CN110330180A

CN110330180A - 一种主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化的系统和方法

Info

Publication number: CN110330180A
Application number: CN201910643639.4A
Authority: CN
Inventors: 徐光景; 刘潘
Original assignee: Dalian Ocean University
Current assignee: Dalian Ocean University
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2019-10-15
Anticipated expiration: 2039-07-17
Also published as: CN110330180B

Abstract

本发明公开了一种主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化的系统和方法，属于水处理技术领域。污水经过化学絮凝沉淀，捕捉颗粒有机物、胶体有机物和磷；接下来进行缺氧水解酸化，废水中有机物分解为挥发性脂肪酸和氨氮。下一阶段为多循环SBR池，通过多步进水、多步A/O反应，强化反硝化/厌氧氨氧化，及时去除亚硝酸氮，形成硝化菌(NOB)底物缺乏，辅以溶解氧在线控制和短污泥龄淘汰NOB细菌，实现稳定的主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化脱氮。多循环SBR池短程硝化率在80％以上，COD、氨氮、TN去除率分别为87％、98％和88％。该方法控制策略简单、自动化强，具有耗能低、温室气体排放少、出水水质好、污泥产量低等优点。

Description

一种主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化的系统和方法

技术领域

本发明属于水污染控制领域，具体涉及一种主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化的系统和方法。

背景技术

随着我国城市规模的不断扩大，人口的急剧增长带来了较多的环境问题。其中，人们日常生活产生大量废水，经城市地下管网集中收集后，输送至各大污水处理厂。在废水输送过程中，水中的有机固体废物经过自然水解，大部分以悬浮颗粒或溶解状态进入水厂。这类水可生化性相对较强，所以城市生活污水基本通过生化方法处理。传统城市生活废水处理厂存在主要问题是耗能高和剩余污泥处置费用高。为了改变这一现状，“能量自给自足”甚至“能量盈余”成了废水处理厂的新目标和新理念。20世纪60年代，美国提出“21世纪水厂”的概念。在本世纪初，新加坡开发了“NEWater”工艺，通过传统生物处理法和超滤-反渗透法，实现了污水到饮用水的深度回用。2013年9月，“建设面向未来的中国废水处理概念厂”这一命题正式提出，并以水质永续，能量自给，资源回收，社区、环境友好作为建设目标。

污水处理“新概念”在技术层面上主要是基于有机质捕捉及其资源化、短程硝化反硝化/厌氧氨氧化脱氮、生物或化学强化除磷以及磷资源和水资源回收等。在初沉池中，废水中的有机物可以通过化学絮凝或生物吸附法沉淀，然后转移至污泥厌氧发酵罐生产清洁能源--沼气，可以直接用作燃料或热电联产；污泥(包括二沉池污泥)厌氧发酵释放的磷元素可以以鸟粪石的形式从污泥消化液中提取、回收；有机物转移至厌氧发酵系统，降低生化池除碳所需曝气量和剩余污泥产量。虽然有机物被转移至厌氧发酵系统提高能源回收率、降低曝气能耗和污泥处置费用，但废水COD/N(化学需氧量/氮)大大降低，氮素去除需要采用短程硝化反硝化/厌氧氨氧化耦合工艺。这一组合工艺具有可持续性和环保友好性，能够大大节省生化池的曝气能耗，减少反硝化过程中碳源需求量，甚至厌氧氨氧化反应不需碳源。因此，主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化技术是废水处理厂能源回收最大化，实现废水处理厂能量自给自足、甚至盈余的基础和保障。

污水中有机质捕捉方法主要有化学絮凝法、高效生物吸附(HRAS)等技术。化学絮凝法技术主要用来沉淀水中的颗粒状和胶体状有机物，因此具有较好的碳捕捉和除磷效果，但溶解态有机质截留效果较差。生物吸附能够同时去除颗粒状、胶体状和溶解态有机质，其中溶解态有机物主要转移至微生物相，而固体有机质需要与足量污泥聚集沉淀。目前生物吸附主要通过控制高溶解氧、短HRT(水力停留时间)、短SRT(污泥停留时间)实现，其主要难题是回流污泥量不足。过多剩余污泥排放，导致新生污泥与少量回流污泥在量上无法满足絮凝要求。水解酸化技术能够在好氧和缺氧条件下进行，将水中大分子有机物转化为小分子有机物，长链有机物转化为短链有机物。污染物降解的同时，可生化性大大提高，有利于下级生化单元反硝化反应快速完成，节省池容和反应时间，且水解酸化产物挥发性脂肪酸(VFA)对厌氧氨氧化菌无抑制作用。同时，缺氧水解酸化单元污泥产量低、污泥产量也相对较少。虽然部分碳源以CO₂形式释放，转移至厌氧发酵系统碳源较低，但损失的碳源足以抵消去除这部分碳源消耗的能源(曝气耗能)。经过化学絮凝法和水解酸化组合，可以大大降低废水中COD(化学需氧量)含量。同时，可以大大降低废水COD/N的比例，有利于生化池内反硝化菌和厌氧氨氧化菌共生，协同脱氮。

