CN103011407B - 初沉污泥内碳源开发强化城市污水脱氮的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种初沉污泥内碳源开发强化城市污水脱氮的装置及方法，属于低C/N比城市污水处理及初沉污泥生化处理技术领域。该装置设有原水水箱、序批式硝化反应器、序批式污泥发酵耦合反硝化反应器及污泥贮存池；通过安装在好氧反应区和发酵耦合反硝化反应区的DO/ORP/pH传感器，优化控制曝气量供给及反硝化时间。本发明创新性地组合使用序批式反应器应用于污泥内碳源开发-利用工艺中，适用于投加初沉污泥作为反硝化碳源的低C/N比城市污水处理优化控制，可以节省碳源，提高脱氮效率，并且具有设备简单、运行灵活、脱氮效率高等优点。

Description

初沉污泥内碳源开发强化城市污水脱氮的装置与方法

技术领域

本发明涉及城市污水强化脱氮工艺的优化控制技术，属于城市污水处理及初沉污泥生化处理技术领域。该工艺适用于低C/N比城市污水的强化脱氮。

背景技术

我国在2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002中要求所有排污单位出水水质为氨氮小于5mg/L，总氮小于15mg/L一级A标准。氮的去除已经成为当今污水处理和再生回用的主要问题。为到达日益严格的排放标准，降低运行成本，许多污水厂面临工艺的优化运行或升级改造问题。

生物脱氮过程中，异养反硝化菌需要利用有机物作为电子供体还原氧化态氮，包括硝态氮和亚硝态氮。然而，城市污水处理目前普遍存在进水C/N低，碳源不充足的问题，导致出水TN难以达标。通过投加甲醇等外碳源可以达到良好出水效果，但费用颇大，同时有增大剩余污泥产量、打破污水处理厂原有碳平衡、增加CO₂等温室气体的排放等问题。另一方面，污水处理过程中产生大量污泥，包括初沉污泥和剩余污泥。如何经济有效地处理和处置污泥也是众多污水处理厂面临的难题。而进行污泥发酵，并在发酵过程中控制产甲烷作用的发生，则可以使污泥中的大分子有机颗粒向挥发性脂肪酸等小分子转化，且这部分易降解有机物可被反硝化菌所利用以提高系统脱氮效果，与此同时实现污泥的减量化和稳定化。该方法相比传统脱氮工艺可以节省外加碳源，降低运行费用，并同时进行污泥的初步处理，是符合可持续发展规律的工艺，有较大实际意义，应用市场广阔。因此，污泥内碳源提取技术的开发和应用日益得到重视。

传统的污泥发酵和碳源提取技术一般为发酵-淘洗工艺，即污泥在发酵池内水解酸化产生挥发性脂肪酸等可利用有机物，且利用进水淘洗发酵池内的发酵产物，随后淘洗液被打入生物反应区的缺氧区用于强化系统的反硝化效果。在实际实际工程中，如果利用发酵-淘洗工艺开发污泥内复合碳源，存在一些劣势：1) 由于污泥的吸附作用，发酵产生的 VFA 很难被淘洗出来，且要想较高的淘洗效率则需要较大的淘洗水量，且淘洗效率较低，泥水分离困难；2) 在完全厌氧的反应器中很难避免产甲烷反应发生，且颗粒物质水解是污泥厌氧发酵的限速步骤，因此发酵产物被产甲烷菌大量消耗；3) 为达到较高的淘洗效率则需要较大的淘洗水用量，必然产生较大的上升流速，带出很多颗粒物质，增加了后续处理单元的固体负荷。

初沉污泥内碳源开发强化城市污水脱氮的工艺是一种新型的碳源开发-利用工艺。具有如下优点：1) 由于NO_x ^--N的存在，避免了产甲烷反应的发生，防止了发酵产物被产甲烷菌消耗；2) 发酵产物产生后随即被周围的反硝化细菌就地利用，刺激污泥发酵产生更多可利用碳源；3) 反硝化反应产生碱度，能使反应器保持在中性或偏碱性的条件下运行，随反硝化进行pH上升到8左右，避免了常规发酵中的系统酸化问题；4)省略传统工艺中的淘洗步骤，工艺主体仅需两个SBR反应器，运行简单易操作，可推广性强。

