CN107364954B

CN107364954B - 具有强化好氧颗粒污泥稳定运行的排泥装置的反应器及方法

Info

Publication number: CN107364954B
Application number: CN201710572133.XA
Authority: CN
Inventors: 张智明; 俞卓栋; 朱亮; 徐向阳
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2037-07-13
Also published as: CN107364954A

Abstract

本发明公开了一种具有强化好氧颗粒污泥稳定运行的排泥装置的反应器及方法。该装置包括进水单元、反应器主体、曝气单元、排泥单元、出水单元，其中排泥单元包括第一电磁阀、污泥收集池和第一蠕动泵，反应器主体中部的出泥口通过带有第一电磁阀的管道连接污泥收集池；污泥收集池中设置有用于检测液位高度的液位计，池内靠近液面位置设有第一浊度传感器，池底设有第二浊度传感器；污泥收集池底部的泥水出口通过管道分为两路，一路通过带有第二电磁阀的管道直接外排，另一路通过第一蠕动泵后从反应器主体底部回流进入反应器。本发明的排泥单元能够判断泥水是否已经充分澄清，从而实现剩余污泥上清液二次处理，能够有效控制泥龄，高效富集功能微生物。

Description

具有强化好氧颗粒污泥稳定运行的排泥装置的反应器及方法

技术领域

本发明涉及一种具有强化好氧颗粒污泥稳定运行的排泥装置的反应器及方法，属于废水生物处理技术领域。

背景技术

好氧颗粒污泥是在好氧条件下自发形成的微生物自固定形式，具有优异的沉降性能、较高的生物持留量、较低的污泥产率以及抗有机负荷冲击性能，大大弥补了传统活性污泥法的不足。1997年Morgenroth等在序批式反应器(Sequence Batch Reactor，SBR)中，利用较短的水力停留时间和沉降排水时间排出沉降性能差的絮体污泥，并保持反应器内溶解氧浓度在2mg/L以上，经过40d培养成功培养出大量稳定的获得好氧颗粒污泥(AGS)，开启了好氧颗粒污泥SBR反应器研究篇章。此后，研究热点主要集中在AGS的形成机理、培养条件以及主要影响因素。研究报道，多功能菌群的持留和互营有利于好氧颗粒化的进程。在好氧颗粒污泥技术应用方面，荷兰Delft、澳大利亚Queensland等大学，先后实施了好氧颗粒污泥处理食品、食用油、啤酒、畜禽养殖以及市政等废水处理中试试验和工程示范。目前，相对成熟的好氧颗粒污泥工艺是荷兰Nereda工艺，其在荷兰Epe市政污水厂等地建设的改造工艺，污染物去除高效稳定、用地面积和能耗节约75％。

然而，目前在SBR反应器中运行的好氧颗粒污泥由于功能微生物不能得到有效持留，反应器运行后期大量功能菌群洗出，导致体系微生物代谢紊乱，硝化和反硝化作用受到抑制，影响颗粒结构稳定性，进一步引起反应器发生不可逆失稳现象，制约了其工业化的应用。因此，在控制泥龄的同时保证体系中功能微生物的有效持留以及较高的污染物去除效率，具有非常重要的实际应用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有强化好氧颗粒污泥稳定运行的排泥装置的反应器，在控制反应器污泥泥龄的同时，保障体系中功能微生物的有效持留以促进好氧颗粒污泥反应器长期稳定运行。

本发明所采用的具体技术方案如下：

具有强化好氧颗粒污泥稳定运行的排泥装置的反应器，包括进水单元、反应器主体、曝气单元、排泥单元以及出水单元；

所述的排泥单元，包括第一电磁阀、污泥收集池和第一蠕动泵，反应器主体中部的出泥口通过带有第一电磁阀的管道连接污泥收集池；污泥收集池中设置有用于检测液位高度的液位计，池内靠近液面位置设有第一浊度传感器，池底设有第二浊度传感器；污泥收集池底部的泥水出口通过管道分为两路，一路通过带有第二电磁阀的管道直接外排，另一路通过第一蠕动泵后从反应器主体底部回流进入反应器；

