CN112479371A - 一种城市污水脱氮除磷的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种城市污水脱氮除磷的装置和方法，通过内源短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市污水中COD和无机氮通过内碳源储存和自养脱氮，在内源短程反硝化工艺之前增加全程硝化耦合除磷工艺，解决无机磷去除和硝酸盐来源的瓶颈，污水同时进入全程硝化耦合除磷SBR反应器和生物膜内源短程反硝化SBBR反应器，通过外碳源转化为内碳源而实现除磷和短程反硝化，同时和内源短程反硝化厌氧段未经硝化的氨氮，为厌氧氨氧化提供底物，进而实现城市污水经济高效的脱氮除磷。

Description

一种城市污水脱氮除磷的装置和方法
技术领域：
本发明属于污水处理技术领域，涉及一种城市污水脱氮除磷的装置和方法，特别是一种利用污泥内碳源驱动硝态氮部分还原实现城市污水脱氮除磷的设备和方法，适用于低C/N城市生活污水.
背景技术：
据中国环境状况公报，虽然我国水资源环境质量状况不断提升，但以活性磷酸盐、无机氮和化学需氧量(COD)为主要污染指标的水体污染问题仍然存在，污水的深度脱氮除磷仍然是水污染控制的主要目标。厌氧氨氧化作为一种新型生物脱氮技术，可在厌氧条件下，通过厌氧氨氧化菌的作用直接将氨氮和亚硝态氮转化为氮气，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技术中具有重要应用前景。然而，目前厌氧氨氧化所需基质亚硝态氮的稳定获取，仍是限制其推广应用的瓶颈。
内源短程反硝化克服了短程反硝化过程难以同时实现稳定亚硝积累和高效有机物去除的弊端，为厌氧氨氧化脱氮工艺的推广应用提供了新途径。在内源短程反硝化系统中，聚糖菌可在厌氧条件下充分利用原污水中COD并进行内碳源PHAs的高效储存，并在缺氧条件下利用厌氧段储存的PHAs进行短程反硝化脱氮，其可在实现污水中COD与硝酸盐去除的同时，实现亚硝态氮的积累。内源短程实现了原水中有机碳源的高效利用，避免了其对后续厌氧氨氧化过程可能产生的影响；并且，内源短程反硝化过程缺氧反应时间更易控制，有利于实现短程反硝化的过程控制及亚硝态氮的稳定积累。因此，设计一种新型的城市污水脱氮除磷装置和方法，通过内源短程反硝化/厌氧氨氧化工艺可实现城市污水中COD和无机氮通过内碳源储存和自养脱氮，在内源短程反硝化工艺之前增加全程硝化耦合除磷工艺，解决无机磷去除和硝酸盐来源的瓶颈。污水同时进入全程硝化耦合除磷SBR反应器和内源短程反硝化反应器，通过外碳源转化为内碳源而实现除磷和短程反硝化，同时和内源短程反硝化厌氧段未经硝化的氨氮，为厌氧氨氧化提供底物，进而实现城市污水经济高效的脱氮除磷。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种利用污泥内碳源驱动硝态氮部分还原实现城市污水脱氮除磷的装置和方法，针对城市污水中活性磷酸盐、无机氮和化学需氧量(COD)主要污染指标，结合全程硝化耦合生物除磷，生物膜内源短程反硝化和厌氧氨氧化等新型生物脱氮除磷技术，在充分利用原水中有机碳源的基础上，实现经济高效的脱氮除磷和有机物去除。
