CN109231448B - 一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置及其运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置及其运行方法，包括调节池、反应池组件和自动控制组件；反应池组件包括微孔曝气盘、穿孔曝气管、膜组器；微孔曝气盘设置于反应池底部，并且通过第一进气管路与第一鼓风机相连接；穿孔曝气管也设置于反应池底部，并且置于膜组器的下方，穿孔曝气管通过第二进气管路与第二鼓风机相连接用于间歇曝气；膜组器的底部还设置有集水盒，集水盒连接排水/排泥管路与膜组件；自动控制组件包括在线检测仪组件、可编程PLC控制器、加氨氮/碱液调节器。其具有快速实现颗粒化、结构设计合理、操作使用方便、维护成本低、自动化智能化程度高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置及其运行方法。
背景技术
传统生物脱氮工艺是指硝化反硝化，即通过硝化菌将污水中的氨氮氧化成硝态氮，再通过反硝化菌利用有机物将硝态氮还原为氮气的过程。传统生物脱氮工艺运行成本高、操作复杂、抗冲击负荷低、并产生大量反硝化污泥，针对以上问题，研究人员开发出了多种新型脱氮工艺，如短程硝化反硝化工艺、同步硝化反硝化工艺、反硝化除磷工艺、厌氧氨氧化工艺等。其中厌氧氨氧化工艺是目前公认较经济高效的污水脱氮工艺，其原理是厌氧氨氧化菌以氨氮和亚硝酸盐为基质，生成氮气和硝氮的过程，大大缩短了传统硝化反硝化工艺的反应流程。厌氧氨氧化工艺与传统脱氮工艺相比具有明显的优势：①厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐为电子受体，脱氮过程中不需要有机碳源；②硝化过程只需将1/2的氨氮氧化至亚硝酸盐，约节省曝气能耗50％；③厌氧氨氧化菌为化能自养菌，在脱氮过程中污泥产量仅为传统硝化反硝化污泥产量的10％左右，大大节省后续污泥处置费用；另外厌氧氨氧化技术应用于高氨氮废水处理中，可较大幅度节省运行费用，产生显著的经济效益。同时厌氧氨氧化工艺与传统工艺相比可减少温室气体二氧化碳的排放，环境效益明显。
近年来，有大批科研人员投身于厌氧氨氧化新型生物脱氮工艺的菌种富集和功能强化中。如山东大学的倪寿清发明的“一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的方法”，在UASB反应器中接种失活产甲烷颗粒污泥和厌氧氨氧化絮状污泥的混合污泥，通过人工配水，连续进水，控制产水回流保证反应器1-2m/h的上升流速，快速获得红棕色厌氧氨氧化颗粒污泥；北京城市排水集团有限公司的韩晓宇发明的“一体化厌氧氨氧化颗粒污泥脱氮装置及控制方法”中，通过接种运行稳定的生物膜反应器的混合污泥和厌氧氨氧化反应器的颗粒污泥，通过控制反应器的低溶氧、游离氨抑制实现短程硝化-厌氧氨氧化，利用反应器的底部曝气系统、搅拌器，pH计、ORP在线监测仪，以高氨氮进水，实现厌氧氨氧化颗粒污泥的形成和倍增；北京工业大学发明的“一种快速形成厌氧氨氧化颗粒污泥的方法”专利中，在SBR反应器中，氨氮和亚硝的浓度均为50mg/L，同时每天向反应器的营养液中加入一定浓度的AHLS群体感应信号分子，通过间歇培养，在短时间内获得颗粒污泥效果好的厌氧氨氧化颗粒污泥。
厌氧氨氧化工艺因反应无需外加有机碳源、脱氮负荷高、节省能耗、减少温室气体CO2排放等优点，但在工程应用中存在以下问题：(1)生物膜厌氧氨氧化菌环境敏感度高、抗冲击负荷低、储存和新工程接种成本高；(2)厌氧氨氧化菌污泥颗粒化周期长、工况条件控制难度大。本发明正是基于上述研究背景下而提出，旨在快速实现厌氧氨氧化污泥的颗粒化。