CN105645687A - 综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应装置及工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应装置及其工艺，市政污水流经初级沉淀池后流入调节池，在调节池中进行调解后泵入好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器，有机生活垃圾和初级沉淀池得到的初沉污泥在厌氧发酵罐中进行厌氧发酵，为好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器中PHAs的合成和脱氮除磷提供VFA和碳源，间歇式反应器后进行连续曝气和搅动，富集后的活性污泥进行提取纯化。本发明使用由厌氧发酵罐内初沉污泥和有机生活垃圾的发酵液为活性污泥合成PHAs提供VFAs、碳源供活性污泥生长和脱氮除磷，该方法在SBR中选择并增殖具有PHAs贮存能力的微生物种群，采用亚消化/反亚消化作用脱氮，又能极大地降低外加碳源的成本，实现了污水高效脱氮除磷的同时活性污泥和有机生活垃圾的资源化。

Description

综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应装置及工艺
技术领域
本发明涉及生物合成降解领域，具体涉及一种PHAs合成及污水脱氮除磷的处理装置及方法。
背景技术
聚羟基烷酸酯(PHAs)是许多微生物在营养不均衡条件下，细胞内合成的一类高分子生物胞内聚酯，主要作为碳源和能源的贮藏性物质而存在以应对“食物”匮乏时期，在自然条件下可被完全降解成CO2和水。PHAs作为一种微生物合成塑料，不仅具有传统化学合成塑料的特性和生物可降解性外，还具有生物相容性、光学活性、压电性、气体相隔性等许多合成材料所不具备的优秀性能。在废弃塑料对生态环境的危害日益凸显的今天，PHAs作为环境友好型材料而被人们广泛关注。
由于通过纯培养获得PHAs成本很高，利用活性污泥合成PHAs逐渐被关注。好氧的富营养和贫营养交替过程是活性污泥微生物合成PHAs最适宜的方案，有机废物发酵转化为挥发性脂肪酸(VFAs)和乳酸混合物，富营养阶段VFAs和P被PHAs合成菌很快摄取用于在细胞内合成并积累PHAs以应对贫营养阶段。利用活性污泥合成PHAs既能解决活性污泥资源化，又能降低PHAs合成成本。然而，现阶段利用活性污泥合成PHAs没有很好的与污水营养物质去除过程匹配，导致PHAs产率和污水处理能力不能兼得。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用活性污泥合成PHAs的同时对污水进行处理的综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应装置及工艺。
技术方案：本发明提供了一种综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应装置，包括初级沉淀池、进水口连接初级沉淀池出水口的调节池、进水口连接调节池出水口的好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器，所述初级沉淀池的沉淀出口连接厌氧发酵罐的污泥进口，所述厌氧发酵罐的发酵液流出口分别连接好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器的污泥厌氧发酵液流入口和间歇式反应器的污泥厌氧发酵液流入口，所述间歇反应器设有排泥口。
进一步，所述好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器和间歇式反应器的底部安装有曝气设备，为好氧反应阶段提供适宜的含氧浓度。
更进一步，所述好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器和间歇式反应器的内部设有DO、pH、ORP监测设备，用以监测反应是否正常进行，保证污水的理化性质维持在正常范围内，防止微生物的活性受到影响，从而影响出水水质，可根据反应器内DO值自动调节曝气风机开关，以满足反应器所需DO。
为了首先去除污水中较大的悬浮或漂浮物，所述初级沉淀池之前连接有格栅。
进一步，所述间歇式反应器的出水口连接至所述好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器的进水口，间歇式反应器的污水排出后直接进入好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器进行循环。
一种综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应处理工艺，包括以下步骤：
(1)市政污水流经初级沉淀池后流入调节池，在调节池中对pH和水量进行调解后泵入好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器，以满足好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器中活性污泥的活性和正常反应水量；
(2)有机生活垃圾和初级沉淀池得到的初沉污泥在厌氧发酵罐中进行厌氧发酵，为好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器中PHAs的合成和脱氮除磷提供VFA和碳源；
(3)初级沉淀池产生的污水和厌氧发酵罐中产生的污泥厌氧发酵液进入好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器中进行脱氮除磷和PHAs合成；
(4)好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器中的活性污泥和厌氧发酵罐中的污泥厌氧发酵液进入间歇式反应器后进行连续曝气和搅动，保持2mg/L的DO值，富集后的活性污泥冷冻干燥，按40mL/g污泥的配比用氯仿萃取，抽提液冷却后按60倍冷甲醇做沉淀剂析出PHAs，过滤收集。
