CN101250009B - 连续流悬浮填料实现污泥消化液短程硝化的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续流悬浮填料实现污泥消化液短程硝化的装置和方法，所述装置设有原水箱、反硝化滤柱、悬浮填料反应器、二沉池、出水箱，所述原水箱为一开口箱体；反硝化滤柱为一圆柱形管状体，内填充有立方体悬浮海绵填料，所述悬浮填料反应器为一开口池体，其内腔分成数个格室，填充立方体海绵填料，并设有气泵、气体流量计和曝气管，所述二沉池为一竖筒形，所述出水箱为一个开口箱体；实现污泥消化液短程硝化的方法，包括启动系统、运行时调节操作。本发明的装置和方法可以节省大量的反硝化碳源，提高污水厂的脱氮效率，达到节能降耗的目的。

Description

连续流悬浮填料实现污泥消化液短程硝化的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种在连续流悬浮填料反应器中实现和控制污泥硝化液短程硝化的方法，属于生化法污水生物处理技术领域，适用于城市污水处理厂污泥消化液及其它诸如养殖废水、味精废水、焦化废水等高氨氮有机工业废水处理。

背景技术

由于我国水体富营养化的不断加剧，城市污水厂的排放标准不断提高。同时，由于淡水资源的短缺，污水深度处理后用作再生水已经是大势所趋。污水处理过程中产生的大量剩余污泥和初沉污泥通常在消化池中进行厌氧处理，大约有40％左右的有机质通过产甲烷去除。厌氧消化时由于有机氮的厌氧氨化作用，污水系统中生物合成消耗的NH₄ ⁺-N大部分转移到消化池中厌氧处理后的污泥消化液中，使得消化液的NH₄ ⁺-N高达800-1500mg/L，但COD仅为200～1000mg/L，使得污泥消化液成为典型的高NH₄ ⁺-N低C/N废水，所含NH₄ ⁺-N占污水厂氮负荷的15％-25％。

现有的生化处理工艺将污泥消化液回流与原水一并处理，通过传统的生物脱氮工艺进行脱氮(A-O或A²/O工艺)，这大大增加了污水处理的氮负荷。对原水碳源缺乏的城市污水脱氮而言，消化液的回流加剧了碳源缺乏，导致脱氮除磷效率难以提高，进水的部分氮素在曝气池和消化池被反复氧化和还原，形成不良循环，能源浪费严重。污泥厌氧消化的代谢特征和污泥消化液直接回流到污水系统的传统工艺，是许多污水处理厂脱氮效率低的一个主要但经常被忽略的症结。

传统生物脱氮通过硝化将NH₄ ⁺-N转化为NO₃ ^--N，再通过反硝化将NO₃ ^--N转化为氮气从水中逸出。在硝化阶段，NH₄ ⁺-N被转化成NO₃ ^--N是由两类独立的细菌完成的两个不同反应，首先由亚硝化菌(Nitrosomonas)将NH₄ ⁺-N转化为NO₂ ^--N，然后由硝化菌(Nitrobacter)将NO₂ ^--N转化为NO₃ ^--N。对于反硝化菌而言，也可经NH₄ ⁺-N→NO₂ ^--N→N₂这样的“简捷”途径完成，即短程生物脱氮工艺。短程脱氮具有如下优势：节省25％供氧量；节约40％反硝化碳源；减少污泥生成量；缩短反应时间，反应器容积相应减少30％～40％。所以短程硝化脱氮技术适应污泥消化液的水质，可以节省建设和运行费用。高NH₄ ⁺-N污泥消化液稳定高效短程生物脱氮是污水生物脱氮的公认难题，特别是在连续流悬浮填料反应器中实现污泥消化液短程生物脱氮未见报道。