虽然短程硝化/厌氧氨氧化工艺技术成功应用于城市侧流污泥消化液处理，但在主流废水处理中尚未获得突破，技术难点之一是低氨氮废水处理系统中硝化菌(NOB)的淘汰。目前，NOB主要抑制方法包括：低溶解氧(DO)、缺氧/好氧(A/O)环境快速转换、短污泥龄(SRT)等。近年来，随着智能化仪器、仪表的配套研究，出现了完全依赖在线监测的控制方法，如AVN，即在线监测水中氨氮和硝酸氮/亚硝酸氮比例。但是，真正实现主流短程硝化的应用实例未见报道。

发明内容

本发明目的是提供一种主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化的系统和方法，解决污水处理厂高能耗和碳源不足的问题。根据不同水质，合理设置自动化控制程序，能够实现高效脱氮、除碳、强化除磷、碳捕捉等，有助于污水处理厂节能、降耗和提高出水水质。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化的系统，包括依次连通的化学絮凝池1、一沉池2、水解酸化池3、二沉池4、多循环SBR池5；所述化学絮凝池1设有进水口，所述多循环SBR池5设有出水口；所述一沉池2、二沉池4和多循环SBR池5底部分别设有污泥收集管路，并且所述一沉池2、二沉池4和多循环SBR池5底部的污泥收集管路出口连接到同一管道排出；所述多循环SBR池(5)内填充生物附着填料，所述多循环SBR池(5)内设有进水控制系统、曝气装置、搅拌装置、排泥装置、pH在线监测系统及溶解氧在线控制系统。

进一步地，上述技术方案中，所述水解酸化池3内填充PVA(聚乙烯醇)生物填料，所述水解酸化池3内设有搅拌装置和分离装置。

进一步地，上述技术方案中，所述水解酸化池3内PVA生物填料为球型PVA凝胶微球，所述球型PVA凝胶微球直径为3-5mm，所述PVA生物填料的填充比为15％-50％。

所述水解酸化池3内无厌氧死区，其中PVA生物填料挂膜后其密度略大于水。

所述二沉池4除了具有沉淀作用，还可以作为缓冲池，因为少量沉降性好的水解污泥流入多循环SBR池5，可以增强后者污泥沉降性。

进一步地，上述技术方案中，所述多循环SBR池5内填充的生物附着填料为球型组合厌氧生物填料，所述多循环SBR池5运行通过PLC控制运行。所述球型组合厌氧生物填料挂膜后其密度略大于水，所述球型组合厌氧生物填料富集厌氧氨氧化菌，不受系统污泥龄(SRT)限制，

本发明还提供了一种主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)向化学絮凝池1内注入污水后，添加絮凝剂，通过搅拌使污水与絮凝剂充分混合；

2)步骤1)得到的混合液进入一沉池2，固液分离后，沉淀的污泥进入污泥收集管路，上清液进入水解酸化池3；

3)上清液在水解酸化池3中快速搅拌，转速为150-250转/分，池内溶解氧浓度<0.3mg/L，水力停留时间2-4小时；

4)步骤3)得到的水解液流入二沉池4，固液分离后，沉淀的污泥进入污泥收集管路，上清液分多次进入多循环SBR池5；

5)步骤4)所得的上清液进入多循环SBR池5中进行SBR大循环，所述每个SBR大循环包括2-6个子循环、1个排泥段、1个沉淀段、1个出水段和1个闲置段，所述每个子循环依次包括1个进水段、1个缺氧段、1个好氧段。

