技术领域
[0001] 本
发明涉及
水处理领域，特别涉及一种基于硝氮物理转移的污水深度脱氮工艺及其设备。
背景技术
[0002]
硝酸盐广泛存在于地表水和
地下水中，我国硝酸盐污染有逐年增长的趋势。过量的硝酸盐会引起
水体富营养化，长期饮用含有过量硝酸盐的
饮用水还会危害人类健康。硝酸盐的去除一直在水处理领域备受关注。
[0003] 当前生活
污水处理厂出水大部分会直接或者经进一步再生处理后作为生态补水直接排入到天然水体中。特别在北方缺水地区，以北京为例，生活污水处理厂再生水中约1/3用于生态环境补水，年补水量1亿立方米。因此生活污水处理厂出水是天然水体中硝氮的一大重要来源。为切实加大水污染防治
力度，国务院制定了《水污染防治行动计划》(“水十条”)。其中明确规定“城镇生活污水处理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭式、半封闭水域时，应执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB1891-2002)中一级标准的A标准”。而在该出水标准中，较难达到的主要是总氮，其限值为15mg/L。另外，部分地区还制定了更严格的污水排放标准，如北京市地方标准《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB11890-2012)规定了排入北京市II、III类水体的新(改、扩)建城镇污水处理厂出水总氮限值提升至10mg/L。而我国城镇污水处理厂二级出水总氮一般在15-40mg/L，其中硝氮约占总氮含量50-75％。因此，深度脱氮，进一步降低出水硝氮浓度，已经成为污水处理厂提标改造需要重点解决的问题。
[0004] 目前采用的硝酸盐氮去除技术主要包括
生物脱氮法、化学还原法、离子交换法、
反渗透法和
吸附法。其中生物脱氮法是最为传统和工程应用最为广泛的污水生物脱氮工艺。利用生物去除污水中的硝酸盐主要依靠反
硝化作用，即反硝化菌在缺
氧条件下，利用有机物等
碳源作为
电子供体，将硝酸盐还原为气态氮的过程。反硝化工艺主要可分为后置反硝化工艺和前置反硝化工艺。后置反硝化工艺遵循硝化、反硝化的先后顺序，将反硝化池置于好氧生物工艺的后端。该系统中因不需要硝化液回流一定程度上可简便操作管理。但是因前端好氧生物工艺消耗掉了大部分污水中的有机碳源，导致反硝化过程碳源不足，严重影响其脱氮效果，因此还需要外加有机碳源。碳源投加量不足会造成亚硝酸盐氮积累，投加过量又会引起二次污染。操作难度上升的同时，运行成本也相应增加。前置反硝化则是将厌氧生物工艺置于好氧生物工艺前端，将好氧池的出水回流至
厌氧池中与
原水进行混合，利用污水原水中的有机物作为碳源进行反硝化脱氮。相对于后置反硝化，前置反硝化工艺应用较广，如较为成熟的A/O、A2/O等工艺。
[0005] 面对日益严格的城镇生活污水处理厂排放标准，如果利用传统的生物脱氮法进行升级改造，为了提高反硝化效率，则需要扩建原有的净水构筑物或者新增硝化和反硝化池以提高
停留时间和
污泥龄。这将进一步增加工艺流程及占地面积，且基建
费用高，运行过程的能耗及维护费也很高。特别是当前许多城镇生活污水厂周边城市化发展迅速，已不具备条件为污水厂升级改造提供足够的空间
位置。因此迫切需要寻找一种新的工艺方案在不增加或者尽量少增加构筑物的前提下，提高硝酸盐的去除效率，以保证处理出水的总氮达标，实现污水处理厂的升级改造。
[0006] 公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的
现有技术。
发明内容
