CN109721159A - 缺好氧交替实现同步短程硝化反硝化联合厌氧氨氧化处理低碳城市污水的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
缺好氧交替实现同步短程硝化反硝化联合厌氧氨氧化处理低碳城市污水的装置和方法，属于污水生物处理领域。装置包括原水水箱、中间水箱、一个序批式SBR反应器、一个升流式厌氧污泥床反应器、空压机，蠕动泵等。方法是将生活污水加入第一序批式反应器，在缺氧/好氧/缺氧运行模式下实现同步短程硝化反硝化，除去全部可降解COD和部分总无机氮；其排水经中间水箱进入升流式厌氧污泥床反应器中，其排水中氨氮和亚硝通过厌氧氨氧化反应去除，最终实现生活污水深度脱氮除磷。本发明适用于低C/N城市生活污水，能够减少曝气量，降低能耗，提供碳分离的有效手段，减缓有机物的消耗速度，提高脱氮除磷效率，同时实现剩余污泥的减量化。
Description
技术领域
本发明涉及了使用缺好氧交替实现同步短程硝化反硝化联合厌氧氨氧化处理低碳城市污水的优化控制技术，属于城市生活污水生物处理领域。本工艺适用于低C/N城市生活污水的深度脱氮除磷。
背景技术
随着人口的持续增长和人们生活水平的不断提高，生活污水人均排放量持续增加，加之洗涤剂的普遍使用，城市污水中氮磷含量较高，排入水体后使受纳水体中氮、磷含量增加，进而会导致水体富营养化，破坏水体环境，影响供水水质。从生物脱氮的机理来说，在常规生物脱氮过程中，通过在好氧条件下硝化细菌将NH4 +-N转化为NO3 --N和NO2 --N，然后异养反硝化菌在缺氧条件下以外加碳源作为电子供体还原硝态氮和亚硝态氮为氮气，这个过程需要大量的曝气能耗，同时由于城市生活污水水量大，C/N低，需要大量的外加碳源，处理成本急剧增加。
从污水处理技术来说，活性污泥法是目前应用最广泛的污水生物处理技术，具有运行管理方便、出水水质良好等优点。传统微生物脱氮技术包括微生物的硝化作用和反硝化作用，硝化作用指在好氧环境下氨氮在自养型硝化菌的作用下被氧化成亚硝态氮和硝态氮；反硝化作用是指在缺氧环境下氧化态氮被异养型反硝化菌还原为氮气的过程。因此，鉴于硝化菌和反硝化菌生长环境的差异性，目前多数生物脱氮工艺都将好氧区和缺氧区分隔开，采用间歇的方式或者分别在不同的反应器中从时间或者空间上分开来实现。而同步硝化反硝化技术则可以在一个反应器内实现除碳、硝化以及反硝化，无需外加碳源，基建投资低，运行费用省，具有很重要的现实意义。目前同步硝化反硝化现象可以从微环境理论来加以解释：由于氧扩散的限制，在微生物絮体或生物膜内产生DO梯度，微生物絮体或生物膜的外表面溶解氧较高，以好氧硝化菌及氨化菌为主；深入絮体内部，氧传质受阻及外部氧的大量消耗，产生缺氧区，反硝化菌占优势，从而形成有利于实现同步硝化反硝化的微环境。影响同步硝化反硝化实现的因素包括溶解氧(DO)、温度、絮体结构、污泥龄，有机碳源等。研究者在研究活性污泥法的同步硝化反硝化过程中认为必须在曝气状态下满足两个条件：(1)入流中的碳源应尽可能少地被好氧氧化；(2)曝气池内应维持较大尺度的活性污泥。
厌氧氨氧化技术也是当前污水处理领域的热点，氨氮和亚硝在缺氧条件下被厌氧氨氧化菌利用生成氮气，不会产生温室气体N2O，这个过程无需有机碳源，属于自养脱氮过程，从而能够实现污泥减量且无需曝气能耗。而当前厌氧氨氧化技术所遇到的两个最大瓶颈，其一是NO2 --N的稳定来源；其二是缺乏在进入厌氧氨氧化反应器之前的碳分离手段。而通过同步硝化反硝化技术既可以为厌氧氨氧化菌提供稳定的氨氮和亚硝的来源，又能够利用全部可降解的有机碳源实现总氮损失，减少了有机碳源对于厌氧氨氧化菌的抑制。
通过缺好氧交替实现同步短程硝化反硝化联合厌氧氨氧化处理低碳城市污水的装置和方法，具有以下优点：
1、通过低氧曝气的方式创造微环境，实现良好的同步硝化反硝化效果，最大程度将污水中的有机碳源用来进行反硝化，同时在低氧环境下，AOB竞争溶解氧占据优势，能够稳定实现短程硝化，提高碳源的利用率，减少曝气能耗；
