CN114180786A - 利用污泥发酵液为碳源实现短程反硝化与厌氧氨氧化菌原位富集的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

利用污泥发酵液为碳源实现短程反硝化与厌氧氨氧化菌原位富集的装置与方法，属于污水生物处理领域。所述装置由储泥池、序批式污泥厌氧发酵系统、离心分离系统、硝化液池、短程反硝化系统和沉淀池构成，运行方式是储泥池中的泥进入序批式厌氧发酵系统进行发酵，产生的发酵液经离心分离系统分离后进入短程反硝化系统作为碳源，还原进水中的硝酸盐氮为亚硝酸盐氮，并富集短程反硝化功能菌，其产生的亚硝酸盐氮和发酵液中的氨氮作为厌氧氨氧化菌的底物，利用生物载体原位富集厌氧氨氧化菌。本发明不仅能够实现污泥减量化和资源化，并且节省外加碳源，降低能耗，同时实现厌氧氨氧化菌的原位富集。本发明为污水低能耗处理与资源化提供了新思路和新方法。

Description

利用污泥发酵液为碳源实现短程反硝化与厌氧氨氧化菌原位 富集的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种利用污泥发酵液为碳源原位富集短程反硝化与厌氧氨氧化菌的工艺技术，属于污水生物处理领域。
背景技术
随着社会经济的发展和城市化水平的不断提高，我国的污水处理量不断增加，这就导致污泥产量也日趋增加。污泥中不仅含有氮、磷等有用物质，还含有大量的病原体、重金属、持久性有机污染物等有毒有害物质，如若未经规范化处理而排放，会对地下水、土壤甚至是地表水环境造成严重污染，直接威胁环境安全和公众健康。因此，必须对污泥妥善处理与处置。目前，污泥处理仍以填埋为主，这不仅占用土地资源，而且会造成二次污染。因此，污泥的合理处理与处置也成为污水处理领域的重要需求。
近年来，利用污泥发酵技术对污泥进行资源化的方式日益得到重视。关于污泥发酵，国内外研究主要集中于污泥水解酸化机理和污泥发酵产生的有机酸在污水生物处理系统中的应用性研究，尤其是在污水脱氮除磷中的应用。污泥发酵能产生大量有机酸，包括易被反硝化菌利用的乙酸和丙酸。有研究结果表明，利用污泥发酵液作为反硝化碳源的反硝化速率要高于乙酸钠作为反硝化碳源，并且具有良好的脱氮除磷效果。以污泥发酵液为碳源进行短程反硝化，不仅能够实现污泥减量化和资源化，还可以降低污水处理的外加碳源消耗量，减少污水厂投加外碳源的费用，达到节能降耗的效果。
当前我国污水处理形势依然严峻，水体富营养化问题仍然严重，如何经济、高效、可持续地脱氮除磷仍是污水处理领域的迫切需求。近年来，厌氧氨氧化技术以其经济高效的特点成为新型脱氮工艺中的研究热点。厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐氮为电子受体，氨氮为电子供体，将亚硝酸盐氮和氨氮同时转化为氮气的过程。该技术属于自养脱氮，无需碳源，无需供氧，产泥量少，容积氮去除效率高，是目前最经济高效的污水脱氮技术。厌氧氨氧化技术需要的亚硝酸盐氮可以通过短程反硝化还原硝酸盐来获得。本课题组之前的研究表明：短程反硝化工艺可以将硝酸盐高效转化为亚硝酸盐，而且高亚硝酸盐积累特性能够稳定维持，实现高效稳定的短程反硝化。
但是，参与厌氧氨氧化过程的厌氧氨氧化菌生长缓慢，倍增时间长，对环境条件较为敏感，不易富集培养。本发明以污泥厌氧发酵产生的发酵液为碳源进行短程反硝化，发酵液中的氨氮与短程反硝化产生的亚硝酸盐氮可以作为厌氧氨氧化菌的底物，同时利用厌氧氨氧化菌喜欢聚群生长、易形成颗粒和粘附器壁的特性，通过投加填料载体生物膜，实现厌氧氨氧化菌的原位富集。
发明内容
本发明基于短程反硝化积累亚硝酸盐氮技术、污泥厌氧发酵技术、厌氧氨氧化菌原位富集技术，提供了一种利用污泥发酵液为碳源原位富集短程反硝化与厌氧氨氧化菌的装置和方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
