CN112607863B - 一种利用pn/a工艺实现低c/n比城市污水联合污泥发酵物深度脱氮除磷的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用PN/A工艺实现低C/N比城市污水联合污泥发酵物深度脱氮除磷的装置及方法，属于污水处理领域。反应装置主要由污泥发酵罐、氢氧化钠处理单元、储泥罐、原水箱、主反应器、中间水箱和沉淀池构成，其中主反应器分为两部分，分别为AO‑SBR反应器和厌氧氨氧化反应器。短程硝化效果的稳定维持需要多个参数的联合控制，某个参数的改变可能会对该过程产生影响。有研究表明，向系统中投加污泥发酵物能够实现短程硝化。本发明通过设置污泥发酵罐和氢氧化钠处理单元，利用污泥碱性发酵产物实现短程硝化，并结合定期排泥以及后续的厌氧氨氧化过程，达到城市污水同步脱氮除磷的目的。该发明工艺流程简单，解决了短程硝化‑厌氧氨氧化与生物除磷较难共存的问题。

Description

一种利用PN/A工艺实现低C/N比城市污水联合污泥发酵物深 度脱氮除磷的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种利用PN/A工艺实现低C/N比城市污水联合污泥发酵物深度脱氮除磷的装置及方法，属于污水生物处理领域。
背景技术
随着社会的发展以及科技的进步，人们对于生活环境的要求日益提高。近几年，我国出台了一系列针对环境保护的政策和条例，包括水环境、大气环境、土壤环境等，尤其对于水环境来说，“水十条”等条例的颁布对出水水质和达标水平做了进一步的要求，传统的污水生物处理工艺由于能耗高、投资大、产泥量多、处理效果一般，已不能适应新的标准和要求，因此，对于新的污水生物处理工艺的研究就显得格外重要。
短程硝化及厌氧氨氧化技术是近年来发展较快的新型污水生物处理技术，具有显著的优势和广泛的应用前景。短程硝化是指在有氧条件下，污水中的氨氮在氨氧化细菌(AOB)的作用下转化为亚硝态氮即停止，不再继续转化成硝态氮的过程，该技术具有诸多优点，比如节约能源、节省曝气量、产泥量少等。厌氧氨氧化是指在缺氧条件下，厌氧氨氧化菌(AnAOB)将污水中存在的氨氮和亚硝态氮一步转化成氮气的过程，该技术具有节约碳源、节省曝气量、产泥量少等优点。目前，通常将短程硝化及厌氧氨氧化这两种技术结合，即短程硝化-厌氧氨氧化工艺。
短程硝化-厌氧氨氧化工艺具有短程硝化和厌氧氨氧化各自的优点，不但节省碳源、节约成本、产泥量少，而且处理效果良好，出水水质易达标。但是，该工艺也存在一些难点，主要是短程硝化过程中亚硝态氮的积累以及厌氧氨氧化菌的持留。短程硝化过程的稳定实现就是要通过抑制硝化细菌(NOB)的活性或使其排出系统，从而使氨氧化细菌(AOB)优势生长，目前常用的方法主要有：(1)持续低氧曝气；(2)维持较高的反应温度；(3)利用游离氨(FA)和游离亚硝酸(FNA)的抑制策略；(4)维持较短的污泥龄等。但是这些方法均有一定的局限性：(1)持续低氧曝气会使反应速率变慢，处理效率下降，还容易造成污泥膨胀；(2)城市污水处理厂水量大，加热以维持较高反应温度的策略既不经济也不现实；(3)有研究表明，FA和FNA的抑制具有适应性，且长期投加并不经济；(4)AOB和NOB世代时间较为接近，较短污泥龄需要结合其他策略共同抑制NOB的活性。
有研究证明，投加一定量的污泥发酵物能够快速实现短程硝化并稳定维持，本方法便利用污泥发酵物的这一特性，再结合缺、好氧运行以及定期排泥的策略以达到同步氮磷去除的目的，实现了短程硝化-厌氧氨氧化耦合生物除磷的过程，节省了约100％的碳源和60％的曝气量，降低了成本，且能满足严格的出水标准，是一项符合我国可持续发展战略的绿色工艺，具有较高的应用价值和实际意义。
