CN112456643A - 城市污水处理厂主流与侧流区生物膜循环交替实现部分厌氧氨氧化深度脱氮除磷系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供城市污水处理厂主流与侧流区生物膜循环交替实现部分厌氧氨氧化深度脱氮除磷系统与方法。系统包括主流区(a)、深度处理区(b)和侧流区(c)三个主要组成单元，通过生物膜的循环交替来实现整个系统深度脱氮除磷。在主流区(a)中，厌/缺氧区主要功能是进行异养反硝化脱氮、短程反硝化/厌氧氨氧化自养脱氮，好氧区主要功能是去除有机物、好氧吸磷、完成硝化反应；在深度处理区(b)中的反硝化流化床(8)内，针对主流区出水和原水的混合液进行深度处理，实现异养反硝化、短程反硝化/厌氧氨氧化自养脱氮；侧流区(c)中的高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)基于生物膜富集厌氧氨氧化菌，实现侧流高氨氮废水的自养脱氮。
Description
技术领域
本发明涉及活性污泥法与生物膜法污水处理技术领域，适用于新建污水厂及已建成污水厂的提标改造、市政污水和工业废水的处理等污水处理技术领域。
背景技术
城市污水达标排放是近年来关注的焦点，尤其是氮素的去除。目前，较多污水处理厂仍然面临总氮不能达标排放的现状或风险。究其原因，大部分收集至市政污水处理厂的废水碳氮比相对较低，限制了传统硝化反硝化工艺的脱氮负荷。为满足日益严格的排放要求，外加碳源的方式被广泛用来强化脱氮，但投加碳源费用相当高并且需要增加后置保障单元去除残余的有机物。另一方面，完成硝化需要大量的曝气，占据整个污水处理厂运行的高比例的运行能耗。因此，寻求低耗高效稳定的脱氮新技术新工艺成为水处理行业的亟需目标。
厌氧氨氧化(Anammox)技术被认为是城市污水生物脱氮中最有应用前景的替代方案。厌氧氨氧化技术不依赖有机碳源，具备克服低碳氮比的技术优势。针对高氨氮废水处理，无论一体化还是两段式的短程硝化/厌氧氨氧化工艺均表现出良好的脱氮效果。换句话说，基于厌氧氨氧化的工艺对适温条件下高氮素废水提供了较为可靠的处理方法。至今，全世界已兴建了100多项厌氧氨氧化高氨氮污水处理工程。
“主流厌氧氨氧化”(Mainstream Anammox)技术处理含氮体量更大的低氨氮废水(市政污水)，若实现稳定应用将具有革命性的工程意义。一般来讲，城市污水主流厌氧氨氧化工艺需要有机物和氮素的分离去除。有机物首先通过高效活性污泥法等去除或捕获回收利用，之后剩余含氮废水主要通过短程硝化/厌氧氨氧化途径达到氮素的去除，这在理论上将显著减少氧气消耗并实质增加沼气产量。目前，尽管越来越多的试验证据支撑城市污水厌氧氨氧化技术的可行性，但是其工艺直接处理实际城市污水的瓶颈问题还尚需突破，包括亚硝酸盐氧化菌生长的难以控制、厌氧氨氧化菌不稳定持留、低温的抑制效应等。
突破主流城市污水部分厌氧氨氧化具有现实的工程意义。相对主流厌氧氨氧化技术实现城市污水完全的自养脱氮，如果厌氧氨氧化去除总氮的比例较低时，宜称为主流部分厌氧氨氧化(Partial Anammox)。近年来，随着短程反硝化为厌氧氨氧化菌提供亚硝态氮强化脱氮探究的不断深入，给解决这些问题带来了新进展。主流污水短程反硝化推动的厌氧氨氧化技术原理已在中国西安第四污水处理厂(一期)工程中获得验证，实质性推进了部分厌氧氨氧化在城市污水处理的应用。其在单一反应器内，同时进行着厌氧氨氧化反应和反硝化反应，并且厌氧氨氧化反应的电子供体来自于反硝化过程产生的亚硝态氮，绕行短程硝化/厌氧氨氧化工艺处理城市污水过程中亚硝酸盐氧化菌难以控制的瓶颈问题，有效地解决厌氧氨氧化过程亚硝态氮难以稳定获取的难题，相比传统的硝化反硝化工艺出水总氮浓度显著降低。该技术发展受国际水处理领域的广泛关注，具有现实的研究意义与工程应用前景。
发明内容
