CN114671512B - 基于a-b法利用污泥发酵强化主流厌氧氨氧化实现碳氮磷同步去除的方法与装置 - Google Patents

基于a-b法利用污泥发酵强化主流厌氧氨氧化实现碳氮磷同步去除的方法与装置 Download PDF

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Abstract

基于A‑B法利用污泥发酵强化主流厌氧氨氧化实现碳氮磷同步去除的方法与装置属于污水处理领域。在第一SBR中运行强化生物除磷(EBPR)系统进行有机物和磷的同步去除；聚磷菌在厌氧段储存内碳源并释放磷酸盐，好氧段过量吸收磷酸盐。第一SBR的剩余污泥进入第二SBR进行碱性发酵，将发酵产物离心后进行磷回收处理，取上清液作为碳源投入第三SBR，第一SBR出水进入第三SBR运行短程硝化厌氧氨氧化(PNA)系统进行生物脱氮，在好氧段实现短程硝化，缺氧段利用系统中的氨氮和亚硝态氮进行厌氧氨氧化反应，同时实现深度生物脱氮。此方法缓解了短程硝化难以稳定的问题，实现城市污水碳氮磷同步去除，以及剩余污泥的减量化、资源化利用。

Description

基于A-B法利用污泥发酵强化主流厌氧氨氧化实现碳氮磷同 步去除的方法与装置
技术领域
本发明涉及一种基于吸附-降解(A-B)法利用污泥发酵强化主流厌氧氨氧化实现碳氮磷同步去除的方法与装置，属于城镇污水处理与污泥生化处理领域。本方法适用于低C/N城市生活污水的强化脱氮除磷。
背景技术
在我国，随着经济的发展、城市化不断推进以及人们生活水平的提高，生活用水量不断增大，我国水资源匮乏愈发严重，与此同时大量的污染物排入江湖海河造成了严重的水污染，其中氮磷元素造成的水体富营养化严重情况尤其突出，解决城镇污水脱氮除磷问题具有重大意义，同时，污水处理厂产生的大量剩余污泥如何让处理处置也是一大难题
生物脱氮除磷技术广泛应用于各大、小型城镇污水处理厂。传统的硝化反硝化工艺过程中曝气能耗过高，而且在反硝化中需投加外碳源，这也增加了污水处理的运行费用，弊端日益显著。厌氧氨氧化工艺是近年来备受关注的自养脱氮工艺，不仅节省外加碳源和曝气能耗，还减少污泥产量。短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺在处理高氨氮废水中得到了广泛应用，但在处理实际生活污水时一直存在一些瓶颈，如系统难以稳定维持。
在城市生活污水主流厌氧氨氧化研究中，吸附-降解(A-B)工艺备受关注，A段为强化生物除磷系统(EBPR)或高负荷活性污泥系统(HRAS)等，进行有机物和磷的去除，氨氮在此阶段不受影响，在B段基于厌氧氨氧化的工艺进行生物脱氮。此工艺在A段充分利用原水碳源，避免了有机物对B段的厌氧氨氧化菌的不利影响，在污水处理的同时还能实现能源回收再利用。
在A-B工艺中不免会产生剩余污泥，在污水处理中，近1/3的有机物会转化成污泥，剩余污泥厌氧发酵会产生大量短链脂肪酸，可作为生物脱氮的优质碳源，也能达到污泥减量的效果。在先前研究中，有研究人员将污泥发酵液投加到生物脱氮系统中，发现污泥发酵液对AOB和NOB的抑制效果不同(对NOB抑制更强)，成功实现了短程硝化获得了较高的亚硝积累率，因此投加污泥发酵液是一种有效实现短程硝化并为厌氧氨氧化提供底物的工程策略。若将A段的剩余污泥发酵液投加到B段，可利用污泥发酵液的上述特性来实现短程硝化并与厌氧氨氧化耦合，此外污泥发酵液中的优质碳源可为反硝化提供底物。
因城市生活污水碳源不足、剩余污泥产量较大且处理成本较高等问题，本方法基于A-B法利用污泥发酵强化主流厌氧氨氧化实现碳氮磷同步去除，利用了系统自身产生的剩余污泥，其优点在于不仅降低了运行费用、实现了污泥减量化，还大大提高了脱氮除磷效率。
发明内容
