CN108059307A - 同步除碳脱氮的废水处理系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

一种同步除碳脱氮的废水处理系统及其运行方法，所述废水处理系统包括：厌氧膜生物反应器、反硝化反应器、一体式部分亚硝化‑厌氧氨氧化反应器以及自动控制单元。本发明的同步除碳脱氮的废水处理系统及其运行方法可用于处理高浓度有机物、高浓度氨氮废水，可同步去除有机污染物和氨氮，并回收生物质能源，降低曝气能耗，缩短工艺流程。

Description

同步除碳脱氮的废水处理系统及其运行方法

技术领域

本发明属于废水处理技术领域，具体涉及一种同步除碳脱氮的废水处理系统及其运行方法。

背景技术

我国工业废水具有排放量大、污染物浓度高、处理效率低的典型特征。近年来，对于高浓度有机废水、高氨氮废水的单独处理研究不胜枚举。但针对高浓度有机废水的同步高效除碳脱氮研究则鲜见报道。事实上，高浓度有机废水厌氧消化液具有的高氨氮、低碳氮比特征，使其具有适合厌氧氨氧化工艺脱氮处理的优势。这就为厌氧膜生物反应器与厌氧氨氧化工艺的组合提供了有利条件。

厌氧膜生物反应器技术能有效克服传统厌氧消化技术存在的产甲炕菌生长缓慢、浓度低、微生物易流失、污泥停留时间(SRT)和水力停留时间(HRT)不能分离、抗冲击负荷能力弱等不足，独立对HRT和SRT进行操作、保留产甲烷菌、同时有效截留其他微生物、提高污染物去除效果、同时膜分离可以进一步提高出水水质。但在实际应用中，该技术存在反应器易于酸化(如淀粉废水处理)或碱度增加(如猪粪废水处理)而在运行过程中出现COD去除效果不稳定和产气效果不佳以及膜污染影响产水量等问题。而传统的生物脱氮技术硝化-反硝化工艺，能耗高、工艺流程长，且反硝化过程中需要投加外碳源(甲醇等)而增加了运行成本，导致其与其他新型生物脱氮工艺如厌氧氨氧化技术相比不具有显著优势。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种同步除碳脱氮的废水处理系统及其运行方法，以便解决上述技术问题中的至少之一。

本发明是通过如下技术方案实现的：

作为本发明的一个方面，提供一种同步除碳脱氮的废水处理系统，包括：

厌氧膜生物反应器，其接收待处理的废水，对废水进行厌氧消化处理，去除废水中的耗氧有机物；

反硝化反应器，其接收所述厌氧膜生物反应器的出水，及下述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的回流水，进行反硝化脱氮处理，对废水脱氮并进一步去除耗氧有机物，同时进行水量调节；

一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器，其接收所述反硝化反应器的出水，进行亚硝化-厌氧氨氧化处理，去除废水中的氨氮；以及

自动控制单元，对废水处理过程进行实时监测与控制，

其中，自动控制单元通过监测所述反硝化反应器的液位，控制所述厌氧膜生物反应器的出水量、所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的进水量以及从所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器回流到所述反硝化反应器的水量。

进一步地，所述同步除碳脱氮的废水处理系统还包括管式膜组件，其通过循环泵与所述厌氧膜生物反应器连接，对所述厌氧膜生物反应器的出水进行膜分离；作为优选，所述管式膜组件为内压式超滤膜组件或微滤膜组件。

进一步地，所述管式膜组件的出水端包括：产水口，膜分离后的水经所述产水口进入所述反硝化反应器；以及循环口，通过管道与所述厌氧膜生物反应器连接。

进一步地，所述同步除碳脱氮的废水处理系统还包括气体计量系统，其计量所述厌氧膜生物反应器的产气，并将信号接入自动控制单元；所述气体计量系统包括气体缓冲瓶和电子气体流量计。

进一步地，所述厌氧膜生物反应器内设有速度可调的搅拌桨，液位传感器、pH电极和ORP电极，通过变送器连接到自动控制单元；

进一步地，所述反硝化反应器内设有速度可调的搅拌桨和液位传感器，通过变送器连接到自动控制单元；

进一步地，所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器内设有速度可调的搅拌桨、液位计传感器、DO电极、pH电极、ORP电极和氨氮电极，通过变送器连接到自动控制单元；

所述厌氧膜生物反应器和所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器都配备酸液调节罐和碱液调节罐，以实现自动控制单元对反应器内部酸碱性的调控。