1、城市污水处理厂主流与侧流生物膜循环交替实现部分厌氧氨氧化深度脱氮除磷系统与方法，由主流区(a)、深度处理区(b)和侧流区(c)3个主要组成单元。其中在主流区(a)中：原水(1)进入主流区(a)，依次经过厌氧区(2)、缺氧区(3)、好氧区(4) 和沉淀池(5)；沉淀池(5)底部经污泥回流管路(9)与厌氧区(2)连接；好氧区(4) 末端经硝化液回流管路(10)与缺氧区(3)连接；鼓风系统(16)与好氧区(4)连接。在深度处理区(b)中：沉淀池(5)出水进入反硝化流化床(8)，同时原水(1)也进入反硝化流化床(8)，系统出水(12)可直接排放或经过物理化学方法再处理后排放，也可回用。在侧流区(c)中：沉淀池(5)中排出的剩余污泥进入污泥消化区(6)，经消化处理后产生的上清液进入高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)，处理后的全部废水回流至进水管路。系统设置三个生物膜循环交替设施：第一循环交替设施(13)连接厌氧区(2)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)；第二循环交替设施(14)连接缺氧区(3)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)；第三循环交替设施(15)连接反硝化流化床(8)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)。
2、进一步，厌氧区(2)、缺氧区(3)、高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)与反硝化流化床(8)内需设置易于形成生物膜的载体(17)，为脱氮功能微生物提供缺氧微环境，利于反硝化菌、厌氧氨氧化菌协同生长。其中厌氧区(2)和缺氧区(3)的生物膜填充比小于 66.7％，高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)生物膜填充比为40％-80％之间，反硝化流化床(8) 载体填充率为10-60％。
3、进一步，设置有3个生物膜循环交替设施(13)、(14)与(15)。其中其中第一循环交替设施(13)用于交换厌氧区(2)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)间的生物膜；第二循环交替设施(14)用于交换缺氧区(3)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)间的生物膜；第三循环交替设施(15)用于交换反硝化流化床(8)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)间的生物膜；根据运行过程中生物膜自养脱氮活性，交换的间隔时间大于3个月。
4、进一步，主流区(a)的工艺不限于是厌氧区(2)、缺氧区(3)、好氧区(4)与污泥回流管路(9)、硝化液回流管路(10)组合形成的推流式A2/O工艺，也可以是其相似或改良工艺，如A/O、多级A/O、UCT。污泥回流比控制为50％-100％，硝化液回流比控制为75％-200％。主流区(a)中的总水力停留时间设计为10-16小时，好氧区的水力停留时间为5-9小时。好氧区末端溶解氧控制在1-3mg/L，以保证硝化反应完成。
5、进一步，主流区(a)与深度处理区(b)可经管路直接连接，其间也可设置混凝沉淀池、过滤池、消毒池一种或几种。
6、进一步，侧流区(c)中的高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)可以采用一体化厌氧氨氧化工艺，也可以采用两段式厌氧氨氧化工艺来富集生物膜上的厌氧氨氧化菌。侧流区进水氨氮浓度为300-1500mg/L,溶解氧浓度为0.2-1.0mg/L,TN去除负荷控制在0.3-3 kgN/(m3 .d)之间。
7、进一步，原水可以是依次经过进水井、调节池、粗格栅、细格栅、沉砂池、初沉池构筑物后的污水，也可以是经过上述一种或几种构筑物后的污水。
8、进一步，主流区(a)中生物膜与絮体污泥并存，絮体污泥浓度为1500-6000mgSS/L；深度处理区(b)中的反硝化流化床(8)不含絮体污泥；侧流区(c)生物膜与絮体污泥并存，絮体污泥浓度为6000-10000mgSS/L。
9、城市污水处理厂主流与侧流生物膜循环交替实现部分厌氧氨氧化的系统与方法，其特征在于：