[0007] 本发明为了解决污水处理中出水硝酸盐氮含量高，总氮难以稳定达到标准，但利用传统的升级改造方案占地面积大，基建成本高等问题，提供了一种新型的污水深度脱氮方法及其设备，该方法和设备可在不增加或尽量少增加污水处理设施占地面积的前提下，提高反硝化效率，强化脱氮效果。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0009] 一种污水脱氮系统，包括需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元和生物脱氮系统中的厌氧生物处理单元，还包括药剂单元和能将所述药剂单元在需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元的污水和厌氧生物处理单元的污水之间来回分离并运送的传输系统，所述药剂单元包括装载单元和装载在装载单元内部的能从水中去除硝酸盐氮的药剂。
[0010] 上述污水脱氮系统在另一种实施方式中，所述需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元为
沉淀池或生物脱氮系统中的好氧生物处理单元。
[0011] 上述污水脱氮系统在另一种实施方式中，所述能从水中去除硝酸盐氮的药剂包括脱氮絮凝剂，强
碱性阴离子交换
树脂，改性
活性炭，改性沸石，类水滑石以及交联壳聚糖等中的至少一种且所述能从水中去除硝酸盐氮的药剂对硝酸盐氮的吸附容量范围30-300mg/g。
[0012] 上述污水脱氮系统在另一种实施方式中，所述传输系统包括从需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元和/或厌氧生物处理单元的污水中分离药剂单元的分离设备、以及在需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元和厌氧生物处理单元之间来回运输药剂单元的运输设备。
[0013] 上述污水脱氮系统在另一种实施方式中，所述传输系统还包括控制所述分离设备和运输设备的自动化控制设备。
[0014] 上述污水脱氮系统在另一种实施方式中，所述装载单元包括工程塑料
框架及安装在工程塑料框架内的网布。
[0015] 上述污水脱氮系统在另一种实施方式中，所述网布的材质为聚乙烯。聚乙烯材质的网布既能保证药剂与污水的充分
接触，又能够使结合有硝酸盐氮的药剂快速的在水中解结合。
[0016] 上述污水脱氮系统在另一种实施方式中，所述厌氧生物处理单元为池体，池内设有推流搅拌设施。例如厌氧生物处理单元可直接使用污水厂原有的厌氧生物反应池。
[0017] 上述污水脱氮系统在另一种实施方式中，所述好氧生物处理单元为池体，池内设有推流搅拌设施及曝气装置。例如好氧生物处理单元可直接使用污水厂原有的好氧生物反应池。
[0018] 一种污水脱氮方法，包括以下步骤：
[0019] (1)将能从水中去除硝酸盐氮的药剂装载于装载单元中形成药剂单元，并投加到需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元的污水中进行药剂处理；
[0020] (2)药剂处理1-5h后完成对污水的处理，污水中的硝酸盐氮转移到药剂上，污水的总氮含量下降并达到出水标准；
[0021] (3)将步骤2中的药剂单元从污水中分离出来，并将其物理转移并浸没于厌氧生物反应单元中反应时间约为3-10h。反应过程中，药剂上的硝酸盐氮解析到厌氧生物反应单元中，通过
微生物反硝化作用转化为气态氮，实现氮的脱除。
[0022] 上述污水脱氮方法在另一种实施方式中，所述需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元为沉淀池或生物脱氮系统中的好氧生物处理单元。用生物脱氮法中的好氧生物反应单元对污水进行处理；该步骤能将污水中的氮主要转化为硝酸盐氮。
