CN113023869A - 以污泥发酵液为碳源的短程反硝化串联厌氧氨氧化处理高浓度硝酸盐废水和生活污水的工艺 - Google Patents

以污泥发酵液为碳源的短程反硝化串联厌氧氨氧化处理高浓度硝酸盐废水和生活污水的工艺 Download PDF

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Abstract

以污泥发酵液为碳源的短程反硝化串联厌氧氨氧化处理高浓度硝酸盐废水和生活污水的工艺，属于污水处理领域和污泥生化处理领域。所用装置包括：污泥发酵罐、PD‑SBR反应器、AMX‑SBR反应器等。工艺是剩余污泥在中温碱性厌氧条件下发酵，生成易降解有机物；反硝化菌利用生活污水中的碳源以及发酵液中的易挥发性脂肪酸进行短程反硝化，将高浓度硝酸盐转化成亚硝酸盐；出水进入厌氧氨氧化膜反应器进行自养脱氮，聚氨酯海绵填料用于持留厌氧氨氧化菌。该方法节约曝气能耗，以污泥发酵液为反硝化的外碳源实现了污泥减量化，节约污泥处置成本与外碳源投加成本，以短程反硝化实现稳定亚硝积累，联合厌氧氨氧化实现高硝酸盐废水与生活污水同步处理。

Description

以污泥发酵液为碳源的短程反硝化串联厌氧氨氧化处理高浓 度硝酸盐废水和生活污水的工艺
技术领域
本发明涉及以污泥发酵液为碳源的短程反硝化串联厌氧氨氧化处理高浓度硝酸盐废水和生活污水的工艺，属于污水处理领域和污泥生化处理领域。
背景技术
我国城市污水处理量不断提高，不可避免产生大量剩余污泥，其处理处置也是一大难题，若处理不当还会产生二次污染。污泥厌氧发酵能够产生大量挥发性脂肪酸，包括乙酸、丙酸等，是易被反硝化菌利用的优质碳源。利用污泥发酵液做外碳源，既可以实现污泥减量，又可以节省反硝化过程中外碳源的投加，节省费用。
城市污水处理厂二级出水、化肥生产工业废水、金属冶炼工业废水、离子交换浓缩废水等含有高浓度硝酸盐废水的高效处理是控制水体无机氮污染的重要举措。传统生物反硝化方法处理硝酸盐废水需要投加大量有机碳源，不仅消耗有机碳源，还会产生大量剩余污泥，额外增加污泥处理处置的费用和能耗。
近年来，基于厌氧氨氧化的自养脱氮技术倍受关注。厌氧氨氧化是指在缺氧环境下，氨氮和亚硝酸盐在厌氧氨氧化菌的代谢作用下直接转化为氮气，无需曝气与有机碳源，节省能耗，污泥产量低。厌氧氨氧化的基质是氨氮和亚硝酸盐，氨氮来源于生活污水或污泥水解酸化，亚硝酸盐可通过短程硝化与短程反硝化产生。相比于短程硝化，短程反硝化易于控制、稳定性强、不易被破坏，能够为厌氧氨氧化提供稳定的底物亚硝酸盐。反硝化菌生长速率远远高于厌氧氨氧化菌，两种菌都以亚硝酸盐为底物，当系统中存在足量有机物和硝酸盐或亚硝酸盐时，反硝化菌作为异养菌会逐渐成为优势菌种，厌氧氨氧化菌便不能充分发挥作用，所以可以通过两段式工艺将两种菌群分开解决这一问题。
发明内容
本发明提出了以污泥发酵液为碳源的短程反硝化串联厌氧氨氧化处理高浓度硝酸盐废水和生活污水的工艺，剩余污泥在中温碱性厌氧条件下发酵，将难降解有机物转化成易降解有机物提供给反硝化菌作碳源，既为反硝化提供了优质碳源又实现了污泥减量化，节约污泥处置成本与外碳源投加成本；反硝化菌利用生活污水中的碳源以及发酵液中的易挥发性脂肪酸进行短程反硝化，将高浓度硝酸盐转化成亚硝酸盐，实现高效稳定的亚硝积累，为厌氧氨氧化提供底物；其出水进入厌氧氨氧化膜反应器进行厌氧氨氧化自养脱氮，聚氨酯海绵填料用于持留厌氧氨氧化菌。该方法节约曝气能耗，节约运行成本，实现污泥减量，系统处理效果稳定。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：以污泥发酵液为碳源的短程反硝化串联厌氧氨氧化处理高浓度硝酸盐废水和生活污水的工艺，其特征在于：
所用装置包括：储泥箱(1)、污泥发酵罐(2)、生活污水水箱(3)、硝酸盐废水箱(4)、发酵液水箱(5)、PD-SBR反应器(6)、中间水箱(7)、AMX-SBR反应器(8)、出水水箱(9)；
