CN108793398B

CN108793398B - 以污泥发酵混合物为碳源的短程反硝化耦合厌氧氨氧化深度脱氮的方法和装置

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Publication number: CN108793398B
Application number: CN201810588932.0A
Authority: CN
Inventors: 彭永臻; 邱圣杰; 张琼; 刘瑾瑾
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2018-06-08
Publication date: 2021-06-25
Anticipated expiration: 2038-06-08
Also published as: CN108793398A

Abstract

以污泥发酵混合物为碳源的短程反硝化耦合厌氧氨氧化深度脱氮的方法和装置，属于城市污水处理及污泥生化处理领域。在反应器SBR1中去除有机物并进行全程硝化去除氨氮，出水进入反应器SBR2，通过投加污泥发酵物控制pH和碳氮比实现短程反硝化并同时进行厌氧氨氧化反应，从而实现低碳氮比生活污水的深度脱氮。本发明通过将剩余污泥的发酵物和生活污水混合处理，能够解决城市生活污水因为碳源不足需投加外加碳源增加成本问题，同时能够实现剩余污泥减量化、资源化利用。

Description

以污泥发酵混合物为碳源的短程反硝化耦合厌氧氨氧化深度脱氮的方法和装置

技术领域

本发明涉及利用剩余污泥碱性发酵混合物强化城市生活污水深度脱氮的方法和装置的控制和优化，属于城市污水处理和污泥生化处理领域。本工艺适用于低碳氮比城市生活污水的深度脱氮。

背景技术

在传统城市生活污水的处理过程中，反硝化菌作为异养菌在反硝化过程中需要有机物作为电子供体将氧化态氮还原为氮气。目前，我国大部分地区城市生活污水的碳氮比较低，处理生活污水普遍存在碳源不足无法满足脱氮要求的问题。现在大部分污水处理厂采用投加乙酸钠、甲醇等碳源来满足出水要求。但是投加碳源一方面似的运营成本增加，同时碳源的投加使得剩余污泥的产量大大增加，极大增加了剩余污泥的处理成本。现阶段剩余污泥的处理处置费用已经达到水厂总体运营成本的50％-60％，剩余污泥的碱性厌氧发酵通过控制过程维持在水解酸化阶段，产生大量利于生物利用的挥发性脂肪酸作为脱氮过程的优质碳源，同时能够使剩余污泥减量达到40％-60％，实现污泥的资源化和减量化处理。污泥发酵会使得污泥的脱水性变差，直接利用污泥发酵物既能减少对于构筑物的需求同时也能节省运营成本。而厌氧氨氧化是节能高效的生物脱氮技术，其反应过程中不需要曝气和有机碳源，污泥产量低，第二阶段利用污泥发酵物中易生物降解的碳源将一阶段出水中的NO₃ ^—-N及厌氧氨氧化生成的NO₃ ^—-N与污泥发酵物中的 NH₄ ⁺-N同步去除，在完成深度脱氮的同时节省运营成本

以污泥发酵混合物为碳源的短程反硝化耦合厌氧氨氧化深度脱氮的方法和装置，以剩余污泥和城市污水作为研究对象。在反应器SBR1中去除有机物并进行全程硝化去除氨氮，出水进入反应器SBR2，通过投加污泥发酵物控制pH和碳源与水中硝氮的比例实现短程反硝化同时进行厌氧氨氧化反应，从而实现低碳氮比生活污水的深度脱氮。本发明通过将剩余污泥的发酵物和生活污水混合处理，能够解决城市生活污水因为碳源不足需投加外加碳源增加成本问题，同时能够实现剩余污泥减量化、资源化利用。

发明内容

针对现有技术所存在的不足，本发明提出一种以污泥发酵混合物为碳源的短程反硝化耦合厌氧氨氧化深度脱氮的方法和装置，生活污水进入处理低碳氮比的第一序批式反应器SBR，首先利用生活污水中的碳源将上周期剩余的硝态氮去除，接下来曝气进行全程硝化，去除污水中的有机物并将生活污水中的氨氮转化为硝态氮。SBR1的出水进入接种厌氧氨氧化污泥的SBR2，这时加入剩余污泥碱性发酵混合物，利用发酵物中大量的可挥发性脂肪酸和可快速降解有机物将 SBR1出水中和厌氧氨氧化过程中产生的硝态氮转化为亚硝态氮，完成短程反硝化过程积累亚硝态氮，同时剩余污泥碱性发酵物中含有的氨氮可以作为厌氧氨氧化的底物同步去除，从而达到深度脱氮的目的。

