CN114573095B

CN114573095B - 生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法

Info

Publication number: CN114573095B
Application number: CN202210240898.4A
Authority: CN
Inventors: 李志华; 赵松; 赵翩; 王海光
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2023-09-26
Anticipated expiration: 2042-03-10
Also published as: CN114573095A

Abstract

本发明公开了一种生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法，包括；进水经预处理在生物反应器好氧段曝气、硝化反应后进入沉淀池，回收硝化反应上清液热量；污泥回流，剩余污泥脱水后外运；部分污泥经离心后重悬回流至生物反应器，污泥稀释，离心，收集上清液；重悬后回流至生物反应器；余下污泥超声离心后回流至生物反应器，污泥稀释，超声分散，离心，收集上清液，污泥用缓冲液重悬，回流至生物反应器；黏液层和疏松结合型胞外聚合物回收。通过将污泥剥离黏液层处理，使得氨氮半饱和系数骤降，提高污泥对氨氮的亲和力，强化活性污泥的硝化能力；经处理后的污泥有更低的产率系数。

Description

生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法

技术领域

本发明属于污水处理领域，涉及一种通过对回流污泥再处理强化硝化能力，减少污泥产量，增加产热，回收胞外聚合物和热量的方法。

背景技术

水体中输入过量氮素是引起水体富营养化的重要因素，氮素的脱除是污水处理厂的基本目标之一，近年来，部分污水处理厂排水水质不达标引起的环境问题日益突出。尽管相关部门对污水处理厂监管越来越严格，处罚力度越来越大，但污水厂在运行过程中也存在许多问题，活性污泥法也因为存在许多问题而成为研究的目标。国家的标准也变得更加严格，在以脱氮除磷为核心的大势下，污水厂出水氮素的达标显得尤为重要。

越来越多的城镇污水处理厂的成功建设并投入使用，目前主流工艺采用活性污泥法处理污水，因此会产生大量湿污泥。根据不完全统计，中国湿污泥产生量已达到6.0×10⁷～8.0×10⁷t，对剩余污泥进行处理需要消耗大量能源和财力，因此污泥减量可以大大减少污水处理厂运营成本。污泥减量化过程受到胞外聚合物的影响，使得污水中水分难以去除，有机质不能有效释放。

目前污水厂活性污泥工艺，优于微生物在低温活性降低，导致低温下极容易出水氨氮超标。尤其是北方地区冬季温度极低，对污水厂出水影响很大，极易出现超标排放情况，因此污水厂面临很大挑战。因此提供一种通过对回流污泥再处理强化硝化能力，减少污泥产量，增加产热，回收胞外聚合物和热量的方法成为本领域目前亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，针对生物脱氮效率低的问题，本发明的目的在于提供一种生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法，通过将污泥剥离黏液层处理，使得氨氮半饱和系数骤降，提高污泥对氨氮的亲和力，强化活性污泥的硝化能力；通过对污泥进行疏松结合型胞外聚合物处理，有着更低的产率系数，减少污泥量，进行热量回收。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

本发明一方面，提供了一种生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法，包括下述步骤；

1)经预处理的进水进入生物反应器，在生物反应器的好氧段进行曝气、硝化反应；

2)生物反应器硝化反应后的出水进入沉淀池，沉淀泥水分离，上清液外排，回收硝化反应产生的热量；沉淀池底部污泥按经外循环回流至生物反应器好氧段，剩余污泥进入污水厂污泥处理工艺，脱水后外运；

3)30％～70％污泥经离心处理剥离黏液层之后重悬回流至生物反应器的好氧段，将污泥稀释，离心，收集为包含黏液层和疏松结合型胞外聚合物的上清液；污泥用PBS磷酸盐缓冲液重悬，回流至生物反应器好氧段；

4)余下污泥经超声再离心处理，剥离疏松结合型胞外聚合物后，污泥重悬后回流至生物反应器的好氧段，将污泥稀释，超声将污泥细胞分散，高速离心，收集上清液为胞外聚合物溶液，污泥用PBS磷酸盐缓冲液重悬，回流至生物反应器好氧段；

5)黏液层和疏松结合型胞外聚合物回收。

作为优选，所述步骤1)，曝气控制水中溶液氧在2～6mg/L。

作为优选，所述步骤2)，沉淀1～3h泥水分离；沉淀池底部污泥按照回流比50％～150％经外循环回流至生物反应器好氧段。

作为优选，所述步骤3)，将污泥稀释到SS＝2000～4000mg/L，在1500～2500g离心力下离心3～7min。

作为优选，所述步骤4)，将污泥稀释到SS＝2000～4000mg/L，超声功率为5～15W，超声时间为3～7min；在8000～12000r高速离心10～20min。

