CN112707505A - 一种基于颗粒污泥强化分离装置的厌氧氨氧化反应系统及运行方法 - Google Patents

一种基于颗粒污泥强化分离装置的厌氧氨氧化反应系统及运行方法 Download PDF

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Abstract

一种基于颗粒污泥强化分离装置的厌氧氨氧化反应系统及运行方法属于废水生物脱氮处理领域。本发明主要依靠颗粒污泥分离装置、厌氧氨氧化反应器和排水装置三个部分，创新地结合半固定填料的使用，从而为形成和持留颗粒污泥提供一种有效方式，解决生物膜厌氧氨氧化脱氮工艺投资费用高，颗粒污泥形成困难，颗粒污泥与絮体污泥分离困难、厌氧氨氧化菌无法有效持留等问题。

Description

一种基于颗粒污泥强化分离装置的厌氧氨氧化反应系统及运 行方法
技术领域
本发明涉及一种基于颗粒污泥强化分离装置的厌氧氨氧化反应系统及运行方法，属于废水生物脱氮处理领域。
背景技术
水体富营养化问题是当今世界面临的主要水污染问题之一，而氮、磷的过量排放是引起水体富营养化的主要因素。目前我国水体富营养化问题依然严峻，为此我国颁布了更加严格的污水排放标准。其中于城镇污水厂一级A排放标准规定城镇污水厂出水氨氮＜5mg/L，TN＜15mg/L，新建污水厂TP＜0.5mg/L。随着氮磷排放标准的日益严格，传统脱氮除磷工艺的不足逐渐凸显。传统脱氮除磷工艺中，生物脱氮和除磷均需要消耗有机物。但我国城市污水有机物浓度普遍偏低，碳源不足导致氮磷出水难以同时达标。为出水达标，常需投加外源有机物或化学除磷药剂，增加了运行费用。
厌氧氨氧化(ANerobic AMMonia OXidation,ANAMMOX)工艺，是一种新型废水生物脱氮工艺。与传统硝化/反硝化生物脱氮工艺相比，短程硝化-厌氧氨氧化(PartitialNitrification/Anammox,PN/A)工艺具有减少曝气需求、节省碳源、剩余污泥产量少等明显优势。
PN/A工艺分为两段式和一体化工艺，其中一体化短程硝化-厌氧氨氧化工艺(Simultaneous Partitial Nitrification Anammox,SPNA)工艺，短程硝化反应和厌氧氨氧化反应在同一个体系内同时完成，即污水中的NH4 +-N经氨氧化菌(AOB)氧化后立即被周围的厌氧氨氧化菌(AnAOB)所利用，不存在NO2 --N的积累，有利于短程硝化的长期维持。然而AnAOB对溶解氧极其敏感，而SPNA反应场所为好氧环境，不利于AnAOB的生长持留，这限制了厌氧氨氧化工艺的大规模应用。
研究发现，氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌等好氧菌倾向于生长于颗粒污泥/生物膜的外层和粒径较小的絮体污泥中，而厌氧氨氧化菌倾向于生长在颗粒/生物膜的内层。因此可以利用其层理结构来富集厌氧氨氧化菌，将AnAOB保护在好氧层下，免受溶解氧的影响，避免生长缓慢的厌氧氨氧化菌被淘洗。
常规的厌氧氨氧化菌富集装置及方法主要有序批式反应器(Sequencing BatchReactor,SBR)、生物转盘、生物膜反应器、升流式厌氧污泥床反应器、厌氧流化床反应器和连续升流式一体化反应器，这些富集装置都有报道成功富集厌氧氨氧化菌并启动厌氧氨氧化工艺。