本发明通过以下技术方案来实现：

(1)碱性厌氧发酵罐启动：剩余污泥碱性厌氧发酵罐(13)采用半连续式反应器，pH控制在9-10，污泥停留时间SRT控制在6-10天，使污泥发酵维持在水解酸化阶段。根据污泥停留时间每天将排放的剩余污泥碱性发酵混合物储存在发酵物储存罐(14)内，并向剩余污泥碱性发酵罐(13)中加入等体积的剩余污泥。

(2)第一序批式反应器SBR启动：以处理生活污水的污泥作为接种污泥加入第一序批式反应器SBR(16)，以生活污水作为原水注入生活污水水箱(7)，通过第二蠕动泵(8)加入第一序批式反应器SBR(16)，每天运行2-3个周期，排水比维持在50％。每个周期包括进水，缺氧搅拌，曝气，沉淀，排水5个过程。维持上述条件运行反应器，维持水中溶解氧控制在2-3mg/L,当曝气结束后氨氮被完全转化为硝态氮时，完成第一序批式反应器SBR(16)的启动调试。

(3)第二序批式反应器SBR启动：以厌氧氨氧化颗粒及絮体污泥作为接种污泥注入第二序批式反应器SBR(21)。以NH₄ ⁺-N与NO₃ ^—-N的配水作为进水加入中间水箱(19)，通过第四蠕动泵(20)加入第二序批式反应器SBR(21)，以乙酸钠作为碳源加入第二序批式反应器SBR(21)，维持碳氮比在5-6，pH维持在 6-8之间，缺氧搅拌2-3个小时，每天运行2-3个周期。当出水的NH₄ ⁺-N和NO₃ ^—--N 浓度小于1mg/L时，完成第二序批式反应器SBR的启动调试。

(4)当第一序批式反应器SBR和SBR2分别启动完成后，将两者串联运行：第一序批式反应器SBR(16)每周期进行进水、缺氧搅拌、曝气、沉淀、排水5 个过程；第二序批式反应器SBR(21)每周期进行进水(第一序批式反应器SBR 出水)、进污泥发酵物、缺氧搅拌、沉淀、排水、闲置6个过程。

第一序批式反应器SBR：

I进水设定进水量为反应器有效体积的50％，通过PLC过程控制器控制，系统启动后，生活污水水箱(7)中的污水通过进水第二蠕动泵(8)进入第一序批式反应器SBR(16)。

II缺氧搅拌进水完成后进入缺氧搅拌阶段，设定搅拌时间为2-3小时。

III曝气开启空压机(18)，为第一序批式反应器SBR(16)提供曝气，维持水中溶解氧为2mg/L，将进水中的NH₄ ⁺-N转化为NO₃ ^—-N，曝气时间控制在2-3 个小时。

IV沉淀设定沉淀时间1-1.5小时。

V排水待泥水分离之后排水，排水比为50％。

第二序批式反应器SBR：

I进水设定进水量为反应器有效体积的50％，通过PLC过程控制器控制，中间水箱(19)中的污水通过进水第四蠕动泵(20)进入第二序批式反应器SBR (21)。

II进污泥发酵物通过实时控制装置控制第三蠕动泵(15)将发酵物储存罐 (14)中的污泥发酵混合物泵入第二序批式反应器SBR(21)。进发酵物量为总体积的2％-5％，通过第二pH控制器(17)控制反应器内pH在6-8之间.