为了实现上述目的，本发明所述城市污水脱氮除磷的装置主体结构包括第一城市污水原水水箱、全程硝化耦合除磷SBR反应器、一级中间水箱、第二城市污水原水水箱、生物膜内源短程反硝化SBBR反应器、二级中间水箱和厌氧氨氧化USAB反应器；第一城市污水原水水箱的左侧上方设有第一溢流管，底部左侧设有第一放空管，第一城市污水原水水箱通过第一进水泵与全程硝化耦合除磷SBR反应器相连接；全程硝化耦合除磷SBR反应器左侧连接有鼓风曝气机、第一pH/DO在线测定仪和第一恒温装置，全程硝化耦合除磷SBR反应器底部设有曝气盘，曝气盘的正上方设有第一搅拌装置，全程硝化耦合除磷SBR反应器的右侧中间设有第一出水口，右侧下端设有排泥口，第一出水口与第一排水阀联通，全程硝化耦合除磷SBR反应器通过第一排水阀连接一级中间水箱；一级中间水箱左侧上部设有第二溢流管，底部左侧设有第二放空管；第二城市污水原水水箱左侧上部设有第三溢流管，底部左侧设有第三放空管；一级中间水箱和第二城市污水原水水箱分别通过第二进水泵和第三进水泵与生物膜内源短程反硝化SBBR反应器连接，生物膜内源短程反硝化SBBR反应器左侧设有第二pH/DO在线测定仪和第二恒温装置，生物膜内源短程反硝化SBBR反应器内设有第二搅拌装置，生物膜内源短程反硝化SBBR反应器右侧中间设有第二出水口，第二出水口与第二排水阀连接，内源短程反硝化反应器通过第二排水阀与二级中间水箱连接，二级中间水箱的左侧上部设有第四溢流管，左侧底部设有第四放空管；二级中间水箱通过第四进水泵与厌氧氨氧化USAB反应器相连接，厌氧氨氧化USAB反应器右侧设有取样口，顶部设有第三出水口。
本发明所述第一城市污水原水水箱、一级中间水箱、第二城市污水原水水箱和二级中间水箱均为密闭结构。
本发明通过全程硝化耦合除磷/内源短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市污水脱氮除磷，其处理过程为：
(1)城市污水通过第一进水泵由第一城市污水原水水箱抽入全程硝化耦合除磷SBR反应器；在全程硝化耦合除磷SBR反应器内，聚磷菌利用城市污水中有机碳源COD向内碳源PHAs转化，并完成厌氧释磷；随后开启第一搅拌装置并调控全程硝化耦合除磷SBR反应器溶解氧浓度进行曝气搅拌，在氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的共同作用下，利用城市污水中的氨氮进行全程硝化，并将其转化为硝态氮，PAOs则利用储存的PHA进行好氧吸磷，以实现城市污水中磷的去除；全程硝化耦合除磷SBR反应器好氧结束后进行排泥，结束后沉淀排水至一级中间水箱；
(2)城市污水通过第三进水泵由第二城市污水原水水箱抽入生物膜内源短程反硝化SBBR反应器；在内源短程反硝化反应器内，聚糖菌利用城市污水中有机碳源COD转化为内碳源PHAs，一级中间水箱中的硝化出水通过第二进水泵进入内源短程反硝化反应器，聚糖菌继续利用储存的内碳源进行短程反硝化作用，并将其转化为亚硝态氮；其出水作为至二级中间水箱；
(3)厌氧氨氧化USAB反应器利用二级中间水箱内出水中的未经硝化的氨氮和内源短程反硝化产生的亚硝态氮作为基质，将其转化为氮气和少量硝态氮，实现城市污水的自养脱氮。
本发明通过全程硝化耦合除磷/内源短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市污水脱氮除磷的具体步骤为：
(1)将现有具有良好脱氮性能和生物除磷性能的活性污泥投加至全程硝化耦合除磷SBR反应器内，使全程硝化耦合除磷SBR反应器内悬浮活性污泥浓度达到3500～400mg/L；将具有内源短程反硝化性能的海绵填料经填料架固定后投加至全程硝化耦合除磷SBR反应器内，使全程硝化耦合除磷SBR反应器内填料填充率为35％～45％；将具有厌氧氨氧化脱氮性能的厌氧氨氧化聚丙烯填料球加至厌氧氨氧化USAB反应器，使厌氧氨氧化USAB反应器内填料球占到厌氧氨氧化USAB反应器有效容积的1/2～3/4；
