基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法及反应设备的制作技术

本技术介绍了一种基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法，包括：将硫代硫酸盐溶液从底部引入气提式升流式反应器；硫代硫酸盐在反应器中厌氧环境下驯化的硫氧化细菌的作用下分解成单质硫与亚硫酸盐；将含有氨氮和硝酸盐的污水从底部引入气提式升流式反应器；单质硫和亚硫酸盐分别与硝酸盐发生短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气。

本技术通过选用新的硫源，解决硫自养反硝化过程中硫化氢的毒性或硫单质反应速率低的问题；借助硫自养短程反硝化，为厌氧氨氧化提供稳定的亚硝酸盐氮，实现基于厌氧氨氧化的自养脱氮处理。

技术要求
1.基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、将硫代硫酸盐溶液从底部引入气提式升流式反应器；
步骤S2、硫代硫酸盐在反应器中厌氧环境下驯化的硫氧化细菌的作用下分解成单质硫与亚硫酸盐；
步骤S3、将含有氨氮和硝酸盐的污水从底部引入气提式升流式反应器；
步骤S4、单质硫和亚硫酸盐分别与硝酸盐发生短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气。

2.根据权利要求1所述的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法，其特征在于，步骤S4包括：
亚硫酸盐与硝酸盐发生快速短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气；
单质硫与硝酸盐发生慢速短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气。

3.根据权利要求1所述的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法，其特征在于，在步骤S1中，硫代硫酸盐、氨氮、硝酸盐氮的摩尔比为0.8～2：1：1。

4.根据权利要求1所述的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法，其特征在于，污水和硫代硫酸盐溶液在气提式升流式反应器中的水力停留时间为12-24h。

5.根据权利要求1所述的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法，其特征在于，还包括：
通过控制设置在气提式升流式反应器上部的三相分离装置，收集反应过程中产生的气体；
通过用气体循环泵连续将收集的气体回注到气提式升流式反应器中，对气提式升流式反应器中的液体进行搅拌。

6.根据权利要求6所述的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法，其特征在于，搅拌的剪切强度为2-4S-1。

7.一种用于权利要求1-6所述的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法的反应装置，其特征在于，包括污水储存装置、硫代硫酸盐储存装置、气提式升流式反应器、出水储存装置和水浴装置，所述污水储存装置和硫代硫酸盐储存装置分别通过进水管连接于所述气提式升流式反应器的底部入口，所述气提式升流式反应器通过出水管连接于所述出水储存装置，所述水浴装置套设在所述气提式升流式反应器外部，使用时，将硫代硫酸盐溶液从底部引入气提式升流式反应器；硫代硫酸盐在反应器中厌氧环境下驯化的硫氧化细菌的作用下分解成单质硫与亚硫酸盐；将含有氨氮和硝酸盐的污水从底部引入气提式升流式反应器；单质硫和亚硫酸盐分别与硝酸盐发生短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气。

8.根据权利要求7所述的基于硫自养短程反硝化的反应装置，其特征在于，还包括设置在所述气提式升流式反应器上部的三相分离装置、气袋和气体循环泵，通过控制三相分离装置收集反应过程中产生的气体，再通过气体循环泵连续将收集的气体回注到气提式升流式反应器中，对气提式升流式反应器中的液体进行搅拌。

技术说明书
基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法及反应装置
技术领域
本技术涉及污水生物处理技术领域，具体涉及一种基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法及反应装置。

背景技术
针对同时含有氨氮和硝酸盐的污水，传统工艺通常需要进行硝化与反硝化的组合技术。

首先需要硝化细菌在曝气条件下将氨氮转化成硝酸盐氮，然后通过投加有机碳源进行反硝化，将硝态氮转化为氮气。

厌氧氨氧化细菌的发现开辟了新的氮循环途径，使得污水自养脱氮成为可能。

与传统异养脱氮不同，厌氧氨氧化无需有机碳源作为反硝化脱氮过程的电子供体和生物合成用的碳源。

厌氧氨氧化作为自养细菌是利用无机碳进行生物合成的；这个过程的好处是一方面不会产生大量的剩余污泥，同时可以将污水中的有机物最大程度地用于厌氧产甲烷作用，以提高污水中能量的回收率。