[0023] 上述污水脱氮方法在另一种实施方式中，所述能从水中去除硝酸盐氮的药剂包括脱氮絮凝剂，强碱性阴离子交换树脂，改性活性炭，改性沸石，类水滑石以及交联壳聚糖等中的至少一种且所述能从水中去除硝酸盐氮的药剂对硝酸盐氮的吸附容量范围30-300mg/g。本发明中药剂的作用是在硝酸盐氮浓度高的利用絮凝、吸附以及离子交换等方法将污水中溶解态的硝酸盐氮转移到药剂上，再在硝酸盐氮浓度低的厌氧生物处理单元将硝酸盐氮释放出来，进行反硝化作用。
[0024] 上述污水脱氮方法在另一种实施方式中，步骤1中将药剂单元投加到需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元的污水中时，每小时药剂的初始投加量为每小时处理水量的0.05-1％(
质量百分比)。根据药剂对硝酸盐氮吸附容量、进水总氮含量以及出水标准确定。
如：每小时设计流量为1000m3/h。处理过程当中，每小时絮凝剂初始投加量为每小时处理水量的0.1％(质量百分比)，即初始时每小时需要的絮凝剂量为1000kg，如果需要一次性处理
3个小时，则需要一次性投入絮凝剂的剂量为3000kg。
[0025] 上述污水脱氮方法在另一种实施方式中，还包括：将步骤3中经过厌氧生物反应单元反应过后的药剂分离并重新转运到需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元的原投加位置处循环使用。在步骤3中厌氧生物反应单元中反应后药剂上的硝酸盐氮解析到了厌氧生物反应单元，从而使药剂实现了功能恢复。
[0026] 上述污水脱氮方法在另一种实施方式中，将步骤3中经过厌氧生物反应单元反应过后的药剂分离并重新转运到好氧生物反应单元的原投加位置处循环使用时，处理单位体积污水时需要补充步骤1中初始投加量的1-10％(质量百分比)的药剂，为保证系统的持续运行效果。
[0027] 上述污水脱氮系统在另一种实施方式中，步骤1中将药剂单元投加到需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元的污水中，投加位置为污水中硝酸盐氮含量最高处，具体为好氧生物处理单元末端，药剂单元在污水中的浸没深度为水下2-5m。
[0028] 上述污水脱氮系统在另一种实施方式中，所述厌氧生物处理单元为厌氧池体，池内设有推流搅拌设施，厌氧池内溶解氧浓度控制在0-0.5mg/L，厌氧污泥浓度为4000-6000mg/L。厌氧处理单元可直接使用污水厂原有的厌氧生物反应池。
[0029] 上述污水脱氮系统在另一种实施方式中，所述好氧生物处理单元为好氧池体，池内设有推流搅拌设施及曝气装置，好氧池内溶解氧浓度控制在0.5-2mg/L，好氧污泥浓度为2500-4000mg/L。好氧处理单元可直接使用污水厂原有的好氧生物反应池。
[0030] 本发明利用絮凝、吸附以及离子交换等方法将污水中溶解态的硝酸盐氮转移到药剂上。当污水中溶解态的硝酸盐氮转移到药剂这一过程达到一定平衡后，将这些含有硝酸盐氮的药剂转运到厌氧生物处理单元中。药剂上的硝酸盐氮通过解析等作用重新释放到水中，并被厌氧池中的反硝化菌还原为气态氮，实现反硝化脱氮。
[0031] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0032] 1、本发明污水并不限于好氧出水，只要污水中硝酸盐氮含量超过所需达到的标准时，均可利用具有硝酸盐氮去除功能的药剂作为媒介将硝酸盐氮传输到厌氧生物处理单元进行去除。可选的，本发明基于具有厌氧生物处理单元和好氧生物处理单元的污水处理设施进行了改造，即被改造的污水处理设施采用的工艺包括但不限于后置反硝化工艺或前置反硝化工艺，如：A/O，A2/O，氧化沟等污水处理工艺系统。后置反硝化工艺经本
申请改造后，好氧池出水中硝酸盐氮即可被去除，好氧池出水不需要再流入厌氧池进行反硝化，厌氧池则主要改造作为药剂的再生场所。前置反硝化工艺经本申请改造后，好氧池出水不需要回流到厌氧池中，只需要将负载有硝酸盐氮的药剂返回厌氧池即可。