所述污泥发酵罐(2)包括第一蠕动泵(2.1)、第一pH监测装置(2.2)、加药口(2.3)、第一搅拌装置(2.4)、第一温度监测装置(2.5)、第一排泥阀(2.6)；所述PD-SBR反应器(6)包括第二蠕动泵(6.1)、第三蠕动泵(6.2)、第四蠕动泵(6.3)、第二搅拌装置(6.4)、第一溶解氧监测装置(6.5)、第二pH监测装置(6.6)、第二排水阀(6.7)；所述AMX-SBR反应器(8)包括第五蠕动泵(8.1)、第三搅拌装置(8.2)、第二溶解氧监测装置(8.3)、第二温度监测装置(8.6)、第三排水阀(8.5)、聚氨酯海绵填料(8.6)；
所述储泥箱(1)中的剩余污泥通过第一蠕动泵(2.1)泵入污泥发酵罐(2)，污泥发酵混合物通过第一排泥阀(2.6)排出，离心后进入发酵液水箱(5)；发酵液通过第四蠕动泵(6.3)泵入PD-SBR反应器(6)，硝酸盐废水箱(4)中的废水通过第三蠕动泵(6.2)泵入PD-SBR反应器(6)，生活污水水箱(3)中的污水通过第二蠕动泵(6.1)泵入PD-SBR反应器(6)，出水通过第二排水阀(6.7)排入中间水箱(7)；中间水箱(7)中的水通过第五蠕动泵(8.1)泵入AMX-SBR反应器(8)，出水通过第三排水阀(8.5)排入出水水箱(9)。
2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)系统启动：
(1.1)污泥发酵罐的启动：污泥发酵罐(2)为半连续反应器，接种污泥为城市污水处理厂二沉池排泥，接种后污泥浓度保持8000-10000mg/L，污泥停留时间SRT为6-12天，pH控制在10±0.2，温度控制在30±2℃；根据SRT每天排放污泥发酵混合物并离心后至发酵液水箱(5)，并加入等体积新鲜剩余污泥至污泥发酵罐(2)；当SCOD达到3000mg/L并稳定维持在15天以上时认为污泥发酵罐启动成功；
(1.2)PD-SBR反应器的启动：接种污泥为城市污水处理厂二沉池排泥，接种后污泥浓度保持4000-5000mg/L，不控制pH；生活污水水箱(3)中的污水通过第二蠕动泵(6.1)泵入PD-SBR反应器(6)，硝酸盐废水箱(4)中的废水通过第三蠕动泵(6.2)泵入PD-SBR反应器(6)，发酵液通过第四蠕动泵(6.3)泵入PD-SBR反应器(6)；每天运行3个周期，排水比维持在50％；当出水硝酸盐氮去除率高于90％且硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮的转化率高于80％且稳定维持在15天以上时认为PD-SBR反应器启动成功；
(1.3)AMX-SBR反应器的启动：接种污泥为实验室短程硝化厌氧氨氧化两段式反应器中的污泥，接种后污泥浓度保持4000-5000mg/L，不控制pH；进水为配水，氨氮与亚硝酸盐质量浓度比为1:1.3；反应器温度控制在25-30℃；每天运行3个周期，排水比维持在50％；投加聚氨酯海绵空白固定填料以更好地持留厌氧氨氧化菌，填充比为20％～40％；当总氮去除率高于80％且稳定维持在15天以上时认为AMX-SBR反应器启动成功。
(2)系统运行:
(2.1)污泥发酵罐的运行：污泥发酵罐(2)为完全封闭体，半连续运行，污泥投配率为16.7％；通过第一pH监测装置(2.2)监测发酵罐内pH，通过加药口(2.3)投加5mol/L NaOH调节pH使之维持在10±0.2；发酵罐外附有加热带以及海绵保温层，温度控制在30±2℃，内置第一温度监测装置(2.5)；
(2.2)PD-SBR反应器的运行：进水硝酸盐浓度为1000mg/L，控制进水发酵液、硝酸盐废水以及生活污水体积以维持反应器内C/N为2-3；每天运行3个周期，每周期8h，包括进水10min、搅拌6h、沉淀1.5h、排水10min、闲置10min；排水比维持在50％；
