CN105293702A - 一种通过控制不同的缺好氧体积比启动并稳定维持短程硝化反硝化的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过控制不同的缺好氧体积比启动并稳定维持短程硝化反硝化的方法与装置。本发明包括以下步骤：(1)培养与驯化污泥。(2)启动短程硝化反硝化。通过控制好氧区DO浓度以及调节缺氧区和好氧区的体积比为5:3～6:2实现短程硝化反硝化系统的启动。(3)稳定维持短程硝化反硝化。根据进水水质变化以及日常监测情况，通过调节好氧区DO浓度以及改变缺氧区和好氧区的体积比实现短程硝化反硝化系统的稳定维持。系统稳定运行后，氨氮去除率达到91.35％，好氧池的出水中亚硝酸盐的累积率为91.15％。本发明在连续流A/O工艺中实现了短程硝化反硝化的启动和稳定维持，解决了短程硝化反硝化在连续流处理城市生活污水系统中启动困难并且难以稳定维持的问题。

Description

一种通过控制不同的缺好氧体积比启动并稳定维持短程硝化反硝化的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种通过控制不同的缺好氧体积比启动并稳定维持短程硝化反硝化的方法与装置，是属于污水处理领域。

背景技术

目前水体富营养化已经成为全球性水环境问题，在我国的巢湖、太湖、滇池等湖泊，每年都会发生严重的水体富营养化问题。水体富氧化的主要原因是氮、磷等营养元素的过量排放，尤其是氮的过量排放，从而引起水体中藻类的大量生长，导致水体中溶解氧降低，水中鱼类大量死亡，水体发臭变黑。《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)对氮的排放量做出了严格的规定。其中一级A排放标准规定氨氮浓度不超过5mg/L，总氮浓度不超过15mg/L。2015年4月2日出台的“水十条”要求改善全国水环境质量，这也对污水处理提出了更高的要求。

A/O法是传统的生物脱氮工艺，系统内共存的硝化菌、反硝化菌和聚磷菌(PAO)，在缺氧、好氧的环境下，以污水中有机物为碳源，实现COD、氮(N)和磷(P)的同步去除。然而，我国城市污水的C/N比普遍较低，这导致废水在反硝化是存在碳源不足的问题。为满足反硝化碳源的需求，通常需要外加碳源，这也提高了污水厂的运行成本。因此，近年来针对城市污水低C/N比的性质，产生了一系列的污水脱氮新理论，如短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、同步硝化反硝化等。其中短程硝化反硝化具有高效节能等优点而受到广泛关注。传统的脱氮技术分为硝化和反硝化两个阶段：首先氨氧化菌(AmmoniaoxidatingBacteriaAOB)将污水中的氨氮氧化为亚硝态氮，再经由亚硝酸盐氧化菌(NitriteoxidizingbacteriaNOB)氧化为硝态氮。反硝化则是由反硝化细菌将水中的硝态氮还原为亚硝态氮，进而还原为氮气。短程硝化反硝化通过淘洗NOB富集AOB，使得氨氮被氧化为亚硝态氮以后直接被反硝化细菌还原为氮气。与传统的脱氮工艺相比，短程硝化反硝化具有以下几个优点：1)在硝化阶段可节约25％的需氧量，降低了能耗；2)在反硝化阶段减少了约40％的有机碳源，降低了运行费用；3)NO₂ ^--N的反硝化速率通常比NO₃ ^--N的反硝化速率高63％；4)减少了50％的污泥产量；5)反应器容积可减少30％～40％；6)可减少投加碱度和外碳源投量。

