CN114262054A

CN114262054A - 一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法

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Publication number: CN114262054A
Application number: CN202011264547.4A
Authority: CN
Inventors: 王凯军; 苑泉
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2040-11-12
Also published as: CN114262054B

Abstract

本发明的一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法，属于污水生物处理领域。通过短程硝化、厌氧氨氧化、反硝化等自养脱氮和异养脱氮的复合作用，脱氮的同时能节约大量碳源，再耦合强化生物除磷工艺，实现了同步脱氮除磷的目的。本发明在主流条件下解决了低碳氮比的生活污水脱氮除磷的问题，不需要额外添加碳源和化学药剂，节约成本，无二次污染；HRT较低，可以节约污水处理构筑物的体积和占地面积，降低投资建设成本；自养脱氮和异养脱氮的有机结合，使系统应对进水水质波动时有更好的抗冲击负荷能力，因此能保证系统运行低耗、高效、稳定，且操作维护简单，易于工程应用和推广，为生活污水同时脱氮除磷提供了清洁、高效、低耗、稳定的技术方案。

Description

一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法

技术领域

本发明涉及一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法，属于污水生物处理领域。

背景技术

我国城市污水属于典型的低碳氮比污水，污水处理厂脱氮除磷普遍存在高耗、低效和运行不稳定的缺点，尤其是低碳氮比的污水处理厂，脱氮除磷工艺本身也存在如碳源争夺等问题。传统污水处理工艺往往因为碳源不足导致脱氮困难。而生物除磷对碳源的需求会加剧脱氮菌群和除磷菌群对碳源的竞争，导致脱氮除磷效果差，出水的氮磷浓度高。为满足我国污水处理排放标准，需进一步处理。在缺氧池补充脱氮所需的有机碳源，以及在生化池末端投加化学除磷剂，进一步去除污水中的磷，是目前应用最广泛的深度脱氮除磷方法之一。但额外投加有机碳源和除磷剂会增加污水厂的投资运行成本，甚至可能导致二次污染。因此，开发低能耗经济高效的处理低碳氮比污水中的污染物成为我国污水处理发展方向之一。

短程硝化反硝化和厌氧氨氧化技术都具有节约能耗和碳源、减少污泥产量、减少剩余污泥处理成本等特点。短程硝化反硝化工艺是将硝化过程停止于亚硝氮阶段，进而将亚硝氮进行反硝化过程，此过程可以节约25％的需氧量、节约40％的碳源消耗量以及减少约50％的污泥产量；短程硝化/厌氧氨氧化工艺是将部分氨氮转化为亚硝氮，产生的亚硝氮和剩余的氨氧化进行厌氧氨氧化过程，形成氮气，此过程是自养脱氮，可以节约60％的需氧量、100％的碳源和减少80％的污泥产量。同时该节碳脱氮工艺的应用，可使更多碳源用于聚磷菌的除磷作用，为强化生物除磷技术的应用提供了充足的碳源，从而降低除磷的成本。强化生物除磷则是利用聚磷菌在厌氧条件下利用有机物进行释磷，并在好氧条件下过量吸磷的特点，将污水中的磷转移到污泥中，从而实现污水中磷的去除。但上述三种节碳高效脱氮除磷工艺的有机结合还处于探索阶段。Xu等^[1]在温度为30℃时，运行一体式短程硝化反硝化、厌氧氨氧化和生物强化除磷反应器，处理模拟生活污水，总氮去除率可达89％，厌氧氨氧化活性维持在43到54mg/(gVSS·d) (换算到20℃时)，由于世界上大部分污水处理厂位于温带地区，生活污水的温度多为10℃～25℃，因此该文献中30℃的高温运行条件限制了该工艺的发展，另外该工艺的HRT长达24h，较长的HRT意味着较大的占地面积和投资成本。另外，在低氨氮浓度(<50mg/L)中低温(10℃～25℃)的主流条件下，厌氧氨氧化菌的活性明显低于高氨氮浓度(500mg/L～1000mg/L)高温(30℃～35℃)的侧流环境，目前报道的主流反应器中，厌氧氨氧化活性多在20到100mg/(gVSS·d) 之间，明显低于侧流的活性(>200mg/gVSS·d)。