发明内容
本发明针对目前城市污水处理厂存在的运行成本高、出水氮磷含量较高等问题，提出了一种利用污泥发酵物实现两段式短程硝化-厌氧氨氧化的工艺，达到了城市污水的同步脱氮除磷的目的。
一种利用PN/A工艺实现低C/N比城市污水联合污泥发酵物深度脱氮除磷的装置，其特征在于：反应装置包括储泥罐(1)、污泥发酵罐(2)、原水箱(3)、AO-SBR反应器(4)、氢氧化钠处理单元(5)、中间水箱(6)和厌氧氨氧化反应器(7)。
所述的储泥罐(1)上设置有排泥口，通过进泥泵(8)与污泥发酵罐(2)相连；所述的污泥发酵罐(2)上设置有进泥口和排泥口，产生的发酵物通过排泥泵(11)从排泥口排出，并流入AO-SBR反应器(4)；所述的原水箱(3)上设置有出水口，通过第一进水泵(12)与AO-SBR反应器(4)以及中间水箱(6)相连；所述的AO-SBR反应器(4)上设置有进水口、出水口和曝气盘(14)，出水口上还设置有挡泥滤网(15)，流出的水流入中间水箱(6)，曝气盘与气泵(16)相连；所述的氢氧化钠处理单元(5)上设置有排药口，配制的氢氧化钠溶液通过排药泵(13)从排药口排出，并流入污泥发酵罐(2)；所述的中间水箱(6)上设置有进水口和出水口，出水口通过第二进水泵(17)与厌氧氨氧化反应器(7)相连；所述的厌氧氨氧化反应器(7)上设置有进水口和出水口，内部挂有海绵填料(18)，出水由出水口排出，流出的水即为处理完成的水；污泥发酵罐(2)、AO-SBR反应器(4)、厌氧氨氧化反应器(7)均设置有搅拌器(10)、取样口和pH/DO测定仪(9)。
一种利用PN/A工艺实现低C/N比城市污水联合污泥发酵物深度脱氮除磷的装置，其特征在于：
1)污泥发酵系统启动阶段。取城市污水处理厂二沉池的回流污泥作为接种污泥，将其储存在储泥罐(1)中备用，用蒸馏水淘洗回流污泥2～3次后加入至污泥发酵罐(2)中，并将污泥浓度控制在7000mg/L～8000mg/L，发酵罐顶部密封，防止空气中的氧气进入干扰发酵过程。配制浓度为4mol/L的NaOH溶液，并储存于氢氧化钠处理单元(5)中，通过蠕动泵将其注入至污泥发酵罐(2)中，加入量根据发酵罐中pH值的范围(10±0.5)进行调控，控制NaOH溶液加入量与污泥发酵罐有效容积的比例为3∶1000，加入周期为1次/d，通过水浴加热的方式控制发酵温度为30±2℃，调整搅拌器(10)转速为70～80r/min，监测发酵罐内pH值及DO，以使污泥发酵处于厌氧、碱性的环境中。每天取出污泥发酵罐(2)有效容积1/5的污泥发酵混合物，同时加入等体积的新鲜活性污泥，使污泥发酵系统的污泥龄(SRT)为5d。污泥发酵系统的稳定运行需要30～45d的时间，取样周期为2d，测定系统产生的SCOD和VFA浓度，待VFA与SCOD的比值(产酸效果)≥40％时，则污泥发酵系统的启动阶段完成。若VFA与SCOD的比值未能达到40％，说明系统内微生物细胞裂解程度未达最佳，应通过延长系统SRT至5～10d的方法以达到提高产酸效果的目的。
2)短程硝化及生物除磷稳定运行阶段。启用AO-SBR反应器(4)，通过第一进水泵(12)将原水箱(3)中城市污水体积的70％注入其中，该反应器的运行方式分为进水、缺氧搅拌、好氧曝气、沉淀、排水、闲置六个阶段，各个阶段的运行时间分别为进水15min，缺氧搅拌180min，好氧曝气165min，沉淀60min，排水15min，闲置45min，共480min(8h)，每天运行3个周期，搅拌器转速为90～100r/min，在进水后，随着缺氧搅拌的开始，向其中投加污泥发酵物，投配体积比(污泥发酵物∶待处理生活污水)为1∶33～1∶20，控制转子流量计的气速，使好氧曝气阶段DO测定仪的示数为1～3mg/L，在排水阶段，通过反应器上的挡泥滤网(15)阻止污泥外流，排水比为70％，即水力停留时间(HRT)为8.6h，同时，在闲置阶段排出剩余污泥，使AO-SBR反应器的污泥龄为8～10d。