SBR反应器因易于控制溶解氧、避免反应器内过曝气、沉降效果良好等在启动SPNA工艺中有一定的优势，通过投加填料或者形成颗粒污泥可以在SBR反应器中实现SPNA工艺。SBR生物膜反应器(Sequencing Batch Biofilm Reactor,SBBR)通过使用固定填料或悬浮填料形成生物膜，对厌氧氨氧化菌的持留效果较好，但是生物膜工艺投资费用较高。
SBR颗粒污泥反应器不需要填料，具有经济性。但是主要的问题在于颗粒污泥的有效持留，需要的沉淀时间较长，而且沉淀中产生的气体导致系统的沉降效果进一步下降。目前强化颗粒污泥的持留的方式包括筛网和水力旋流分离器。但是筛网在使用过程中极易堵塞，而水利旋流分离器不能将颗粒污泥与絮体有效分离，容易造成颗粒污泥流失，这些问题都会导致无法有效持留厌氧氨氧化菌。因而，此项发明的意义得以凸显，其意义在于为颗粒污泥和絮体污泥提供一种更为有效的分离方式，以促进厌氧氨氧化菌持留，推动厌氧氨氧化工艺的工程应用。
发明内容
本发明提供一种基于颗粒污泥强化分离装置的厌氧氨氧化反应系统及运行方法，以解决生物膜厌氧氨氧化脱氮工艺投资费用高，颗粒污泥形成困难，颗粒污泥与絮体污泥分离困难、厌氧氨氧化菌无法有效持留等问题。
本发明主要依靠颗粒污泥分离装置、厌氧氨氧化反应器和排水装置三个部分，创新地结合半固定填料的使用，从而为形成和持留颗粒污泥提供一种有效方式。
颗粒污泥分离装置包括升降装置，筛网组件和半固定填料组件三部分。
如图1颗粒污泥分离装置的结构示意图所示，第一部分——升降装置，使用一根连接杆(2)连接筛网组件，连接杆(2)下端通过铆钉固定在下层支撑板(5)下方，上端通过电动升降装置(1)控制。
第二部分——筛网组件包括：上层支撑板(3)边缘翘起，边缘的一圈均匀开孔，孔内串上弹簧，以使支撑板更好贴合反应器内壁；筛网(4)孔径一般设置在0.2mm以下，边缘翘起，通过上层支撑板的弹簧紧密贴合于池壁，使其与池壁的缝隙小于颗粒污泥的截留直径0.2mm。通过筛网将颗粒污泥截留在反应器中，絮体可通过筛网并随水排出；下层支撑板(5)为刚性材料，为筛网提供机械支撑。其直径较反应器内径小1cm，以减小同池壁的摩擦，便于筛网组件滑动，仅依靠上层支撑板的弹簧即可实现整个筛网组件与反应器内壁的紧密结合。
第三部分——半固定填料组件，填料(7)上端使用弹簧(6)固定在下层支撑板(5)下方，可随筛网组件一同移动，下端固定在厌氧氨氧化反应器(8)底部。填料的填充比为30％-40％。
安装方法：在厌氧氨氧化反应器底部安装曝气盘(11)，通过流量计(12)控制鼓风机(13)的送风量，从而控制溶解氧浓度。曝气盘(11)均匀分布气流的同时，能够强化污泥流化；填料(7)下端固定在反应器底部，上端通过弹簧(6)固定在分离装置上，通过连接杆(2)控制；依次安装上层支撑板(3)、筛网(4)、下层支撑板(5)，通过连接杆(2)与升降装置(1)连接，安装在反应器顶部。反应器内壁光滑，池壁设排水孔(14)，反应器通过排水孔(14)连接外部排水装置。首先试运行颗粒污泥分离装置，观察筛网组件是否可以随连接杆一同上下滑动。