针对污水处理存在的问题和现有技术的不足，本发明提出了一种基于吸附-降解(A-B)法利用污泥发酵强化主流厌氧氨氧化实现碳氮磷同步去除的方法与装置。A段进行强化生物除磷，其中在厌氧段污水中的碳源储存在胞内并释放磷酸盐，好氧段过量吸收磷酸盐，最终产生的剩余污泥进行污泥碱性发酵，发酵得到的污泥发酵产物经过离心和磷回收处理后得到发酵液，与A段的出水共同泵入B段，发酵液使NOB受到抑制，有利于好氧段生成亚硝态氮，在缺氧段亚硝态氮与进水中的氨氮为厌氧氨氧化提供底物。厌氧氨氧化会生成部分硝态氮，此时可利用污泥发酵液中的优质碳源进行反硝化将其还原为氮气。通过上述过程达到深度脱氮除磷的目的。
本方案通过以下技术方案来实现
(Ⅰ)第一SBR的启动：第一SBR(1)中接种全程硝化污泥，进水为城市生活污水，以厌氧/好氧的运行方式驯化聚磷菌，厌氧搅拌30-60min后进行曝气，控制好氧时间45-90min，通过第一DO探头(1.4)实时在线监控DO浓度，将DO维持在0.5-3.0mg/L，在有机物的氧化和磷吸收反应结束，硝化反应开始前停止曝气，并采用较短的SRT(5-15天)，逐渐淘洗硝化细菌，使异养菌和聚磷菌占优势。当出水COD小于70mg/L，总磷小于0.5mg/L时，完成第一SBR中EBPR的启动。
(Ⅱ)第二SBR的启动：第二SBR(2)是半连续反应器，接种污泥为第一SBR(1)除有机物除磷后的剩余污泥，全程进行厌氧搅拌，温度控制在30±2℃，污泥停留时间为10-20天，控制pH为9-10，每天排出污泥发酵产物，并加入新鲜的等体积剩余污泥。
(Ⅲ)第三SBR的启动：第三SBR(3)中接种全程硝化污泥，通过第二蠕动泵(1.13)将第一SBR出水(1)从中间水箱(1.12)泵入第三SBR(3)，设定进水量为反应器有效容积的50％，排水比为50％。每天运行2-3个周期，每个周期包括进水，曝气，缺氧搅拌，沉淀，排水和闲置。曝气阶段通过第三DO探头(3.3)实时监测DO，维持DO在0.5-1.0mg/L。当好氧末亚硝积累率达80％以上，氨氮与亚硝的质量浓度之比在1:1-1:1.4，出水硝态氮浓度小于2mg/L时，完成第三SBR(3)中短程硝化的启动。。
(Ⅳ)短程硝化启动完成后，对第三SBR(3)接种厌氧氨氧化颗粒污泥，将发酵液储存罐(3.13)中的发酵液泵入第三SBR(3)，污泥发酵液的体积是进水体积的1/20。每周期依次进行进水，曝气，缺氧搅拌，沉淀，排水和闲置。排水比为50％，控制絮体污泥的污泥龄在20-50天。当出水总氮小于15mg/L时，第三SBR(3)启动完成。
(Ⅴ)以下为第二SBR(2)和第三SBR(3)的具体运行模式：
①第二SBR(2)接种污泥为第一SBR(1)除有机物除磷后的剩余污泥，全程进行厌氧搅拌，温度控制在30±2℃，污泥停留时间为10-20天，控制pH为9-10，每天排出污泥发酵产物。
②污泥发酵产物在离心机中经过离心后得到发酵上清液，并向其中投加MgCl2·6H2O和KH2PO4进行磷回收处理，使混合液中Mg：N摩尔比为1.5-2.0，P：N摩尔比为1.0-1.3，机械搅拌后以沉淀形式回收磷酸盐并取上清液置于发酵液储存罐(3.13)。
③每天将等体积的新鲜第一SBR(1)剩余污泥投入第二SBR(2)。
④第三SBR(3)每周期进水和进污泥发酵液的总量为有效容积的50％，中间水箱(1.12)中的EBPR出水通过第二蠕动泵(1.13)泵入第三SBR(3)，污泥发酵液通过第四蠕动泵(3.1)泵入第三SBR(3)。
⑤进水完毕后，开启第二气泵(3.9)，向第三SBR(3)提供氧气，通过第三DO探头(3.3)实时监测DO，维持DO在0.5-1.0mg/L，设定曝气时间3-5h且利用第三pH探头(3.4)检测pH，在氨谷点(pH最低值)前停止曝气，使反应器中达到良好的短程硝化的效果，将氨氮转化为亚硝。
⑥缺氧搅拌时间设定为2-4h。缺氧段厌氧氨氧化菌利用系统内的氨氮和亚硝进行厌氧氨氧化，同时通过反硝化将厌氧氨氧化产生的硝态氮去除，达到深度脱氮的目的。
⑦沉淀设定时间1-2h，泥水分离后进行排水，排水比为50％，出水进入出水水箱(3.11)。沉淀结束后进入闲置阶段。
附图说明
图1是本发明装置示意图。
