CN108840433A - 梯度控制溶解氧实现推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

梯度控制溶解氧实现推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法，属于污水生物处理领域。厌氧发酵UASB反应器将生活污水中的部分有机物转化为甲烷去除；而后其出水进入到推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器，且通过梯度控制溶解氧的方式实现污水中氮素的高效去除。本发明利用生物膜来有效持留反应器中的微生物，抗冲击负荷强，并且减少剩余污泥的产生；而短程硝化厌氧氨氧化一体化的工艺形式，有利于AOB与NOB竞争溶解氧，抑制NOB的生长，有效地将硝化反应控制在亚硝阶段；本系统操作简单，自控能力高；在推流式反应器中曝气量随水流推动逐渐减少，有效利用能源，实现城市生活污水经短程硝化厌氧氨氧化一体化高效脱氮。

Description

梯度控制溶解氧实现推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化处 理城市生活污水的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种梯度控制溶解氧利用短程硝化/厌氧氨氧化固定生物膜去除污水中氮素，属于污水生物处理领域，是一种生活污水脱氮除碳的高效处理方法。
背景技术:
随着城市化的发展，城市生活污水量不断加大；由于我国水体富营养化现象严重，因此污水排放标准越来越严格。城市生活污水存在C/N低问题，应用传统污水脱氮方式，反硝化阶段需外加碳源来实现污水中氮素的去除，且传统硝化阶段曝气能耗大，污水厂运行费用高。
生物膜技术近年来在污水处理中应用很广，在污水中设置填料，有利于生物在上面附着生长，比表面积大，负荷量高，并且生物膜法对比活性污泥法，具有更好的沉降效果；通过生物膜技术持留微生物，微生物生长周期长，且剩余污泥产量少。采用固定生物膜的方法，保证污水与微生物充分混合均匀，增加接触面积。
厌氧氨氧化工艺以其显著的优势——能节省100％的有机物，曝气能耗降低60％，剩余污泥产量降低90％以上，是近几年研究最热的污水处理工艺。厌氧氨氧化工艺的发现为污水处理带来了新的思路，厌氧氨氧化菌具有特殊的细胞结构，其细胞内50％以上的体积被厌氧氨氧化体占据，厌氧氨氧化体是降解污水中氮素的主要场所。已有的厌氧氨氧化工艺应用大多是用于高氨氮废水，因为高氨氮能有效抑制亚硝酸盐氧化菌的生长，促进短程硝化反应的实现，但厌氧氨氧化反应在城市生活污水中的应用正处于研究阶段。厌氧氨氧化工艺以其显著的优势——能节省100％的有机物，曝气能耗降低60％，剩余污泥产量降低90％以上，是近几年研究最热的污水处理工艺。
发明内容：
本发明针对城市生活污水处理提出了一种梯度控制溶解氧实现推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化高效处理城市生活污水的装置和方法，利用生物膜来有效持留反应器中的微生物，抗冲击负荷强，并且减少剩余污泥的产生；而短程硝化厌氧氨氧化一体化的工艺形式，对比分段式短程硝化、厌氧氨氧化，反应器中氨氮浓度高，有利于AOB与NOB竞争溶解氧，抑制NOB的生长，有效地将硝化反应控制在亚硝阶段；本系统反应器采用升流式UASB反应器组合推流式反应器，操作简单，自控能力高；在推流式反应器中曝气量随水流推动逐渐减少，有效利用能源，良好实现城市生活污水经短程硝化厌氧氨氧化一体化高效脱氮。
本发明系统主体反应器为厌氧发酵UASB反应器(2)和推流式短程硝化厌氧氨氧化一体化反应器(4)，污水中的有机物在厌氧发酵UASB反应器中被部分转化去除，进行发酵产氢产甲烷；其出水进入到短程硝化厌氧氨氧化一体化反应器(4)中，污水中有机物对厌氧氨氧化菌的影响减小，附着于填料外层的AOB发挥作用，在氧气充足条件下快速将污水中部分NH4 +-N氧化为NO2 --N，厌氧氨氧化菌利用底物——NH4 +-N和NO2 --N发生反应，生成N2，从水中溢出，将氮素去除，同时反应生成少量NO3 --N。