目前短程硝化反硝化脱氮工艺的实现仍局限于诸如垃圾渗滤液等高氨氮废水，低C/N比废水利用短程硝化反硝化工艺处理的研究多集中在间歇式SBR系统内。然而当前大约95％的城市污水处理厂采用连续流运行工艺，将短程硝化反硝化运用到A/O系统中，以实现两大工艺的完美结合，既能高效脱氮除磷又能节约工艺的运行成本，在污水处理领域具有广泛的应用前景，目前也得到越来越多的关注。连续流中短程硝化反硝化启动方式主要有：⑴在常温下通过控制好氧区DO浓度、好氧区名义水力停留时间、好氧区实际水力停留时间实现短程脱氮；⑵将低DO与快速提高进水浓度两种方式结合，并使生化反应池与沉淀池在一个以连续操作方式实现高氨氮废水的亚硝化；⑶采用一种连续流工艺中快速实现并稳定维持短程硝化的装置，利用PLC控制系统在氨谷点和DO突跃点停止曝气，促成亚硝的积累，实现短程；⑷利用一种连续流污水低氧短程脱氮处理装置，在缺氧区设置曝气系统根据进水有机物和氨氮浓度的变化调节曝气量，保证该缺氧区的缺氧或低氧条件，为短程提供条件；⑸利用连续流悬浮填料实现污泥消化液短程硝化的装置，通过氨谷点控制曝气量实现短程；

发明内容

由于短程硝化反硝化具有节省25％的曝气量，节约40％反硝化所需的碳源，减少剩余污泥的产生量，降低污水处理费用的优势，而目前在对于城市污水连续流处理工艺中缺乏一种简单、易行、稳定、可靠实现短程硝化的方法，本发明的目的在于，提供一种城市污水连续流实现稳定的短程硝化反硝化的简易控制方法，在充分利用原水有限碳源的基础上，进一步提高生物脱氮效率。

为达到高效的同步脱氮效果，本发明提供的一种通过控制不同的缺好氧比启动并稳定维持短程硝化反硝化的方法与装置，其特征在于，本装置由原水箱(1)、生化反应池以及二沉池(4)组成，生化反应池分为缺氧区(2)和好氧区(3)。原水箱与生化反应池之间由进水阀(1.3)和进水泵(1.5)以及进水管(1.4)连接。生化反应池等分为若干格室，每个格室之间由连通管连通，隔板设有上下交错的导水孔，防止发生短流。缺氧区每个格室内设有搅拌器(8)，各好氧格底部均设空气管路及曝气头(7.3)，空气管路经气体流量计(7.2)、空气阀(7.1)与空气压缩机(7)相连，每个好氧格中都放置DO探头，DO探头与溶解氧仪相连。好氧区末格由硝化液回流管(5.1)经硝化液回流阀(5.2)和硝化液回流泵(5.3)与第一格缺氧区相连。好氧末格水面设有溢流堰，溢流堰管路由排水阀(4.1)经二沉池进水管连通二沉池(4)，二沉池为中进周出式，底部设有污泥管道，污泥管道分两支，其中污泥回流管(6.1)经污泥回流阀(6.3)以及污泥回流泵(6.2)与缺氧格连通，剩余污泥管连接排泥阀(6.4)，用于排放剩余污泥；

生化反应器分为缺氧区和好氧区，原水箱(1)中的废水首先由进水泵(1.5)控制经进水管(1.4)进入缺氧区(2)进行反硝化，经反硝化作用后的废水进入好氧区(3)进行硝化作用，同时硝化液由硝化液回流泵(5.2)控制经硝化液回流管(5.1)回流至缺氧区进行反硝化。处理后的废水进入二沉池(4)进行泥水分离，回流污泥由污泥回流泵(6.2)经污泥回流管(6.1)回流至缺氧区(2)，剩余污泥经排泥阀(6.4)与排泥管排放，最终出水经出水管(4.2)排放。通过控制缺氧区和好氧区的体积比，调节好氧区的水力停留时间，同时控制好氧区的溶解氧浓度，降低氨氧化菌和亚硝酸氧化菌与氧的接触时间，抑制亚硝酸氧化菌的活性，在系统的运行中逐步将亚硝酸氧化菌淘洗出去，同时富集氨氧化菌。原水中的NH₄ ⁺-N经氨氧化菌的硝化作用氧化为NO₂ ^--N，好氧区的硝化液经硝化液回流系统回流到缺氧区，在反硝化细菌的作用下将NO₂ ^--N还原为N₂，从而实现短程硝化反硝化脱氮过程。短程硝化反硝化脱氮系统的启动与稳定维持分为以下三个步骤：

