CN114772724B - 污泥发酵联合pn/a技术强化城市污水碳捕获的工艺 - Google Patents
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Abstract
污泥发酵联合PN/A技术强化城市污水碳捕获及剩余污泥减量与资源化利用的工艺与装置，属于城市污水处理与污泥资源化利用领域。生活污水进入HRCS反应器的接触区进行厌氧搅拌，沉淀池回流污泥通过回流管至稳定区进行曝气，排泥进入污泥发酵罐，污泥发酵混合物作为碳源至稳定区，污泥处于“饱食‑饥饿”的选择压有利于微生物吸附和贮存有机物。沉淀池上清液进入A/O自养脱氮反应器，在缺氧区通过厌氧氨氧化反应将氨氮和亚硝态氮去除、异养反硝化菌利用碳源将硝态氮去除；随后在好氧区进行PN/A反应。此发明不仅能够回收生活污水中的碳源实现碳捕获及污泥减量，而且能够更好地发挥自养脱氮的作用，具有资源再生利用和节能降耗等特点。
Description
技术领域
本发明属于环境工程城市污水处理与污泥资源化利用领域，特别是涉及一种污泥发酵联合PN/A技术强化城市污水碳捕获及剩余污泥减量与资源化利用的运行方法。
背景技术
在污水处理工艺中，AB工艺作为抗冲击负荷能力较强的污水处理工艺，与传统活性污泥法相比，AB工艺具有体积小、污水处理设备简易、拥有独特的适应各阶段要求的微生物、抗冲击负荷、抗毒性能力强等优点。AB工艺分为A段(吸附段)和B段(生物降解段)，城市污水由排水管网经格栅和沉砂池后直接流入A段，经过污泥的絮凝吸附作用后沉降流入B段进行生物降解。但是由于AB工艺主要以处理污水中的有机物为主，不能够适应脱氮的要求。对于新型脱氮工艺，短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺(PN/A)具有无需外加碳源物质、抗冲击负荷高、剩余污泥产量低等优点，在污水脱氮领域具有广阔的应用前景。但是PN/A也存在一定的弊端，如果污水里存在有机物会对厌氧氨氧化过程造成干扰。因此结合两种工艺的优点，A段可以有效降低污水中有机物浓度，并且吸附后的高负荷活性污泥中含有大量珍贵的可生物降解塑料PHAs可以进一步回收利用，并为后续PN/A自养脱氮提供了有利的环境条件，这种运行方式可以提高出水水质，有利于剩余污泥的资源化利用，使两种工艺在污水处理领域中发挥更大的优势。
对于A段，与传统的HRAS工艺相比，HRCS工艺采用“饱食-饥饿”的策略，有利于微生物吸附絮凝和贮存有机物，该工艺将高负荷率和短SRT相结合可进一步提高有机物回收率。在污泥絮体的胞外聚合物(EPS)水平上发生的生物絮凝，更受松散结合的EPS(LB-EPS)的影响，而不是紧密结合的EPS(TB-EPS)的影响。有机碳的储存主要以聚羟基丁酸酯(PHB)的形式存在。HRCS工艺能够充分利用活性污泥的初期去除有机物的能力，接触区时间很短，主要通过生物絮凝和胞内贮存物氧化去除污染物质并产生大量污泥，而后污泥进入稳定区再生。从内源有机碳源角度来说，尽可能减少了进水中碳源无目的地被直接氧化，将节省下来的碳源转移到增量的污泥中用于厌氧发酵产能。即COD由传统的污染物降解途径转向资源化能源化利用途径，在降低A段曝气能耗的同时实现能量自给。HRCS工艺碳捕获效率较高、污泥增量特性较好且COD氧化矿化水平较低，实现“开源”和“节流”并举，与厌氧氨氧化等进行AB段联用处理市政污水，可在保证污染物去除达标的基础上实现能源回收和碳源中和。
对于B段，与传统的生物脱氮相比，厌氧氨氧化细菌在缺氧条件下利用亚硝酸盐作为电子受体，氨氮作为电子供体产生氮气，无需碳源。显著降低了能源消耗，碳源需求和污泥产量。再将其与短程硝化相结合，能使曝气能耗减少60％，节省100％的有机碳源，减少90％的污泥产量。