2、通过缺好氧交替运行的方式，可以在第一个缺氧搅拌过程中将生活污水中的COD转化为内碳源，最大限度的利用内碳源进行同步短程硝化反硝化；
3、通过缺好氧交替运行的方式，可以抑制NOB的活性，与低氧曝气的控制手段一起维持稳定的短程硝化，因此，整个反应过程加快，水力停留时间可缩短，反应器容积也可相应减小；
4、通过缺好氧交替运行的方式，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，除磷率达到95％以上；
5、装置内部两侧设有挡板，能够在同一反应器中创造缺氧和好氧两种环境，将有机物氧化、硝化和反硝化在同一个反应器内同时实现，既提高了总氮去除率，还可以有效实现碳分离，消除COD对厌氧氨氧化菌的抑制；
6、同步短程硝化反硝化能够为厌氧氨氧化菌提供稳定的符合化学计量比的氨氮和亚硝，有利于厌氧氨氧化反应的顺利进行，从而实现深度脱氮。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一项通过缺好氧交替实现同步短程硝化反硝化联合厌氧氨氧化处理低碳城市污水的技术手段，将生活污水泵入序批式SBR反应器，采取缺氧搅拌/曝气/缺氧搅拌交替运行的AOA模式，可以在缺氧段贮存内碳源，在好氧段可以实现稳定的短程硝化，硝化细菌将氨氮转化亚硝态氮，然后异养反硝化菌利用可降解的有机物和内碳源同步将亚硝态氮反硝化为氮气。由于生活污水中碳源不足，同步短程硝化反硝化作用并不能进行完全，所剩余的氨氮和亚硝态氮会进入厌氧氨氧化UASB反应器中，利用接种的厌氧氨氧化菌将剩余的氨氮和亚硝去除，从而实现深度脱氮。
在第一个缺氧段，聚磷菌能够分解体内的聚磷酸盐而产生ATP，并利用ATP将废水中的有机物摄入细胞内，以聚β-羟基丁酸等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出体外。而在好氧阶段，聚磷菌利用废水中的BOD5或体内贮存的聚β-羟基丁酸氧化分解所释放的能量来摄取废水中的磷，一部分磷被用来合成ATP，另外绝大部分的磷则被合成为聚磷酸盐而贮存在细胞体内，细胞体内的磷随着剩余污泥排放，从而实现深度除磷。
本发明通过以下技术方案来实现：
缺好氧交替实现同步短程硝化反硝化联合厌氧氨氧化处理低碳城市污水的装置和方法，所用装置由城市污水原水水箱(1)、序批式SBR反应器(2)、中间水箱(4)、厌氧氨氧化UASB反应器(5)串联而成，其进水、曝气、搅拌、出水等过程均由在线监测和反馈控制系统(3)来完成。
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)；城市污水原水水箱(1)通过第一进水泵(2.1)与序批式SBR反应器(2)相连；中间水箱(4)设有中间水箱溢流管(4.1)、中间水箱放空阀(4.2)；中间水箱(4)通过进水泵(5.1)与厌氧氨氧化UASB反应器(5)进水阀相连；序批式SBR反应器(2)设有空压机(2.3)、气体转子流量计(2.4)、黏砂块曝气头(2.5)、搅拌器(2.2)、放空阀(2.9)、pH和DO探头(2.6)、pH和DO监测仪(2.7)、电磁排水阀(2.8)及两侧挡板(2.10)；厌氧氨氧化UASB反应器(5)设有三相分离器(5.2)以及回流泵(5.3)；所述在线监测和反馈控制系统(3)包括计算机(3.1)和可编程过程控制器(3.2)设置信号转换器DA转换接口(3.3)、信号转换器AD转换接口(3.4)、搅拌器继电器(3.7)、pH/DO数据信号接口(3.9)、第一进水继电器(3.5)、第二进水继电器(3.11)、曝气继电器(3.6)、排水继电器(3.8)、回流继电器(3.10)；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监测仪(2.7)相连接；第一进水继电器(3.5)与序批式SBR反应器进水泵(2.1)相连接、第二进水继电器(3.11)与厌氧氨氧化UASB反应器第二进水泵(5.1)相连接；曝气继电器(3.6)与空压机(2.3)相连接；排水继电器(3.8)与电磁排水阀(2.8)相连接；回流继电器(3.10)与回流泵(5.3)相连接。
