CN114477456A - 一种内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮装置与方法，属于污水生物处理技术领域，包括原水箱、厌氧反应池、膜生物反应器、短程硝化反应池、内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池和二沉池，通过短程硝化与内源短程反硝化的优势互补共同为厌氧氨氧化提供关键底物NO2 ‑，提高城市污水厌氧氨氧化在应对短程硝化不稳定引起NO2 ‑/NH4 +配比波动的鲁棒性，将内源短程反硝化与厌氧氨氧化进行耦合，实现副产物NO3 ‑的进一步去除，本发明可以实现城市污水处理的深度脱氮与节能降耗，稳定性强，适用于新建污水厂及老污水厂的提标改造。
Description
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，尤其涉及一种内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮装置与方法。
背景技术
短程硝化/厌氧氨氧化技术因其实现了自养脱氮而成为污水处理领域的热点，其可以节省大约60%的曝气能耗和100%的有机碳源；同时，剩余污泥的产量可以减少80%左右。目前，城市污水短程硝化/厌氧氨氧化工艺的成功应用受到低温低氨氮浓度条件下难以有效抑制亚硝酸盐氧化细菌（NOB）的阻碍。NOB的过量生长往往导致NO2 -/NH4 +配比的波动以及出水中积累高浓度的副产物NO3 -，进而使整个系统的脱氮效率处于较低水平(≤70%)。另外，城市污水中含有的有机物会造成异养菌与自养型的厌氧氨氧化菌竞争底物NO2 -，进而影响到主流厌氧氨氧化工艺的稳定性。
近期的研究报道了聚糖菌驱动的内源短程反硝化技术能够为厌氧氨氧化提供稳定的关键底物NO2 -。在厌氧条件下，聚糖菌可以吸收进水中的有机物并转化为胞内聚合物（PHAs）；然后在缺氧条件下，聚糖菌利用储存的PHAs为电子供体，将NO3 -还原为NO2 -。通过内源短程反硝化与厌氧氨氧化的耦合，可以显著提高整个系统的脱氮性能。在该系统中，由于短程硝化的不稳定而产生的NO3 -以及厌氧氨氧化反应产生的副产物NO3 -均可通过内源短程反硝化被还原为NO2 -，进而供厌氧氨氧化进一步利用，过量的NO2 -也可以被反硝化为N2。同时，该系统可以实现短程硝化与内源短程反硝化的优势互补，为厌氧氨氧化反应在NO2 -/NH4 +配比的需求上提供灵活性，提高系统的稳定性。因此，与传统短程硝化/厌氧氨氧化工艺相比，内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮技术在应对NO2 -/NH4 +配比的波动和处理过量NO3 -方面具有独特的优势，可以大大提高厌氧氨氧化工艺的氮去除率与稳定性，为实现城市污水处理厂深度脱氮的节能降耗提供新思路和技术支持。
发明内容
本发明针对城市污水短程硝化/厌氧氨氧化难以稳定维持及出水中残留过高浓度NO3 -的技术问题，提供一种内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮的装置与方法，通过短程硝化与内源短程反硝化的优势互补共同为厌氧氨氧化提供关键底物NO2 -，提高城市污水厌氧氨氧化在应对短程硝化不稳定引起NO2 -/NH4 +配比波动的鲁棒性；将内源短程反硝化与厌氧氨氧化进行耦合，实现副产物NO3 -的进一步去除，突破城市污水厌氧氨氧化稳定运行与深度脱氮的应用瓶颈。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮装置，包括原水箱，原水箱出口通过进水泵将污水送至厌氧反应池，厌氧反应池出水口处设置膜生物反应器，膜生物反应器出水口通过真空泵与短程硝化反应池联通，厌氧反应池污泥出口通过超越污泥泵将污泥送至内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池，所述短程消化反应池顶部通过管道与内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池相连通，内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池通过管道与二沉池联通，二沉池设有出水口和剩余污泥排放阀，二沉池底部通过回流污泥泵与厌氧反应池相连通。
进一步的，所述厌氧反应池和内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池内均设有搅拌组件，所述短程硝化反应池底部设有曝气器，所述曝气器包括鼓风机和曝气头。
