CN111333188A - 一种稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池 - Google Patents

一种稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐‑复合流生物滤池。所述生物滤池包括底部连通的进水侧和排水侧两个单元，所述进水侧从上到下依次设置为散水层、第一潮汐层、第一饱和淹水层、第一集水‑散水层；所述排水侧从上到下依次设置为第二潮汐层、排水层、第二饱和淹水层、第二集水‑散水层，还设有散水管、集水‑散水管、排水管、反冲洗进气管、反冲洗排泥管和反冲洗风机等。生物滤池采用间歇性方式运行，其上部潮汐层填料周期性的淹没和落干，形成缺氧‑好氧交替的环境；其下部饱和淹水层长期处于淹水状态，为缺氧功能区。本发明结构简单，供氧无能耗，易于调控，适用于不同碳氮比生活污水的深度脱氮。

Description

一种稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物 滤池
技术领域
本发明属于环境工程中的污水处理技术领域，具体涉及一种稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池。
背景技术
二十世纪六十年代，在研究缺氧峡湾的氮平衡时，在缺氧条件下无法解释的铵损失已经引起了人们的注意。但是，直到三十年后，科学家才首次在污水处理***中发现缺氧条件下的氨氧化现象，并从实验室的富集培养物中鉴定出了厌氧氨氧化细菌。厌氧氨氧化是指在缺氧条件下，厌氧氨氧化细菌以亚硝酸盐为电子受体将铵氧化为氮气的过程，这一过程是自养的，利用CO2作为唯一的碳源。因此，厌氧氨氧化具有节约能耗、节省碳源、产泥量少等优点。从厌氧氨氧化反应过程可知，其所需底物主要为氨氮、亚硝态氮和无机碳。生活污水中氨氮和无机碳含量均较高，而亚硝态氮几乎为零，因此稳定提供亚硝态氮对厌氧氨氧化应用至关重要。
在处理高浓度氨氮废水时，一般通过游离氨抑制实现短程硝化，从而为厌氧氨氧化稳定提供亚硝态氮；但是，在处理生活污水时，游离氨浓度不足以抑制亚硝酸盐氧化菌，因此难以通过游离氨抑制实现短程硝化。此外，短程硝化还可以通过调控硝化单元污水中溶解氧(DO)实现，例如控制***DO保持在<0.5mg/L。但是调控DO对控制***要求高，***维护复杂；而且，在不淹水曝气的***则难以调节污水中DO。因此，基于短程硝化的厌氧氨氧化路径还难以在生活污水实际处理工程中应用。
已有研究表明，通过短程反硝化也可以稳定提供亚硝态氮(即将NO3 -还原控制在NO2 -阶段)，这一过程主要受进水碳氮比(2～3)影响，调控相对简单。而且，由于反硝化细菌和厌氧氨氧化细菌均需要缺氧环境，二者可以在缺氧条件下和谐共存。更重要的是，前人研究表明，在有氨氮存在的缺氧条件下，厌氧氨氧化细菌在竞争亚硝态氮时比反硝化细菌具有优势，从而，有利于形成短程反硝化(PDN)和厌氧氨氧化(AMX)的耦合。然而，现有PDN/AMX耦合***均为缺氧***，进水通常为氨氮和硝态氮的混合水，难以单独处理生活污水，必须与其它好氧单元结合起来使用，这增加了***的复杂程度。如果能在无需动力供氧的条件下，在单一***内实现硝化、PDN/AMX和反硝化三者耦合，则该***不仅运行费用低、管理维护简便，而且能够实现对不同碳氮比生活污水的深度脱氮。
发明内容
