CN111333185B - 基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城市污水深度脱氮装置和方法 - Google Patents

基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城市污水深度脱氮装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城市污水深度脱氮的装置和方法。利用升流式污泥床反应器，以城市污水及其硝化液为进水，建立短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统。短程反硝化功能菌充分利用污水有机碳源将硝态氮还原为亚硝态氮，在厌氧氨氧化菌的作用下，城市污水中的氨氮与亚硝态氮得到同步高效去除。通过设置脉冲式气循环装置，强化短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统中微生物与底物充分接触，有效提高传质效率，从而提升菌群脱氮活性，同时促进微小气泡聚集并由颗粒污泥表面释放，防止污泥上浮，提高系统脱氮效率和运行稳定性。

Description

基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城 市污水深度脱氮装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城市污水深度脱氮的工艺技术，属于污水生物处理领域。
背景技术
水环境污染问题是现今社会经济发展、人民生活水平提高的重要影响因素，其中由氮、磷过量引起的水体富营养化问题不仅未得到解决，而且有日趋严重的趋势，因此，脱氮除磷已成为当今污水处理领域的重大课题。随着当今社会快速发展和全球对环境问题的高度关注，虽然污水处理量不断增多，污染物排放标准却日趋严格，传统污水处理方法难以满足达标排放的技术需求。另一方面，污水处理过程带来的较高能耗也是备受关注的问题之一。不仅如此，污水处理过程导致的温室气体排放及剩余污泥处置还会造成二次污染的风险。鉴于此，现阶段迫切需求脱氮除磷效率高、运行性能稳定、能源消耗低及二次污染风险小的新型污水脱氮技术。
厌氧氨氧化工艺具有节省曝气能耗和有机碳源、污泥产量低和脱氮负荷高等诸多优势，在可持续型污水处理中具有重要应用前景。然而，目前其反应基质亚硝酸盐(NO2 --N)的稳定获取仍是厌氧氨氧化技术推广应用的瓶颈问题。传统获取NO2 --N的方法为短程硝化，但是短程硝化过程受环境因素及水质波动影响较大，特别是针对低浓度城市污水的主流厌氧氨氧化目前尚未得到推广应用；此外，进水含有一定浓度硝酸盐(NO3 --N)及厌氧氨氧化反应过程自身产生的NO3 --N往往导致该工艺出水总氮(TN)浓度过高，使实际过程中厌氧氨氧化工艺的脱氮效率大大降低，出水通常需要进一步处理以达到严格的排放标准。
近年来，具有高NO2 --N积累特性的短程反硝化过程的发现和实现，为厌氧氨氧化基质亚硝态氮的获取提供了稳定、高效的新途径，短程反硝化耦合厌氧氨氧化过程已成为污水脱氮领域的前沿和热点。NO2 --N是反硝化过程中重要的中间产物，本课题组前期研究中成功驯化和富集了高NO2 --N积累的短程反硝化污泥，其NO3 --N转化为NO2 --N的转化率达到80％，并证明了短程反硝化与厌氧氨氧化耦合的可行性。在此基础上，如何提高耦合工艺处理城市污水的脱氮效率、深度削减出水总氮是实际应用的迫切需求。
为解决上述问题，本发明提出了基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城市污水深度脱氮的工艺技术，创新性地实现污水中碳、氮同步高效去除，为城市污水深度处理提供了稳定高效的新技术，为城市污水深度处理及节能降耗提供技术支撑，具有重要实践意义与应用价值。
发明内容