进一步地，上述技术方案中，所述步骤4)中上清液分2-6次进入多循环SBR池(5)，每次进水量为多循环SBR池有效体积的1/4-1/12。

进一步地，上述技术方案中，所述步骤5)每个子循环中好氧段长度为15-40分钟，溶解氧浓度为1.0-2.0mg/L，所述步骤5)每个子循环中的缺氧段长度为20-60分钟，所述步骤5)中每个大循环的水力停留时间为6-10小时，所述每个大循环的污泥停留时间为5-12天。

具体的，化学絮凝-水解酸化组合技术捕捉有机碳：污水经过化学絮凝后，截留大部分颗粒有机碳和胶体有机碳；絮凝池后连接初沉池，进行固液分离。化学絮凝池上清液进入缺氧水解酸化池。水解池填充悬浮球型PVA凝胶微球生物填料，形成薄的生物膜，通过持续搅拌连续运行；水解池后连接二沉池，进行固液分离。经过两个预处理段，废水中有机碳以剩余污泥形式被捕捉(可转移至厌氧发酵产甲烷系统进行能源回收)，溶解态有机物一部分进入活性污泥相，一部分被矿化分解，溶解于水相中的产物为VFA，90％以上为极易生物降解的乙酸和丙酸；出水中含有少量悬浮颗粒污泥，沉降性好、易分离。

具体的，①多步进水：SBR每个周期分多个子循环运行。每个子循环按进水、搅拌和曝气顺序重复2-6次，多步进水可以保证较高微生物/食物比例，则好氧时段较短，避免亚硝酸氮氧化。进水和搅拌阶段，利用VFA进行反硝化，及时去除上个好氧段生成的亚硝酸氮；曝气阶段，AOB(氨氧化细菌)快速启动氨氧化，NOB(硝化菌)由于缺乏亚硝酸氮，活性恢复远远滞后于AOB。②DO在线控制：节省曝气前提下，DO(溶解氧)控制在较高水平，保证AOB和NOB都快速繁殖；③控制短悬浮污泥龄：每个周期固定排放一定体积的泥水混合物，排泥期间搅拌或曝气同时进行，选择性淘汰NOB；④选择性富集厌氧氨氧化菌：填充少量生物附着填料，富集厌氧氨氧化菌，辅助厌氧脱氮。由此，氨氧化细菌(AOB)生长环境正常，食物充足，而NOB食物匮乏，其细胞增殖速度远远低于AOB。

发明有益效果

(1)本发明在最大程度上解决了“概念厂”的技术瓶颈，解决了碳回收和脱氮单元碳不足的难题。尤其是多循环SBR池时序运行模式，通过增加厌氧段时长，使碳源得以充分利用，辅以前处理如水解酸化，效果更佳。水解酸化产物多为挥发性脂肪酸，如乙酸、丙酸等能够提高反硝化速率，且对厌氧氨氧化菌无抑制；多步进水、A/O生化反应，有效分配进水碳源、及时通过反硝化/厌氧氨氧化消耗亚硝酸氮，使得尽可能少的亚硝酸氮进入下一个周期。另外，多循环策略能够实现稳定的短程硝化反硝化/厌氧氨氧化脱氮。理论上，该工艺较传统工艺能够节省40％以上碳源，利用这部分碳源支撑反硝化脱氮，出水TN将大大降低。