另外，厌氧氨氧化自养脱氮可以减少对溶解氧的需求，因为仅需要将污水中一半的氨氮氧化成为亚硝态氮，而传统的异养生物脱氮需要将全部的氨氮氧化为硝态氮。

短程硝化与厌氧氨氧化的组合技术是目前实现污水厌氧氨氧化自养脱氮处理主要方法。

其中短程硝化技术是将氨氮氧化成亚硝酸盐氮的技术。

然而短程硝化技术会过度氧化将亚硝酸盐氮进一步氧化成了硝酸盐氮，从而影响提供亚硝酸的稳定性。

另一方面，亚硝酸盐氮也可以通过短程反硝化过程来提供，有近年的研究报道表明在厌氧环境持留的生物膜可以进行短程反硝化，即可将硝态氮还原为亚硝态氮，并使反硝化过程出现亚硝态氮的累计，从而为厌氧氨氧化菌提供亚硝态氮。

然而短程反硝化技术是基于异养反硝化细菌，在利用有机碳源做反硝化的过程中会产生过量污泥，过量占据厌氧氨氧化细菌的生存空间或影响传质过程，从而影响厌氧氨氧化的活性。

技术内容
为了解决上述问题，本技术提供了一种基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法及反应装置，利用硫化物来代替有机碳进行自养反硝化反应，将硝态氮转化为亚硝态氮，进而为厌氧氨氧化菌提供亚硝态氮。

本技术解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法，所述方法包括以下步骤：
步骤S1、将硫代硫酸盐溶液从底部引入气提式升流式反应器；
步骤S2、硫代硫酸盐在反应器中厌氧环境下驯化的硫氧化细菌的作用下分解成单质硫与亚硫酸盐；
步骤S3、将含有氨氮和硝酸盐的污水从底部引入气提式升流式反应器；
步骤S4、单质硫和亚硫酸盐分别与硝酸盐发生短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气。

在本技术提供的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法中，步骤S4包括：
亚硫酸盐与硝酸盐发生快速短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气；
单质硫与硝酸盐发生慢速短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气。

在本技术提供的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法中，在步骤S1中，硫代硫酸盐、氨氮、硝酸盐氮的摩尔比为0.8～2：1：1。

在本技术提供的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法中，污水和硫代硫酸盐溶液在气提式升流式反应器中的水力停留时间为12-24h。

在本技术提供的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法中，还包括：
通过控制设置在气提式升流式反应器上部的三相分离装置，收集反应过程中产生的气体；
通过用气体循环泵连续将收集的气体回注到气提式升流式反应器中，对气提式升流式反应器中的液体进行搅拌。

在本技术提供的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法中，搅拌的剪切强度为2-4S-1。

相应地，本技术还提供一种用于如上所述的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法的反应装置，包括污水储存装置、硫代硫酸盐储存装置、气提式升流式反应器、出水储存装置和水浴装置，所述污水储存装置和硫代硫酸盐储存装置分别通过进水管连接于所述气提式升流式反应器的底部入口，所述气提式升流式反应器通过出水管连接于所述出水储存装置，所述水浴装置套设在所述气提式升流式反应器外部，使用时，将硫代硫酸盐溶液从底部引入气提式升流式反应器；硫代硫酸盐在反应器中厌氧环境下驯化的硫氧化细菌的作用下分解成单质硫与亚硫酸盐；将含有氨氮和硝酸盐的污水从底部引入气提式升流式反应器；单质硫和亚硫酸盐分别与硝酸盐发生短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气。

在本技术提供的反应装置中，还包括设置在所述气提式升流式反应器上部的三相分离装置、气袋和气体循环泵，通过控制三相分离装置收集反应过程中产生的气体，再通过气体循环泵连续将收集的气体回注到气提式升流式反应器中，对气提式升流式反应器中的液体进行搅拌。

实施本技术可以达到以下有益效果：本技术对比传统的硫自养反应过程，通过选用新的硫源，解决硫自养反硝化过程中硫化氢的毒性或硫单质反应速率低的问题；对比传统的生物脱氮过程，借助硫自养短程反硝化，为厌氧氨氧化提供稳定的亚硝酸盐氮，实现基于厌氧氨氧化的自养脱氮处理；基于硫自养的短程反硝化，比异养短程反硝化过程产生的剩余污泥产量少。

附图说明
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1为本技术提供的用于基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法的反应装置的原理图；
图2为本技术提供的用于基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法的反应过程的原理图。

具体实施方式
为了对本技术的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本技术的具体实施方式。

显然，所描述的实施方式仅仅是本技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

基于本说明书中记载的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本技术保护的范围。

本技术提供一种基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法，通过如图1所示的反应装置来实现。

如图1所示，该反应装置包括用于存储污水的污水储存装置10、用于存储硫代硫酸盐溶液的硫代硫酸盐储存装置20、用于污水和硫代硫酸盐溶液反应的气提式升流式反应器30、用于存储出水的出水储存装置40和用于控制反应温度的水浴装置50，其中，所述污水储存装置10和硫代硫酸盐储存装置20分别通过进水管连接于所述气提式升流式反应器30的底部入口，所述气提式升流式反应器30通过出水管连接于所述出水储存装置40，所述水浴装置50套设在所述气提式升流式反应器30外部。