根据权利要求1所述缺好氧交替实现同步短程硝化反硝化联合厌氧氨氧化处理低碳城市污水的装置，实现缺好氧交替实现同步短程硝化反硝化联合厌氧氨氧化处理低碳城市污水的方法，其特征包括以下内容：
序批式SBR反应器(2)每周期依次经历进水、缺氧搅拌/曝气/缺氧搅拌、沉淀排水3个过程；升流式厌氧污泥床反应器(5)采用连续流的运行方式。
序批式SBR反应器：
1、进水阶段：进水通过第一进水泵(2.1)从原水水箱(1)进水，设定进水量为反应器有效体积的70％-75％，进水通过时控开关控制；
2、缺好氧交替阶段：进水完毕后进入缺好氧交替运行阶段，通过过程控制器控制空压机(2.3)和搅拌器(2.2)来实现1～2h缺氧搅拌/3～4h曝气/1～1.5h缺氧搅拌运行；在反应器一侧放置黏砂曝气头(2.5)，通过pH和DO监测仪器(2.7)和气体转子流量计(2.4)控制曝气阶段挡板(2.10)内测溶解氧控制在0.5mg/L～0.8mg/L，pH在7～7.5；
3、沉淀排水阶段：沉淀排水设定沉淀时间0.5～1h，泥水分离之后排水，排入中间水箱，排水比为70％～75％。
序批式SBR反应器控制污泥龄SRT在15～20d，活性污泥浓度MLSS维持在3000～4000mg/L，水力停留时间HRT在6.7～10.7h。
升流式厌氧污泥床反应器:
将厌氧氨氧化颗粒污泥接种至厌氧氨氧化UASB反应器中，接种污泥量占厌氧氨氧化UASB反应器总体积的1/4～1/3，活性污泥浓度MLSS控制在3000～4000mg/L；通过第二进水泵(5.1)将中间水箱(4)中的二级出水连续泵入到厌氧氨氧化UASB反应器中，水力停留时间HRT为2～3.5h。
与传统的脱氮工艺相比，该发明具有如下优点：
1、通过低氧曝气的方式创造微环境，实现良好的同步硝化反硝化效果，最大程度将污水中的有机碳源用来进行反硝化，同时在低氧环境下，AOB竞争溶解氧占据优势，能够稳定实现短程硝化，提高碳源的利用率，减少曝气能耗；
2、通过缺好氧交替运行的方式，可以在第一个缺氧搅拌过程中将生活污水中的COD转化为内碳源，最大限度的利用内碳源进行同步短程硝化反硝化；
3、通过缺好氧交替运行的方式，可以抑制NOB的活性，与低氧曝气的控制手段一起维持稳定的短程硝化，因此，整个反应过程加快，水力停留时间可缩短，反应器容积也可相应减小；
4、通过缺好氧交替运行的方式，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，除磷率达到95％以上；
5、装置内部两侧设有挡板，能够在同一反应器中创造缺氧和好氧两种环境，将有机物氧化、硝化和反硝化在同一个反应器内同时实现，既提高了总氮去除率，还可以有效实现碳分离，消除COD对厌氧氨氧化菌的抑制；
6、同步短程硝化反硝化能够为厌氧氨氧化菌提供稳定的符合化学计量比的氨氮和亚硝，有利于厌氧氨氧化反应的顺利进行，从而实现深度脱氮。
附图说明：
图1为本发明装置的结构示意图
图中：1——原水水箱；1.1——原水水箱溢流管；1.2——原水水箱放空阀；2——序批式SBR反应器；2.1——第一进水泵；2.2——搅拌器；2.3——空压机；2.4——气体转子流量计；2.5——黏砂块曝气头；2.6——pH和DO探头；2.7——pH和DO监测仪；2.8——电磁排水阀；2.9——放空阀；2.10——挡板；3——在线监测和反馈控制系统；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——第一进水继电器；3.6——曝气继电器；3.7——搅拌器继电器；3.8——排水继电器；3.9——pH/DO数据信号接口；3.10——回流继电器；3.11——第二进水继电器；4——中间水箱；4.1——中间水箱溢流管；4.2——中间水箱放空阀；5——厌氧氨氧化UASB反应器；5.1——第二进水泵；5.2——三相分离器；5.3——回流泵。
图2为本发明中反应器的运行方式图
