CN105692902B - 一种处理城市生活污水的双颗粒污泥一体化工艺 - Google Patents

一种处理城市生活污水的双颗粒污泥一体化工艺 Download PDF

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Abstract

一种处理城市生活污水的双颗粒污泥一体化工艺。双颗粒污泥一体化厌氧氨氧化工艺属于污水处理领域。城市污水首先进入前段高负荷好氧颗粒污泥序批式反应器发生厌氧释磷、好氧吸磷反应，将磷和有机物污染物富集在微生物体内通过排泥去除；去除有机物和磷以后的污水进入后段一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器，同时发生短程硝化‑厌氧氨氧化反应，实现自养脱氮；本方法采用双颗粒污泥系统，提高了反应器污泥浓度和容积负荷，减小了反应器体积，缩短了反应时间同时避免了厌氧氨氧化菌的流失和溶解氧的抑制。在高效生物除磷的同时将污水中的有机物富集到污泥中用于厌氧产甲烷，促进了污水中能量的回收，同时通过自养脱氮降低了污水处理运行能耗。

Description

一种处理城市生活污水的双颗粒污泥一体化工艺
技术领域
本发明介绍了一种基于厌氧氨氧化和颗粒污泥技术的用于城市生活污水处理的工艺装置和运行方法，属于污水生物处理技术领域。
背景技术
研究发现，采用高负荷好氧除碳+厌氧氨氧化工艺处理城市生活污水是城市生活污水处理厂实现能量平衡的有效途径。其技术关键在于前段采用高负荷的好氧活性污泥将原水中的有机物储存于微生物体内在厌氧消化阶段用于发酵产甲烷实现能源回收；后段采用一体化厌氧氨氧化自养脱氮技术实现氮素污染物的去除。其中一体化厌氧氨氧化工艺是指在同一个反应器中，氨氧化菌将原水中的部分氨氮转化为亚硝酸盐，同时厌氧氨氧化菌以生成的亚硝酸盐为电子受体将剩余的氨氮氧化为氮气，从而达到自养脱氮的目的。与传统的硝化-反硝化工艺相比，厌氧氨氧化工艺具有节省能耗、脱氮效率高、剩余污泥产量少、温室气体排放少等优势。为了实现城市生活污水中碳和磷的高效回收利用，提高污泥脱氮效率，开发了双颗粒污泥一体化厌氧氨氧化工艺，该工艺可成功实现污染物去除过程中的碳氮分离，提高污水处理厂甲烷产量和磷的回收率，同时实现自养脱氮，降低污水处理能耗。
发明内容
本发明以城市生活污水为研究对象，开发了一种双颗粒污泥一体化厌氧氨氧化工艺。前段采用好氧颗粒污泥序批式反应器，通过聚磷菌将污水中的有机物和磷储存在微生物体内被排出系统外达到污水除磷除碳的目的。产生的剩余污泥用于厌氧消化产甲烷，消化污泥则经过固化处理可以作为有机肥料实现磷的高效回收。由于好氧颗粒污泥比重大、沉速快、污泥浓度可以维持在10g/L以上，大大提高了反应负荷，因此反应时间从3～5h缩短到1.5～2h，沉淀时间缩短80％，反应器的占地面积缩小50％以上。
前段好氧颗粒污泥序批式反应器出水中氨氮浓度未发生变化且剩余的难降解有机物不能作为反硝化碳源，此类低C/N比污水适宜采用短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮工艺。本发明后段采用一体化厌氧氨氧化颗粒污泥工艺，通过好氧曝气由氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝态氮，同时厌氧氨氧化菌则将产生的亚硝态氮和剩余的氨氮转化为氮气排出，达到污水自养脱氮的目的。由于颗粒污泥粒径大、沉速快不易随出水流失，解决了厌氧氨氧化菌生长缓慢，难于有效持留的问题。同时在好氧曝气时颗粒污泥外围的好氧细菌迅速消耗氧气，避免了颗粒内部的厌氧氨氧化菌受到抑制，解决了一体化反应器总氮去除负荷低、系统难于稳定的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
双颗粒污泥一体化厌氧氨氧化自养脱氮工艺的装置包括两级序批式反应器装置如图1所示：
设置有好氧颗粒污泥序批式反应器1。进水采用污水处理厂初沉池出水，其主要污染物质为有机物和氨氮。该反应器设置有进水水箱1-1用于储存和调节进水水量和水质，进水水箱1-1通过管道与进水泵1-2和好氧颗粒污泥序批式反应器1相连通，通过进水泵1-1将原水输送进反应器壳体1-6内。好氧颗粒污泥序批式反应器1内部设置有曝气头1-5和搅拌设备1-8，曝气头1-5通过管路与曝气泵1-3和流量计1-4相连接。反应器出口通过第一排水电磁阀1-9控制出水，在反应器底部设置有排泥管1-7和放空管。由于序批式反应器分为不同的时序进行反应，设置时控开关组1-10用于从时间顺序上分别控制反应器的进水、曝气、搅拌、排水等工序。该好氧颗粒污泥序批式反应器1通过厌/好氧反应去除进水中的COD和TP。