III缺氧搅拌进水和进污泥发酵物完成后进入缺氧搅拌阶段，设定搅拌时间为2-3小时。

IV沉淀设定沉淀时间1-1.5小时

V排水待泥水分离之后排水，排水比50％。

IV闲置设定闲置时间为3小时

综上所述，本发明提供一种以污泥发酵混合物为碳源的短程反硝化耦合厌氧氨氧化深度脱氮的方法和装置，以剩余污泥和城市生活污水作为研究对象，首先通过第一序批式反应器SBR的全程硝化作用去除生活污水中的氨氮，同时去除污水中的有机物。第一序批式反应器SBR的出水进入第二序批式反应器SBR，加入剩余污泥碱性发酵物将进水中的硝态氮和厌氧氨氧化产生的硝态氮通过短程反硝化过程转化为亚硝态氮，同时污泥发酵物中的氨氮作为厌氧氨氧化的底物，通过厌氧氨氧化处理实现深度脱氮，提高了系统的脱氮率。利用污水厂自身排放的污泥进行碱性厌氧发酵，直接利用剩余污泥碱性厌氧发酵物，既处理了污水厂自身的剩余污泥，同时开发利用了剩余污泥中的内碳源，减少了污泥与发酵液的分离过程，节省成本，同时实现了污泥的资源化、减量化。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图

图中：1——计算机；2——PLC过程控制器；3——搅拌器；4——搅拌器； 5——搅拌器；6——温度控制器；7——生活污水水箱；8——第二蠕动泵；9——溶解氧控制器；10——溶解氧控制器；11——第一蠕动泵；12——pH控制器； 13——剩余污泥碱性厌氧发酵罐；14——发酵物储存罐；15——第三蠕动泵；16 ——第一序批式反应器SBR；17——pH控制器：18——空压机：19——中间水箱： 20——第四蠕动泵；21——第二序批式反应器SBR；22——pH控制器。

图2为反应器的运行方式

具体实施方式

结合附图和实例对本申请专利进行进一步的说明，本发明包括剩余污泥碱性发酵罐、第一序批式反应器SBR、第二序批式反应器SBR、发酵物储存罐、生活污水水箱、中间水箱。装置的有效体积分别为5L、10L、10L、3L、40L、40L。其中剩余污泥碱性发酵罐、发酵物储存罐、第一序批式反应器SBR、SBR2由有机玻璃制成；生活污水水箱、中间水箱由有机塑料制成。

该装置包括：剩余污泥通过第一蠕动泵(11)泵入碱性厌氧发酵罐(13)，碱性厌氧发酵罐(13)完全密封，通过第一搅拌器(3)搅拌，罐内安装温度控制装置(6)、第一pH控制器(12)。碱性厌氧发酵罐(13)连接发酵物储存罐 (14)，发酵物储存罐(14)通过第三蠕动泵(15)与第二序批式反应器SBR(21) 连接；生活污水水箱(7)通过进水泵(8)与第一序批式反应器SBR(16)连接。第一序批式反应器SBR(16)中安装有第二搅拌器(4)、第一溶解氧DO控制器 (9)、第二pH控制器(17)，第一序批式反应器SBR(16)中的曝气盘与空压机(18)连接。第一序批式反应器SBR(16)连接中间水箱(19)，中间水箱(19) 通过第四蠕动泵(20)与第二序批式反应器SBR(21)连接。第二序批式反应器 SBR中安装有第三搅拌器(5)、第二溶解氧DO控制器(10)、第三pH控制器(22)。此外，过程控制器(2)连接第一蠕动泵(11)、第二蠕动泵(8)、第三蠕动泵(15)、第四蠕动泵(20)、第一搅拌器(3)、第二搅拌器(4)、第三搅拌器(5)、温度控制器(6)、第一pH控制器(12)、第二pH控制器(17)、第三pH控制器(22)、第一溶解氧DO控制器(9)、第二溶解氧DO控制器(10)、空压机(18)并由计算机(1)控制。

具体实例中使用的城市生活污水取自北京市某家属区化粪池，其中化学需氧量COD在180-230mg/L，NH₄ ⁺-N的浓度在70-80mg/L，C/N在2-4之间，自身碳源无法满足深度脱氮的需要。

具体实施过程：

剩余污泥碱性发酵罐为半连续反应器，污泥浓度MLSS在7000-8000mg/L，污泥停留时间SRT6-8天，控制pH在10±0.2，温度在30±2℃。根据SRT每天排放约800mL剩余污泥碱性发酵物至发酵物储存罐，然后向发酵罐中加入等体积的新鲜剩余污泥。剩余污泥碱性发酵混合物的主要指标为：SCOD为 3380±420mg/L，SCFAs为1221±40mg COD/L，NH₄ ⁺-N为230±20mg/L。