具体实施方式
结合附图和实例对本申请专利进一步说明：如图1所示，本发明包括原水水箱、中间水箱、序批式SBR反应器、厌氧氨氧化UASB反应器。装置的有效体积分别为30L、30L、10L、3.5L，其中序批式SBR反应器和厌氧氨氧化UASB反应器由有机玻璃制成；中间水箱、原水水箱由有机塑料制成。
所用装置由城市污水原水水箱(1)、序批式SBR反应器(2)、中间水箱(4)、厌氧氨氧化UASB反应器(5)串联而成，其进水、曝气、搅拌、出水等过程均由在线监测和反馈控制系统(3)来完成。
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)；城市污水原水水箱(1)通过第一进水泵(2.1)与序批式SBR反应器(2)相连；中间水箱(4)设有中间水箱溢流管(4.1)、中间水箱放空阀(4.2)；中间水箱(4)通过进水泵(5.1)与厌氧氨氧化UASB反应器(5)进水阀相连；序批式SBR反应器(2)设有空压机(2.3)、气体转子流量计(2.4)、黏砂块曝气头(2.5)、搅拌器(2.2)、放空阀(2.9)、pH和DO探头(2.6)、pH和DO监测仪(2.7)、电磁排水阀(2.8)及两侧挡板(2.10)；厌氧氨氧化UASB反应器(5)设有三相分离器(5.2)以及回流泵(5.3)；所述在线监测和反馈控制系统(3)包括计算机(3.1)和可编程过程控制器(3.2)设置信号转换器DA转换接口(3.3)、信号转换器AD转换接口(3.4)、搅拌器继电器(3.7)、pH/DO数据信号接口(3.9)、第一进水继电器(3.5)、第二进水继电器(3.11)、曝气继电器(3.6)、排水继电器(3.8)、回流继电器(3.10)；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监测仪(2.7)相连接；第一进水继电器(3.5)与序批式SBR反应器进水泵(2.1)相连接、第二进水继电器(3.11)与厌氧氨氧化UASB反应器第二进水泵(5.1)相连接；曝气继电器(3.6)与空压机(2.3)相连接；排水继电器(3.8)与电磁排水阀(2.8)相连接；回流继电器(3.10)与回流泵(5.3)相连接。
实现缺好氧交替实现同步短程硝化反硝化联合厌氧氨氧化处理低碳城市污水的方法，其特征包括以下内容：
序批式SBR反应器(2)每周期依次经历进水、缺氧搅拌/曝气/缺氧搅拌、沉淀排水3个过程；升流式厌氧污泥床反应器(5)采用连续流的运行方式。
序批式SBR反应器：
1、进水阶段：进水通过第一进水泵(2.1)从原水水箱(1)进水，设定进水量为反应器有效体积的70％-75％，进水通过时控开关控制；
2、缺好氧交替阶段：进水完毕后进入缺好氧交替运行阶段，通过过程控制器控制空压机(2.3)和搅拌器(2.2)来实现1～2h缺氧搅拌/3～4h曝气/1～1.5h缺氧搅拌运行；在反应器一侧放置黏砂曝气头(2.5)，通过pH和DO监测仪器(2.7)和气体转子流量计(2.4)控制曝气阶段挡板(2.10)内测溶解氧控制在0.5mg/L～0.8mg/L，pH在7～7.5；
3、沉淀排水阶段：沉淀排水设定沉淀时间0.5～1h，泥水分离之后排水，排入中间水箱，排水比为70％～75％。
序批式SBR反应器控制污泥龄SRT在15～20d，活性污泥浓度MLSS维持在3000～4000mg/L，水力停留时间HRT在6.7～10.7h。
升流式厌氧污泥床反应器:
将厌氧氨氧化颗粒污泥接种至厌氧氨氧化UASB反应器中，接种污泥量占厌氧氨氧化UASB反应器总体积的1/4～1/3，活性污泥浓度MLSS控制在3000～4000mg/L；通过第二进水泵(5.1)将中间水箱(4)中的二级出水连续泵入到厌氧氨氧化UASB反应器中，水力停留时间HRT为2～3.5h。