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术中厌氧氨氧化工艺存在的不足，提供一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置及其运行方法，其具有颗粒化周期短、结构设计合理、操作使用方便、维护成本低、自动化智能化程度高、能够有效解决现有技术中厌氧氨氧化工艺中存在的上述不足等优点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置，该装置包括调节池、反应池组件和自动控制组件；所述调节池分别与初沉池的出水管、反应池组件的进水管相连接；所述反应池组件包括微孔曝气盘、穿孔曝气管、膜组器；所述微孔曝气盘设置于反应池底部，并且通过第一进气管路与第一鼓风机相连接；所述穿孔曝气管也设置于反应池底部，并且置于膜组器的下方，所述穿孔曝气管通过第二进气管路与第二鼓风机相连接用于间歇曝气；所述膜组器的底部还设置有集水盒，所述集水盒连接排水/排泥管路与膜组器；所述自动控制组件包括在线检测仪组件、可编程PLC控制器、加氨/碱液调节器；所述在线检测仪组件与可编程PLC控制器数据信号连接；所述可编程PLC控制器与加氨/碱液调节器控制连接。
作为上述方案的进一步优化，第一进气管路上设置有第一进气阀门和第一气体流量计；所述第二进气管路上设置有第二进气阀门和第二气体流量计；所述第一气体流量计、第二气体流量计分别与可编程PLC控制器数据信号连接；所述可编程PLC控制器分别与第一进气阀门、第二进气阀门控制连接；所述反应池组件的进水管上设置有第一液体流量调节阀和第一液体流量计；所述排水/排泥管路上设置有第二液体流量调节阀和第二液体流量计；所述第一液体流量计、第二液体流量计均与可编程PLC控制器数据信号连接；所述可编程PLC控制器与第一液体流量调节阀、第二液体流量调节阀控制连接。
作为上述方案的进一步优化，所述自动控制组件还包括设置于反应池中的加热棒、温度传感器和温度调节器，所述温度传感器与可编程PLC控制器数据信号连接，所述加热棒与温度调节器相连接，所述可编程PLC控制器与温度调节器控制连接。
作为上述方案的进一步优化，所述在线检测仪组件包括与可编程PLC控制器数据信号连接的溶解氧浓度在线检测仪、氨氮浓度在线检测仪、PH在线检测仪。
作为上述方案的进一步优化，所述自动控制组件还包括与可编程PLC控制器相连接的无线收发器，所述无线收发器通过无线网络与云服务器通信连接，所述云服务器通过无线网络与远程监控中心或者智能移动终端相连接。
作为上述方案的进一步优化，所述微孔曝气盘直径270mm，孔径φ6mm，充氧能力0.223-0.529kgO2/h；所述穿孔曝气管的孔径φ4-10mm，穿孔间距为150-250mm，可根据混合液所需的剪切力和所使用的鼓风机的风压大小调节穿孔管的孔径和间距，为有效利用穿孔管路的气量的溶氧效率，可选用较小孔径的穿孔管。
本发明上述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置的运行方法包括如下步骤：
1)初沉水经过反应池的进水管进入反应池中，在进入反应池前，打开并调节第一液体流量调节阀，将装置的水力停留时间控制在2天；打开第一鼓风机和第一进气阀门，并调节第一进气阀门使反应池中的污泥混合液的溶解氧浓度＜0.1mg/L；打开加热棒，使装置反应池内混合液的温度控制在30-35℃；打开加氨/碱液调节器，补充装置的氨氮浓度使浓度在100-200mg/L，使装置的pH值控制在7.8-8.3之间；
2)打开第二液体流量调节阀，进行排絮体过程；
3)打开第二进气管路上的第二进气阀门，进行间歇曝气，根据反应器的污泥粒径的增长情况，可采用每4-8h曝气一次，每次曝气时间20-60min，单次曝气的曝气频率控制在0.002-0.004m3/m2·s，一方面为系统絮体颗粒化提供剪切力，一方面防止筛网表面形成泥饼层，影响排泥效果；
4)重复上述步骤2)-3)；
5)根据反应器的污泥粒径的增长情况和反应器内污泥浓度的增长情况，调整排泥、间歇曝气的时间和频率，使系统的排泥量小于系统的污泥浓度的增长量，反应器内的污泥粒径呈增长趋势，直到污泥粒径和污泥浓度增大到所需值时停止。
