CN109970200B

CN109970200B - 基于短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法

Info

Publication number: CN109970200B
Application number: CN201910358954.2A
Authority: CN
Inventors: 彭永臻; 肖海克; 张琼
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2021-10-01
Anticipated expiration: 2039-04-30
Also published as: CN109970200A

Abstract

基于短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法，属于市政生活污水处理领域，该装置包括原污水箱、1号SBR、中间水箱、2号SBR等组成。方法为：生活污水首先进入1号SBR，反硝化聚磷菌厌氧释磷的同时吸收污水中的外碳源转化为内碳源，然后将1号SBR的出水排入2号SBR进行短程硝化反应，反应结束后将2号SBR的出水回流至1号SBR中，进行短程反硝化除磷，厌氧氨氧化以及内源短程反硝化反应，实现城市生活污水的脱氮除磷，本发明的双污泥系统充分利用原水中的有机碳源，无需外加碳源，节省曝气能耗，降低运行费用，是处理城市生活污水的一种经济高效的新途径。

Description

基于短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法，属于市政生活污水处理领域，本发明适用于新建城市污水处理厂或旧水厂提标改造、市政生活污水和工业废水处理等污水处理领域，具体是将城市生活污水首先进入1 号SBR，1号SBR中的反硝化聚磷菌在厌氧条件下释磷的同时吸收污水中的外碳源转化为内碳源PHA，然后静置沉淀后上清液排入第一中间水箱，第一中间水箱的水再进入2号SBR中，在2号SBR中，进行的是短程硝化反应，在溶解氧DO为0.5-1.5mg/L条件下将生活污水中的氨氮(NH₄ ⁺)转化为亚硝态氮(NO₂ ^-)，在2号SBR反应完毕后，静置沉淀将上清液排入第二中间水箱，第二中间水箱的出水再通过蠕动泵回流至1号SBR中，利用短程硝化出水中含有的亚硝态氮(NO₂ ^-)和上一周期1号SBR中的氨氮(NH₄ ⁺)，发生短程反硝化除磷反应，厌氧氨氧化反应以及内源短程反硝化反应，反应结束之后静置沉淀排水，能够实现城市生活污水的脱氮除磷，同时相较于传统的生物脱氮除磷工艺，该工艺具有节省有机碳源和节省曝气量，大大降低污水处理厂的运行能耗。

背景技术

自21世纪以来，在全世界范围内，由于经济的快速发展，由氮磷等营养盐物质引起的富营养化现象在世界各国范围内普遍出现，随着我国大力推进污染减排措施，在保护水体和生态环境的过程中有一定的效果和成绩，然而仍然需要警惕的是，国内的水体富营养化问题和污染问题仍然日趋严重，水体富营养化的湖泊和区域在持续增加，各种污染问题日益显现出来，这目前已经成为影响我国水安全的最突出因素，防治形势十分严峻，对水环境的保护刻不容缓。

目前我国已经制定了较为严格的城市污水处理厂的出水水质，尤其是对出水的氮和磷等指标的要求日益严格，然而在在我国的城市污水处理厂中，传统的生物脱氮除磷工艺较为单一，导致污水处理厂的运行能耗普遍较高，同时由于城市生活污水中含有可利用的有机碳源较少，往往需要外加碳源来提高污水的处理效果，传统的硝化反硝化生物脱氮工艺不仅用宝贵的曝气能源浪费了污水中更加可贵的有机碳源，同时投加外碳源也增加了污水厂的运行费用。

对于低碳氮比的城市生活污水来说，采用传统的好氧硝化，缺氧反硝化工艺处理污水时，原生活污水中的有机物在曝气阶段被消耗完全，而在后续的缺氧反硝化过程中由于需要碳源作用电子供体而导致生活污水中缺乏碳源而导致反硝化不彻底，这个过程中不仅会浪费原水中有限的碳源和曝气能耗，而且最关键的是该工艺的处理效果在实际工程应用中并不是很理想，不能满足我国现今制定的严格的污水排放标准，因此目前来看研究低能耗、处理效果和效率都较高的城市生活污水脱氮除磷工艺已经成为污水处理过程中的一项重要的工作，刻不容缓。