针对当前生活污水处理工艺供氧耗能、难以低成本实现厌氧氨氧化脱氮等问题，本发明的目的在于提供一种稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池，它能够将硝化、PDN/AMX及传统反硝化三者耦合，从而实现***深度脱氮，反应器结构简单，供氧无能耗，易于调控。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池，所述生物滤池2包括底部连通的进水侧和排水侧两个单元，并设有散水层、第一潮汐层、第一饱和淹水层、第一集水-散水层、第二集水-散水层、第二饱和淹水层、排水层、第二潮汐层、散水管、集水-散水管、排水管、反冲洗进气管、反冲洗排泥管和反冲洗风机；所述进水侧和排水侧通过集水-散水管连通底部；
所述进水侧从上到下依次设置为散水层、第一潮汐层、第一饱和淹水层、第一集水-散水层；所述排水侧从上到下依次设置为第二潮汐层、排水层、第二饱和淹水层、第二集水-散水层；
所述散水管铺设于散水层中，另一端连接生活污水池，***工作时通过泵将生活污水泵入生物滤池；所述集水-散水管铺设于第一集水-散水层和第二集水-散水层中；所述排水管铺设于排水层中；所述反冲洗进气管垂直设置于排水侧填料中，并且两端分别与反冲洗风机和集水-散水管连接；所述反冲洗排泥管设在高于填料的生物滤池池壁上；
所述排水管设有电动或电磁阀控制***定时排水；所述反冲洗进气管和反冲洗排泥管分别设有球阀，只有在***反冲洗时才开启；所述集水-散水管在***反冲洗时用作反冲洗布风管。
优选的，所述第一潮汐层和第二潮汐层均由0.2～1.5cm的碎石、沸石、钢渣、石灰石的一种或两种以上组成，其厚度均为15～100cm；所述第一饱和淹水层和第二饱和淹水层均由0.2～1.5cm的碎石、沸石、钢渣、石灰石的一种或两种以上组成，其厚度均为30～200cm；所述散水层、第一集水-散水层和第二集水-散水层均由粒径为2～5cm的碎石组成，其厚度均为5～30cm；所述排水层由粒径为1～5cm的碎石和/或沸石组成，其厚度为5～30cm。
所述生物滤池处理生活污水时，污水从进水侧散水层进入***，进水侧与排水侧的液位差驱使进水侧污水通过集水-散水管持续向排水侧流动；由于进水时排水管上的电动或电磁阀处于关闭状态，第二潮汐层水位不断升高，直至被淹没，此时***停止进水；保持第一潮汐层和第二潮汐层淹水一段时间后，电动或电磁阀开启，***开始排水，同时将新鲜空气吸入第一潮汐层和第二潮汐层给***复氧，排水完毕后，电动或电磁阀关闭，保持落干状态一段时间后，***开始进水，进入下一个运行周期。当***运行一定时间渗透速率变慢、显示出堵塞的迹象后，可以通过反冲洗风机对生物滤池进行反冲洗，使其恢复渗透性能。
所述一种稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池运行参数为：***进水时间为1～60min，潮汐层淹水时间为10～120min，***排水时间为5～30min，潮汐层落干时间为60～120min。
本发明实现硝化、PDN/AMX及传统反硝化三者耦合的原理如下：
潮汐-复合流生物滤池包括两大功能区，即潮汐层和饱和淹水层，其中潮汐层是缺氧好氧交替的功能区，在淹水时为缺氧环境，可以发生反硝化；在落干时为好氧环境，利用排水吸入填料内的新鲜空气进行好氧硝化；饱和淹水层由于一直处于淹水状态，为缺氧功能区，可以发生PDN/AMX和反硝化，而该层PDN/AMX成功建立的关键是能够稳定获得合适的底物(氨氮、硝态氮以及合适的碳氮比)，这需要潮汐和复合流联合发挥作用来实现。
潮汐-复合流生物滤池的进水可以分成两部分，一部分直接流过第一潮汐层，进入其下的第一饱和淹水层，从而驱使原本在这的污水向排水侧流动，并最终将第二潮汐层淹没；另一部分则停留在第一潮汐层，与该层填料充分接触，其所含的大部分氨氮被该层的填料吸附，并在***落干后通过好氧硝化作用转化成硝态氮。前一部分生活污水与第一潮汐层填料接触时间很短，被吸附的氨氮量较少，所含的大部分氨氮会随其进入第一饱和淹水层，同时，这部分污水也会将上一周期落干时第一潮汐层硝化产生的硝态氮洗脱下来带入饱和淹水层。因此，进入第一饱和淹水层的生活污水水质特点为：含有生活污水本身携带的氨氮和COD，以及从第一潮汐层洗脱下来的硝态氮。这能够为PDN/AMX提供合适的底物，使潮汐-复合流生物滤池实现稳定的厌氧氨氧化。此外，饱和淹水层也能发生反硝化脱氮作用。与进水侧相比，排水侧的污染物负荷较低，对脱氮的贡献也较低，但是其对出水达标也发挥了相应的作用。