针对污泥消化液处理的现状和短程生物脱氮的特点，如果能够在污泥消化液旁侧处理系统中实现高NH₄ ⁺-N的短程硝化，而后在主流工艺中完成反硝化，就可节省大量的反硝化碳源，进而提高污水厂的脱氮效率，达到节能降耗的目的。可见，在悬浮填料反应器中实现和控制污泥硝化液短程硝化的装置和方法是具有理论和现实意义，市场应用前景广阔。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述技术问题，提出一种连续流悬浮填料实现污泥消化液短程硝化的装置和方法。利用该装置和方法不经任何物化预处理，在以海绵填料为悬浮载体的连续流好氧反应器中，通过控制游离氨和曝气时间实现高亚硝酸累积率的短程生物硝化，从而节省大量的反硝化碳源。根据污泥消化液水质的变化调整出水回流比，通过在适宜pH条件下，通过有效的生物控制阻止因NOB对游离氨的适应性而破坏短程硝化。该发明不仅解决现有工艺的矛盾，而且具有工艺流程简单、适应污泥消化液水质和水量的波动、运行灵活、操作简单的特点。可大幅度的降低建设和运行费用，并且无二次污染。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：连续流悬浮填料实现污泥消化液短程硝化的装置，其特征在于：设有原水箱、反硝化滤柱、悬浮填料反应器、二沉池、出水箱，所述原水箱为一开口箱体，设有溢水管和排水管；反硝化滤柱为一圆柱形管状体，自下而上设置取样阀门，该反硝化滤柱内填充有立方体悬浮海绵填料，填料的投配比约为40％左右，在反硝化滤柱上端设有三相分离器，通过气体收集管、气阀、气管与一碱液瓶连通，该碱液瓶上部设有出气管；所述悬浮填料反应器为一开口池体，其内腔分成数个格室，按照水流方向上下交错设置孔径为15mm的过流孔，格室内按照有效容积的30％～40％填充立方体海绵填料，并设有气泵、气体流量计和曝气管，在格室底部设有穿孔曝气管，通向每个格室的曝气管上设有调节阀；所述二沉池为一竖筒形，自下而上设有取样口，池中间设有中心管；所述出水箱为一个开口箱体，上部设有溢水口、排水口和排污口；

原水箱通过进水泵与反硝化滤柱底部的进水阀相连接；出水箱通过出水回流泵、出水回流管路与反硝化滤柱底部连接；反硝化滤柱出水通过回流管路、循环泵、循环阀门与反硝化滤柱底部连接；反硝化滤柱出水管与悬浮填料反应器的首端连接；悬浮填料反应器出水通过其出水管与二沉池的中心管连接，二沉池中的沉积污泥通过阀门、污泥回流泵、污泥回流管与悬浮填料反应器的首端连接；二沉池上部设有出水阀门，出水阀门通过出水管与出水箱相连接。

本发明的装置中，污泥消化液的处理流程如下：原污泥消化液与出水水箱中的回流水为进水的30％～150％，分别泵入到反硝化滤柱的底部进水口，回流水的NO_x ^--N利用原水有机碳源进行反硝化。反硝化滤柱的出水与回流污泥为进水的30％～100％，同时进入到悬浮填料反应器的进水端。好氧反应器平均分为9个格室，不同格室通过上下交错的小孔相联，池中填充40％左右的海绵填料。在好氧反应器中气泵通过穿孔曝气管进行曝气充氧和搅拌填料，通过调整曝气量使好氧池中的海绵填料保持良好的流化状态。在好氧反应器中通过填料上的生物膜和悬浮污泥的作用，将污泥消化液中的NH₄ ⁺-N氧化为NO₂ ^--N(少量的NO₃ ^--N)，实现稳定的短程硝化。好氧反应器中的混合液流入到二沉池泥水分离，污泥通过污泥流泵回流到好氧反应器首端，上清液流入到出水水箱溢流出水。

2、利用权利要求1所述的短程消化的装置实现在悬浮填料反应器中实现污泥消化液短程硝化的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)启动系统：首先将海绵填料分别加入到反硝化滤柱和悬浮填料反应器中，填充率分别为有效容积的80％与40％。将从城市污水厂曝气池取得的活性污泥分别投加到反硝化滤柱和悬浮填料反应器中，投加后两个反应器的污泥浓度MLSS分别为1000mg/L与4000mg/L；

2)运行时调节操作如下：

(1)根据原水及悬浮填料反应器中混合液的pH及温度，通过在0.2～0.9Kg NH₄ ⁺-N/m³·d的范围内，调整进水NH₄ ⁺-N负荷，即调整原水和消化液的进水量，当游离氨FA浓度高时，减少消化液量，增加原水量，使推流式悬浮填料反应器沿流程的游离氨FA浓度从进水端到出水端在20-1mg/L的范围内逐渐降低；

(2)在步骤(1)基础上，保持悬浮填料反应器出水端FA＞1mg/L的综合策略如下：从出水箱回流到反硝化滤柱的出水回流比为50％～200％，应保证反硝化滤柱出水NO_x ^--N浓度在5～10mg/L的范围内，同时维持反应器的气水比＞20∶1，使得反应器混合液pH＞7.8，进而保持悬浮填料反应器出水端FA＞1mg/L；

