CN110217889B - 基于生物膜的两段式强化半短程硝化耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法 - Google Patents

基于生物膜的两段式强化半短程硝化耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法 Download PDF

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Abstract

基于生物膜的两段式强化半短程硝化耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法属于废水生物处理技术领域。其装置主要由原水水箱、强化半短程硝化SBBR反应器、中间水箱、厌氧氨氧化MBBR反应器顺序连接组成；城市生活污水首先进入强化半短程硝化SBBR反应器，前置缺氧搅拌能够储存内碳源，随后低氧曝气实现半短程硝化，处理后的城市生活污水进入厌氧氨氧化MBBR反应器中进行脱氮；本发明解决了城市生活污水脱氮效率低、出水总氮偏高的问题，充分利用生活污水中的碳源，无需外加碳源。此外基于生物膜的强化半短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺硝化速率快，脱氮负荷和总氮去除率高，能够实现城市生活污水的深度脱氮。

Description

基于生物膜的两段式强化半短程硝化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生物膜的两段式强化半短程硝化耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法属于废水生物处理技术领域。
背景技术
目前城市生活污水多采用传统的生物硝化/反硝化工艺处理(A2/O、A/O工艺)，且反硝化过程需要有机碳源作为电子供体，将NOx --N还原为N2，而我国城市生活污水普遍存在C/N较低的问题，生活污水中碳源不足，导致反硝化效率低下，出水总氮过高，不能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准，同时使用较高的曝气量将NH4 +-N全部氧化为NO3 --N，这一过程鼓风机会消耗大量的电能，还会将生活污水中的有机碳源氧化浪费掉。
与传统的生物硝化/反硝化工艺相比，新兴的厌氧氨氧化工艺属于自养脱氮过程，工艺有着无需外加有机碳源，污泥产率低，节约60％的曝气能耗，不产生温室气体等诸多优点，非常适用于低C/N比城市生活污水的处理。但城市生活污水中氨氮浓度低，且含有一定量的COD浓度，均对主流厌氧氨氧化的应用造成阻碍。
两段式半短程硝化厌氧氨氧化工艺可以有效解决厌氧氨氧化过程NO2 --N难以获取的问题，其在两个独立的反应器内分别进行着半短程硝化作用和厌氧氨氧化作用，氨氧化菌以及厌氧氨氧化菌能够在不同的反应器中分别发挥着最大的作用，厌氧氨氧化所需的NO2 --N基质来源于半短程硝化过程所积累起来的亚硝酸盐，同时该工艺能够将厌氧氨氧化产生的硝酸盐氮原位去除，因此相比于传统厌氧氨氧化工艺出水总氮浓度可以有效降低。
然而，在传统两段式厌氧氨氧化工艺之前通常会设置除碳反应器去除掉原水中的有机碳源，这不利于生活污水中碳源的有效利用。若通过投加固定填料的方式可以有效利用生物污水中碳源进行脱氮，提高了氮负荷且减轻了后续厌氧氨氧化反应器的脱氮负担。此外，厌氧氨氧化菌生长速率缓慢(最高生长速率为0.0027h-1)，世代周期长(10～14d)，活性易受到环境变化的影响，且厌氧氨氧化工艺在反应过程中产生的大量氮气使污泥悬浮于反应器内，沉降性能差，导致菌体易流失，导致系统脱氮效果不稳定。若采用投加悬浮填料的方式，则能够截留厌氧氨氧化细菌，有效提高生物量，解决了厌氧氨氧化污泥易流失的问题，从而提高系统的氮素去除负荷和稳定运行的能力。
发明内容