进一步地，所述厌氧膜生物反应器和所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器外部设有保温夹套，并通过管路与同一水浴设备相连。

进一步地，所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器内设有曝气盘或气泡石，空气依次通过曝气泵和气体流量计进入所述曝气盘或气泡石。

进一步地，所述进水桶由外部的蠕动泵经管道驱动进水。

进一步地，所述反硝化反应器的安装高度高于所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的安装高度。

作为本发明的另一个方面，提供一种同步除碳脱氮的废水处理方法，利用前述的同步除碳脱氮的废水处理系统，包括以下步骤：

废水输送至接种有厌氧消化污泥的厌氧膜生物反应器，去除废水中的耗氧有机物，同时产生部分未降解有机物和氨态氮；

所述厌氧膜生物反应器的出水经膜分离进入反硝化反应器，为其提供脱氮基质之一的有机物；

所述反硝化反应器的出水进入所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器，经过一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应去除氨氮；

所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的出水的一部分回流至反硝化反应器为其提供脱氮基质之一的硝态氮。

进一步地，当所述反硝化反应器有两个时，废水处理过程中，所述自动控制单元监测两个平行的所述反硝化反应器的液位，实现对连续运行的所述厌氧膜生物反应器和间歇运行的所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的衔接，满足各个反应器的水量需求：

控制达到液位要求的所述反硝化反应器与一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器同时静沉，等待排水；与此同时，控制未达到液位要求的所述反硝化反应器接收所述厌氧膜生物反应器的出水和所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的回流水；

若两个所述反硝化反应器均未达到液位要求，则控制厌氧膜生物反应器的出水进入液位相对较高的所述反硝化反应器，达到液位要求后停止进水，与一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器同步静沉、等待排水。

从上述技术方案可以看出，本发明的同步除碳脱氮的废水处理系统及其运行方法具有以下有益效果：

(1)联合多种在线电极，实时监测反应体系中的各有关参数，及时掌握反应器运行状态，并通过PLC系统控制其整体运行，自动化程度高，运行维护简便；

(2)采用较短的工艺流程和较低的能量消耗实现了高浓有机污染物和氨氮的同步去除；

(3)通过两个平行的反硝化反应器巧妙地实现对连续运行的厌氧膜生物反应器和间歇运行的厌氧氨氧化反应器的衔接转换；

(4)反硝化反应器除具有衔接连续-间歇运行的反应器的作用外，还在进一步去除有机污染物并脱氮的同时提高了反应器的污染物整体去除效果，有效缓解了后续厌氧氨氧化的有机抑制。

附图说明

图1是本发明实施例中同步除碳脱氮的废水处理系统示意图；

【附图标记说明】

1-进水箱； 2-厌氧膜生物反应器；

3-气体缓冲瓶； 4-电子气体流量计；

5-管式膜组件； 6-反硝化反应器；

8-自动控制单元； 9-远程操控计算机；

7-一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种同步除碳脱氮的废水处理系统及其运行方法，所述废水处理系统包括：厌氧膜生物反应器、反硝化反应器、一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器以及自动控制单元。本发明的同步除碳脱氮的废水处理系统及其运行方法可用于处理高浓度有机物、高浓度氨氮废水，可以同步去除有机污染物和氨氮，并回收生物质能源，降低曝气能耗，缩短工艺流程。

具体地，作为本发明的一个方面，提供一种同步除碳脱氮的废水处理系统，图1为同步除碳脱氮的废水处理系统示意图。

如图1所示，该装置包括：进水箱1、厌氧消化反应器2、气体缓冲瓶3、电子气体流量计4、管式膜组件5、反硝化反应器6、一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器7、自动控制单元8远程操控计算机；附属设备有酸液调节罐、碱液调节罐、水浴保温设备、曝气设备。

以下对本实施例同步除碳脱氮的废水处理系统的各个组成部分进行详细描述。

进水桶1，由外部的蠕动泵经管道驱动进水。

厌氧膜生物反应器2，其接收进水桶的废水，对废水进行厌氧消化处理，去除废水中的耗氧有机物。

反硝化反应器6，其接收厌氧膜生物反应器的出水，进行反硝化脱氮处理，对废水脱氮并进一步去除耗氧有机物，同时进行水量调节；反硝化反应器6的安装高度高于一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器7的安装高度。