进一步的，所述短程硝化反应池内设有悬浮填料，悬浮填料的比表面积250 ~750m2/m3，填充比为25~45%；所述内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池内设有固定填料，所述固定填料套设于固定杆上，所述固定杆均匀分布于内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池底部，所述固定填料的比表面积250 ~750 m2/m3，填充比为25~45%。
本发明还提供了一种内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮装置的脱氮方法，包括以下步骤：
1）启动系统：将具有内源短程反硝化性能的污泥接种至厌氧反应池和内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池，使污泥浓度MLSS为2500-5000mg/L，同时在内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池投加已经挂好厌氧氨氧化菌的生物膜固定填料，将已经挂好氨氧化菌的生物膜悬浮填料投加至短程硝化反应池；悬浮填料和固定填料的比表面积为250 ~750m2/m3，填充比为25~45%；
2）城市污水原水箱中的城市污水通过进水泵进入厌氧反应池，同时二沉池底部的污泥通过回流污泥泵进入厌氧反应池，控制回流污泥的水力停留时间为1~3 h，在厌氧反应池中聚糖菌将进水中有机物吸收，并合成内碳源PHAs；
3）厌氧反应池中40~60%的混合液进入膜生物反应器泥水分离，含有NH4 +的污水通过真空泵进入短程硝化反应池，40~60%的底部污泥通过超越污泥泵进入内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池；
4）通过曝气器的曝气头为短程硝化反应池提供溶解氧，溶解氧浓度为0.5~2 mg/L，水力停留时间为1~4 h，使氨氧化细菌在悬浮填料上生长，将NH4 +氧化为NO2 -，不可避免地会有少量亚硝酸盐氧化菌的存在，将部分NO2 -氧化为NO3 -，然后含有NO2 -和NO3 -的污水进入内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池；
5）控制内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池的水力停留时间为3~6 h，使厌氧氨氧化菌生长在填料上，以避免厌氧氨氧化菌的流失，厌氧氨氧化菌将NO2 -和超越污泥携带进来的NH4 +转化为N2和少量的副产物NO3 -，另一方面，絮体污泥中的聚糖菌通过降解内探源PHAs来提供电子供体，将亚硝酸盐氧化菌和厌氧氨氧化菌产生的NO3 -还原为NO2 -，通过厌氧氨氧化反应进一步利用去除，过量的NO2 -也可以被反硝化为N2，深度脱氮后的混合液进入二沉池；
6）在二沉池中通过控制水力停留时间为1.5~3 h，实现泥水分离，底部污泥通过回流污泥泵回流至厌氧反应池，回流比为100~300%，维持絮体污泥在厌氧和缺氧条件下的交替运行，保障聚糖菌的正常工作，处理后的上清液通过出水口进行排放；
7）通过污泥排放阀定期从二沉池底部排出部分剩余污泥，使系统中絮体污泥浓度维持在2500~5000 mg/L，污泥龄控制在10~15 d。
本发明具有的优点是：
1.显著降低城市污水处理的能耗与成本，且可实现厌氧氨氧化技术的深度脱氮，理论脱氮效率可达100%；
2.通过短程硝化、内源短程反硝化和厌氧氨氧化的协同作用，提高系统应对NO2 -/NH4 +配比波动的稳定性，并实现副产物NO3 -的深度去除；
3.在厌氧池末端设置膜生物反应器进行泥水分离，同时短程硝化池采用悬浮生物填料的形式，实现短程硝化过程单独控制，运行维护简单；
4.内源短程反硝化菌生长在絮体污泥中，而厌氧氨氧化菌附着在固定生物填料上，通过定期排出部分絮体污泥的形式即可维持系统中内源短程反硝化菌和厌氧氨氧化菌的协同共存，提高城市污水厌氧氨氧化工艺运行的稳定性。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮装置，包括城市污水原水箱1、进水泵2、厌氧反应池3、搅拌组件4、膜生物反应器5、真空泵6、短程硝化反应池7、悬浮填料8、曝气头9、曝气器10、超越污泥泵11、内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池12、固定填料14、二沉池15、出水口16、回流污泥泵17、剩余污泥排放阀18；所述城市污水原水箱1通过进水泵2与厌氧反应池3相连接，厌氧反应池3通过超越污泥泵11与内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池12相连接，厌氧反应池3设有搅拌组件4，搅拌组件包括搅拌轴，驱动电机和搅拌叶片，搅拌组件通过固定架固定于厌氧反应池内，厌氧反应池末端即出水口处放置膜生物反应器5，膜生物反应器5通过真空泵6与短程硝化反应池7相连接，短程硝化反应池7中填充有悬浮填料8，曝气器10通过曝气头9设置于短程硝化反应池底部并为其提供溶解氧；短程硝化反应池