(2)与已有类似工艺相比，本发明方法利用多循环反应，强化厌氧脱氮，使得NOB细菌因底物长期缺乏而被稳定抑制，控制方法简单，工艺运行也比较稳定。

(3)多循环SBR池采用多步进水，系统内微生物/食物比例高，代谢速率快，降低好氧周期，有利于抑制NOB细菌。

(4)水解系统填充PVA填料，无厌氧死区，避免温室气体甲烷产生，无空气污染。

(5)本发明可以实现90％以上有机质在无曝气条件下去除，节省风机能耗。

(6)本发明厌氧、缺氧单元或时段多，污泥产量低，减少了污泥处置费用。

附图说明

图1为一种主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化的工艺流程图；

图2为多循环SBR池工艺时序控制图；

图3为化学絮凝法去除COD的效果；

图4为化学絮凝法去除磷的效果；

图5为短程硝化氮素周期变化趋势；

图6为多循环SBR池内溶解氧变化趋势图；

图中，1、化学絮凝池；2、一沉池；3、水解酸化池；4、二沉池；5、多循环SBR池。

具体实施方式

下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

参照图1的工艺流程图，一种主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化的系统，包括依次连通的化学絮凝池1、一沉池2、水解酸化池3、二沉池4、多循环SBR池5；所述化学絮凝池1设有进水口，絮凝剂可以添加至进水管，也可直接添加至化学絮凝池1，通过搅拌混合；所述多循环SBR池5设有出水口；所述一沉池2、二沉池4和多循环SBR池5底部分别设有污泥收集管路，并且所述一沉池2、二沉池4和多循环SBR池5底部的污泥收集管路出口连接到同一管道排出；所述水解酸化池3内填充球型PVA生物填料，通过搅拌装置混合，填料由分离装置截留，所述PVA生物填料为球型PVA凝胶微球，所述球型PVA凝胶微球直径为3-5mm，所述PVA生物填料的填充比为15％-50％，无厌氧死区，污泥收集管路中的污泥包括薄生物膜和少量悬浮污泥，其中PVA生物填料挂膜后其密度略大于水；所述多循环SBR池5内填充球型组合厌氧生物填料，挂膜后其密度略大于水，所述多循环SBR池5运行通过PLC控制自动运行，并配有进水控制系统、曝气装置、搅拌装置、排泥装置、pH在线监测系统及溶解氧在线控制系统。

污水处理流程为：污水首先进入化学絮凝池中，通过絮凝剂(市售铝盐或铁盐等化学试剂配制，絮凝剂中Fe或Al的终浓度约为60mg/L)絮凝作用，沉淀、捕捉大部分颗粒状和胶体状有机质、磷和少量氮；然后，上清液进入水解酸化池中，在缺氧条件下，溶解态有机物被水解菌群分解，一部分有机碳矿化为CO₂，一部分转化为VFA(主要是乙酸和丙酸)，极少量被转化为CH₄，出水氮源主要以氨氮形式存在；最后，上清液分多步进入多循环SBR池内，通过在线控制氧环境转换，实现营养物质的去除。

所述多循环SBR池内具有搅拌装置和曝气装置，分别提供缺氧和好氧环境。通过实时监测多循环SBR池内溶解氧在线控制曝气装置的运行。图2示时序控制图，主要分为进水、缺氧段、好氧段、排泥段、沉降、出水和闲置段，各段时长可根据进水水质设置。进水过程中和缺氧段，反硝化菌利用进水VFA碳源还原亚硝酸氮为氮气，除磷菌利用VFA碳源进行磷酸盐释放；厌氧氨氧化菌利用好氧段生成的亚硝酸氮氧化进水中的氨氮，产物为氮气和极少量硝酸氮，硝酸氮可同时被反硝化菌去除。进入好氧段后，AOB细菌氧化剩余的氨氮，生成亚硝酸氮；异养菌分解剩余的碳源，生成CO₂；除磷菌利用厌氧段储存的碳源吸收水中的磷酸盐。好氧阶段完成好，重复以上阶段(最后一个小循环除外)。

具体运行操作和实验结果如下：

1)化学絮凝：废水中加入铁盐、铝盐絮凝剂后，快速搅拌，转速为200转/分钟，然后慢搅拌1分钟，转速50转/分钟，最后沉淀30分钟。污水的具体水质如下：COD浓度为285-455mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为29-44mg/L，PO₄ ^3--P为3.5-6.8mg/L。将絮凝剂添加到待处理污水中，通过化学絮凝处理，污水COD、磷去除率可分别达到60％、75％以上(图3和4)，而氨氮去除率在10％以下。工程中，絮凝池后连接初沉池，进行固液分离。污水/化学絮凝池上清液进入缺氧水解酸化池。

2)缺氧水解：污水/化学絮凝上清液都可进入水解酸化池。水解池填充球型PVA生物填料，形成薄的生物膜，通过持续搅拌连续运行，生物膜厚度低，基本无厌氧区域，出水溶解甲烷小于5mg/L，气相中甲烷浓度低于检测极限。水解酸化后，COD去除率达到60％以上；氨氮主要以生物生长的形式被利用，其去除率在10％左右。COD/N的比例降低为50％-60％，范围受进水污染物浓度影响，微生物生长所消耗的氨氮量与生物量成正比，如进水氨氮浓度高，则COD/N下降幅度较小；反之，COD/N下降幅度较大。水解池后连接二沉池，进行固液分离。经过上述两段预处理，废水中有机碳以剩余污泥形式被捕捉(可转移至厌氧发酵产甲烷系统进行能源回收)，溶解态有机物一部分进入活性污泥相，一部分被矿化分解，溶解于水相中的产物为VFA，90％以上为极易生物降解的乙酸和丙酸；出水中含有少量悬浮颗粒污泥，沉降性好、易分离。