反硝化除磷理论及其技术的提出与发展，为污水生物脱氮除磷提供了一种新的思路，可以实现同步脱氮除磷的目的。反硝化除磷技术是利用反硝化聚磷菌(DPAOs)在厌氧/缺氧环境中表现出不同的生理特性实现的，在厌氧环境下，DPAOs反硝化除磷菌可以利用污水中的VFA合成内碳源PHA，而在缺氧环境下，DPAOs反硝化除磷菌可以利用硝酸盐氮作为电子受体，以厌氧段贮存的内碳源PHA作为电子供体实现过量吸磷，在反硝化除磷过程中，可以实现一碳两用，节约碳源。

同时近年来相关还研究发现，反硝化过程一般都要经历中间产物亚硝酸盐，因此可以认为亚硝酸盐能够参与反硝化除磷过程。若将氨氮的氧化控制在亚硝化阶段，再进行以亚硝酸盐为电子受体的短程反硝化除磷无疑将更是有意义的，该过程具有如下优势：(1)硝化阶段可节省供氧量，降低能耗；(2)可减少有机碳源；(3)缩短反应时间。

厌氧氨氧化反应是在缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以氨氮(NH₄ ⁺)作为电子供体将亚硝酸盐氮(NO₂ ^-)还原为氮气的反应过程。厌氧氨氧化作为一种高效的生物脱氮工艺，因其高容积去除效率具有很好的开发和应用前景。人们对厌氧氨氧化工艺的研究始于 20世纪末，在21世纪初开发成功，目前在垃圾渗滤液、污泥消化液等高浓度氨氮废水的脱氮处理中已有很多成功的案例。

同时必须注意到的是，虽然厌氧氨氧化工艺是一种新型的生物脱氮工艺，与传统工艺相比具有无需供养和有机碳源，剩余污泥量少等许多优点，是目前公认的最经济高效的污水生物脱氮技术，但是厌氧氨氧化也存在着一些工程应用上的难点，如在城市污水处理厂中难以稳定持留，生长速率较慢，底物亚硝酸盐基质较难获取等，一般在厌氧氨氧化反应过程中，亚硝酸盐基质的获取通常都是通过短程硝化来获取的，短程硝化的实现主要通过限制溶解氧，游离氨抑制及高温运行等策略来抑制或者淘洗NOB,使硝化反应只进行到亚硝酸盐氮(NO₂ ^-)这一步而不继续氧化为硝酸盐氮(NO₃ ^-)。

DEAMOX(Denitrifying Ammonium Oxidation)工艺作为一种全新的生物脱氮工艺是由荷兰的研究人员在2006年在厌氧氨氧化工艺的基础上结合异养反硝化提出的。该工艺可以将废水中的氨氮和硝态氮同步去除，即在一个反应器中反硝化反应和厌氧氨氧化反应同时发生，厌氧氨氧化反应中所需要的底物之一亚硝态氮可以由反硝化过程产生，另外可以将厌氧氨氧化反应的产物硝态氮同步去除，降低出水TN浓度，相比于短程硝化厌氧氨氧化脱氮工艺而言，DEAMOX工艺能够将厌氧氨氧化产生的硝态氮(NO₃ ^-)再进一步的通过短程反硝化和厌氧氨氧化工艺进一步去除污水中的总氮，污水处理效率可以得到进一步的提高。

发明内容

本发明提出一种基于短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法，一方面该装置采用双污泥短程反硝化除磷技术，成功地解决了传统工艺中反硝化聚磷菌、反硝化菌与硝化菌的污泥龄矛盾问题，短程硝化反应在2号SBR中进行，短程硝化液回流到1号SBR的缺氧段为短程反硝化除磷提供了充足的电子受体，短程反硝化除磷技术实现了“一碳两用”，节省了碳源；另一方面，在1号SBR中放置聚乙烯塑料环填料，为厌氧氨氧化菌生长提供载体，1号SBR上一周期生活污水中的氨氮(NH₄ ⁺)和2 号SBR的短程硝化出水混合进行厌氧氨氧化反应，短程反硝化除磷反应，由短程硝化出水中带有的部分硝态氮和厌氧氨氧化产生的部分硝态氮在贮存的内碳源的作用下，进行内源短程反硝化反应和厌氧氨氧化反应，同时由于反应器中有聚乙烯塑料环填料，厌氧氨氧化菌能够稳定持留在反应器中。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