本发明公开了一种基于生物膜的两段式强化半短程硝化耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法，具体是城市生活污水首先进入强化半短程硝化SBBR反应器，通过缺氧搅拌充分利用城市生活污水中的有机物储存内碳源，随后低氧曝气进行半短程硝化使得出水中NO2 --N/NH4 +-N比例控制在1.2-1.32，在这一过程中可以在固定生物膜内部利用生物污水中的COD进行反硝化脱氮。随后，含有NH4 +-N和NO2 --N的出水进入厌氧氨氧化MBBR反应器中进行深度脱氮，同时厌氧氨氧化产生的硝酸盐氮能够被反硝化菌还原为氮气。投加的悬浮填料能够有效提高生物量，提高基质的传质速率，截留厌氧氨氧化菌，从而提高系统的总氮去除率和去除负荷。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
1.基于生物膜的两段式强化半短程硝化耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置，其特征在于，包括原水水箱(1)、强化半短程硝化SBBR反应器(2)、中间水箱(3)、厌氧氨氧化MBBR反应器(5)，其进水、曝气、搅拌、出水过程均由在线监测和反馈控制系统(4)来完成；
城市生活污水原水水箱(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)与强化半短程硝化SBBR反应器(2)相连；中间水箱(3)设有中间水箱溢流管(3.1)、中间水箱放空阀(3.2)；中间水箱(3)通过第二进水泵(5.1)与厌氧氨氧化MBBR反应器(5)进水阀(5.2)相连；所述强化半短程硝化SBBR反应器(2)设有搅拌器(2.2)、空压机(2.3)、气体转子流量计(2.4)、黏砂块曝气头(2.5)、pH和DO探头(2.6)、排水泵(2.7)、放空阀(2.8)、填料固定架(2.9)以及固定填料(2.10)，其中pH和DO探头(2.6)与在线监测和反馈控制系统(4)相连；所述厌氧氨氧化生物膜UASB反应器(5)设有三相分离器(5.3)、回流泵(5.4)、放空阀(5.5)、悬浮填料(5.6)；所述在线监测和反馈控制系统(4)包括计算机(4.1)和可编程过程控制器(4.2)设置信号转换器AD转换接口(4.3)、信号转换器DA转换接口(4.4)、进水继电器(4.5)、搅拌器继电器(4.6)、曝气继电器(4.7)、排水继电器(4.8)、pH和DO数据信号接口(4.9)；其中，可编程过程控制器(4.2)上的信号AD转换接口(4.3)通过电缆线与计算机(4.1)相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机(4.1)；计算机(4.1)通过信号转换器DA转换接口(4.4)与可编程过程控制器(4.2)相连接，将计算机(4.1)的数字指令传递给可编程过程控制器(4.2)；其中进水继电器(4.5)与第一进水泵(2.1)相连接，搅拌器继电器(4.6)与搅拌器(2.2)相连接，曝气继电器(4.7)与空压机(2.3)相连接，排水继电器(4.8)与排水泵(2.7)相连接，pH和DO数据信号接口(4.9)与pH和DO探头(2.6)相连接。
2.应用权利要求1所述装置处理城市生活污水的方法，其特征在于，包括以下过程：
1)工艺启动：在强化半短程硝化SBBR反应器(2)中首先接种附着全程硝化污泥的固定填料，其体积占整个反应器反应区体积的20％～45％。接种填料污泥浓度为2000～3000mg/L。通过低溶解氧(0.1-0.3mg/L)的运行方式进行启动，反应器排水体积比为100％，水力停留时间HRT为5～6h。通过控制溶解氧浓度和曝气时间，使得反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N质量浓度比控制在1.2-1.32，且亚硝积累率超过95％时说明强化半短程硝化SBBR反应器(2)启动成功。
在厌氧氨氧化MBBR反应器(5)中首先接种具有厌氧氨氧化种泥的悬浮填料，接种填料污泥浓度为2000～3000mg/L。反应器采用连续流的方式运行，当系统出水总无机氮去除率高于85％，则说明厌氧氨氧化MBBR反应器(5)启动成功。