1)原水(1)进入主流区(a)中，含有氨氮的原水首先进入厌氧区(2)，进水氨氮浓度在30-60mg/L，碳氮比在2-6之间。同步进入厌氧区(2)前端的还有来自沉淀池(5) 底部经污泥回流管路(9)的回流污泥。此外，经高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)处理后的全部废水也回流至厌氧区(2)前端，该废水中含有30-75mg/L的硝态氮。在厌氧区(2) 内进行厌氧释磷反应：聚磷菌利用原水中的挥发性脂肪酸VFAs，合成内碳源PHAs使C/N 比降低，释放磷。硝态氮也可利用原水中的碳源进行异养反硝化脱氮，即硝态氮还原至氮气的过程。同时，在低C/N比环境下可促进短程反硝化产生亚硝态氮，该厌氧区内载体(17) 上的厌氧氨氧化菌利用氨氮和亚硝态氮进行厌氧氨氧化自养脱氮。
2)厌氧区(2)处理后的混合液进入缺氧区(3)，同步进入的还有来自好氧区(4) 末端经硝化液回流管路(10)的硝化液，其硝化液回流比控制在75％-200％，其含有硝态氮，硝态氮浓度在5-14mg/L范围。在缺氧区(3)内硝态氮利用污水中的碳源进行异养反硝化脱氮，即硝态氮还原至氮气的过程。同时，在低C/N比环境下可促进短程反硝化产生亚硝态氮，该缺氧区内载体(17)上的厌氧氨氧化菌利用氨氮和硝态氮进行厌氧氨氧化自养脱氮，整个系统的自养氮损失在10％-50％之间，系统氮去除负荷为0.06-0.2kgN/m3/d。
3)缺氧区(3)处理后的混合液进入好氧区(4)，进行好氧反应，一方面，聚磷菌以氧气为电子受体，以PHAs为电子供体，进行好氧吸磷得到去除,出水磷浓度为0.5mg/L以下，当碳氮比过低时，磷浓度尽控制在0.8mg/L以下，后续通过化学除磷去除；残余的有机物也会被曝气去除，出水COD浓度低于50mg/L；另一方面，进行充分的硝化反应，硝化菌在好氧条件下将氨氮转化为硝态氮,出水中氨氮浓度低于1.0mg/L。
4)好氧区(4)处理后的混合液流入沉淀池(5)，实现泥水分离，底部污泥经污泥回流管路(9)回到厌氧区(2)，其污泥回流比控制在50％-100％；沉淀池(5)出水进入深度处理区(b)中待进一步处理。
5)深度处理区(b)中，沉淀池(5)出水进入反硝化流化床(8)，其含有硝态氮，硝态氮的浓度为5-15mg/L。同时原水(1)经超越管道(11)也进入反硝化流化床(8)，其含有有机物和氨氮，氨氮的浓度控制在3-10mg/L。在反硝化流化床(8)内硝态氮利用污水中的碳源进行异养反硝化脱氮，即硝态氮还原至氮气的过程。同时，在低C/N比环境下发生短程反硝化产生亚硝态氮，该反硝化流化床(8)内载体(17)上的厌氧氨氧化菌利用氨氮和亚硝态氮进行厌氧氨氧化脱氮。系统出水(12)可直接排放或经过物理化学方法处理后排放，也可回用。
6)在侧流区(c)中，沉淀池(5)中排出的剩余污泥经沉淀浓缩后进入污泥消化区(6)，经消化处理后产生的上清液进入高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)，上清液中含有高浓度的氨氮，氨氮浓度为300-1500mg/L。侧流区(c)基于短程硝化/厌氧氨氧化技术可以采用一体化厌氧氨氧化工艺，也可以采用两段式厌氧氨氧化工艺来富集生物膜。氨氧化菌将氨氮全部或者部分转化成亚硝酸盐，然后氨氮与亚硝酸盐通过厌氧氨氧化菌转化为氮气。经高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)处理后的全部废水回流至进水管路。
城市污水处理厂主流与侧流区生物膜循环交替实现部分厌氧氨氧化深度脱氮除磷系统，其特征在于，在主流区(a)中，厌氧区主要功能是厌氧释磷，缺氧区主要功能是进行异养反硝化脱氮、短程反硝化/厌氧氨氧化自养脱氮，好氧区主要功能是去除混合液中的COD、好氧吸磷、充分的硝化反应；侧流区(c)中的高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)采用一体化或两段式短程硝化/厌氧氨氧化工艺来富集生物膜中的厌氧氨氧化菌，实现侧流高氨氮废水的自养脱氮；在深度处理区(b)中的反硝化流化床(8)内，针对主流区出水和原水的混合液进行深度处理，实现异养反硝化、短程反硝化/厌氧氨氧化自养脱氮。厌氧区(2)、缺氧区(3)、高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)与反硝化流化床(8)内设置易于形成生物膜的载体，强化反硝化菌与厌氧氨氧化菌生长持留；系统设置三个生物膜循环交替设施(13)、 (14)与(15)连接各主要组成单元，通过控制生物膜的循环交替来实现整个系统部分厌氧氨氧化深度脱氮除磷。