作为优选，所述步骤4)，剥离胞外聚合物过程在0～4℃下进行。

作为优选，胞外聚合物中包含蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸、磷脂和褐藻酸。

作为优选，所述PBS磷酸盐缓冲液包括：NaCl 137mmol/L，KCl 2.7mmol/L，Na₂HPO₄4.3mmol/L，KH₂PO₄ 1.4mmol/L。

作为优选，重悬采用PBS磷酸盐缓冲液调节pH＝7.0±2.0。

本发明另一方面，给出了所述方法得到的剥离疏松结合型胞外聚合物的污泥。

采取将污泥剥离黏液层处理，剥离黏液层之后，使得氨氮半饱和系数骤降，即污泥对氨氮的亲和力更高，从而强化活性污泥的硝化能力，使得氨氮降解效率更高，出水达标。针对污泥减量化，对污泥进行疏松结合型胞外聚合物处理，剥离后的污泥相比较于原始污泥，有着更低的产率系数，从根本上减少污泥量以达到减量化的目的，同时剥离疏松结合型胞外聚合物使得污泥微生物在正常降解微生物时，会释放更多的热量，在冬季可以保持更高的水温，使得微生物有更高的活性，其他季节则可以进行热量回收。对于剥离出的胞外聚合物可以进行回收处理，由于对回流污泥剥离胞外聚合物的处理方式，经过循环之后，剩余污泥所含胞外聚合物量也会减少，有利于污泥脱水。

本发明具有以下有益效果：

1)强化硝化能力

剥离黏液层之后污泥对于氨氮的亲和力提高，增强硝化能力，因此可以更高效的去除氨氮，出水效果更好，能更好的应对污水处理厂面临的挑战。

2)污泥产量减少，降低污泥处理处置成本

剥离疏松结合型胞外聚合物之后，污泥相比较于原泥，产率系数明显降低，可以从根本上降低污泥产量，在维持固有回流污泥量的前提下，使得剩余污泥量大大减少，同时在这种不断循环的过程中，使得工艺中胞外聚合物不会累积，相比较于原泥，胞外聚合物含量大大减少，有助于剩余污泥脱水，减少污泥处理处置成本。

3)热量回收

剥离疏松结合型胞外聚合物之后污泥相比较于原泥有着更高的维持系数和内源呼吸速率(表1)，这表明相当一部分底物用于非生长相关代谢，即能量以热量的形式分散，对热量进行回收利用，可以达到资源化的目的，热量回用也可能会创造一定经济效益。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明所用改良的工艺流程图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提出一种通过剥离胞外聚合物强化生物脱氮、污泥减量以及增加产热水处理运行方法，包括以下步骤：

步骤1，进水经过一系列预处理(格栅、沉砂池、初沉池)到达生物反应器，进行硝化反应，曝气控制水中溶液氧在2～6mg/L。污泥硝化反应产生更多的热量，并且污泥产量减少。部分污泥来自后续步骤处理经外循环回到生物反应器好氧段的污泥。进行硝化过程的生物反应器，并不仅限于单独某一种生物反应器，其它水处理工艺均适用。

步骤2，生物反应器硝化反应后的出水进入沉淀池，沉淀1～3h泥水分离后上清液作为出水外排，硝化反应产生的出水温度会高于正常出水，可以对于热量进行回收再利用；沉淀池底部污泥按照回流比50％～150％经外循环回流至生物反应器好氧段，剩余污泥进入污水厂污泥处理工艺，脱水后外运。

活性污泥由内核和内核外包裹的胞外聚合物构成，胞外聚合物由外到内依次为黏液层、疏松结合型胞外聚合物、紧密结合胞外聚合物三部分。出水温度会高于正常出水，可以对于热量进行回收再利用，维持正常回流污泥量的同时，总污泥量减少，相应的剩余污泥量大幅减少，并且胞外聚合物含量较小的污泥脱水性能更好，方便污泥脱水外运。

步骤3，将回流污泥分为两部分处理，30％～70％污泥经离心处理剥离黏液层之后重悬回流至生物反应器的好氧段，将污泥稀释到SS＝2000～4000mg/L，在1500～2500g离心力下离心3～7min，得到上清液包含黏液层和疏松结合型胞外聚合物，收集上清液，污泥用PBS磷酸盐缓冲液调节pH＝7.0±2.0重悬，以维持细胞活性。重悬之后的污泥硝化能力优于原始污泥，重悬污泥回流至生物反应器好氧段，污泥浓度可以按照回流污泥需求调整。