1、利用污泥发酵液为碳源原位富集短程反硝化与厌氧氨氧化菌的装置，其特征在于，包括储泥池(1)、序批式污泥厌氧发酵系统(2)、离心分离系统(3)、硝化液池(4)、短程反硝化系统(5)、沉淀池(6)；序批式污泥厌氧发酵系统(2)包括第一蠕动泵(2.1)、进泥管(2.2)、第一搅拌装置(2.3)、加热系统(2.4)、在线温控装置(2.5)、在线溶解氧监测装置(2.6)、第一排水管(2.7)、排泥管(2.8)；离心分离系统(3)包括第二蠕动泵(3.1)、发酵液进水管(3.2)、发酵液出水管(3.3)、第一排水阀(3.4)、碳源储备池(3.5)、第三蠕动泵(3.6)、污泥收集系统(3.7)；短程反硝化系统(5)包括第四蠕动泵(5.1)、硝化液进水管(5.2)、第五蠕动泵(5.3)、碳源进水管(5.4)、第二搅拌装置(5.5)、固定床生物载体装置(5.6)、第二排水管(5.7)、第二排水阀(5.8)；储泥池(1)通过第一蠕动泵(2.1)与序批式污泥厌氧发酵系统(2)的进泥管(2.2)相连，序批式污泥厌氧发酵系统(2)的第一排水管(2.7)通过第二蠕动泵(3.1)与离心分离系统(3)的发酵液进水管(3.2)相连，发酵液出水管(3.3)通过第一排水阀(3.4)与碳源储备池(3.5)相连，碳源储备池(3.5)通过第五蠕动泵(5.3)和碳源进水管(5.4)与短程反硝化系统(5)相连；硝化液池(4)通过第四蠕动泵(5.1)和硝化液进水管(5.2)与短程反硝化系统(5)相连；短程反硝化系统(5)通过第二排水管(5.7)和第二排水阀(5.8)与沉淀池(6)相连。
2、利用污泥发酵液为碳源原位富集短程反硝化与厌氧氨氧化菌的装置，其特征在于，包括以下步骤：
序批式污泥厌氧发酵系统启动与运行：储泥池中污泥进入序批式污泥厌氧发酵系统，开启第一搅拌装置，控制序批式污泥厌氧发酵系统中污泥浓度为8.0～12.0gSS/L，温度为28～32℃，溶解氧浓度小于0.1mg/L；序批式污泥厌氧发酵系统以间歇方式运行，运行时序依次为进泥、搅拌、排泥，控制系统的污泥龄为4～8天，发酵后的混合物排入离心分离系统，沉淀和离心分离后的发酵液排入碳源储备池，污泥排入污泥收集系统。
短程反硝化系统启动与运行：硝化液池中的硝化液自底部进入短程反硝化系统，硝化液中硝酸盐氮质量浓度为20mg/L～50mg/L，控制进入短程反硝化系统的硝化液与发酵液体积比为8:1～12:1，使进水后化学需氧量与硝酸盐氮质量浓度之比为2.5～4.0，开启第二搅拌装置，进行缺氧反硝化反应，控制短程反硝化系统水力停留时间为1.5～3.0h，关闭第二搅拌装置进行沉淀和排水，出水排入沉淀池，污泥龄为20～30天；当出水中硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮的转化率达到75％以上时，短程反硝化系统启动成功；短程反硝化系统以间歇方式运行，运行时序依次为进水、搅拌、沉淀、排水、闲置。
厌氧氨氧化菌的原位富集：在短程反硝化系统中加入固定床生物载体装置，硝化液池中的硝化液进入短程反硝化系统，硝化液中硝酸盐氮质量浓度为20mg/L～50mg/L，控制进入短程反硝化系统的硝化液与发酵液体积比为9:1～13:1，使进水后化学需氧量与硝酸盐氮质量浓度之比为2.0～3.0，开启第二搅拌装置，控制短程反硝化系统水力停留时间为3.0～5.0h；反应结束后进行沉淀和排水，出水排入沉淀池；污泥龄不低于30天，当厌氧氨氧化菌相对丰度达到0.1％以上时，认为实现原位富集。
本发明提供的利用污泥发酵液为碳源原位富集短程反硝化与厌氧氨氧化菌的装置和方法，具有以下优势：
(1)利用污泥发酵技术对污水厂产生的污泥进行厌氧发酵可以使污泥得到初步稳定，达到减量化和资源化的目的，降低污水处理厂处理污泥的费用；
(2)污泥中蕴含丰富的内碳源，利用污泥发酵技术将其提取出来并用于短程反硝化系统，解决了短程反硝化过程需要外加碳源的问题，节省了投加外碳源的费用，而且能够节能降耗；
