CN105753157B - 剩余污泥厌氧发酵混合物通过两级sbr强化城市生活污水深度脱氮除磷的装置和方法 - Google Patents

Abstract

剩余污泥厌氧发酵混合物通过两级SBR强化城市生活污水深度脱氮除磷的装置和方法，属于污水生化处理领域。装置包括剩余污泥发酵罐，污泥储存罐，原水水箱，中间水箱，两个序批式反应器，空压机，蠕动泵。方法是将生活污水和剩余污泥发酵混合物首先进入第一序批式反应器中进行厌氧释磷，短程硝化，缺氧反硝化吸磷的作用；第一序批式反应器排水进入中间水箱中，而后进入第二序批式反应器中继续将出水中未硝化的以及水解酸化菌发酵产生的NH₄ ⁺‑N、NO₂ ^‑‑N进一步硝化，同时聚磷菌充分吸磷，最终达到生活污水深度脱氮除磷。本发明适用于低C/N、C/P城市生活污水的强化脱氮除磷，节省碳源，提高脱氮除磷效率，同时实现污泥减量化处理。

Description

剩余污泥厌氧发酵混合物通过两级SBR强化城市生活污水深 度脱氮除磷的装置和方法

技术领域

本发明涉及了使用剩余污泥厌氧发酵混合物强化城市生活污水深度脱氮除磷的优化控制技术，属于城市污水处理以及污泥生化处理领域。本工艺适用于低C/N、C/P城市生活污水的强化脱氮除磷。

背景技术

随着人口的持续增长和人们生活水平的不断提高，生活污水人均排放量持续增加，加之洗涤剂的普遍使用，城市污水中氮磷含量较高，排入水体后使受纳水体中氮、磷含量增加，进而会导致水体富营养化，破坏水体环境，影响供水水质。解决氮磷污染问题对解决我国水环境污染问题具有重大意义。我国现行的城镇污水处理厂排放标准是执行2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)，其中要求所有排污单位出水水质为COD小于50mg/L，氨氮小于5mg/L，总氮小于15mg/L，总磷小于0.5mg/L(一级A标准)。十三五规划对水质提出了更高的要求，氮磷的去除要求更加严苛。

从生物脱氮除磷的机理来说，生物脱氮过程中，异养反硝化菌需要有机物作为电子供体还原硝态氮和亚硝态氮；生物除磷过程中，聚磷菌在厌氧段吸收短链脂肪酸VFA合成PHA储存在细胞内，在好氧段分解作为过量吸磷所需能量。所以有机碳源对于生物脱氮除磷来说非常重要。然而，目前城市生活污水处理厂普遍存在进水C\N、C\P低，碳源不足的问题，使得出水难以达标。通过投加甲醇，乙酸钠等外碳源虽然可以达到良好的出水效果，但是成本太高，而且还会增加剩余污泥产量。

从污水处理技术来说，活性污泥法是目前应用最广泛的污水生物处理技术，具有运行管理方便、出水水质良好等优点。但是活性污泥法处理生活污水，必然会产生大量的剩余污泥。多数污水处理厂对大量污泥的安全处理、处置束手无策，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。

污泥是污水处理厂的副产物，污水里面将近1/3的有机物转化成污泥。所以为了解决污水中碳源不足以及剩余污泥处理成本太高的问题，可以通过开发剩余污泥厌氧发酵产生碳源来强化污水处理厂生物脱氮除磷。在污泥厌氧发酵过程中，污泥中大分子有机颗粒转化成以挥发性脂肪酸为主的末端产物，这部分易降解的有机物可以作为生物脱氮除磷过程中的优质碳源，来提高污水脱氮除磷效果，同时实现污泥的减量化处理。但产甲烷菌的活动会消耗水解酸化阶段产生的VFA等，不利于碳源的积累，所以应该尽量避免达到产甲烷阶段。将污泥发酵控制在产甲烷阶段发生之前比较简单有效的方式就进行碱性发酵，在此条件下会产生大量的短链脂肪酸。开发剩余污泥内碳源可以将发酵液和污泥分离选择利用发酵液，也可以直接利用其污泥发酵混合物。考虑到运行成本等实际问题，只利用污泥发酵上清液成本太高。