每个周期内测定进水及出水的NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N及PO4 3--P浓度，通过前三个监测指标计算出亚硝积累率(NAR)，当NAR≥80％且测得出水PO4 3--P≤0.5mg/L时，则AO-SBR系统已达稳定。若NAR<80％，说明亚硝积累情况未达最佳，可缩短曝气时间，其长短根据pH测定仪的氨谷点(硝化阶段系统pH值达到的最低点)调整，使NH4 +-N转化为NO2 --N即停止，不再曝气；若出水PO4 3--P>0.5mg/L，说明磷去除能力差，应增加闲置阶段排出剩余污泥量，延长SRT至12～15d；若NAR<80％的同时，出水NO2 --N及NO3 --N浓度均低于15mg/L，说明系统硝化效果受到抑制，可增加DO至2～4mg/L。
3)厌氧氨氧化耦合阶段。AO-SBR反应器(4)的出水与原水箱(3)中剩余30％的城市污水一同进入到中间水箱(6)中，通过第二进水泵(17)将混合后的出水注入到厌氧氨氧化反应器(7)中，并将已挂好厌氧氨氧化生物膜的海绵填料(18)接种至反应器中，其填充体积比(填料体积∶反应器有效容积)为30％～40％，搅拌器转速控制在60～70r/min范围内。测定进出水的NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N及TN浓度，待出水NO3 --N≤3mg/L且TN≤15mg/L时，厌氧氨氧化系统已达稳定，若出水NO3 --N、TN不在上述范围内，可将AO-SBR反应器出水与原水箱进水体积比调节至6∶4，使进水NH4 +-N与NO2 --N刚好能够反应完全。
储泥罐(1)：取自污水处理厂二沉池的部分回流污泥先储存在储泥罐中备用，储泥罐敞口放置，以防止回流污泥提前厌氧发酵。
污泥发酵罐(2)：用蒸馏水淘洗回流污泥3次后加入至污泥发酵罐中，顶部密封，防止空气中的氧气进入干扰发酵过程，并通过蠕动泵将氢氧化钠溶液注入其中，加入量根据发酵罐中pH值的范围(10±0.5)进行调控，通过水浴加热的方式控制发酵温度为30±2℃，每天取出900～1500mL的污泥发酵液备用，同时加入等体积的新鲜污泥。
原水箱(3)：将待处理的水储存到原水箱中，并通过蠕动泵与主反应器相连。
AO-SBR反应器(4)：运行方式分为进水、缺氧搅拌、好氧曝气、沉淀、排水、闲置六个阶段，每天运行3个周期，在进水的同时，向其中投加污泥发酵物，利用碳源反硝化掉上一周期残留的硝态氮，并实现部分磷的释放，在低氧曝气以及污泥发酵物的共同作用下实现短程硝化，并实现部分磷的吸收以达到磷去除的目的，在闲置阶段排出一定量的剩余污泥以实现短污泥龄对短程硝化的强化作用。
氢氧化钠处理单元(5)：配制4mol/L的氢氧化钠溶液并储存至其中，通过蠕动泵与污泥发酵罐相连。
中间水箱(6)：AO-SBR反应器的出水与原水箱中剩余30％的原水一同进入到中间水箱中，通过蠕动泵将混合后的出水注入到厌氧氨氧化反应器中。
厌氧氨氧化反应器(7)：在缺氧条件下，海绵填料上的厌氧氨氧化菌利用中间水箱中的NH4 +和NO2 -发生厌氧氨氧化反应，同时存在少量的反硝化作用。
本发明为一种利用PN/A工艺实现低C/N比城市污水联合污泥发酵物深度脱氮除磷的装置及方法，与传统城市污水处理厂生物脱氮工艺相比具有以下优点：
(1)通过污泥发酵物成功抑制了NOB的生长以实现短程硝化过程，并为后续磷的去除提供了充足碳源；
(2)短程硝化过程节约了60％的曝气量，从而降低了运行成本；