第一序批式反应器SBR启动：以处理正常生活污水的污泥作为接种污泥加入第一序批式反应器SBR，以实际生活污水作为原水注入生活污水水箱，通过蠕动泵加入SBR1，每天运行2-3个周期，排水比维持在50％。每个周期包括进水，缺氧搅拌，曝气，沉淀，排水。维持上述条件运行反应器，当曝气末氨氮完全转化为硝态氮，完成第一序批式反应器SBR的启动调试。

第二序批式反应器SBR启动：以厌氧氨氧化颗粒及絮体污泥作为接种污泥注入第二序批式反应器SBR(21)。以NH₄ ⁺-N与NO₃ ^—-N的配水作为进水加入中间水箱(19)，通过第四蠕动泵(20)加入第二序批式反应器SBR(21)，以乙酸钠作为碳源加入第二序批式反应器SBR(21)，维持碳氮比在5-6，pH维持在6-8之间，缺氧搅拌2-3个小时，当出水的NH₄ ⁺-N和NO₃ ^—-N浓度小于1mg/L时，完成第二序批式反应器SBR的启动调试。

当第一序批式反应器SBR和SBR2分别启动完成后，将两者串联运行：第一序批式反应器SBR(16)每周期进行进水、缺氧搅拌、曝气、沉淀、排水5个过程；第二序批式反应器SBR(21)每周期进行进水(SBR1出水)、进污泥发酵物、缺氧搅拌、沉淀、排水、闲置6个过程(图2)。

第一序批式反应器SBR：

I进水设定进水量为5L，通过PLC过程控制器控制，系统启动后，生活污水水箱中的污水通过进水蠕动泵进入第一序批式反应器SBR。

II缺氧搅拌进水完成后进入厌氧搅拌阶段，设定搅拌时间为2-3小时。

III曝气开启空压机，为第一序批式反应器SBR提供曝气，将进水中的NH₄ ⁺-N 转化为NO₃ ^—-N，曝气时间控制在2-3个小时。

IV沉淀设定沉淀时间1-1.5小时。

V排水待泥水分离之后排水，排水比为50％。

第二序批式反应器SBR：

I进水设定进水量为反应器有效体积的50％，即5L，通过PLC过程控制器控制，中间水箱中的污水通过进水蠕动泵进入第二序批式反应器SBR。

II进污泥发酵物通过实时控制装置控制蠕动泵将发酵物储存罐中的污泥发酵混合物泵入第二序批式反应器SBR。进发酵物量为总体积的2％-5％，约300mL，通过pH控制器控制反应器内pH在6-8之间.

III缺氧搅拌进水和进发酵物完成后进入缺氧搅拌阶段，设定搅拌时间为 2-3小时。

IV沉淀设定沉淀时间1-1.5小时

V排水待泥水分离之后排水，排水比50％。

VI闲置设定闲置时间为3小时。

实验结果表明：运行稳定后，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％，可以实现深度脱氮。

Claims

1.以污泥发酵混合物为碳源的短程反硝化耦合厌氧氨氧化深度脱氮方法，其装置为：剩余污泥通过第一蠕动泵（11）泵入剩余污泥碱性厌氧发酵罐（13），剩余污泥碱性厌氧发酵罐（13）完全密封，通过第一搅拌器（3）搅拌，罐内安装温度控制装置（6）、第一pH控制器（12）；剩余污泥碱性厌氧发酵罐（13）连接发酵物储存罐（14），发酵物储存罐（14）通过第三蠕动泵（15）与第二序批式反应器SBR（21）连接；生活污水水箱（7）通过第二蠕动泵（8）与第一序批式反应器SBR（16）连接；第一序批式反应器SBR（16）中安装有第二搅拌器（4）、第一溶解氧DO控制器（9）、第二pH控制器（17），第一序批式反应器SBR（16）中的曝气盘与空压机（18）连接；第一序批式反应器SBR（16）连接中间水箱（19），中间水箱（19）通过第四蠕动泵（20）与第二序批式反应器SBR（21）连接；第二序批式反应器SBR中安装有第三搅拌器（5）、第二溶解氧DO控制器（10）、第三pH控制器（22）；此外，PLC过程控制器（2）连接第一蠕动泵（11）、第二蠕动泵（8）、第三蠕动泵（15）、第四蠕动泵（20）、第一搅拌器（3）、第二搅拌器（4）、第三搅拌器（5）、温度控制器（6）、第一pH控制器（12）、第二pH控制器（17）、第三pH控制器（22）、第一溶解氧DO控制器（9）、第二溶解氧DO控制器（10）、空压机（18）并由计算机（1）控制；