城市污水处理厂主流与侧流区生物膜循环交替实现部分厌氧氨氧化深度脱氮除磷系统，与传统城市污水处理厂基于活性污泥法的硝化反硝化工艺相比，具有以下优势：
1)显著节省曝气量。传统城市污水处理厂基于活性污泥法的硝化反硝化工艺转化1 gNH4 +-N理论上消耗4.57gO2；本系统因为部分厌氧氨氧化自养脱氮，导致一定比例的氨氮不需经过曝气转化为硝态氮，理论上消耗介于2.29-4.57gO2之间，能够显著降低污水处理厂的曝气能耗。
2)节省甚至无需投加碳源。传统硝化反硝化工艺去除1gNO3 --N理论上须提供2.86gCOD；本系统因为部分厌氧氨氧化自养脱氮，导致一定比例的硝态氮无需碳源就可转化为氮气，同时硝态氮还原过程中转化为氮气不需要碳源，并且节省出来的对应碳源可进一步用于去除总氮，所以本系统去除1gNH4 +-N理论上可提供较低的碳源量，当原水中的有机物较少时，相对传统硝化反硝化工艺显著节省碳源投加量，如果原水有机物达到一定范围时时，无需投加碳源即可达到较为理想的脱氮效果。
3)污泥产量低。系统反应过程为部分自养脱氮，污泥产量有效降低，有利于降低污泥处置费用。
4)自养脱氮稳定性强。系统结合了基于主流短程反硝化耦合部分厌氧氨氧化工艺与侧流短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺，主流与侧流工艺均有较强的稳定性。
5)工程适用性强。对已建成水厂进行升级改造简单，易于推广应用；对于新建污水处理厂，其相对传统的硝化反硝化工艺设计达到同样的脱氮负荷，可节省占地面积。
附图说明
图1为城市污水处理厂主流与侧流区生物膜循环交替实现部分厌氧氨氧化深度脱氮除磷系统。图1中：1-原水；2-厌氧区；3-缺氧区；4-好氧区；5-沉淀池；6-污泥消化区；7-高氨氮厌氧氨氧化脱氮区；8-反硝化流化床；9-污泥回流管路；10-硝化液回流管路；11- 超越管路；12-系统出水；13-循环交替设施(2与7交换)；14-循环交替设施(3与7交换)； 15-循环交替设施(8与7交换)；16-鼓风系统；17-载体。
图2为城市污水处理厂主流与侧流区生物膜循环交替实现部分厌氧氨氧化的技术原理。
具体实施方式
结合图1，详细说明本发明的实施方案：
1)启动系统：接种传统污水处理厂活性污泥投加至主流区(a)中，使污泥浓度为1500～6000mg/L，然后接种已经挂好厌氧氨氧化生物膜(如直径25mm聚乙烯填料生物膜)至厌氧区(2)、缺氧区(3)、高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)与反硝化流化床(8)内，为脱氮功能微生物提供缺氧微环境，利于反硝化菌、厌氧氨氧化菌生长。不具备接种条件时，可投加空白生物膜载体至厌氧区(2)、缺氧区(3)、高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)与反硝化流化床(8)内，随着系统的运行在厌氧区(2)、缺氧区(3)、高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)与反硝化流化床(8)内逐渐挂膜。
2)主要运行参数设置如下：污泥回流比控制在50％～125％。控制好氧区的溶解氧浓度为1.0～3.0mg/L，以保证硝化完成为目的。沉淀池(5)出水进入反硝化流化床(8)，同时一部分原水(1)经超越管道(11)也进入反硝化流化床(8)，根据混合后的水质调整两类进水的流量和比例，如控制COD/NO3 --N在2.0-5.0间，NO3 --N/NH4 +-N在1.0-3.0之间。水力停留时间：主流区(a)的平均水力停留时间HRT控制在10～16h，反硝化流化床(8) 的平均水力停留时间HRT控制在1～5h，高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)的平均水力停留时间HRT控制在12～48小时。污泥停留时间：控制主流区(a)中絮体污泥的污泥龄为8～16 天，依据季节温度作适当调整。系统运行稳定后，在进水NH4 +-N浓度为40mg/L、进水 COD/TN为4时，出水COD浓度为20～50mg/L，NH4 +-N浓度为0～2mg/L，NO3 --N浓度为0～8mg/L，TN浓度为0～10mg/L。
