、2.2为曝气头ⅰ、2.3为气体流量计ⅰ、2.4为气泵ⅰ、2.5为进水泵ⅰ；3.1为搅拌器ⅱ、3.2为do/ph在线测定仪ⅰ、3.3为曝气头ⅱ、3.4为气体流量计ⅱ、3.5为气泵ⅱ、3.6为进水泵ⅱ、3.7为取样口ⅰ；4.1为取样口ⅱ、4.2为进水泵ⅲ、4.3为出水口、4.4为三相分离器、4.5为集气瓶、4.6为进水泵ⅳ；5.1为搅拌器ⅲ、5.2为do/ph在线测定仪ⅱ、5.3为取样口ⅲ、5.4为进水泵
ⅴ
、5.5为进水泵ⅵ；6.1为溢流管ⅱ、6.2为放空管ⅱ、7.1为搅拌器ⅳ、7.2为do/ph在线测定仪ⅲ、7.3为曝气头ⅲ、7.4为气体流量计ⅲ、7.5为气泵ⅲ、7.6为进水泵ⅶ、7.7为取样口ⅳ。
具体实施方式
36.以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
37.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明：如图1所示，一种实现城市污水anammox脱氮最大化的系统与方法，包括：
38.城市污水原水箱中的污水进入有机物捕获反应器，进行cod的捕获去除；有机物捕获反应器出水流经主流短程硝化反应器；污泥厌氧消化液储备箱中的污泥消化液进入侧流短程硝化反应器，进行短程硝化产no
2-‑
n；侧流短程硝化反应器的出水与主流短程硝化反应器的出水一同输送到厌氧氨氧化反应器进行氮素去除，最后厌氧氨氧化反应器出水和城市污水再一同进入短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器进行深度脱氮。
39.具体试验用水取自某小区生活污水，其水质如下：cod浓度为348.6mg/l；nh
4 -n浓度为52.8mg/l，no
2-‑
n≤0.5mg/l，no
3-‑
n≤0.5mg/l。厌氧污泥消化液水质如下：nh
4 -n浓度为439.6mg/l、cod浓度为338.8mg/l试验系统如图1所示，有机物捕获反应器有效体积为8l、主流短程硝化反应器的有效体积为12l、侧流短程硝化反应器的有效体积为1l，厌氧氨氧化反应器的有效体积为3l，短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器的有效体积为5l。短程硝化反应器与有机物捕获反应器底部安装曝气装置，可通过调节流量计和do在线反馈控制恒定的溶解氧。
40.具体运行操作如下：
41.1.启动系统：将具有短程硝化活性的污泥分别投加至主流短程硝化反应器和侧流短程硝化反应器中，使反应器内污泥浓度mlss＝3.0g/l；将具有厌氧氨氧化活性的污泥投加至厌氧氨氧化反应器中，使反应器内污泥浓度mlss＝6.0g/l；将具有高no
2-‑
n积累的短程反硝化污泥和厌氧氨氧化活性污泥按质量浓度比为1：3投加至短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器中，使反应器内污泥浓度mlss＝4.0g/l。所述短程硝化污泥反应过程no
2-‑
n积累率大于90％，短程反硝化污泥反应过程no
3-‑
n到no
2-‑
n转化率大于80％。
42.2.运行时调节操作如下：
43.城市污水(48l/d)引入有机物捕获反应器，在反应器溶解氧do浓度为1.0～1.2mg/l，水力停留时间为4h，污泥停留时间为3d时，出水nh
4 -n浓度平均值为49.3mg/l，cod浓度平均值为42.6mg/l；
44.有机物捕获反应器出水引入主流短程硝化反应器中，在溶解氧浓度为0.3mg/l左右，污泥停留时间为12d，每天运行8个周期(每周期好氧2h)，排水比为50％时，出水nh
4 -n、no
3-‑
n、no
2-‑
n浓度平均值分别为18.3mg/l、12.4mg/l、17.2mg/l；
45.污泥厌氧消化上清液(1l/d)引入侧流短程硝化反应器中，在溶解氧浓度为1.0mg/l左右，污泥停留时间为16d,每天运行2个周期(每周期好氧1h)，排水比为50％时，出水nh
4 -n浓度平均值为38.8mg/l、no
2-‑
n浓度平均值为345.6mg/l，no
3-‑
n浓度平均值为35.5mg/l；
46.将主流短程硝化反应器出水(48l/d)与侧流短程硝化反应器出水(1.0l/d)一同进入厌氧氨氧化反应器中，水力停留时间为1.5h，反应器出水no
2-‑
n浓度平均值为0.8mg/l、nh
4 -n浓度平均值为1.2mg/l、no
3-‑
n浓度平均值为17.5mg/l；
47.厌氧氨氧化反应器出水和城市污水(11l/d)一同进入短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应器中，在水力停留时间为2h，通过排反应器中絮体污泥(粒径小于0.2mm)控制污泥停留时间为16d的条件下，出水nh
4 -n浓度平均值为1.3mg/l，no
3-‑
n浓度平均值为3.4mg/l，no
2-‑
n几乎为0mg/l。
48.长期运行稳定后，该组合系统的最终出水cod浓度平均值为为46.7mg/l，tn浓度平均值为4.7mg/l，城市污水中总氮去除率高达91.0％。