进一步，步骤(2)有机生活垃圾事先破碎，每升初沉污泥掺入0.8kg有机生活垃圾并用好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器中污水稀释至总固体量为7％，所述厌氧发酵罐内发酵液维持在35±1.5度、pH～5.0，发酵罐有机负荷为20kgTVS/m﹒d，水力停留时间为7天，初沉污泥和有机生活垃圾发酵液COD:N:P＝200:11:3，为好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器活性污泥微生物高效合成PHAs和脱氮除磷提供适宜的营养物质。
步骤(2)厌氧发酵一般分为三个阶段：水解阶段、酸化阶段和产氢产甲烷阶段，由于在本流程中厌氧发酵主要是为好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器提供VFA和碳源，而在酸化阶段VFA浓度最高，所以此流程厌氧发酵主要进行前两阶段。
步骤(3)好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器一个周期由进水、反应、沉淀、出水和闲置5个基本工序组成，本流程将反应阶段划分为好氧、厌氧两个阶段：污泥厌氧发酵液在好氧阶段前泵入反应器提供生成PHAs所需的VFA和脱氮除磷所需的碳源，好氧富营养条件下微生物合成PHAs并将NH4 +转化为NO2 -并大量吸收P形成胞内多聚磷酸盐，厌氧贫营养条件下多聚磷酸盐用于微生物合成PHAs并将NO2 -转化为N2，好氧阶段时间为150min、DO值维持在2～3mg/L，厌氧阶段时间为50min，pH、DO和ORP监测设备用于监控SBR运行效果，DO值超出预定范围自动打开/关闭曝气风机，反应器中固体停留时间24天，厌氧反应结束时将活性污泥由污泥泵泵入间歇式反应器，反应结束后污水消毒后排放，出水氮去除率90％，剩余氮、磷含量满足出水要求。
有益效果：本发明使用由厌氧发酵罐内初沉污泥和有机生活垃圾的发酵液为好氧-厌氧序批式活性污泥法(SBR)反应器中活性污泥合成PHAs提供VFAs、非VFAs-COD作为碳源供活性污泥生长和脱氮除磷，SBR运行阶段被分为好氧-厌氧两个运行阶段，好氧阶段充足的营养物质含量促进微生物的亚消化作用，好氧富营养条件下微生物合成PHAs并将NH4 +转化为NO2 -并大量吸收P形成胞内多聚磷酸盐，厌氧贫营养条件下多聚磷酸盐用于微生物合成PHAs并将NO2 -转化为N2，该方法在SBR中选择并增殖具有PHAs贮存能力的微生物种群，采用亚消化/反亚消化作用脱氮，又能极大地降低外加碳源的成本，实现了污水高效脱氮除磷的同时活性污泥和有机生活垃圾的资源化。
附图说明
图1为本发明反应装置的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应装置，如图1所示，包括格栅7、初级沉淀池1、调节池6、好氧-厌氧序批式活性污泥法(SBR)反应器3、消毒池8、厌氧发酵罐2、间歇式反应器4。厌氧发酵罐2上部设有污泥进口，并设有发酵液流出口，SBR反应器3上部设有进水口、出水口和污泥厌氧发酵液流入口，下部设有排泥口，间歇反应器4上部设有进水口、出水口和污泥厌氧发酵液流入口，间歇反应器下部设有排泥口。
市政污水通过进水泵11经过格栅7进入初级沉淀池1的进水口，初级沉淀池1的出水口连接调节池6的进水口，调节池6的出水口连接SBR反应器3的进水口，SBR反应器3的出水口连接消毒池8，污水经消毒排放。其中，污水流经格栅7去除污水中较大的悬浮或漂浮物，经初级沉淀池1沉淀进一步除去污水中的可沉物和漂浮物，流入调节池6，在调节池6中对pH～7和水量进行调解后由污泥泵14泵入SBR反应器3，保证调节池6会排入SBR反应器正常反应体积的水量。调节池6和SBR反应器3之间设有提升泵14和阀门、SBR反应器3之和间歇反应器4之间设有提升泵13和阀门。初级沉淀池1的沉淀出口连接厌氧发酵罐2的污泥进口，初沉污泥经过初沉池1后和有机生活垃圾一起进入厌氧污泥发酵罐2后排出，初级沉淀池1和厌氧污泥发酵罐2之间设有污泥泵12，厌氧发酵罐2的发酵液流出口连接SBR反应器3的污泥厌氧发酵液流入口并设有污水泵15，且厌氧发酵罐2的发酵液流出口还连接间歇式反应器4的污泥厌氧发酵液流入口，活性污泥依次经过SBR反应器3、间歇反应器4后进行PHAs收集、排放。间歇式反应器4的出水口污水排出后直接连接SBR反应器3的进水口进行循环。
初级沉淀池1中的初沉污泥带走污水中10％～20％的氮，初沉污泥和有机生活垃圾进入厌氧发酵罐2中进行厌氧发酵。有机生活垃圾事先破碎，每升初沉污泥掺入0.8kg有机生活垃圾并有SBR反应器3中污水稀释至总固体量为7％，厌氧发酵罐2内发酵液维持在35±1.5度、pH～5.0，发酵罐2有机负荷为20kgTVS/m﹒d，水力停留时间为7天，初沉污泥和有机生活垃圾发酵液COD:N:P＝200:11:3。厌氧发酵罐2内的发酵液连接泵入SBR反应器3和间歇式反应器4，两个曝气风机9、10分别连通SBR反应器3和间歇式反应器4的底部。
初级沉淀池1中的污水流经调节池6以及厌氧发酵罐2中的发酵液进入SBR反应器3中进行脱氮除磷和PHAs合成。SBR反应器3的一个反应周期由进水、反应(好氧、厌氧)、沉淀、出水和闲置五个基本工序组成。首先，污泥厌氧发酵液在好氧阶段前泵入SBR反应器3提供生成PHAs所需的VFAs和脱氮除磷所需的碳源。好氧富营养条件下微生物合成PHAs并将NH4 +转化为NO2 -并大量吸收P形成胞内多聚磷酸盐，厌氧贫营养条件下多聚磷酸盐用于微生物合成PHAs并将NO2 -转化为N2。具体的，好氧阶段时间为150min、DO值维持在2～3mg/L，厌氧阶段时间为50min。pH、DO和氧化还原电位ORP监测设备用于监控SBR反应器3运行效果，DO值超出预定范围自动打开/关闭曝气风机9，反应器中固体停留时间(SRT)24天。厌氧反应结束时将活性污泥由污泥泵13泵入间歇式反应器4。反应结束后污水经消毒池8排放，出水氮去除率90％，剩余氮含量满足出水要求。