厌氧氨氧化反应器以下简称反应器，以厌氧-好氧工艺运行，每个周期为24h，包括进水、反应、筛选、排水、闲置五个阶段；第Ⅰ阶段：进水，通过电动控制自动控制，使填料始终处于液面以下，避免空气对厌氧氨氧化菌造成抑制；进水阶段时长5min，采用人工模拟配水，污泥液在反应器内充分混匀；第Ⅱ阶段：反应阶段，首先进行厌氧搅拌30min，使进水中NO2 --N被完全反应；然后进行曝气搅拌，当曝气时间达到14h停止曝气；在反应阶段，随着反应器不断运行，填料上的生物膜开始生长并逐渐稳定，反应器内颗粒污泥通过生物膜脱落和絮体污泥聚集形成；第Ⅲ阶段：筛选阶段，反应结束后，升降装置降至反应器底部，使填料处于排水液面以下；在此阶段对颗粒污泥和絮体进行筛选，颗粒污泥被筛网截留在反应器底部，而絮体通过筛网，在排水阶段从反应器中随出水流出；筛选阶段时间为10min；第Ⅳ阶段：排水5min，排水比为25％；第Ⅴ阶段：闲置，时间为550min，闲置后进行下一周期，如此循环；
根据进水氨氮负荷不同，反应器的运行分为以下几个阶段；每个阶段都以上述厌氧-好氧方式运行，并且始终控制反应器内温度为25-30℃，pH为7.7-8.2，溶解氧浓度为0.1-0.5mg/L；
(1)启动：将城市污水处理厂二沉池回流污泥以及厌氧氨氧化污泥以4：1质量比接种至反应器中，使反应器中总污泥浓度达到1800-2000mg/L；进水采用人工配水，具体为向城市污水厂初沉池出水中加入NH4HCO3调整氨氮浓度为200±20mg/L，同时应注意通过调整水力停留时间使反应器进水负荷为0.3-0.4kg/(m3·d)；当反应器TN去除率达到50％以上时启动阶段结束，进入生物膜生长和稳定阶段；
(2)生物膜生长和稳定：通过增加进水NH4HCO3的投配比例将进水氨氮浓度由200±20mg/L提高至400±20mg/L，调整水力停留时间使反应器进水负荷达到0.7-0.9kg/(m3·d)，当反应器TN去除率大于80％时，则反应器生物膜富集成功，进入稳定阶段；
(3)颗粒污泥形成：进水氨氮浓度为400±20mg/L，进水负荷控制为0.7-0.9kg/(m3·d)；周期性测定反应器污泥粒径变化，当粒径大于200μm的污泥在反应器内占比大于20％后，可降低填料的填充比例至20％或者取消填料组件；去除填料后反应器以颗粒污泥和絮体污泥的混合工艺运行；
(4)稳定运行：进水氨氮浓度为400±20mg/L，进水负荷控制为0.7-0.9kg/(m3·d)，反应器TN去除率大于80％；稳定阶段反应器以生物膜-活性污泥工艺运行，反应器内的污泥浓度大于6000mg/L。
此项发明的优势在于：
(1)不再使用固定在反应器中的填料，而是使用弹簧将填料下端固定在反应器底部，上端与分离装置连接，通过升降装置进行电动控制，从而在排水阶段使填料压缩在反应器底部，使其始终处于液面以下。与传统固定填料或悬浮填料相比，避免了在排水时使填料暴露在空气中，从而降低厌氧氨氧化菌受到氧气抑制的风险。
(2)填料与筛网的结合使用，有利于颗粒污泥更好地持留在反应体系中，减少因厌氧氨氧化生物质流失造成的反应器性能下降。另外，排水时调整不同的升降高度可选择是否持留絮体，有利于调节反应体系中的微生物数量平衡。
解决了传统颗粒污泥截留方式易堵塞的问题。
附图说明
图1为颗粒污泥分离装置的结构示意图。
关于图1的说明，1-升降装置；2-连接杆；3-弹簧支撑板；4-筛网；5-下层支撑板；6-半固定填料；7-弹簧；8-厌氧氨氧化反应器；
图2为筛网组件尺寸及与反应器内壁关系示意图。
关于图2的说明，3-弹簧支撑板；4-筛网；5-下层支撑板；8-厌氧氨氧化反应器内壁；
图3为基于颗粒污泥强化分离装置的厌氧氨氧化反应系统的结构示意图。
关于图3的说明，1-升降装置；2-连接杆；3-弹簧支撑板；4-筛网；5-下层支撑板；6-半固定填料；7-弹簧；8-厌氧氨氧化反应器；9-进水箱；10-进水泵；11-曝气盘；12-流量计；13-鼓风机；14-出水口；15-PLC系统；16-氨氮在线监测探头；17-硝态氮在线监测探头；18-继电器；19-加热棒；20-液下搅拌器。