污泥发酵混合物的指标为：SCOD为3380±420mg/L，SCFAs为1221±40 mg COD/L，NH₄ ⁺-N为230±20 mg/L；

其特征在于包括以下步骤：

（1）剩余污泥碱性厌氧发酵罐启动：剩余污泥碱性厌氧发酵罐（13）采用半连续式反应器，pH控制在9-10，污泥停留时间SRT控制在6-10天，使污泥发酵维持在水解酸化阶段；根据污泥停留时间每天将排放的剩余污泥碱性发酵混合物储存在发酵物储存罐（14）内，并向剩余污泥碱性厌氧发酵罐（13）中加入等体积的剩余污泥；

（2）第一序批式反应器SBR启动：以处理生活污水的污泥作为接种污泥加入第一序批式反应器SBR（16），以生活污水作为原水注入生活污水水箱（7），通过第二蠕动泵（8）加入第一序批式反应器SBR（16），每天运行2-3个周期，排水比维持在50%；每个周期包括进水，缺氧搅拌，曝气，沉淀，排水5个过程；维持上述条件运行反应器，在曝气过程中维持水中溶解氧控制在2-3mg/L,当曝气结束后氨氮被完全转化为硝态氮时，完成第一序批式反应器SBR（16）的启动调试；

（3）第二序批式反应器SBR启动：以厌氧氨氧化颗粒及絮体污泥作为接种污泥注入第二序批式反应器SBR（21）；以NH₄ ⁺-N与NO₃ ^—-N的配水作为进水加入中间水箱（19），通过第四蠕动泵（20）加入第二序批式反应器SBR（21），以乙酸钠作为碳源加入第二序批式反应器SBR（21），维持碳氮比在5-6，pH维持在6-8之间，缺氧搅拌2-3个小时，每天运行2-3个周期；当出水的NH₄ ⁺-N和NO₃ ^—-N浓度小于1mg/L时，完成第二序批式反应器SBR的启动调试；

（4）当第一序批式反应器SBR和第二序批式反应器SBR分别启动完成后，将两者串联运行：第一序批式反应器SBR（16）每周期进行进水、缺氧搅拌、曝气、沉淀、排水5个过程；第二序批式反应器SBR（21）每周期进行进水、进污泥发酵物、缺氧搅拌、沉淀、排水、闲置6个过程；

第一序批式反应器SBR：

I 进水设定进水量为第一序批式反应器SBR有效体积的50%，通过PLC过程控制器控制，系统启动后，生活污水水箱（7）中的污水通过第二蠕动泵（8）进入第一序批式反应器SBR（16）；

II 缺氧搅拌进水完成后进入缺氧搅拌阶段，设定搅拌时间为2-3小时；

III曝气开启空压机（18），为第一序批式反应器SBR（16）提供曝气，维持水中溶解氧为2mg/L，将进水中的NH₄ ⁺-N转化为NO₃ ^—-N，曝气时间控制在2-3个小时；

IV 沉淀设定沉淀时间1-1.5小时；

V排水待泥水分离之后排水，排水比为50%；

第二序批式反应器SBR：

I 进水设定进水量为第二序批式反应器SBR有效体积的50%，通过PLC过程控制器控制，中间水箱（19）中的污水通过第四蠕动泵（20）进入第二序批式反应器SBR（21）；

II进污泥发酵物通过实时控制装置控制第三蠕动泵（15）将发酵物储存罐（14）中的污泥发酵混合物泵入第二序批式反应器SBR（21）；进发酵物量为总体积的2%-5%，通过第三pH控制器（22）控制反应器内pH在6-8之间；

III缺氧搅拌进水和进污泥发酵物完成后进入缺氧搅拌阶段，设定搅拌时间为2-3小时；

IV沉淀设定沉淀时间1-1.5小时；

V 排水待泥水分离之后排水，排水比50%；

IV 闲置设定闲置时间为3小时。