CN110981078B - 利用厌氧氨氧化实现城市污水脱氮耦合生物除磷的连续流工艺 - Google Patents

利用厌氧氨氧化实现城市污水脱氮耦合生物除磷的连续流工艺 Download PDF

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Abstract

利用厌氧氨氧化实现城市污水脱氮耦合生物除磷的连续流工艺属于城市污水处理领域。该装置由生物膜工艺区(缺氧区I、缺氧区II)、生物膜+活性污泥工艺区(厌氧区、好氧区Ⅰ、好氧区Ⅱ、好氧区Ⅲ)、沉淀池构成。生活污水进水和沉淀池中的上清液以体积比1:2进入缺氧区I、缺氧区II，完成短程反硝化和反硝化；缺氧区II的出水和回流污泥以1:1的比例进入厌氧区，完成厌氧释磷和反硝化反应；厌氧区混合液经过好氧区I、好氧区II、好氧区III，完成好氧吸磷、硝化反应、短程硝化反应和厌氧氨氧化反应。沉淀池完成泥水分离，以进水流量计，200％的上清液回流至缺氧区I，100％的上清液排出系统外；100％的浓缩污泥回流至厌氧区，污泥龄为15‑20天，实现同步脱氮除磷。

Description

利用厌氧氨氧化实现城市污水脱氮耦合生物除磷的连续流 工艺
技术领域
本发明涉及一种利用厌氧氨氧化实现城市污水脱氮耦合生物除磷 的连续流工艺，属于城市污水处理与资源化领域。
背景技术
城市污水富含氮、磷等元素，未经处理的城市污水直接排入地表 水体将引起严重的水体富营养化现象，导致水体爆发水华、赤潮，引起水体 缺氧，水生物死亡，形成黑臭水体。目前城市污水处理中极其重视脱氮除磷， 污水处理厂通常采用传统的硝化反硝化生物脱氮工艺、生物与化学除磷工艺， 这将导致污水处理厂运行成本增加，而化学药剂还会对活性污泥的絮凝沉淀 产生影响，导致出水产生其他有害副产物。
传统的硝化反硝化基本原理如下：原水进去曝气池后，曝气池中 的氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌以氧气为电子受体，依次将氨氮氧化为亚硝酸 盐和硝酸盐。随后在缺氧条件下，反硝化菌利用原水中的有机物为电子供体， 硝酸盐为电子受体，将硝酸盐还原为氮气，从而实现生物脱氮。
生物除磷的基本原理：含有磷的原水首先进入厌氧区，在厌氧条 件下，聚磷菌能分解体内的聚磷酸盐而产生的ATP，并利用ATP将污水中的 有机物摄入细胞内，储存为聚β-羟基丁酸等有机颗粒，同时将分解的聚磷酸 盐产生的磷酸排出胞外。在好氧条件下，聚磷菌将利用体内贮存的聚β-羟基 丁酸等氧化分解产生的能量摄取污水中磷，实现好氧的过量吸磷。
然而，城市污水有机物浓度较低，且含有大量不可生物利用成分， 同时，大量的曝气将有机物氧化为CO2，不仅造成曝气能耗的浪费，也导致 实际运行过程中，反硝化碳源不足，厌氧释磷碳源不足，更难以两者兼顾。 难以实现能源自给，提质增效的处理理念。
随着厌氧氨氧化菌被发现，打破了这种传统硝化反硝化的理念， 有望解决碳源不足、能源浪费、运行成本高等问题。厌氧氨氧化的基本原理： 厌氧氨氧化菌为厌氧自养菌，在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以CO2或 碳酸盐为碳源，同时以氨氮为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，生成氮气， 实现总无机氮的去除。