(3)工艺采用SBR反应器，流程简单且容易控制，沉淀时间短，效率高，出水水质较好；
(4)利用海绵填料有效持留了厌氧氨氧化菌，从而实现并稳定维持了两段式短程硝化-厌氧氨氧化工艺；
(5)本发明考虑到自养脱氮会产生少量(5mg/L～10mg/L)的硝酸盐，利用缺氧段反硝化降低上一周期残留的硝态氮，保证出水总氮达标，同时厌氧氨氧化菌代谢过程中无N2O生成，因此本工艺温室气体的排放量少。
附图说明
图1为本发明一种利用PN/A工艺实现低C/N比城市污水联合污泥发酵物深度脱氮除磷的装置示意图，其中1是指储泥罐，2是指污泥发酵罐，3是指原水箱，4是指AO-SBR反应器，5是指氢氧化钠处理单元，6是指中间水箱，7是指厌氧氨氧化反应器，8是指进泥泵，9是指pH/DO测定仪，10是指搅拌器，11是指排泥泵，12是指第一进水泵，13是指排药泵，14是指曝气盘，15是指挡泥滤网，16是指气泵，17是指第二进水泵，18是指海绵填料。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细的说明：
参照图1所示为一种利用PN/A工艺实现低C/N比城市污水联合污泥发酵物深度脱氮除磷的装置，所用的装置包括储泥罐(1)、污泥发酵罐(2)、原水箱(3)、AO-SBR反应器(4)、氢氧化钠处理单元(5)、中间水箱(6)和厌氧氨氧化反应器(7)。
所述的储泥罐(1)上设置有排泥口，通过进泥泵(8)与污泥发酵罐(2)相连；所述的污泥发酵罐(2)上设置有进泥口和排泥口，产生的发酵物通过排泥泵(11)从排泥口排出，并流入AO-SBR反应器(4)；所述的原水箱(3)上设置有出水口，通过第一进水泵(12)与AO-SBR反应器(4)以及中间水箱(6)相连；所述的AO-SBR反应器(4)上设置有进水口、出水口和曝气盘(14)，出水口上还设置有挡泥滤网(15)，流出的水流入中间水箱(6)，曝气盘与气泵(16)相连；所述的氢氧化钠处理单元(5)上设置有排药口，配制的氢氧化钠溶液通过排药泵(13)从排药口排出，并流入污泥发酵罐(2)；所述的中间水箱(6)上设置有进水口和出水口，出水口通过第二进水泵(17)与厌氧氨氧化反应器(7)相连；所述的厌氧氨氧化反应器(7)上设置有进水口和出水口，内部挂有海绵填料(18)，出水由出水口排出，流出的水即为处理完成的水；污泥发酵罐(2)、AO-SBR反应器(4)、厌氧氨氧化反应器(7)均设置有搅拌器(10)、取样口和pH/DO测定仪(9)。
参照图1所示的试验装置，按照如下步骤实现城市污水短程硝化-厌氧氨氧化脱氮及除磷过程：
1)污泥发酵系统启动阶段。取城市污水处理厂二沉池的回流污泥作为接种污泥，将其储存在储泥罐(1)中备用，用蒸馏水淘洗回流污泥2～3次后加入至污泥发酵罐(2)中，并将污泥浓度控制在7000mg/L～8000mg/L，发酵罐顶部密封，防止空气中的氧气进入干扰发酵过程。配制浓度为4mol/L的NaOH溶液，并储存于氢氧化钠处理单元(5)中，通过蠕动泵将其注入至污泥发酵罐(2)中，加入量根据发酵罐中pH值的范围(10±0.5)进行调控，控制NaOH溶液加入量与污泥发酵罐有效容积的比例为3∶1000，加入周期为1次/d，通过水浴加热的方式控制发酵温度为30±2℃，调整搅拌器(10)转速为70～80r/min，监测发酵罐内pH值及DO，以使污泥发酵处于厌氧、碱性的环境中。每天取出污泥发酵罐(2)有效容积1/5的污泥发酵混合物，同时加入等体积的新鲜活性污泥，使污泥发酵系统的污泥龄(SRT)为5d。污泥发酵系统的稳定运行需要30～45d的时间，取样周期为2d，测定系统产生的SCOD和VFA浓度，待VFA与SCOD的比值(产酸效果)≥40％时，则污泥发酵系统的启动阶段完成。若VFA与SCOD的比值未能达到40％，说明系统内微生物细胞裂解程度未达最佳，应通过延长系统SRT至5～10d的方法以达到提高产酸效果的目的。