本发明的一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法，将短程硝化反硝化过程、厌氧氨氧化过程和强化生物除磷过程相结合，充分利用原水中的有机碳源，实现同步脱氮除磷的目的。

发明内容

本发明提供一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法，通过控制剩余污泥的排放，调整悬浮污泥的污泥龄，实现亚硝酸盐氧化菌的淘汰和生物除磷，最终达到同步脱氮除磷的效果。从而实现了针对低 C/N的生活污水同步脱氮除磷的目的。

本发明提供技术方案包括如下步骤：

第一步进水阶段：反应器内有悬浮污泥和含厌氧氨氧化生物膜的填料，初沉污水由初沉池经蠕动泵泵入反应器中，同时开启搅拌器。完成进水阶段，进入厌氧释磷阶段；

第二步厌氧阶段：开启搅拌器，使污水和反应器中的污泥均匀混合，DO<0.05mg/L，厌氧反应时间为30～60min，随后进入好氧阶段；

第三步好氧阶段：采用间歇曝气模式，即开启气泵，曝气5～7min 后，停止曝气，开始5～9min缺氧，如此反复，此过程中，搅拌器始终开启，确保泥水混合均匀，控制曝气时DO为1.2mg/L，进行氨氮氧化和好氧吸磷过程，缺氧时则进行反硝化和厌氧氨氧化过程。由反应器内测定氨氮浓度的探头指示好氧阶段时长，当氨氮浓度＜1mg/L 时，好氧阶段停止，进入排泥阶段；

好氧段采用间歇曝气，使好氧吸磷和同步短程硝化反硝化厌氧氨氧化同时进行，曝气时氨氮氧化为亚硝氮，缺氧段反硝化菌和厌氧氨氧化菌将亚硝氮转化为氮气，反应器采用悬浮污泥和悬浮填料共存的运行模式，聚磷菌、氨氧化菌和反硝化菌等生长于悬浮污泥中，倍增时间较长的厌氧氨氧化菌则生长于填料上；

第四步排泥阶段：在曝气和搅拌都开启的情况下，开启排泥泵，排出剩余污泥，系统的好氧污泥龄需保持在3-5天，随后进入沉淀阶段；

第五步沉淀阶段：曝气、搅拌等均停止，使污泥静沉30min～40 min，实现泥水分离，随后进入排水阶段；

第六步排水阶段：排水泵开启，排出上清液。

填料选用K5、K1或K3型填料。

初沉污水进水量是反应器容积的50％-70％。

反应器内悬浮污浓度1.5～4g/L，含厌氧氨氧化生物膜的悬浮填料的填充率为7～30％。

当温度＜15℃，延长间歇曝气中缺氧时间至8～12min。

缺氧时长与好氧时长的比例为1～2。

本发明的一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明通过主流条件下的短程硝化反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺的复合作用脱氮，并且脱氮过程能够大大节约所需碳源，同步耦合生物强化除磷工艺，解决了污水处理厂脱氮除磷存在的争夺碳源的问题，实现了污水处理厂低能耗、高效脱氮除磷的目的，使得出水氮磷浓度远低于一级A标准，也可以满足要求更高的京标A。

2、本发明中，自养脱氮和异养脱氮的有机结合，使系统应对进水水质波动时，具有更好的抗冲击负荷能力，尤其是在处理碳氮比低的生活污水时，系统运行稳定高效；

3、本发明的反应器的HRT较低，可以节约污水处理构筑物的体积和占地面积，降低投资建设成本；

4、本发明处理的污水是污水处理厂的初沉池出水，并非实验室条件下配置的生活污水，也无需投加其他化学药剂，操作维护简单，易于工程应用和推广，可大大节约脱氮除磷的成本。

附图说明

图1为本发明实施例的运行程序；

图2为本发明实施例的运行效果图；

图3为本发明实施例反应器内最大比厌氧氨氧化活性的变化图。

具体实施方式

本发明提供了一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体技术方法进行详细、完整的描述说明，所描述的具体实施方式仅是本发明的部分事例，而不是全部实例。本领域技术人员没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实例，都属于本发明的保护范围。