2)将城市生活污水泵入强化半短程硝化SBBR反应器(2)中，通过在线监测和反馈控制系统(4)打开搅拌器(2.2)，缺氧搅拌60min后，打开空压机(2.3)低氧曝气；通过在线监测和反馈控制系统(4)控制反应器DO为0.1-0.3mg/L，曝气搅拌240～300min后，关闭搅拌器(2.2)和空压机(2.3)，然后将出水排入中间水箱(3)；
3)将中间水箱(3)中的废水泵入厌氧氨氧化MBBR反应器(5)中，通过调整第二进水泵的转速将水力停留时间HRT控制在2-3h，调整回流泵的转速控制反应器中上升流速为150-200mL/min，经三相分离器分离后出水；
所述步骤2)强化半短程硝化SBBR反应器(2)中，出水NH4 +-N和NO2 --N浓度均可低于20mg-N/L，短程硝化速率可控制在1.1～1.5mg-N/(L·h)，出水中COD浓度可控制在30～35mg/L，反应器可去除进水总氮的40-50％；
所述步骤3)厌氧氨氧化MBBR反应器(5)中，厌氧氨氧化途径去除总氮可占进水总氮的50-60％。
本发明提供的一种基于生物膜的两段式强化半短程硝化耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置和方法，具有以下优势和特点：
1)强化半短程硝化生物膜系统氨氧化活性高、氮负荷高；此外，低氧曝气可以在固定生物膜内部创造缺氧微环境，有助于同步硝化反硝化的发生，能够利用生物污水中有限的碳源进行脱氮，污泥产量相比与悬浮活性污泥系统也较低，因此该工艺能够降低曝气能耗，减少剩余污泥产量，降低污泥后续处理成本和能耗；
2)低溶解氧有利于半短程硝化的实现，从而可以在固定填料生物膜内部缺氧微环境中有效富集厌氧氨氧化菌，进一步提高氮去除负荷和总氮去除率；
3)前置缺氧搅拌能够将生活污水中的有机物储存为内碳源，在好氧段能够在生物膜上发生内源反硝化作用脱氮；
4)厌氧氨氧化MBBR反应器采用悬浮填料挂膜的方式能够最大程度持留厌氧氨氧化细菌，提高厌氧氨氧化菌的活性和丰度，且不易流失；同时厌氧氨氧化产生的少量硝酸盐被反硝化菌还原为氮气去除实现深度脱氮；
5)与传统生物脱氮工艺相比，本装置与方法无需设置预处理反应器脱碳，原位利用生活污水中的有机物脱氮，且基于生物膜的短程硝化和厌氧氨氧化反应速率快，工艺氮素去除负荷高。
附图说明
图1为基于生物膜的两段式强化半短程硝化耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水装置的结构示意图；
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——强化半短程硝化SBBR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——排水泵；2.8——放空阀；2.9——填料固定架；2.10——固定填料；3——中间水箱；3.1——中间水箱溢流管；3.2——中间水箱放空阀；4——在线监测和反馈控制系统；4.1——计算机；4.2——可编程过程控制器；4.3——信号转换器AD转换接口；4.4——信号转换器DA转换接口；4.5——进水继电器；4.6——搅拌器继电器；4.7——曝气继电器；4.8——排水继电器；4.9——pH和DO数据信号接口；5——厌氧氨氧化生物膜UASB反应器；5.1——第二进水泵；5.2——进水阀；5.3——三相分离器；5.4——回流泵；5.5——放空阀；5.6——悬浮填料。
图2为本发明中反应器的运行方式图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
1.如图1所示，基于生物膜的两段式强化半短程硝化耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的装置，其特征在于，包括原水水箱(1)、强化半短程硝化SBBR反应器(2)、中间水箱(3)、厌氧氨氧化MBBR反应器(5)，其进水、曝气、搅拌、出水过程均由在线监测和反馈控制系统(4)来完成；