双颗粒污泥一体化厌氧氨氧化自养脱氮工艺设置有一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2。进水采用好氧颗粒污泥序批式反应器1的出水，其主要污染物为氨氮。通过进水泵2-2将污水从中间水箱2-1泵入反应器壳体2-6内。一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2内部设置有曝气头2-5和搅拌设备2-11，曝气头2-5通过管路与曝气泵2-3和流量计2-4相连接。反应器出水口2-7通过电磁阀2-8控制出水。设置时控开关组2-10分别控制进水泵2-2、曝气泵2-3、搅拌机2-11和第二排水电磁阀2-8。一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2设置pH、DO、温度在线监测设备2-12和NH4 +-N、NO3 --N在线监测设备。一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2通过曝气发生短程硝化-厌氧氨氧化反应去除原水中的NH4 +-N，实现自养脱氮。
双颗粒污泥一体化工艺的启动和具体控制条件如下：
(1)好氧颗粒污泥序批式反应器1的启动：好氧颗粒污泥序批式反应器1接种城市生活污水处理厂新鲜回流污泥，接种后反应器内污泥浓度4～5g/L，进水采用污水处理厂初沉池出水。接种后好氧颗粒污泥序批式反应器1运行方式为：进水10min，搅拌30min，曝气150min，沉淀20min，排水10min，闲置20min每天运行6个周期。反应器运行7～10天之后改变运行方式为：进水10min、搅拌30min，每天曝气和沉淀时间比前一天分别缩短5min和1.5min，最后排水2min，每天运行6个周期，闲置时间相应延长。从改变运行方式起，12～15天后好氧颗粒污泥序批式反应器1形成颗粒污泥，好氧颗粒污泥序批式反应器1启动成功。由于污泥随出水流失，启动过程中不需排泥。
(2)好氧颗粒污泥序批式反应器1的稳定运行：其运行方式为：反应周期144min，其中进水10min、搅拌30min、曝气90min、沉淀2min、排水2min、闲置10min，排水比3/4，每天运行10个周期。控制溶解氧在6～8mg/L。好氧颗粒污泥序批式反应器1的污泥浓度达到8g/L以上时开始排泥，污泥龄控制为3～4d，污泥浓度控制在8～10g/L。
(3)一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2运行方式：接种一体化厌氧氨氧化颗粒污泥，进水采用好氧颗粒污泥序批式反应器1的出水。一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2的溶解氧控制在0.1～0.3mg/L，污泥浓度3～4g/L，水力停留时间10h，污泥龄控制在60d以上。一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2每个周期运行8h，其中进水10min、搅拌30min；曝气270min，然后采用间歇曝气，其中间歇曝气方式为：搅拌15min接着曝气9min为一次循环，循环共重复5次；最后沉淀2min，排水5min，闲置43min。排水比3/4，每天运行3个周期。
(4)一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2的调控：反应过程中在线监测一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2的pH、DO、温度，当进水温度低于15℃时，需要采用加热设备控制反应器温度在20℃～25℃之间，进水pH低于7以下或反应末出水pH低于6.5时，需要通过投加NaHCO3保证反应器内pH维持在7～8之间。
(5)在线监测一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2的进出水NH4 +-N浓度(质量浓度，下同)变化。当进水NH4 +-N浓度发生波动时其控制策略应该进行调整：进水NH4 +-N浓度低于30mg/L时，需要降低曝气量将溶解氧控制在0.2mg/L以下；当进水NH4 +-N浓度高于60mg/L时一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2控制策略调整为：进水10min、搅拌30min、曝气390min，最后沉淀2min，排水5min，闲置43min。