本发明基于短程反硝化耦合厌氧氨氧化技术、颗粒污泥技术、及污水处理过程调控技术，提供了一种利用脉冲气混式短程反硝化-厌氧氨氧化颗粒污泥工艺实现城市污水的深度脱氮。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
1、一种基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城市污水深度脱氮的装置，其特征在于，包括城市污水箱(1)、前置反硝化/好氧硝化系统(2)，硝化液中间水箱(3)、升流式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统UPAG(4)；前置反硝化/好氧硝化系统(2)设有进水口(2.1)、搅拌装置(2.2)、曝气装置(2.3)、排水口(2.4)、取样口(2.5)；UPAG(4)自下而上设有第一进水口(4.1)、第二进水口(4.2)、内循环口(4.3)、碳源补加口(4.4)、储碳箱(4.5)、布水器(4.6)、颗粒污泥反应区(4.7)、取样口(4.8)、第一排泥口(4.9)、拦浮器(4.10)、第二排泥口(4.11)、三相分离器(4.12)、排水口(4.13)、溢流堰(4.14)、排气口(4.15)和气循环泵(4.16)；城市污水箱(1)通过第一蠕动泵(1.1)与前置反硝化/好氧硝化系统进水口(2.1)相连，前置反硝化/好氧硝化系统排水口(2.4)与硝化液中间水箱(3)相连；城市污水箱(1)通过第二蠕动泵(1.2)与UPAG底部第一进水口(4.1)相连；硝化液中间水箱(3)通过第三蠕动泵(3.1)与UPAG第二进水口(4.2)相连；UPAG排气口(4.15)通过气循环泵(4.16)与内循环口(4.3)相连；储碳箱(4.5)通过碳源投加泵(4.17)与碳源补加口(4.4)相连。
2、一种基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城市污水深度脱氮的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)前置反硝化/好氧硝化系统启动阶段：前置反硝化/好氧硝化系统接种城市污水处理厂剩余污泥，接种后污泥浓度为3.0～5.0gVSS/L；开启第一蠕动泵将城市污水泵入前置反硝化/好氧硝化系统，进水结束后关闭第一蠕动泵，开启搅拌装置，去除有机物和前一阶段剩余硝态氮；搅拌0.5～1.0h后开启曝气装置进行硝化反应，控制溶解氧为2.0～4.0mg/L，曝气3.0～5.0h后关闭搅拌装置和曝气装置，进入静沉阶段；静沉0.5～1.0h后排出上清液至硝化液中间水箱，排水比为50～70％；当城市污水氨氮去除率高于90％且连续稳定运行7天以上，前置反硝化/好氧硝化系统启动成功。
(2)UPAG启动阶段：前置反硝化/好氧硝化系统启动成功后，进入UPAG启动阶段；首先向UPAG中接种短程反硝化耦合厌氧氨氧化颗粒污泥，接种的短程反硝化耦合厌氧氨氧化颗粒污泥在反硝化过程中硝态氮转化为亚硝态氮的转化率≥70％，厌氧氨氧化过程中氨氮去除速率≥1.0gN/(L·h)，接种后UPAG的污泥浓度为3.0～6.0gVSS/L；然后，城市污水和硝化液分别由第二蠕动泵和第三蠕动泵连续泵入UPAG，短程反硝化功能菌将硝态氮还原为亚硝态氮，与氨氮在厌氧氨氧化菌作用下被同步去除；水力停留时间为1.5～4.0h；开启气循环泵，调节流量使UPAG内混合液上升流速与循环气体上升流速之比为1.0～2.0；气循环泵每开启1.5～2.5h后关闭，间隔1.0～2.0h重新开启，以此重复脉冲式运行；当UPAG总氮去除率高于80％时，系统启动成功。
所述的步骤(2)中，控制城市污水进水流量与硝化液流量，使混合后进入UPAG的硝态氮与氨氮质量浓度之比为1.0～1.5；
所述的步骤(2)中，当城市污水与硝化液混合后化学需氧量COD与硝态氮的质量浓度之比低于2.0时，开启碳源投加泵，调节流量使UPAG中COD与硝态氮的质量浓度之比为2.0～3.0；
所述的步骤(2)中UPAG颗粒污泥反应区的污泥浓度大于6.0g/L时，打开第一排泥口排出剩余污泥；当拦浮器与三相分离器下端污泥浓度大于1.0g/L时，打开第二排泥口排出剩余污泥。