具体实施方式
厌氧氨氧化反应器以下简称反应器，以厌氧-好氧工艺运行，每个周期为24h，包括进水、反应、筛选、排水、闲置五个阶段。第Ⅰ阶段：进水，通过电动装置进行控制，使填料始终处于液面以下，避免空气对厌氧氨氧化菌造成抑制；进水阶段时长5min，采用人工模拟配水，污泥液在反应器中充分混匀；第Ⅱ阶段：反应阶段，首先进行厌氧搅拌30min，使进水中NO2 --N被完全反应，避免亚硝酸盐氧化菌增殖，并且减轻高溶解氧带来的不利影响；然后进行曝气搅拌，当曝气时间达到14h即停止曝气，避免因氨氮浓度过低造成过曝气；在反应阶段，随着反应器不断运行，填料上的生物膜开始生长并逐渐稳定，反应器内颗粒污泥通过生物膜脱落和絮体污泥聚集形成；第Ⅲ阶段：筛选阶段，反应结束后，升降装置缓慢降至低位，此时颗粒被筛网截留在反应器底部，而絮体通过筛网，在排水阶段随出水流出，该阶段时间为10min；第Ⅳ阶段：排水5min，排水比为25％；第Ⅴ阶段：闲置，时间为550min，闲置后进行下一周期，如此循环；
根据进水氨氮负荷不同，反应器的运行分为以下几个阶段；每个阶段都以上述厌氧-好氧方式运行，并且始终控制反应器内温度为25-30℃，pH为7.7-8.2，溶解氧浓度为0.1-0.5mg/L。
(1)启动：将城市污水处理厂二沉池回流污泥以及厌氧氨氧化污泥以4：1质量比接种至反应器中，使反应器中总污泥浓度达到1800-2000mg/L；进水采用人工配水，具体为向城市污水厂初沉池出水中加入NH4HCO3调整氨氮浓度为200±20mg/L，同时应注意通过调整水力停留时间使反应器进水负荷为0.3-0.4kg/(m3·d)；当反应器总氮去除率达到50％以上时启动阶段结束，进入生物膜生长和稳定阶段；
(2)生物膜生长和稳定：通过增加进水NH4HCO3的投配比例将进水氨氮浓度由200±20mg/L提高至400±20mg/L，调整水力停留时间使反应器进水负荷达到0.7-0.9kg/(m3·d)，当反应器总氮去除率大于80％时，则反应器生物膜富集成功，进入稳定阶段；
(3)颗粒污泥形成：进水氨氮浓度为400±20mg/L，进水负荷控制为0.7-0.9kg/(m3·d)；周期性测定反应器污泥粒径变化，当粒径大于200μm的污泥在反应器内占比超过20％后，可降低填料的填充比例至20％或者取消填料组件；去除填料后反应器以颗粒污泥和絮体污泥的混合工艺运行；
(4)稳定运行：进水氨氮浓度为400±20mg/L，进水负荷控制为0.7-0.9kg/(m3·d)，反应器总氮去除率大于80％；稳定阶段反应器以生物膜-活性污泥工艺运行，反应器内的污泥浓度大于6000mg/L。

Claims (2)

1.一种基于颗粒污泥强化分离装置的厌氧氨氧化反应系统，其特征在于：
包括颗粒污泥分离装置、厌氧氨氧化反应器和排水装置三个部分；其中颗粒污泥分离装置由上到下设置升降装置(1)、连接杆(2)、弹簧支撑板(3)、筛网(4)、下层支撑板(5)、弹簧(6)、半固定填料(7)；整个颗粒污泥分离装置放置在厌氧氨氧化反应器(8)内部；
厌氧氨氧化反应器(8)内设有加热棒(19)、液下搅拌器(20)、底部设有曝气盘(11)，曝气盘(11)经流量计(12)与鼓风机(13)相连；厌氧氨氧化反应器(8)通过出水口(14)与外部排水装置相连；