基于短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置，其特征在于，包括原污水箱(1)，第一蠕动泵(2)，1号SBR(3)，第一搅拌器(4)，第一pH/DO 控制器(5)，第一排水阀(6)，第一中间水箱(7)，第二蠕动泵(8)，2号SBR(9)，第二搅拌器(10)，曝气盘(11)，气体流量计(12)，曝气泵(13)，第一pH/DO控制器(14)，第二排水阀(15)，第二中间水箱(16)，第三蠕动泵(17)，第三排水阀(18)，厌氧氨氧化填料(19)，厌氧氨氧化填充材料为聚乙烯塑料环，比表面密度为450-500m²/m³，1号 SBR填料的填充比为15％-20％。

基于短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1号SBR接种的短程反硝化除磷污泥，污泥浓度MLSS维持在3000-4000 mg/L，污泥龄控制在15-20天，2号SBR接种的是短程硝化污泥，污泥龄控制在10-15天； 2号SBR的运行方式为缺氧/好氧运行，进水先进行缺氧搅拌，将上一周期的亚硝态氮还原，然后再在0.5-1.5mg/L的溶解氧条件下曝气实现短程硝化；1号SBR的运行方式为先进入生活污水，反硝化聚磷菌在厌氧条件下释磷的同时吸收污水中的外碳源转化为内碳源 PHA，然后再接入2号SBR的出水，由上一周期1号SBR中的氨氮和进入的亚硝态氮以及贮存的内碳源，发生短程反硝化除磷反应，厌氧氨氧化反应以及内源短程反硝化反应，反应结束之后静置沉淀排水，实现城市生活污水的脱氮除磷，具体过程如下：

城市生活污水首先由原水箱(1)通过第一蠕动泵(2)进入1号SBR(3)，第一搅拌器(4)开始进行厌氧搅拌，1号SBR中的反硝化除磷菌在厌氧条件下释磷的同时吸收污水中的外碳源转化为内碳源PHA，贮存内碳源；此阶段控制1号SBR内 DO＝0-0.05mg/L，ORP＝-150～250mv，pH＝6.5-7.5，通过第一pH/DO控制器(5)显示示数，反应时间为2-2.5h；待反应结束后静置沉淀，沉淀时间为1-1.5小时，通过第一排水阀 (6)将上清液排入第一中间水箱(7)，排水比为50％-60％，然后第一中间水箱的水通过第二蠕动泵(8)进入2号SBR(9)，在2号SBR内装有第二搅拌器(10)，反应器的底部装有曝气盘(11)，气流流量计(12)可以控制曝气量的大小，通过曝气泵(13)给反应器内供氧，通过第二pH/DO控制器(14)显示示数，2号SBR进行短程硝化反应，将氨氮(NH₄ ⁺)转化为亚硝态氮(NO₂ ^-)，2号SBR首先进行缺氧反应，即利用中间水箱水中的有机物将2号SBR上一周期的亚硝态氮NO₂-N还原为氮气(N₂)，然后再开启曝气泵进行曝气，曝气过程中控制溶解氧(DO)为0.5-1.5mg/L，曝气时间为3-4个小时，反应结束后静置沉淀，沉淀时间为1-1.5小时，通过第二排水阀(15)将上清液排入第二中间水箱(16)，排水比为50％-60％，然后第二中间水箱通过第三蠕动泵(17)进水至1号SBR，缺氧搅拌下1号SBR进行短程反硝化除磷反应，厌氧氨氧化反应以及内源短程反硝化反应，反应结束之后静置沉淀排水，通过第三排水阀(18)将2号SBR的上清液全部排出。

