本發(fā)明屬于污水生物處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種強(qiáng)化N₂O產(chǎn)生并回收利用的污水生物脫氮方法和裝置。

背景技術(shù)：

N₂O是一種極具發(fā)展前途的無毒推進(jìn)劑，作為強(qiáng)氧化劑和助燃機(jī)劑可用于航天航空領(lǐng)域火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和提高賽車動(dòng)力速度。然而，N₂O同時(shí)也是一種具有較高增溫勢(shì)能（約是CO₂的265倍）的溫室氣體，在污水處理過程中被認(rèn)為是一種具有較大環(huán)境負(fù)面效應(yīng)的副產(chǎn)物。研究表明，每年污水處理過程中產(chǎn)生的N₂O已經(jīng)達(dá)到了全球N₂O總釋放量的2.5%-25%。目前，水處理領(lǐng)域大多數(shù)研究都集中在如何最大限度的減少N₂O產(chǎn)生，而強(qiáng)化N₂O產(chǎn)生并收集它作為能源回收利用是一種新構(gòu)想，也使N₂O成為了一種潛在的可再生能源。

從污水中回收能源一般是通過厭氧消化達(dá)到的，有機(jī)物轉(zhuǎn)化為CH₄，然后CH₄以空氣中的O₂作為氧化劑來燃燒發(fā)電。事實(shí)上，N₂O是一種比O₂更強(qiáng)大的氧化劑，可以提高CH₄燃燒產(chǎn)生的能量，使用N₂O作為氧化劑能夠避免其作為溫室氣體排放到大氣，并可同時(shí)提高CH₄的燃燒產(chǎn)能（Scherson Y D, Woo S G, Criddle C S. Environmental Science & Technology, 2014, 48(10):5612-9）。然而，目前已有的強(qiáng)化污水處理過程中N₂O產(chǎn)生的方法存在污水脫氮效率較低和N₂O轉(zhuǎn)化率不高等問題，使這種能源回收途徑難以在實(shí)際處理過程中應(yīng)用。發(fā)明專利（CN201310357185.7）提供了一種強(qiáng)化N₂O產(chǎn)生的裝置和控制方法，在缺氧段發(fā)生的內(nèi)源反硝化作用實(shí)現(xiàn)溶解態(tài)N₂O的積累，再通過曝氣攪動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)N₂O的回收，但NO₂^-還原率和N₂O轉(zhuǎn)化率較低。發(fā)明專利（CN201310743142.2）利用污泥消化液短程硝化的方法來強(qiáng)化N₂O的產(chǎn)生，但其曝氣階段能耗高，脫氮效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供了一種強(qiáng)化N₂O產(chǎn)生并回收利用的污水生物脫氮方法和裝置，在實(shí)現(xiàn)高效生物脫氮的同時(shí)能夠以高轉(zhuǎn)化率強(qiáng)化N₂O產(chǎn)生并回收利用，對(duì)處理氮負(fù)荷較高的污水具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明主要包含三個(gè)步驟：（1）部分好氧硝化作用將NH₄⁺氧化為NO₂^-；（2）部分異氧反硝化作用將NO₂^-還原為N₂O；（3）收集N₂O實(shí)現(xiàn)能源的回收。本發(fā)明可在去除污水中氨氮的同時(shí)回收N₂O作為能源，操作方法簡(jiǎn)單，能耗低，脫氮效率高，N₂O轉(zhuǎn)化率較高。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案，一種強(qiáng)化N₂O產(chǎn)生并回收利用的污水生物脫氮方法，其特征在于具體步驟為：污水由短程硝化池上部的進(jìn)水口進(jìn)入短程硝化池，在短程硝化池內(nèi)的停留時(shí)間為48h，短程硝化池內(nèi)部設(shè)有曝氣管，用于控制污水中的溶解氧濃度為0.2-0.5mg/L，短程硝化池內(nèi)設(shè)有DO在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于隨時(shí)監(jiān)測(cè)短程硝化池內(nèi)的DO，短程硝化池內(nèi)設(shè)有短程硝化池?cái)嚢杵?，用于保持污泥的懸浮狀態(tài)，控制攪拌速率為300r/min，短程硝化池內(nèi)設(shè)有pH在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污水的pH值并通過添加0.5mol/L的硫酸溶液調(diào)節(jié)污水的pH值維持在7.0-7.3，短程硝化池內(nèi)設(shè)有加熱棒，用于控制污水溫度為35℃，短程硝化池內(nèi)的污水通過短程硝化池出水口溢流進(jìn)入短程反硝化池；污水在短程反硝化池內(nèi)的停留時(shí)間為24h，短程反硝化池內(nèi)設(shè)有短程反硝化池?cái)嚢杵鳎刂茢嚢杷俾蕿?50r/min，短程反硝化池上部設(shè)有加藥口，用于在短程反硝化初期即反應(yīng)時(shí)間在0-1h時(shí)添加乙酸作為碳源以使污水中的C/N控制為3，短程反硝化池上部設(shè)有集氣罩，該集氣罩上部設(shè)有N₂O收集管，用于收集污水處理過程中產(chǎn)生的N₂O氣體，處理過的污水通過短程反硝化池出水口進(jìn)入污泥沉淀池；污水在污泥沉淀池中的停留時(shí)間為0.5-1h，污泥沉淀池中沉淀后的污水通過污泥沉淀池溢流堰溢流后經(jīng)污泥沉淀池出水口排出，污泥沉淀池中沉淀后的剩余污泥由污泥沉淀池排泥口排出。

