CN111333178B - 碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的装置与方法，该装置包括碱性污泥发酵耦合短程反硝反应器和自养脱氮同步磷回收反应器。碱性条件使剩余污泥加快水解产酸，产生小分子有机碳源，并释放大量氨氮和磷；较高pH条件和发酵环境促进反硝化菌利用短链脂肪酸将硝酸盐还原为亚硝酸盐，其与发酵产生的部分氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下得到去除，剩余氨氮与发酵释放的磷以鸟粪石沉淀的形式得到分离和回收；另一方面，形成的沉淀有助于厌氧氨氧化菌颗粒化生长与富集。本发明利用新型短程反硝化与厌氧氨氧化耦合脱氮工艺同步去除污泥和污水中氮素污染物、实现氮、磷资源回收，具有重要的经济和环境效益。

Description

碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的装置与 方法
技术领域
本发明涉及一种碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的工艺技术，属于污水生物处理领域。
背景技术
随着我国污水处理量的不断提高，城市污水处理厂的污泥产量也日趋增加，截止2017年底，我国污水处理厂污泥产生量超过4000万吨(按处理每万吨污水产生含水率80％污泥5～8吨计算)。活性污泥成分复杂，含有大量有机污染物、细菌菌体及其他有害物质，若未妥善处理而排入环境中，将对土壤、地表水和地下水造成严重的二次污染。另一方面，污泥中含有的有机质、氮和磷等营养物质是污水处理和农业应用所需的可贵资源，研究者围绕污泥中氮、磷的回收已开展了相关研究，如何实现污泥的稳定化处理和资源化利用是目前国内外广泛研究的热点问题。
污泥厌氧发酵液中含有大量的有机物，包括易被反硝化菌利用的乙酸和丙酸等挥发性脂肪酸和不易被利用的多糖蛋白质等复杂有机物。有研究发现，将污泥发酵液作为外碳源强化反硝化脱氮时发现其比乙酸等单一碳源具有更高的脱氮效率。另外，由于污泥可以通过污水厂原位产生，从而节省污水厂投加外碳源的费用，同时利于污泥的初步稳定和减量，是一种比较理想的反硝化碳源。
此外，污水中氮、磷等营养物的过度排放是导致水体富营养化问题的主要诱因，国内外对污水处理氮、磷排放标准日趋严格，由此带来的处理能耗和运行费用呈上升趋势，如何实现污水高效脱氮除磷的同时降低处理能耗是当今水处理领域面临的重要课题。近年来，基于厌氧氨氧化的自养脱氮技术受到了广泛关注。厌氧氨氧化是指在缺氧环境下，氨氮和亚硝酸盐在厌氧氨氧化菌的代谢作用下能够直接转化为氮气，无需曝气和有机碳源，具有节省能耗、降低污泥产量、减少药剂投加等重要优势。然而，厌氧氨氧化技术在实际应用中尚存一定局限性，其反应过程的基质为氨氮和亚硝酸盐，针对广泛存在的含硝酸盐废水，如城市污水处理厂二级出水、化肥生产工业废水、金属冶炼工业废水、离子交换浓缩废水等，厌氧氨氧化技术不能直接应用于该类废水的脱氮处理。传统生物反硝化方法处理硝酸盐废水需要投加大量有机碳源，不仅消耗有机资源，还会产生大量剩余污泥，额外增加污泥处理处置的费用和能耗。因此，开发基于厌氧氨氧化技术的硝酸盐废水脱氮工艺，是高效、低碳污水处理技术研究的新思路。
基于此，本发明为解决上述问题，创新性地提出通过碱性条件强化污泥发酵产生易生物利用小分子碳源，该环境同时促进新型短程反硝化过程，将硝酸盐还原至亚硝酸盐，其与污泥发酵释放的部分氨氮通过厌氧氨氧化过程得到去除，同时污泥中的磷和氨氮在沉淀处理单元得到高效回收，为实现污水脱氮、污泥处理与氮、磷资源回收的新方法。
发明内容
本发明基于强化污泥发酵产酸技术、产亚硝酸盐型短程反硝化技术、厌氧氨氧化自养脱氮技术、及鸟粪石沉淀氮磷回收技术，提供了碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的工艺，实现污水高效脱氮和污泥资源化处理。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
1、一种碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的装置，其特征在于，包括储泥池(1)、硝酸盐废水箱(2)、碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)、中间水箱(4)、自养脱氮同步磷回收反应器(5)、磷回收池(6)。碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)包括污泥投加装置(3.1)、搅拌装置(3.2)、pH监测装置(3.3)、药剂投加装置(3.4)、进泥口(3.5)、排泥口(3.6)、进水口(3.7)、取样口(3.8)、排水口(3.9)；自养脱氮同步磷回收反应器(5)包括进水管(5.1)、厌氧氨氧化反应区(5.2)、富磷沉淀区(5.3)、镁盐投加装置(5.4)、沉淀回收区(5.5)、出水口(5.6)、沉淀池(5.7)、污泥回流系统(5.8)。