原水由进水箱(9)经进水泵(10)进入厌氧氨氧化反应器(8)，通过液下搅拌器(20)进行搅拌，曝气由鼓风机(13)和流量计(12)控制；通过PLC系统(15)控制曝气时间；其中，PLC系统(15)由实时氨氮在线监测探头(16)、硝态氮在线监测探头(17)、控制继电器(18)组成；氨氮浓度通过氨氮在线监测探头(16)、硝态氮浓度通过硝态氮在线监测探头(17)反馈给PLC控制系统(15)，经PLC系统(15)处理后将控制信号传送给控制继电器(18)控制曝气时间；曝气结束后进行颗粒污泥筛选，筛选完成上清液从出水口(14)排出；厌氧氨氧化反应器通过加热棒(19)进行加热。
2.应用如权利要求1所述厌氧氨氧化反应系统的方法，其特征在于：
厌氧氨氧化反应器以下简称反应器，以厌氧-好氧工艺运行，每个周期为24h，包括进水、反应、筛选、排水、闲置五个阶段；第Ⅰ阶段：进水，通过电动控制自动控制，使填料始终处于液面以下，避免空气对厌氧氨氧化菌造成抑制；进水阶段时长5min，采用人工模拟配水，污泥液在反应器内充分混匀；第Ⅱ阶段：反应阶段，首先进行厌氧搅拌30min，使进水中NO2 --N被完全反应；然后进行曝气搅拌，当曝气时间达到14h停止曝气；在反应阶段，随着反应器不断运行，填料上的生物膜开始生长并逐渐稳定，反应器内颗粒污泥通过生物膜脱落和絮体污泥聚集形成；第Ⅲ阶段：筛选阶段，反应结束后，升降装置降至反应器底部，使填料处于排水液面以下；在此阶段对颗粒污泥和絮体进行筛选，颗粒污泥被筛网截留在反应器底部，而絮体通过筛网，在排水阶段从反应器中随出水流出；筛选阶段时间为10min；第Ⅳ阶段：排水5min，排水比为25％；第Ⅴ阶段：闲置，时间为550min，闲置后进行下一周期，如此循环；
根据进水氨氮负荷不同，反应器的运行分为以下几个阶段；每个阶段都以上述厌氧-好氧方式运行，并且始终控制反应器内温度为25-30℃，pH为7.7-8.2，溶解氧浓度为0.1-0.5mg/L；
(1)启动：将城市污水处理厂二沉池回流污泥以及厌氧氨氧化污泥以4：1质量比接种至反应器中，使反应器中总污泥浓度达到1800-2000mg/L；进水采用人工配水，具体为向城市污水厂初沉池出水中加入NH4HCO3调整氨氮浓度为200±20mg/L，同时应注意通过调整水力停留时间使反应器进水负荷为0.3-0.4kg/(m3·d)；当反应器TN去除率达到50％以上时启动阶段结束，进入生物膜生长和稳定阶段；
(2)生物膜生长和稳定：通过增加进水NH4HCO3的投配比例将进水氨氮浓度由200±20mg/L提高至400±20mg/L，调整水力停留时间使反应器进水负荷达到0.7-0.9kg/(m3·d)，当反应器TN去除率大于80％时，则反应器生物膜富集成功，进入稳定阶段；
(3)颗粒污泥形成：进水氨氮浓度为400±20mg/L，进水负荷控制为0.7-0.9kg/(m3·d)；周期性测定反应器污泥粒径变化，当粒径大于200μm的污泥在反应器内占比大于20％后，可降低填料的填充比例至20％或者取消填料组件；去除填料后反应器以颗粒污泥和絮体污泥的混合工艺运行；
(4)稳定运行：进水氨氮浓度为400±20mg/L，进水负荷控制为0.7-0.9kg/(m3·d)，反应器TN去除率大于80％；稳定阶段反应器以生物膜-活性污泥工艺运行，反应器内的污泥浓度大于6000mg/L。
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