一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器7，其接收反硝化反应器的出水，进行亚硝化-厌氧氨氧化处理，去除废水中的氨氮；一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器7内设有曝气盘或气泡石，空气依次通过曝气泵和气体流量计进入曝气盘或气泡石。厌氧膜生物反应器2和一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器7外部有保温夹套，并通过管路与同一水浴设备相连。

自动控制单元8，通过安装于反应器内的装置对废水处理过程进行实时监测与控制，厌氧膜生物反应器2内设有速度可调的搅拌桨，液位传感器、pH电极和ORP电极，通过变送器连接到自动控制单元；反硝化反应器6内设有速度可调的搅拌桨和液位传感器，通过变送器连接到自动控制单元；一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器7内设有速度可调的搅拌桨、液位计传感器、DO电极、pH电极、ORP电极和氨氮电极，通过变送器连接到自动控制单元；厌氧膜生物反应器2和一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器7都配备酸液调节罐和碱液调节罐，以实现自动控制单元对反应器内部酸碱性的调控。

其中，该自动控制单元8优选PLC自动控制单元，通过监测两个反硝化反应器6的液位，控制厌氧膜生物反应器2的出水量、一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器7的进水量以及从一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器7回流到反硝化反应器6的水量。

管式膜组件5，其通过循环泵与厌氧膜生物反应器2连接，对厌氧膜生物反应器2的出水进行膜分离；管式膜组件5为内压式超滤膜组件或微滤膜组件。管式膜组件的出水端包括：产水口，膜分离后的水经产水口进入反硝化反应器；以及循环口，通过管道与厌氧膜生物反应器连接。

气体计量系统，其计量厌氧膜生物反应器的产气，并将信号接入自动控制单元；气体计量系统包括气体缓冲瓶3和电子气体流量计4。

作为本发明的另一个方面，提供一种同步除碳脱氮的废水处理方法。

反应器联动运行前，需分别对各反应器进行驯化、启动。厌氧消化反应器的接种泥可选择剩余污泥或其他厌氧消化污泥；反硝化反应器的接种泥可取自城市污水处理厂的缺氧池污泥；一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的接种泥可选择相同工艺的反应器污泥，或由硝化污泥和厌氧氨氧化污泥混合接种。待各部分反应器都得到成功启动后，进行联动运行调控试验。具体如下：

进水桶经蠕动泵与厌氧消化反应器连通；厌氧消化反应器内设有液位计、pH电极和ORP电极，液位计和pH电极及ORP电极将实时液位、pH和ORP数据传输到PLC系统，后者经逻辑判断反馈控制加酸、加碱泵的启停，使反应器内的pH维持在最适范围(6.8～7.2)。膜出水通过隔膜泵连续驱动，其出水量的大小可通过循环阀旋开幅度进行调整，管式膜的前后分别设有压力计和流量计，在线可通过对其跨膜压差TMP(压力计值)、离线可通过查看产水量来分别监测并判断膜污染情况，以便采取适合的膜清洗维护策略。

膜产水经电动阀控制进入两个平行的反硝化反应器中的一个，判断标准为液位比较，液位相同时1号反硝化反应器优先得到进水，否则液位高者得之。当某一反硝化反应器的进水液位达到设定高值时，停止进水，继续搅拌，此时膜产水经自控系统控制进入另一液位未达设定高值的反硝化反应器。设置液位达已到设定高值的反硝化反应器与一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器同步静沉，待后者排水(回流部分进入另一反硝化反应器)后等待一定时间再进行排水，排水结束后进行搅拌；待另一反硝化反应器的液位达到设定高值时该反应器开始接受膜产水、有时可能还会有厌氧氨氧化反应器的回流水。同上，不断循环。

反硝化反应器出水进入SBR(一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器)后，PLC系统通过液位控制其进水的启停也即反硝化反应器出水的启停，过程中通过间歇曝气或连续曝气结合氨氮节点设置(例如30mg/L)控制反应的终止，之后进行继续搅拌、静沉和排水。SBR反应器中的pH参数信息可反馈控制加酸或加碱泵的启停，使反应体系维持在最适pH范围(6.8～7.8)；ORP或DO电极读数可帮助运行控制人员判断反应体系的氧化还原条件，可起到预警、调节控制作用。

SBR反应器的具体运行步骤如下：

连续曝气系统

(1)上一周期结束后，搅拌桨处于开启状态。新一周期开始后，PLC控制反硝化反应器出水阀开启，SBR中液位逐渐升高，当液位计探测到目标高液位后，PLC系统控制反硝化反应器出水阀关闭，即SBR反应器的进水停止。