步骤一：培养与驯化污泥

按照生化反应池污泥浓度3000±500mg/L接种污泥量，从污水处理厂取剩余污泥，在DO浓度为1.8～2mg/L曝气12-24h使其活性得到恢复用C/N仅为2.5～3.4的实际生活污水作为进水，开启进水泵、硝化液回流泵、污泥回流泵、曝气管路及搅拌装置，通过调整曝气量控制好氧区的溶解氧浓度为1.8～2.0mg/L，启动装置；设定SRT为10～15天、HRT为8～10h、污泥回流比为80％～100％、硝化液回流比为100～150％，连续运行装置，当二沉池出水水质中COD≤50mg/L、NH₄ ⁺-N≤5mg/L，PO₄ ^3--P≤0.5mg/L并稳定维持15-20天后，即认为系统达到了稳定状态，进入下一步骤；

步骤二：启动短程硝化反硝化

短程硝化反硝化的启动过程分为以下两个阶段：

阶段Ⅰ调节曝气量控制好氧区DO浓度为1.2～1.5mg/L，控制污泥回流比为80～100％，硝化液回流比100～150％，调节缺氧区与好氧区的体积比为5﹕3，好氧池水力停留时间为3～4h，间隔1-2天监测进/出水水质、好氧区出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N以及NO₃ ^--N浓度，待好氧区NO₂ ^--N/NO_X ^--N的质量分数比达到50％～60％，进入阶段Ⅱ；

阶段Ⅱ调节曝气量控制好氧区DO浓度为1.0～1.2mg/L，控制污泥回流比为80～100％，硝化液回流比100～150％，调节缺氧区与好氧区的体积比为6﹕2，好氧池水力停留时间为2～3h，间隔1-2天监测进/出水水质、好氧区出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N以及NO₃ ^--N浓度，待好氧区NO₂ ^--N/NO_X ^--N的质量分数比达到80％～90％，视为短程硝化反硝化启动成功；

步骤三：稳定维持短程硝化反硝化

短程硝化反硝化系统成功启动后，维持缺氧区与好氧区的体积比为6:2，控制好氧区的DO浓度在1.0～1.2mg/L，日常运行中，间隔1-2天监测进/出水水质、好氧区出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N以及NO₃ ^--N浓度，当出现下列短程硝化不利情况时，按照以下方式予以调节：

①氨氮大于50mg/L，导致二沉池出水氨氮浓度高于5mg/L。控制好氧区溶解氧浓度为1.0～1.2mg/L不变，将好氧区调整为3格，提高好氧区水力停留时间；或者控制好氧区格数不变，提高曝气量，控制好氧区DO在1.5～2mg/L；或者将好氧区调整为3格同时将好氧第一格或前两格DO提高至1.5～2mg/L；或者将好氧区调整为3格同时将所有好氧格DO提高至1.5～2mg/L，待进水氨氮恢复至45～50mg/L同时二沉池出水氨氮浓度低于5mg/L后调回。

②进水COD浓度太低，污泥负荷达不到0.2kgCOD/kgMLSS/d，导致反硝化碳源不足。通过往进水池添加外碳源使进水负荷达到0.2kgCOD/kgMLSS/d以上，并加大10-20％的排泥量的方式解决。

③当水温低于20度，二沉池出水氨氮高于5mg/L。将好氧区至少3格DO提高至1.5～2mg/L当二沉池出水氨氮低于5mg/L后调回。

本发明在处理实际生活污水的连续流A/O生物脱氮系统中启动并稳定维持短程脱氮的原理为：污水的脱氮包括硝化作用和反硝化作用，而硝化细菌主要包括氨氧化菌(AmmoniaoxidatingBacteriaAOB)和亚硝酸盐氧化菌(NitriteoxidizingbacteriaNOB)。氨氧化细菌对氧的结合能力比亚硝酸盐氧化菌对氧的结合能力强，因此在逐渐将好氧区与缺氧区的体积比