2)短程硝化及生物除磷稳定运行阶段。启用AO-SBR反应器(4)，通过第一进水泵(12)将原水箱(3)中城市污水体积的70％注入其中，该反应器的运行方式分为进水、缺氧搅拌、好氧曝气、沉淀、排水、闲置六个阶段，各个阶段的运行时间分别为进水15min，缺氧搅拌180min，好氧曝气165min，沉淀60min，排水15min，闲置45min，共480min(8h)，每天运行3个周期，搅拌器转速为90～100r/min，在进水后，随着缺氧搅拌的开始，向其中投加污泥发酵物，投配体积比(污泥发酵物∶待处理生活污水)为1∶33～1∶20，控制转子流量计的气速，使好氧曝气阶段DO测定仪的示数为1～3mg/L，在排水阶段，通过反应器上的挡泥滤网(15)阻止污泥外流，排水比为70％，即水力停留时间(HRT)为8.6h，同时，在闲置阶段排出剩余污泥，使AO-SBR反应器的污泥龄为8～10d。每个周期内测定进水及出水的NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N及PO4 3--P浓度，通过前三个监测指标计算出亚硝积累率(NAR)，当NAR≥80％且测得出水PO4 3--P≤0.5mg/L时，则AO-SBR系统已达稳定。若NAR<80％，说明亚硝积累情况未达最佳，可缩短曝气时间，其长短根据pH测定仪的氨谷点(硝化阶段系统pH值达到的最低点)调整，使NH4 +-N转化为NO2 --N即停止，不再曝气；若出水PO4 3--P>0.5mg/L，说明磷去除能力差，应增加闲置阶段排出剩余污泥量，延长SRT至12～15d；若NAR<80％的同时，出水NO2 --N及NO3 --N浓度均低于15mg/L，说明系统硝化效果受到抑制，可增加DO至2～4mg/L。
3)厌氧氨氧化耦合阶段。AO-SBR反应器(4)的出水与原水箱(3)中剩余30％的城市污水一同进入到中间水箱(6)中，通过第二进水泵(17)将混合后的出水注入到厌氧氨氧化反应器(7)中，并将已挂好厌氧氨氧化生物膜的海绵填料(18)接种至反应器中，其填充体积比(填料体积∶反应器有效容积)为30％～40％，搅拌器转速控制在60～70r/min范围内。测定进出水的NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N及TN浓度，待出水NO3 --N≤3mg/L且TN≤15mg/L时，厌氧氨氧化系统已达稳定，若出水NO3 --N、TN不在上述范围内，可将AO-SBR反应器出水与原水箱进水体积比调节至6∶4，使进水NH4 +-N与NO2 --N刚好能够反应完全。
以上是本发明的具体实施例，便于该领域的技术人员能更好的理解和应用本发明，本发明的实施不限于此，因此该领域的技术人员对本发明所做的简单改进都在本发明的范围之内。

Claims (1)

1.一种利用PN/A工艺实现低C/N比城市污水联合污泥发酵物深度脱氮除磷的方法，该方法所用装置包括储泥罐（1）、污泥发酵罐（2）、原水箱（3）、AO-SBR反应器（4）、氢氧化钠处理单元（5）、中间水箱（6）和厌氧氨氧化反应器（7）；
