CN106830316A - 一种通过诱导丝状菌微膨胀治理丝状污泥膨胀的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过诱导丝状菌微膨胀治理丝状污泥膨胀的方法属于污水生物处理与再生领域，为针对丝状污泥膨胀连续流反应器的快速治理，并稳定在微膨胀状态以提高氮、磷去除效率，降低能耗的方法。在室温、低C/N连续流进水条件下，在一个由厌氧区、缺氧区、好氧1区、好氧2区和好氧3区组成的推流式反应器中开展试验，首先，将好氧3区改为重力选择器，设定较短的曝气启/闭周期，利用重力在频繁的曝气周期后通过沉淀淘洗过度增殖的丝状细菌。同时反应区内污泥负荷提高，形成反应物浓度梯度抑制丝状菌，实现丝状污泥膨胀的初步控制。然后，降低好氧1区和好氧2区的溶解氧浓度，设定较长的曝气启/闭周期继续利用选择器淘洗功能，延长污泥龄，富集出微膨胀特征丝状菌H.hydrossis。
Description
技术领域
本发明属于污水生物处理与再生领域。具体涉及专用于连续流脱氮除磷生物反应器中丝状污泥膨胀的治理及微膨胀的控制。
背景技术
随着现代社会人口和经济的快速增长，由氮、磷元素过量排放而导致的水体富营养化问题日趋严重。各类城市污水厂作为污染控制的重要环节，处理压力也逐年上升。目前我国污水厂多采用同步脱氮除磷的活性污泥处理工艺，如厌氧-缺氧-好氧(A2/O)、氧化沟工艺等。这类工艺负荷低、污泥龄较长，处理氮、磷丰富的有机污水时极易爆发丝状污泥膨胀，严重的情况会导致系统的崩溃，丝状污泥膨胀问题一直困扰着生物脱氮除磷的城市污水处理厂。目前，对于丝状污泥膨胀的治理主要采用两类方法：一是通用性方法(non-specific methods)，包括加入絮凝剂、臭氧、氯气等；二是特异性方法(specificmethods)，包括提高负荷、增加曝气、设置各类生物选择器等。但丝状菌种类复杂多样，这些方法存在着危害性和效率低等问题，丝状膨胀的控制研究至今尚未取得突破性进展。
然而，近年来提出的利用丝状污泥微膨胀来提高系统处理率和降低能耗的方法，给丝状污泥膨胀赋予了新的意义。微膨胀通过降低溶解氧浓度，在非膨胀连续流活性污泥系统诱发，丝状细菌在控制条件下仅有限生长。增大的污泥絮体一方面促进了内部的同步硝化反硝化脱氮，一方面有利于沉淀池中对悬浮污染颗粒的捕捉，出水水质提升。因此，系统整体处理效率提高，能耗降低。
国内外目前对微膨胀控制的研究主要集中在对非膨胀系统的诱导，使其达到微膨胀状态。而对于已发生严重丝状污泥膨胀的系统，如何将其治理恢复至微膨胀状态，尚未见报道。考虑到丝状污泥膨胀的严重后果，探索一种针对丝状污泥膨胀污水处理系统的快速治理，使其恢复至微膨胀状态的方法， 将更具意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对处理低碳氮比(C/N)污水，发生丝状污泥膨胀的连续流反应器的快速治理，并稳定在微膨胀状态以提高氮、磷去除效率，降低能耗的方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所提供的一种通过诱导丝状菌微膨胀治理丝状污泥膨胀的方法，是在室温(23±1℃)、低C/N连续流进水条件下，在一个由厌氧区、缺氧区、好氧1区、好氧2区、好氧3区(污泥选择区)和沉淀池组成的推流式反应器中实现的，试验装置如图1所示，各反应区比例为V厌氧:V缺氧:V好氧1:V好氧2:V 好氧3(污泥选择区)＝1:2:1.5:1.5:3。
