一种低温低碳源条件下的生物脱氮工艺技术领域
本发明涉及一种低温低碳源条件下的生物脱氮工艺。
背景技术
我国许多污水处理厂，尤其是南方污水厂普遍存在进厂原水低碳相对高氮磷的实际问题，已成为制约生物脱氮除磷的重要因素。要想获得理想的脱氮除磷效果，必须要提供充足的碳源以补充反硝化脱氮电子供体的要求和除磷要求，因此进水碳源不足的污水处理厂及时补充高效廉价的碳源是提高污水脱氮除磷的关键。同时，随着城市化和工业化进程的加快，产生的废水量急剧增加，污水处理率逐年提高，废水的生物处理过程中产生的污泥（包括初沉污泥和剩余污泥）量也越来越大。目前我国城市污水处理厂每年排放的污泥量（干重）大约为130万吨，而且年增长率大于10%，特别是在我国城市化水平较高的几个城市与地区，污泥出路问题已经十分突出。污泥处理处置难，危害日益严重，急需探索污泥减量化、稳定化、资源化的新思路。
目前污水处理厂为解决由碳源不足带来的氮磷出水无法达标的问题，通常使用甲醇和乙酸等低分子外加碳源，这种方法属于投加药剂法，其长期运行费用是很高的，而且甲醇脱氮效率虽高，但本身具有毒性，会给环境造成潜在的危险。为了降低脱氮成本，许多研究者通过多种途径寻找无毒、廉价的碳源来代替传统碳源。近年来，富含纤维素的天然固体有机物正逐渐用作外加碳源。纤维素类碳源取材方便、来源充足、成本低廉。但是利用天然固体有机物作为反硝化系统的碳源，同样存在一些问题亟待解决，如需要较长的水力停留时间，出水水质受外界温度影响大等。另外污水处理系统运行的目的是去除污染物，而外加碳源的方法又给污水处理系统增加了新的污染物，不符合循环经济的理念。而强化内源反硝化脱氮及污泥减量化工艺是一种处理生活污水及可生化性较好的工业废水的方法，以污水和污泥的水解酸化液作为反硝化碳源，在不增加新污染物及高额药剂费的情况下为脱氮除磷提供碳源，并能实现污泥的减量化目标。从原污水分离出来的颗粒态慢速降解有机物以及死亡或破裂的活性污泥微生物，通过水解和超声波释放出来的那部分可以利用的基质是目前研究最热的碳源物质之一。本发明以优化利用系统内碳源的角度出发，围绕污水中颗粒有机物碳源及初沉污泥的碳源转化，探索能够优化初沉池碳源利用的措施，设计新型脱氮工艺，研究其处理低碳氮比污水的潜力，以及在不投加碳源的情况下对生活污水的处理效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温低碳源条件下的生物脱氮工艺。
本发明提出的新型脱氮工艺的反应装置主要包括新型生物反应器UAAR(Up-flowAnaerobic/AnoxicReactor)、硝化池和沉淀池。该发明与传统A2/O工艺有所不同，其进水从UAAR底部进入，泥水混合液从池子上部流入硝化池进行曝气处理，之后进入沉淀池进行泥水分离；沉淀池的污泥和硝化池的混合液均回流至UAAR，与进水一同从UAAR底部进入；系统排泥通过UAAR底部排泥。
本发明提出一种低温低碳源条件下的生物脱氮工艺，所述生物脱氮工艺由生物脱氮装置实现，所述装置由升流式缺氧/厌氧反应器(UAAR)、硝化池与沉淀池构成，所述UAAR内通过垂直布置的环形分隔板将UAAR分隔成内、外两层，UAAR内布置有中心变频传动装置，UAAR内层顶部设置有泥水混合器，UAAR内层设置有搅拌桨，搅拌桨上固定有导流管，导流管呈L型结构，其一端固定于泥水混合器底部；进水口、混合液回流口和回流污泥进口均与泥水混合器连接；UAAR上部设有整流出水堰；硝化池内垂直布置有硝化池分隔板，底部设有曝气装置，硝化池底部设有混合液回流装置，混合液回流装置通过混合液回流管连接UAAR顶部的混合液回流口；沉淀池设有中心变频传动装置，顶部设有整流出水堰，底部设有污泥回流装置，所述污泥回流装置通过污泥回流管连接UAAR顶部的回流污泥进口；UAAR和沉淀池底部均设有刮泥板；具体步骤如下：
（1）污水、混合回流液及回流污泥依次通过泥水混合器、导流管进入UAAR内层底，采用向上推流的方式，使泥水混合，泥水混合器和导流管在搅拌桨的带动下，一起转动，在向上水流的带动下，UAAR内层的混合液由下而上流入UAAR外层，UAAR外层的混合液由上而下入流回到UAAR内层，使UAAR内层和外层的混合液不断进行循环，由于UAAR底部设置较大有效深度的污泥斗，保证了UAAR底部的厌氧环境，降低混合流回流对水解环境的影响，有利于产生易被微生物利用的碳源，提升C/N比；污水停留时间为5.5－6.5小时，污泥停留时间为30天；UAAR内MLSS由上到下逐渐升高，浓度范围为3000－150000mg/L；
（2）步骤（1）所得混合液由UAAR上部通过整流出水堰溢流后进入硝化池，硝化池通过曝气装置使在常温硝化池末端出水DO控制在1.0~1.5mg/L，低温下出水DO控制在2.5~5.0mg/L；在处理市政低碳氮比污水时，控制污水回流比为200%~250%，污水在硝化池内停留时间为7.0~7.5小时，硝化池内MLSS为2200mg/L；