图1中：1——第一SBR；2——第二SBR；3——第三SBR。其中，1.1——城市污水原水水箱；1.2——第一蠕动泵；1.3——第一搅拌器；1.4——第一DO探头；——第一pH探头；1.6——第一溢流口；1.7——第一排泥口；1.8——第一排水口；1.9——第一曝气头；1.10——第一气泵；1.11——第一气体流量计；1.12——中间水箱；1.13——第二蠕动泵；1.14——储泥罐；2.1——第三蠕动泵；2.2——第二搅拌器；2.3——第二DO探头；2.4——第二pH探头；2.5——温度控制器；2.6——第二溢流口；2.7——第二放空口；3.1——第四蠕动泵；3.2——第三搅拌器；3.3——第三DO探头；3.4——第三pH探头；3.5——第三溢流口；3.6——第三放空口；3.7——第三排水口；3.8——第二曝气头；3.9——第二气泵；3.10——第二气体流量计；3.11——出水水箱；3.12——排泥桶；3.13——发酵液储存罐。
图2是第一SBR中强化生物除磷(EBPR)系统的运行方式。
图3是第三SBR中短程硝化-厌氧氨氧化(PNA)系统的运行方式。
具体实施方式
结合附图和实例对本专利做详细说明：
如图1所示，本发明包括城市污水原水水箱(1.1)通过第一蠕动泵(1.2)进入第一SBR(1)。第一SBR中设有第一搅拌器(1.3)，第一DO探头(1.4)，第一pH探头(1.5)，第一溢流口(1.6)，第一排泥口(1.7)，第一排水口(1.8)，第一SBR(1)底部设有第一曝气头(1.9)，第一气泵(1.10)连接该曝气头(1.9)，并通过第一气体流量计(1.11)控制该曝气量，第一SBR(1)出水进入中间水箱(1.12)，通过第二蠕动泵(1.13)泵入第三SBR(3)，剩余污泥通过第一排泥口(1.7)进入储泥罐(1.14)，污泥通过第三蠕动泵(2.1)泵入第二SBR(2)，第二SBR(2)中安装第二搅拌器(2.2)，第二DO探头(2.3)，第二pH探头(2.4)，温度控制器(2.5)，第二溢流口(2.6)，第二放空口(2.7)，第二SBR(2)密封并且外部缠有加热带，通过温度控制器(2.5)控制温度，污泥发酵产物经离心后进行磷回收处理，取上清液置于发酵液储存罐(3.13)，发酵液储存罐(3.13)通过第四蠕动泵(3.1)与第三SBR(3)连接。第三SBR(3)中设有第三搅拌器(3.2)，第三DO探头(3.3)，第三pH探头(3.4)，第三溢流口(3.5)，第三放空口(3.6)，第三排水口(3.7)，底部设有第二曝气头(3.8)，第二气泵(3.9)连接该曝气头，并通过第二气体流量计(3.10)控制该曝气量。第三SBR(3)出水进入出水水箱(3.11)，排出的污泥进入排泥桶(3.12)。
具体实施实验中的城市生活污水取自北京市某家属区化粪池，其中COD为160-220mg/L，氨氮浓度为40-70mg/L，亚硝态氮和硝态氮浓度都小于1mg/L，总磷浓度为3-6mg/L。
一种基于吸附-降解(A-B)法利用污泥发酵强化主流厌氧氨氧化实现碳氮磷同步去除的方法，主要包括以下步骤：
(Ⅰ)第一SBR的启动：第一SBR(1)中接种全程硝化污泥，进水为城市生活污水，以厌氧/好氧的运行方式驯化聚磷菌，厌氧搅拌30-60min后进行曝气，控制好氧时间45-90min，通过第一DO探头(1.4)实时在线监控DO浓度，将DO维持在0.5-3.0mg/L，在有机物的氧化和磷吸收反应结束，硝化反应开始前停止曝气，并采用较短的SRT(5-15天)，逐渐淘洗硝化细菌，使异养菌和聚磷菌占优势。当出水COD小于70mg/L，总磷小于0.5mg/L时，完成第一SBR中EBPR的启动。
(Ⅱ)第二SBR的启动：第二SBR(2)是半连续反应器，接种污泥为第一SBR(1)除有机物除磷后的剩余污泥，全程进行厌氧搅拌，温度控制在30±2℃，污泥停留时间为10-20天，控制pH为9-10，每天排出污泥发酵产物，并加入新鲜的等体积剩余污泥。