好氧3区通过第三硝化液回流阀，好氧2区通过第二硝化液回流阀都连接到第一硝化液回流阀4，第一硝化液回流阀4通过硝化液回流泵连接到缺氧区中，沉淀池13通过第三污泥回流阀19分别连接到排泥阀20和第四污泥回流阀21，第四污泥回流阀21与好氧3区底部的第二污泥回流阀均连接到第一污泥回流阀22，第一污泥回流阀22通过污泥回流泵23连接到厌氧区7。
初始阶段该装置以A2/O工艺运行，系统各区之间的污泥及硝化液回流分别由污泥回流阀和硝化液回流阀门控制，关闭第二污泥回流阀，开启第一污泥回流阀、第三污泥回流阀和第四污泥回流阀，污泥回流从沉淀池底部至厌氧区；关闭第二硝化液回流阀，开启第一硝化液回流阀、第三硝化液回流阀，硝化液回流自好氧3区至缺氧区。污泥回流比取80％-90％，硝化液自好氧3区回流至缺氧区，硝化液回流比为300％-350％。排泥阀依据污泥龄定时开启排泥。初始阶段运行时污水由厌氧区进入，污染物质量浓度C/N＝3.5-4.0，COD质量浓度为325-400mg/L，氨氮质量浓度为78-90mg/L，总氮质量浓度为93-120mg/L，总磷质量浓度为5.0-5.9mg/L，pH为7.0-7.3。进水流量为14-15L/h。试验开始时，该反应器中发生了以Thiothrix I和Beggiatoa spp.为优势丝状菌的污泥膨胀，SV30和SVI分别高达86％-90％和400-450ml/g。COD、氨 氮和总磷去除率分别低于70％、60％和60％。
本方法运行分为两个阶段，分别是丝状污泥膨胀控制阶段(阶段1)和微膨胀诱导阶段(阶段2)。首先，通过调控反应器运行方式，将好氧3区变为污泥重力选择区，快速淘洗过度生长丝状细菌，同时提高系统污泥负荷，增加污染物浓度梯度，抑制丝状菌增殖，实现膨胀的初步控制；而后，降低好氧1区和好氧2区溶解氧浓度，持续污泥选择区筛选，延长污泥龄，诱导微膨胀丝状细菌。
1)调控好氧3区为污泥选择区，提高污泥负荷联合控制丝状污泥膨胀的具体方法是：维持进水流量为14-15L/h，好氧1区和好氧2区溶解氧浓度2.0-3.0mg/L，进水污染物质量浓度C/N＝3.5-4.0，COD质量浓度为325-400mg/L，氨氮质量浓度为78-90mg/L，总氮质量浓度为93-120mg/L，总磷质量浓度为5.0-5.9mg/L，pH为7.0-7.3。改变好氧3区运行方式形成污泥重力选择区，按如下方法调控运行方式：打开第二污泥回流阀和第二硝化液回流阀，关闭第三硝化液回流阀，排泥阀依据污泥龄定时开启排泥。污泥变为从污泥重力选择区底部回流至厌氧区，硝化液变为自好氧2区回流至缺氧区。保证污泥选择区与沉淀池自由液面高差为50-70cm。污泥变为从污泥选择区底部回流至厌氧区，硝化液变为自好氧2区回流至缺氧区。污泥回流比取80％-90％，硝化液回流比为300％-350％。设置好氧3区底部的曝气装置，微电脑定时曝气启/闭周期为1-2/20-29min/min，曝气时溶解氧质量浓度为2.0-3.0mg/L，轻质过度膨胀丝状菌在周期沉淀过程中不断被淘洗出系统。同时，由于主反应区体积的缩小，污泥负荷增加至0.55-0.60kgCOD/(kgMLSS·d)，反应物浓度梯度增高，丝状菌增殖受到抑制。在该连续流反应器好氧区末端、沉淀池之前形成污泥选择区，目的是不断将流入选择区的系统丝状污泥淘洗至沉淀池排出系统。污泥重力选择区的周期曝气起搅拌作用，排除菌丝上附着的微泡，提高沉淀周期泥水分离效率。