CN108383239B - 间歇曝气模式下短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物处理工艺 - Google Patents

间歇曝气模式下短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物处理工艺 Download PDF

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Abstract

间歇曝气模式下短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物处理工艺，属于污水生物处理技术领域。该工艺在短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化反应器中实现的。一体化反应器内主要存在三种微生物菌群：以絮体形式存在的氨氧化菌(AOB)和聚磷菌(PAOs)及以颗粒形式存在的厌氧氨氧化菌。城市生活污水未经脱碳预处理直接进入一体化反应器中，通过间歇曝气的运行模式，有效抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，并且能够在短程硝化厌氧氨氧化自养脱氮的过程中为强化生物除磷提供碳源和电子供体，实现零外加碳源的投加。短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化反应器在排水过程中能够通过筛分的方法，有效持留厌氧氨氧化菌颗粒，同时将细小的富含磷酸盐的絮体污泥淘洗出去。

Description

间歇曝气模式下短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物 处理工艺
技术领域
本发明涉及一种间歇曝气模式下短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物处理工艺，属于污水生物处理技术领域。
背景技术
随着城市化进程的不断加快和环境保护要求的逐渐提高,城市污水处理厂数量越来越多,污水处理率也越来越高。城市生活污水处理主要面临着低氨氮、低能量、低温、水量大等障碍，其处理难度要远远超过工业废水。污水处理属能耗密集型行业,高能耗一方面导致污水处理成本升高,在一定程度上加剧了我国当前的能源危机,另一方面高能耗造成的高处理成本,致使一些中小型污水处理厂难以正常运行,污水处理厂的减排效益得不到正常发挥。因此，能够充分利用城市生活污水中的碳源而无需外加碳源进行高效脱氮除磷成为了污水处理领域所追逐的目标。
传统的脱氮主流工艺主要为是硝化－反硝化脱氮，且需要外加碳源(如甲醇)，这样不但增加了额外设施和处理成本，还会造成出水的COD升高，难以保证低能量、低氨氮废水脱氮效率。因此，如何降低成本和提高总氮去除率成为处理低氨氮城市生活污水所面临的主要问题。有诸多研究都是围绕着在传统工艺的基础上尽可能的减少外加碳源的投入、减少曝气量，短程硝化与短程反硝化技术也应运而生。近年来，随着新的生物脱氮途径的发现，以厌氧氨氧化为核心的脱氮技术被业界普遍视为未来污水处理发展的一种重要技术，由此围绕着城市污水处理主流工艺的厌氧氨氧化技术正成为当前全球污水处理研发的焦点之一。与传统的硝化反硝化工艺相比，半短程硝化－厌氧氨氧化城市污水一体化自养脱氮技术具有节省50％的氧耗和100％的外加碳源，且污泥产量少等优点。另外，由于厌氧氨氧化反应无需有机物，可使污水中有机物尽可能多的用于强化生物除磷，从而大大提高了城市污水中能量的利用率。
传统化学除磷的方法会使得污水处理厂污泥量显著增加，而且会使污泥浓度下降20％左右，增加了处理厂污泥处理与处置的难度。研究发现，某些微生物在好氧时不仅能大量吸收磷酸盐(PO4 3-)合成自身核酸和ATP，而且能逆浓度梯度过量吸磷合成贮能的多聚磷酸盐颗粒(即异染颗粒)于体内，供其内源呼吸用，这些细菌称为聚磷菌。聚磷菌在厌氧时又能释放磷酸盐(PO4 3-)于体外，故可创造厌氧、缺氧和好氧环境，让聚磷菌先在含磷污(废)水中厌氧释磷，然后在好氧条件下充分地过量吸磷，然后通过排泥从污(废)水中除去部分磷，可以达到减少污(废)水中磷含量的目的。因此，强化生物除磷(EBPR)、反硝化除磷等生物除磷技术也在研究实践过程中逐渐成熟了起来。