本发明涉及的基于短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法，具有以下一些优点：

1)针对低碳氮比的城市生活污水脱氮除磷而言，与传统的硝化反硝化工艺相比，该工艺无需外加碳源，只需系统充分利用原水中的有机碳源即可实现城市生活污水的同步脱氮除磷；

2)短程硝化反应相较于传统的硝化反应而言，具有节省曝气能耗的优点，从而能够大大降低污水处理过程中的能耗和运行费用；

3))短程反硝化除磷“一碳两用”实现脱氮除磷，节省碳源和能源；

4)采用的双污泥系统，实现聚磷菌和硝化菌的泥龄分离，可以避免传统生物脱氮工艺中除磷菌和硝化细菌，反硝化细菌之间的矛盾，从而能够提高脱氮除磷处理效率；

5)厌氧氨氧化菌附着生长在聚乙烯塑料环填料上，可以实现厌氧氨氧化菌的有效截留；使厌氧氨氧化细菌能够稳定持留在反应器中。

附图说明

图1为基于短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置图。

图1中，具体装置为：原污水箱(1)，第一蠕动泵(2)，1号SBR(3)，第一搅拌器(4)，第一pH/DO控制器(5)，第一排水阀(6)，第一中间水箱(7)，第二蠕动泵(8)，2号SBR(9)，第二搅拌器(10)，曝气盘(11)，气体流量计(12)，曝气泵(13)，第二pH/DO控制器(14)，第二排水阀(15)，第二中间水箱(16)，第三蠕动泵(17)，第三排水阀(18)，厌氧氨氧化填料(19)，该厌氧氨氧化填充材料为聚乙烯塑料环，比表面密度为450-500m²/m³,1号SBR内填料的填充比为15％-20％。

具体实施方式

城市生活污水首先由原污水箱(1)通过第一蠕动泵(2)进入1号SBR(3)，第一搅拌器(4)开始进行厌氧搅拌，1号SBR中的反硝化除磷菌在厌氧条件下释磷的同时吸收污水中的外碳源转化为内碳源PHA；此阶段控制1号SBR中溶解氧DO为 0-0.05mg/L，ORP＝-150～250mv，pH＝6.5-7.5，通过第一pH/DO控制器(5)显示示数，反应时间2-2.5h；待1号SBR反应结束后静置沉淀，沉淀时间为1-1.5小时，然后通过第一排水阀(6)将上清液排入第一中间水箱(7)，排水比为50％-60％，然后第一中间水箱的水通过第二蠕动泵(8)进入2号SBR(9)；

在2号SBR内装有第二搅拌器(10)，2号SBR的底部装有曝气盘(11)，气流流量计(12)可以控制曝气量的大小，通过曝气泵(13)给2号SBR供氧，通过第二 pH/DO控制器(14)显示示数，2号SBR进行短程硝化反应，将氨氮(NH₄ ⁺)转化为亚硝态氮(NO₂ ^-)，2号SBR首先进行缺氧反应，即利用第一中间水箱水中的有机物将2号 SBR上一周期剩余的亚硝态氮NO₂-N还原为氮气(N₂)，然后再开启曝气泵进行曝气，曝气过程中控制溶解氧(DO)为0.5-1.5mg/L，曝气时间为3-4个小时，反应结束后静置沉淀，沉淀时间为1-1.5小时，通过第二排水阀(15)将上清液排入第二中间水箱(16)，排水比为50％-60％，然后第二中间水箱通过第三蠕动泵(17)进水至1号SBR；

然后1号SBR再进行缺氧搅拌发生短程反硝化除磷反应，厌氧氨氧化反应以及内源短程反硝化反应，反应时间为3-4小时，反应结束之后静置沉淀排水，沉淀时间为1-1.5小时，通过第三排水阀(18)将2号SBR的上清液全部排出。