本发明目的是为了针对城市生活污水低碳氮比水质实现高效脱氮，提出的推流式短程一体化短程硝化/厌氧氨氧化固定生物膜反应器，其特征在于本发明系统包括原水水箱(1)、厌氧发酵UASB反应器(2)、中间水箱(3)、推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器(4)、出水水箱(5)；所述原水水箱(1)通过第一进水泵(2.1)与厌氧发酵UASB反应器(2)相连；进水水箱(1)、中间水箱(3)与出水水箱(5)均设置有溢流管(1.1、3.1、5.1)和排空管(1.2、3.2、5.2)；厌氧发酵UASB反应器(2)的出水管(2.5)与中间水箱相连，污水由第二进水泵(4.13)抽入推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化反应器；所述推流式反应器有5个好氧格(第一好氧格4.1、第二好氧格4.2、第三好氧格4.3、第四好氧格4.4、第五好氧格4.5)，好氧格之中设置有聚丙烯环状固定填料，每个好氧格均设置有搅拌器(4.6)和曝气头(4.10)，在每个反应格外设置有流量计(4.12)，与气泵(4.11)相连，pH探头(4.8)和DO探头(4.9)置于填料旁边，与反应器外的pH和DO测定仪(4.7)相连，为实时监测污水中氨氮浓度，在推流式反应器各个好氧格中设置有氨氮探头(4.15)，与反应器外的氨氮在线测定仪(4.14)相连；推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器(4)通过出水管与出水水箱(5)相连。
所述在线监测系统和反馈控制系统包括计算机(6.1)和可编程过程控制器(6)，其中可编程过程控制器内置信号转换器AD转换接口(6.8)和信号转换器DA接口(6.9)；同时可编程过程控制器左侧自上而下依次设有第一进水蠕动泵继电器(6.2)、第二进水泵继电器(6.3)、曝气继电器(6.4)；右侧自上而下依次设有氨氮数据信号接口(6.5)、搅拌继电器(6.6)pH/DO数据信号接口(6.7)；其中可编程过程控制器上的信号转换器AD接口通过电缆线与计算机相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机，计算机通过信号转换器DA转换接口将数字指令传递给可编程过程控制；进水蠕动泵继电器与进水泵连接；第二进水泵继电器与第二进水泵相连；曝气继电器与气泵连接；pH/DO数据信号接口通过传感器导线与pH/DO测定仪连接；搅拌继电器与搅拌器相连接；氨氮数据信号接口通过传感器导线与氨氮在线监测仪相连接。
反应器中所投加的填料为聚丙烯环装填料，比表面积高，有利于微生物附着，材质轻盈，便于与污水充分混合。
梯度控制溶解氧实现推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法，具有如下特征：
(1)接种污泥及启动阶段：现有的厌氧发酵颗粒污泥接种到厌氧发酵UASB反应器中，使污泥浓度达到7000～8000mg/L，将污水通过进水泵泵入到UASB反应器中，当其出水COD<100mg/L时，完成厌氧发酵UASB反应器的启动，其出水排入中间水箱；将挂好膜(填充比为50～70％)的固定环装生物膜放入推流式反应器；连通中间水箱与推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器，先启动前3个好氧格，将中间水箱污水泵入推流式反应器，当第三个好氧格出水氨氮浓度稳定维持在9-11mg/L时，完成推流式反应器前三个好氧格的启动，此时将后俩个好氧格启动，当出水NH4 +-N浓度低于1mg/L时完成整体反应系统的启动。