通过两级SBR利用剩余污泥碱性发酵混合物强化低碳氮比、低碳磷比污水短程硝化以及反硝化除磷的方法，具有以下优点：

1、利用污水厂自身排放的污泥作为碳源，不仅节省了外加碳源的费用，同时提高了脱氮除磷的效率；

2、利用污泥发酵混合物省略了污泥和发酵液分离的过程，节约成本；

3、采用两级SBR，第一序批式反应器中NOB得到抑制，提高了亚硝积累率，使好氧段磷剩余(因为亚硝态氮抑制好氧吸磷)，利于缺氧段反硝化吸磷现象的发生，节省碳源，其次第二序批式反应器进一步降低出水的COD，提高出水水质；

4、污泥可以在两级SBR中进一步实现减量化。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明对利用剩余污泥发酵混合物实现城市生活污水脱氮除磷的工艺进行改造，将剩余污泥混合物泵入处理低C/N、C/P生活污水的第一序批式反应器中，聚磷菌利用污泥发酵混合物和生活污水中的丰富碳源进行大量释磷，接下来通过短程硝化作用、聚磷菌吸磷以及反硝化吸磷的作用，去除生活污水中的大部分有机物质；再将第一序批式反应器出水泵入第二序批式反应器进行曝气处理，继续将上一阶段未硝化的以及水解酸化菌产生的氨氮、亚硝态氮进一步硝化，同时聚磷菌充分吸磷，以达到深度脱氮除磷的目的。

本发明通过以下技术方案来实现：

剩余污泥厌氧发酵混合物通过两级SBR实现低C/N、C/P城市生活污水深度脱氮除磷的方法，应用如下装置，该装置包括剩余污泥通过第一泵蠕动泵(1)泵入剩余污泥发酵罐(2)，剩余污泥发酵罐(2)内安装第一搅拌器(3)、温度控制装置(4)、第一pH控制器(5)；剩余污泥发酵罐(2)与发酵混合物储存罐(9)连接，发酵混合物储存罐(9)通过第二蠕动泵(11)与第一序批式反应器(13)连接；污水水箱(8)通过第三蠕动泵(10)与第一序批式反应器(13)连接。第一序批式反应器(13)中安装第二搅拌器(15)、第一溶解氧控制器(12)和第二pH控制器(14)；第一序批式反应器(13)中的曝气头与第一空压机(16)连接，第一序批式反应器(13)与中间水箱(17)连接；中间水箱(17)通过第四蠕动泵(18)与第二序批式反应器(20)连接。第二序批式反应器(20)中安装第三搅拌器(23)、第二溶解氧控制器(19)和第三pH控制器(22)；第二序批式反应器(20)中的曝气头与第二空压机(21)连接，第二序批式反应器(20)与污泥储存罐(24)连接。另外，设置与计算机(7)相连的过程控制器(6)，用以控制第一蠕动泵(1)、第二蠕动泵(11)、第三蠕动泵(10)、第四蠕动泵(18)、第一搅拌器(3)、第二搅拌器(15)、第三搅拌器(23)、温度控制器(4)、第一pH控制器(5)、第二pH控制器(14)、第三pH控制器(22)、第一溶解氧控制器(12)、第二溶解氧控制器(19)、第一空压机(16)和第二空压机(20)。

剩余污泥厌氧发酵混合物通过两级SBR实现低C/N、C/P城市生活污水深度脱氮除磷的方法，其特征在于包括以下步骤：

剩余污泥发酵罐(2)为半连续反应器，其中投加的剩余污泥SCOD为15～50mg/L，SCFAs为10～25mg COD/L，NH₄ ⁺-N为1～5mg/L，PO₄ ^3--P为0.5～2mg/L，污泥停留时间SRT在6～20天，控制pH在9～10；根据SRT每天排放剩余污泥发酵混合物至发酵混合物储存罐(9)并加入等体积剩余污泥至剩余污泥发酵罐(2)；剩余污泥发酵混合物中的主要指标如下：SCOD为2500～4000mg/L，SCFAs为1000～2000mg COD/L，NH₄ ⁺-N为100～250mg/L，PO₄ ^3--P为50～150mg/L；

第一序批式反应器每周期依次经历进水和污泥发酵混合物、厌氧搅拌、曝气、缺氧搅拌、沉淀排水5个过程；第二序批式反应器每周期依次经历进水(即第一序批式反应器的出水)、曝气、缺氧搅拌、沉淀排水4个过程。