以北京某高校家属区实际低碳氮比生活污水为处理对象，考察此系统工艺的实际脱氮除磷性能；

连续实验结果表明，以实际城市生活污水为进水，该系统稳定运行条件下，出水氨氮浓度(NH₄ ⁺)＜5mg/l，硝态氮浓度(NO₃ ^-)＜5mg/l，总氮(TN)＜15mg/l，总氮去除率能够达到80％-85％，出水COD＜50mg/l，出水磷(以P计)＜0.5mg/l，能够实现城市生活污水的脱氮除磷。

Claims

1.基于短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的方法，装置包括原污水箱（1）、第一蠕动泵（2）、1号SBR（3）、第一搅拌器（4）、第一pH/DO控制器（5）、第一排水阀（6）、第一中间水箱（7）、第二蠕动泵（8）、2号SBR（9）、第二搅拌器（10）、曝气盘（11）、气体流量计（12）、曝气泵（13）、第二pH/DO控制器（14）、第二排水阀（15）、第二中间水箱（16）、第三蠕动泵（17）、第三排水阀（18）、厌氧氨氧化填料（19），厌氧氨氧化填料为聚乙烯塑料环，比表面密度为450-500m²/m³，1号SBR中厌氧氨氧化填料的填充比为15％-20％；

其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

1号SBR接种短程反硝化除磷污泥，污泥浓度MLSS维持在3000-4000 mg/L，污泥龄控制在15-20天，2号SBR接种的是短程硝化污泥，污泥龄控制在10-15天；2号SBR的运行方式为缺氧/好氧运行，进水先进行缺氧搅拌，将上一周期的亚硝态氮还原，然后再在0.5-1.5mg/L的溶解氧条件下曝气实现短程硝化；1号SBR的运行方式为先进入生活污水，反硝化聚磷菌在厌氧条件下释磷的同时吸收污水中的外碳源转化为内碳源 PHA，然后再接入2号SBR的出水，由上一周期1号SBR中的氨氮和进入的亚硝态氮以及贮存的内碳源，发生短程反硝化除磷反应，厌氧氨氧化反应以及内源短程反硝化反应，反应结束之后静置沉淀排水，实现城市生活污水的脱氮除磷，具体过程如下：

城市生活污水首先由原污水箱（1）通过第一蠕动泵（2）进入1号SBR（3），第一搅拌器（4）开始进行厌氧搅拌，1号SBR中的反硝化除磷菌在厌氧条件下释磷的同时吸收污水中的外碳源转化为内碳源 PHA；此阶段控制1号SBR中溶解氧DO为0-0.05mg/L，ORP＝-150～250mV ，pH＝6.5-7.5，通过第一pH/DO控制器（5）显示示数，反应时间2-2.5h；待1号SBR反应结束后静置沉淀，沉淀时间为1-1.5小时，然后通过第一排水阀（6）将上清液排入第一中间水箱（7），排水比为50%-60%，然后第一中间水箱的水通过第二蠕动泵（8）进入2号SBR（9）；

在2号SBR内装有第二搅拌器（10），2号SBR的底部装有曝气盘（11），气体流量计（12）可以控制曝气量的大小，通过曝气泵（13）给2号SBR供氧，通过第二pH/DO控制器（14）显示示数，2号SBR进行短程硝化反应，将氨氮转化为亚硝态氮，2号SBR首先进行缺氧反应，即利用第一中间水箱污水中的有机物将2号SBR上一周期的亚硝态氮NO₂-N还原为氮气，然后再开启曝气泵进行曝气，曝气过程中控制溶解氧为0.5-1.5 mg/L，曝气时间为3-4个小时，反应结束后静置沉淀，沉淀时间为1-1.5小时，通过第二排水阀（15）将上清液排入第二中间水箱（16），排水比为50%-60%，然后第二中间水箱通过第三蠕动泵（17）进水至1号SBR；

然后1号SBR再进行缺氧搅拌发生短程反硝化除磷反应，厌氧氨氧化反应以及内源短程反硝化反应，反应时间为3-4小时，反应结束之后静置沉淀排水，沉淀时间为1-1.5小时，通过第三排水阀（18）将2号SBR的上清液全部排出。