(2)运行阶段：将生活污水加入到原水水箱，启动进水泵将污水泵入到厌氧发酵UASB反应器中，污水中的部分有机物被去除，其出水进入中间水箱，在通过进水蠕动泵将污水泵入到推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器中；推流式反应器持续进行搅拌曝气，有机物得到进一步去除，前三个好氧格溶解氧维持在1.0～1.5mg/L，附着在环状填料上的AOB将污水中的NH4 +-N部分氧化为NO2 --N，在厌氧氨氧化菌的作用下，原水中的剩余NH4 +-N和新生成的NO2 --N被转化为N2前快速将污水中的氨氮去除，后俩格溶解氧维持在0.1-0.3mg/L，保证该反应系统出水NH4 +-N在1mg/L以下或NO2 --N在0.5mg/L以下，其出水进入到出水水箱，完成城市生活污水的高效脱氮。
本发明是关于生活污水脱氮的推流式短程硝化厌氧氨氧化一体化固定生物膜装置和方法，具有以下优势：
本系统在厌氧发酵UASB反应器中采用颗粒污泥，污泥沉淀效果好，耐冲击负荷；推流式反应器中采用固定生物膜，有利于微生物持留，不易脱落，基本不产生剩余污泥，不需设置二沉池，节省时间，占地面积小，节省费用。
厌氧发酵利用污水中的有机物，进行产气产甲烷资源化，可用于发电等，有利于污水处理厂实现能源自给。
推流式短程硝化厌氧氨氧化一体化固定生物膜反应器中随水流推动DO逐渐减少，不会过曝气浪费有效能源；且充分的曝气使得反应器中AOB快速发挥作用，加快整体反应进行。
本系统采用升流式UASB反应器组合推流式反应器，整体配置简单，方便操作，有利于实现城市生活污水深度脱氮。
附图说明
图1为推流式短程硝化厌氧氨氧化一体化固定生物膜脱氮装置结构示意图
其中1是原水水箱、2是厌氧发酵UASB反应器、3是中间水箱、4是连续流固定生物膜短程硝化厌氧氨氧化一体化反应器、5是出水水箱；1.1是原水水箱溢流管、1.2是原水水箱排空管；2.1是第一进水泵、2.2是放空管、2.3是三项分离器、2.4是排气管、2.5是出水管；3.1是中间水箱溢流管、3.2是中间水箱排空管；4.1是第一好氧格、4.2是第二好氧格、4.3是第三好氧格、4.4是第四好氧格、4.5是第五好氧格、4.6是搅拌器、4.7是pH和DO测定仪、4.8是pH探头、4.9是DO探头、4.10是曝气头、4.11是气泵、4.12是气体流量计、4.13是第二进水泵、4.14是氨氮在线测定仪、4.15是氨氮探头；5.1是出水水桶溢流管、5.2是出水水桶排空管；6.1为计算机，6.2为第一进水泵继电器，6.3是第二进水泵继电器，6.4为曝气继电器，6.5为氨氮数据信号接口，6.6为搅拌继电器继电器，6.7为pH和DO数据信号接口，6.8为信号输入接口，6.9为信号输出接口。
具体实施方式
如图1所示：推流式短程硝化厌氧氨氧化一体化固定生物膜脱氮装置和方法，其特征在于本发明系统包括原水水箱(1)、厌氧发酵UASB反应器(2)、中间水箱(3)、推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器(4)、出水水箱(5)；所述原水水箱(1)通过第一进水泵(2.1)与厌氧发酵UASB反应器(2)相连；进水水箱(1)、中间水箱(3)与出水水箱(5)均设置有溢流管(1.1、3.1、5.1)和排空管(1.2、3.2、5.2)；厌氧发酵UASB反应器(2)的出水管(2.5)与中间水箱相连，污水由第二进水泵(4.13)抽入推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化反应器；所述推流式反应器有5个好氧格(第一好氧格4.1、第二好氧格4.2、第三好氧格4.3、第四好氧格4.4、第五好氧格4.5)，好氧格之中设置有环状固定填料，每个好氧格均设置有搅拌器(4.6)和曝气头(4.10)，在每个反应格外设置有流量计(4.12)，与气泵(4.11)相连，pH探头(4.8)和DO探头(4.9)置于填料旁边，与反应器外的pH和DO测定仪(4.7)相连，为实时监测污水中氨氮浓度，在推流式反应器各个好氧格中设置有氨氮探头(4.15)，与反应器外的氨氮在线测定仪(4.14)相连；推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器(4)通过出水管与出水水箱(5)相连.