所述的曝气单元包括顺次连接的空气泵、转子流量计和多孔曝气头，多孔曝气头位于反应器主体内底部；

所述的进水单元和出水单元分别用于反应器主体的进水和出水。

作为优选，所述的进水单元包括与反应器主体顶部的进水口相连接的潜水泵以及进水桶，潜水泵位于进水桶中。

作为优选，所述的出水单元，包括出水桶与第二蠕动泵，第二蠕动泵连通反应器主体侧壁上的出水口以及出水桶。

作为优选，还设有控制单元，用于进行中央控制。

作为优选，所述的控制单元采用PLC控制器。

本发明的另一目的在于提供一种利用上述反应器的强化好氧颗粒污泥的方法，其步骤如下：

采用SBR工艺运行反应器，运行前预先接种污泥，接种MLSS为4-6g/L；进水COD负荷为1.6-3.5kg COD·m^-3·d^-1；反应器采用4-8的高径比和30％-70％的排水比；SBR运行周期为4-6h，分为进水、静置、曝气、排泥、沉淀、出水六个阶段；在每个运行周期的曝气阶段初期排出恒定量污泥，排泥时间1-2min，沉淀时间为5-60min，曝气时间为3-5h。

作为优选，每个反应周期的排泥时间点为曝气阶段COD浓度降至最低值附近但NH₄ ⁺-N浓度仍位于最高值附近的时间范围；排泥时间1-2min，排泥流量控制在80-110mL/min。根据活性污泥代谢特征，当有机物浓度较高时，降解COD的异养菌降解有机物实现自身生长，此时降解NH₄ ⁺-N、NO₂ ^—N等无机物的自养菌生长受明显抑制而生长缓慢，当有机物浓度较低时，则异养菌因基质不足而生长缓慢，自养菌依靠NH₄ ⁺-N、NO₂ ^—N为能源大量繁殖，因此SBR反应器运行前期异养菌增长迅速，运行后期自养菌增长迅速，故当反应器运行过程中COD降至最低时，新增长的微生物以异养菌为主。故排泥时间点控制在COD浓度降至最低值附近但NH₄ ⁺-N浓度仍位于最高值附近的时间范围内，可以在保证泥龄的同时富集较多的自养菌。一般由于COD在曝气阶段能够迅速被降解，而NH₄ ⁺-N的硝化过程则较为缓慢，因此排泥时间点可选择在曝气阶段开始后的5～15min钟内。而且当反应器运行稳定后，一般各周期内的污染物去除曲线基本一致，因此可以预先在开始的若干周期内确定最佳的排泥时间点后，后续周期中沿用该时间点。

作为优选，沉淀阶段中，间隔2-3天根据污泥层沉淀至出水口下方2-3cm高度所需的时间调节沉淀时间，使出水保持澄清状态。

作为优选，所述的接种污泥取自市政污水处理厂曝气池。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过设置一个特殊的排泥单元，能够判断泥水是否已经充分澄清；从而实现剩余污泥上清液二次处理；

(2)本发明通过将浓缩污泥进行回流，能够有效控制泥龄，高效富集功能微生物；

(3)由于本发明采用的在反应器运行周期前期均匀排泥的运行方式，在保证泥龄的同时富集较多的自养菌，克服了传统运行情况下序批式反应器(SBR)容易失稳的问题，可赋予反应器较高的污染物去除效率(NH₄ ⁺-N、COD和TN去除率分别维持在90％、95％、75％以上)以及长时间的稳定运行。

(4)由于采用了反应器运行周期前期均匀排泥的工艺调控方式，相比较传统SBR法，颗粒粒径显著增大，在运行第90天粒径大于200μm颗粒所占比例提高了3％-5％，TN去除率提高了5％-10％，克服了传统SBR工艺颗粒化时间长、颗粒易失稳的问题，在实际污水处理中具有非常重要的现实意义。

(5)本发明培养的好氧颗粒污泥为淡黄色球形颗粒，平均粒径为0.2mm，粒径呈分布正态，颗粒结构紧实、表面有沟壑保障溶解氧(DO)以及营养物质传质；相比普通活性污泥，颗粒污泥中的微生物团聚紧密，含有较高比例的菌胶团，且富集有小月菌属、陶厄氏菌和硝化螺菌属等功能菌群。