(2)进水停止后，曝气系统启动，通过流量计控制SBR内DO浓度，保证SBR中NO₂ ^--N浓度适中，即不高于阈值(例如20.00mg·L^-1)。随着短程硝化与厌氧氨氧化两个过程的同时进行，实时监测SBR中的氨氮浓度变化的氨氮在线电极读数持续降低。

(3)控制氨氮的留存浓度值(例如30.00mg·L^-1)，当氨氮在线电极读数降到该值时，PLC控制曝气系统停止，系统内DO浓度会迅速降至0.00mg·L^-1，SBR进入搅拌阶段。

(4)当搅拌阶段时长结束后，PLC控制搅拌桨停止工作，SBR进入沉淀阶段，污泥沉淀在SBR底部，实现泥水分离。

(5)沉淀时长结束后，PLC控制开启排水电动阀门，SBR进入排水阶段。液位快速降低，当达到设定的回流液位时，关闭出水电动阀，开启回流电动阀，当液位降至目标低液位后，PLC控制回流电动阀门关闭。同时，搅拌桨启动，SBR进入闲置阶段。其闲置时长取决于反硝化反应器的液位，最先达到液位高值的反硝化反应器率先进行静沉、排水供给SBR反应器即新的周期开始。

间歇曝气系统

(1)上一周期结束后，搅拌桨处于开启状态。新一周期开始后，PLC控制反硝化反应器出水阀开启，SBR中液位逐渐升高，当液位计探测到目标高液位后，PLC系统控制进水泵停止。

(2)进水泵停止后，曝气系统启动，通过流量计控制SBR溶解氧浓度。在曝气阶段，氨氮发生短程硝化反应，导致pH不断降低，当pH降幅达到设定的ΔpH₁后，PLC控制曝气系统停止，DO浓度迅速降至0.00mmg·L^-1。之后反应体系单独进行厌氧氨氧化反应，因消耗H⁺而导致pH值回升，当pH增幅达到设定的ΔpH₂，PLC控制曝气系统重新开启，为SBR重新曝气充氧以进行短程硝化反应，如是循环。期间，随着短程硝化与厌氧氨氧化两个反应过程的交替进行，SBR中氨氮不断被消耗，氨氮在线电极读数持续降低。

(3)控制氨氮的留存浓度值(例如30.00mg·L^-1)，当氨氮在线电极读数降至该值时，PLC控制曝气系统停止，SBR进入搅拌阶段。

(4)当搅拌阶段时长结束后，PLC控制搅拌桨停止工作，SBR进入沉淀阶段，污泥沉淀在SBR底部，实现泥水分离。

(5)沉淀时长结束后，PLC控制开启排水电动阀门，SBR进入排水阶段。液位快速降低，当达到设定的回流液位时，关闭出水电动阀，开启回流电动阀，当液位降至目标低液位后，PLC控制回流电动阀门关闭。同时，搅拌桨启动，SBR进入闲置阶段。其闲置时长取决于反硝化反应器的液位，最先达到液位高值的反硝化反应器率先进行静沉、排水供给SBR反应器即新的周期开始。

以下结合具体实施例和附图，对本发明提供的同步除碳脱氮的废水处理系统及其运行方法作进一步的详细说明。

实施例：同步除碳脱氮生物反应器处理屠宰废水

以本发明的生物反应器处理模拟屠宰废水，采用PLC控制系统联合调控方法进行运行调控。所用进水为人工废水，无需过滤去除大颗粒物，配方如表1所示，

表1 人工废水配方

在第一部分的基础上加入2.0g/L NaHCO₃。进水COD为8000(±2000)mg/L，氨氮200(±10)mg/L。所用厌氧消化反应器为完全混合式反应体系；膜组件为外置式管式膜。其他反应器及附属设备同前述。厌氧反应器有效容积为15L，污泥浓度在8～15g/L，反应温度为中温(35±1℃)，其HRT由日处理量及有效容积确定。进水经厌氧消化和膜过滤后，其有机物得以降解，去除率在90％以上；氨氮浓度增加，达600+20mg/L。膜出水进入反硝化反应器后，COD和硝氮分别可被去除10％～30％，该废水经SBR反应器后，氨氮可被去除90％以上。

综上，本发明的同步除碳脱氮的废水处理系统及其运行方法可用于处理高浓度有机物、高浓度氨氮废水，可以同步去除有机污染物和氨氮，并回收生物质能源，降低曝气能耗，缩短工艺流程。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同步除碳脱氮的废水处理系统，其特征在于，包括：