(2.3)AMX-SBR反应器的运行：反应器温度控制在25-30℃；每天运行3个周期，每周期8h，包括进水10min、搅拌6h、沉淀1.5h、排水10min、闲置10min；排水比维持在50％。
本发明专利具有以下优势：
1)通过污泥发酵技术，为反硝化提供优质碳源，无需投加外碳源，同时实现污泥减量化，节约污泥处置成本与外碳源投加成本；
2)反硝化菌为异养菌，厌氧氨氧化菌为自养菌，二者均以亚硝酸盐为底物，且反硝化菌生长速率远高于厌氧氨氧化菌，此发明通过两段式工艺将二者分开，解决了二者底物竞争与泥龄不同的问题；
3)通过控制参数，实现稳定的发酵产酸效率以及短程反硝化亚硝酸盐积累率，为厌氧氨氧化工艺提供稳定的底物来源；
4)短程反硝化无需曝气，节约曝气能耗；
综上所述，利用本发明处理高硝酸盐废水与城市生活污水，具有节约曝气能耗，实现污泥减量化，节约污泥处置成本与外碳源投加成本，系统处理效果稳定等优点。
附图说明
图1是：以污泥发酵液为碳源的短程反硝化串联厌氧氨氧化处理高浓度硝酸盐废水和生活污水的工艺。
图1中：1——储泥箱、2——污泥发酵罐、3——生活污水水箱、4——硝酸盐废水箱、5——发酵液水箱、6——PD-SBR反应器、7——中间水箱、8——AMX-SBR反应器、9——出水箱；2.1——第一蠕动泵、2.2——第一pH监测装置、2.3——加药口、2.4——第一搅拌装置、2.5——第一温度监测装置、2.6——第一排泥阀；6.1——第二蠕动泵、6.2——第三蠕动泵、6.3——第四蠕动泵、6.4——第二搅拌装置、6.5——第一溶解氧监测装置、6.6——第二pH监测装置；6.7——第二排泥阀；8.1——第五蠕动泵、8.2——第三搅拌装置、8.3——第二溶解氧监测装置、8.4——第二温度监测装置、8.5——第三排水阀。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方案：
如图1所示，以污泥发酵液为碳源的短程反硝化串联厌氧氨氧化处理高浓度硝酸盐废水和生活污水的工艺，所用装置包括储泥箱(1)、污泥发酵罐(2)、生活污水水箱(3)、硝酸盐废水箱(4)、发酵液水箱(5)、PD-SBR反应器(6)、中间水箱(7)、AMX-SBR反应器(8)、出水水箱(9)；其特征在于所述储泥箱(1)中的剩余污泥通过第一蠕动泵(2.1)泵入污泥发酵罐(2)，污泥发酵混合物通过第一排泥阀(2.6)排出，离心后进入发酵液水箱(5)；发酵液通过第四蠕动泵(6.3)泵入PD-SBR反应器(6)，硝酸盐废水箱(4)中的废水通过第三蠕动泵(6.2)泵入PD-SBR反应器(6)，生活污水水箱(3)中的污水通过第二蠕动泵(6.1)泵入PD-SBR反应器(6)，出水通过第二排水阀(6.7)排入中间水箱(7)；中间水箱(7)中的水通过第五蠕动泵(8.1)泵入AMX-SBR反应器(8)，出水通过第三排水阀(8.5)排入出水水箱(9)。
实验系统如图1所示，各反应器均采用有机玻璃制成，污泥发酵罐(2)总体积11L，其中有效体积为9L；PD-SBR反应器(6)总体积11L，有效体积10L；AMX-SBR反应器(8)总体积11L，有效体积10L。
试验过程中，具体实验用水取自北京工业大学家属区生活污水，具体水质如下：COD浓度为178～298mg/L，NH4 +-N浓度为45～71mg/L，NO2 --N浓度＜1mg/L，NO3 --N浓度0.1～1.4mg/L，PO4 3--P浓度4.3～7.6mg/L，pH值为7.3～7.6；硝酸盐废水中NO3 --N浓度1000mg/L，混匀后NO3 --N浓度100mg/L。
具体运行操作如下：
(1)系统启动：