从5:3降到6:2时，即提高了缺氧区的水力停留时间而降低了好氧区的水力停留时间，降低了氨氧化菌和亚硝酸氧化菌与氧气接触的时间，氨氧化菌仍能正常生长，而亚硝酸盐氧化菌则受到抑制。在系统的运行过程中，亚硝酸盐氧化菌被抑制而逐步被淘洗掉，从而氨氧化菌得到富集。废水中的NH₄ ⁺-N经氨氧化菌的硝化作用转化为NO₂ ^--N，而系统中由于亚硝酸氧化菌被淘洗掉，因此硝化产生的NO₂ ^--N不会进一步被氧化为NO₃ ^--N。当只含有NO₂ ^--N的硝化液回流到缺氧区后，NO₂ ^--N直接被反硝化细菌还原为N₂，从而实现稳定的短程脱氮系统。

附图说明

图1为连续流工艺流程图；

图2为废水中污染物的沿程变化情况；

图3为长期运行中系统出水情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施案例对本发明做进一步说明。

本发明中的连续流短程硝化反硝化生物脱氮系统如图1所示。本装置顺次由原水箱(1)、缺氧格(2)、好氧格(3)、二沉池(4)连接而成。反应器为有机玻璃制成，有效容积为79L。缺氧格由搅拌器(8)混合均匀，好氧格由空气压缩机(7)供给压缩空气，每个好氧格分别设有独立的DO探头(9.1)用以监测好氧格中DO浓度。好氧末格设有内回流管(5.1)，内回流管路经内回流泵(5.2)连通缺氧第一格，用于硝化液回流；好氧末格出水经溢流堰进入二沉池发生泥水分离。二沉池上清液沿池周边溢流后从排水管(4.2)排放；二沉池底部污泥分两个去向：一部分污泥通过污泥回流管道(6.1)和污泥回流泵(6.2)回流至缺氧格继续参与反应，一部分污泥作为剩余污泥通过排泥阀(6.4)排放。

系统启动后，进水及二沉池回流污泥与好氧格回流的硝化液在缺氧格混合，污水中的有机物供反硝化菌利用，将亚硝化态氮转化为N₂，实现氮的最终去除。缺氧格出水进入好氧格后，氨氮在溶解氧存在的条件下发生硝化作用转化成亚硝化态氮，泥水混合物进入二沉池发生泥水分离，含有少量亚硝化态氮的上清液作为处理后的出水排放。按上述步骤进行启动并维持短程硝化反硝化生物脱氮系统：

步骤一：培养与驯化污泥。按照生化池污泥浓度3000±500mg/L接种污泥量，从污水处理厂取剩余污泥，在DO浓度为1.8～2mg/L下曝气12-24h使其活性得到恢复，接种到系统中，用C/N(废水中COD浓度与总氮质量浓度的比值)仅为2.5～3.4的实际生活污水作为进水，开启进水泵、内回流泵、污泥回流泵、曝气管路及搅拌装置，通过调整曝气量控制好氧区的溶解氧浓度为1.8～2.0mg/L，启动装置。设定SRT为10～15天、HRT为8～10h、污泥回流比为80％～100％、硝化液回流比为100～150％，连续运行装置，当二沉池出水水质中COD≤50mg/L、NH₄ ⁺-N≤5mg/L，PO₄ ^3--P≤0.5mg/L并稳定维持15～20天后，即认为系统达到了稳定状态，进入下一步骤。

步骤二：启动短程硝化反硝化。短程硝化反硝化的启动过程分为以下两个阶段：

阶段Ⅰ调节曝气量控制好氧区DO浓度为1.2～1.5mg/L，控制污泥回流比为80～100％，硝化液回流比100～150％，调节缺氧区与好氧区的体积比为5﹕3，好氧池水力停留时间为3～4h，间隔1-2天监测进/出水水质、好氧区出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N以及NO₃ ^--N浓度，待好氧区NO₂ ^--N/NO_X ^--N的质量分数比达到50％～60％，进入阶段Ⅱ；