由于厌氧氨氧化菌属于自养菌，细胞产率低，不容易在短时间内富集，且在反应器运行初期污泥容易流失，导致厌氧氨氧化菌的顺利富集和稳定运行较为困难。所以可以利用UASB反应器进行厌氧氨氧化颗粒的富集，然后通过生物强化的手段加入到一体化反应器当中，实现工艺的快速启动。
随着一体化技术的不断推进，人们逐渐发现短程硝化的实现是一体化反应器能否成功运行的关键。有研究表明，通过缺好氧模式的交替运行，亚硝酸盐氧化菌的活性不能马上恢复过来，因此可以适当的控制曝气时间，从而稳定实现短程。本研究还发现，一体化反应器不仅能够实现高效脱氮，除磷率也能够达到95％以上，因此一体化反应器内各菌群的脱氮除磷机制还有待探究。
发明内容
本发明的目的就是针对现有低COD、低氨氮城市生活污水，以及出水水质稳定性不易达标等问题，提出了一种间歇曝气模式下短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物处理工艺，该工艺充分利用原生活污水中的COD和氨氮，采用间歇曝气模式来实现短程硝化厌氧氨氧化同时除磷。该一体化反应器采用生物强化的方法快速启动，同时采用筛分的方法使得厌氧氨氧化颗粒污泥得以留存，从而增强了厌氧氨氧化菌的持留富集能力，显著提高了系统的处理能力和运行稳定性。同时，合理的反应器结构和水力流态为反应器中主要富集的三种细菌提供了适宜的生长环境，实现了城市污水短程硝化厌氧氨氧化同时除磷一体化工艺的快速启动，并提高了系统的脱氮除磷效率及工艺的稳定性。
本发明的目的是通过以下解决方案来解决的：一种间歇曝气模式下短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物处理工艺，其特征在于，由城市污水原水水箱(1)、短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化反应器(2)，实时控制系统(3)、出水水箱(4)、配水水箱(5)、厌氧氨氧化反应器(6)所组成。
城市污水原水水箱(1)设有原水水箱溢流管(1.1)和原水水箱放空阀(1.2)；城市生活污水通过进水泵(2.1)与一体化反应器(2)相连；一体化反应器(2)设有搅拌器(2.2)、空压机(2.3)、转子流量计(2.4)、粘砂块曝气头(2.5)、pH和DO探头(2.6)、pH和DO测定仪(2.7)、出水阀(2.8)、放空阀(2.9)、生物强化进泥口(2.10)；实时控制系统(3)设有计算机(3.1)、可编程过程控制器(3.2)、信号转换器DA转换接口(3.3)、信号转换器AD转换接口(3.4)、进水继电器(3.5)、曝气继电器(3.6)、搅拌器继电器(3.7)、出水继电器(3.8)、pH和DO信号接口(3.9)；其中，可编程过程控制器(3.2)上的信号AD转换接口(3.4)通过电缆线与计算机(3.1)相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机(3.1)；计算机(3.1)通过信号转换器DA转换接口(3.3)与可编程过程控制器(3.2)相连接，将计算机(3.1)的数字指令传递给可编程过程控制器(3.2)；搅拌器继电器(3.7)与搅拌器(2.2)相连接；pH/DO数据信号接口(3.9)与pH和DO测定仪(2.7)相连接；进水继电器(3.5)与进水泵(2.1)相连接；曝气继电器(3.6)与粘砂块曝气头(2.5)相连接；出水继电器(3.8)与出水阀(2.8)相连接；配水水箱(5)设有配水水箱溢流管(5.1)和配水水箱放空阀(5.2)；厌氧氨氧化反应器(6)设有进水泵(6.1)、三相分离器(6.2)、内循环泵(6.3)、排泥泵(6.4)。
利用上述装置进行短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物处理工艺，其特征在于，具体启动与调控的步骤如下：
1)系统启动阶段：
一体化反应器(2)接种短程硝化污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥作为种泥，其中反应器中短程硝化污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥质量比为4:1，总的污泥浓度控制在4000-5000mg/L。一体化反应器(2)接种种泥后以1.2-1.5mg/L的曝气量连续曝气1-3天。