附图说明

图1为本发明的实施例1中使用的装置结构示意图。

其中：空气泵1、转子流量计2.1、多孔曝气头2.2、控制单元3、潜水泵4、进水桶5、第一电磁阀6、液位计7、第一浊度传感器8、第二浊度传感器9、污泥收集池10、第二电磁阀11、第一蠕动泵12、出泥口13、出水口14、第二蠕动泵15、出水桶16；

图2为实施例1中SBR运行周期内污染物变化曲线

图3为实施例1中的反应器污泥粒径变化图；

图4为实施例1中R2工艺污染物去除性能的变化图；

图5为实施例1的颗粒污泥4X显微照片对比图；a.传统SBR工艺R1好氧颗粒污泥显微照片；b.曝气起始阶段排泥工艺R2好氧颗粒污泥显微照片；c.曝气后期排泥工艺R3好氧颗粒污泥显微照片。

具体实施方式

以下通过实施例和附图对本发明做进一步的说明。

如图1所示，一种具有强化好氧颗粒污泥稳定运行的排泥装置的反应器，其整体结构可以划分为进水单元、反应器主体、曝气单元、排泥单元、出水单元及控制单元。

反应器主体为圆柱形结构，采用4-8的高径比。

排泥单元，包括第一电磁阀6、污泥收集池10和第一蠕动泵12，反应器主体中部的出泥口13通过带有第一电磁阀6的管道连接污泥收集池10；污泥收集池10中设置有用于检测液位高度的液位计7，池内靠近液面位置设有第一浊度传感器8，池底设有第二浊度传感器9；污泥收集池10底部的泥水出口通过管道分为两路，一路通过带有第二电磁阀11的管道直接外排，另一路通过第一蠕动泵12后从反应器主体底部回流进入反应器；

曝气单元包括顺次连接的空气泵1、转子流量计2.1和多孔曝气头2.2，多孔曝气头2.2位于反应器主体内底部。进水单元和出水单元分别用于反应器主体的进水和出水，其中进水单元包括与反应器主体顶部的进水口相连接的潜水泵4以及进水桶5，潜水泵4位于进水桶5中，用于将进水桶5中存储的基质废水输送至反应器中。出水单元，包括出水桶16与第二蠕动泵15，第二蠕动泵15连通反应器主体侧壁上的出水口14以及出水桶16，用于将反应器中的多余基质废水排入出水桶16。

整个装置由控制单元3进行中央控制，控制单元3可采用为PLC控制器、单片机等方式实现，其与空气泵1、转子流量计2.1、潜水泵4、第一电磁阀6、液位计7、第一浊度传感器8、第二浊度传感器9、第二电磁阀11、第一蠕动泵12、第二蠕动泵15分别连接。根据各感应装置，自动控制其他阀门、泵等设备，实现闭环控制。

该反应器的工作流程如下：

利用潜水泵4将进水桶5中的基质废水抽入反应器中，同时接种污泥后，利用空气泵1对废水进行曝气。在排泥阶段，打开第一电磁阀6，使泥水混合物流入污泥收集池10中，排泥体积由液位计7实时监控，达到预定值后关闭第一电磁阀6，等待泥水混合物沉淀。沉淀过程中，第一浊度传感器8、第二浊度传感器9检测池内水体上下层的浊度，当两者差值达到阈值后，即可认为沉淀完成。沉淀完成后，打开第一蠕动泵12，将底部沉淀的污泥排入反应器中。当第二浊度传感器9的浊度达到澄清废水的浊度时，再关闭第一蠕动泵12，打开第二电磁阀11，将废水直接排出。反应器内的废水由第一蠕动泵12排入出泥口13。