第一序批式反应器：

I进水、发酵混合物设定进水量为反应器有效体积的1/2～4/5，进发酵混合物量为进水体积的1/50～1/10，两者均通过时控开关控制，系统启动后，原水水箱中的污水通过进水泵进入第一序批式反应器，进水过程中，剩余污泥发酵罐中的发酵混合物通过蠕动泵进入第一序批式反应器；

II厌氧搅拌进水完毕后进入厌氧搅拌阶段，设定搅拌时间为1～3小时，聚磷菌利用发酵混合物和生活污水中的丰富碳源进行大量释磷；

III曝气通过实时控制装置维持溶解氧DO在0.5～1.5mg/L，并监测pH，设定曝气时间在1-2h且氨谷点出现前(氨谷点是指pH值先下降后上升的拐点)，NH₄ ⁺-N在低氧条件下发生短程硝化作用，并伴有反硝化作用，聚磷菌吸入部分PO₄ ^3--P；

IV缺氧搅拌设定搅拌时间1～2h，反硝化聚磷菌利用氧化态氮NO_X ^-为电子受体进行反硝化吸磷，同时反硝化菌利用水解酸化菌发酵产生的碳源进行反硝化；

V沉淀排水设定沉淀时间1～2h，泥水分离之后排水，排入中间水箱，排水比为70％～85％。

第二序批式反应器:

I进水从中间水箱进水，设定进水量为反应器有效体积的1/2～3/4，通过时控开关控制；

II曝气初始溶解氧DO在2～3mg/L，当dpH/dt≥0时停止曝气。硝化细菌将第一序批式反应器未硝化的以及水解酸化菌发酵产生的NH₄ ⁺-N、NO₂-N进一步硝化，聚磷菌充分吸磷，同时排放污泥，由于此污泥富含磷，可用来进一步厌氧发酵以回收磷；

III缺氧搅拌设定搅拌时间1～2h，将上一阶段硝化产生的氧化态氮进行反硝化作用；

IV沉淀排水设定沉淀时间1～2h,泥水分离之后排水，排水比为50％～75％。

与传统的利用剩余污泥内碳源的方法相比，该发明具有如下优点：

利用污水厂自身排放的污泥作为碳源，不仅节省了外加碳源的费用，同时提高了脱氮除磷的效率；

利用污泥发酵混合物省略了污泥和发酵液分离的过程，节约成本；

采用两级SBR，第一序批式反应器中NOB得到抑制，提高了亚硝积累率，使好氧段磷剩余(因为亚硝态氮抑制好氧吸磷)，利于缺氧段反硝化吸磷现象的发生，节省碳源，其次第二序批式反应器进一步降低出水的COD，提高出水水质；

污泥可以在两级SBR中进一步实现减量化。

附图说明：

图1为本发明装置的结构示意图

图中：1——第一蠕动泵；2——剩余污泥发酵罐；3——第一搅拌器；4——温度控制器；5——第一pH控制器；6——过程控制器；7——计算机；8——污水水箱；9——发酵混合物储存罐；10——第三蠕动泵；11——第二蠕动泵；12——第一溶解氧控制器；13——第一序批式反应器；14——第二pH控制器；15——第二搅拌器；16——第一空压机；17——中间水箱；18——第四蠕动泵；19——第二溶解氧控制器；20——第二序批式反应器；21——第二空压机；22——第三pH控制器；23——第三搅拌器；24——污泥储存罐；

图2为两级序批式反应器SBR的运行方式。

具体实施方式

结合附图和实例对本申请专利进一步说明：如图1所示，本发明包括剩余污泥发酵罐、污泥发酵混合物储存罐、污水水箱、中间水箱、第一序批式反应器、第二序批式反应器。六个装置的有效体积分别是5L、3L、30L、30L、12L、9L，其中剩余污泥发酵罐、污泥发酵混合物储存罐和序批式反应器SBR由有机玻璃制成；中间水箱、污水水箱由有机塑料制成。