城市生活污水原水水箱(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)与强化半短程硝化SBBR反应器(2)相连；中间水箱(3)设有中间水箱溢流管(3.1)、中间水箱放空阀(3.2)；中间水箱(3)通过第二进水泵(5.1)与厌氧氨氧化MBBR反应器(5)进水阀(5.2)相连；所述强化半短程硝化SBBR反应器(2)设有搅拌器(2.2)、空压机(2.3)、气体转子流量计(2.4)、黏砂块曝气头(2.5)、pH和DO探头(2.6)、排水泵(2.7)、放空阀(2.8)、填料固定架(2.9)以及固定填料(2.10)，其中pH和DO探头(2.6)与在线监测和反馈控制系统(4)相连；所述厌氧氨氧化生物膜UASB反应器(5)设有三相分离器(5.3)、回流泵(5.4)、放空阀(5.5)、悬浮填料(5.6)；所述在线监测和反馈控制系统(4)包括计算机(4.1)和可编程过程控制器(4.2)设置信号转换器AD转换接口(4.3)、信号转换器DA转换接口(4.4)、进水继电器(4.5)、搅拌器继电器(4.6)、曝气继电器(4.7)、排水继电器(4.8)、pH和DO数据信号接口(4.9)；其中，可编程过程控制器(4.2)上的信号AD转换接口(4.3)通过电缆线与计算机(4.1)相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机(4.1)；计算机(4.1)通过信号转换器DA转换接口(4.4)与可编程过程控制器(4.2)相连接，将计算机(4.1)的数字指令传递给可编程过程控制器(4.2)；其中进水继电器(4.5)与第一进水泵(2.1)相连接，搅拌器继电器(4.6)与搅拌器(2.2)相连接，曝气继电器(4.7)与空压机(2.3)相连接，排水继电器(4.8)与排水泵(2.7)相连接，pH和DO数据信号接口(4.9)与pH和DO探头(2.6)相连接。
2.应用权利要求1所述装置处理城市生活污水的方法，其特征在于，包括以下过程：
1)工艺启动：在强化半短程硝化SBBR反应器(2)中首先接种附着普通全程硝化污泥固定填料，其体积占整个反应器反应区体积的20％～45％。接种填料污泥浓度为2000～3000mg/L。通过低溶解氧(0.1-0.3mg/L)的运行方式进行启动，反应器排水体积比为100％，水力停留时间HRT为5～6h。通过控制溶解氧浓度和曝气时间，使得反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N质量浓度比控制在1.2-1.32，且亚硝积累率超过95％时说明强化半短程硝化SBBR反应器(2)启动成功。
在厌氧氨氧化MBBR反应器(5)中首先接种具有厌氧氨氧化种泥的悬浮填料，接种填料污泥浓度为2000～3000mg/L。反应器采用连续流的方式运行，当厌氧氨氧化反应速率高于6mg-N/(gVSS·h)，同时系统出水总无机氮去除率高于85％，则说明厌氧氨氧化MBBR反应器(5)启动成功。
2)将城市生活污水泵入强化半短程硝化SBBR反应器(2)中，通过在线监测和反馈控制系统(4)打开搅拌器(2.2)，缺氧搅拌60min后，打开空压机(2.3)低氧曝气；通过在线监测和反馈控制系统(4)控制反应器DO为0.1-0.3mg/L，曝气搅拌240～300min后，关闭搅拌器(2.2)和空压机(2.3)，然后将出水排入中间水箱(3)；
3)将中间水箱(3)中的废水泵入厌氧氨氧化MBBR反应器(5)中，通过调整第二进水泵的转速将水力停留时间HRT控制在2-3h，调整回流泵的转速控制反应器中上升流速为150-200mL/min，经三相分离器分离后出水；
所述步骤2)强化半短程硝化SBBR反应器(2)中，出水NH4 +-N和NO2 --N浓度均可低于20mg-N/L，短程硝化速率可控制在1.1～1.5mg-N/(L·h)，出水中COD浓度可控制在30～35mg/L，反应器可去除进水总氮的40-50％；
所述步骤3)厌氧氨氧化MBBR反应器(5)中，厌氧氨氧化途径去除的氮可占进水总氮的50-60％。