Claims (7)
1.城市污水处理厂主流与侧流生物膜循环交替实现部分厌氧氨氧化深度脱氮除磷系统，其特征在于：由主流区(a)、深度处理区(b)和侧流区(c)3个主要组成单元；其中在主流区(a)中：原水(1)进入主流区(a)，依次经过厌氧区(2)、缺氧区(3)、好氧区(4)和沉淀池(5)；沉淀池(5)底部经污泥回流管路(9)与厌氧区(2)连接；好氧区(4)末端经硝化液回流管路(10)与缺氧区(3)连接；鼓风系统(16)与好氧区(4)连接；在深度处理区(b)中：沉淀池(5)出水进入反硝化流化床(8)，同时原水(1)也进入反硝化流化床(8)，在侧流区(c)中：沉淀池(5)中排出的剩余污泥进入污泥消化区(6)，经消化处理后产生的上清液进入高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)，处理后的全部废水回流至进水管路；系统设置三个生物膜循环交替设施：第一循环交替设施(13)连接厌氧区(2)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)；第二循环交替设施(14)连接缺氧区(3)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)；第三循环交替设施(15)连接反硝化流化床(8)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)。
2.根据权利要求1的所述系统，其特征在于：厌氧区(2)、缺氧区(3)、高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)与反硝化流化床(8)内需设置载体(17)，为脱氮功能微生物提供缺氧微环境；其中厌氧区(2)和缺氧区(3)的生物膜填充比小于66.7％，高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)生物膜填充比为40％-80％之间，反硝化流化床(8)载体填充率为10-60％。
3.根据权利要求1的所述系统，其特征在于：其特征在于：其中第一循环交替设施(13)用于交换厌氧区(2)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)间的生物膜；第二循环交替设施(14)用于交换缺氧区(3)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)间的生物膜；第三循环交替设施(15)用于交换反硝化流化床(8)与高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)间的生物膜；其交换的间隔时间大于3个月。
4.根据权利要求1的所述系统，其特征在于：主流区(a)的工艺是厌氧区(2)、缺氧区(3)、好氧区(4)与污泥回流管路(9)、硝化液回流管路(10)组合形成的推流式A2/O工艺，或者是A/O、多级A/O、UCT；污泥回流比控制为50％-100％，硝化液回流比控制为75％-200％；主流区(a)中的总水力停留时间设计为10-16小时，好氧区的水力停留时间为5-9小时；好氧区末端溶解氧控制在1-3mg/L，以保证硝化反应完成。
5.根据权利要求1的所述系统，其特征在于：主流区(a)与深度处理区(b)可经管路直接连接，或者之间也可设置混凝沉淀池、过滤池、消毒池一种或几种。
6.根据权利要求1的所述系统，其特征在于：侧流区(c)中的高氨氮厌氧氨氧化脱氮区(7)可以采用一体化厌氧氨氧化工艺，也可以采用两段式厌氧氨氧化工艺来富集生物膜上的厌氧氨氧化菌；侧流区进水氨氮浓度为300-1500mg/L,溶解氧浓度为0.2-1.0mg/L,TN去除负荷控制在0.3-3kgN/(m3 .d)之间。
7.根据权利要求1的所述系统，其特征在于：主流区(a)中生物膜与絮体污泥并存，絮体污泥浓度为1500-6000mgSS/L；深度处理区(b)中的反硝化流化床(8)不含絮体污泥；侧流区(c)生物膜与絮体污泥并存，絮体污泥浓度为6000-10000mgSS/L。
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