其中，PBS磷酸盐缓冲液包括：NaCl 137mmol/L，KCl 2.7mmol/L，Na₂HPO₄ 4.3mmol/L，KH₂PO₄ 1.4mmol/L。

步骤4.余下污泥经超声处理之后，再进行离心处理，剥离疏松结合型胞外聚合物，污泥重悬后回流至生物反应器的好氧段，将污泥稀释到SS＝2000～4000mg/L，用超声细胞破碎仪，在5～15W的功率下超声3～7min，将污泥细胞分散，然后在8000～12000r高速状态下离心10～20min，剥离疏松结合型胞外聚合物，收集上清液为疏松结合型胞外聚合物溶液，污泥用PBS磷酸盐缓冲液重悬，此污泥回流到生物反应器好氧段，污泥浓度可以按照回流污泥需求调整，胞外聚合物中包含蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸、磷脂、褐藻酸，可以回收再用。整个剥离胞外聚合物过程需在0～4℃下进行。

步骤5，黏液层和疏松结合型胞外聚合物做回收处理。

回流污泥中选择剥离两种胞外聚合物的污泥量比例不做具体要求，可根据具体情况调节比例，或者根据出水水质情况做出调整。

下面通过具体实施例进一步说明本发明效果。

实施例1

取自西安某污水厂外循环回流污泥的污泥，带回实验室，将污泥过1μm的筛以去除沙砾杂质。

步骤1，进水经过格栅、沉砂池、初沉池预处理到达生物反应器，进行硝化反应，曝气控制水中溶液氧在4mg/L。

步骤2，生物反应器硝化反应后的出水进入沉淀池，沉淀2h泥水分离上清液外排，热量回收；沉淀池底部污泥按照回流比100％回流至生物反应器好氧段，剩余污泥脱水后外运。

步骤3，30％污泥经离心处理剥离黏液层后重悬回流至生物反应器的好氧段，将污泥稀释到SS＝3000mg/L，在2000g离心力下离心5min，收集上清液，污泥用PBS磷酸盐缓冲液调节pH＝7.0重悬，重悬后的污泥回流至生物反应器好氧段。

步骤4.余下污泥经超声后离心处理，将污泥稀释到SS＝2000mg/L，在5W的功率下超声7min，在10000r高速下离心15min，收集上清液，污泥用PBS磷酸盐缓冲液重悬，得到剥离疏松结合型胞外聚合物的污泥，此污泥回流到生物反应器好氧段，剥离胞外聚合物过程需在4℃下进行。

步骤5，黏液层和疏松结合型胞外聚合物做回收处理。

实施例2

步骤1，进水经过格栅、沉砂池、初沉池预处理到达生物反应器，进行硝化反应，曝气控制水中溶液氧在6mg/L。

步骤2，生物反应器硝化反应后的出水进入沉淀池，沉淀1h泥水分离上清液外排，热量回收；沉淀池底部污泥按照回流比150％回流至生物反应器好氧段，剩余污泥脱水后外运。

步骤3，50％污泥经离心处理剥离黏液层后重悬回流至生物反应器的好氧段，将污泥稀释到SS＝2000mg/L，在2500g离心力下离心3min，收集上清液，污泥用PBS磷酸盐缓冲液调节pH＝5.0重悬，重悬后的污泥回流至生物反应器好氧段。

步骤4.余下污泥经超声后离心处理，将污泥稀释到SS＝3500mg/L，在15W的功率下超声5min，在12000r高速下离心10min，收集上清液，污泥用PBS磷酸盐缓冲液重悬，得到剥离疏松结合型胞外聚合物的污泥，此污泥回流到生物反应器好氧段，剥离胞外聚合物过程需在0℃下进行。

步骤5，黏液层和疏松结合型胞外聚合物做回收处理。

实施例3

步骤1，进水经过格栅、沉砂池、初沉池预处理到达生物反应器，进行硝化反应，曝气控制水中溶液氧在2mg/L。

步骤2，生物反应器硝化反应后的出水进入沉淀池，沉淀3h泥水分离上清液外排，热量回收；沉淀池底部污泥按照回流比50％回流至生物反应器好氧段，剩余污泥脱水后外运。

步骤3，70％污泥经离心处理剥离黏液层后重悬回流至生物反应器的好氧段，将污泥稀释到SS＝4000mg/L，在1500g离心力下离心7min，收集上清液，污泥用PBS磷酸盐缓冲液调节pH＝9.0重悬，重悬后的污泥回流至生物反应器好氧段。