[0033] 2、本发明取代现有工艺中硝化液直接流入厌氧生物处理单元的方式，消除硝化液中的溶解氧对厌氧生物处理单元缺氧环境的负面影响，保证了厌氧池中反硝化菌活性；又因为常规技术中硝酸盐氮回流入厌氧池时需要同时回流大量水，而本技术不需回流水只转移硝酸盐氮，因此增加了厌氧生物处理工艺中硝酸盐氮的浓度，从而提高反硝化效率，强化脱氮效果，实现污水的深度脱氮，处理出水可稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB1891-2002)中一级标准的A标准对总氮的要求，还可以根据需求调整吸附剂或者药剂的使用量进而达到更严格的排放标准。
[0034] 3、有效降低好氧处理单元出水中硝酸盐氮的浓度，抑制后续沉淀池中反硝化作用的发生，提高泥水分离效率。
[0035] 4、利用本发明中的工艺技术对污水生物脱氮处理工艺进行提标改造，无需新增或者扩建净水构筑物，大大减少了基建费用及净水构筑物的占地面积。
附图说明
[0036] 图1是本发明污水脱氮系统的结构示意图，其中1为厌氧生物处理单元，2为需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元，3为传输系统，4为药剂单元。
具体实施方式
[0037] 下面对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
[0039] 某城镇生活污水处理厂采用DE型双沟式氧化沟处理工艺，出水执行GB18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级(B)标准。随着经济社会的发展，环保部
门对污水处理厂处理出水的要求日益严格。该污水处理厂也面临着升级改造的任务，出水必须达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A标准的要求。其主要难点在于总氮的进一步去除。但是该污水处理厂周边
地块已基本开发完毕，不具备条件为污水厂升级改造提供足够的空间位置。因此采用本发明所述工艺方案对污水厂进行改造。
[0040] 具体工艺方案步骤如下：
[0041] (1)选用发明
专利“一种脱氮絮凝剂及其制备方法和应用”(专利号：ZL 201410350490.8)中所述的脱氮絮凝剂，该脱氮絮凝剂作用后产生的固体被转移至硝酸盐氮含量较低的水中时，硝酸盐氮可重新释放到水中，该脱氮絮凝剂的硝酸盐氮吸附容量为
186mg/g。该污水厂的设计规模为2万m3/d，考虑瞬时流量的变化，每小时设计流量为1000m3/h。处理过程当中，初始絮凝剂投加量为处理水量的0.1％(质量百分比)，即初始时每小时需要的絮凝剂量为1000kg。将1000kg的固体脱氮絮凝剂加入到用工程塑料框架及聚乙烯材质的网布组成的装载单元中形成一个药剂单元。
[0042] (2)污水依次流经处于双沟式氧化沟前端的厌氧池和双沟式氧化沟。厌氧池中的溶解氧浓度为0.2-0.3mg/L，污泥浓度为5000-6000mg/L。氧化沟中的溶解氧浓度根据不同位置在0.5-1.5mg/L范围内变化，其中污泥浓度为3000-4000mg/L。污水在厌氧池和双沟式氧化沟中的停留时间分别为2.5h和15.5h。污水中的
氨氮在双沟式氧化沟中通过微生物的硝化作用转变为硝酸盐氮。
[0043] (3)药剂单元的传输系统包括吊车，轨道，自动化控制设备及动力设施。通过药剂传输系统将(1)中所述的药剂单元投加到好氧池出水前1h处，共投加3个药剂单元。絮凝剂作用过程当中，药剂单元置于水下约2m处，并根据实际情况适当上下调节。
[0044] (4)作用3个小时后，污水中的硝酸盐氮转移到絮凝产生的絮体上，总氮含量下降并达到排放标准。处理后的污水流出好氧池进入沉淀单元，通过沉淀完成泥水分离。上清液即为系统的处理出水。而部分污泥回流到厌氧生物处理单元和好氧生物处理单元中，污泥回流比为60％。其余的污泥作为剩余污泥排出。