厌氧膜生物反应器，其接收待处理的废水，对废水进行厌氧消化处理，去除废水中的耗氧有机物；

反硝化反应器，其接收所述厌氧膜生物反应器的出水，及下述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的回流水，进行反硝化脱氮处理，对废水脱氮并进一步去除耗氧有机物，同时进行水量调节；

一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器，其接收所述反硝化反应器的出水，进行亚硝化-厌氧氨氧化处理，去除废水中的氨氮；以及

自动控制单元，对废水处理过程进行实时监测与控制，

其中，自动控制单元通过监测所述反硝化反应器的液位，控制所述厌氧膜生物反应器的出水量、所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的进水量以及从所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器回流到所述反硝化反应器的水量。

2.根据权利要求1所述的同步除碳脱氮的废水处理系统，其特征在于，所述同步除碳脱氮的废水处理系统还包括管式膜组件，其通过循环泵与所述厌氧膜生物反应器连接，对所述厌氧膜生物反应器的出水进行膜分离；作为优选，所述管式膜组件为内压式超滤膜组件或微滤膜组件。

3.根据权利要求2所述的同步除碳脱氮的废水处理系统，其特征在于，所述管式膜组件的出水端包括：

产水口，膜分离后的水经所述产水口进入所述反硝化反应器；以及

循环口，通过管道与所述厌氧膜生物反应器连接。

4.根据权利要求1所述的同步除碳脱氮的废水处理系统，其特征在于，所述同步除碳脱氮的废水处理系统还包括气体计量系统，其计量所述厌氧膜生物反应器的产气，并将信号接入自动控制单元；所述气体计量系统包括气体缓冲瓶和电子气体流量计。

5.根据权利要求1所述的同步除碳脱氮的废水处理系统，其特征在于，所述厌氧膜生物反应器内设有速度可调的搅拌桨、液位传感器、pH电极和ORP电极，通过变送器连接到自动控制单元；

所述反硝化反应器内设有速度可调的搅拌桨和液位传感器，通过变送器连接到自动控制单元；

所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器内设有速度可调的搅拌桨、液位计传感器、DO电极、pH电极、ORP电极和氨氮电极，通过变送器连接到自动控制单元；

所述厌氧膜生物反应器和所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器都配备酸液调节罐和碱液调节罐，以实现自动控制单元对反应器内部酸碱性的调控。

6.根据权利要求1所述的同步除碳脱氮的废水处理系统，其特征在于，所述厌氧膜生物反应器和所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器外部设有保温夹套，并通过管路与同一水浴设备相连。

7.根据权利要求1所述的同步除碳脱氮的废水处理系统，其特征在于，所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器内设有曝气盘或气泡石，空气依次通过曝气泵和气体流量计进入所述曝气盘或气泡石。

8.根据权利要求1所述的同步除碳脱氮的废水处理系统，其特征在于，所述进水桶由外部的蠕动泵经管道驱动进水；

所述反硝化反应器的安装高度高于所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的安装高度。

9.一种同步除碳脱氮的废水处理方法，利用权利要求1～8所述的同步除碳脱氮的废水处理系统，其特征在于，包括以下步骤：

废水输送至接种有厌氧消化污泥的厌氧膜生物反应器，去除废水中的耗氧有机物，同时产生部分未降解有机物和氨态氮；

所述厌氧膜生物反应器的出水经膜分离进入反硝化反应器，为其提供脱氮基质之一的有机物；

所述反硝化反应器的出水靠重力作用流入所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器，经过一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应去除氨氮；

所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器出水的一部分回流至反硝化反应器为其提供脱氮基质。

10.根据权利要求9所述的同步除碳脱氮的废水处理方法，其特征在于，当所述反硝化反应器有两个时，废水处理过程中，所述自动控制单元监测两个平行的所述反硝化反应器的液位，实现对连续运行的所述厌氧膜生物反应器和间歇运行的所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的衔接，满足各个反应器的水量需求：

控制达到液位要求的所述反硝化反应器与一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器同时静沉，等待排水；与此同时，控制未达到液位要求的所述反硝化反应器接收所述厌氧膜生物反应器的出水和所述一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器的回流水；

若两个所述反硝化反应器均未达到液位要求，则控制厌氧膜生物反应器的出水进入液位相对较高的所述反硝化反应器，达到液位要求后停止进水，与一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应器同步静沉、等待排水。