2)运行阶段：
一体化反应器(2)运行方式为：一体化反应器(2)水力停留时间为6小时，每天运行4个周期。每周期一开始通过实时控制系统(3)控制进水泵(2.1)将生活污水加入到一体化反应器(2)中，通过气体转子流量计(2.4)调整曝气量，使一体化反应器(2)溶解氧浓度控制在0.8-1.2mg/L，通过实时控制系统(3)控制间歇曝气，每周期6h，包含4min进水，330min间歇曝气，22min沉淀，4min排水。在间歇曝气阶段，所设定的模式为11个周期的先缺氧搅拌22min而后以0.8-1.2mg/L的曝气量低氧曝气8min。一体化反应器(2)通过出水阀(2.8)排水，排水比为50％。选用200微米的筛网对出水的剩余污泥进行筛分，筛除絮体污泥，将截留下来的厌氧氨氧化颗粒污泥在每周期进水阶段末加入到一体化反应器(2)当中，絮体污泥龄为30-50d。一体化反应器(2)内温度控制在30-35℃。
本发明专利具有以下优势：
1)本发明采用生物强化的手段快速启动，有利于优势菌种的富集培养。
2)本发明充分利用城市生活污水中的碳源，在间歇曝气模式所创造出的生态环境中以及在短程硝化厌氧氨氧化自养脱氮的过程中实现强化生物除磷。
3)本发明在排水阶段采用过筛的方式持留厌氧氨氧化颗粒污泥，淘洗掉细小的富含磷酸盐的絮体污泥，提高了各功能微生物的活性及相应的污染物去除效率。同时富含磷酸盐的污泥沉降性能好，能够帮助持留厌氧氨氧化菌。
4)本发明采用间歇曝气的运行模式，保证一体化反应器中每个周期曝气结束后亚硝积累率达到90％以上，使得硝化反应稳定维持在了亚硝阶段，节省了曝气能耗。同时由于在缺氧过程中发生厌氧氨氧化反应以及缺氧搅拌的不均匀性，创造出了一个适合聚磷菌储存内碳源的厌氧环境；间歇曝气的运行模式也给了聚磷菌厌氧释磷好氧吸磷的生物推动力，使得聚磷菌得以高效除磷，除磷率可达到95％以上。
5)本发明采用的一体化工艺能够充分发挥厌氧氨氧化菌自养脱氮以及强化生物除磷的能力，短程硝化厌氧氨氧化反应能够为除磷过程提供较多的电子供体。厌氧氨氧化菌在代谢过程中无N2O生成，因此本发明温室气体排放量少。实验表明本发明中一体化反应器中厌氧氨氧化菌能够在无预处理(C/N比在3.0左右)的情况下维持很高的活性，生物量倍增时间最短只需30天。
6)本发明采用的城市污水一体化脱氮除磷技术运行能耗低，操作简单。采用间歇曝气模式下短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物处理工艺处理城市生活污水，可节省60％的曝气量，且完全无需外加碳源；采用高径比较大的一体化反应器，只需低氧曝气即可保证反应器中悬浮污泥有效混合，有效降低了能耗，同时也提高了系统运行的稳定性。
7)本发明采用实时控制系统来实现间歇曝气的运行模式，控制精确，自动化程度高，降低了人力资源的消耗。
综上所述，利用本发明处理低碳氮比的城市生活污水，具有高效一体化脱氮除磷，操作简单，运行能耗低，自动化程度高，产生温室气体少，系统处理效果稳定等优点。
附图说明
图1是间歇曝气模式下短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物处理工艺示意图。
图1中：1——城市污水原水水箱、2——短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化反应器、3——实时控制系统、4——出水水箱、5——配水水箱、6——厌氧氨氧化反应器；1.1——原水水箱溢流管、1.2——原水水箱放空阀、2.1——进水泵；2.2——搅拌器、2.3——空压机、2.4——转子流量计、2.5——粘砂块曝气头、2.6——pH和DO探头、2.7——PH和DO测定仪、2.8——出水阀、2.9——放空阀、2.10——生物强化进泥口；3.1——计算机、3.2——可编程过程控制器、3.3——信号转换器DA转换接口、3.4——信号转换器AD转换接口、3.5——进水继电器、3.6——曝气继电器、3.7——搅拌器继电器、3.8——出水继电器、3.9——pH和DO信号接口；5.1——配水水箱溢流管、5.2——配水水箱放空阀；6.1——进水泵、6.2——三相分离器、6.3——内循环泵、6.4——排泥口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