步骤4.余下污泥经超声后离心处理，将污泥稀释到SS＝4000mg/L，在10W的功率下超声3min，在8000r高速下离心20min，收集上清液，污泥用PBS磷酸盐缓冲液重悬，得到剥离疏松结合型胞外聚合物的污泥，此污泥回流到生物反应器好氧段，剥离胞外聚合物过程需在2℃下进行。

步骤5，黏液层和疏松结合型胞外聚合物做回收处理。

用原泥、剥离黏液层污泥、剥离疏松结合型胞外聚合物污泥在同样条件下测量动力学参数，半饱和系数根据monod方程采用化学法测量，其他动力学参数采用呼吸速率法(OUR)测量，得到数据汇总为表1。

表1原泥、剥离几种EPS后污泥动力学参数表；

表1

从表1看以看出，表明相当一部分底物用于非生长相关代谢，即能量以热量的形式分散。剥离疏松结合型胞外聚合物的污泥因其能量分散指数很高，产率系数很低，即可以回收热量，又可以减少污泥量。剥离黏液层之后污泥的氨氮半饱和系数(K_NH)大幅降低，即相较于原泥有更高的氨氮亲和力，故硝化能力更强。

从产率系数(YH)来看，剥离疏松结合型胞外聚合物之后污泥产率系数大幅下降，故可以从根本上减少污泥产量，在维持原回流污泥量的前提下，剩余污泥量进一步减少。

剥离疏松结合型胞外聚合物之后污泥相比较于原泥有着更高的维持系数和内源呼吸速率，这表明相当一部分底物用于非生长相关代谢，即能量以热量的形式分散，因此可以在出水处将热量回收利用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。采用对回流污泥再处理，剥离黏液层增强硝化能力，剥离疏松结合型胞外聚合物减少污泥产量并回收热量的方法改进污水处理工艺。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法，其特征在于，包括下述步骤；

1）经预处理的进水进入生物反应器，在生物反应器的好氧段进行曝气、硝化反应；

2）生物反应器硝化反应后的出水进入沉淀池，沉淀泥水分离，上清液外排，回收硝化反应产生的热量；沉淀池底部污泥经外循环回流至生物反应器好氧段，剩余污泥进入污水厂污泥处理工艺，脱水后外运；

3）30%~70%污泥经离心处理剥离黏液层之后重悬回流至生物反应器的好氧段，将污泥稀释到SS=2000~4000mg/L，在1500~2500g离心力下离心3~7min，收集包含黏液层和疏松结合型胞外聚合物的上清液；污泥用PBS磷酸盐缓冲液重悬，回流至生物反应器好氧段；

4）余下污泥经超声再离心处理，剥离疏松结合型胞外聚合物后，污泥重悬后回流至生物反应器的好氧段，将污泥稀释到SS=2000~4000mg/L，超声将污泥细胞分散，超声功率为5~15W，超声时间为3~7min；在8000~12000r高速离心10~20min，收集上清液为胞外聚合物溶液，污泥用PBS磷酸盐缓冲液重悬，回流至生物反应器好氧段；

5）黏液层和疏松结合型胞外聚合物回收。

2.根据权利要求1所述的生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法，其特征在于，所述步骤1），曝气控制水中溶液氧在2~6 mg/L。

3.根据权利要求1所述的生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法，其特征在于，所述步骤2），沉淀1~3h泥水分离；沉淀池底部污泥按照回流比50%~150%经外循环回流至生物反应器好氧段。

4.根据权利要求1所述的生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法，其特征在于，所述步骤4），剥离胞外聚合物过程在0~4℃下进行。

5.根据权利要求1所述的生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法，其特征在于，胞外聚合物中包含蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸、磷脂和褐藻酸。

6.根据权利要求1所述的生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法，其特征在于，所述PBS磷酸盐缓冲液包括：NaCl 137mmol/L，KCl 2.7mmol/L，Na₂HPO₄ 4.3mmol/L，KH₂PO₄ 1.4mmol/L。

7.根据权利要求1所述的生物脱氮、污泥减量及增加产热水处理运行方法，其特征在于，重悬采用PBS磷酸盐缓冲液调节pH=7.0±2.0。