本發明屬于污水生物處理技術領域，具體涉及一種強化N2O產生并回收利用的污水生物脫氮方法和裝置。
背景技術：
N2O是一種極具發展前途的無毒推進劑，作為強氧化劑和助燃機劑可用于航天航空領域火箭發動機的啟動和提高賽車動力速度。然而，N2O同時也是一種具有較高增溫勢能（約是CO2的265倍）的溫室氣體，在污水處理過程中被認為是一種具有較大環境負面效應的副產物。研究表明，每年污水處理過程中產生的N2O已經達到了全球N2O總釋放量的2.5%-25%。目前，水處理領域大多數研究都集中在如何最大限度的減少N2O產生，而強化N2O產生并收集它作為能源回收利用是一種新構想，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到的，有機物轉化為CH4，然后CH4以空氣中的O2作為氧化劑來燃燒發電。事實上，N2O是一種比O2更強大的氧化劑，可以提高CH4燃燒產生的能量，使用N2O作為氧化劑能夠避免其作為溫室氣體排放到大氣，并可同時提高CH4的燃燒產能（Scherson Y D, Woo S G, Criddle C S. Environmental Science & Technology, 2014, 48(10):5612-9）。然而，目前已有的強化污水處理過程中N2O產生的方法存在污水脫氮效率較低和N2O轉化率不高等問題，使這種能源回收途徑難以在實際處理過程中應用。發明專利（CN201310357185.7）提供了一種強化N2O產生的裝置和控制方法，在缺氧段發生的內源反硝化作用實現溶解態N2O的積累，再通過曝氣攪動作用實現N2O的回收，但NO2-還原率和N2O轉化率較低。發明專利（CN201310743142.2）利用污泥消化液短程硝化的方法來強化N2O的產生，但其曝氣階段能耗高，脫氮效率較低。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題是提供了一種強化N2O產生并回收利用的污水生物脫氮方法和裝置，在實現高效生物脫氮的同時能夠以高轉化率強化N2O產生并回收利用，對處理氮負荷較高的污水具有明顯的優勢。本發明主要包含三個步驟：（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實現能源的回收。本發明可在去除污水中氨氮的同時回收N2O作為能源，操作方法簡單，能耗低，脫氮效率高，N2O轉化率較高。
本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，一種強化N2O產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水口進入短程硝化池，在短程硝化池內的停留時間為48h，短程硝化池內部設有曝氣管，用于控制污水中的溶解氧濃度為0.2-0.5mg/L，短程硝化池內設有DO在線監測系統，用于隨時監測短程硝化池內的DO，短程硝化池內設有短程硝化池攪拌器，用于保持污泥的懸浮狀態，控制攪拌速率為300r/min，短程硝化池內設有pH在線監測系統，用于實時監測污水的pH值并通過添加0.5mol/L的硫酸溶液調節污水的pH值維持在7.0-7.3，短程硝化池內設有加熱棒，用于控制污水溫度為35℃，短程硝化池內的污水通過短程硝化池出水口溢流進入短程反硝化池；污水在短程反硝化池內的停留時間為24h，短程反硝化池內設有短程反硝化池攪拌器，控制攪拌速率為150r/min，短程反硝化池上部設有加藥口，用于在短程反硝化初期即反應時間在0-1h時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有集氣罩，該集氣罩上部設有N2O收集管，用于收集污水處理過程中產生的N2O氣體，處理過的污水通過短程反硝化池出水口進入污泥沉淀池；污水在污泥沉淀池中的停留時間為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。
本發明所述的強化N2O產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方向依次設有短程硝化池、短程反硝化池和污泥沉淀池，其中短程硝化池內處理過的污水通過短程硝化池出水口溢流進入短程反硝化池，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有進水口，短程硝化池內設有短程硝化池攪拌器、曝氣管、加熱棒、DO在線監測系統和pH在線監測系統，曝氣管通過管道與氣泵連接，短程反硝化池內設有短程反硝化池攪拌器，短程反硝化池上部設有加藥口，短程反硝化池的上部通過密封法蘭固定有集氣罩，該集氣罩上設有N2O收集管，污泥沉淀池的上部設有溢流堰，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有污泥沉淀池排泥口。
本發明與現有技術相比具有以下有益效果：
1、運行費用低，剩余污泥產生量較少，無二次污染；
2、實現了溫室氣體N2O的資源化利用；
3、對處理高負荷低C/N的污水具有優勢，實現高效生物脫氮的同時N2O轉化率較高。
附圖說明
圖1是本發明中強化N2O產生并回收利用的污水生物脫氮裝置的結構示意圖。
圖中：1-進水口；2-短程硝化池；3-短程硝化池攪拌器；4-短程硝化池出水口；5-曝氣管；6-DO在線監測系統；7-pH在線監測系統；8-加熱棒；9-氣泵；10-短程反硝化池；11-短程反硝化池攪拌器；12-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。
具體實施方式
結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明：