(2)将城市污水加入第一城市污水原水水箱，启动第一进水泵将城市污水抽入全程硝化耦合除磷SBR反应器内，先厌氧搅拌90-120min，再曝气搅拌120-140min，当NH4 +-N浓度<1.0mg/L且PO4 3--P<0.5mg/L时进行排泥，此处曝气搅拌是指DO浓度4.0～4.5mg/L；全程硝化耦合除磷SBR反应器排泥结束后沉淀排水，排水比为40％～50％，出水排入一级中间水箱；
(2)城市污水经第三进水泵进入内源短程反硝化反应器，先厌氧搅拌150～180min，当COD浓度<30.0mg/L随后启动第二进水泵将一级中间水箱中的硝化出水抽入内源短程反硝化反应器内进行缺氧搅拌20～40min，当NO3 --N浓度<1.0mg/L进行排水，排水比35％～40％，出水排入二级中间水箱；
(3)二级中间水箱中的内源短程反硝化SBBR反应器出水经第四进水泵进入厌氧氨氧化连续流反应器，水力停留时间为1～5h，完成城市污水的自养深度脱氮。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是采用生物膜内源短程反硝化/厌氧氨氧化技术，在节省碳源和能源方面具有一定的经济性，适合低碳城市污水的深度脱氮；二是全程硝化耦合除磷工艺弥补了内源短程反硝化/厌氧氨氧化处理城市污水时硝态氮来源和除磷性能两大缺口，同时利用城市污水中现有有机碳源的基础上，实现磷的去除和氨氮的转化；三是采用生物膜工艺，可实现聚糖菌和厌氧氨氧化菌的有效持留，减少剩余污泥的产量，提高脱氮效率，为城市污水主流厌氧氨氧化工艺的推广提供新的思路和应用前景。
附图说明：
图1为本发明所述城市污水脱氮除磷的装置主体结构原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施实例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例所述城市污水脱氮除磷的装置主体结构如图1所示，包括第一城市污水原水水箱1、全程硝化耦合除磷SBR反应器2、一级中间水箱3、第二城市污水原水水箱4、生物膜内源短程反硝化SBBR反应器5、二级中间水箱6和厌氧氨氧化USAB反应器7；第一城市污水原水水箱的左侧上方设有第一溢流管1.1，底部左侧设有第一放空管1.2，第一城市污水原水水箱1通过第一进水泵2.4与全程硝化耦合除磷SBR反应器2相连接；全程硝化耦合除磷SBR反应器2左侧连接有鼓风曝气机2.1、第一pH/DO在线测定仪2.2和第一恒温装置2.3，全程硝化耦合除磷SBR反应器2底部设有曝气盘2.5，曝气盘2.5的正上方设有第一搅拌装置2.9，全程硝化耦合除磷SBR反应器2的右侧中间设有第一出水口2.8，右侧下端设有排泥口2.6，第一出水口2.8与第一排水阀2.7联通，全程硝化耦合除磷SBR反应器2通过第一排水阀2.7连接一级中间水箱3；一级中间水箱3左侧上部设有第二溢流管3.1，底部左侧设有第二放空管3.2；第二城市污水原水水箱4左侧上部设有第三溢流管4.1，底部左侧设有第三放空管4.2；一级中间水箱3和第二城市污水原水水箱4分别通过第二进水泵5.3和第三进水泵5.4与生物膜内源短程反硝化SBBR反应器5连接，生物膜内源短程反硝化SBBR反应器5左侧设有第二pH/DO在线测定仪5.1和第二恒温装置5.2，生物膜内源短程反硝化SBBR反应器5内设有第二搅拌装置5.7，生物膜内源短程反硝化SBBR反应器5右侧中间设有第二出水口5.5，第二出水口5.5与第二排水阀5.6连接，内源短程反硝化反应器5通过第二排水阀5.6与二级中间水箱连接，二级中间水箱6的左侧上部设有第四溢流管6.1，左侧底部设有第四放空管6.2；二级中间水箱6通过第四进水泵7.1与厌氧氨氧化USAB反应器7相连接，厌氧氨氧化USAB反应器7右侧设有取样口7.2，顶部设有第三出水口7.3。