(6)一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2破坏恢复策略：在线监测一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2的出水NO3 --N浓度变化，当每周期出水NO3 --N浓度相对进出水NH4 +-N浓度差的比例高于0.25时，一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2破坏，需要通过降低曝气量控制溶解氧在0.2mg/L以下，同时从破坏周期起每三个周期向一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2内投加NaNO2作为恢复策略，其投加量为混合后反应器内NO2 --N浓度为20～25mg/L，通过体积比20％的稀盐酸调节一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2内的pH＝6.5～7.0，搅拌360min之后沉淀排水，最后加入自来水淘洗污泥2次，用于抑制硝化细菌的增长。恢复策略进行3～5次之后，当每周期出水NO3 --N浓度相对进出水NH4 +-N浓度差的比例低于0.11以下时一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器运行方式恢复为：进水10min、搅拌30min；曝气270min然后间歇曝气，其中间歇曝气方式为：搅拌15min接着曝气9min为一次循环，共循环5次；最后沉淀2min，排水5min，闲置43min。
本发明与现有城市生活污水一体化厌氧氨氧化工艺相比具有如下优势：
(1)采用双颗粒污泥，系统容积负荷高、沉降性能好，缩短反应时间，减小反应器占地面积；
(2)前段有机物主要用于除磷，将碳氮分离，原水中的碳源储存于好氧颗粒污泥中用于发酵产甲烷，提高城市污水的能量回收率，减少温室气体排放；
(3)后段采用纯颗粒污泥一体化厌氧氨氧化工艺，颗粒污泥沉降性能好，有效避免了厌氧氨氧化菌随出水流失，同时避免厌氧氨氧化菌受到溶解氧抑制，提高了系统运行的稳定性。
附图说明
图1为本发明双颗粒污泥一体化工艺的装置及自动控制示意图，图中：
1好氧颗粒污泥序批式反应器；2一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器；
1-1进水水箱；1-2进水泵；1-3曝气泵；1-4流量计；1-5曝气盘；1-6好氧颗粒污泥反应器壳体；1-7排泥管；1-8搅拌机；1-9第一排水电磁阀；1-10时控开关组；2-1中间水箱；2-2进水泵；2-3曝气泵；2-4流量计；2-5曝气盘；2-6一体化厌氧氨氧化颗粒污泥反应器壳体；2-7排水口；2-8第二排水电磁阀；2-10时控开关组；2-11搅拌机；2-12pH、DO仪；2-13NH4 +-N/NO3 --N在线监测
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，本发明双颗粒污泥一体化厌氧氨氧化工艺装置，反应器前段由进水水箱1-1、进水泵1-2和好氧颗粒污泥序批式反应器1以及搅拌、曝气、排水设备组成；反应器后段由中间水箱2-1、进水泵2-2和一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2组成。进水水箱1-1体积为75L，好氧颗粒污泥序批式反应器1的有效容积为10L。中间水箱2-1体积为20L，一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2的有效容积10L。采用两个独立的曝气泵进行曝气，气体流量通过转子流量计控制。
实例用水为北京高碑店污水处理厂初沉池出水，具体水质如下：COD浓度为200～380mg/L；NH4 +-N浓度为：25～50mg/L；NO2 --N浓度≤0.5mg/L；NO3 --N浓度≤1.0mg/L；TP浓度为：5～8mg/L。
(1)好氧颗粒污泥序批式反应器的启动和稳定运行：接种污泥取自高碑店污水处理厂回流污泥，接种后反应器污泥浓度3740mg/L，反应器运行方式为：进水10min，搅拌30min，曝气150min，沉淀20min，排水10min，闲置20min每天运行6个周期，每天排泥1.5L，污泥龄控制为3.5d，排水比3/4。反应进行7d后，出水中NO2 --N和NO3 --N浓度均低于1mg/L，NH4 +-N浓度基本不发生变化；出水COD浓度稳定维持在60mg/L以下；TP浓度低于0.5mg/L。表明污泥驯化完成，进入污泥颗粒化阶段。从第8d开始，每天曝气和沉淀时间比前一天分别缩短5min和1.5min，排水时间缩短为2min，进水、搅拌时间不发生变化，闲置时间相应延长，在此过程中不进行排泥。增大曝气量控制溶解氧为6～8mg/L。改变运行方式后第13d，反应器中颗粒污泥形成，粒径约为100～350μm，污泥浓度为700mg/L。表明好氧颗粒污泥序批式反应器启动成功，反应器开始控制稳定的运行方式即：反应周期144min，其中进水10min、搅拌30min、曝气90min、沉淀2min、排水2min、闲置10min，排水比3/4，每天运行10个周期。控制溶解氧在6～8mg/L。好氧颗粒污泥序批式反应器1稳定运行17d后污泥浓度达到8g/L，平均粒径1.74mm，反应器开始排泥，污泥龄控制为4d。