发明内容

本发明首次利用序批式反应器，将初沉污泥发酵作用与城市污水的反硝化作用耦合在同一体系中，使得污泥发酵产生的挥发性脂肪酸等可以作为电子供体及时被反硝化细菌消耗，避免了发酵过程中因产物积累而导致发酵反应速率减缓的问题，同时使得发酵产物能被最大程度地利用，强化了低C/N比城市污水的脱氮效果，同时实现初沉污泥的初步稳定。

本发明通过以下技术方案来实现：

初沉污泥内碳源开发强化城市污水脱氮的装置，其特征在于是处理低C/N比城市污水的成套装置，包括顺次连接的原水水箱1、序批式硝化反应器SBR_ND3、中间水箱4、序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6及污泥贮存箱7。

原水水箱1中的污水通过进水泵2进入序批式硝化反应器SBR_ND3，序批式硝化反应器SBR_ND出水流入中间水箱4，通过中间水泵5进入到序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6，污泥贮存箱7中的初沉污泥通过初沉污泥投加泵8注入序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6。序批式硝化反应器SBR_ND3与空气压缩机10相连，并安装第一搅拌器11和第一温度控制装置19；序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6中安装第二搅拌器12和第二温度控制装置20。序批式硝化反应器SBR_ND3中安装DO在线测定仪13、第一pH在线测定仪14；序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6中安装ORP在线测定仪15和第二pH在线测定仪16。另外设置与计算机18相连的过程控制器17用以接收上述DO在线测定仪13、第一pH在线测定仪14、ORP在线测定仪15、第二pH在线测定仪16的信号，同时，计算机18通过过程控制器17与空气压缩机10、第一搅拌器11和第二搅拌器12连接。

所述的初沉污泥内碳源开发强化城市污水脱氮的装置实现控制的方法，其特征在于包括以下步骤：

序批式硝化反应器SBR_ND3处理低C/N比生活污水，每周期依次经历进水、缺氧搅拌、曝气、沉淀、排水5个过程。

Ⅰ进水 设定进水量为反应器有效容积的1/2，通过时控开关进行控制。系统启动后，原水水箱1中的污水通过进水泵2进入到序批式硝化反应器SBR_ND3，进水的同时开启第一搅拌器11。

Ⅱ缺氧搅拌 进水完毕后进入缺氧搅拌时段，反应器内上一周期排水后剩余的硝化液利用原水中的碳源进行反硝化作用，去除总氮。设定反硝化时间为30-60分钟。

Ⅲ曝气 开启空气压缩机10，向序批式硝化反应器SBR_ND提供氧气，将进水中的氨氮转化为氧化态氮NO_x ^-；根据在线监测DO和pH，当①dpH/dt≥0且t≥2h或②d DO/dt＞1且t≥2h出现时，通过过程控制器17的输出信号A控制空气压缩机10和第一搅拌器11停止，曝气结束。

Ⅳ沉淀 设定沉淀时间为10-30分钟，沉淀阶段完成泥水分离。

Ⅴ排水 设定排水比为1/2，通过时控开关进行控制。出水阀门打开，上清液被排入到中间水箱4。

序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6在交替厌氧-缺氧环境下运行，以初沉污泥为发酵底物，富集培养发酵细菌和反硝化细菌，可以同步进行污泥发酵及反硝化过程。每周期依次经历厌氧发酵、进水、缺氧搅拌、沉淀、排水5个过程。

Ⅰ厌氧发酵 启动第二搅拌器12，厌氧发酵开始，发酵时间设置为9-20小时。

Ⅱ进水 设定进水时间为反应器有效容积的1/2，通过时控开关进行控制。中间水箱4中的硝化液通过中间进水泵5进入到序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6。

Ⅲ缺氧搅拌 反硝化菌在进水后利用发酵产物进行反硝化作用，将NO_x ^-还原成氮气。反硝化作用进行的同时，污泥发酵反应也继续进行。根据在线监测pH和ORP，当①dpH/dt≤0且t≥30分钟或②d ORP/dt≤-50且t≥30分钟出现时，关闭第二搅拌器12，缺氧搅拌时段结束。

Ⅳ沉淀 设定沉淀时间为1-2小时，沉淀阶段完成泥水分离。

Ⅴ排水 设定排水比为1/2，通过时控开关进行控制。出水阀门打开，上清液经出水管路9排出。

与传统的污泥发酵-碳源提取技术相比，该发明具有如下优点：

1采用序批式反应器，工艺的各个时段可以根据实际情况灵活调整，操作简便，可控性强。发明的主体实验装置无须过多回流设计，大大节省能耗和建设、管理费用。

2将初沉污泥发酵体系与城市污水反硝化体系耦合在同一系统中，反硝化菌原位利用发酵产物作为碳源，能及时解除污泥发酵过程的产物抑制，且由于NO_x ^-的影响和发酵产物的及时消耗，产甲烷菌的活性受到抑制，发酵产生的碳源能够为反硝化氮菌高效利用。