本發(fā)明所述的強(qiáng)化N₂O產(chǎn)生并回收利用的污水生物脫氮裝置，其特征在于沿污水流動(dòng)方向依次設(shè)有短程硝化池、短程反硝化池和污泥沉淀池，其中短程硝化池內(nèi)處理過的污水通過短程硝化池出水口溢流進(jìn)入短程反硝化池，污泥沉淀池通過連接管道與短程反硝化池出水口相連，短程硝化池的上部設(shè)有進(jìn)水口，短程硝化池內(nèi)設(shè)有短程硝化池?cái)嚢杵鳌⑵貧夤?、加熱棒、DO在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和pH在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，曝氣管通過管道與氣泵連接，短程反硝化池內(nèi)設(shè)有短程反硝化池?cái)嚢杵?，短程反硝化池上部設(shè)有加藥口，短程反硝化池的上部通過密封法蘭固定有集氣罩，該集氣罩上設(shè)有N₂O收集管，污泥沉淀池的上部設(shè)有溢流堰，該溢流堰的上部為污泥沉淀池出水口，污泥沉淀池的下部設(shè)有污泥沉淀池排泥口。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、運(yùn)行費(fèi)用低，剩余污泥產(chǎn)生量較少，無二次污染；

2、實(shí)現(xiàn)了溫室氣體N₂O的資源化利用；

3、對(duì)處理高負(fù)荷低C/N的污水具有優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效生物脫氮的同時(shí)N₂O轉(zhuǎn)化率較高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中強(qiáng)化N₂O產(chǎn)生并回收利用的污水生物脫氮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1-進(jìn)水口；2-短程硝化池；3-短程硝化池?cái)嚢杵鳎?-短程硝化池出水口；5-曝氣管；6-DO在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；7-pH在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；8-加熱棒；9-氣泵；10-短程反硝化池；11-短程反硝化池?cái)嚢杵鳎?2-集氣罩；13-密封法蘭；14-加藥口；15-N₂O收集管；16-短程反硝化池出水口；17-污泥沉淀池；18-溢流堰；19-污泥沉淀池出水口；20-污泥沉淀池排泥口。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1所示，一種強(qiáng)化N₂O產(chǎn)生并回收利用的污水生物脫氮裝置，沿污水流動(dòng)方向依次設(shè)有短程硝化池2、短程反硝化池10和污泥沉淀池17，其中短程硝化池2內(nèi)處理過的污水通過短程硝化池出水口4溢流進(jìn)入短程反硝化池10，污泥沉淀池17通過連接管道與短程反硝化池出水口16相連，短程硝化池2的上部設(shè)有進(jìn)水口1，短程硝化池2內(nèi)設(shè)有短程硝化池?cái)嚢杵?、曝氣管5、加熱棒8、DO在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)6和pH在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)7，曝氣管5通過管道與氣泵9連接，短程反硝化池10內(nèi)設(shè)有短程反硝化池?cái)嚢杵?1，短程硝化短程反硝化池10上部設(shè)有加藥口14，短程反硝化池10的上部通過密封法蘭13固定有集氣罩12，該集氣罩12上設(shè)有N₂O收集管15，污泥沉淀池17的上部設(shè)有溢流堰18，該溢流堰18的上部為污泥沉淀池出水口19，污泥沉淀池17的下部設(shè)有污泥沉淀池排泥口20。