(1.1)污泥发酵罐的启动：污泥发酵罐(2)为半连续反应器，接种污泥为城市污水处理厂二沉池排泥，接种后污泥浓度保持8000-10000mg/L，污泥停留时间SRT为6-12天，pH控制在10±0.2，温度控制在30±2℃；根据SRT每天排放污泥发酵混合物并离心后至发酵液水箱(5)，并加入等体积新鲜剩余污泥至污泥发酵罐(2)；当SCOD达到3000mg/L并稳定维持在15天以上时认为污泥发酵罐启动成功；
(1.2)PD-SBR反应器的启动：接种污泥为城市污水处理厂二沉池排泥，接种后污泥浓度保持4000-5000mg/L，不控制pH；生活污水水箱(3)中的污水通过第二蠕动泵(6.1)泵入PD-SBR反应器(6)，硝酸盐废水箱(4)中的废水通过第三蠕动泵(6.2)泵入PD-SBR反应器(6)，发酵液通过第四蠕动泵(6.3)泵入PD-SBR反应器(6)；每天运行3个周期，排水比维持在50％；当出水硝酸盐氮去除率高于90％且硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮的转化率高于80％且稳定维持在15天以上时认为PD-SBR反应器启动成功；
(1.3)AMX-SBR反应器的启动：接种污泥为实验室短程硝化厌氧氨氧化两段式反应器中的污泥，接种后污泥浓度保持4000-5000mg/L，不控制pH；进水为配水，氨氮与亚硝酸盐质量浓度比为1:1.3；反应器温度控制在25-30℃；每天运行3个周期，排水比维持在50％；投加聚氨酯海绵空白固定填料以更好地持留厌氧氨氧化菌，填充比为20％～40％；当总氮去除率高于80％且稳定维持在15天以上时认为AMX-SBR反应器启动成功。
(2)系统运行:
(2.1)污泥发酵罐的运行：污泥发酵罐(2)为完全封闭体，半连续运行，污泥投配率为16.7％；通过第一pH监测装置(2.2)监测发酵罐内pH，通过加药口(2.3)投加5mol/L NaOH调节pH使之维持在10±0.2；发酵罐外附有加热带以及海绵保温层，温度控制在30±2℃，内置第一温度监测装置(2.5)；
(2.2)PD-SBR反应器的运行：进水硝酸盐浓度为1000mg/L，控制进水发酵液、硝酸盐废水以及生活污水体积以维持反应器内C/N为2-3；每天运行3个周期，每周期8h，包括进水10min、搅拌6h、沉淀1.5h、排水10min、闲置10min；排水比维持在50％；
(2.3)AMX-SBR反应器的运行：反应器温度控制在25-30℃；每天运行3个周期，每周期8h，包括进水10min、搅拌6h、沉淀1.5h、排水10min、闲置10min；排水比维持在50％。
试验结果表明：运行稳定后，剩余污泥通过发酵可以转化为易降解有机物作为短程反硝化的碳源，平均SCOD为3541.4mg/L，其污泥减量可达30％-50％；短程反硝化阶段可以实现70％-80％的亚硝酸盐积累率，出水硝氮浓度可忽略不计；厌氧氨氧化阶段氨氮以亚硝为电子受体转化为氮气，副产物硝氮可被短程反硝化反应器中剩余有机物还原成氮气，出水COD小于50mg/L，出水氨氮小于5mg/L，出水总氮小于15mg/L，实现了高硝酸盐废水与生活污水的高效脱氮。
以上是本发明的具体实施例，便于该技术领域的技术人员能更好的理解和应用本发明，但本发明的实施不限于此，因此该技术领域的技术人员对本发明所做的简单改进都在本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.以污泥发酵液为碳源的短程反硝化串联厌氧氨氧化处理高浓度硝酸盐废水和生活污水的工艺，其特征在于，所用系统包括：储泥箱(1)、污泥发酵罐(2)、生活污水水箱(3)、硝酸盐废水箱(4)、发酵液水箱(5)、PD-SBR反应器(6)、中间水箱(7)、AMX-SBR反应器(8)、出水水箱(9)；