参与厌氧氨氧化反应的氨氮在生活污水中即可获得，亚硝酸盐可 通过短程硝化工艺(氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝酸盐)和短程反硝化工艺(反 硝化菌将硝酸盐还原为亚硝酸盐)获得。与传统的硝化反硝化工艺相比，短 程硝化-厌氧氨氧化工艺不仅可以节省62.5％的曝气量，还可以节省接近100％ 的有机碳源，同时减少剩余污泥产量。短程反硝化-厌氧氨氧化工艺可节省45％ 的曝气量和79％的有机碳源。
但厌氧氨氧化菌生长周期长，同时容易受DO和有机物的影响， 难以在传统的活性污泥工艺中有效持留。生物膜工艺可以利用生物膜自身的 空间结构和底物传质梯度，有效减少DO和有机物对厌氧氨氧化菌的影响。
此外，稳定的短程硝化也需要抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的生 长，这就需要创造低溶解氧和高氨氮浓度条件，生物膜依靠自身特性可有效 降低DO的传质，在生物膜表层富集氨氧化菌(AOB)；而对于短程反硝化， 需要控制有机物的浓度，抑制亚硝酸盐还原为氮气。传统的活性污泥法传质 效率高，有机物容易被反硝化菌捕获和利用，难以实现亚硝酸盐的积累，因 而需要创造高硝态氮、低有机物浓度的条件，生物膜可利用自身特性，形成有机物梯度，将有效抑制亚硝酸盐还原为氮气，从而实现较为稳定的短程反 硝化。
将新型的厌氧氨氧化工艺与短程硝化、短程反硝化工艺联合脱氮， 同时兼顾部分生物除磷。不仅为厌氧氨氧化在处理城市污水提供了可行性， 也强化了城市污水同步脱氮除磷，降低能耗，充分利用原水碳源，有效降低 剩余污泥产量。
发明内容
本发明涉及一种利用厌氧氨氧化实现城市污水脱氮耦合生物除磷 的连续流工艺，其方法特征及实现步骤如下：
本发明PLC控制系统包括服务器(10)、在线监测探头(9)、1号 控制继电器(17)、2号控制继电器(19)、3号控制继电器(21)，如图1所 示。
生活污水的氨氮和有机物的浓度，通过在线监测探头(9)反馈给 PLC控制系统的服务器(10)，然后将信号传送至1号控制继电器(17)、2 号控制继电器(19)、3号控制继电器(21)，实现沉淀池上清液回流比为200％， 污泥回流比为100％。
进水箱(1)中的生活污水经进水泵(20)进入生化反应区。生化 反应区末端设有出水口，出水口经管道(11)与沉淀池(8)相连通。沉淀池 (8)堰出水设有系统出水口(24)，同时沉淀池上部还设有上清液回流吸水 口(27)，沉淀池底部设有污泥回流管(28)和剩余污泥排放管(26)。
沉淀池(8)的上清液经回流泵(18)回流至前端缺氧区I(2)。 沉淀池(8)内的浓缩污泥经污泥回流泵(16)进入厌氧区(4)，剩余污泥经 排放管(26)排出系统外，污泥龄为15-20天。
生化反应区主要分为6格，从进水端至出水端为缺氧区I(2)、缺 氧区II(3)、厌氧区(4)、好氧区I(5)、好氧区II(6)、好氧区III(7)，如 图1所示。
为了避免悬浮态活性污泥有机物传质效率高，反硝化菌容易捕获 和利用有机碳源将硝态氮还原为氮气，而破坏短程反硝化过程中亚硝酸盐的 积累，缺氧区I(2)、缺氧区II(3)设计为独立的固定生物膜形式。
由于生物除磷需要排放剩余污泥，原水中氨氮需要被高效的氧化 为亚硝酸盐和硝酸盐，同时需要减少氧气对厌氧氨氧化菌的抑制。因而厌氧 区(4)、好氧区I(5)、好氧区II(6)、好氧区III(7)为固定生物膜和悬浮 态活性污泥共存形式。
整个生化反应区中均采用固定式的聚氨酯填料(25)，该填料为 1.5-3cm的聚氨酯海绵立方体，比表面积为20,000-30,000cm2/cm3。其中缺氧 区I(2)、缺氧区II(3)、厌氧区(4)投加短程反硝化厌氧氨氧化工艺中培 养的填料。好氧区I(5)、好氧区II(6)、好氧区III(7)投加短程硝化厌氧 氨氧化工艺中培养的填料。悬浮态活性污泥为传统的硝化反硝化除磷污泥。