从供氧方式来看，潮汐-复合流生物滤池主要依靠排水时产生的吸力将新鲜空气吸入潮汐层为***供氧。从理论上分析，每排出1m3水就能吸入1m3空气，而1m3空气中大约含有300g氧气，能够满足去除1m3生活污水中的氨氮所需的氧气。
本发明所述稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池具有下列优点：
(1)本发明的潮汐-复合流生物滤池形成了上部潮汐层好氧为主、下部饱和淹水层缺氧的环境，辅以复合流模式，从而能够将部分氨氮在第一潮汐层转化成硝态氮，与剩余氨氮一起进入第一饱和淹水层，并在缺氧环境下进行PDN/AMX脱氮；因此，与基于活性污泥法的缺氧PDN/AMX反应器相比，本发明能够发生硝化，具备了直接处理生活污水的能力，适用范围大幅度提高。
(2)由于上部潮汐层具有好氧功能，可以通过技术手段调控其对COD的去除效率，从而克服了碳氮比对PDN/AMX的影响，因此，本发明在处理不同碳氮比的生活污水时均可实现PDN/AMX。
(3)本发明虽然进行全程硝化，但供氧无需能耗，因此比基于活性污泥法的短程硝化-厌氧氨氧化全程自养脱氮工艺更节能。
(4)本发明装置简单，无需对***内水质参数(DO等)进行实时监控和调控，管理维护方便。
附图说明
图1为一种稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池***的结构示意图。
图1中：1为生活污水池，2为生物滤池，3为进水泵，4为散水层，5为第一潮汐层，6为第一饱和淹水层，7为第一集水-散水层，8为第二集水-散水层，9为第二饱和淹水层，10为排水层，11为第二潮汐层，12为散水管，13为集水-散水管，14为排水管，15为电动或电磁阀，16为反冲洗排泥管，17为球阀，18为反冲洗进气管，19为反冲洗风机，I为进水侧，II为排水侧。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本发明提供了一种稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池***，如图1所示，包括生活污水池1和生物滤池2，其中：
所述生活污水池1通过进水泵3及散水管12与生物滤池2相连接；
所述生物滤池2包括底部连通的进水侧I和排水侧II两个单元，并设有散水层4、第一潮汐层5、第一饱和淹水层6、第一集水-散水层7、第二集水-散水层8、第二饱和淹水层9、排水层10、第二潮汐层11、散水管12、集水-散水管13、排水管14、反冲洗进气管18、反冲洗排泥管16和反冲洗风机19；所述进水侧I和排水侧II通过集水-散水管13连通底部；
所述进水侧I从上到下依次设置为散水层4、第一潮汐层5、第一饱和淹水层6、第一集水-散水层7；所述排水侧II从上到下依次设置为第二潮汐层11、排水层10、第二饱和淹水层9、第二集水-散水层8；
所述散水管12铺设于散水层4中，另一端连接生活污水池1，***工作时通过进水泵3将生活污水泵入生物滤池2；所述集水-散水管13铺设于第一集水-散水层7和第二集水-散水层8中；所述排水管14铺设于排水层10中；所述反冲洗进气管18垂直设置于排水侧II填料中，并且两端分别与反冲洗风机19和集水-散水管13连接；所述反冲洗排泥管16设在高于填料的生物滤池2池壁上；
所述排水管14设有电动或电磁阀15控制***定时排水；所述反冲洗进气管18和反冲洗排泥管16分别设有球阀17，只有在***反冲洗时才开启；所述集水-散水管13在***反冲洗时用作反冲洗布风管。