本工艺旨在连续流工艺中实现对生活污水的碳捕获和深度脱氮；同时将剩余污泥厌氧发酵处理后用于主流系统中，实现碳源自给自足，污泥最大减量；将发酵产气进一步回收利用，实现能源自给自足。A段可以捕获大部分有机物，尽可能减少有机物对B段自养脱氮产生不利影响，B段利用短程硝化、异养反硝化耦合厌氧氨氧化工艺进行深度脱氮。两段污泥处于各自独立的系统中，互不干扰，可以最大化发挥各自的活性。
发明内容
本发明的目的在于为城市污水脱氮除碳提供一种HRCS-PN/A的工艺运行方法与装置。该装置中，城市污水首先由污水原水箱进入HRCS连续流反应器中，该反应器中的微生物吸附絮凝城市污水和污泥发酵混合物中的有机物并合成大量PHAs等聚合体储存在微生物体内；而后出水通过第一沉淀池进入A/O自养脱氮反应器中，Anammox菌利用NH4 +-N和NO2 --N进行自养脱氮，异养反硝化菌利用水中的碳源除去厌氧氨氧化反应产生的少量硝态氮；短程硝化污泥中NOB难以富集，NH4 +-N被AOB短程硝化为NO2 --N。此发明能够有效对城市污水中的碳源进行捕捉，且能够实现对城市污水的深度脱氮。
污泥发酵联合PN/A技术强化城市污水碳捕获及剩余污泥减量与资源化利用的工艺与装置，其特征在于：
设置一种污泥发酵联合PN/A技术强化城市污水碳捕获及剩余污泥减量与资源化利用的装置，该装置包括污水原水箱(1)、HRCS连续流反应器(2)、第一沉淀池(3)、A/O自养脱氮反应器(4)、第二沉淀池(5)、污泥发酵罐(6)，污水原水箱(1)设有溢流阀(1.1)、放空阀(1.2)和排水阀(1.3)；HRCS连续流反应器(2)由开孔隔板分为三个区域，沿进水方向依次为一个接触区(2.7)和两个稳定区(2.8)，每个格室均设有第一搅拌器(2.1)，稳定区以好氧曝气方式运行，设有第一出水阀(2.2)，曝气装置和第一DO探测仪(2.3)，曝气装置由第一空气压缩机(2.4)、第一气体流量计(2.5)和第一曝气盘(2.6)组成；污水原水箱由进水泵(1.4)与接触区(2.7)相连，接触区(2.7)以缺氧搅拌方式运行，出水进入第一沉淀池(3)，底部污泥通过第一污泥回流泵(3.2)回流至稳定区(2.8)，排泥通过排泥泵(3.1)进入污泥发酵罐(6)；A/O自养脱氮反应器(4)由开孔隔板分成四个区域，沿进水方向依次为两个缺氧区(4.7)和两个好氧区(4.8)，每个格室均设有第二搅拌器(4.1)，好氧区(4.8)设有第二出水阀(4.3)，曝气装置和第二DO探测仪(4.2)，曝气装置由第二空气压缩机(4.4)、第二气体流量计(4.5)和第二曝气盘(4.6)组成；第一沉淀池(3)上清液进入A/O自养脱氮反应器(4)，依次经过缺氧区(4.7)和好氧区(4.8)后出水进入第二沉淀池(5)，底部污泥通过第二污泥回流泵(5.1)回流至第一个缺氧区(4.7)；污泥发酵罐(6)设有第三搅拌器(6.1)、pH探测仪(6.2)和加药口(6.3)，通过连续投加装置(6.4)将污泥发酵混合物投加到第一个稳定区(2.8)。A段包括HRCS连续流反应器(2)和第一沉淀池(3)；B段包括A/O自养脱氮反应器(4)和第二沉淀池(5)。
所述装置实现对城市污水脱氮除碳及污泥减量与资源化利用的具体启动与调控步骤如下：
1)系统启动阶段：
向HRCS连续流反应器投加经污水冲洗筛选出的污泥龄为2d，有机负荷为1-4kgCOD/(kgVSS·d)的高负荷活性污泥，控制污泥浓度MLSS为3000-4000mg/L。以实际生活污水为处理对象，第一沉淀池流入稳定区的污泥回流比R1为100％，接触区为厌氧状态，HRT为20-40min，稳定区溶解氧控制在1.5-2mg/L，HRT为40-80min，每天向污泥发酵罐排入剩余污泥，控制HRCS连续流反应器的污泥停留时间SRT在2-4d；向A/O自养脱氮反应器投加短程硝化絮体污泥，在缺氧区投加厌氧氨氧化挂膜固定填料(填充比为25％)，使反应器内絮体污泥浓度MLSS维持在3000-4000mg/L，污泥回流比R3为100％，水力停留时间HRT控制在12-16h，污泥停留时间在50-60d。