实验结果表明：同步短程硝化反硝化反应器出水可以实现50％左右的总氮去除率，其中好氧段亚硝积累率可以达到90％左右，出水氨氮和亚硝浓度在15mg/L，出水亚硝与氨氮比值在1～1.2；厌氧氨氧化UASB反应器出水中COD浓度为30～40mg/L，NH4 +-N浓度为0.2～0.5mg/L，P04 3--P浓度为0.2～0.5mg/L，TN、TP去除率均在95％以上。综上所述，缺好氧交替实现同步短程硝化反硝化联合厌氧氨氧化处理低碳城市污水的工艺，能够实现低C/N城市生活污水深度脱氮除磷，同时可以实现剩余污泥减量化。
Claims (2)
1.缺好氧交替实现同步短程硝化反硝化联合厌氧氨氧化处理低碳城市污水的装置，其特征在于，所用装置由城市污水原水水箱(1)、序批式SBR反应器(2)、中间水箱(4)、厌氧氨氧化UASB反应器(5)串联而成；其进水、曝气、搅拌、出水等过程均由在线监测和反馈控制系统(3)来完成。
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)；城市污水原水水箱(1)通过第一进水泵(2.1)与序批式SBR反应器(2)相连；中间水箱(4)设有中间水箱溢流管(4.1)、中间水箱放空阀(4.2)；中间水箱(4)通过进水泵(5.1)与厌氧氨氧化UASB反应器(5)进水阀相连；序批式SBR反应器(2)设有空压机(2.3)、气体转子流量计(2.4)、黏砂块曝气头(2.5)、搅拌器(2.2)、放空阀(2.9)、pH和DO探头(2.6)、pH和DO监测仪(2.7)、电磁排水阀(2.8)及两侧挡板(2.10)；厌氧氨氧化UASB反应器(5)设有三相分离器(5.2)以及回流泵(5.3)；所述在线监测和反馈控制系统(3)包括计算机(3.1)和可编程过程控制器(3.2)设置信号转换器DA转换接口(3.3)、信号转换器AD转换接口(3.4)、搅拌器继电器(3.7)、pH/DO数据信号接口(3.9)、第一进水继电器(3.5)、第二进水继电器(3.11)、曝气继电器(3.6)、排水继电器(3.8)、回流继电器(3.10)；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监测仪(2.7)相连接；第一进水继电器(3.5)与序批式SBR反应器进水泵(2.1)相连接、第二进水继电器(3.11)与厌氧氨氧化UASB反应器第二进水泵(5.1)相连接；曝气继电器(3.6)与空压机(2.3)相连接；排水继电器(3.8)与电磁排水阀(2.8)相连接；回流继电器(3.10)与回流泵(5.3)相连接。
2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于包括：
序批式SBR反应器(2)每周期依次经历进水、缺氧搅拌/曝气/缺氧搅拌、沉淀排水3个过程；升流式厌氧污泥床反应器(5)采用连续流的运行方式；
序批式SBR反应器：
进水阶段：进水通过第一进水泵(2.1)从原水水箱(1)进水，设定进水量为反应器有效体积的70％-75％，进水通过时控开关控制；
缺好氧交替阶段：进水完毕后进入缺好氧交替运行阶段，通过过程控制器控制空压机(2.3)和搅拌器(2.2)来实现1～2h缺氧搅拌/3～4h曝气/1～1.5h缺氧搅拌运行；在反应器一侧放置黏砂曝气头(2.5)，通过pH和DO监测仪器(2.7)和气体转子流量计(2.4)控制曝气阶段挡板(2.10)内测溶解氧控制在0.5mg/L～0.8mg/L，pH在7～7.5；
沉淀排水阶段：沉淀排水设定沉淀时间0.5～1h，泥水分离之后排水，排入中间水箱，排水比为70％～75％；
序批式SBR反应器控制污泥龄SRT在15～20d，活性污泥浓度MLSS维持在3000～4000mg/L，水力停留时间HRT在6.7～10.7h；
升流式厌氧污泥床反应器:
将厌氧氨氧化颗粒污泥接种至厌氧氨氧化UASB反应器中，接种污泥量占厌氧氨氧化UASB反应器总体积的1/4～1/3，活性污泥浓度MLSS控制在3000～4000mg/L；通过第二进水泵(5.1)将中间水箱(4)中的二级出水连续泵入到厌氧氨氧化UASB反应器中，水力停留时间HRT为2～3.5h。
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