该装置包括剩余污泥通过第一泵蠕动泵(1)泵入剩余污泥发酵罐(2)，剩余污泥发酵罐(2)内安装第一搅拌器(3)、温度控制装置(4)、第一pH控制器(5)；剩余污泥发酵罐(2)与发酵混合物储存罐(9)连接，发酵混合物储存罐(9)通过第二蠕动泵(11)与第一序批式反应器(13)连接；污水水箱(8)通过第三蠕动泵(10)与第一序批式反应器(13)连接。第一序批式反应器(13)中安装第二搅拌器(15)、第一溶解氧控制器(12)和第二pH控制器(14)；第一序批式反应器(13)中的曝气头与第一空压机(16)连接，第一序批式反应器(13)与中间水箱(17)连接；中间水箱(17)通过第四蠕动泵(18)与第二序批式反应器(20)连接。第二序批式反应器(20)中安装第三搅拌器(23)、第二溶解氧控制器(19)和第三pH控制器(22)；第二序批式反应器(20)中的曝气头与第二空压机(21)连接，第二序批式反应器(20)与污泥储存罐(24)连接。另外，设置与计算机(7)相连的过程控制器(6)，用以控制第一蠕动泵(1)、第二蠕动泵(11)、第三蠕动泵(10)、第四蠕动泵(18)、第一搅拌器(3)、第二搅拌器(15)、第三搅拌器(23)、温度控制器(4)、第一pH控制器(5)、第二pH控制器(14)、第三pH控制器(22)、第一溶解氧控制器(12)、第二溶解氧控制器(19)、第一空压机(16)和第二空压机(20)。

具体实例中使用的城市生活污水取自北京市某家属区的化粪池，其中化学需氧量COD在180～200mg/L，NH₄ ⁺-N的浓度在60～70mg/L，PO₄ ^3--P的浓度在5.0～7.5mg/L，其C/N在2～4，C/P<40，自身碳源无法满足深度脱氮除磷的目的。

具体实施过程如下：

剩余污泥发酵罐为半连续反应器，其中投加的剩余污泥MLSS为7500～8000mg/L，污泥停留时间SRT在6天，控制pH在10±0.2，温度在30±2℃。根据SRT每天排放833mL剩余污泥发酵混合物(FM)至发酵混合物储存罐(9)，并加入833mL的剩余污泥至剩余污泥发酵罐。污泥发酵混合物中的主要指标如下：SCOD为3380±420mg/L，SCFAs为1221±40mg COD/L，NH₄ ⁺-N为198±20mg/L，PO₄ ^3--P为95±10mg/L。

第一序批式反应器每周期依次经历进水和污泥发酵混合物、厌氧搅拌、曝气、缺氧搅拌、沉淀排水5个过程；第二序批式反应器只需进第一序批式反应器的出水、曝气、缺氧搅拌、沉淀排水4个过程。如图2。污泥龄在8d；

第一序批式反应器：

I进水、发酵混合物进水量为反应器有效体积的1/2，即6L。进发酵混合物量为进水体积的3/50，两者均通过时控开关控制，系统启动后，原水水箱中的污水通过进水泵进入第一序批式反应器，进水过程中，剩余污泥发酵罐中的发酵混合物通过蠕动泵进入第一序批式反应器。

II厌氧搅拌设定搅拌时间为3h，聚磷菌利用FM和生活污水中的丰富碳源进行大量释磷；

III曝气通过实时控制装置维持溶解氧DO在0.5～1.5mg/L，并监测pH，设定曝气时间在2h(氨谷点出现前)，NH₄ ⁺-N在低氧条件下发生短程硝化作用，并伴有反硝化作用，聚磷菌吸入部分PO₄ ^3--P；

IV缺氧搅拌设定搅拌时间2h，反硝化聚磷菌利用氧化态氮NO_x ^-为电子受体进行反硝化吸磷，同时反硝化菌利用水解酸化菌发酵产生的碳源进行反硝化；

V沉淀排水设定沉淀时间1～2h，泥水分离之后排水，排入中间水箱，排水比为50％～80％。

第二序批式反应器:

I进水从中间水箱进水，设定进水量为反应器有效体积的1/4～1/2，即4.5L，通过时控开关控制；

II曝气初始溶解氧DO在2～3mg/L，当dpH/dt≥0时停止曝气。硝化细菌将第一序批式反应器未硝化的以及水解酸化菌发酵产生的NH4+-N、NO₂ ^--N进一步硝化，聚磷菌充分吸磷，同时排放污泥，由于此污泥富含磷，可用来进一步厌氧发酵以回收磷；

III缺氧搅拌设定搅拌时间1～2h，将上一阶段硝化产生的氧化态氮进行反硝化作用；

IV沉淀排水设定沉淀时间1～2h,泥水分离之后排水，排水比为50％～75％。实验结果表明：投加剩余污泥发酵混合物，可实现低C/N、C/P城市生活污水深度脱氮除磷，同时剩余污泥得到处理。出水中COD浓度为30～43mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为0.2～2.5mg/L，TN去除率为80～85％；PO₄ ^3--P浓度为0.1～0.7mg/L，去除率为90％～97％。