(3)负荷提高阶段：控制UPAG水力停留时间为1.0～2.0h，使混合液上升流速与气体上升流速之比为2.0～3.0；气循环泵每开启1.0～1.5h后关闭，间隔2.0～3.0h后重新开启，以此重复脉冲式运行。当UPAG总氮去除率高于80％且稳定运行7天以上时，减少水力停留时间为0.5～1.0h，调节气循环泵流量，使混合液上升流速与气体上升流速之比为3.0～4.0，气循环泵每开启1.0～1.5h后关闭，间隔3.0～4.0h后重新开启，以此脉冲式运行。当UPAG总氮去除率高于80％且稳定运行7天以上时，控制水力停留时间为0.2～0.5h，调节气循环泵流量，使混合液上升流速与气体上升流速之比为4.0～5.0，直至UPAG总氮去除率高于80％。
本发明提供的基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城市污水深度脱氮的装置和方法，具有以下优势：
(1)高效利用城市污水中有限的有机碳源，在前置反硝化阶段和后续短程反硝化阶段分别将系统内剩余的硝态氮还原，不仅有效节省曝气过程去除有机物的耗氧量，而且通过短程反硝化作用产生亚硝态氮，为厌氧氨氧化菌提供必要的电子受体，实现自养脱氮，从而大大降低了城市污水脱氮过程对外加碳源的依赖。
(2)充分发挥了颗粒污泥生物量高、反应速率快和易于沉淀分离的诸多优势，有助于短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺脱氮效率的进一步提高，同时有利于厌氧氨氧化菌的培养和富集，提高系统的脱氮负荷。
(3)开发新型脉冲气混式运行系统，通过脉冲式气循环泵的运行，强化颗粒污泥内部微生物与底物充分接触，提高传质效率，有助于提升菌群脱氮活性，同时促进气体从颗粒污泥表面释放，有效防止污泥上浮，从而大大提高系统脱氮效率和运行稳定性。
(4)能够有效促进微生物持留，通过设置拦浮器，并控制其与三相分离器之间沉积的絮体污泥和较小粒径颗粒污泥浓度，使高活性颗粒污泥持留在反应区，同时保障了较高出水水质。
附图说明
图1是本发明的装置示意图。
1-城市污水箱，1.1-第一蠕动泵，1.2-第二蠕动泵，2-前置反硝化-好氧硝化系统，2.1-进水口，2.2-搅拌装置，2.3-曝气装置，2.4-排水口，2.5-取样口，3-硝化液中间水箱，3.1-第三蠕动泵，4-升流式短程反硝化-厌氧氨氧化颗粒污泥系统(UPAG)，4.1-第一进水口，4.2-第二进水口，4.3-内循环口，4.4-碳源补加口，4.5-储碳箱，4.6-布水器，4.7-颗粒污泥反应区，4.8-取样口，4.9-第二排泥口，4.10-拦浮器，4.11-第一排泥口，4.12-三相分离器，4.13-排水口，4.14-溢流堰，4.15-排气口，4.16-气循环泵，4.17-碳源投加泵。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明做进一步说明，如图所示，基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城市污水深度脱氮的装置，包括城市污水箱(1)、前置反硝化/好氧硝化系统(2)，硝化液中间水箱(3)、升流式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统(UPAG)(4)；前置反硝化/好氧硝化系统(2)设有进水口(2.1)、搅拌装置(2.2)、曝气装置(2.3)、排水口(2.4)、取样口(2.5)；UPAG(4)自下而上设有第一进水口(4.1)、第二进水口(4.2)、内循环口(4.3)、碳源补加口(4.4)、储碳箱(4.5)、布水器(4.6)、颗粒污泥反应区(4.7)、取样口(4.8)、第一排泥口(4.9)、拦浮器(4.10)、第二排泥口(4.11)、三相分离器(4.12)、排水口(4.13)、溢流堰(4.14)、排气口(4.15)和气循环泵(4.16)；城市污水箱(1)通过第一蠕动泵(1.1)与前置反硝化/好氧硝化系统进水口(2.1)相连，前置反硝化/好氧硝化系统排水口(2.4)与硝化液中间水箱(3)相连；城市污水箱(1)通过第二蠕动泵(1.2)与UPAG底部第一进水口(4.1)相连；硝化液中间水箱(3)通过第三蠕动泵(3.1)与UPAG第二进水口(4.2)相连；UPAG排气口(4.15)通过气循环泵(4.16)与内循环口(4.3)相连；储碳箱(4.5)通过碳源投加泵(4.17)与碳源补加口(4.4)相连。