污水由短程硝化池2上部的進(jìn)水口1進(jìn)入短程硝化池2，污水在短程硝化池2內(nèi)的停留時(shí)間為48h，短程硝化池2內(nèi)設(shè)有曝氣管5，用于控制污水中溶解氧濃度為0.2-0.5mg/L，短程硝化池2內(nèi)設(shè)有DO在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)6，用于隨時(shí)監(jiān)測(cè)短程硝化池內(nèi)的DO，短程硝化池2內(nèi)設(shè)有短程硝化池?cái)嚢杵?，用于保持污泥的懸浮狀態(tài)，控制攪拌速率為300r/min，短程硝化池2內(nèi)設(shè)有pH在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)7，用于隨時(shí)監(jiān)測(cè)pH值，短程硝化過程中使用0.5mol/L 的硫酸溶液調(diào)節(jié)pH維持在7.0-7.3，這種中性pH有利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，提高硝化速率，短程硝化池2內(nèi)設(shè)有加熱棒8，用于控制溫度為35℃，上述所設(shè)反應(yīng)條件有利于提供適宜的微生物條件，最大化的實(shí)現(xiàn)NH₄⁺向NO₂^-的轉(zhuǎn)化，短程硝化池2內(nèi)的污水通過短程硝化池出水口4溢流進(jìn)入短程反硝化池10，該過程僅靠重力作用，不產(chǎn)生額外能耗；污水在短程反硝化池10內(nèi)的停留時(shí)間為24h，短程反硝化池10內(nèi)設(shè)有短程反硝化池?cái)嚢杵?1，控制攪拌速率為150r/min，短程反硝化池10上部設(shè)有加藥口14，短程反硝化初期（0-1h）添加乙酸作為碳源，微生物利用乙酸合成胞內(nèi)聚合物PHB，這些PHB為短程硝化池2出水中含有的NO₂^-提供電子進(jìn)行短程反硝化作用，在該短程反硝化作用中NO₂^-氧化PHB，利用微生物胞內(nèi)碳源PHB進(jìn)行的反硝化作用可抑制N₂O還原酶的活性，最大化的促進(jìn)水體中的NO₂^-轉(zhuǎn)化為N₂O，同時(shí)也去除了水中的NO₂^-，降低了水體中TN濃度，所添加乙酸量使污水中的C/N控制為3，污水C/N過高，乙酸不能全部用于合成胞內(nèi)聚合物PHB，水體中殘余的乙酸被異養(yǎng)反硝化微生物利用發(fā)生氧化還原作用，促進(jìn)污水中氮元素在反硝化過程中徹底還原為N₂，不利于N₂O的回收，污水C/N過低，會(huì)減少系統(tǒng)中微生物胞內(nèi)聚合物PHB的合成量，造成反硝化過程中電子供體不足，污水中的NO₂^-不能被全部還原而殘留在水中，進(jìn)而造成系統(tǒng)內(nèi)TN去除率和N₂O轉(zhuǎn)化率降低，短程反硝化池10上部設(shè)有集氣罩12，集氣罩12上部設(shè)有N₂O收集管15用于收集污水處理過程中產(chǎn)生的N₂O氣體，處理過的污水通過短程反硝化池出水口16進(jìn)入污泥沉淀池17，該過程僅靠重力作用，不產(chǎn)生額外能耗；污水在污泥沉淀池17中的停留時(shí)間為0.5-1h，污泥沉淀池17中沉淀后的污水通過污泥沉淀池溢流堰18溢流后經(jīng)污泥沉淀池出水口19排出，該過程僅靠重力流動(dòng)，不產(chǎn)生額外能耗，污泥沉淀池17中沉淀后的剩余污泥由污泥沉淀池排泥口20排出。