试验结果表明：系统运行稳定后，出水COD浓度为30～35mg/L，NH4 +-N浓度为0.5～1mg-N/L，NO2 --N浓度0～0.5mg-N/L，NO3 --N浓度7～8mg-N/L，出水TIN浓度7.5～9.5mg-N/L，可以达到一级A排放标准。

Claims (1)

1.基于生物膜的两段式强化半短程硝化耦合厌氧氨氧化处理城市生活污水的方法，该方法所用装置包括原水水箱(1)、强化半短程硝化SBBR反应器(2)、中间水箱(3)、厌氧氨氧化MBBR反应器(5)，其进水、曝气、搅拌、出水过程均由在线监测和反馈控制系统(4)来完成；
城市生活污水原水水箱(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)与强化半短程硝化SBBR反应器(2)相连；中间水箱(3)设有中间水箱溢流管(3.1)、中间水箱放空阀(3.2)；中间水箱(3)通过第二进水泵(5.1)与厌氧氨氧化MBBR反应器(5)进水阀(5.2)相连；所述强化半短程硝化SBBR反应器(2)设有搅拌器(2.2)、空压机(2.3)、气体转子流量计(2.4)、黏砂块曝气头(2.5)、pH和DO探头(2.6)、排水泵(2.7)、第一放空阀(2.8)、填料固定架(2.9)以及固定填料(2.10)，其中pH和DO探头(2.6)与在线监测和反馈控制系统(4)相连；所述厌氧氨氧化MBBR反应器(5)设有三相分离器(5.3)、回流泵(5.4)、第二放空阀(5.5)、悬浮填料(5.6)；所述在线监测和反馈控制系统(4)包括计算机(4.1)和可编程过程控制器(4.2)设置信号转换器AD转换接口(4.3)、信号转换器DA转换接口(4.4)、进水继电器(4.5)、搅拌器继电器(4.6)、曝气继电器(4.7)、排水继电器(4.8)、pH和DO数据信号接口(4.9)；其中，可编程过程控制器(4.2)上的信号AD转换接口(4.3)通过电缆线与计算机(4.1)相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机(4.1)；计算机(4.1)通过信号转换器DA转换接口(4.4)与可编程过程控制器(4.2)相连接，将计算机(4.1)的数字指令传递给可编程过程控制器(4.2)；其中进水继电器(4.5)与第一进水泵(2.1)相连接，搅拌器继电器(4.6)与搅拌器(2.2)相连接，曝气继电器(4.7)与空压机(2.3)相连接，排水继电器(4.8)与排水泵(2.7)相连接，pH和DO数据信号接口(4.9)与pH和DO探头(2.6)相连接；其特征在于，该方法包括以下过程：
1)工艺启动：在强化半短程硝化SBBR反应器(2)中首先接种附着全程硝化污泥固定填料，其体积占整个反应器反应区体积的20%～45%；接种填料污泥浓度为2000～3000mg/L；通过低溶解氧(0.1-0.3mg/L)的运行方式进行启动，反应器排水体积比为100%，水力停留时间HRT为5～6h；通过控制溶解氧浓度和曝气时间，使得反应器出水中NO2 --N/NH4 +-N质量浓度比控制在1.2-1.32，且亚硝积累率超过95%时说明强化半短程硝化SBBR反应器(2)启动成功；
在厌氧氨氧化MBBR反应器(5)中首先接种具有厌氧氨氧化种泥的悬浮填料，接种填料污泥浓度为2000～3000mg/L；反应器采用连续流的方式运行，当系统出水总无机氮去除率高于85%，则说明厌氧氨氧化MBBR反应器(5)启动成功；
2)将城市生活污水泵入强化半短程硝化SBBR反应器(2)中，通过在线监测和反馈控制系统(4)打开搅拌器(2.2)，缺氧搅拌60min后，打开空压机(2.3)低氧曝气；通过在线监测和反馈控制系统(4)控制反应器 DO为0.1-0.3mg/L，曝气搅拌240～300min后，关闭搅拌器(2.2)和空压机(2.3)，然后将出水排入中间水箱(3)；
3)将中间水箱(3)中的废水泵入厌氧氨氧化MBBR反应器(5)中，通过调整第二进水泵的转速将水力停留时间HRT控制在2-3h，调整回流泵的转速控制反应器中上升流速为150-200mL/min，经三相分离器分离后出水。
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