[0045] (5)通过吊车将3个药剂单元从氧化沟中分离，并通过上方的输送轨道将药剂单元运回位于氧化沟前端的厌氧池中。
[0046] (6)吸附有硝酸盐氮的固体脱氮絮凝剂在厌氧池中的反应时间为3h。反应过程中，絮凝剂上的硝酸盐氮解析到厌氧池中，并利用污水中的有机物作为碳源，通过微生物反硝化作用转化为气态氮。
[0047] (7)在厌氧池中反应后的絮凝剂可以通过传输系统重新转运到好氧生物反应单元中。为保证系统的持续运行效果，需要补充初始投加量的2％(质量百分比)的新脱氮絮凝剂，即需要补充20g/m3的新脱氮絮凝剂。
[0048] 污水厂改造前后进出水水质情况如下：
[0049]
[0050] 污水厂初始进水是指污水厂最开始的进水，其在厌氧池前还有一级处理工艺，如格栅、一级沉淀池等。利用本发明的工艺方案改造后的污水处理厂出水稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A标准的要求。且与传统的改造方案相比，改造工程量小，不需要新增或扩建净水构筑物。
[0051] 实施例2
[0052] 某农村生活污水处理厂采用A2/O处理工艺。因近年来其进水中总氮含量提高到45-50mg/L，处理出水总氮均值为20mg/L，无法达到15mg/L的排放标准。因此采用本发明所述工艺方案进行升级改造。
[0053] 具体工艺方案步骤如下：
[0054] (1)选用强碱性阴离子交换树脂，其硝酸盐氮吸附容量为155mg/g。该污水厂的设计规模为5000m3/d，考虑瞬时流量的变化，每小时设计流量为250m3/h。处理过程当中，初始离子交换树脂投加量为处理水量的0.4％(质量百分比)，即初始时每小时需要的离子交换树脂量为1000kg。将1000kg的离子交换树脂加入到用工程塑料框架及聚乙烯材质的网布组成的装载单元中形成一个药剂单元。
[0055] (2)污水依次流经前端的厌氧池，缺氧池和好氧池。停留时间分别为2h，2h和8h。污水中的氨氮在好氧池中通过微生物的硝化作用转变为硝酸盐氮。
[0056] (3)药剂单元的传输系统包括运输车，轨道，自动化控制设备及动力设施。通过药剂单元传输系统将(1)中所述的药剂单元投加到好氧池出水前1h处，共投加4个药剂单元。离子交换树脂作用过程当中，药剂单元置于水下约2m处，并根据实际情况适当上下调节。
[0057] (4)作用4个小时后，污水中的硝酸盐氮转移到离子交换树脂上，总氮含量下降并达到排放标准。处理后的污水流出好氧池进入沉淀单元，通过沉淀完成泥水分离。上清液即为系统的处理出水。而部分污泥回流到厌氧池单元中，污泥回流比为40％。其余的污泥作为剩余污泥排出。
[0058] (5)通过运输设备将4个药剂单元药剂单元从好氧池中分离，并通过输送轨道将作用后的离子交换树脂运回位于处理流程前端的厌氧池中。
[0059] (6)吸附有硝酸盐氮的离子交换树脂在厌氧池中的反应时间为4h。反应过程中，离子交换树脂上的硝酸盐氮解析到厌氧池中，并利用污水中的有机物作为碳源，通过微生物反硝化作用转化为气态氮。
[0060] (7)在厌氧池中反应后的离子交换树脂可以通过传输系统重新转运到好氧池中。为保证系统的持续运行效果，需要补充初始投加量的3％(质量百分比)的新离子交换树脂，即需要补充120g/m3的新离子交换树脂。
[0061] 污水厂改造后进出水总氮情况如下：
[0062] 污水厂初始进水是指污水厂最开始的进水，其在厌氧池前还有一级处理工艺，如格栅、一级沉淀池等。对其连续监测1个月，污水厂初始进水总氮平均值为48.5mg/L，出水总氮为12.7mg/L，达到出水总氮≤15mg/L的排放标准，总氮去除率达到73.8％。且与传统的改造方案相比，改造工程量小，不需要新增或扩建净水构筑物。
[0063] 实施例3