3序批式硝化反应器SBR_ND和序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD分别主要承担低C/N比城市生活污水的硝化和反硝化作用。较常规生物脱氮装置，序批式硝化反应器SBR_ND中的硝化细菌受有机物和异养菌的影响更小，长期驯化活性污泥使得硝化菌成为其中的优势菌种。表现为序批式硝化反应器SBR_ND的硝化反应速率快，出水氨氮浓度低，氨氧化速率更高，实时控制策略有效节省曝气能耗和运行费用。

4序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD实时控制即可保证NO_x ^-全部还原完毕，又可保证不因水力停留时间过长导致初沉污泥的发酵产物，如NH₄ ⁺和COD等，再次释放到城市污水中。缺氧出水水质好，无需另外处理即可达到城市污水排放的一级A标准。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图

图2为连续运行中的总氮去除效果的情况图

图中：1——原水水箱；2——进水泵；3——序批式硝化反应器SBR_ND；4——中间水箱；5——中间进水泵；6——序批式污泥发酵耦合反硝化反应器SBR_FD；7——污泥贮存池；8——初沉污泥投加泵；9——出水管路；10——空气压缩机；11——第一搅拌器；12——第二搅拌器；13——DO在线测定仪；14——第一pH在线测定仪；15——ORP在线测定仪；16——第二pH在线测定仪；17——过程控制器；18——计算机；19——第一温度控制装置；20——第二温度控制装置。

具体实施方式

结合附图和实例对本申请专利进一步的说明：如图1所示，本发明包括顺次连接的原水水箱1、序批式硝化反应器SBR_ND3、中间水箱4、序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6及污泥贮存箱7。其中原水水箱1的有效体积为50L，箱体由有机塑料制成；序批式硝化反应器SBR_ND3和序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD的有效体积为10L，为圆柱形有机玻璃柱体；中间水箱4和污泥贮存箱7的有效体积为15L，箱体由有机塑料制成。

原水水箱1中的污水通过进水泵2进入序批式硝化反应器SBR_ND3，序批式硝化反应器SBR_ND出水流入中间水箱4，通过中间水泵5进入到序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6，污泥贮存箱7中的初沉污泥通过初沉污泥投加泵8注入序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6。序批式硝化反应器SBR_ND3与空气压缩机10相连，并安装第一搅拌器11和第一温度控制装置19；序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6中安装第二搅拌器12和第二温度控制装置20。序批式硝化反应器SBR_ND3中安装DO在线测定仪13、第一pH在线测定仪14；序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6中安装ORP在线测定仪15和第二pH在线测定仪16。另外设置与计算机18相连的过程控制器17用以接收上述DO在线测定仪13、第一pH在线测定仪14、ORP在线测定仪15、第二pH在线测定仪16的信号，同时，计算机18通过过程控制器17与空气压缩机10、第一搅拌器11和第二搅拌器12连接。

具体实施例使用的城市生活污水取自北京市某家属区的化粪池，其典型的氨氮浓度值在65~80mg/L，COD为220~270mg/L，其C/N<4，自身碳源不足以充分脱除原水中的总氮。序批式硝化反应器SBR_ND的接种污泥取自某中试SBR的剩余污泥，该污泥脱氮效果良好，且具有一定短程硝化能力，运行中序批式硝化反应器SBR_ND的MLSS为3000~4000mg/L。序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD的接种泥取自取自北京某污水厂初沉污泥重力浓缩池后的压力管道，为典型的初沉污泥，浓度10kgMLSS/m³，挥发性污泥浓度MLVSS与污泥浓度MLSS的比值在0.55～0.60之间，运行中序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD的MLSS为8000~10000mg/L。序批式硝化反应器SBR_ND和序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD有效容积均为10L，每周期进水5L，反应温度控制在26℃。具体过程如下：

实施例一：

序批式硝化反应器SBR_ND3处理低C/N比生活污水，每周期依次经历进水、缺氧搅拌、曝气、沉淀、排水5个过程。

Ⅰ进水 设置进水泵2的进水量为500ml /分钟，进水10分钟。系统启动后，原水水箱1中的污水通过进水泵2进入到序批式硝化反应器SBR_ND3，进水的同时开启第一搅拌器11。