本实施例所述第一城市污水原水水箱1、一级中间水箱3、第二城市污水原水水箱4和二级中间水箱6均为密闭结构。
本实施例所用的城市污水取自某城市污水厂的初沉池出水，具体水质如下：COD浓度为250mg/L，NH4 +-N浓度为55mg/L，NO2 --N浓度＜1mg/L，NO3 --N浓度＜1mg/L，碳氮比平均为4.2，无机磷浓度6.6mg/L，pH为7.6，采用如图1所示装置进行试验，全程硝化耦合除磷SBR反应器2、生物膜内源短程反硝化SBBR反应器5和厌氧氨氧化USAB反应器7均采用有机玻璃制作，有效容积分别为8L、8L和2L。对所述城市污水进行脱氮除磷处理的过程具体包括以下步骤：
(1)将城市污水加入第一城市污水原水水箱1，启动第一进水泵2.4将城市污水抽入全程硝化耦合除磷SBR反应器2内，先厌氧搅拌90-120min，聚磷菌利用城市污水中有机碳源COD向内碳源PHAs转化，并完成厌氧释磷；再曝气搅拌120～140min，在氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的共同作用下，利用城市污水中的氨氮进行全程硝化，并将其转化为硝态氮，PAOs则利用储存的PHA进行好氧吸磷，当NH4 +-N浓度<1.0mg/L且PO4 3--P<0.5mg/L时进行排泥，此处曝气搅拌是指DO浓度4.0～4.5mg/L；全程硝化耦合除磷SBR反应器2排泥结束后沉淀排水，排水比为40％～50％，出水排入一级中间水箱3；
(2)城市污水经第三进水泵5.4进入内源短程反硝化反应器5，先厌氧搅拌150～180min，聚糖菌利用城市污水中有机碳源COD转化为内碳源PHAs，当COD浓度<30.0mg/L随后启动第二进水泵5.3将一级中间水箱3中的硝化出水抽入内源短程反硝化反应器5进行缺氧搅拌20～40min，聚糖菌利用内碳源进行短程反硝化作用，并将其转化为亚硝态氮，当NO3 --N浓度<1.0mg/L进行排水，排水比35％～40％，出水排入二级中间水箱6；
(3)二级中间水箱中的内源短程反硝化反应器出水经第四进水泵7.1进入厌氧氨氧化连续流反应器7，水力停留时间HRT为1-5h，出水中的未经硝化的氨氮和内源短程反硝化产生的亚硝态氮作为基质，将其转化为氮气和少量硝态氮，完成城市污水的自养深度脱氮。
本实施例的试验结果表明：运行稳定后，全程硝化耦合除磷SBR反应器2出水COD浓度30mg/L，NH4 +-N浓度<1.0mg/L，NO2 --N浓度<1.0mg/L，NO3 --N浓度为32mg/L，PO4 3--P浓度<0.5mg/L；生物膜内源短程反硝化SBBR反应器5出水COD浓度为35mg/L，NH4 +-N浓度为7.5mg/L，NO2 --N浓度为10.0mg/L，NO3 --N浓度<1.0mg/L，PO4 3--P浓度<0.5mg/L；厌氧氨氧化USAB反应器7出水COD浓度为23mg/L，NH4 +-N浓度为<0.5mg/L，NO2 --N浓度<0.5mg/L，NO3 --N浓度<1.5mg/L，PO4 3--P浓度<0.5mg/L。

Claims (3)