[0064] 某工业污水处理厂因近年来出水标准日益严格，原有处理设施无法达到要求，需要提标改造。其中难以解决的是处理出水中总氮的浓度过高的问题。改造前，其出水中总氮浓度均值达到25.3mg/L，最高可达28.4mg/L。远超过该污水处理厂规定的出水总氮浓度<15mg/L的标准。经检测，总氮90％以上为硝酸盐氮。然而用传统的改造方法成本高，且占地面积大，因此采用本发明所述工艺方案进行升级改造。
[0065] 具体工艺方案步骤如下：
[0066] (1)选用发明专利“一种脱氮絮凝剂及其制备方法和应用”(专利号：ZL 201410350490.8)中所述的脱氮絮凝剂，该脱氮絮凝剂作用后产生的固体被转移至硝酸盐氮含量较低的水中时，硝酸盐氮可重新释放到水中，该脱氮絮凝剂的硝酸盐氮吸附容量为
186mg/g。该污水厂的设计规模为8000m3/d，考虑瞬时流量的变化，每小时设计流量为400m3/h。处理过程当中，初始脱氮絮凝剂投加量为处理水量的0.2％(质量百分比)，即初始时每小时需要的脱氮絮凝剂的质量为800kg。将800kg的絮凝剂加入到用工程塑料框架及聚乙烯材质的网布组成的装载单元中形成一个药剂单元。
[0067] (2)药剂单元的传输系统包括运输车，轨道，自动化控制设备及动力设施。通过药剂单元的传输系统将(1)中所述的装有脱氮絮凝剂的药剂单元投加到出水前的沉淀池中，共投加4个药剂单元。药剂作用过程当中，药剂单元置于水下约2m处，并根据实际情况适当上下调节。
[0068] (3)作用4个小时后，污水中的硝酸盐氮转移到絮凝产生的固体上，总氮含量下降并达到排放标准。
[0069] (4)通过传输系统将4个药剂单元从沉淀池中分离，并将其转运至新建于沉淀池附近的小型厌氧罐中。需要新建厌氧罐的原因是原有处理工艺中没有厌氧生物处理单元。
[0070] (5)吸附有硝酸盐氮的脱氮絮凝剂在厌氧罐中的反应时间为4h。反应过程中，絮凝剂上的硝酸盐氮解析到厌氧罐中，通过厌氧罐中微生物的反硝化作用转化为气态氮。
[0071] (6)厌氧罐中反应后的脱氮絮凝剂可以通过传输系统重新转运到沉淀池继续使用。为保证系统的持续运行效果，需要补充初始投加量的2％(质量百分比)的脱氮絮凝剂，即需要补充40g/m3的脱氮絮凝剂。
[0072] 改造后进出水总氮情况如下：
[0073] 连续监测1个月，出水总氮为13.5mg/L，达到出水总氮≤15mg/L的排放标准。且与传统的改造方案相比，改造工程量小，新增的的厌氧罐占地面积也远小于传统的改造方案。
[0074] 实施例4
[0075] 如图1所示，一种污水脱氮系统，包括需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元2和生物脱氮系统中的厌氧生物处理单元1，还包括药剂单元4和能将所述药剂单元4在需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元2的污水和厌氧生物处理单元1的污水之间来回分离运送的传输系统3，所述药剂单元4包括装载单元和装载在装载单元内部的能从水中去除硝酸盐氮的药剂。
[0076] 在另一实施例中，所述传输系统包括从需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元和/或厌氧生物处理单元的污水中分离药剂单元的分离设备，如：吊车，以及在需要降低硝酸盐氮含量的污水处理单元和厌氧生物处理单元之间来回运输药剂单元的运输设备，如，运输车；所述传输系统还包括控制所述分离设备和运输设备的自动化控制设备。
[0077] 在另一实施例中，所述装载单元包括工程塑料框架及安装在工程塑料框架内的聚乙烯网布。
[0078] 前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由
权利要求书及其等同形式所限定。