基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城市污水深度脱氮的方法，包括以下步骤：
(1)前置反硝化/好氧硝化系统启动阶段：前置反硝化/好氧硝化系统接种城市污水处理厂剩余污泥，接种后污泥浓度为4.0～5.0gVSS/L；开启第一蠕动泵将城市污水泵入前置反硝化/好氧硝化系统，进水结束后关闭第一蠕动泵，开启搅拌装置，去除有机物和前一阶段剩余硝态氮；搅拌0.5～0.8h后开启曝气装置进行硝化反应，控制溶解氧为3.0～3.5mg/L，曝气4.0～4.5h后关闭搅拌装置和曝气装置，进入静沉阶段；静沉0.5～0.6h后排出上清液至硝化液中间水箱，排水比为50～60％；当城市污水氨氮去除率高于90％且连续稳定运行7天以上，前置反硝化/好氧硝化系统启动成功。
(2)UPAG启动阶段：前置反硝化/好氧硝化系统启动成后，进入UPAG启动阶段；首先向UPAG中接种短程反硝化耦合厌氧氨氧化颗粒污泥，该短程反硝化耦合厌氧氨氧化颗粒污泥在反硝化过程中硝态氮转化为亚硝态氮的转化率≥80％，厌氧氨氧化过程中氨氮去除速率≥1.6gN/(L·h)，接种后UPAG的污泥浓度为4.0～5.0gVSS/L；然后，城市污水和硝化液分别由第二蠕动泵和第三蠕动泵连续泵入UPAG，短程反硝化功能菌将硝态氮还原为亚硝态氮，与氨氮在厌氧氨氧化菌作用下被同步去除；水力停留时间为2.5～3.0h；开启气循环泵，调节流量使UPAG内混合液上升流速与循环气体上升流速之比为1.0～1.5；气循环泵每开启1.5～2.0h后关闭，间隔1.5～2.0h重新开启，以此重复脉冲式运行；当UPAG总氮去除率高于85％时，系统启动成功。
城市污水与硝化液进入UPAG后计算得到的硝态氮与氨氮质量浓度之比为1.1～1.3；
城市污水与硝化液进入UPAG后计算得到COD与硝态氮的质量浓度之比低于2.3时，开启碳源投加泵，控制COD与硝态氮的质量浓度之比为2.3～2.5；
当UPAG颗粒污泥反应区的污泥浓度大于6.5g/L时，打开第一排泥口排出剩余污泥；当拦浮器与三相分离器下端污泥浓度大于1.2g/L时，打开第二排泥口排出剩余污泥。
(3)负荷提高阶段：控制UPAG水力停留时间为1.5～2.0h，使混合液上升流速与气体上升流速之比为2.0～2.5；气循环泵每开启1.0～1.5h后关闭，间隔2.0～2.5h后重新开启，以此重复脉冲式运行。当UPAG总氮去除率高于80％且稳定运行7天以上时，减少水力停留时间为0.5～1.0h，调节气循环泵流量，使混合液上升流速与气体上升流速之比为3.0～3.5，气循环泵每开启1.0～1.5h后关闭，间隔3.0～3.5h后重新开启，以此脉冲式运行。当UPAG总氮去除率高于80％且稳定运行7天以上时，控制水力停留时间为0.4～0.5h，调节气循环泵流量，使混合液上升流速与气体上升流速之比为4.0～4.5，直至UPAG总氮去除率高于85％。
具体试验用水为某小区生活污水，平均氨氮浓度为56.2mg/L，平均COD浓度为195.5mg/L，长期运行102天后，前置反硝化-好氧硝化系统的平均氨氮去除率为96.7％，平均出水硝态氮浓度为31.9mg/L；UPAG水力停留时间为0.5h时，工艺平均总氮去除率为90.1％，平均出水氨氮浓度为4.70mg/L，平均出水硝态氮为0.40mg/L，实现了城市污水稳定深度脱氮。

Claims (1)