所述第一潮汐层5和第二潮汐层11均由0.2～1.5cm的碎石、沸石、钢渣、石灰石的一种或两种以上组成，其厚度均为15～100cm；所述第一饱和淹水层6和第二饱和淹水层9均由0.2～1.5cm的碎石、沸石、钢渣、石灰石的一种或两种以上组成，其厚度均为30～200cm；所述散水层4、第一集水-散水层7和第二集水-散水层8均由粒径为2～5cm的碎石组成，其厚度均为5～30cm；所述排水层10由粒径为1～5cm的碎石和/或沸石组成，其厚度为5～30cm。
所述生物滤池2处理生活污水时，污水从设于进水侧I散水层4中的散水管12进入***，进水侧I与排水侧II的液位差驱使进水侧I污水通过集水-散水管13持续向排水侧II流动；由于进水时排水管14上的电动或电磁阀15处于关闭状态，第二潮汐层11水位不断升高，直至被淹没，此时***停止进水；保持第一潮汐层5和第二潮汐层11淹水一段时间后，电动或电磁阀15开启，生物滤池2开始排水，同时将新鲜空气吸入第一潮汐层5和第二潮汐层11给***复氧，排水完毕后，电动或电磁阀15关闭，保持落干状态一段时间后，***开始进水，进入下一个运行周期。当***运行一定时间渗透速率变慢、显示出堵塞的迹象后，可以通过反冲洗风机19对生物滤池2进行反冲洗，使其恢复渗透性能。
所述生物滤池2运行参数为：***进水时间为1～60min，潮汐层淹水时间为10～120min，***排水时间为5～30min，潮汐层落干时间为60～120min。
实施例1
本实施例处理的是低碳氮比生活污水，使用的稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池结构如图1所示。本实施例中进水侧与排水侧的面积比为1:1，第一潮汐层5和第二潮汐层11厚度均为30cm，由碎石、沸石与钢渣混合而成，粒径范围为0.2～1.0cm。第一饱和淹水层6和第二饱和淹水层9厚度均为60cm，由碎石、沸石与钢渣组成，粒径范围为0.2～1cm。散水层4、第一集水-排水层7、第二集水-排水层8和排水层10厚度均为5cm，由粒径范围为2～4cm的碎石组成。排水管14装有电磁阀15，由时间控制器控制其开闭。
本实施例运行参数：生物滤池2每天运行8个周期，每个周期3小时；每次进水恰好将第二潮汐层11填料淹没；***进水时间为3min，潮汐层淹水时间为87min，***排水时间为7min，潮汐层落干时间为83min。
实验期间进水水质统计情况见表1，进出水水质及污染物去除率见表2(***在启动成功(挂膜培养成功)以后，在所述的运行参数下，一个星期采样分析一次，一共分析了五次样品)。
表1.实施例1进水浓度范围及平均值
Figure BDA0002428264230000071
从表1可知，进水COD/TN平均比值仅为2.52，属于低碳氮比生活污水。从表2可知，实施例1对COD、氨氮和总氮去除率范围分别为76.3％～93.5％、84.9％～89.1％和55.8％～68.5％，而出水中TN浓度范围为11.2～16.1mg/L，实现了对低碳氮比生活污水的深度脱氮。
表2.实施例1进出水水质及污染物去除率
Figure BDA0002428264230000081
注：pH无量纲。
实施例2
本实施例处理的是部分硝化的低碳氮比生活污水，使用的稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池结构如图1所示。本实施例中进水侧与排水侧的面积比为2:1，第一潮汐层5和第二潮汐层11厚度均为16cm，其中，前者由粒径范围为0.5～1.2cm的碎石组成，后者由粒径范围为0.2～0.4cm的沸石组成。第一饱和淹水层6和第二饱和淹水层9厚度均为35cm，其中，前者由粒径范围为0.5～1.2cm的碎石组成，后者由粒径范围为0.2～0.4cm的沸石组成。散水层4、第一集水-散水层7和第二集水-散水层8厚度均为5cm，由粒径为2～4cm的碎石组成。排水层10厚度为5cm，由粒径为0.2～0.4cm的沸石组成。排水管14装有电磁阀15，由时间控制器控制其开闭。