(Ⅲ)第三SBR的启动：第三SBR(3)中接种全程硝化污泥，通过第二蠕动泵(1.13)将第一SBR(1)出水从中间水箱(1.12)泵入第三SBR(3)，设定进水量为反应器有效容积的50％，排水比为50％。每天运行2-3个周期，每个周期包括进水，曝气，缺氧搅拌，沉淀，排水和闲置。曝气阶段通过第三DO探头(3.3)实时监测DO，维持DO在0.5-1.0mg/L。当好氧末亚硝积累率达80％以上，氨氮与亚硝的质量浓度之比在1:1-1:1.4，出水硝态氮浓度小于2mg/L时，完成第三SBR(3)中短程硝化的启动。
(Ⅳ)短程硝化启动完成后，对第三SBR(3)接种厌氧氨氧化颗粒污泥，将发酵液储存罐(3.13)中的发酵液泵入第三SBR(3)，污泥发酵液的体积是进水体积的1/20。每周期依次进行进水，曝气，缺氧搅拌，沉淀，排水和闲置。排水比为50％，控制絮体污泥的污泥龄在20-50天。当出水总氮小于15mg/L时，第三SBR(3)启动完成。
(Ⅴ)以下为第二SBR(2)和第三SBR(3)的具体运行模式：
①第二SBR(2)接种污泥为第一SBR(1)除有机物除磷后的剩余污泥，全程进行厌氧搅拌，温度控制在30±2℃，污泥停留时间为10-20天，控制pH为9-10，每天排出污泥发酵产物。
②污泥发酵产物在离心机中经过离心后得到发酵上清液，并向其中投加MgCl2·6H2O和KH2PO4进行磷回收处理，使混合液中Mg：N摩尔比为1.5-2.0，P：N摩尔比为1.0-1.3，机械搅拌后以沉淀形式回收磷酸盐并取上清液置于发酵液储存罐(3.13)。
③每天将等体积的新鲜的第一SBR(1)剩余污泥投入第二SBR(2)。
④第三SBR(3)每周期进水和进污泥发酵液的总量为有效容积的50％，中间水箱(1.12)中的EBPR出水通过第二蠕动泵(1.13)泵入第三SBR(3)，污泥发酵液通过第四蠕动泵(3.1)泵入第三SBR(3)。
⑤进水完毕后，开启第二气泵(3.9)，向第三SBR(3)提供氧气，通过第三DO探头(3.3)实时监测DO，维持DO在0.5-1.0mg/L，设定曝气时间3-5h且利用第三pH探头(3.4)检测pH，在氨谷点(pH最低值)前停止曝气，使反应器中达到良好的短程硝化的效果，将氨氮转化为亚硝。
⑥缺氧搅拌时间设定为2-4h。缺氧段厌氧氨氧化菌利用系统内的氨氮和亚硝进行厌氧氨氧化，同时通过反硝化将厌氧氨氧化产生的硝态氮去除，达到深度脱氮的目的。
⑦沉淀设定时间1-2h，泥水分离后进行排水，排水比为50％，出水进入出水水箱(3.11)。沉淀结束后进入闲置阶段。
反应器运行稳定后实验结果显示：出水可达到国家一级A排放标准。出水总氮浓度小于10mg/L，氨氮浓度小于5mg/L，总磷浓度小于0.5mg/L，COD小于50mg/L。实现了城镇污水碳氮磷的同步去除以及污泥减量化。

Claims (1)

1.基于A-B法利用污泥发酵强化主流厌氧氨氧化实现碳氮磷同步去除的方法，其特征在于：该方法所用装置包括城市污水原水水箱（1.1）通过第一蠕动泵（1.2）进入第一SBR（1）；第一SBR中设有第一搅拌器（1.3），第一DO探头（1.4），第一pH探头（1.5），第一溢流口（1.6），第一排泥口（1.7），第一排水口（1.8），第一SBR（1）底部设有第一曝气头（1.9），第一气泵（1.10）连接该曝气头（1.9），并通过第一气体流量计（1.11）控制曝气量，第一SBR（1）出水进入中间水箱（1.12），通过第二蠕动泵（1.13）泵入第三SBR（3），剩余污泥通过第一排泥口（1.7）进入储泥罐（1.14），污泥通过第三蠕动泵（2.1）泵入第二SBR（2），第二SBR（2）中安装第二搅拌器（2.2），第二DO探头（2.3），第二pH探头（2.4），温度控制器（2.5），第二溢流口（2.6），第二放空口（2.7），第二SBR（2）密封并且外部缠有加热带，通过温度控制器（2.5）控制温度，污泥发酵产物经离心后进行磷回收处理，取上清液置于发酵液储存罐（3.13），发酵液储存罐（3.13）通过第四蠕动泵（3.1）与第三SBR（3）连接；第三SBR（3）中设有第三搅拌器（3.2），第三DO探头（3.3），第三pH探头（3.4），第三溢流口（3.5），第三放空口（3.6），第三排水口（3.7），底部设有第二曝气头（3.8），第二气泵（3.9）连接该曝气头，并通过第二气体流量计（3.10）控制曝气量；第三SBR（3）出水进入出水水箱（3.11），排出的污泥进入排泥桶（3.12）；