實(shí)施例1

以某污水處理廠的厭氧消化液為例，污水進(jìn)水水質(zhì)為：COD濃度為1200mg/L，NH₄⁺-N濃度為1400mg/L，TP濃度為46mg/L，pH為8.7左右，所選擇的短程硝化池有效容積為12L，短程反硝化池容積為6L，反應(yīng)器接種污泥采用污水處理廠短程硝化池新鮮活性污泥，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度維持在2500-3000mg/L，污泥泥齡維持在22d，短程硝化池DO維持在0.2-0.5mg/L。

具體操作步驟如下：

（1）裝置啟動(dòng)：首先取接種的污水處理廠短程硝化池新鮮活性污泥投入短程硝化池，污泥濃度為2500-3000mg/L；

（2）污水由進(jìn)水口進(jìn)入短程硝化池，短程硝化過程中使用0.5mol/L的硫酸溶液調(diào)節(jié)pH,控制pH為7.1，溶解氧濃度控制0.2-0.5mg/L，反應(yīng)溫度利用加熱棒控制在35℃；

（3）經(jīng)過短程硝化池處理過的含有NO₂^-（約1300 mg/L）的污水進(jìn)入短程反硝化池中，反硝化初期添加乙酸溶液（122mM）控制C/N為3，乙酸合成PHB為NO₂^-提供電子進(jìn)行反硝化作用。

試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后短程硝化過程中污水中約93%的NH₄⁺轉(zhuǎn)化為NO₂^-，反硝化結(jié)束后約77%的NO₂^-轉(zhuǎn)化為N₂O，COD去除率達(dá)到92%，TN去除率達(dá)到91%，在實(shí)現(xiàn)污水脫氮效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了N₂O的回收利用。

實(shí)施例2

以餐廚污水為例，污水進(jìn)水水質(zhì)為：COD濃度460mg/L，NH₄⁺-N濃度500mg/L，TP濃度為12mg/L，pH為8.3左右，所選擇的短程硝化池有效容積為20L，短程反硝化池容積為10L，反應(yīng)器接種污泥采用污水處理廠短程硝化池新鮮活性污泥，反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度維持在3000-4000mg/L，污泥泥齡維持在20d，短程硝化池DO維持在0.2-0.5mg/L。

具體操作步驟如下：

（1）裝置啟動(dòng)：首先取接種的污水處理廠短程硝化池新鮮活性污泥投入短程硝化池，污泥濃度為3000-4000mg/L；

（2）污水由進(jìn)水口進(jìn)入短程硝化池，短程硝化過程中使用0.5mol/L的硫酸溶液調(diào)節(jié)pH,控制pH為7.1，溶解氧濃度控制0.2-0.5mg/L，反應(yīng)溫度利用加熱棒控制在35℃左右；

（3）經(jīng)過短程硝化池處理過的含有NO₂^-（約470 mg/L）的污水進(jìn)入短程反硝化池中，反硝化初期添加乙酸溶液（122mM）控制C/N為3，乙酸合成PHB為NO₂^-提供電子進(jìn)行反硝化作用。

試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后短程硝化過程中污水中約95%的NH₄⁺轉(zhuǎn)化為NO₂^-，反硝化結(jié)束后約76%的NO₂^-轉(zhuǎn)化為N₂O，COD去除率達(dá)到87%，TN去除率達(dá)到92%，在實(shí)現(xiàn)污水脫氮效率的同時(shí)強(qiáng)化了N₂O的產(chǎn)生與回收。

以上實(shí)施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)均落入本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。