(3)以污泥发酵液为碳源进行短程反硝化，可以稳定、连续、高效地实现硝酸盐还原过程中亚硝酸盐的产生，具有较高的亚硝酸盐积累率，强化脱氮除磷效果；
(4)厌氧氨氧化菌生长条件较为苛刻，生长速率缓慢，是厌氧氨氧化工艺应用的限制因素之一；本发明以污泥发酵液中的氨氮和短程反硝化产生的亚硝酸盐为底物，投加生物载体，从而使厌氧氨氧化菌原位富集，有利于提高后续处理系统的脱氮性能和运行稳定性。
附图说明
图1是利用污泥发酵液为碳源实现短程反硝化与厌氧氨氧化菌原位富集的装置结构图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明做进一步说明，如图所示，利用污泥发酵液为碳源原位富集短程反硝化与厌氧氨氧化菌的装置，包括储泥池(1)、序批式污泥厌氧发酵系统(2)、离心分离系统(3)、硝化液池(4)、短程反硝化系统(5)、沉淀池(6)；序批式污泥厌氧发酵系统(2)包括第一蠕动泵(2.1)、进泥管(2.2)、第一搅拌装置(2.3)、加热系统(2.4)、在线温控装置(2.5)、在线溶解氧监测装置(2.6)、第一排水管(2.7)、排泥管(2.8)；离心分离系统(3)包括第二蠕动泵(3.1)、发酵液进水管(3.2)、发酵液出水管(3.3)、第一排水阀(3.4)、碳源储备池(3.5)、第三蠕动泵(3.6)、污泥收集系统(3.7)；短程反硝化系统(5)包括第四蠕动泵(5.1)、硝化液进水管(5.2)、第五蠕动泵(5.3)、碳源进水管(5.4)、第二搅拌装置(5.5)、固定床生物载体装置(5.6)、第二排水管(5.7)、第二排水阀(5.8)；储泥池(1)通过第一蠕动泵(2.1)与序批式污泥厌氧发酵系统(2)的进泥管(2.2)相连，序批式污泥厌氧发酵系统(2)的第一排水管(2.7)通过第二蠕动泵(3.1)与离心分离系统(3)的发酵液进水管(3.2)相连，发酵液出水管(3.3)通过第一排水阀(3.4)与碳源储备池(3.5)相连，碳源储备池(3.5)通过第五蠕动泵(5.3)和碳源进水管(5.4)与短程反硝化系统(5)相连；硝化液池(4)通过第四蠕动泵(5.1)和硝化液进水管(5.2)与短程反硝化系统(5)相连；短程反硝化系统(5)通过第二排水管(5.7)和第二排水阀(5.8)与沉淀池(6)相连。
利用污泥发酵液为碳源原位富集短程反硝化与厌氧氨氧化菌的方法，包括以下步骤：
序批式污泥厌氧发酵系统启动与运行：储泥池中污泥进入序批式污泥厌氧发酵系统，开启第一搅拌装置，控制序批式污泥厌氧发酵系统中污泥浓度为10.0gSS/L，温度为30℃，溶解氧浓度为0mg/L；序批式污泥厌氧发酵系统以间歇方式运行，运行时序依次为进泥、搅拌、排泥，控制系统的污泥龄为6天，发酵后的混合物排入离心分离系统，沉淀和离心分离后的发酵液排入碳源储备池，污泥排入污泥收集系统。
短程反硝化系统启动与运行：硝化液池中的硝化液自底部进入短程反硝化系统，硝化液中硝酸盐氮质量浓度为30mg/L，控制进入短程反硝化系统的硝化液与发酵液体积比为9:1，使进水后化学需氧量与硝酸盐氮质量浓度之比为2.8，开启第二搅拌装置，进行缺氧反硝化反应，控制短程反硝化系统水力停留时间为2.0h，关闭第二搅拌装置进行沉淀和排水，出水排入沉淀池；污泥龄为25天；运行35天后，出水中硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮的转化率大于75％，短程反硝化系统启动成功；短程反硝化系统以间歇方式运行，运行时序依次为进水、搅拌、沉淀、排水、闲置。
厌氧氨氧化菌的原位富集：在短程反硝化系统中加入固定床生物载体装置，硝化液池中的硝化液进入短程反硝化系统，硝酸盐氮质量浓度为30mg/L，控制进入短程反硝化系统的硝化液与发酵液体积比为10:1，使进水后化学需氧量与硝酸盐氮质量浓度之比为2.5，开启第二搅拌装置，控制短程反硝化系统水力停留时间为4.0h；反应结束后进行沉淀和排水，出水排入沉淀池；污泥龄为40天，运行120天后，厌氧氨氧化菌相对丰度大于0.1％，实现原位富集。