储泥池(1)通过污泥投加装置(3.1)与碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)的进泥口(3.5)相连，硝酸盐废水箱(2)通过蠕动泵(2.1)与碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)的进水口(3.7)相连；碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)的排水口(3.9)与中间水箱(4)相连；中间水箱(4)通过进水管(5.1)与自养脱氮同步磷回收反应器(5)相连；沉淀回收区(5.5)与磷回收池(6)相连；沉淀池(5.7)的剩余污泥通过污泥回流系统(5.8)进入自养脱氮同步磷回收反应器的厌氧氨氧化反应区(5.2)。
2、一种碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)剩余污泥自储泥池由污泥投加装置间歇式加入碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器，开启搅拌装置，进泥结束后反应器内污泥浓度为8.4～8.9g/l，储泥池中的剩余污泥浓度为9.0～9.5g/L；反应器内的pH监测装置实时监测和读取反应器内混合液pH值，当pH小于8.0时，开启药剂投加装置，将碱性调节药剂连续投加到反应器内，当pH达到8.0～9.0且稳定维持2～5min时，关闭药剂投加装置，停止投加碱性调节药剂，连续厌氧搅拌8.0～24h；
2)硝酸盐废水箱中的废水泵入碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器，硝酸盐废水中硝酸盐氮的质量浓度为30～200mg/L，控制碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器进水前的厌氧搅拌污泥发酵时间，使进水后反应器内溶解性有机物与硝酸盐氮质量浓度之比为2.5～4.0，进水后继续搅拌1.0～3.0h，沉淀后排出上清液至中间水箱，排水比为30％～50％，当出水硝酸盐氮去除率高于90％，且硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮的转化率高于70％时，碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器启动成功；控制碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器的污泥龄为5～10天，运行温度为28～32℃；
3)接种厌氧氨氧化污泥至自养脱氮同步磷回收反应器的厌氧氨氧化反应区，将碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器与自养脱氮同步磷回收反应器联合运行，中间水箱中的废水首先进入自养脱氮同步磷回收反应器的厌氧氨氧化反应区，控制水力停留时间为4～6h；
4)废水连续经过自养脱氮同步磷回收反应器的富磷沉淀区和沉淀回收区，通过镁盐投加装置将镁盐向富磷沉淀区连续投加，控制投加的镁与进入富磷沉淀区的磷摩尔浓度之比为1.1～1.6，水力停留时间为0.5～2.0h，在碱性环境中镁离子、氨离子与磷酸根离子形成鸟粪石沉淀，每天排出并回收沉淀1～2次；沉淀池剩余污泥通过污泥回流系统回流到厌氧氨氧化反应区，控制厌氧氨氧化反应区污泥浓度为3.0～5.0g/L。
本发明提供的碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的装置和方法，具有以下优势：
(1)水解是发酵过程的限速步骤，碱性条件下剩余污泥水解速率会大大提高，从而将大分子有机物转化为小分子易生物利用的有机碳源，强化了污泥发酵产酸效率；不仅如此，碱性条件和发酵环境能够促进反硝化菌利用短链脂肪酸将硝酸盐还原为亚硝酸盐，作为厌氧氨氧化必需基质来源的新途径，具有亚硝酸盐积累稳定、节省有机碳源、反应速率快等诸多优势。
(2)污泥厌氧发酵过程会释放大量的氨氮和磷，若将发酵液回流到主流城市污水处理单元或单独设置发酵液脱氮除磷单元，不仅增加污水处理厂氮磷负荷，而且带来额外资源和能源消耗；本发明通过新型自养脱氮同步磷回收反应器，实现无外加碳源脱氮，同时使宝贵的磷资源得到回收，实现了污水、污泥资源化。
(3)厌氧氨氧化菌生长条件较为苛刻，生长速率缓慢，是厌氧氨氧化工艺应用的限制因素之一；本发明通过设置富磷沉淀区，形成鸟粪石沉淀，不仅能够回收氮、磷营养物，同时有利于厌氧氨氧化菌以沉淀物为晶核形成颗粒污泥，从而使厌氧氨氧化菌得到持留和富集，最终提高处理系统的脱氮性能和运行稳定性。
附图说明
图1是本发明所用装置图。