采用本发明的快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置及其运行方法具有如下有益效果：
本发明利用筛网实现系统对颗粒的筛分，采用穿孔曝气为污泥颗粒化提供剪切力，利用初沉池进水的有机物使系统异养菌增值，以补充自养菌分泌胞外聚合物不足，快速实现厌氧氨氧化污泥的颗粒化。可根据反应器内粒径的分布选择合适的筛网粒径，进而筛选出工程所需的颗粒，同时根据反应器内污泥颗粒粒径的增值情况变换不同孔径的筛网；穿孔曝气管可形成较微孔曝气盘更大的气泡，为混合液提供更大的剪切力，防止筛网表面形成泥饼层，且大气泡的氧传输效果较差对系统的溶氧不会产生不利影响；厌氧氨氧化菌是自养菌，生长缓慢，分泌胞外聚合物少，而胞外聚合物是絮体颗粒化的重要因素，故利用生长速度更快的异养菌分泌胞外聚合物，结合筛网的筛分和厌氧氨氧化菌最优的生长条件控制，可快速实现厌氧氨氧化污泥的颗粒化。
附图说明
附图1为本发明快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置结构示意图。
图中各个附图标记的含义及作用如下：
1-调节池：用于调节进水水量，满足反应器进水水量要求；
2-反应池组件：作为整个装置的核心组件；
3-微孔曝气盘：用于反应器运行曝气系统，为系统好氧微生物提供氧气，同时保证反应器混合均匀；
4-穿孔曝气管：为系统快速颗粒化提供适宜的剪切力，同时冲刷筛网表面，延缓膜污染。
5-膜组器：用于系统快速颗粒化的排泥装置；
6-第一鼓风机：为微孔曝气盘的溶氧和剪切力提供动力；
7-第二鼓风机：为穿孔曝气管的溶氧和剪切力提供动力；
8-集水盒：与膜组件和排水/泥管连接，用于收集含SS水；
9-排水/泥管：与膜组器相连接的排水/泥管；
10-在线检测仪装置：实时观察整个装置基质和运行工况的变化情况；
11-加氨/碱液调节器：为整个装置补充基质氨和碱度；
12-第一进气阀门：用于控制第一进气管路上的进气启闭；
13-第一气体流量计：用于量化第一进气管路的进气量；
14-第二进气阀门：用于控制第一进气管路上的进气启闭；
15-第二气体流量计：用于量化第二进气管路的进气量；
16-第一液体流量调节阀：对进水管上的液体流量进行调节；
17-第一液体流量计：用于量化反应器的进水水量；
18-第二液体流量调节阀：对排水/排泥管路上的液体流量进行调节；
19-加热棒：对反应池中的液体进行加热。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置及其运行方法作以详细说明。
一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置，该装置包括调节池1、反应池组件2和自动控制组件；所述调节池分别与初沉池的出水管、反应池组件的进水管相连接；所述反应池组件包括微孔曝气盘3、穿孔曝气管4、膜组器5；所述微孔曝气盘设置于反应池底部，并且通过第一进气管路与第一鼓风机6相连接；所述穿孔曝气管也设置于反应池底部，并且置于膜组器的下方，所述穿孔曝气管通过第二进气管路与第二鼓风机7相连接用于间歇曝气；所述膜组器的底部还设置有集水盒8，所述集水盒连接排水/排泥管路9与膜组件5；所述自动控制组件包括在线检测仪装置10、可编程PLC控制器、加氨/碱液调节器11；所述在线检测仪组件与可编程PLC控制器数据信号连接；所述可编程PLC控制器与加氨/碱液调节器控制连接。
第一进气管路上设置有第一进气阀门12和第一气体流量计13；所述第二进气管路上设置有第二进气阀门14和第二气体流量计15；所述第一气体流量计、第二气体流量计分别与可编程PLC控制器数据信号连接；所述可编程PLC控制器分别与第一进气阀门、第二进气阀门控制连接；所述反应池组件的进水管上设置有第一液体流量调节阀16和第一液体流量计17；所述排水/排泥管路上设置有第二液体流量调节阀18和第二液体流量计；所述第一液体流量计、第二液体流量计均与可编程PLC控制器数据信号连接；所述可编程PLC控制器与第一液体流量调节阀、第二液体流量调节阀控制连接。