本实施例运行参数：生物滤池2每天运行8个周期，每个周期3小时；每次进水恰好将第二潮汐层11填料淹没；***进水时间为20min，潮汐层淹水时间为40min，***排水时间为10min，潮汐层落干时间为110min。
实验期间进水水质统计情况见表3，进出水水质及污染物去除率见表4(***在启动成功(挂膜培养成功)以后，在所述的运行参数下，一个星期采样分析一次，一共分析了五次样品)。
表3.实施例2进水水质统计表
Figure BDA0002428264230000091
表4.实施例2进出水水质及污染物去除率
Figure BDA0002428264230000092
注：pH无量纲。
从表3可知，进水COD/TN平均比值仅为2.24，属于低碳氮比生活污水。从表4可知，实施例2对COD、氨氮、硝态氮和总氮去除率范围分别为69.7％～72.4％、84.5％～87.5％、65.8％～85.7％和75.5％～87.0％，而出水中TN浓度范围为5.08～9.16mg/L，实现了对低碳氮比生活污水的深度脱氮。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池，其特征在于，所述生物滤池包括底部连通的进水侧和排水侧两个单元，并设有散水层、第一潮汐层、第一饱和淹水层、第一集水-散水层、第二集水-散水层、第二饱和淹水层、排水层、第二潮汐层、散水管、集水-散水管、排水管、反冲洗进气管、反冲洗排泥管和反冲洗风机；所述进水侧和排水侧通过集水-散水管连通底部；
所述进水侧从上到下依次设置为散水层、第一潮汐层、第一饱和淹水层、第一集水-散水层；所述排水侧从上到下依次设置为第二潮汐层、排水层、第二饱和淹水层、第二集水-散水层；
所述散水管铺设于散水层中；所述集水-散水管铺设于第一集水-散水层和第二集水-散水层中；所述排水管铺设于排水层中；所述反冲洗进气管垂直设置于排水侧填料中，并且两端分别与反冲洗风机和集水-散水管连接；所述反冲洗排泥管设在高于填料的生物滤池池壁上；
所述排水管设有电动或电磁阀控制***定时排水；所述反冲洗进气管和反冲洗排泥管分别设有球阀。
2.根据权利要求1所述的稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池，其特征在于，所述第一潮汐层和第二潮汐层均由0.2～1.5cm的碎石、沸石、钢渣、石灰石的一种或两种以上组成，其厚度均为15～100cm；所述第一饱和淹水层和第二饱和淹水层均由0.2～1.5cm的碎石、沸石、钢渣、石灰石的一种或两种以上组成，其厚度均为30～200cm；所述散水层、第一集水-散水层和第二集水-散水层均由粒径为2～5cm的碎石组成，其厚度均为5～30cm；所述排水层由粒径为1～5cm的碎石和/或沸石组成，其厚度为5～30cm。
3.根据权利要求1或2所述的稳定实现生活污水厌氧氨氧化脱氮的潮汐-复合流生物滤池，其特征在于，***运行步骤和参数为：
***进水时，电磁或者电动阀关闭，第一潮汐层和第二潮汐层水位不断升高，最终被淹没；保持淹没状态一定时间后，电磁或者电动阀开启，***开始排水，第一潮汐层和第二潮汐层水位不断降低，直至完全排空，电磁或电动阀关闭；保持落干状态一定时间后，开始下一周期的进水；
***进水时间为1～60min，潮汐层淹水时间为10～120min，***排水时间为5～30min，潮汐层落干时间为60～120min。
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