利用上述反应器的强化好氧颗粒污泥的方法，其步骤如下：

采用SBR工艺运行反应器，运行前预先接种污泥，接种MLSS为4-6g/L；进水COD负荷为1.6-3.5kg COD·m^-3·d^-1，涵盖了一般城镇污水的COD负荷范围；反应器采用4-8的高径比，有利于颗粒化污泥筛选作用；采用30％-70％的排水比；SBR运行周期为4-6h，保证污染物去除效率的同时增加污水处理量，分为进水、静置、曝气、排泥、沉淀、出水六个阶段；在每个运行周期的曝气阶段初期排出恒定量污泥，整体控制体系泥龄6-8d，具体排泥量可根据工艺进行调整。整个周期中，排泥时间1-2min并保持污泥泵流量恒定，在保证泥龄的同时持留较多优势菌群，沉淀时间为5-60min，曝气时间为3-5h。

当前好氧颗粒污泥SBR工艺功能微生物不能得到有效持留，反应器运行后期大量功能菌群洗出，导致体系微生物代谢紊乱，硝化和反硝化作用受到抑制，影响颗粒结构稳定性，进一步引起反应器发生不可逆失稳现象，制约了其工业化的应用。本发明中，将每个反应周期的排泥时间点控制为曝气阶段开始后的5～15min钟内，此时COD浓度降至最低值附近但NH₄ ⁺-N浓度仍位于最高值附近的时间范围；排泥时间1-2min，排泥流量控制在80-110mL/min。

沉淀阶段中，启动初期沉淀时间控制在5min，间隔2-3天根据污泥层沉淀至出水口14下方2-3cm高度所需的时间调节沉淀时间，使出水保持澄清状态；最终体系沉淀时间保持在5min。

相比较传统SBR法，颗粒粒径显著增大，在运行第90天粒径大于200μm颗粒所占比例提高了3％-5％，TN去除率提高了5％-10％，克服了传统SBR工艺颗粒化时间长、颗粒易失稳的问题，在实际污水处理中具有非常重要的现实意义。

本发明富集后的好氧颗粒污泥为淡黄色球形颗粒，颗粒平均直径为0.2mm，粒径呈分布正态，颗粒结构紧实、表面有沟壑保障溶解氧(DO)以及营养物质传质。颗粒中微生物团聚紧密，含有较高比例的菌胶团，且富集有小月菌属、陶厄氏菌和硝化螺菌属等功能菌群。

实施例

本实施例中，处理城镇污水的好氧颗粒污泥工艺采用一个有效容积为4.0L的序批式反应器(SBR)，反应器的主体为圆柱形的有机玻璃筒，筒高50cm，内径10cm，高径比为5。反应器结构如图1及前述描述所示，不在赘述。

本实施例的接种污泥取自市政污水处理厂曝气池，香农指数为4.85，意味着颗粒中有较高的菌群丰度，门水平菌群结构分析发现，变形菌门以及拟杆菌门占到了60％以上，这些细菌都是好氧颗粒污泥中的重要菌群，能帮助装置实现好氧颗粒污泥的快速颗粒化

本实施例采用上述反应器处理城镇污水培养好氧颗粒污泥的操作过程如下：在时间控制器的控制下，反应器按照进水—静置—曝气—排泥—沉淀—出水的顺序运行。反应器初始的运行条件为：周期4h，其中进水5min，静置45min，曝气180min，排泥1min，沉降5min，排水5min。反应器底部安装的多孔曝气头2.2提供的表面气速为2.0cm/s,体积交换比为50％。反应器启动初期，将污泥浓度为4.5g/L的普通活性絮体污泥接种到上述反应器中，COD负荷为2kg COD·m^-3·d^-1的城镇生活污水由潜水泵4抽入，剩余污泥于反应周期内第60min打开第一电磁阀6从反应器内抽出(此时如图2所示，该反应周期内COD浓度已降至最低值附近但NH₄ ⁺-N浓度仍位于最高值附近)，排泥时间1min，泥龄控制为8d。运行初期的沉淀时间控制5min，但随着污泥性质改变，之后每隔2-3天根据污泥层沉淀至出水口下方2-3cm高度的时间稍微调节沉淀时间，逐渐运行至反应器内好氧颗粒污泥各项指标稳定，最终体系沉淀时间保持5min。为了后续描述方便，将该实施例记为R2。