如图1所示，一种间歇曝气模式下短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物处理工艺，所用装置由城市污水原水水箱(1)、短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化反应器(2)，实时控制系统(3)、出水水箱(4)、配水水箱(5)、厌氧氨氧化反应器(6)所组成。
城市污水原水水箱(1)设有原水水箱溢流管(1.1)和原水水箱放空阀(1.2)；城市生活污水通过进水泵(2.1)与一体化反应器(2)相连；一体化反应器(2)设有搅拌器(2.2)、空压机(2.3)、转子流量计(2.4)、粘砂块曝气头(2.5)、pH和DO探头(2.6)、pH和DO测定仪(2.7)、出水阀(2.8)、放空阀(2.9)、生物强化进泥口(2.10)；实时控制系统(3)设有计算机(3.1)、可编程过程控制器(3.2)、信号转换器DA转换接口(3.3)、信号转换器AD转换接口(3.4)、进水继电器(3.5)、曝气继电器(3.6)、搅拌器继电器(3.7)、出水继电器(3.8)、pH和DO信号接口(3.9)；其中，可编程过程控制器(3.2)上的信号AD转换接口(3.4)通过电缆线与计算机(3.1)相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机(3.1)；计算机(3.1)通过信号转换器DA转换接口(3.3)与可编程过程控制器(3.2)相连接，将计算机(3.1)的数字指令传递给可编程过程控制器(3.2)；搅拌器继电器(3.7)与搅拌器(2.2)相连接；pH/DO数据信号接口(3.9)与pH和DO测定仪(2.7)相连接；进水继电器(3.5)与进水泵(2.1)相连接；曝气继电器(3.6)与粘砂块曝气头(2.5)相连接；出水继电器(3.8)与出水阀(2.8)相连接；配水水箱(5)设有配水水箱溢流管(5.1)和配水水箱放空阀(5.2)；厌氧氨氧化反应器(6)设有进水泵(6.1)、三相分离器(6.2)、内循环泵(6.3)、排泥泵(6.4)。
实验采用北京工业大学家属区生活污水作为原水，具体水质如下：COD浓度为120-230mg/L，NH4 +-N浓度58-87mg/L，NO2 --N≤2mg/L，NO3 --N≤1.5mg/L。实验系统如图1所示，各反应器均采用有机玻璃制成，一体化反应器总体积11L，其中有效体积为10L。
具体运行操作如下：
1)系统启动阶段：
一体化反应器(2)接种短程硝化污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥作为种泥，其中反应器中短程硝化污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥质量比为4:1，总的污泥浓度控制在4000-5000mg/L。一体化反应器(2)接种种泥后以1.2-1.5mg/L的曝气量连续曝气1-3天。
2)运行阶段：
一体化反应器(2)运行方式为：一体化反应器(2)水力停留时间为6小时，每天运行4个周期。每周期一开始通过实时控制系统(3)控制进水泵(2.1)将生活污水加入到一体化反应器(2)中，通过气体转子流量计(2.4)调整曝气量，使一体化反应器(2)溶解氧浓度控制在0.8-1.2mg/L，通过实时控制系统(3)控制间歇曝气，每周期6h，包含4min进水，330min间歇曝气，22min沉淀，4min排水。在间歇曝气阶段，所设定的模式为11个周期的先缺氧搅拌22min而后以0.8-1.2mg/L的曝气量低氧曝气8min。一体化反应器(2)通过出水阀(2.8)排水，排水比为50％。选用200微米的筛网对出水的剩余污泥进行筛分，筛除絮体污泥，将截留下来的厌氧氨氧化颗粒污泥在每周期进水阶段末加入到一体化反应器(2)当中，絮体污泥龄为30-50d。一体化反应器(2)内温度控制在30-35℃。
进一步地，一体化反应器(2)运行稳定后，根据出水中氨氮浓度及时调整曝气量。例如，反应器出水氨氮浓度高于5mg/L，则适当增加系统曝气量；同理，当反应器(2)出水氨氮浓度低于5mg/L时，则应适当减少曝气量(一体化反应器(2)溶解氧浓度控制在0.8-1.2mg/L)，以避免反应过程中会出现过曝气现象，影响短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化反应器(2)的稳定性。