7通过其顶部的连接管道与内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池12相连接，内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池12中填充有固定填料14，固定填料套设于固定杆上，固定杆均匀竖向分布于内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池底部，内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池内也设有搅拌组件4；内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池12通过连接管道与二沉池15相连接，二沉池15设有出水口16和剩余污泥排放阀18；二沉池15通过回流污泥泵17与厌氧反应池3相连接。
城市污水在此工艺中的处理流程为：城市污水先进入厌氧反应池，同时进入的还有二沉池的回流污泥，污泥中的聚糖菌将污水中有机物去除并储存为内碳源（PHAs）；然后经膜生物反应器进行泥水分离，含有氨氮的污水进入短程硝化反应器，悬浮填料上附着生长的氨氧化细菌将NH4 +氧化为NO2 -，不可避免地会有少量亚硝酸盐氧化菌的存在，将部分NO2 -氧化为NO3 -；然后含有NO2 -和NO3 -的污水进入内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池，同时进入的还有厌氧反应池的超越污泥，固定填料上附着生长的厌氧氨氧化菌将NO2 -和超越污泥携带进来的NH4 +转化为N2和少量的副产物NO3 -，絮体污泥中的聚糖菌通过降解内探源PHAs来提供电子供体，将亚硝酸盐氧化菌和厌氧氨氧化菌产生的NO3 -还原为NO2 -，通过厌氧氨氧化反应进一步利用去除，过量的NO2 -也可以被反硝化为N2；深度脱氮后的混合液进入二沉池，泥水分离后，上清液从出水口排出。
具体试验用水取自某小区生活污水，其水质如下：COD浓度为130-280mg/L；NH4 +-N浓度为60mg/L左右，NO2 --N≤0.5mg/L，NO3 --N ≤0.5mg/L，P 5~10mg/L。试验系统如图1所示。
具体运行操作如下：
1）启动系统：将具有内源短程反硝化性能的污泥接种至厌氧反应池3和内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池12，使污泥浓度MLSS=3000mg/L；同时在内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池12投加已经挂好厌氧氨氧化生物膜的固定填料14，填充比为25％；将已经挂好氨氧化生物膜的悬浮填料8投加至短程硝化反应池7，填充比为35％；悬浮填料8和固定填料14的比表面积均为600m2/m3，密度均为0.98g/cm。
2）城市污水原水箱1中的城市污水通过进水泵2进入厌氧反应池3，同时二沉池15底部的污泥通过回流污泥泵进入厌氧反应池3，控制厌氧反应池3的水力停留时间为1.5 h；在厌氧反应池3中聚糖菌将进水中有机物吸收，并合成内碳源PHAs；
3）厌氧反应池3中60%的混合液进入膜生物反应器5，实现泥水分离，含有NH4 +的污水通过真空泵6进入短程硝化反应池7；40%的底部污泥通过超越污泥泵11进入内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池12；
4）短程硝化反应池7中投加悬浮填料8，比表面积600 m2/m3，填充比为35%；通过曝气器7与曝气头9为短程硝化反应池7提供溶解氧，其浓度控制在1 mg/L；控制短程硝化反应池7的水力停留时间为3 h，使氨氧化细菌在悬浮填料8上生长，将NH4 +氧化为NO2 -；不可避免地会有少量亚硝酸盐氧化菌的存在，将部分NO2 -氧化为NO3 -；然后含有NO2 -和NO3 -的污水进入内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池12；
5）内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池12中投加固定填料14，比表面积600m2/m3，填充比为25%；控制内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池12的水力停留时间为4 h，使厌氧氨氧化菌生长在填料上，以避免厌氧氨氧化菌的流失；厌氧氨氧化菌将NO2 -和超越污泥携带进来的NH4 +转化为N2和少量的副产物NO3 -；另一方面，絮体污泥中的聚糖菌通过降解内探源PHAs来提供电子供体，将亚硝酸盐氧化菌和厌氧氨氧化菌产生的NO3 -还原为NO2 -，通过厌氧氨氧化反应进一步利用去除，过量的NO2 -也可以被反硝化为N2，深度脱氮后的混合液进入二沉池15。