Claims (1)

1.剩余污泥厌氧发酵混合物通过两级SBR强化城市生活污水深度脱氮除磷的方法，应用如下装置：该装置包括剩余污泥通过第一泵蠕动泵(1)泵入剩余污泥发酵罐(2)，剩余污泥发酵罐(2)内安装第一搅拌器(3)、温度控制装置(4)、第一pH控制器(5)；剩余污泥发酵罐(2)与发酵混合物储存罐(9)连接，发酵混合物储存罐(9)通过第二蠕动泵(11)与第一序批式反应器(13)连接；污水水箱(8)通过第三蠕动泵即进水泵(10)与第一序批式反应器(13)连接；第一序批式反应器(13)中安装第二搅拌器(15)、第一溶解氧控制器(12)和第二pH控制器(14)；第一序批式反应器(13)中的曝气头与第一空压机(16)连接，第一序批式反应器(13)与中间水箱(17)连接；中间水箱(17)通过第四蠕动泵(18)与第二序批式反应器(20)连接；第二序批式反应器(20)中安装第三搅拌器(23)、第二溶解氧控制器(19)和第三pH控制器(22)；第二序批式反应器(20)中的曝气头与第二空压机(21)连接，第二序批式反应器(20)与污泥储存罐(24)连接；另外，设置与计算机(7)相连的过程控制器(6)，用以控制第一蠕动泵(1)、第二蠕动泵(11)、第三蠕动泵(10)、第四蠕动泵(18)、第一搅拌器(3)、第二搅拌器(15)、第三搅拌器(23)、温度控制器(4)、第一pH控制器(5)、第二pH控制器(14)、第三pH控制器(22)、第一溶解氧控制器(12)、第二溶解氧控制器(19)、第一空压机(16)和第二空压机(20)；

其特征包括以下步骤：

剩余污泥发酵罐(2)为半连续反应器，其中投加的剩余污泥SCOD为15～50mg/L，SCFAs为10～25mg COD/L，NH₄ ⁺-N为1～5mg/L，PO₄ ^3--P为0.5～2mg/L，污泥停留时间SRT在6～20天，控制pH在9～10；根据SRT每天排放剩余污泥发酵混合物至发酵混合物储存罐(9)并加入等体积剩余污泥至剩余污泥发酵罐(2)；剩余污泥发酵混合物中的指标如下：SCOD为2500～4000mg/L，SCFAs为1000～2000mg COD/L，NH₄ ⁺-N为100～250mg/L，PO₄ ^3--P为50～150mg/L；

第一序批式反应器(13)每周期依次经历进水和污泥发酵混合物、厌氧搅拌、曝气、缺氧搅拌、沉淀排水5个过程；第二序批式反应器(20)每周期依次经历进水、曝气、缺氧搅拌、沉淀排水4个过程；

第一序批式反应器：

I进水、发酵混合物设定进水量为反应器有效体积的1/2～4/5，进发酵混合物量为进水体积的1/50～1/10，两者均通过时控开关控制，系统启动后，污水水箱中的污水通过进水泵进入第一序批式反应器，进水过程中，剩余污泥发酵罐中的发酵混合物通过第二蠕动泵进入第一序批式反应器；

II厌氧搅拌进水完毕后进入厌氧搅拌阶段，设定搅拌时间为1～3小时；

III曝气开启第一空压机，向第一序批式反应器提供氧气，将进水中的氨氮转化为氧化态氮；通过实时控制装置维持溶解氧DO在0.5～1.5mg/L，并监测pH，设定曝气时间在1-2h且氨谷点出现前，氨谷点是指pH值先下降后上升的拐点；

IV缺氧搅拌设定搅拌时间1～2h；

V沉淀排水设定沉淀时间1～2h，泥水分离之后排水，排入中间水箱，排水比为50％～80％；

第二序批式反应器:

I进水从中间水箱进水，设定进水量为反应器有效体积的1/2～3/4，通过时控开关控制；

II曝气初始溶解氧DO在2～3mg/L，当dpH/dt≥0时停止曝气；

III缺氧搅拌设定搅拌时间1～2h；

IV沉淀排水设定沉淀时间1～2h,泥水分离之后排水，排水比为50％～75％。