连续试验结果表明，利用污泥发酵液为碳源能够实现高亚硝酸盐氮积累的短程反硝化，并实现厌氧氨氧化菌的原位富集，这不仅能够充分利用污泥中的有机碳源，同时能够将污水中的硝酸盐氮深度去除，节省外碳源消耗和降低剩余污泥产量。

Claims (2)

1.利用污泥发酵液为碳源原位富集短程反硝化与厌氧氨氧化菌的装置，其特征在于，包括储泥池(1)、序批式污泥厌氧发酵系统(2)、离心分离系统(3)、硝化液池(4)、短程反硝化系统(5)、沉淀池(6)；序批式污泥厌氧发酵系统(2)包括第一蠕动泵(2.1)、进泥管(2.2)、第一搅拌装置(2.3)、加热系统(2.4)、在线温控装置(2.5)、在线溶解氧监测装置(2.6)、第一排水管(2.7)、排泥管(2.8)；离心分离系统(3)包括第二蠕动泵(3.1)、发酵液进水管(3.2)、发酵液出水管(3.3)、第一排水阀(3.4)、碳源储备池(3.5)、第三蠕动泵(3.6)、污泥收集系统(3.7)；短程反硝化系统(5)包括第四蠕动泵(5.1)、硝化液进水管(5.2)、第五蠕动泵(5.3)、碳源进水管(5.4)、第二搅拌装置(5.5)、固定床生物载体装置(5.6)、第二排水管(5.7)、第二排水阀(5.8)；储泥池(1)通过第一蠕动泵(2.1)与序批式污泥厌氧发酵系统(2)的进泥管(2.2)相连，序批式污泥厌氧发酵系统(2)的第一排水管(2.7)通过第二蠕动泵(3.1)与离心分离系统(3)的发酵液进水管(3.2)相连，发酵液出水管(3.3)通过第一排水阀(3.4)与碳源储备池(3.5)相连，碳源储备池(3.5)通过第五蠕动泵(5.3)和碳源进水管(5.4)与短程反硝化系统(5)相连；硝化液池(4)通过第四蠕动泵(5.1)和硝化液进水管(5.2)与短程反硝化系统(5)相连；短程反硝化系统(5)通过第二排水管(5.7)和第二排水阀(5.8)与沉淀池(6)相连。
2.利用污泥发酵液为碳源原位富集短程反硝化与厌氧氨氧化菌的方法，其特征在于，包括以下步骤：
序批式污泥厌氧发酵系统启动与运行：储泥池中污泥进入序批式污泥厌氧发酵系统，开启第一搅拌装置，控制序批式污泥厌氧发酵系统中污泥浓度为8.0～12.0gSS/L，温度为28～32℃，溶解氧浓度小于0.1mg/L；序批式污泥厌氧发酵系统以间歇方式运行，运行时序依次为进泥、搅拌、排泥，控制系统的污泥龄为4～8天，发酵后的混合物排入离心分离系统，沉淀和离心分离后的发酵液排入碳源储备池，污泥排入污泥收集系统；
短程反硝化系统启动与运行：硝化液池中的硝化液自底部进入短程反硝化系统，硝化液中硝酸盐氮质量浓度为20mg/L～50mg/L，控制进入短程反硝化系统的硝化液与发酵液体积比为8:1～12:1，使进水后化学需氧量与硝酸盐氮质量浓度之比为2.5～4.0，开启第二搅拌装置，进行缺氧反硝化反应，控制短程反硝化系统水力停留时间为1.5～3.0h，关闭第二搅拌装置进行沉淀和排水，出水排入沉淀池，污泥龄为20～30天；当出水中硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮的转化率达到75％以上时，短程反硝化系统启动成功；短程反硝化系统以间歇方式运行，运行时序依次为进水、搅拌、沉淀、排水、闲置；
厌氧氨氧化菌的原位富集：在短程反硝化系统中加入固定床生物载体装置，硝化液池中的硝化液进入短程反硝化系统，硝化液中硝酸盐氮质量浓度为20mg/L～50mg/L，控制进入短程反硝化系统的硝化液与发酵液体积比为9:1～13:1，使进水后化学需氧量与硝酸盐氮质量浓度之比为2.0～3.0，开启第二搅拌装置，控制短程反硝化系统水力停留时间为3.0～5.0h；反应结束后进行沉淀和排水，出水排入沉淀池，污泥龄不低于30天；当厌氧氨氧化菌相对丰度达到0.1％以上时，认为实现原位富集。
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