实验所用UASB反应器和推流式反应器均为有机玻璃制成，其中UASB反应器内径15cm，有效容积5L；推流式反应器一共包括5个好氧反应格，容积相同，该反应器有效总容积20L。实验所用生活污水取自北京某高校家属区化粪池污水，其水质具体情况如下：COD为150mg/L～370mg/L，NH4 +-N为55mg/L～89mg/L，NO2 --N为0mg/L～1.0mg/L，NO3 --N为0mg/L～0.5mg/L。
具体操作步骤如下：
接种污泥及启动阶段：将厌氧发酵颗粒污泥接种到厌氧发酵UASB反应器中，使污泥浓度达到7000～8000mg/L，将污水通过进水泵泵入到UASB反应器中，当其出水COD<100mg/L时，完成厌氧发酵UASB反应器的启动；将固定环状生物膜接种到长期稳定运行的短程硝化厌氧氨氧化一体化反应器中，进行挂膜，填料填充比达到50％-70％时完成挂膜，将挂好的生物膜放入到推流式短程硝化厌氧氨氧化一体化反应器中；连通厌氧发酵UASB反应器与短程硝化厌氧氨氧化一体化反应器，使厌氧发酵UASB反应器的出水持续经过推流式反应器前三个好氧格，当第三个好氧格出水氨氮基本稳定维持在10mg/L左右时，完成推流式反应器前三个好氧格的启动，此时将后俩个好氧格启动，当出水NH4 +-N浓度低于1mg/L时完成整体反应系统的启动。
稳定运行阶段：将生活污水加入到原水水箱，启动进水泵将污水泵入到厌氧发酵UASB反应器中，污水中的部分有机物被去除，其出水进入中间水箱，在通过进水蠕动泵将污水泵入到推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器中；推流式反应器持续进行搅拌曝气，有机物得到进一步去除，前三个好氧格溶解氧维持在1.0～1.5mg/L，附着在环状填料上的AOB将污水中的NH4 +-N部分氧化为NO2 --N，在厌氧氨氧化菌的作用下，原水中的剩余NH4 +-N和新生成的NO2 --N被转化为N2前快速将污水中的氨氮去除，后俩格溶解氧维持在0.1-0.3mg/L，保证该反应系统出水NH4 +-N在1mg/L以下或NO2 --N在0.5mg/L以下，其出水进入到出水水箱，完成城市生活污水的高效脱氮。
实验结果表明，稳定运行阶段，出水COD为32.3mg/L～50mg/L，NH4 +-N为0.2mg/L～2mg/L，NO2 --N为0.5mg/L～3.8mg/L，NO3 --N为1.5mg/L～4mg/L，出水总氮浓度小于10mg/L，出水达到污水排放一级A标准。
本发明——梯度控制溶解氧实现一体化短程硝化/厌氧氨氧化高效处理城市生活污水的装置和方法能够广泛应用到城市生活污水及其他低氨氮工业废水的处理。
以上对本发明所提供的梯度控制溶解氧实现短程硝化/厌氧氨氧化高效处理城市生活污水的装置和方法进行了详细的叙述，且本文中应用具体个例对本发明的具体原理与实施步骤进行详细说明，以上实施个例的说明仅用于帮助理解本发明及其核心思想；对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有所改变，综上所述，本说明书内容不应该理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.