Claims (2)

1.间歇曝气模式下短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化生物处理工艺，其特征在于：
所用装置包括城市污水原水水箱(1)、短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化反应器(2)，实时控制系统(3)、出水水箱(4)、配水水箱(5)和厌氧氨氧化反应器(6)；短程硝化厌氧氨氧化同时除磷的一体化反应器(2)以下简称为一体化反应器(2)；
城市污水原水水箱(1)设有原水水箱溢流管(1.1)和原水水箱放空阀(1.2)；城市生活污水通过进水泵(2.1)与一体化反应器(2)相连；一体化反应器(2)设有搅拌器(2.2)、空压机(2.3)、转子流量计(2.4)、粘砂块曝气头(2.5)、pH和DO探头(2.6)、pH和DO测定仪(2.7)、出水阀(2.8)、放空阀(2.9)和生物强化进泥口(2.10)；实时控制系统(3)设有计算机(3.1)、可编程过程控制器(3.2)、信号转换器DA转换接口(3.3)、信号转换器AD转换接口(3.4)、进水继电器(3.5)、曝气继电器(3.6)、搅拌器继电器(3.7)、出水继电器(3.8)和pH/DO信号接口(3.9)；其中，可编程过程控制器(3.2)上的信号AD转换接口(3.4)通过电缆线与计算机(3.1)相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机(3.1)；计算机(3.1)通过信号转换器DA转换接口(3.3)与可编程过程控制器(3.2)相连接，将计算机(3.1)的数字指令传递给可编程过程控制器(3.2)；搅拌器继电器(3.7)与搅拌器(2.2)相连接；pH/DO信号接口(3.9)与pH和DO测定仪(2.7)相连接；进水继电器(3.5)与进水泵(2.1)相连接；曝气继电器(3.6)与粘砂块曝气头(2.5)相连接；出水继电器(3.8)与出水阀(2.8)相连接；配水水箱(5)设有配水水箱溢流管(5.1)和配水水箱放空阀(5.2)；厌氧氨氧化反应器(6)设有进水泵(6.1)、三相分离器(6.2)、内循环泵(6.3)和排泥泵(6.4)；
具体启动与调控的步骤包括如下：
1)系统启动阶段：
一体化反应器(2)接种短程硝化污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥作为接种污泥，其中反应器中短程硝化污泥与厌氧氨氧化颗粒污泥质量比为4:1，总的污泥浓度控制在4000-5000mg/L；一体化反应器(2)接种污泥后以1.2-1.5mg/L的曝气量连续曝气1-3天；
2)运行阶段：
一体化反应器(2)运行方式为：一体化反应器(2)水力停留时间为6小时，每天运行4个周期；每周期一开始通过实时控制系统(3)控制进水泵(2.1)将生活污水加入到一体化反应器(2)中，通过气体转子流量计(2.4)调整曝气量，使一体化反应器(2)溶解氧浓度控制在0.8-1.2mg/L，通过实时控制系统(3)控制间歇曝气，每周期6h，包含4min进水，330min间歇曝气，22min沉淀，4min排水；在间歇曝气阶段，所设定的模式为11个周期的先缺氧搅拌22min而后以0.8-1.2mg/L的曝气量低氧曝气8min；一体化反应器(2)通过出水阀(2.8)排水，排水比为50％；选用200微米的筛网对出水的剩余污泥进行筛分，筛除絮体污泥，将截留下来的厌氧氨氧化颗粒污泥在每周期进水阶段末加入到一体化反应器(2)当中，絮体污泥龄为30-50d；一体化反应器(2)内温度控制在30-35℃。
2.按照权利要求1的工艺，其特征在于，一体化反应器(2)采用生物强化的方法进行启动，接种的硝化污泥选择处理城市生活污水的SBR反应器中稳定运行的短程硝化污泥，厌氧氨氧化颗粒污泥从稳定运行的厌氧氨氧化反应器(6)中接种，其中厌氧氨氧化反应器(6)采用升流式厌氧污泥床的结构形式，厌氧氨氧化反应器(6)设有内回流装置，通过生物强化进泥口将厌氧氨氧化颗粒污泥投加到一体化反应器(2)中。
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