阶段Ⅱ调节曝气量控制好氧区DO浓度为1.0～1.2mg/L，控制污泥回流比为80～100％，硝化液回流比100～150％，调节缺氧区与好氧区的体积比为6﹕2，好氧池水力停留时间为2～3h，间隔1-2天监测进/出水水质、好氧区出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N以及NO₃ ^--N浓度，待好氧区NO₂ ^--N/NO_X ^--N的质量分数比达到80％～90％，及视为短程硝化反硝化启动成功。

步骤三：稳定维持短程硝化反硝化。短程硝化反硝化系统成功启动后，维持缺氧区与好氧区的体积比为6:2，控制好氧区的DO浓度在1.0～1.2mg/L，日常运行中，间隔1-2天监测进/出水水质、好氧区出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N以及NO₃ ^--N浓度，以及生化反应池中污泥的颜色，当出现下列短程硝化不利情况时，按照相应的说明予以调节：

①进水氨氮浓度高于50mg/L，导致二沉池出水氨氮浓度高于5mg/L。控制好氧区溶解氧浓度为1.0～1.2mg/L不变，将好氧区调整为3格，提高好氧区水力停留时间；或者控制好氧区格数不变，提高曝气量，控制好氧区DO在1.5～2mg/L；或者将好氧区调整为3格同时将好氧第一格或前两格DO提高至1.5～2mg/L；或者将好氧区调整为3格同时将所有好氧格DO提高至1.5～2mg/L，待进水氨氮恢复至45～50mg/L同时二沉池出水氨氮浓度低于5mg/L后调回。

②进水COD浓度太低，污泥负荷达不到0.2kgCOD/kgMLSS/d，导致反硝化碳源不足。通过往进水池添加外碳源使进水负荷达到0.2kgCOD/kgMLSS/d以上，并加大10～20％的排泥量的方式解决。

③当水温低于20℃，二沉池出水氨氮高于5mg/L。将好氧区DO提高至1.5～2mg/L，当二沉池出水氨氮低于5mg/L后调回。

试验阶段以北京市某高校家属区实际生活污水为处理对象(COD＝210.2～328.4mg/L，TN＝49.71～72.69mg/L)，进水中COD平均浓度为215.4mg/L，进水NH₄ ⁺-N平均浓度为52.8mg/L，进水TN平均浓度为62.5mg/L。处理水量为Q＝198L/d，维持生化池SRT＝15d，HRT＝8h，内回流比和污泥回流比分别为150％和100％。反应器接种污泥取自北京市某污水处理处理厂二沉池回流污泥，反应器内混合液悬浮固体(MLSS)浓度为(2500±500)mg/L。

图2为短程硝化反硝化实现后污染物的沿程变化情况，废水进入缺氧区后NH₄ ⁺-N由于稀释作用浓度降低，但在之后的五格缺氧区内NH₄ ⁺-H浓度基本不变，进水中的COD作为反硝化的碳源被利用。进入好氧区后废水中的NH₄ ⁺-N被氧化，废水中NO₂ ^--N浓度升高，由于系统中的亚硝酸氧化菌被淘洗掉，NO₂ ^--N不会进一步被氧化为NO₃ ^--N，

试验结果表明，系统稳定运行后，系统的出水COD平均浓度为45.37mg/L，出水氨氮平均浓度为4.57mg/L。COD去除率达到78.89％，氨氮去除率达到91.35％，好氧池的出水中亚硝酸盐的累积率为91.15％，实现了连续流短程硝化反硝化脱氮系统的启动和稳定维持。

Claims (2)

1.一种通过控制不同的缺好氧体积比启动并稳定维持短程硝化反硝化的装置，其特征在于：该装置依次由原水箱(1)、生化反应池以及二沉池(4)组成，生化反应池分为缺氧区(2)和好氧区(3)；原水箱与生化反应池之间由进水阀(1.3)和进水泵(1.5)以及进水管(1.4)连接；生化反应池等分为若干格室，每个格室之间由连通管连通，隔板设有上下交错的导水孔；缺氧区每个格室内设有搅拌器(8)，各好氧格底部均设空气管路及曝气头(7.3)，空气管路经气体流量计(7.2)、空气阀(7.1)与空气压缩机(7)相连，每个好氧格中都放置DO探头，DO探头与溶解氧仪相连；好氧区末格由硝化液回流管(5.1)经硝化液回流阀(5.2)和硝化液回流泵(5.3)与第一格缺氧区相连；好氧末格水面设有溢流堰，溢流堰管路由排水阀(4.1)经二沉池进水管连通二沉池(4)，二沉池为中进周出式，底部设有污泥管道，污泥管道分两支，其中污泥回流管(6.1)经污泥回流阀(6.3)以及污泥回流泵(6.2)与缺氧格连通，剩余污泥管连接排泥阀(6.4)，用于排放剩余污泥。