丝状污泥淘洗的关键在于每个沉淀周期初期，利用重力作用，沉在上层及漂浮的，以及随水流排入沉淀池的，多为轻质丝状菌膨胀污泥和浮渣(图2a)；快速沉到底层被回流的，多为较重的非膨胀 和微膨胀污泥(图2b)，系统内污泥沉淀性能被逐渐优化。选择区与沉淀池液面高差控制在50-70cm，较大静水压使回流污泥干管中主要为选择区回流污泥，被淘洗含丝状菌的剩余污泥都从沉淀池排放。该阶段1污泥龄延长为16-18d，污泥浓度随之逐渐增加，有助于污染物去除(图4)。反应器运行直至污泥SV30和SVI分别降至70％和270ml/g以下，污泥浓度恢复至3500mg/L以上，COD、氨氮和总磷去除率分别达80％、85％和50％以上，丝状污泥膨胀被遏制。
2)诱导丝状菌微膨胀的具体方法是：维持进水流量为14-15L/h，好氧1区和好氧2区溶解氧浓度2.0-3.0mg/L，进水污染物质量浓度C/N＝3.5-4.0，COD质量浓度为325-400mg/L，氨氮质量浓度为78-90mg/L，总氮质量浓度为93-120mg/L，总磷质量浓度为5.0-5.9mg/L，pH为7.0-7.3，污泥回流比取80％-90％，硝化液回流比为300％-350％。保证污泥重力选择区与沉淀池自由液面高差为50-70cm。改变污泥重力选择区中曝气启/闭周期为1-2/29-59min/min，好氧1区和好氧2区溶解氧质量浓度降低至0.5-1.0mg/L，污泥龄延长至20-25d，系统内逐渐富集适宜低溶解氧、低负荷、长污泥龄的微膨胀丝状菌H.hydrossis。在污泥重力选择区的持续筛选下，该丝状菌有限增殖，微膨胀趋于稳定。系统运行至污泥SVI在190-220ml/g，污泥质量浓度达到4000-5000mg/L。COD、氨氮、总氮和总磷平均去除率分别达88％、93％、90％和90％以上，系统污泥丝状菌微膨胀诱导完成。
总体来看，该丝状污泥膨胀控制及微膨胀诱导过程，是基于丝状菌的沉淀和形态特征差别，优势丝状菌类型由初始难沉淀的长菌丝、游离生长的Thiothrix I和Beggiatoaspp.演变为短菌丝、不影响沉淀的H.hydrossis。污泥絮体也由松散、菌丝延伸的结构恢复至紧凑、边缘圆滑结构(图5)，整体沉淀性能变好。
附图说明：
图1是本发明采用的试验装置示意图。
1.进水蠕动泵 2.搅拌桨 3.硝化液回流泵 4.第一硝化液回流阀 5.第二硝 化液回流阀 6.第三硝化液回流阀 7.厌氧区 8.缺氧区 9.好氧1区 10.好氧2区11.好氧3区(污泥选择区) 12.曝气装置 13.沉淀池 14.出水 15.空压机 16.气体流量计 17.微电脑控制器 18.电磁阀 19.第三污泥回流阀 20.排泥阀 21.第四污泥回流阀 22.第一污泥回流阀23.污泥回流泵 24.第二污泥回流阀 25.挡泥板
图2是污泥重力选择区上排淘洗污泥(a)和沉淀回流污泥(b)的镜检图像对比。
图3是采用本发明方法运行试验装置，活性污泥沉淀性能和污泥浓度变化情况。
图4是采用本发明方法运行试验装置，各污染物去除效果变化情况。
图5是采用本发明方法诱导微膨胀治理污泥膨胀的过程反应器内污泥絮体外观变化情况。
(a)第15d(b)第35d(c)第55d
图6是稳定微膨胀状态时污泥微生物群落结构，H.hydrossis约占4％。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
