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汪晓军:一种基于吸附-再生及厌氧氨氧化的低浓度氨氮废水脱氮方法

发布于：2022-09-16 09:44:16 来自：给排水工程/中水处理回用 0 1

来源：中国给水排水

作者：中国给水排水

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专利名称： 一种基于吸附－再生及厌氧氨氧化的低浓度氨氮废水脱氮方法

专利类型： 发明专利

专利权人： 华南理工大学

发明人： 汪晓军 陈振国 冯兴会

专利号： CN201810677927.7

授权时间： 2021年8月10日

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发明创新点

本发明通过装填沸石的吸附固定床吸附处理氨氮浓度为 30～150mg/L的废水，在沸石吸附饱和后，在投加碱度和曝气条件下进行好氧生物再生。为了保证再生产物为亚硝酸根，在生物再生时将沸石床层温度升高到36 ～ 40 ℃ ，以调控沸石表面有较高浓度的游离氨，加上适当升温的双重作用，可以抑制亚硝酸氧化菌（ NOB）而不抑制氨氧化菌（AOB），从而将吸附的氨氮稳定转化为亚硝酸根，为厌氧氨氧化工艺的应用创造稳定的亚硝酸根基质条件；再将废水与固定床产生的亚硝酸根再生液混合后，进入厌氧氨氧化反应器进行深度脱氮，从而达到低碳节能去除低氨氮废水氨氮与总氮的双重目标。

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应用领域和范围

本发明适用于水污染控制领域的含氨氮废水处理，主要应用范围是低浓度氨氮（ <150mg/L)，且碳氮比值较低的废水。采用该处理方法，能达到低碳节能的生化脱氮目标。适用废水类型包括稀土开采的矿山废水、锰矿开采排放的含氨氮废水、电镀工业园前处理后、脱除重金属后的含氨氮废水等。

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实施效果

通过沸石能吸附废水中的低浓度氨氮，采用本专利技术，对吸附的低浓度氨氮，在升高沸石床温度下进行好氧生物转化再生，将吸附的氨氮转化为亚硝酸根，亚硝化率可达 85%以上。形成含有亚硝酸的再生液，通过调控含有氨氮的原水，按比例进行混合，使亚硝酸根浓度与氨氮浓度的比值为（ 1.1～1.3）:1，进入厌氧氨氧化反应器，厌氧氨氧化反应器中的微生物（红菌）将废水中的氨氮与亚硝酸根转化为氮气而脱除。

以稀土开采矿山废水为例，氨氮浓度只有 50～120mg/L，且几乎不含有机物，属典型低碳氮比的中低浓度氨氮废水，采用投加沸石吸附-升温再生装置，将其转化为亚硝酸根，另外一部分废水直接进入后面的厌氧氨氧化反应器，在厌氧氨氧化反应器中厌氧氨氧化菌（红菌）的作用下，亚硝酸根作为电子受体，氨氮作为电子供体，将亚硝酸与氨氮同时转化为氮气，同时，产生小部分的硝酸根，从而脱除了废水中的氨氮与总氮（TN）。

江西龙南某稀土开采矿山废水，从山沟里流出的废水，废水量高达(2 ～ 6 ) ×1 0 ⁴ m ³ /d ，进水氨氮为50 ～ 120mg/L，硝酸根为15 ～ 30mg/L，浓度的波动取决于降雨情况，COD值几乎为0，可以忽略不计。废水经吸附后，氨氮浓度降到10mg/L以下，达到排放标准外排。吸附饱和后的沸石吸附柱，经投加碱度，好氧生化再生，再生液的亚硝酸根浓度达200 ～ 300mg/L，再生液与含氨氮的原水按比例混合后排入后部的厌氧氨氧化处理单元，利用低碳节能的厌氧氨氧化工艺脱除废水中的氨氮与总氮。

梅州某电镀工业园，经前段重金属脱除预处理和沉淀处理后，其废水水质如下：氨氮浓度 80 ～ 110mg/L,硝酸根浓度10 ～ 30mg/L，COD为80 ～ 150mg/L。采用本发明专利技术进行处理，经过沸石吸附，好氧生化再生，再生液的亚硝酸根浓度为150 ～ 250mg/L。将沉淀池的出水与沸石吸附再生液按比例混合，控制进水的pH值为7.0 ～ 8.2，进入厌氧氨氧化反应器，反应后氨氮降到10mg/L以下，COD降到50mg/L以下，TN降到40mg/L以下。

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产业化及市场应用情况

该技术已完成实验室小试、现场中试，正进入工业化大规模应用推广阶段。

针对稀土矿山废水处理问题，本发明技术已在江西龙南完成了现场100m ³ /d的中试验证，该废水经本发明技术处理后，能保证出水氨氮小于10mg/L，出水TN也能稳定降到50mg/L以下。在后续的厌氧氨氧化装置中，投加少量的乙酸钠碳源，还可将TN降到30mg/L以下。目前正在准备扩大装置的处理能力，将本发明技术用于该稀土矿山废水处理规模扩容到2000 m ³ /d ，达到工程化应用验证的规模，为后续更大规模的工程化应用打下坚实的基础。