活性污泥进入间歇式反应器4后进行连续曝气和搅动，保持2mg/L的DO值，pH、DO和氧化还原电位监测设备17用于监控间歇式反应器4的运行效果，DO值超出预定范围自动打开/关闭曝气风机10。污泥厌氧发酵液泵入间歇式反应器4提供VFAs和碳源，富集后的活性污泥冷冻干燥，按40mL/g污泥的配比用氯仿萃取，抽提液冷却后按60倍冷甲醇做沉淀剂析出PHAs，过滤收集。

Claims (8)

1.一种综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应装置，其特征在于：包括初级沉淀池、进水口连接初级沉淀池出水口的调节池、进水口连接调节池出水口的好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器，所述初级沉淀池的沉淀出口连接厌氧发酵罐的污泥进口，所述厌氧发酵罐的发酵液流出口分别连接好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器的污泥厌氧发酵液流入口和间歇式反应器的污泥厌氧发酵液流入口，所述间歇反应器设有排泥口。
2.根据权利要求1所述的综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应装置，其特征在于：所述好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器和间歇式反应器的底部安装有曝气设备。
3.根据权利要求1或2所述的综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应装置，其特征在于：所述好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器和间歇式反应器的内部设有DO、pH、ORP监测设备。
4.根据权利要求1所述的综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应装置，其特征在于：所述间歇式反应器的出水口连接至所述好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器的进水口。
5.一种综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应处理工艺，其特征在于：包括以下步骤：
（1）市政污水流经初级沉淀池后流入调节池，在调节池中对pH和水量进行调解后泵入好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器；
（2）有机生活垃圾和初级沉淀池得到的初沉污泥在厌氧发酵罐中进行厌氧发酵，为好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器中PHAs的合成和脱氮除磷提供VFA和碳源；
（3）初级沉淀池产生的污水和厌氧发酵罐中的污泥厌氧发酵液进入好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器中进行脱氮除磷和PHAs合成；
（4）好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器中的活性污泥和厌氧发酵罐中的污泥厌氧发酵液进入间歇式反应器后进行连续曝气和搅动，保持2mg/L的DO值，富集后的活性污泥冷冻干燥，按40mL/g污泥的配比用氯仿萃取，抽提液冷却后按60倍冷甲醇做沉淀剂析出PHAs，过滤收集。
6.根据权利要求5所述的综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应处理工艺，其特征在于：步骤（2）有机生活垃圾事先破碎，每升初沉污泥掺入0.8kg有机生活垃圾并用好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器中污水稀释至总固体量为7%，所述厌氧发酵罐内发酵液维持在35±1.5度、pH~5.0，发酵罐有机负荷为20kgTVS/m﹒d，水力停留时间为7天，初沉污泥和有机生活垃圾发酵液COD:N:P=200:11:3。
7.根据权利要求5所述的综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应处理工艺，其特征在于：步骤（2）厌氧消化包括为好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器提供VFA和碳源的水解阶段和酸化阶段，在酸化阶段VFA浓度最高。
8.根据权利要求5所述的综合PHAs合成和脱氮除磷的污水生物反应处理工艺，其特征在于：步骤（3）好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器一个周期由进水、反应、沉淀、出水和闲置5个基本工序组成，本流程将反应阶段划分为好氧、厌氧两个阶段：污泥厌氧发酵液在好氧阶段前泵入反应器提供生成PHAs所需的VFA和脱氮除磷所需的碳源，好氧富营养条件下微生物合成PHAs并将NH4 +转化为NO2 -并大量吸收P形成胞内多聚磷酸盐，厌氧贫营养条件下多聚磷酸盐用于微生物合成PHAs并将NO2 -转化为N2，好氧阶段时间为150min、DO值维持在2~3mg/L，厌氧阶段时间为50min，pH、DO和ORP监测设备用于监控好氧-厌氧序批式活性污泥法反应器运行效果，DO值超出预定范围自动打开/关闭曝气风机，反应器中固体停留时间24天，厌氧反应结束时将活性污泥由污泥泵泵入间歇式反应器，反应结束后污水消毒后排放。
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