本发明一种通过诱导丝状菌微膨胀治理丝状污泥膨胀的方法，其思路为：首先，通过调控运行方式，将发生丝状污泥膨胀反应器的好氧区末端，沉淀池之前的好氧3区变为污泥重力选择区，利用丝状膨胀污泥在重力作用下沉淀慢特性，在周期曝气/沉淀过程中不断淘洗过度增殖的丝状细菌，同时主反应区体积变小，污泥负荷提高，反应物浓度梯度增加抑制丝状菌，实现丝状污泥膨胀的初步控制。然后，降低好氧1区和好氧2区的溶解氧浓度，继续利用选择区淘洗功能，并延长曝气周期提高污泥龄，富集微膨胀的特征丝状菌H.hydrossis，诱导污泥微膨胀。
本发明的关键是利用了丝状菌难沉降的共性，通过调整反应器运行方式，将好氧3区运行为污泥重力选择区，淘洗过度增殖丝状菌，同时控制工况抑制丝状菌和诱导微膨胀稳定状态。在选择区的持续淘洗下，轻质、游离的膨 胀丝状菌的增殖与排放达到平衡，系统中逐渐富集较重的非膨胀和微膨胀污泥，膨胀得到治理并稳定在微膨胀状态。污泥重力选择区位于反应区尾端，沉淀池之前，即可进一步去除污染物，又利于直接将淘洗的丝状污泥排至沉淀池，排出系统。污泥重力选择区底部的曝气装置，通过微电脑定时器控制短时曝气周期，丝状膨胀污泥在周期性的曝气/沉淀过程中被搅拌/淘洗，每次沉淀初期沉在上层及漂浮的，随水流排入沉淀池的多为轻质丝状菌过度膨胀污泥；快速沉到底层被回流的多为较重的非膨胀和微膨胀污泥。选择区底部的污泥回流管，收集该区沉淀污泥回流至反应器厌氧区，反应器内污泥沉淀性能逐渐好转。出水口在污泥重力选择区上部，与进水口等高相对，之间设置挡泥板促进污泥沉淀和防止短流。运行参数的控制，先提高污泥负荷，增大反应物浓度梯度，创造菌胶团菌适宜的生存环境，抑制过度丝状菌增殖；再降低溶解氧、延长污泥龄，诱导丝状菌污泥微膨胀。该方法主要诱导出适合低负荷、低溶解氧、氮磷丰富条件的H.hydrossis优势丝状菌(图6)。
本发明的污泥选择区液面明显高于沉淀池液面，存在较大静水压差，以使回流污泥干管中以选择区重力筛选污泥为主，不断更替反应器内原丝状膨胀污泥，使其沉淀性能不断优化。沉淀池收集的淘洗膨胀污泥被排放，只有调控污泥龄时才将此污泥回流。
本发明污泥重力选择区的定时曝气装置在阶段1丝状菌膨胀治理阶段设定的曝气启/闭周期为1-2/20-29min/min，而阶段2微膨胀诱导阶段设定的曝气启/闭周期为1-2/29-59min/min。污泥重力选择区淘洗丝状污泥作用主要发生在每个沉淀周期初始泥水分离阶段，因此阶段1为了尽快将系统中存在的大量丝状细菌淘洗出去，而采用了较短曝气周期。在丝状菌膨胀被初步控制后，阶段2为了诱导丝状菌的有限生长，采用了较长的曝气周期，并进一步延长污泥龄，提高污泥浓度，恢复系统污染物去除能力。
本发明试验装置的好氧区溶解氧浓度在阶段2微膨胀诱导阶段设定的较低为0.5-1.0mg/L。作为诱导微膨胀优势菌的重要条件，由图4可知这并未影响系统的硝化和脱氮性能，仅使得出水中的硝酸盐氮质量浓度降低，亚硝酸盐氮质量浓度升高。低曝气利于短程脱氮，节省碳源，也降低了电耗。
本发明的污泥重力选择区是基于丝状菌的自身沉淀性能和形态特征运行的。菌丝延伸长和游离生长的丝状菌较难沉淀，而菌丝内向盘绕和向外延伸细短的丝状菌较易沉淀。因此，试验运行过程中系统污泥中优势丝状菌群落发生了明显变化，由初始阶段的优势丝状菌ThiothrixI和Beggiatoa spp.演变为微膨胀状态的H.hydrossis。污泥絮体也由松散、菌丝延伸的结构恢复至紧凑、边缘圆滑结构(图5)，整体沉淀性能变好。
具体实施方式