3)主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化：由PLC在线综合控制。多循环SBR池分多步进水、多步A/O反应，每个周期包括反应段、排泥、沉淀、出水；反应段依次包括进水、厌氧段、好氧段，每个周期重复2-6次。每个好氧段长度为15-40分钟，厌氧段长度为20-60分钟，多循环SBR池水力停留时间(HRT)为6-10小时，污泥停留时间(SRT)为5-12天。多循环SBR池内装有DO、pH在线监测装置，通过PLC控制曝气，好氧段DO浓度范围为1.0-2.0mg/L。水解酸化出水沉淀后，上清液分步进入多循环SBR池。图5显示，进水阶段和缺氧阶段，反硝化/厌氧氨氧化协同脱氮，NO₂ ^--N降低；好氧段AOB进行氨氧化，NH₄ ⁺-N降低，NO₂ ^--N升高。当进水COD/N>4，四个子循环平均短程硝化率在90％以上，TN去除率在85％以上，多循环SBR池内脱氮反应以短程硝化反硝化为主。当进水COD/N<3，短程硝化率和TN去除率略下降，多循环SBR池内脱氮反应为短程硝化反硝化/厌氧氨氧化。曝气空气压缩机开闭由溶解氧在线设备控制，溶解氧范围可根据水质设置，溶解氧浓度一般低于2mg/L，如图6所示平均DO为1.5mg/L。以上反应重复4次后，排泥泵开启，排泥量根据实际情况设置泵开启时长。

Claims

1.一种主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化的系统，其特征在于，包括依次连通的化学絮凝池(1)、一沉池(2)、水解酸化池(3)、二沉池(4)、多循环SBR池(5)；所述化学絮凝池(1)设有进水口，所述多循环SBR池(5)设有出水口；所述一沉池(2)、二沉池(4)和多循环SBR池(5)底部分别设有污泥收集管路，并且所述一沉池(2)、二沉池(4)和多循环SBR池(5)底部的污泥收集管路出口连接到同一管道排出；所述多循环SBR池(5)内填充生物附着填料，所述多循环SBR池(5)内设有进水控制系统、曝气装置、搅拌装置、排泥装置、pH在线监测系统及溶解氧在线控制系统。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述水解酸化池(3)内填充PVA生物填料，所述水解酸化池(3)内设有搅拌装置和分离装置。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述PVA生物填料为球型PVA凝胶微球，所述球型PVA凝胶微球直径为3-5mm，所述PVA生物填料的填充比15％-50％。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多循环SBR池(5)内填充的生物附着填料为球型组合厌氧生物填料，所述多循环SBR池(5)通过PLC控制运行。

5.根据权利要求1所述的系统进行主流短程硝化反硝化/厌氧氨氧化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)向化学絮凝池(1)内注入污水后，添加絮凝剂，通过搅拌使污水与絮凝剂充分混合；

2)步骤1)得到的混合液进入一沉池(2)，固液分离后，沉淀污泥进入污泥收集管路，上清液进入水解酸化池(3)；

3)上清液在水解酸化池(3)中快速搅拌，转速为150-250转/分，池内溶解氧浓度<0.3mg/L，水力停留时间2-4小时；

4)步骤3)得到的水解液流入二沉池(4)，固液分离后，沉淀的污泥进入污泥收集管路，上清液分多次进入多循环SBR池(5)；

5)步骤4)所得的上清液进入多循环SBR池(5)中进行SBR大循环，所述每个SBR大循环包括2-6个子循环、1个排泥段、1个沉淀段、1个出水段和1个闲置段，所述每个子循环依次包括1个进水段、1个缺氧段、1个好氧段。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中上清液分2-6次进入多循环SBR池(5)，每次进水量为多循环SBR池有效体积的1/4-1/12。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤5)每个子循环中的好氧段长度为15-40分钟，溶解氧浓度为1.0-2.0mg/L，所述步骤5)每个子循环中的缺氧段长度为20-60分钟，所述步骤5)中每个大循环的水力停留时间为6-10小时，所述每个大循环的污泥停留时间为5-12天。