使用时，使用时，将硫代硫酸盐溶液从底部引入气提式升流式反应器；硫代硫酸盐在反应器中厌氧环境下驯化的硫氧化细菌的作用下分解成单质硫与亚硫酸盐；将含有氨氮和硝酸盐的污水从底部引入气提式升流式反应器；单质硫和亚硫酸盐分别与硝酸盐发生短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气。

在反应过程中，单质硫和亚硫酸盐分别与硝酸盐发生短程反硝化反应分为两个阶段，首先，亚硫酸盐与硝酸盐发生快速短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气；然后，单质硫与硝酸盐发生慢速短程反硝化反应，生成的亚硝酸盐氮与氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下生成氮气。

在反应过程中，硫代硫酸盐、氨氮、硝酸盐氮的摩尔比为0.8～2：1：1；污水和硫代硫酸盐溶液在气提式升流式反应器中的水力停留时间为12-24h。

图2为本技术提供的用于基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法的反应过程的原理图。

本技术通过向同时含有氨氮和硝酸盐的污水中投加适量的硫代硫酸盐，控制硫自养短程反硝化与厌氧氨氧化组合技术通过两段反应完成：第一段过程中是硫代硫酸盐的快速的短程反硝化反应，消耗部分硫代硫酸盐，同时有部分硫代硫酸盐在硫氧化细菌的作用下转化为中间产物硫单质；第二段反应过程是中间产物硫单质进行缓慢的短程反硝化反应，保持亚硝酸盐氮的持续产生，从而实现连续的为厌氧氨氧化细菌供应亚硝酸盐氮。

进一步地，反应装置还包括设置在所述气提式升流式反应器30上部的三相分离装置60、气袋70和气体循环泵80，通过控制三相分离装置收集反应过程中产生的气体，再通过气体循环泵连续将收集的气体回注到气提式升流式反应器中，对气提式升流式反应器中的液体进行搅拌。

通过调节气体循环流量，将汽提搅拌过程中的剪切强度控制在2-4S-1。

反应器控制在厌氧条件下运行，ORP在-200～-400mV。

通过将反应过程中产生的氮气收集、循环，一方面为反应器提供搅拌混合的动力，另外一方面汽提过程可以减少微小气泡裹挟在污泥絮体里面，解决导致污泥上浮的问题。

本技术提供的基于硫自养短程反硝化的污水生物脱氮方法和反应装置具有以下优点：
1、对比传统的硫自养反应过程，通过选用新的硫源，解决硫自养反硝化过程中硫化氢的毒性或硫单质反应速率低的问题；
2、对比传统的生物脱氮过程，借助硫自养短程反硝化，为厌氧氨氧化提供稳定的亚硝酸盐氮，实现基于厌氧氨氧化的自养脱氮处理；
3、基于硫自养的短程反硝化，比异养短程反硝化过程产生的剩余污泥产量少；
4、硫自养反硝化还可以将更多的硝酸根转化成氮气。

用上述反应器和控制方法，处理实验室的合成废水，合成废水主要成分包括：硫代硫酸钠200mg/L，硝酸盐氮100mg/L,氨氮100mg/L。

反应器连续运行200天，运行的数据如下表：
由上述可知，硫自养短程反硝化与厌氧氨氧化组合技术通过两段反应完成：第一段过程中是硫代硫酸盐的快速的短程反硝化反应，消耗部分硫代硫酸盐，同时有部分硫代硫酸盐在硫氧化细菌的作用下转化为中间产物硫单质；第二段反应过程是中间产物硫单质进行缓慢的短程反硝化反应，保持亚硝酸盐氮的持续产生，从而实现连续的为厌氧氨氧化细菌供应亚硝酸盐氮。

反应结果如下表所示：
在上述实例实施过程中可以看出，硫自养短程反硝化与厌氧氨氧化组合技术可以成功的应用于汽提升流反应器中。

经过计算，反应过程中，总氮去除率在80％以上，其中厌氧氨氧化贡献总氮去除的90％，硫自养反硝化贡献10％。

上面结合附图对本技术的实施方式进行了描述，但是本技术并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本技术的启示下，在不脱离本技术宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多变形，这些均属于本技术的保护范围之内。