(2)一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2的启动和稳定运行：反应器进水采用好氧颗粒污泥序批式反应器1的出水，进水NH4 +-N浓度28～52mg/L，NO2 --N、NO3 --N浓度≤1mg/L，COD浓度30～60mg/L，TP浓度≤0.5mg/L。一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2接种处理高氨氮废水的中试一体化厌氧氨氧化颗粒污泥，接种后反应器污泥浓度为4100mg/L。反应器运行方式为：每个周期运行8h，其中进水10min、搅拌30min；曝气270min，然后采用间歇曝气，其中间歇曝气方式为：搅拌15min接着曝气9min为一次循环，共重复5次；最后沉淀2min，排水5min，闲置43min。排水比3/4，每天运行3个周期。反应器溶解氧一直维持在0.3mg/L以下。结果表明：一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2出水COD浓度为20-50mg/L，浓度为3.5～10.0mg/L，浓度为0.1～2.0mg/L,浓度1.2～8.0mg/L。
(3)一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2的恢复：反应器运行3个月以后出水升高到6～8mg/L，相对进出水氨氮浓度差的比例大于25％。运行中采取了游离亚硝酸抑制的恢复策略来抑制硝化细菌的增长，方法如下：每3个周期向反应器投加NaNO2，其投加量为混合后反应器内NO2 --N浓度为23～25mg/L，通过体积比20％的稀盐酸调节一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2内的pH＝6.5～7.0，搅拌360min之后沉淀排水，最后加入自来水淘洗污泥2次。恢复策略实施4次之后出水硝氮与进出水氨氮浓度差的比值降低到8％，表明恢复策略有效抑制了硝化细菌的增长。之后，一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器2恢复常规运行方式，出水稳定。

Claims (1)

1.双颗粒污泥一体化厌氧氨氧化自养脱氮工艺，应用如下装置，具体如下：
设置有好氧颗粒污泥序批式反应器(1)；该反应器设置有进水水箱(1-1)、进水泵(1-2)、反应器壳体(1-6)通过管道相连接；并设置有排泥管(1-7)、搅拌机(1-8)、第一排水电磁阀(1-9)以及时控开关组(1-10)；时控开关组(1-10)分别控制搅拌机(1-8)、进水泵(1-2)、曝气泵(1-3)、第一排水电磁阀(1-9)；好氧颗粒污泥反应器(1)的曝气设备由与曝气泵(1-3)相连接的转子流量计(1-4)和曝气砂头(1-5)组成；原水由进水水箱(1-1)通过进水泵(1-2)进入好氧颗粒污泥序批式反应器(1)，反应90min，用于污水除碳除磷；
设置有一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)；该反应器设置有中间水箱(2-1)以及与中间水箱(2-1)相连接的进水泵(2-2)、反应器壳体(2-6)；曝气泵(2-3)与转子流量计(2-4)、曝气砂头(2-5)相连接；在距反应器底部容积1/4处设置有排水口(2-7)和第二排水电磁阀(2-8)；时控开关组(2-10)设置有4个时控开关，分别控制进水泵(2-2)、曝气泵(2-3)、第二排水电磁阀(2-8)和搅拌机(2-11)、；设置有pH、DO、温度在线监测设备(2-12)以及NH4 +-N、NO3 --N在线监测设备(2-13)；好氧颗粒污泥序批式反应器(1)的出水进入中间水箱(2-1)，由进水泵(2-2)泵入一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)，通过短程硝化-厌氧氨氧化工艺自养脱氮；
其特征在于：