所述的储泥罐（1）上设置有排泥口，通过进泥泵（8）与污泥发酵罐（2）相连；所述的污泥发酵罐（2）上设置有进泥口和排泥口，产生的发酵物通过排泥泵（11）从排泥口排出，并流入AO-SBR反应器（4）；所述的原水箱（3）上设置有出水口，通过第一进水泵（12）与AO-SBR反应器（4）以及中间水箱（6）相连；所述的AO-SBR反应器（4）上设置有进水口、出水口和曝气盘（14），出水口上还设置有挡泥滤网（15），流出的水流入中间水箱（6），曝气盘与气泵（16）相连；所述的氢氧化钠处理单元（5）上设置有排药口，配制的氢氧化钠溶液通过排药泵（13）从排药口排出，并流入污泥发酵罐（2）；所述的中间水箱（6）上设置有进水口和出水口，出水口通过第二进水泵（17）与厌氧氨氧化反应器（7）相连；所述的厌氧氨氧化反应器（7）上设置有进水口和出水口，内部挂有海绵填料（18），出水由出水口排出，流出的水即为处理完成的水；污泥发酵罐（2）、AO-SBR反应器（4）、厌氧氨氧化反应器（7）均设置有搅拌器（10）、取样口和pH/DO测定仪（9）；
其特征在于：
1）污泥发酵系统启动阶段；取城市污水处理厂二沉池的回流污泥作为接种污泥，将其储存在储泥罐（1）中备用，用蒸馏水淘洗回流污泥2～3次后加入至污泥发酵罐（2）中，并将污泥浓度控制在7000mg/L～8000mg/L，发酵罐顶部密封，防止空气中的氧气进入干扰发酵过程；配制浓度为4mol/L的NaOH溶液，并储存于氢氧化钠处理单元（5）中，通过蠕动泵将其注入至污泥发酵罐（2）中，加入量根据发酵罐中pH值的范围（10±0.5）进行调控，控制NaOH溶液加入量与污泥发酵罐有效容积的比例为3∶1000，加入周期为1次/d，通过水浴加热的方式控制发酵温度为30±2℃，调整搅拌器（10）转速为70～80r/min，监测发酵罐内pH值及DO，以使污泥发酵处于厌氧、碱性的环境中；每天取出污泥发酵罐（2）有效容积1/5的污泥发酵混合物，同时加入等体积的新鲜活性污泥，使污泥发酵系统的污泥龄为5d；污泥发酵系统的稳定运行需要30～45d的时间，取样周期为2d，测定系统产生的SCOD和VFA浓度，待VFA与SCOD浓度的比值≥40%时，则污泥发酵系统的启动阶段完成；
2）短程硝化及生物除磷稳定运行阶段；启用AO-SBR反应器（4），通过第一进水泵（12）将原水箱（3）中城市污水体积的70%注入其中，该反应器的运行方式分为进水、缺氧搅拌、好氧曝气、沉淀、排水、闲置六个阶段，各个阶段的运行时间分别为进水15min，缺氧搅拌180min，好氧曝气165min，沉淀60min，排水15min，闲置45min，共480min（8h），每天运行3个周期，搅拌器转速为90～100r/min，在进水后，随着缺氧搅拌的开始，向其中投加污泥发酵物，污泥发酵物∶待处理生活污水的投配体积比为1∶33～1∶20，控制转子流量计的气速，使好氧曝气阶段DO测定仪的示数为1～3mg/L，在排水阶段，通过反应器上的挡泥滤网（15）阻止污泥外流，排水比为70%，即水力停留时间为8.6h，同时，在闲置阶段排出剩余污泥，使AO-SBR反应器的污泥龄为8～10d；每个周期内测定进水及出水的NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N及PO4 3--P浓度，通过前三个监测指标计算出亚硝积累率NAR，当NAR≥80%且测得出水PO4 3--P≤0.5mg/L时，则AO-SBR系统已达稳定；
3）厌氧氨氧化耦合阶段；AO-SBR反应器（4）的出水与原水箱（3）中剩余30%的城市污水一同进入到中间水箱（6）中，通过第二进水泵（17）将混合后的出水注入到厌氧氨氧化反应器（7）中，并将已挂好厌氧氨氧化生物膜的海绵填料（18）接种至反应器中，其填充体积比为30%～40%，搅拌器转速控制在60～70 r/min范围内；测定进出水的NH4 +-N、NO2 --N、NO3 --N及TN浓度，待出水NO3 --N≤3mg/L且TN≤15mg/L时，厌氧氨氧化系统已达稳定。
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