本发明结合了节约需碳量的短程硝化反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺，能够大大节约所需碳源，同时耦合生物强化除磷工艺，利用厌氧段脱碳，降低碳源对厌氧氨氧化的不利影响，系统表现出良好的脱氮除磷效能。

本发明实施例中，反应器进水为某污水厂初沉池出水，水质如表 1所示，由进水水质可以看出，该地区污水经初沉池后，进水tCOD 浓度仅为43.4mg/L到130.2mg/L，雨季COD较低，而氨氮平均浓度为15.2mg/L，磷为1.6mg/L，按传统硝化反硝化过程和生物除磷过程的需碳量计算，该水质表现为碳源不足。

表1污水厂初沉污水进水水质情况

本发明实施例中，反应器可以是SBR反应器，也可以是连续流反应器。反应器的排水比为62.5％，填料选用K5型填料，也可以为 K1、K3等其他聚乙烯和聚丙烯材质的环状填料。反应器内悬浮污泥浓度约1.5～4g/L，含厌氧氨氧化生物膜的悬浮填料的填充率为7～30％，该厌氧氨氧化生物膜接种于一个主流运行的反应器中，运行稳定。

如图1所示，本发明的方法具体包括如下步骤：

第一步进水阶段：上述污水从初沉池经蠕动泵泵入反应器中，同时开启搅拌器。当城市污水达到指定液位后，进水量一般是反应器容积的50％-70％，本实施例里，反应器有效容积为56L，进水量为38 L，进水完成，进而进入下一厌氧释磷阶段；

第二步厌氧释磷阶段：开启搅拌器，使污水和反应器中的污泥均匀混合，DO<0.05mg/L，厌氧反应时间为30～60min，本实施例中选择的厌氧反应时间为45min。随后进入好氧阶段；

第三步好氧阶段：采用间歇曝气模式，即开启气泵，曝气5～7min 后，本实施例曝气6min；停止曝气，开始5～9min缺氧，本实施例8min缺氧，如此反复，此过程中，搅拌器始终开启，确保泥水混合均匀。开启气泵时，曝气时DO约1.2mg/L，氨氧化菌将氨氮氧化为亚硝氮，聚磷菌进行过量吸磷过程；关掉气泵时，反硝化菌将亚硝氮转化为氮气，进行反硝化过程，生长于填料上的厌氧氨氧化菌则将氨氮和亚硝化转化为氮气，进行厌氧氨氧化过程。当温度低于15℃，需延长间歇曝气中缺氧时间至8～12min。由反应器内氨氮探头指示好氧阶段时长，当氨氮浓度<1mg/L时，好氧阶段停止，进入排泥阶段。

好氧段采用间歇曝气，使好氧吸磷和同步短程硝化反硝化厌氧氨氧化同时进行，曝气时氨氮氧化为亚硝氮，缺氧段反硝化菌和厌氧氨氧化菌将亚硝氮转化为氮气。反应器采用悬浮污泥和悬浮填料共存的运行模式，聚磷菌、氨氧化菌和反硝化菌等生长于悬浮污泥中，倍增时间较长的厌氧氨氧化菌则生长于填料上。

第四步排泥阶段：在曝气和搅拌都开启的情况下，开启排泥泵，排出一定量的剩余污泥，保持系统的好氧污泥龄需保持在3天～5天。随后进入沉淀阶段。

第五步沉淀阶段：曝气、搅拌等均停止，使污泥静沉30min～40 min，实现泥水分离。随后进入排水阶段。

第六步排水阶段：排水泵开启，排出上清液。

本发明的反应器运行效果如图2所示，出水磷浓度约0.2±0.2 mg/L，磷的平均去除率约87.4％。由于好氧反应终点是由氨氮控制，因此出水氨氮浓度一直保持在0.5mg/L到1mg/L。随着时间的延长，出水硝氮浓度持续下降，到反应器运行后期(第141d)，出水硝氮几乎低于检出限(0.1mg/L)。出水亚硝氮平均浓度约0.9mg/L，并呈现不断下降趋势。这使得出水总无机氮浓度不断下降，出水总无机氮浓度稳定低于1mg/L，平均浓度为0.72mg/L。我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A排放标准要求出水：TN<15mg/L，TP<0.5 mg/L，氨氮<1mg/L，而由北京市环境保护局发布的北京市地方标准中，京标A要求出水：TN<10mg/L，TP<0.2mg/L，氨氮<1mg/L。可以看出，本实施例中的出水氮磷浓度远低于一级A标准，也可以满足要求更高的京标A。