(3)当亚硝化提前结束时，在满足填料流化和高于90％硝化率的前提下通过降低曝气量，或减少水力停留时间HRT，使亚硝化在悬浮填料反应器的末端结束；

(4)当反应器末端的NO₂ ^--N氧化菌得不到有效抑制时，即大部分NO₂ ^--N在末端被氧化为NO₃ ^--N时，通过调换进出水的位置，改变悬浮填料反应器中的水流方向，进而改变反应器中FA浓度的变化趋势恢复高效的短程硝化。

本发明的工艺运行原理：消化液氮含量为进水氮负荷的10％～25％，为典型的高氨氮、低C/N废水。对污泥消化液脱氮而言，如果能够实现高NO₂ ^--N累积率短程硝化，同时利用污泥消化液中有限的碳源进行部分反硝化。经过以上预处理的污泥消化液回流到主流工艺，会节省大量的反硝化碳源，提高污水处理厂的脱氮除磷效率。

目前污泥硝化液的短程硝化大都在间歇运行的反应器中完成，而在连续流的生化反应器中实现短程硝化因为操作管理简单而更有实际意义。以往的短程硝化通常在悬浮污泥中实现，而在悬浮填料中实现生物膜工艺的短程硝化是一个创新。

悬浮填料生物膜法与固定填料生物膜法比较，具有氧利用率高、填料不会堵塞、传质效率高等优势。而悬浮填料生物处理工艺将悬浮生长的活性污泥法和附着生长的生物膜法结合到一起，应用前景非常广泛。原因在于高浓度的氨氮会抑制硝化菌的生长，同时悬浮填料反应器，与活性污泥短程硝化工艺不同，不能通过排放剩余污泥，调整污泥龄达到淘洗亚硝酸氮氧化菌(NOB)的目的。

废水中的氨氮因pH不同，分子态和离子态的氨以不同的比例存在。分子态游离氨(FA)对硝化作用有明显的抑制作用，硝酸茵属比亚硝酸菌属更易受到FA的抑制，0.1～1.0mg/L的FA就会抑制亚硝酸菌的活性。只有当FA达到10～100mg/L时才会对亚硝酸菌活性产生影响。

本发明的连续流悬浮填料实现污泥消化液短程硝化的装置和方法与现有技术相比，具有下列优点：

1)与污泥消化液直接回流到主流区的传统做法比较，在本工艺中，污泥消化液实现氨氮的短程硝化，并且利用消化液中的有限碳源完成一定的反硝化。经过预处理后在进入到主流区，可以节省大量的有机碳源，提高低C/N比的城市污水脱氮除磷效率，提高出水水质；

2)原污泥消化液与回流出水，首先在反硝化滤柱II中，利用原水中的有机碳源进行反硝化回收碱度。而以海绵填料作为反硝化菌的载体，不仅容易挂膜，而且反冲洗的周期长、强度低、不易堵塞；

3)与SHARON等污泥消化液硝化工艺比较，本工艺不必控制反应温度和污泥龄，因而具有很高的生物量，提高了反应器的容积负荷率、减少池容，进而节省了建设和运行费用；

4)与悬浮活性污泥法比较，悬浮填料工艺具有生物量大、溶解氧利用率高、传质好，避免了污泥膨胀之虞；

5)通过短程硝化利用厌氧出水中的碱度，高氨氮得到彻底的去除，不仅节省25％的曝气量，而且节省40％的反硝化所需碳源，这对碳源缺乏的污泥消化液的脱氮至关重要；

6)在硝化过程中，通过碱度和氨氮的比例关系，通过生物控制实现对氨氮硝化的精准控制，维持稳定的短程硝化；

7)回流出水不仅可以完成反硝化，在实现脱氮的同时回收碱度，提高系统pH，而且可稀释进水高氨氮浓度，使FA浓度只对NOB抑制，但不抑制AOB，从而形成短程硝化。同时通过FA的冲击负荷阻止因NOB的适应性而维持短程硝化；