1—储泥池，2—含硝酸盐废水箱，3——碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器，4—中间水箱，5—自养脱氮同步磷回收反应器，6—磷回收池，2.1—蠕动泵，3.1—污泥投加装置，3.2—搅拌装置，3.3—pH监测装置，3.4—药剂投加装置，3.5—进泥口，3.6—排泥口，3.7—进水口，3.8—取样口，3.9—排水口，5.1—进水管，5.2—厌氧氨氧化反应区，5.3—富磷沉淀区，5.4—镁盐投加装置，5.5—沉淀回收区，5.6—出水口，5.7—沉淀池，5.8—内循环系统，5.9—污泥回流系统。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明做进一步说明，如图1所示，一种碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的装置，包括储泥池(1)、硝酸盐废水箱(2)、碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)、中间水箱(4)、自养脱氮同步磷回收反应器(5)、磷回收池(6)。碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)包括污泥投加装置(3.1)、搅拌装置(3.2)、pH监测装置(3.3)、药剂投加装置(3.4)、进泥口(3.5)、排泥口(3.6)、进水口(3.7)、取样口(3.8)、排水口(3.9)；自养脱氮同步磷回收反应器(5)包括进水管(5.1)、厌氧氨氧化反应区(5.2)、富磷沉淀区(5.3)、镁盐投加装置(5.4)、沉淀回收区(5.5)、出水口(5.6)、沉淀池(5.7)、污泥回流系统(5.8)。储泥池(1)通过污泥投加装置(3.1)与碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)的进泥口(3.5)相连，硝酸盐废水箱(2)通过蠕动泵(2.1)与碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)的进水口(3.7)相连；碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)的排水口(3.9)与中间水箱(4)相连；中间水箱(4)通过进水管(5.1)与自养脱氮同步磷回收反应器(5)相连；沉淀回收区(5.5)与磷回收池(6)相连；沉淀池(5.7)的剩余污泥通过污泥回流系统(5.8)进入自养脱氮同步磷回收反应器的厌氧氨氧化反应区(5.2)。
碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的方法，应用上述一种碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的装置，包括如下步骤：
1)剩余污泥自储泥池由污泥投加装置间歇式加入碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器，进泥结束后反应器内污泥浓度为8.4～8.9g/l，储泥池中的剩余污泥浓度为9.0～9.5g/L；反应器内的pH监测装置实时监测和读取反应器内混合液pH值，当pH小于8.0时，开启药剂投加装置，将碱性调节药剂连续投加到反应器内，当pH达到8.0～9.0且稳定维持3min时，关闭药剂投加装置，停止投加碱性调节药剂，连续厌氧搅拌12h；
2)硝酸盐废水箱中的废水泵入碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器，含硝酸盐废水中硝酸盐氮的质量浓度为100mg/L，进水后反应器内溶解性有机物与硝酸盐氮质量浓度之比为2.8～3.2，搅拌1.5h，静置沉淀后排出上清液至中间水箱，排水比为40％，稳定运行阶段的平均出水硝酸盐氮浓度为4.19mg/L，平均硝酸盐氮去除率为95.8％，硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮的平均转化率为76.2％，碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器的污泥龄为6天，运行温度为30±0.5℃；
3)接种厌氧氨氧化污泥至自养脱氮同步磷回收反应器的厌氧氨氧化反应区，将碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器与自养脱氮同步磷回收反应器联合运行，中间水箱中的废水由第一进水口首先进入自养脱氮同步磷回收反应器的厌氧氨氧化反应区，控制水力停留时间为5.2h；
4)废水连续经过自养脱氮同步磷回收反应器的富磷沉淀区和沉淀回收区，通过镁盐投加装置将镁盐向富磷沉淀区连续投加，控制投加的镁与进入富磷沉淀区的磷摩尔浓度之比为1.3，水力停留时间为1.0h，在碱性环境中镁离子、氨离子与磷酸根离子形成鸟粪石沉淀，每天排出并回收沉淀1次；沉淀池剩余污泥通过污泥回流系统回流到厌氧氨氧化反应区，厌氧氨氧化反应区的平均污泥浓度为4.7g/L。