如圖1所示，一種強化N2O產生并回收利用的污水生物脫氮裝置，沿污水流動方向依次設有短程硝化池2、短程反硝化池10和污泥沉淀池17，其中短程硝化池2內處理過的污水通過短程硝化池出水口4溢流進入短程反硝化池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的上部設有進水口1，短程硝化池2內設有短程硝化池攪拌器3、曝氣管5、加熱棒8、DO在線監測系統6和pH在線監測系統7，曝氣管5通過管道與氣泵9連接，短程反硝化池10內設有短程反硝化池攪拌器11，短程硝化短程反硝化池10上部設有加藥口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上設有N2O收集管15，污泥沉淀池17的上部設有溢流堰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的下部設有污泥沉淀池排泥口20。
污水由短程硝化池2上部的進水口1進入短程硝化池2，污水在短程硝化池2內的停留時間為48h，短程硝化池2內設有曝氣管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內設有DO在線監測系統6，用于隨時監測短程硝化池內的DO，短程硝化池2內設有短程硝化池攪拌器3，用于保持污泥的懸浮狀態，控制攪拌速率為300r/min，短程硝化池2內設有pH在線監測系統7，用于隨時監測pH值，短程硝化過程中使用0.5mol/L 的硫酸溶液調節pH維持在7.0-7.3，這種中性pH有利于硝化細菌的生長，提高硝化速率，短程硝化池2內設有加熱棒8，用于控制溫度為35℃，上述所設反應條件有利于提供適宜的微生物條件，最大化的實現NH4+向NO2-的轉化，短程硝化池2內的污水通過短程硝化池出水口4溢流進入短程反硝化池10，該過程僅靠重力作用，不產生額外能耗；污水在短程反硝化池10內的停留時間為24h，短程反硝化池10內設有短程反硝化池攪拌器11，控制攪拌速率為150r/min，短程反硝化池10上部設有加藥口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，利用微生物胞內碳源PHB進行的反硝化作用可抑制N2O還原酶的活性，最大化的促進水體中的NO2-轉化為N2O，同時也去除了水中的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聚合物PHB，水體中殘余的乙酸被異養反硝化微生物利用發生氧化還原作用，促進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，會減少系統中微生物胞內聚合物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，進而造成系統內TN去除率和N2O轉化率降低，短程反硝化池10上部設有集氣罩12，集氣罩12上部設有N2O收集管15用于收集污水處理過程中產生的N2O氣體，處理過的污水通過短程反硝化池出水口16進入污泥沉淀池17，該過程僅靠重力作用，不產生額外能耗；污水在污泥沉淀池17中的停留時間為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溢流后經污泥沉淀池出水口19排出，該過程僅靠重力流動，不產生額外能耗，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。
實施例1
以某污水處理廠的厭氧消化液為例，污水進水水質為：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，反應器內污泥濃度維持在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：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）污水由進水口進入短程硝化池，短程硝化過程中使用0.5mol/L的硫酸溶液調節pH,控制pH為7.1，溶解氧濃度控制0.2-0.5mg/L，反應溫度利用加熱棒控制在35℃；
（3）經過短程硝化池處理過的含有NO2-（約1300 mg/L）的污水進入短程反硝化池中，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-提供電子進行反硝化作用。
試驗結果表明，系統運行穩定后短程硝化過程中污水中約93%的NH4+轉化為NO2-，反硝化結束后約77%的NO2-轉化為N2O，COD去除率達到92%，TN去除率達到91%，在實現污水脫氮效率的同時實現了N2O的回收利用。
實施例2
以餐廚污水為例，污水進水水質為：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，反應器內污泥濃度維持在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：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）污水由進水口進入短程硝化池，短程硝化過程中使用0.5mol/L的硫酸溶液調節pH,控制pH為7.1，溶解氧濃度控制0.2-0.5mg/L，反應溫度利用加熱棒控制在35℃左右；
（3）經過短程硝化池處理過的含有NO2-（約470 mg/L）的污水進入短程反硝化池中，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-提供電子進行反硝化作用。
試驗結果表明，系統運行穩定后短程硝化過程中污水中約95%的NH4+轉化為NO2-，反硝化結束后約76%的NO2-轉化為N2O，COD去除率達到87%，TN去除率達到92%，在實現污水脫氮效率的同時強化了N2O的產生與回收。
以上實施例描述了本發明的基本原理、主要特征及優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明原理的范圍下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進均落入本發明保護的范圍內。