所述自动控制组件还包括设置于反应池中的加热棒19、温度传感器和温度调节器，所述温度传感器与可编程PLC控制器数据信号连接，所述加热棒与温度调节器相连接，所述可编程PLC控制器与温度调节器控制连接。
所述在线检测仪组件包括与可编程PLC控制器数据信号连接的溶氧在线检测仪、氨氮浓度在线检测仪、pH在线检测仪。
所述自动控制组件还包括与可编程PLC控制器相连接的无线收发器，所述无线收发器通过无线网络与云服务器通信连接，所述云服务器通过无线网络与远程监控中心或者智能移动终端相连接。
所述微孔曝气盘直径270mm，孔径φ6mm，充氧能力0.223-0.529kgO2/h；所述穿孔曝气管的孔径φ4-10mm，穿孔间距为150-250mm。
本发明上述快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置的运行方法包括如下步骤：
1)初沉水经过反应池的进水管进入反应池中，在进入反应池前，打开并调节第一液体流量调节阀，将装置的水力停留时间控制在2天；打开第一鼓风机和第一进气阀门，并调节第一进气阀门使反应池中的污泥混合液的溶解氧浓度＜0.1mg/L；打开加热棒，使装置反应池内混合液的温度控制在30-35℃；打开加氨/碱液调节器，补充装置的氨氮浓度使浓度在100-200mg/L，pH值控制在7.8-8.3之间；
2)打开第二液体流量调节阀，进行排絮体过程；
3)打开第二进气管路上的第二进气阀门，进行间歇曝气，根据反应器的污泥粒径的增长情况，可采用每4-8h曝气一次，每次曝气时间20-60min，单次曝气的曝气频率控制在0.002-0.004m3/m2·s，一方面为系统絮体颗粒化提供剪切力，一方面防止筛网表面形成泥饼层，影响排泥效果；
4)重复上述步骤2)-3)；
5)根据反应器的污泥粒径的增长情况和反应器内污泥浓度的增长情况，调整排泥、间歇曝气的时间和频率，使系统的排泥量小于系统的污泥浓度的增长情况，反应器内的污泥粒径呈增长趋势，直到污泥粒径和污泥浓度增大到所需值时停止。
下面以具体试验对本发明的有益效果作进一步说明。
1.实验采用初沉水为进水，初沉水的原水是某区域生活污水，其中初沉水的工艺参数是进水氨氮＜50mg/L，COD＜200mg/L，硫酸盐＜50mg/L，TP＜10mg/L，亚硝酸盐和硝酸盐均＜0.01mg/L。
2.在运行过程中，通过在线加药装置补充氨氮，反应器的氨氮在70-150mg/L间；为避免出现亚硝积累，通过控制鼓风机的频率(0-50Hz，气量约为20-30m3/h)，使DO＜0.1mg/L，亚硝含量控制在10mg/L以下；根据厌氧氨氧化反应方程式，在反应过程中产生硝酸盐，为避免系统出现高盐环境，控制初沉水的进水水量和筛网装置的产水水量，将系统的硝酸盐排除，同时保持反应器的恒定液位；
3.本发明的反应过程是，氨氮在限氧条件下亚硝化成亚硝酸氮，生成的亚硝酸氮和剩余的氨氮进行厌氧氨氧化反应生成氮气和硝酸氮；其中亚硝化过程产酸，厌氧氨氧化过程产碱，且亚硝化的产酸量大于厌氧氨氧化反应的产碱量，故为保证厌氧氨氧化菌的适宜生长条件，需对系统补充碱度(例如为氢氧化钠、碳酸氢钠等碱性物质)，使系统的pH控制在7.8-8.3之间；
4.为保证系统絮状物质的增值量小于系统筛除絮体的量，同时保证反应器中有一定比例的好氧菌，以利用其分泌的胞外聚合物实现厌氧氨氧化菌的快速颗粒化，控制进水量为12-15m3/d(进水流量1-1.25m3/h，进水时间12h)；
5.为了加大系统的剪切力，本发明采用穿孔曝气系统，其中穿孔管孔径在3-6mm间，开孔方向向下与水平方向成45度角，根据反应器颗粒粒径的生长情况，系统的曝气强度在8-12m3/m2h，曝气频率为60-100min/d，其中曝气分3-4次完成。
6.在上述条件下，反应器连续运行30天后发现，总氮去除速率由0.15kg N/m3d增加至0.3-0.5kg N/m3d，混合液的中粒径由161μm增加至280-350μm之间。