所述污泥发酵罐(2)包括第一蠕动泵(2.1)、第一pH监测装置(2.2)、加药口(2.3)、第一搅拌装置(2.4)、第一温度监测装置(2.5)、第一排泥阀(2.6)；所述PD-SBR反应器(6)包括第二蠕动泵(6.1)、第三蠕动泵(6.2)、第四蠕动泵(6.3)、第二搅拌装置(6.4)、第一溶解氧监测装置(6.5)、第二pH监测装置(6.6)、第二排水阀(6.7)；所述AMX-SBR反应器(8)包括第五蠕动泵(8.1)、第三搅拌装置(8.2)、第二溶解氧监测装置(8.3)、第二温度监测装置(8.6)、第三排水阀(8.5)、聚氨酯海绵填料(8.6)；
所述储泥箱(1)中的剩余污泥通过第一蠕动泵(2.1)泵入污泥发酵罐(2)，污泥发酵混合物通过第一排泥阀(2.6)排出，离心后进入发酵液水箱(5)；发酵液通过第四蠕动泵(6.3)泵入PD-SBR反应器(6)，硝酸盐废水箱(4)中的废水通过第三蠕动泵(6.2)泵入PD-SBR反应器(6)，生活污水水箱(3)中的污水通过第二蠕动泵(6.1)泵入PD-SBR反应器(6)，出水通过第二排水阀(6.7)排入中间水箱(7)；中间水箱(7)中的水通过第五蠕动泵(8.1)泵入AMX-SBR反应器(8)，出水通过第三排水阀(8.5)排入出水水箱(9)。
2.应用如权利要求1所述工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)系统启动：
(1.1)污泥发酵罐的启动：污泥发酵罐(2)为半连续反应器，接种污泥为城市污水处理厂二沉池排泥，接种后污泥浓度保持8000-10000mg/L，污泥停留时间SRT为6-12天，pH控制在10±0.2，温度控制在30±2℃；根据SRT每天排放污泥发酵混合物并离心后至发酵液水箱(5)，并加入等体积新鲜剩余污泥至污泥发酵罐(2)；当SCOD达到3000mg/L并稳定维持在15d以上时认为污泥发酵罐启动成功；
(1.2)PD-SBR反应器的启动：接种污泥为城市污水处理厂二沉池排泥，接种后污泥浓度保持4000-5000mg/L，不控制pH；生活污水水箱(3)中的污水通过第二蠕动泵(6.1)泵入PD-SBR反应器(6)，硝酸盐废水箱(4)中的废水通过第三蠕动泵(6.2)泵入PD-SBR反应器(6)，发酵液通过第四蠕动泵(6.3)泵入PD-SBR反应器(6)；每天运行3个周期，排水比维持在50％；当出水硝酸盐氮去除率高于90％且硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮的转化率高于80％且稳定维持在15天以上时认为PD-SBR反应器启动成功；
(1.3)AMX-SBR反应器的启动：接种污泥为实验室短程硝化厌氧氨氧化两段式反应器中的污泥，接种后污泥浓度保持4000-5000mg/L，不控制pH；进水为配水，氨氮与亚硝酸盐质量浓度比为1:1.3；反应器温度控制在25-30℃；每天运行3个周期，排水比维持在50％；投加聚氨酯海绵空白固定填料以更好地持留厌氧氨氧化菌，填充比为20％～40％；当总氮去除率高于80％且稳定维持在15天以上时认为AMX-SBR反应器启动成功；
(2)系统运行:
(2.1)污泥发酵罐的运行：污泥发酵罐(2)为完全封闭体，半连续运行，污泥投配率为16.7％；通过第一pH监测装置(2.2)监测发酵罐内pH，通过加药口(2.3)投加5mol/L NaOH调节pH使之维持在10±0.2；发酵罐外附有加热带以及海绵保温层，温度控制在30±2℃，内置第一温度监测装置(2.5)；
(2.2)PD-SBR反应器的运行：进水硝酸盐浓度为1000mg/L，控制进水发酵液、硝酸盐废水以及生活污水体积以维持反应器内C/N为2-3；每天运行3个周期，每周期8h，包括进水10min、搅拌6h、沉淀1.5h、排水10min、闲置10min；排水比维持在50％；
(2.3)AMX-SBR反应器的运行：反应器温度控制在25-30℃；每天运行3个周期，每周期8h，包括进水10min、搅拌6h、沉淀1.5h、排水10min、闲置10min；排水比维持在50％。
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