同时为了对比体现本发明的效果，本实施例中同时设置了对照试验R1和R3，其中R1与R2的区别在于采用SBR工艺通过传统方法培养好氧颗粒污泥，剩余污泥随SBR出水排出，泥龄不控制，R3与R2的区别在于排泥时间点控制在曝气阶段后期，具体为曝气结束前1min钟。

如图3所示，好氧颗粒污泥培养过程中，本实施例曝气阶段前期排泥工艺R2中污泥粒径相比于R1和R3具有更为显著的增长。图4表明，反应器处理效果稳定，出水水质良好，NH₄ ⁺-N、COD和TN去除率分别维持在90％、95％、75％以上，污染物去除效率高、长期运行性能稳定。

如图5所示，本实施例中曝气前期排泥培养的好氧颗粒污泥为平均粒径较大且均匀，颗粒结构紧实、表面有较细沟壑保障溶解氧(DO)以及营养物质传质；相比R1的普通活性污泥以及R3的颗粒污泥相比，R2的颗粒污泥中的微生物团聚紧密，含有较高比例的菌胶团，且富集有小月菌属、陶厄氏菌和硝化螺菌属等功能菌群。

Claims

1.一种强化好氧颗粒污泥的方法，其特征在于，该方法基于具有强化好氧颗粒污泥稳定运行的排泥装置的反应器实现，所述反应器包括进水单元、反应器主体、曝气单元、排泥单元以及出水单元；

所述的排泥单元，包括第一电磁阀（6）、污泥收集池（10）和第一蠕动泵（12），反应器主体中部的出泥口（13）通过带有第一电磁阀（6）的管道连接污泥收集池（10）；污泥收集池（10）中设置有用于检测液位高度的液位计（7），池内靠近液面位置设有第一浊度传感器（8），池底设有第二浊度传感器（9）；污泥收集池（10）底部的泥水出口通过管道分为两路，一路通过带有第二电磁阀（11）的管道直接外排，另一路通过第一蠕动泵（12）后从反应器主体底部回流进入反应器；

所述的曝气单元包括顺次连接的空气泵（1）、转子流量计（2.1）和多孔曝气头（2.2），多孔曝气头（2.2）位于反应器主体内底部；

所述的进水单元和出水单元分别用于反应器主体的进水和出水；

所述强化好氧颗粒污泥的方法步骤如下：

采用SBR工艺运行反应器，运行前预先接种污泥，接种MLSS为4-6g/L；进水COD负荷为1.6-3.5 kg COD∙m^-3∙d^-1；反应器采用4-8的高径比和30%-70%的排水比；SBR运行周期为4-6h，分为进水、静置、曝气、排泥、沉淀、出水六个阶段；在每个运行周期的曝气阶段初期排出恒定量污泥，排泥时间1-2min，沉淀时间为5-60min，曝气时间为3-5h。

2.如权利要求1所述的强化好氧颗粒污泥的方法，其特征在于，所述的进水单元包括与反应器主体顶部的进水口相连接的潜水泵（4）以及进水桶（5），潜水泵（4）位于进水桶（5）中。

3.如权利要求1所述的强化好氧颗粒污泥的方法，其特征在于，所述的出水单元，包括出水桶与第二蠕动泵（15），第二蠕动泵（15）连通反应器主体侧壁上的出水口（14）以及出水桶。

4.如权利要求1所述的强化好氧颗粒污泥的方法，其特征在于，还设有控制单元（3），用于进行中央控制。

5.如权利要求4所述的强化好氧颗粒污泥的方法，其特征在于，所述的控制单元采用PLC控制器。

6. 如权利要求1所述的强化好氧颗粒污泥的方法，其特征在于，每个反应周期的排泥时间点为曝气阶段COD浓度降至最低值附近但NH₄ ⁺-N浓度仍位于最高值附近的时间范围；排泥时间1-2min，排泥流量控制在80-110 mL/min。

7.如权利要求1所述的强化好氧颗粒污泥的方法，其特征在于，沉淀阶段中，间隔2-3天根据污泥层沉淀至出水口（14）下方2-3cm高度所需的时间调节沉淀时间，使出水保持澄清状态。

8.如权利要求1所述的强化好氧颗粒污泥的方法，其特征在于，所述的接种污泥取自市政污水处理厂曝气池。