由于反应器的反应时长波动，HRT是个不断变化的值，因此本反应器的平均HRT为6.3±1.7h。该反应器的HRT较低，可以节约污水处理构筑物的体积和占地面积，降低投资建设成本。

如图3所示是本实施例的反应器内最大比厌氧氨氧化活性的变化，对填料上的厌氧氨氧化菌活性变化进行分析。填料最初接种于高氨氮浓度高温(30℃)的反应器中，其活性为181mg/(gVSS·d)，随后在低氨氮浓度(8～15mg/L)中低温(10℃～20℃)的主流反应器中培养了2年，厌氧氨氧化活性逐渐降低并稳定在70mg/(gVSS·d)。接种到本反应器后，填料的厌氧氨氧化活性表现出明显升高(如图3所示)，厌氧氨氧化活性平均值为215mg/(gVSS·d)，最高值可达356 mg/(gVSS·d)，活性是主流反应器的3倍，甚至高于由侧流接种时的填料所表现出的活性。主流条件下厌氧氨氧化活性主要受亚硝氮浓度限制，但是本实施例的反应器中，间歇曝气过程中亚硝氮最高浓度不足1.5mg/L，却并未抑制厌氧氨氧化菌的活性，说明本反应器中的低亚硝氮浓度不仅能够满足系统内的厌氧氨氧化过程，反而大大提升了厌氧氨氧化活性。本反应器出水的氮磷浓度低，表现出良好的脱氮除磷效果，说明主流条件下附着在填料上的厌氧氨氧化菌可以与悬浮污泥中的AOB、NOB和反硝化菌和谐共生，使反应器呈现高效稳定的脱氮除磷效果。

参考文献：

[1]Xu,X.,L.Qiu,C.Wang,et al.,Achieving mainstream nitrogen andphosphorus removal through Simultaneous partial Nitrification, Anammox,Denitrification,and Denitrifying Phosphorus Removal (SNADPR)process in asingle-tank integrative reactor.Bioresour.Technol., 2019.284:80-89.

[2]Lotti,T.,R.Kleerebezem,Z.Hu,et al.,Pilot-scale evaluation ofanammox-based mainstream nitrogen removal from municipalwastewater.Environ.Technol.,2015.36(9-12):1167-77.

Claims

1.一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第三步好氧阶段：采用间歇曝气模式，即开启气泵，曝气5～7min后，停止曝气，开始5～9min缺氧，如此反复，此过程中，搅拌器始终开启，确保泥水混合均匀，控制曝气时DO为1.2mg/L，进行氨氮氧化和好氧吸磷过程，缺氧时则进行反硝化和厌氧氨氧化过程。由反应器内测定氨氮浓度的探头指示好氧阶段时长，当氨氮浓度＜1mg/L时，好氧阶段停止，进入排泥阶段；

第五步沉淀阶段：曝气、搅拌等均停止，使污泥静沉30min～40min，实现泥水分离，随后进入排水阶段；

第六步排水阶段：排水泵开启，排出上清液。

2.根据权利要求1所述的一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法，其特征在于：填料选用K5、K1或K3型填料。

3.根据权利要求1所述的一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法，其特征在于：初沉污水进水量是反应器容积的50％-70％。

4.根据权利要求1所述的一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法，其特征在于：反应器内悬浮污浓度1.5～4g/L，含厌氧氨氧化生物膜的悬浮填料的填充率为7～30％。

5.根据权利要求1所述的一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法，其特征在于：当温度＜15℃，延长间歇曝气中缺氧时间至8～12min。

6.根据权利要求1所述的一种复合生物脱氮耦合强化生物除磷的方法，其特征在于：缺氧时长与好氧时长的比例为1～2。