一长、宽、高分别为120cm、30cm和60cm，总有效体积180L的连续流推流式反应器，初始阶段以A2/O工艺运行，关闭第二污泥回流阀，开启第一污泥回流阀、第三污泥回流阀和第四污泥回流阀，污泥回流从沉淀池底部至厌氧区；关闭第二硝化液回流阀，开启第一硝化液回流阀、第三硝化液回流阀，硝化液回流自好氧3区至缺氧区。排泥阀依据污泥龄定时开启排泥。污泥回流比取80％-90％，硝化液回流比为300％-350％。系统内发生了严重丝状污泥膨胀，SV30和SVI分别高达90％和450ml/g，污泥浓度仅为1900mg/L。COD、氨氮和总磷去除率分别降至65％、55％和44.5％。反应器内沿水流方向分为厌氧区、缺氧区、好氧1区、好氧2区、好氧3区和沉淀池，体积比为V厌氧:V缺氧:V好氧1:V好氧2:V好氧3＝1:2:1.5:1.5:3。试验用水为实际生活污水，具体水质如下：
COD质量浓度为325-400mg/L，氨氮质量浓度为78-90mg/L，总氮质量浓度为93-120mg/L，总磷质量浓度为5.0-5.9mg/L，pH为7.0-7.3，C/N比为3.5-4。
丝状污泥膨胀治理阶段：将好氧3区底部的曝气装置连接微电脑定时器，设定曝气启/闭周期为1/29min/min。该区底部的污泥回流管与沉淀池主回流管相连，一并连至厌氧区。管道联通受阀门控制，打开第二污泥回流阀和第二硝化液回流阀，关闭第三硝化液回流阀。污泥变为从污泥重力选择区底部回流至厌氧区，硝化液变为自好氧2区回流至缺氧区。排泥阀依据污泥龄定时开启排泥。好氧3区变为污泥重力选择区。污泥回流比取80％-90％，硝化液回流比为300％-350％。保持选择区与沉淀池自由液面间高差50-70cm。维持进水流量14-15L/h，采用上述低C/N实际生活污水，以较高污泥负荷0.55-0.60 kgCOD/(kgMLSS·d)运行，好氧1区和好氧2区溶解氧浓度为2.0-3.0mg/L，污泥龄16-18d。系统污泥浓度增长至3500-4000mg/L，SV30和SVI分别降至65％-70％和260-270ml/g，COD、氨氮和总磷去除率分别达80％-90％、85％-95％和50％-53％，系统内丝状污泥膨胀被初步遏制。
丝状污泥微膨胀诱导阶段：维持进水实际生活污水流量14-15L/h，COD质量浓度为325-400mg/L，氨氮质量浓度为78-90mg/L，总氮质量浓度为93-120mg/L，总磷质量浓度为5.0-5.9mg/L，pH为7.0-7.3，C/N比为3.5-4。污泥选择区曝气启/闭周期设为1/59min/min，污泥龄延长至20-25d，好氧1和2区溶解氧浓度降为0.5-1.0mg/L。持续运行20d，污泥SVI降低稳定至190-220ml/g，属微膨胀范围，污泥浓度为4000-5000mg/L。COD、氨氮、总氮和总磷平均去除率分别达88％-90％、93％-95％、90％-93％和90％-95％。经对稳定后系统污泥微生物群落的高通量测序发现，优势丝状菌为H.hydrossis，属于微膨胀系统常见优势菌，丝状膨胀污泥系统40天成功诱导至微膨胀状态，实现了污染物去除率的提高和曝气能耗的降低。
Claims (1)
1.一种通过诱导丝状菌微膨胀治理丝状污泥膨胀的方法，其特征在于，试验初始阶段采用连续流推流式生物反应器以厌氧-缺氧-好氧工艺运行，装置包括厌氧区、缺氧区、好氧1区、好氧2区、好氧3区和沉淀池，主反应区各分区比例为V厌氧:V缺氧:V好氧1:V好氧2:V好氧3＝1:2:1.5:1.5:3；