7.同一反应器，以同一初沉水为进水来源，采用SBR反应器的运行模式(曝气2h，沉淀45min，撇水1h)，反应器稳定运行阶段30天后，总氮去除速率达0.15kgN/m3d，一个月内污泥粒径由100μm增加值120-152μm。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置，其特征在于：该装置包括调节池(1)、反应池组件(2)和自动控制组件；所述调节池分别与初沉池的出水管、反应池组件的进水管相连接；所述反应池组件包括微孔曝气盘(3)、穿孔曝气管(4)、膜组器(5)；所述微孔曝气盘设置于反应池底部，并且通过第一进气管路与第一鼓风机(6)相连接；所述穿孔曝气管也设置于反应池底部，并且置于膜组器的下方，所述穿孔曝气管通过第二进气管路与第二鼓风机(7)相连接用于间歇曝气；所述膜组器的底部还设置有集水盒(8)，所述集水盒连接膜组件(5)和排水/排泥管路(9)；所述自动控制组件包括在线检测仪组件(10)、可编程PLC控制器、加氨/碱液调节器(11)；所述在线检测仪组件与可编程PLC控制器数据信号连接；所述可编程PLC控制器与加氨/碱液调节器控制连接；
第一进气管路上设置有第一进气阀门(12)和第一气体流量计(13)；所述第二进气管路上设置有第二进气阀门(14)和第二气体流量计(15)；所述第一气体流量计、第二气体流量计分别与可编程PLC控制器数据信号连接；所述可编程PLC控制器分别与第一进气阀门、第二进气阀门控制连接；所述反应池组件的进水管上设置有第一液体流量调节阀(16)和第一液体流量计(17)；所述排水/排泥管路上设置有第二液体流量调节阀(18)和第二液体流量计；所述第一液体流量计、第二液体流量计均与可编程PLC控制器数据信号连接；所述可编程PLC控制器与第一液体流量调节阀、第二液体流量调节阀控制连接；
所述自动控制组件还包括设置于反应池中的加热棒(19)、温度传感器和温度调节器，所述温度传感器与可编程PLC控制器数据信号连接，所述加热棒与温度调节器相连接，所述可编程PLC控制器与温度调节器控制连接；
所述在线检测仪组件包括与可编程PLC控制器数据信号连接的溶解氧浓度在线检测仪、氨氮浓度在线检测仪、PH在线检测仪；
所述自动控制组件还包括与可编程PLC控制器相连接的无线收发器，所述无线收发器通过无线网络与云服务器通信连接，所述云服务器通过无线网络与远程监控中心或者智能移动终端相连接；
所述微孔曝气盘直径270mm，孔径φ6mm，充氧能力0.223-0.529kgO2/h；所述穿孔曝气管的孔径φ4-10mm，穿孔间距为150-250mm
所述的快速实现厌氧氨氧化颗粒化的装置的运行方法包括如下步骤：
1)初沉水经过反应池的进水管进入反应池中，在进入反应池前，打开并调节第一液体流量调节阀，将装置的水力停留时间控制在2天；打开第一鼓风机和第一进气阀门，并调节第一进气阀门使反应池中的溶解氧浓度＜0.1mg/L；打开加热棒，使装置反应池内混合液的温度控制在30-35℃；打开加氨/碱液调节器，补充装置的氨氮浓度使浓度在100-200mg/L，使装置的pH值控制在7.8-8.3之间；
2)打开第二液体流量调节阀，进行排絮体过程；
3)打开第二进气管路上的第二进气阀门，进行间歇曝气，根据反应器的污泥粒径的增长情况，采用每4-8h曝气一次，每次曝气时间20-60min，单次曝气的曝气频率控制在0.002-0.004m3/m2·s，一方面为系统絮体颗粒化提供剪切力，一方面防止筛网表面形成泥饼层，影响排泥效果；
4)重复上述步骤2)-3)；
5)根据反应器的污泥粒径的增长情况和反应器内污泥浓度的增长情况，调整排泥、间歇曝气的时间和频率，使系统的排泥量小于系统的污泥浓度的增长量，保证反应器内的污泥粒径呈增长趋势；直到污泥粒径和污泥浓度增大到所需值时停止。
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