为了避免厌氧区(4)的悬浮污泥返混至缺氧区II(3)，同时减少 生化反应构筑物的占地面积，缺氧区II(3)出水以重力流进入厌氧区(4)。 为了实现良好的混合效果、提高原水基质的传质效率，生化反应区6格均设 有机械搅拌(22)，好氧区I(5)、好氧区II(6)、好氧区III(7)的底部设有 曝气盘(23)，分别经1号流量计(15)、2号流量计(14)、3号流量计(13) 与鼓风机(12)相连接。
附图说明
图1是本发明的装置示意图。
具体实施方式
具体的运行过程如下：生活污水经进水泵(20)、沉淀池中的上清 液经回流泵(18)同时进入缺氧区I(2)，上清液回流比为200％。该形式避 免了好氧区活性污泥进入缺氧区I(2)，随后出水混合液进入缺氧区II(3)。
其中缺氧区I(2)和缺氧区II(3)的水力停留时间均为1.5-2h。 生物膜表层的反硝化菌和生物膜内部的厌氧氨氧化菌在缺氧区I(2)和缺氧 区II(3)完成反硝化、短程反硝化及厌氧氨氧化反应。
随后缺氧区II(3)的出水以重力流的形式进入厌氧区(4)，厌氧 区(4)的水力停留时间为1.5-2h，活性污泥中的聚磷菌在厌氧区(4)完成厌 氧释磷，同时利用污泥回流中携带的硝酸盐完成反硝化，厌氧区(4)中的生 物膜强化厌氧氨氧化反应。
厌氧区(4)出水混合液首先进入好氧区I(5)、好氧区I(5)出 水进入好氧区II(6)、好氧区II(6)出水流入好氧区III(7)，每个好氧区的 水力停留时间均为1.5-2h，三个好氧区分别通过1号流量计(15)、2号流量 计(14)和3号流量计(13)控制DO为0.5-1.5mg/L。在好氧区，由于活性 污泥传质效率高，可充分利用溶解氧进行硝化反应和短程硝化反应，好氧区 中的固定生物膜由于自身存在DO梯度，可在生物膜内部形成低DO和厌氧微 环境，有效实现短程硝化和厌氧氨氧化反应的耦合。
好氧区III(7)的出水经出水管(11)进入沉淀池(8)，实现泥水 分离。以进水流量计，200％的沉淀池(8)上清液经回流泵(18)回流至缺氧 区I(2)，同时100％的沉淀池(8)上清液直接排出系统外。
此外，沉淀池(8)中的浓缩污泥经污泥回流泵(16)进入前端厌 氧区(4)，污泥回流比为100％。沉淀池(8)内的剩余污泥定期排出系统外， 污泥龄为15-20天。
1、针对生活污水中碳源不足的问题，采用短程反硝化、短程硝化 与厌氧氨氧化工艺的联合运行，有效节省碳源，缓解脱氮和除磷之间的矛盾。
2、针对悬浮态活性污泥容易利用污水中有机物，难以实现稳定的 短程反硝化，将缺氧区设计为独立的固定生物膜系统，依靠生物膜的层理结 构，实现稳定的短程反硝化和厌氧氨氧化的耦合，有利于厌氧氨氧化在城市 生活污水处理工艺缺氧区中的有效富集。
3、针对悬浮态活性污泥可充分利用污水中的DO，将导致NOB的 生长，破坏短程硝化，将好氧区设计为固定生物膜与活性污泥共存的工艺形 式，从而强化短程硝化和厌氧氨氧化反应，有利于厌氧氨氧化在城市生活污 水处理工艺缺氧区中的有效富集。
4、该工艺利用串联和多种工艺复合，可充分利用传统污水处理厂的构筑物布局，不增加占地面积，仅投加填料或改变填料投加方式，有利于 现有污水处理厂的升级改造。
综上，本发明强化了反硝化菌、硝化菌、氨氧氨氧化菌之间相互 作用，与传统的运行工艺相比，本装置与方法适用于低碳氮比城市生活污水 的同步脱氮除磷，有利于厌氧氨氧化反应在城市生活污水中的稳定运行，可 充分强化生活污水部分厌氧氨氧化脱氮，节省能耗，降低运行成本、减少剩余污泥产量。