8)短程硝化通常在低溶解氧的环境中实现，而本研究的短程硝化实在高溶解氧的环境条件下实现的，具有更高的氨氮硝化速率。

附图说明

图1是本发明的短程硝化的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：如图1所示，连续流悬浮填料实现污泥消化液短程硝化的装置，设有原水箱1、反硝化滤柱2、悬浮填料反应器3、二沉池4、出水箱5，所述原水箱为一开口箱体，设有溢水管1.1和排水管1.2；反硝化滤柱为一圆柱形管状体，自下而上设置取样阀门2.0，该反硝化滤柱内填充有立方体悬浮海绵填料2.1，该悬浮海绵填料规格为15×15×15mm，比表面积300m²/m³，填料的投配比约为40％左右，在反硝化滤柱上端设有三相分离器2.2，通过气体收集管2.3、气阀2.4、气管2.5与一碱液瓶2.6连通，该碱液瓶上部设有出气管2.7；所述悬浮填料反应器为一开口池体，其内腔分成9个格室3.1，按照水流方向上下交错设置孔径为15mm的过流孔，格室内按照有效容积的40％填充立方体海绵填料3.2，并设有气泵3.3、气体流量计3.4和曝气管3.5，在格室底部设有穿孔曝气管3.6，通向每个格室的曝气管上设有调节阀3.7；所述二沉池为一竖筒形，自下而上设有取样口4.0，池中间设有中心管4.1；所述出水箱为一个开口箱体，上部设有溢水口5.1、排水口5.2和排污口5.3；

原水箱通过进水泵6.1与反硝化滤柱底部的进水阀2.8相连接；出水箱通过出水回流泵6.2、出水回流管路6.3与反硝化滤柱底部连接；反硝化滤柱出水通过回流管路6.4、循环泵6.5、循环阀门6.6与反硝化滤柱底部连接；反硝化滤柱出水管6.7与悬浮填料反应器的首端连接；悬浮填料反应器出水通过其出水管6.8与二沉池的中心管连接。二沉池中的沉积污泥通过阀门6.9、污泥回流泵6.10、污泥回流管6.11与悬浮填料反应器的首端连接；二沉池上部设有出水阀门4.2，出水阀门通过出水管4.3与出水箱相连接。

具体实验用水取自北京市高碑店城市污水处理厂的消化污泥脱水车间，为典型的污泥消化液。该污泥消化液水质：COD 100～250mg/l；NH₄ ⁺-N 250～400mg/l；SS 30～100mg/l；碱度1200～2300mg/l；TP 20～35mg/l；pH 7.0～7.6。试验系统如图1所示，由反硝化滤柱与悬浮填料反应器组成。反硝化滤柱的内径为8cm，高度为200cm，有效容积为8.25L，填料填充高度为150cm。悬浮填料反应器的有效容积为45L，反应器尺寸为L×B×H＝90×10×50cm，平均分成9个格室，中间隔板由上下交错的小孔连接，悬浮填料的填充率为40％。

具体操作方法如下：首先，将海绵填料分别填充到反硝化滤柱与悬浮填料反应器。将从城市污水处理厂取得的活性污泥分别投加到反硝化滤柱与悬浮填料反应器，接种后的污泥浓度MLSS分别为2000mg/L与4000mg/L。启动时的进水流量为20L/d，悬浮填料反应器III的曝气量应使海绵填料处于均匀的流化状态，出水回流比与污泥回流比分别为50％。

将原水箱注满原污泥消化液，出水箱注满系统出水。启动进水泵和出水回流泵，进水泵的流量为20L/d，出水回流泵的流量为原水流量的50％，即10L/d，则反硝化滤柱进水混合液的流量为30L/d。同时，启动内循环泵进行反硝化滤柱II的内循环，循环流量为20L/d。反硝化滤柱的进水混合液自下而上的流经该反应器，与柱体中的微生物发生生化反应。在曝气区完成剩余有机物的氧化和高氨氮的短程硝化。

在运行过程中定期检测悬浮填料反应器IV好氧区pH，确定“氨谷”出现的位置，及氨氮短程硝化的结束点。如果“氨谷”提前出现，就相应提高进水泵1的流量，加大系统的处理负荷。或者减小气泵15的供气量，降低好氧区的DO浓度，使“氨谷”推迟到第8～9格室出现，，阻止破坏短程硝化。如果在好氧区短程硝化没用结束，则可以降低进水泵1流量，或者提高气泵15的供气量。也可以提高出水回流泵34的流量，增大回流比，降低系统FA浓度。

连续试验结果表明：反硝化滤柱II出水COD＜100mg/L，NO_x ^--N的最大去除率为20％～40％。原污泥消化液的NH₄ ⁺-N浓度为250～400mg/l，悬浮填料反应器的最大NH₄ ⁺-N去除速率为0.50Kg NH₄ ⁺-N/m³·d，在14～30℃，NH₄ ⁺-N的去除率在60％～80％左右，NO₂ ^--N累积率为75％～85％。由于原水有机碳源的不足，使得系统无机氮TIN去除率在20％～50％。