1.一种基于脉冲气混式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统的城市污水深度脱氮的方法，该方法所用装置包括城市污水箱(1)、前置反硝化/好氧硝化系统(2)，硝化液中间水箱(3)、升流式短程反硝化/厌氧氨氧化颗粒污泥系统UPAG(4)；前置反硝化/好氧硝化系统(2)设有进水口(2.1)、搅拌装置(2.2)、曝气装置(2.3)、排水口(2.4)、取样口(2.5)；UPAG(4)自下而上设有第一进水口(4.1)、第二进水口(4.2)、内循环口(4.3)、碳源补加口(4.4)、储碳箱(4.5)、布水器(4.6)、颗粒污泥反应区(4.7)、取样口(4.8)、第一排泥口(4.9)、拦浮器(4.10)、第二排泥口(4.11)、三相分离器(4.12)、排水口(4.13)、溢流堰(4.14)、排气口(4.15)和气循环泵(4.16)；城市污水箱(1)通过第一蠕动泵(1.1)与前置反硝化/好氧硝化系统进水口(2.1)相连，前置反硝化/好氧硝化系统排水口(2.4)与硝化液中间水箱(3)相连；城市污水箱(1)通过第二蠕动泵(1.2)与UPAG底部第一进水口(4.1)相连；硝化液中间水箱(3)通过第三蠕动泵(3.1)与UPAG第二进水口(4.2)相连；UPAG排气口(4.15)通过气循环泵(4.16)与内循环口(4.3)相连；储碳箱(4.5)通过碳源投加泵(4.17)与碳源补加口(4.4)相连；
其特征在于，包括以下步骤：
(1)前置反硝化/好氧硝化系统启动阶段：前置反硝化/好氧硝化系统接种城市污水处理厂剩余污泥，接种后污泥浓度为3.0～5.0gVSS/L；开启第一蠕动泵将城市污水泵入前置反硝化/好氧硝化系统，进水结束后关闭第一蠕动泵，开启搅拌装置，去除有机物和前一阶段剩余硝态氮；搅拌0.5～1.0h后开启曝气装置进行硝化反应，控制溶解氧为2.0～4.0mg/L，曝气3.0～5.0h后关闭搅拌装置和曝气装置，进入静沉阶段；静沉0.5～1.0h后排出上清液至硝化液中间水箱，排水比为50～70％；当城市污水氨氮去除率高于90％且连续稳定运行7天以上，前置反硝化/好氧硝化系统启动成功；
(2)UPAG启动阶段：前置反硝化/好氧硝化系统启动成功后，进行UPAG启动；首先向UPAG中接种短程反硝化耦合厌氧氨氧化颗粒污泥，接种后UPAG的污泥浓度为3.0～6.0gVSS/L；然后，城市污水和硝化液分别由第二蠕动泵和第三蠕动泵连续泵入UPAG，短程反硝化功能菌将硝态氮还原为亚硝态氮，与氨氮在厌氧氨氧化菌作用下被同步去除；水力停留时间为1.5～4.0h；开启气循环泵，调节流量使UPAG内混合液上升流速与循环气体上升流速之比为1.0～2.0；气循环泵每开启1.5～2.5h后关闭，间隔1.0～2.0h重新开启，以此重复脉冲式运行；当UPAG总氮去除率高于80％时，启动成功；
所述的步骤(2)中，控制城市污水进水流量与硝化液流量，使混合后进入UPAG的硝态氮与氨氮质量浓度之比为1.0～1.5；
所述的步骤(2)中，当城市污水与硝化液混合后化学需氧量COD与硝态氮的质量浓度之比低于2.0时，开启碳源投加泵，调节流量使UPAG中COD与硝态氮的质量浓度之比为2.0～3.0；
所述的步骤(2)中UPAG颗粒污泥反应区的污泥浓度大于6.0g/L时，打开第一排泥口排出剩余污泥；当拦浮器与三相分离器下端污泥浓度大于1.0g/L时，打开第二排泥口排出剩余污泥；
(3)负荷提高阶段：控制UPAG水力停留时间为1.0～2.0h，使混合液上升流速与气体上升流速之比为2.0～3.0；气循环泵每开启1.0～1.5h后关闭，间隔2.0～3.0h后重新开启，以此重复脉冲式运行；当UPAG总氮去除率高于80％且稳定运行7天以上时，减少水力停留时间为0.5～1.0h，调节气循环泵流量，使混合液上升流速与气体上升流速之比为3.0～4.0，气循环泵每开启1.0～1.5h后关闭，间隔3.0～4.0h后重新开启，以此脉冲式运行；当UPAG总氮去除率高于80％且稳定运行7天以上时，控制水力停留时间为0.2～0.5h，调节气循环泵流量，使混合液上升流速与气体上升流速之比为4.0～5.0，直至UPAG总氮去除率高于80％。
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