Claims (1)

1.一种利用厌氧氨氧化实现城市污水脱氮耦合生物除磷的连续流工艺，其特征在于：按照从进水端到出水端的顺序，依次设置进水箱、生化反应区、沉淀池，另配有PLC控制系统；
生化反应区包括生物膜工艺区、生物膜+活性污泥工艺区，分为6格，从进水端至出水端依次为缺氧区I（2）、缺氧区II（3）、厌氧区（4）、好氧区I（5）、好氧区II（6）、好氧区III（7）；生物膜工艺区中的缺氧区I（2）、缺氧区II（3）为独立的固定生物膜形式，生物膜+活性污泥工艺区中的厌氧区（4）、好氧区I（5）、好氧区II（6）、好氧区III（7）为固定生物膜和悬浮态活性污泥共存形式；缺氧区II（3）出水以重力流进入厌氧区（4），以避免厌氧区（4）的悬浮污泥返混至缺氧区II（3）；生化反应区6格均设有机械搅拌（22），好氧区I（5）、好氧区II（6）、好氧区III（7）的底部设有曝气盘（23），分别经1号流量计（15）、2号流量计（14）、3号流量计（13）与鼓风机（12）相连接；
城市污水进水通过PLC控制系统控制，由进水箱（1）经进水泵（20）进入生化反应区；生化反应区末端设有出水口，出水口经出水管（11）与沉淀池（8）相连通；沉淀池（8）堰出水设有系统出水口（24），同时沉淀池上部还设有上清液回流吸水口（27），沉淀池底部设有污泥回流管（28）和剩余污泥排放管（26）；沉淀池（8）上清液经上清液回流泵（18）回流至前端缺氧区I（2）；沉淀池（8）内的浓缩污泥经污泥回流泵（16）进入厌氧区（4），剩余污泥经剩余污泥排放管（26）排出系统外；PLC控制系统包括服务器（10）、在线监测探头（9）、1号控制继电器（17）、2号控制继电器（19）、3号控制继电器（21）；原水的氨氮和COD的浓度，通过在线监测探头（9）反馈给PLC控制系统的服务器（10），然后服务器（10）将信号传送至1号控制继电器（17）、2号控制继电器（19）和3号控制继电器（21），完成进水泵（20）、上清液回流泵（18）和污泥回流泵（16）的流量调控；整个生化反应区中均采用固定式的聚氨酯填料（25），该填料为1.5-3.0cm的聚氨酯海绵立方体，比表面积为20,000-30,000 cm2/cm3；
该工艺包括以下步骤：
1）城市污水进水和沉淀池上清液以体积比为1:2的比例，分别经进水泵（20）和上清液回流泵（18）泵入缺氧区I（2），出水进入缺氧区II（3）；缺氧区I（2）和缺氧区II（3）的水力停留时间均为1.5-2h；生物膜外层的反硝化菌和生物膜内部的厌氧氨氧化菌在缺氧区I（2）和缺氧区II（3）完成反硝化、短程反硝化及厌氧氨氧化反应；
2）随后缺氧区II（3）的出水重力流进入厌氧区（4），厌氧区（4）的水力停留时间为1.5-2h，活性污泥中的聚磷菌在厌氧区（4）完成厌氧释磷，同时将回流污泥中携带的硝酸盐进行反硝化，厌氧区（4）中的生物膜同时强化厌氧氨氧化反应；
3）随后混合液依次进入好氧区I（5）、好氧区II（6）、好氧区III（7），每个好氧区的水力停留时间均为1.5-2h，三个好氧区通过1号流量计（15）、2号流量计（14）、3号流量计（13）控制溶解氧（DO）浓度为0.5-1.5mg/L；在好氧区中将氨氮氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，同时在好氧区实现好氧吸磷；
4）好氧区III（7）的出水经出水管（11）进入沉淀池（8），实现泥水分离；以进水流量计，200%的沉淀池（8）上清液经上清液回流泵（18）回流至缺氧区I（2），同时100%的沉淀池（8）上清液直接排出系统外；
5）沉淀池（8）中的浓缩污泥经污泥回流泵（16）进入前端厌氧区（4），污泥回流比为100%；沉淀池（8）内的剩余污泥排出系统外，污泥龄为15-20天。
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