稳定运行期间，碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器中投加剩余污泥的平均浓度为9.3g/L，pH控制为8.5，碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器的出水氨氮和亚硝酸盐氮平均浓度分别为41.9mg/L和30.1mg/L，磷酸盐浓度为20.7mg/L；自养脱氮同步磷回收反应器的出水氨氮和亚硝酸盐氮的平均浓度分别为6.32mg/L和0.17mg/L，磷酸盐浓度为2.12mg/L，实现了污水高效脱氮除磷同步资源回收。

Claims (1)

1.一种碱性污泥发酵强化硝酸盐废水自养脱氮同步磷回收的方法，该方法所用装置包括储泥池(1)、硝酸盐废水箱(2)、碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)、中间水箱(4)、自养脱氮同步磷回收反应器(5)、磷回收池(6)；碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)包括污泥投加装置(3.1)、搅拌装置(3.2)、pH监测装置(3.3)、药剂投加装置(3.4)、进泥口(3.5)、排泥口(3.6)、进水口(3.7)、取样口(3.8)、排水口(3.9)；自养脱氮同步磷回收反应器(5)包括进水管(5.1)、厌氧氨氧化反应区(5.2)、富磷沉淀区(5.3)、镁盐投加装置(5.4)、沉淀回收区(5.5)、出水口(5.6)、沉淀池(5.7)、污泥回流系统(5.8)；储泥池(1)通过污泥投加装置(3.1)与碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)的进泥口(3.5)相连，硝酸盐废水箱(2)通过蠕动泵(2.1)与碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)的进水口(3.7)相连；碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器(3)的排水口(3.9)与中间水箱(4)相连；中间水箱(4)通过进水管(5.1)与自养脱氮同步磷回收反应器(5)相连；沉淀回收区(5.5)与磷回收池(6)相连；沉淀池(5.7)的剩余污泥通过污泥回流系统(5.8)进入自养脱氮同步磷回收反应器的厌氧氨氧化反应区(5.2)；
其特征在于，包括如下步骤：
1)剩余污泥自储泥池由污泥投加装置间歇式加入碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器，开启搅拌装置，进泥结束后反应器内污泥浓度为8.4～8.9g/L，储泥池中的剩余污泥浓度为9.0～9.5g/L；反应器内的pH监测装置实时监测和读取反应器内混合液pH值，当pH小于8.0时，开启药剂投加装置，将碱性调节药剂连续投加到反应器内，当pH达到8.0～9.0且稳定维持2～5min时，关闭药剂投加装置，停止投加碱性调节药剂，连续厌氧搅拌8.0～24h；
2)硝酸盐废水箱中的废水泵入碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器，硝酸盐废水中硝酸盐氮的质量浓度为30～200mg/L，控制碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器进水前的厌氧搅拌污泥发酵时间，使进水后反应器内溶解性有机物与硝酸盐氮质量浓度之比为2.5～4.0，进水后继续搅拌1.0～3.0h，沉淀后排出上清液至中间水箱，排水比为30％～50％，当出水硝酸盐氮去除率高于90％，且硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮的转化率高于70％时，碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器启动成功；控制碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器的污泥龄为5～10天，运行温度为28～32℃；
3)接种厌氧氨氧化污泥至自养脱氮同步磷回收反应器的厌氧氨氧化反应区，将碱性污泥发酵耦合短程反硝化反应器与自养脱氮同步磷回收反应器联合运行，中间水箱中的废水首先进入自养脱氮同步磷回收反应器的厌氧氨氧化反应区，控制水力停留时间为4～6h；
4)废水连续经过自养脱氮同步磷回收反应器的富磷沉淀区和沉淀回收区，通过镁盐投加装置将镁盐向富磷沉淀区连续投加，控制投加的镁与进入富磷沉淀区的磷摩尔浓度之比为1.1～1.6，水力停留时间为0.5～2.0h，在碱性环境中镁离子、氨离子与磷酸根离子形成鸟粪石沉淀，每天排出并回收沉淀1～2次；沉淀池剩余污泥通过污泥回流系统回流到厌氧氨氧化反应区，控制厌氧氨氧化反应区污泥浓度为3.0～5.0g/L。
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