包括以下步骤：
（Ⅰ）第一SBR的启动：第一SBR（1）中接种全程硝化污泥，进水为城市生活污水，以厌氧/好氧的运行方式驯化聚磷菌，厌氧搅拌30-60 min后进行曝气，控制好氧时间45-90 min，通过第一DO探头（1.4）实时在线监控DO浓度，将DO 浓度维持在 0.5-3.0 mg/L，在有机物的氧化和磷吸收反应结束，硝化反应开始前停止曝气，并采用5-15天的 SRT，逐渐淘洗硝化细菌，使异养菌和聚磷菌占优势；当出水COD小于70 mg/L，总磷的小于 0.5 mg/L时，完成第一SBR中EBPR的启动；
（Ⅱ）第二SBR的启动：第二SBR（2）是半连续反应器，接种污泥为第一SBR（1）除有机物除磷后的剩余污泥，全程进行厌氧搅拌，温度控制在30±2 ℃，污泥停留时间为10-20天，控制pH为 9-10，每天排出污泥发酵产物，并加入新鲜的等体积剩余污泥；
（Ⅲ）第三SBR的启动：第三SBR（3）中接种全程硝化污泥，通过第二蠕动泵（1.13）将第一SBR（1）出水从中间水箱（1.12）泵入第三SBR（3），设定进水量为反应器有效容积的50%，排水比为50%；每天运行2-3个周期，每个周期包括进水，曝气，缺氧搅拌，沉淀，排水和闲置；曝气阶段通过第三DO探头（3.3）实时监测DO，维持DO在0.5-1.0 mg/L；当好氧末亚硝积累率达80%以上，氨氮与亚硝的质量浓度之比在1:1-1:1.4，出水硝态氮浓度小于2 mg/L时，完成第三SBR（3）中短程硝化的启动；
（Ⅳ）短程硝化启动完成后，对第三SBR（3）接种厌氧氨氧化颗粒污泥，将发酵液储存罐（3.13）中的发酵液泵入第三SBR（3），污泥发酵液的体积是进水体积的1/20；每周期依次进行进水，曝气，缺氧搅拌，沉淀，排水和闲置；排水比为50%，控制絮体污泥的污泥龄在20-50天；当出水总氮浓度小于15mg/L时，第三SBR（3）启动完成；
（Ⅴ）以下为第二SBR（2）和第三SBR（3）的具体运行模式：
第二SBR（2）接种污泥为第一SBR（1）除有机物除磷后的剩余污泥，全程进行厌氧搅拌，温度控制在30±2 ℃，污泥停留时间为10-20天，控制pH为 9-10，每天排出污泥发酵产物；
污泥发酵产物在离心机中经过离心后得到发酵上清液，并向其中投加MgCl2·6H2O和KH2PO4进行磷回收处理，使混合液中Mg：N摩尔比为1.5-2.0，P：N摩尔比为1.0-1.3，机械搅拌后以沉淀形式回收磷酸盐并取上清液置于发酵液储存罐（3.13）；
每天将等体积的新鲜的第一SBR（1）剩余污泥投入第二SBR（2）；
第三SBR（3）每周期进水和进污泥发酵液的总量为有效容积的50%，中间水箱（1.12）中的EBPR出水通过第二蠕动泵（1.13）泵入第三SBR（3），污泥发酵液通过第四蠕动泵（3.1）泵入第三SBR（3）；
进水完毕后，开启第二气泵（3.9），向第三SBR（3）提供氧气，通过第三DO探头（3.3）实时监测DO浓度，维持DO浓度在0.5-1.0 mg/L，设定曝气时间3-5h且利用第三pH探头（3.4）检测pH，在氨谷点前停止曝气；
缺氧搅拌时间设定为2-4 h；缺氧段厌氧氨氧化菌利用系统内的氨氮和亚硝进行厌氧氨氧化，同时通过反硝化将厌氧氨氧化产生的硝态氮去除；
沉淀设定时间1-2 h，泥水分离后进行排水，排水比为50%，出水进入出水水箱（3.11）；沉淀结束后进入闲置阶段。
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