2.应用权利要求1所述装置的方法，其特征在于，分为以下三个步骤：

步骤一：培养与驯化污泥

按照生化反应池污泥浓度3000±500mg/L接种污泥量，从污水处理厂取剩余污泥，在DO浓度为1.8～2mg/L曝气12-24h使其活性得到恢复用C/N仅为2.5～3.4的实际生活污水作为进水，开启进水泵、硝化液回流泵、污泥回流泵、曝气管路及搅拌装置，通过调整曝气量控制好氧区的溶解氧浓度为1.8～2.0mg/L，启动装置；设定SRT为10～15天、HRT为8～10h、污泥回流比为80％～100％、硝化液回流比为100～150％，连续运行装置，当二沉池出水水质中COD≤50mg/L、NH₄ ⁺-N≤5mg/L，PO₄ ^3--P≤0.5mg/L并稳定维持15-20天后，即认为系统达到了稳定状态，进入下一步骤；

步骤二：启动短程硝化反硝化

短程硝化反硝化的启动过程分为以下两个阶段：

阶段Ⅰ调节曝气量控制好氧区DO浓度为1.2～1.5mg/L，控制污泥回流比为80～100％，硝化液回流比100～150％，调节缺氧区与好氧区的体积比为5﹕3，好氧池水力停留时间为3～4h，间隔1-2天监测进/出水水质、好氧区出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N以及NO₃ ^--N浓度，待好氧区NO₂ ^--N/NO_X ^--N的质量分数比达到50％～60％，进入阶段Ⅱ；

阶段Ⅱ调节曝气量控制好氧区DO浓度为1.0～1.2mg/L，控制污泥回流比为80～100％，硝化液回流比100～150％，调节缺氧区与好氧区的体积比为6﹕2，好氧池水力停留时间为2～3h，间隔1-2天监测进/出水水质、好氧区出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N以及NO₃ ^--N浓度，待好氧区NO₂ ^--N/NO_X ^--N的质量分数比达到80％～90％，视为短程硝化反硝化启动成功；

步骤三：稳定维持短程硝化反硝化

短程硝化反硝化系统成功启动后，维持缺氧区与好氧区的体积比为6:2，控制好氧区的DO浓度在1.0～1.2mg/L，日常运行中，间隔1-2天监测进/出水水质、好氧区出水的NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N以及NO₃ ^--N浓度，当出现下列短程硝化不利情况时，分别按照以下方式予以调节：

①氨氮大于50mg/L，导致二沉池出水氨氮浓度高于5mg/L；控制好氧区溶解氧浓度为1.0～1.2mg/L不变，将好氧区调整为3格，提高好氧区水力停留时间；或者控制好氧区格数不变，提高曝气量，控制好氧区DO在1.5～2mg/L；或者将好氧区调整为3格同时将好氧第一格或前两格DO提高至1.5～2mg/L；或者将好氧区调整为3格同时将所有好氧格DO提高至1.5～2mg/L，待进水氨氮恢复至45～50mg/L同时二沉池出水氨氮浓度低于5mg/L后调回；

②进水COD浓度太低，污泥负荷达不到0.2kgCOD/kgMLSS/d，导致反硝化碳源不足；通过往进水池添加外碳源使进水负荷达到0.2kgCOD/kgMLSS/d以上，并加大10-20％的排泥量的方式解决；

③当水温低于20度，二沉池出水氨氮高于5mg/L；将好氧区至少3格DO提高至1.5～2mg/L当二沉池出水氨氮低于5mg/L后调回。