Claims (2)

1.连续流悬浮填料实现污泥消化液短程硝化的装置，其特征在于：设有原水箱(1)、反硝化滤柱(2)、悬浮填料反应器(3)、二沉池(4)、出水箱(5)，所述原水箱为一开口箱体，设有溢水管(1.1)和排水管(1.2)；反硝化滤柱为一圆柱形管状体，自下而上设置取样阀门(2.0)，该反硝化滤柱内填充有立方体悬浮海绵填料(2.1)，该悬浮海绵填料规格为15×15×15mm，比表面积300m²/m³，填料的投配比为40％，在反硝化滤柱上端设有三相分离器(2.2)，通过气体收集管(2.3)、气阀(2.4)、气管(2.5)与一碱液瓶(2.6)连通，该碱液瓶上部设有出气管(2.7)；所述悬浮填料反应器为一开口池体，其内腔分成数个格室(3.1)，按照水流方向上下交错设置孔径为15mm的过流孔，格室内按照有效容积的30％～40％填充立方体海绵填料(3.2)，并设有气泵(3.3)、气体流量计(3.4)和曝气管(3.5)，在格室底部设有穿孔曝气管(3.6)，通向每个格室的曝气管上设有调节阀(3.7)；所述二沉池为一竖筒形，自下而上设有取样口(4.0)，池中间设有中心管(4.1)；所述出水箱为一个开口箱体，上部设有溢水口(5.1)、排水口(5.2)和排污口(5.3)；

原水箱通过进水泵(6.1)与反硝化滤柱底部的进水阀(2.8)相连接；出水箱通过出水回流泵(6.2)、出水回流管路(6.3)与反硝化滤柱底部连接；反硝化滤柱出水通过回流管路(6.4)、循环泵(6.5)、循环阀门(6.6)与反硝化滤柱底部连接；反硝化滤柱出水管(6.7)与悬浮填料反应器的首端连接；悬浮填料反应器出水通过其出水管(6.8)与二沉池的中心管(4.1)连接，二沉池中的沉积污泥通过阀门(6.9)、污泥回流泵(6.10)、污泥回流管(6.11)与悬浮填料反应器的首端连接；二沉池上部设有出水阀门(4.2)，出水阀门通过出水管(4.3)与出水箱相连接。

2.利用权利要求1所述的短程消化的装置实现在悬浮填料反应器中实现污泥消化液短程硝化的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)启动系统：首先将海绵填料分别加入到反硝化滤柱和悬浮填料反应器中，填充率分别为有效容积的80％与40％，将从城市污水厂曝气池取得的活性污泥分别投加到反硝化滤柱和悬浮填料反应器中，投加后两个反应器的污泥浓度MLSS分别为1000mg/L与4000mg/L；

2)运行时调节操作如下：

(1)根据原水及悬浮填料反应器中混合液的pH值及温度，通过在0.2～0.9KgNH₄ ⁺-N/m³·d的范围内，调整进水NH₄ ⁺-N负荷，即调整原水和消化液的进水量，当游离氨FA浓度高时，减少消化液量，增加原水量，使推流式悬浮填料反应器沿流程的游离氨FA浓度从进水端到出水端在20-1mg/L的范围内逐渐降低；

(2)在步骤(1)基础上，保持悬浮填料反应器出水端FA＞1mg/L的综合策略如下：从出水箱回流到反硝化滤柱的出水回流比为进水的50％～200％，应保证反硝化滤柱出水NO_x ^--N浓度在5～10mg/L的范围内，同时维持反应器的气水比＞20∶1，使得反应器混合液pH＞7.8，进而保持悬浮填料反应器出水端FA＞1mg/L；

(3)当亚硝化提前结束时，在满足填料流化和高于90％硝化率的前提下，通过降低曝气量，或减少水力停留时间HRT，使亚硝化在悬浮填料反应器的末端结束；

(4)当反应器末端的NO₂ ^--N氧化菌得不到有效抑制时，即大部分NO₂ ^--N在末端被氧化为NO₃ ^--N时，通过调换进出水的位置，改变悬浮填料反应器中的水流方向，进而改变反应器中FA浓度的变化趋势恢复高效的短程硝化。

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