6）在二沉池15中通过控制水力停留时间为2 h，实现泥水分离，底部污泥通过回流污泥泵回流至厌氧反应池3，回流比为200%，维持絮体污泥在厌氧和缺氧条件下的交替运行，保障聚糖菌的正常工作；处理后的上清液通过出水口16进行排放。
7）通过污泥排放阀18定期从二沉池15底部排出部分剩余污泥，使系统中絮体污泥浓度维持在3000 mg/L，污泥龄控制在12 d。
试验结果表明：运行稳定后，系统出水COD为30-50mg/L，NH4 +-N为1.5mg/L左右，NO3 --N为1mg/L左右，NO2 --N为0.5 mg/L左右，总氮去除率在95%左右。
本发明一种内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮的装置与方法可广泛应用于城市污水的经济高效脱氮处理。
Claims (4)
1.一种内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮装置，其特征在于：包括原水箱，原水箱出口通过进水泵将污水送至厌氧反应池，厌氧反应池出水口处设置膜生物反应器，膜生物反应器出水口通过真空泵与短程硝化反应池联通，厌氧反应池污泥出口通过超越污泥泵将污泥送至内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池，所述短程硝化反应池顶部通过管道与内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池相连通，内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池通过管道与二沉池联通，二沉池设有出水口和剩余污泥排放阀，二沉池底部通过回流污泥泵与厌氧反应池相连通。
2.如权利要求1所述的内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮装置，其特征在于：所述厌氧反应池和内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池内均设有搅拌组件，所述短程硝化反应池底部设有曝气器，所述曝气器包括鼓风机和曝气头。
3.如权利要求2所述的内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮装置，其特征在于：所述短程硝化反应池内设有悬浮填料，悬浮填料的比表面积250 ~750m2/m3，填充比为25~45%；所述内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池内设有固定填料，所述固定填料套设于固定杆上，所述固定杆均匀分布于内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池底部，所述固定填料的比表面积250 ~750 m2/m3，填充比为25~45%。
4.如权利要求1-3任一所述的内源短程反硝化强化城市污水短程硝化/厌氧氨氧化深度脱氮装置的脱氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）启动系统：将具有内源短程反硝化性能的污泥接种至厌氧反应池和内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池，使污泥浓度MLSS为2500-5000mg/L，同时在内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池投加已经挂好厌氧氨氧化菌的生物膜固定填料，将已经挂好氨氧化菌的生物膜悬浮填料投加至短程硝化反应池；
2）城市污水原水箱中的城市污水通过进水泵进入厌氧反应池，同时二沉池底部的污泥通过回流污泥泵进入厌氧反应池，控制回流污泥的水力停留时间为1~3 h；
3）厌氧反应池中40~60%的混合液进入膜生物反应器泥水分离，含有NH4 +的污水通过真空泵进入短程硝化反应池，40~60%的底部污泥通过超越污泥泵进入内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池；
4）通过曝气器的曝气头为短程硝化反应池提供溶解氧，溶解氧浓度为0.5~2 mg/L，水力停留时间为1~4 h，污水通过管道进入内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池；
5）控制内源短程反硝化耦合厌氧氨氧化反应池的水力停留时间为3~6 h，深度脱氮后的混合液进入二沉池；
6）混合液在二沉池中水力停留时间为1.5~3 h，底部污泥通过回流污泥泵回流至厌氧反应池，回流比为100~300%，上清液通过出水口排放；
7）通过污泥排放阀定期从二沉池底部排出部分剩余污泥，使系统中絮体污泥浓度维持在2500~5000 mg/L，污泥龄控制在10~15 d。
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