Ⅱ缺氧搅拌 进水完毕后进入缺氧搅拌时段，设定反硝化时间为30分钟。

Ⅲ曝气 开启空气压缩机10，向序批式硝化反应器SBR_ND提供氧气，曝气量恒定在40L/小时，并使污水和活性污泥充分接触。根据在线监测DO和pH，当①dpH/dt≥0且t≥2h或②d DO/dt＞1且t≥2h出现时，通过过程控制器17的输出信号A控制空气压缩机10和第一搅拌器11停止，曝气结束。

Ⅳ沉淀 设定沉淀时间为15分钟，沉淀阶段完成泥水分离。

Ⅴ排水 排水比为1/2，排水量为5L。出水阀门打开，上清液被排入到中间水箱4。

序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6在交替厌氧-缺氧环境下运行，每周期依次经历厌氧搅拌、进水、缺氧搅拌、沉淀、排水5个过程。

Ⅰ厌氧发酵 启动第二搅拌器12，厌氧发酵开始，发酵时间设置为9小时。

Ⅱ进水 中间进水泵5启动，其进水量为500ml/分钟，进水时间为10分钟。中间水箱4中的硝化液通过中间进水泵5进入到序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6。

Ⅲ缺氧搅拌 反硝化菌在进水后利用发酵产物进行反硝化作用，将NO_x ^-还原成氮气。反硝化作用进行的同时，污泥发酵反应也继续进行。根据在线监测pH和ORP，当①dpH/dt≤0且t≥30分钟或②d ORP/dt≤-50且t≥30分钟出现时，关闭第二搅拌器12，缺氧搅拌时段结束。

Ⅳ沉淀 设定沉淀时间为1小时，沉淀阶段完成泥水分离。

Ⅴ排水 排水比为1/2，排水量为5L。出水阀门打开，上清液经出水管路9排出。

实施例二：

序批式硝化反应器SBR_ND3处理低C/N比生活污水，每周期依次经历进水、缺氧搅拌、曝气、沉淀、排水5个过程。

Ⅰ进水 设置进水泵2的进水量为1L/分钟，进水5分钟。系统启动后，原水水箱1中的污水通过进水泵2进入到序批式硝化反应器SBR_ND3，进水的同时开启第一搅拌器11。

Ⅱ缺氧搅拌 进水完毕后进入缺氧搅拌时段，根据处理水质，设定反硝化时间为60分钟。

Ⅲ曝气 开启空气压缩机10，向序批式硝化反应器SBR_ND提供氧气，将进水中的氨氮转化为氧化态氮NO_x ^-；根据在线监测DO和pH，当①dpH/dt≥0且t≥2h或②d DO/dt＞1且t≥2h出现时，通过过程控制器17的输出信号A控制空气压缩机10和第一搅拌器11停止，曝气结束。

Ⅳ沉淀 设定沉淀时间为25分钟，沉淀阶段完成泥水分离。

Ⅴ排水 排水比为1/2。出水阀门打开，上清液被排入到中间水箱4。

序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6在交替厌氧-缺氧环境下运行，每周期依次经历厌氧搅拌、进水、缺氧搅拌、沉淀、排水5个过程。

Ⅰ厌氧发酵 启动第二搅拌器12，厌氧发酵开始，发酵时间设置为20小时。

Ⅱ进水 中间进水泵5启动，其进水量为1L/分钟，进水时间为5分钟。中间水箱4中的硝化液通过中间进水泵5进入到序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD6。

Ⅲ缺氧搅拌 反硝化菌在进水后利用发酵产物进行反硝化作用，将NO_x ^-还原成氮气。反硝化作用进行的同时，污泥发酵反应也继续进行。根据在线监测pH和ORP，当①dpH/dt≤0且t≥30分钟或②d ORP/dt≤-50且t≥30分钟出现时，关闭第二搅拌器12，缺氧搅拌时段结束。

Ⅳ沉淀 设定沉淀时间为2小时，沉淀阶段完成泥水分离。

Ⅴ排水 排水比为1/2。出水阀门打开，上清液经出水管路9排出。时间达到后，关闭出水阀门，排水结束。

连续的试验结果表明：以北京某家属区的城市生活污水为处理对象，进水总氮平均75mg/L，COD平均240mg/L，稳定运行100d。试验结果表明：初沉污泥发酵产物补充了低C/N比城市污水反硝化的碳源需求，反硝化效果良好，系统出水NO_x ^–低于1mg/L；随着系统运行稳定性增强，系统总氮去除率达到90%，出水总氮降至10mg/L以下，远远满足一级A排放标准，如图2所示。