梯度控制溶解氧实现推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置，其特征在于，包括原水水箱(1)、厌氧发酵UASB反应器(2)、中间水箱(3)、推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器(4)、出水水箱(5)；所述原水水箱(1)通过第一进水泵(2.1)与厌氧发酵UASB反应器(2)相连；进水水箱(1)、中间水箱(3)与出水水箱(5)均设置有溢流管和排空管；厌氧发酵UASB反应器(2)的出水管(2.5)与中间水箱相连，污水由第二进水泵(4.13)抽入推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化反应器；所述推流式反应器有5个好氧格，好氧格之中设置有聚丙烯环状固定填料，每个好氧格均设置有搅拌器(4.6)和曝气头(4.10)，在每个反应格外设置有流量计(4.12)，与气泵(4.11)相连，pH探头(4.8)和DO探头(4.9)置于填料旁边，与反应器外的pH和DO测定仪(4.7)相连，为实时监测污水中氨氮浓度，在推流式反应器各个好氧格中设置有氨氮探头(4.15)，与反应器外的氨氮在线测定仪(4.14)相连；推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器(4)通过出水管与出水水箱(5)相连；
所述在线监测系统和反馈控制系统包括计算机(6.1)和可编程过程控制器(6)，其中可编程过程控制器内置信号转换器AD转换接口(6.8)和信号转换器DA接口(6.9)；同时可编程过程控制器左侧自上而下依次设有第一进水蠕动泵继电器(6.2)、第二进水泵继电器(6.3)、曝气继电器(6.4)；右侧自上而下依次设有氨氮数据信号接口(6.5)、搅拌继电器(6.6)pH/DO数据信号接口(6.7)；其中可编程过程控制器上的信号转换器AD接口通过电缆线与计算机相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机，计算机通过信号转换器DA转换接口将数字指令传递给可编程过程控制；进水蠕动泵继电器与进水泵连接；第二进水泵继电器与第二进水泵相连；曝气继电器与气泵连接；pH/DO数据信号接口通过传感器导线与pH/DO测定仪连接；搅拌继电器与搅拌器相连接；氨氮数据信号接口通过传感器导线与氨氮在线监测仪相连接。
2.应用如权利要求1所述装置进行生活污水脱氮的方法，其特征在于步骤如下：
(1)接种污泥及启动阶段：将厌氧发酵颗粒污泥接种到厌氧发酵UASB反应器中，使污泥浓度达到7000～8000mg/L，将污水通过进水泵泵入到UASB反应器中，当其出水COD<100mg/L时，完成厌氧发酵UASB反应器的启动，其出水排入中间水箱；将挂好膜的固定环装生物膜放入推流式反应器；连通中间水箱与推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器，先启动前3个好氧格，将中间水箱污水泵入推流式反应器，当第三个好氧格出水氨氮基本稳定维持在9-11mg/L时，完成推流式反应器前三个好氧格的启动，此时将后俩个好氧格启动，当出水NH4 +-N浓度低于1mg/L时完成整体反应系统的启动；
(2)运行阶段：将生活污水加入到原水水箱，启动进水泵将污水泵入到厌氧发酵UASB反应器中，污水中的部分有机物被去除，其出水进入中间水箱，在通过进水蠕动泵将污水泵入到推流式一体化短程硝化/厌氧氨氧化生物膜反应器中；推流式反应器持续进行搅拌曝气，有机物得到进一步去除，前三个好氧格溶解氧维持在1.0～1.5mg/L，附着在环状填料上的AOB将污水中的NH4 +-N部分氧化为NO2 --N，在厌氧氨氧化菌的作用下，原水中的剩余NH4 +-N和新生成的NO2 --N被转化为N2前快速将污水中的氨氮去除，后俩格溶解氧维持在0.1-0.3mg/L，保证该反应系统出水NH4 +-N在1mg/L以下或NO2 --N在0.5mg/L以下，其出水进入到出水水箱，完成城市生活污水的脱氮。
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