好氧3区通过第三硝化液回流阀，好氧2区通过第二硝化液回流阀都连接到第一硝化液回流阀，第一硝化液回流阀通过硝化液回流泵连接到缺氧区中，沉淀池通过第三污泥回流阀分别连接到排泥阀和第四污泥回流阀，第四污泥回流阀与好氧3区底部的第二污泥回流阀均连接到第一污泥回流阀，第一污泥回流阀通过污泥回流泵连接到厌氧区；
运行时污水由厌氧区进入，污染物质量浓度C/N＝3.5-4.0，COD质量浓度为325-400mg/L，氨氮质量浓度为78-90mg/L，总氮质量浓度为93-120mg/L，总磷质量浓度为5.0-5.9mg/L，pH为7.0-7.3；系统各区之间的污泥及硝化液回流分别由污泥回流阀和硝化液回流阀门控制，关闭第二污泥回流阀，开启第一污泥回流阀、第三污泥回流阀和第四污泥回流阀，污泥回流从沉淀池底部至厌氧区；关闭第二硝化液回流阀，开启第一硝化液回流阀、第三硝化液回流阀，硝化液回流自好氧3区至缺氧区；污泥回流比取80％-90％，硝化液回流比为300％-350％；进水流量为14-15L/h；该反应器中发生了以Thiothrix I和Beggiatoa spp.为优势丝状菌的污泥膨胀，SV30和SVI分别高达86％-90％和400-450ml/g；
治理丝状污泥膨胀包括如下步骤：
1)首先维持进水流量为14-15L/h，好氧1区和好氧2区溶解氧浓度2.0-3.0mg/L，进水污染物质量浓度C/N＝3.5-4.0，COD质量浓度为325-400mg/L，氨氮质量浓度为78-90mg/L，总氮质量浓度为93-120mg/L，总磷质量浓度为5.0-5.9mg/L，pH为7.0-7.3；改变好氧3区运行方式形成污泥重力选择区，按如下方法调控运行方式：打开第二污泥回流阀和第二硝化液回流阀，关闭第三硝化液回流阀；污泥变为从污泥重力选择区底部回流至厌氧区，硝化液变为自好氧2区回流至缺氧区；保证污泥重力选择区与沉淀池自由液面高差为50-70cm；污泥回流比取80％-90％，硝化液回流比为300％-350％；设置污泥重力选择区底部的曝气装置，微电脑定时曝气启/闭周期为1-2/20-29min/min，曝气时溶解氧质量浓度为2.0-3.0mg/L，轻质过度膨胀丝状菌在周期沉淀过程中不断被淘洗出系统；污泥负荷增加至0.55-0.60kgCOD/(kgMLSS·d)，丝状菌增殖受到抑制；污泥SV30和SVI分别降至70％和270ml/L以下，污泥质量浓度恢复至3500mg/L以上，COD、氨氮和总磷去除率分别达80％、85％和50％以上，丝状污泥膨胀被遏制；
2)维持进水流量为14-15L/h，好氧1区和好氧2区溶解氧浓度2.0-3.0mg/L，进水污染物质量浓度C/N＝3.5-4.0，COD质量浓度为325-400mg/L，氨氮质量浓度为78-90mg/L，总氮质量浓度为93-120mg/L，总磷质量浓度为5.0-5.9mg/L，pH为7.0-7.3，污泥回流比取80％-90％，硝化液回流比为300％-350％；保证污泥重力选择区与沉淀池自由液面高差为50-70cm；改变选择区中曝气启/闭周期为1-2/29-59min/min，好氧1区和好氧2区溶解氧质量浓度降低至0.5-1.0mg/L，污泥龄延长至20-25d；在污泥重力选择区的持续筛选下，当SVI降至190-220ml/L，污泥质量浓度达到4000-5000mg/L；COD、氨氮、总氮和总磷平均去除率分别达88％、93％、90％和90％以上，系统污泥丝状菌微膨胀诱导完成。
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