Claims (1)

1.利用初沉污泥内碳源开发强化城市污水脱氮的装置实现控制的方法，其特征在于所述装置是处理低C/N比城市污水的成套装置，包括顺次连接的原水水箱（1）、序批式硝化反应器SBR_ND（3）、中间水箱（4）、序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD（6）及污泥贮存箱（7）；

原水水箱（1）中的污水通过进水泵（2）进入序批式硝化反应器SBR_ND（3），序批式硝化反应器SBR_ND出水流入中间水箱（4），通过中间水泵（5）进入到序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD（6），污泥贮存箱（7）中的初沉污泥通过初沉污泥投加泵（8）注入序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD（6）；序批式硝化反应器SBR_ND（3）与空气压缩机（10）相连，并安装第一搅拌器（11）和第一温度控制装置（19）；序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD（6）中安装第二搅拌器（12）和第二温度控制装置（20）；序批式硝化反应器SBR_ND（3）中安装DO在线测定仪（13）、第一pH在线测定仪（14）；序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD（6）中安装ORP在线测定仪（15）和第二pH在线测定仪（16）；另外设置与计算机（18）相连的过程控制器（17）用以接收上述DO在线测定仪（13）、第一pH在线测定仪（14）、ORP在线测定仪（15）、第二pH在线测定仪（16）的信号，同时，计算机（18）通过过程控制器（17）与空气压缩机（10）、第一搅拌器（11）和第二搅拌器（12）连接；

包括以下步骤：

序批式硝化反应器SBR_ND（3）处理低C/N比生活污水，每周期依次经历进水、缺氧搅拌、曝气、沉淀、排水5个过程；

Ⅰ进水设定进水量为反应器有效容积的1/2，通过时控开关进行控制；系统启动后，原水水箱（1）中的污水通过进水泵（2）进入到序批式硝化反应器SBR_ND（3），进水的同时开启第一搅拌器（11）；

Ⅱ缺氧搅拌进水完毕后进入缺氧搅拌时段，反应器内上一周期排水后剩余的硝化液利用原水中的碳源进行反硝化作用，去除总氮；设定反硝化时间为30-60分钟；

Ⅲ曝气开启空气压缩机（10），向序批式硝化反应器SBR_ND提供氧气，将进水中的氨氮转化为氧化态氮NO_x ^-；根据在线监测DO和pH，当①dpH/dt≥0且t≥2h或②d DO/dt＞1且t≥2h出现时，通过过程控制器（17）的输出信号A控制空气压缩机（10）和第一搅拌器（11）停止，曝气结束；

Ⅳ沉淀设定沉淀时间为10-30分钟，沉淀阶段完成泥水分离；Ⅴ排水设定排水比为1/2，通过时控开关进行控制；出水阀门打开，上清液被排入到中间水箱（4）；

序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD（6）在交替厌氧-缺氧环境下运行，以初沉污泥为发酵底物，富集培养发酵细菌和反硝化细菌，可以同步进行污泥发酵及反硝化过程；每周期依次经历厌氧发酵、进水、缺氧搅拌、沉淀、排水5个过程；

Ⅰ厌氧发酵启动第二搅拌器（12），厌氧发酵开始，发酵时间设置为9-20小时；

Ⅱ进水设定进水时间为反应器有效容积的1/2，通过时控开关进行控制；中间水箱（4）中的硝化液通过中间进水泵（5）进入到序批式发酵耦合反硝化反应器SBR_FD（6）；

Ⅲ缺氧搅拌反硝化菌在进水后利用发酵产物进行反硝化作用，将NO_x ^-还原成氮气；反硝化作用进行的同时，污泥发酵反应也继续进行；根据在线监测pH和ORP，当①dpH/dt≤0且t≥30分钟或②d ORP/dt≤-50且t≥30分钟出现时，关闭第二搅拌器（12），缺氧搅拌时段结束；

Ⅳ沉淀设定沉淀时间为1-2小时，沉淀阶段完成泥水分离；

Ⅴ排水设定排水比为1/2，通过时控开关进行控制；出水阀门打开，上清液经出水管路（9）排出。

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