好氧颗粒污泥序批式反应器(1)的启动：好氧颗粒污泥序批式反应器(1)接种城市生活污水处理厂新鲜回流污泥，接种后反应器内污泥浓度4～5g/L，进水采用污水处理厂初沉池出水；接种后好氧颗粒污泥序批式反应器(1)运行方式为：进水10min，搅拌30min，曝气150min，沉淀20min，排水10min，闲置20min每天运行6个周期；反应器运行7～10天之后改变运行方式为：进水10min、搅拌30min，每天曝气和沉淀时间比前一天分别缩短5min和1.5min，排水2min，每天运行6个周期，闲置时间相应延长；改变运行方式12～15天后好氧颗粒污泥序批式反应器(1)形成颗粒污泥，好氧颗粒污泥序批式反应器(1)启动成功；
好氧颗粒污泥序批式反应器(1)的稳定运行：其运行方式为：反应周期144min，其中进水10min、搅拌30min、曝气90min、沉淀2min、排水2min、闲置10min，排水比3/4，每天运行10个周期；控制溶解氧在6～8mg/L；好氧颗粒污泥序批式反应器(1)的污泥浓度达到8g/L以上时开始排泥，污泥龄控制为3～4d，污泥浓度控制在8～10g/L；
一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)运行方式：接种一体化厌氧氨氧化颗粒污泥，进水采用好氧颗粒污泥序批式反应器(1)的出水；一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)的溶解氧控制在0.1～0.3mg/L，污泥浓度3～4g/L，水力停留时间10h，污泥龄控制在60d以上；一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)每个周期运行8h，其中进水10min、搅拌30min；曝气270min，然后采用间歇曝气，其中间歇曝气方式为：搅拌15min接着曝气9min为一次循环，循环共重复5次；最后沉淀2min，排水5min，闲置43min；排水比3/4，每天运行3个周期；
一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)的调控：反应过程中在线监测一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)的pH、DO、温度，当进水温度低于15℃时，需要采用加热设备控制反应器温度在20℃～25℃之间，进水pH低于7以下或反应末出水pH低于6.5时，需要通过投加NaHCO3保证反应器内pH维持在7～8之间；
在线监测一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)的进出水NH4 +-N质量浓度变化；当进水NH4 +-N质量浓度发生波动时其控制策略应该进行调整：进水NH4 +-N质量浓度低于30mg/L时，需要降低曝气量将溶解氧控制在0.2mg/L以下；当进水NH4 +-N质量浓度高于60mg/L时一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)控制策略调整为：进水10min、搅拌30min、曝气390min，最后沉淀2min，排水5min，闲置43min；
一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)破坏恢复策略：在线监测一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)的出水NO3 --N质量浓度变化，当每周期出水NO3 --N质量浓度相对进出水NH4 +-N质量浓度差的比例高于0.25时，一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)破坏，需要通过降低曝气量控制溶解氧在0.2mg/L以下，同时从破坏周期起每三个周期向一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)内投加NaNO2作为恢复策略，其投加量为混合后一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)内的NO2 --N质量浓度为20～25mg/L，通过体积比20％的稀盐酸调节一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)内的pH＝6.5～7.0，搅拌360min之后沉淀排水，最后加入自来水淘洗污泥2次，用于抑制硝化细菌的增长；当每周期出水NO3 --N质量浓度相对进出水NH4 +-N质量浓度差的比例低于0.11以下时一体化厌氧氨氧化颗粒污泥序批式反应器(2)的运行方式恢复为：进水10min、搅拌30min；曝气270min然后采用间歇曝气，间歇曝气方式为：搅拌15min接着曝气9min为一次循环，循环共重复5次；最后沉淀2min，排水5min，闲置43min。
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