1.一种城市污水脱氮除磷的装置，其特征在于：该装置的主体结构包括第一城市污水原水水箱、全程硝化耦合除磷SBR反应器、一级中间水箱、第二城市污水原水水箱、生物膜内源短程反硝化SBBR反应器、二级中间水箱和厌氧氨氧化USAB反应器；第一城市污水原水水箱的左侧上方设有第一溢流管，底部左侧设有第一放空管，第一城市污水原水水箱通过第一进水泵与全程硝化耦合除磷SBR反应器相连接；全程硝化耦合除磷SBR反应器左侧连接有鼓风曝气机、第一pH/DO在线测定仪和第一恒温装置，全程硝化耦合除磷SBR反应器底部设有曝气盘，曝气盘的正上方设有第一搅拌装置，全程硝化耦合除磷SBR反应器的右侧中间设有第一出水口，右侧下端设有排泥口，第一出水口与第一排水阀联通，全程硝化耦合除磷SBR反应器通过第一排水阀连接一级中间水箱；一级中间水箱左侧上部设有第二溢流管，底部左侧设有第二放空管；第二城市污水原水水箱左侧上部设有第三溢流管，底部左侧设有第三放空管；一级中间水箱和第二城市污水原水水箱分别通过第二进水泵和第三进水泵与生物膜内源短程反硝化SBBR反应器连接，生物膜内源短程反硝化SBBR反应器左侧设有第二pH/DO在线测定仪和第二恒温装置，生物膜内源短程反硝化SBBR反应器内设有第二搅拌装置，生物膜内源短程反硝化SBBR反应器右侧中间设有第二出水口，第二出水口与第二排水阀连接，内源短程反硝化反应器通过第二排水阀与二级中间水箱连接，二级中间水箱的左侧上部设有第四溢流管，左侧底部设有第四放空管；二级中间水箱通过第四进水泵与厌氧氨氧化USAB反应器相连接，厌氧氨氧化USAB反应器右侧设有取样口，顶部设有第三出水口。
2.根据权利要求1所述城市污水脱氮除磷的装置，其特征在于：所述第一城市污水原水水箱、一级中间水箱、第二城市污水原水水箱和二级中间水箱均为密闭结构。
3.一种采用如权利要求2所述装置实现城市污水脱氮除磷的方法，其特征在于通过全程硝化耦合除磷/内源短程反硝化/厌氧氨氧化工艺实现城市污水脱氮除磷，具体步骤为：
(1)将现有具有良好脱氮性能和生物除磷性能的活性污泥投加至全程硝化耦合除磷SBR反应器内，使全程硝化耦合除磷SBR反应器内悬浮活性污泥浓度达到3500～400mg/L；将具有内源短程反硝化性能的海绵填料经填料架固定后投加至全程硝化耦合除磷SBR反应器内，使全程硝化耦合除磷SBR反应器内填料填充率为35％～45％；将具有厌氧氨氧化脱氮性能的厌氧氨氧化聚丙烯填料球加至厌氧氨氧化USAB反应器，使厌氧氨氧化USAB反应器内填料球占到厌氧氨氧化USAB反应器有效容积的1/2～3/4；
(2)将城市污水加入第一城市污水原水水箱，启动第一进水泵将城市污水抽入全程硝化耦合除磷SBR反应器内，先厌氧搅拌90-120min，再曝气搅拌120-140min，当NH4 +-N浓度<1.0mg/L且PO4 3--P<0.5mg/L时进行排泥，此处曝气搅拌是指DO浓度4.0～4.5mg/L；全程硝化耦合除磷SBR反应器排泥结束后沉淀排水，排水比为40％～50％，出水排入一级中间水箱；
(2)城市污水经第三进水泵进入内源短程反硝化反应器，先厌氧搅拌150～180min，当COD浓度<30.0mg/L随后启动第二进水泵将一级中间水箱中的硝化出水抽入内源短程反硝化反应器内进行缺氧搅拌20～40min，当NO3 --N浓度<1.0mg/L进行排水，排水比35％～40％，出水排入二级中间水箱；
(3)二级中间水箱中的内源短程反硝化SBBR反应器出水经第四进水泵进入厌氧氨氧化连续流反应器，水力停留时间为1～5h，完成城市污水的自养深度脱氮。
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