龙南稀土矿山低浓度氨氮废水处理中试装置

本发明技术还应用于梅州某电镀工业园的前重金属预处理后二沉池的线路板废水处理，目前正在进行中试，中试规模为15m ³ /d。该废水中有少量的有机物，氨氮浓度80 ～ 110mg/L,硝酸根浓度10 ～ 30mg/L，COD为80 ～ 150mg/L，在厌氧氨氧化反应器中，废水中COD可用作短程反硝化碳源以提供亚硝酸根基质，增加了厌氧氨氧化的总氮脱除效果。目前的试验结果表明，采用本发明技术后，废水的氨氮能降到10mg/L以下，TN也可降到40mg/L以下。少量有机物在厌氧氨氧化反应器中能发生短程反硝化，将废水中的硝酸根转化为厌氧氨氧化能利用的基质——亚硝酸根，从而促进了厌氧氨氧化对TN的脱除。

梅州某电镀工业园低浓度氨氮废水处理装置

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技术优势

低浓度氨氮的稳定亚硝化，一直是低碳节能的脱氮工艺 ——厌氧氨氧化与亚硝化反硝化的技术瓶颈与世界难题。因为氨氮浓度低时，通过游离氨（FA）对亚硝酸盐氧化菌（NOB）的抑制作用就会减弱，从而难以获得低浓度氨氮的稳定亚硝化。 这也是目前全世界正在运行的厌氧氨氧化处理氨氮的工程项目中氨氮浓度都大于 200mg/L的关键原因。

本发明通过对氨氮有吸附能力的沸石吸附，沸石吸附饱和后，再通过投加碱度及升温对沸石进行好氧生物再生，从而将沸石吸附的氨氮稳定转化为亚硝酸根，亚硝化率高达 85%以上， 提供了一种简单便捷的低浓度氨氮废水稳定亚硝化的方法。

除从硝酸根转化为亚硝酸根的短程反硝化外，从低浓度氨氮稳定转化为亚硝酸根的工程化方法在本发明之前还没有工程实例，本发明的优势在于：

第一：所适用处理的氨氮浓度 30 ～ 150mg/L，同时亚硝化率可稳定达到85%以上。

第二：与传统的硝化反硝化工艺相比，结合后面的厌氧氨氧化，脱氨效果可减少曝气量 65%，节能降耗。

第三：效果稳定可靠，脱 TN不投加碳源，污泥量极少，处理成本低。

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专利运用及保护

稳定的亚硝化工艺是实现短程硝化 -反硝化、短程硝化-厌氧氨氧化等新型生物脱氮工艺的基础和关键。而传统方法中通过控制高温、低溶解氧来控制亚硝盐氧化菌（NOB）的方法对低浓度氨氮几乎无效，低浓度氨氮形成亚硝酸后，很容易被NOB进一步氧化，转化为硝酸根。

本发明将沸石作为吸附剂，通过吸附剂对氨氮的吸附，再在好氧生化再生的过程中完成解吸，在解吸时提高吸附床层的温度，升温的吸附床层相对于处理的水量来讲，要加热的质量较小，一方面吸附剂表面的游离氨浓度高一些，温度高又有利于对 NOB的抑制，从而选择性地抑制亚硝酸盐氧化菌NOB，使氨氧化菌成为优势菌，大幅提高亚硝化率，从而实现低浓度氨氮的稳定亚硝化。

沸石表面亲水及多孔的结构，易于微生物在这些吸附剂表面附着与生长。由于游离氨的存在以及升高吸附床层温度，它选择性地抑制 NOB而不影响AOB，慢慢在这些吸附剂表面形成以AOB为主的菌落，从而实现中低浓度氨氮废水的稳定亚硝化。对于中低浓度氨氮废水，该方法首次解决了稳定亚硝化问题，从而解决了短程硝化反硝化脱氮或厌氧氨氧化脱氮的技术瓶颈，具有重要的工程实践意义。

对于专利的运用及保护，目前使用沸石强化氨氮的亚硝化过程主要是我们团队在进行。如何更好地利用沸石，提高稳定亚硝化的效率，拓展它的应用范围，我们已申请了一系列的专利，形成专利保护组合。在沸石吸附柱中，投加了对氨氮有吸附作用的沸石，好氧生物再生时，提高再生床层的温度到 36℃，都应在我们专利申请的保护范围内。

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效益分析

相比于常规的生物脱氮工艺为硝化 -反硝化工艺，本发明技术可以节省低氨氮废水处理过程中65%的曝气能耗、100%的碳源消耗。

以稀土矿山废水为例，废水的氨氮浓度为50 ～ 120mg/L，若以100mg/L的氨氮计，硝化需要碱度，要投加碱度化学药剂，碱度费用1.5元/ m ³ ；曝气的能耗约为1 ～ 2 kWh/m ³ ，电费约1元/ m ³ 。反硝化碳源，按C/N比为5来讲，则需要500mg/L的BOD ₅ 碳源，估计碳源的价格约3元/ m ³ 。这样，用常规的硝化-反硝化处理100mg/L的氨氮废水，电耗与碳源的成本就需要5.5元/ m ³ （不包括设计折旧，不含污泥处置）。

若使用厌氧氨氧化，吨水处理成本中的碱度只需要完全硝化反硝化的1 /2 左右，碱度按1元/ m ³ 计，曝气量也降到50%，电费可以降到0.5元/ m ³ ，处理成本只有1.5元/ m ³ （不包括设计折旧，几乎没有污泥），可节省4元/ m ³ 。矿山的水量极大，龙南某矿山水量高达(2 ～ 6 ) × 10 ⁴ m ³ / d ，若用常规硝化反硝化工艺进行处理，费用很高，会给当地政府带来沉重的经济负担。若采用该新工艺，则可节省8 ～ 24万元/ d ，一年可节省2800～8500万元。而龙南有多个稀土矿山，全部采用新工艺，节能降耗作用特别明显，且该处理方法，不仅可脱除氨氮，还可脱除总氮。