（3）污水经硝化池处理后进入沉淀池后出水，沉淀池为中进周出式沉淀池，控制污泥回流比为50%~100%间为宜。在处理市政低碳氮比污水时，混合液回流比与污泥回流比之和控制在300%~350%。
本发明的优点如下：
一、仅由三个构筑物组成，工艺简单，省去了多个池体的繁琐，减少了占地面积，降低了造价费用；
二、其主体构筑物新型生物反应器采用上向流推流式的形式，能够保持高污泥浓度，承受较强的冲击负荷；
三、新型生物反应器主要通过上向水流进行混合，大大降低了传统工艺所需的搅拌能量；
四、由于污泥浓度高，SRT较长，大大降低了剩余污泥量。
五、系统中检测到产甲烷菌群，说明反应器具备良好的厌氧水解环境，促使有机物水解补充碳源，在不外加碳源的情况下对系统内碳源进行原位优化利用，既解决了低碳氮比条件下脱氮的问题，同时UAAR底部存在污泥厌氧酸化，产生的VFAs不仅提升了碳氮比还在一定程度上实现了污泥减量化。
六、在冬季低温条件下，经过一定时间的培养期，污泥中氨氧化菌群与亚硝酸盐氧化菌群均得到促进，尤其是氨氧化菌群，使其能在低温下对低浓度氨氮进行亚硝化反应，使亚硝化反应不再成为限制硝化反应速率的问题。冬季本发明应用于处理低碳氮比城市污水厂污水时，出水COD、氨氮、总氮均能达到一级A标准。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明中UAAR内部水流方向及内部功能分区。其中：(a)为UAAR内部水流方向，(b)为UAAR内部功能分区；
图中标号：1为UAAR，2为硝化池，3为沉淀池，4为中心变频传动装置，5为泥水混合器，6为整流出水堰，7为搅拌桨，8为分隔板，9为导流管，10为刮泥板，11为硝化池分隔板，12为曝气装置。
具体实施方式
下面通过实施例进一步说明本发明。
实施例1：
本实施例使用的污水处理系统如图1所示。由UAAR、硝化池、沉淀池串联而成。硝化池、沉淀池分别设有混合液与污泥回流装置，进水、回流混合液、回流污泥均从UAAR顶部通过导流管进入反应器。UAAR设有环装隔板将其分割为内外层，导流管将混合液导入内层底部，水流在内层由下至上，流至外层从上至下再流入内层，不断循环。同时内层内部设有搅拌桨，以使内层内水流得到充分混合。UAAR出水通过溢流进入硝化池，水流由于隔板的分隔，先向下再向上通过硝化池，池底设有曝气装置。硝化池出水进入沉淀池进行泥水分离，清水通过溢流流出。
本发明按照以下步骤实施：
(1)进水、回流混合液和回流污泥通过UAAR进水槽、导流管从其底部进入，向上推流。在反应器内存在的厌氧/缺氧的环境下，利用自身碳源与底部污泥发酵产酸产生的VFAs将回流混合液中的硝酸盐氮通过反硝化还原为氮气以达到脱氮的效果。保证固体停留时间为30天左右以达到良好的脱氮效果，剩余污泥从底部排放。
(2)污水经过UAAR后进入硝化池，在硝化池中曝气设施的作用下利用溶解氧将氨氮氧化成亚硝酸盐氮与硝酸盐氮。硝化池内泥水混合液以一定比例回流进UAAR。
(3)污水通过硝化池后进入沉淀池进行泥水分离，沉淀下来的污泥以一定比例回流进入UAAR，沉淀后出水排放。
实施例2：
本实施例使用的污水处理系统如图1所示，以南方某污水厂沉砂池出水为小试装置进水，以该污水厂二沉池回流污泥作为接种污泥。运行时间为冬季12月至3月间，小试装置所处环境平均气温为13.5℃，平均水温为11.5℃。且进水BOD5/TKN＜4，属于低碳氮比污水。
经过30d的启动阶段，该脱氮工艺可达到稳定运行的状态。本实例中混合液回流比为200%，污泥回流比为100%。污水依次进入以下工况工段：
(1)UAAR：MLSS从上到下逐渐变大，范围在3000~15000mg/L之间；水力停留时间为6h，固体停留时间为30d。
(2)硝化池：平均MLSS为2200mg/L；末端溶解氧为2.5~5.0mg/L；水力停留时间为8h。
处理前后污水水质对比如表1所示。
表1处理前后污水水质对比表
COD氨氮总氮|
进水(mg/L)194.1833.3635.36
出水(mg/L)18.121.4511.66
去除率(%)90.6795.6567.02
实施例3：
以南方某养猪厂污水为小试装置进水。污水氨氮浓度达到500~1000mg/L，且进水BOD5/TKN＜4，属于低碳氮比污水。
本实施例使用的污水处理系统如图1所示。污水水力停留时间为28h，在UAAR与硝化池内停留时间分别为12h与16h。硝化池混合液回流比为600%，沉淀池污泥回流比为100%。在此工况下，COD去除率可达到90%以上，出水COD浓度低于400mg/L，BOD5浓度小于50mg/L。氨氮平均去除率为93.4%，出水平均浓度小于50mg/L。在不外加碳源的情况下，总氮的去除率达到70%。