HRCS连续流反应器利用好氧动态补偿的方法：向稳定区投加侧流污泥发酵混合物，在碳源交替充足和缺乏的状态下，增殖速度快的菌落处于“饱食-饥饿”选择压的状态下，有利于吸附絮凝贮存有机物。
污泥发酵罐在严格密闭条件下厌氧搅拌，污泥来源为第一沉淀池排出的污泥，每天运行一个周期，包括进泥1h，排泥1h，污泥发酵混合物回流比R2为50％，每个周期开始通过投加氢氧化钠保持pH为9-10。启动时辅助投加污水厂剩余污泥，且系统不排泥，快速提高污泥浓度，当发酵罐内污泥浓度为5000-6000mg/L时，依靠系统自身剩余污泥进行发酵，污泥龄控制在10-20d。
2)正式运行阶段：
生活污水由污水原水箱进入HRCS连续流反应器的接触区，随后进入第一沉淀池，回流污泥至稳定区的回流比R1为100％，剩余污泥排入污泥发酵罐，污泥发酵后的污泥发酵混合物回流至稳定区的回流比R2为50％；第一沉淀池上清液出水进入A/O自养脱氮反应器，先后经过缺氧区和好氧区，随后进入第二沉淀池，回流污泥至缺氧区的回流比R3为100％。
HRCS连续流反应器：接触区水力停留时间为20-40min，厌氧状态；稳定区水力停留时间为40-80min，溶解氧控制在1.5-2mg/L，系统污泥龄控制在2-4d，污泥浓度MLSS在3000-4000mg/L。
A/O自养脱氮反应器：缺氧区厌氧氨氧化挂膜固定填料填充比为20％-25％，水力停留时间控制在12-16h，缺氧区和好氧区水力停留时间一致，均为6-8h，污泥停留时间在50-60d，污泥浓度3000-4000mg/L，好氧区溶解氧控制在1.0-2.0mg/L。
污泥发酵罐：采用间歇运行模式，每个周期开始通过投加氢氧化钠保持pH为9-10，每天进泥1h，排泥1h，污泥发酵混合物回流比R2为50％，辅助投加剩余污泥使污泥浓度维持在5000-6000mg/L，污泥龄控制在10-20d。
本发明具有以下优势：
(1)A段污泥处于“饱食-饥饿”的选择压力有利于微生物吸附和贮存有机物，可实现对有机物的快速捕捉和吸附进食，强化有机物捕获能力。
(2)剩余污泥在侧流发酵后将污泥发酵混合物投加到稳定区中，提高C/N比，有利于微生物吸附絮凝贮存有机物，减少有机碳源不必要的损失；厌氧发酵产沼气回收利用可实现能源自足；厌氧发酵产生的短链脂肪酸即可作为碳源用于PHAs的生产，进而合成生物塑料、生物柴油等有利用价值的产品。
(3)氨氮通过A/O自养脱氮反应器中的氨氧化细菌AOB氧化为NO2 --N，再进一步被Anammox菌通过厌氧氨氧化作用去除，可节省曝气量；异养反硝化去除厌氧氨氧化产生的硝态氮，进一步降低总氮，实现深度脱氮。
(4)该工艺创造了周期性的外源底物“充足-缺乏”的循环环境，打破了污泥微生物对底物吸收和细胞增长之间的平衡。长期在这种不平衡增长条件的驯化下，微生物将在外源底物充足的接触段超量且快速的吸收底物，而非传统活性污泥工艺一般以COD氧化和生物量合成作为主要的底物利用途径。这些底物将被转化为胞内聚合物贮存，当环境营养源匮乏时作为底物降解以持续提供碳源和能源，与生物除磷过程类似。
附图说明
图1为污泥发酵联合PN/A技术强化城市污水碳捕获及剩余污泥减量与资源化利用的装置。
1表示污水原水箱，2表示HRCS连续流反应器，3表示第一沉淀池，4表示A/O自养脱氮反应器，5表示第二沉淀池，6表示污泥发酵罐，1.1表示溢流阀，1.2表示放空阀，1.3表示排水阀，1.4表示进水泵，2.1表示第一搅拌器，2.2表示第一出水阀，2.3表示第一DO探测仪，2.4表示第一空气压缩机，2.5表示第一气体流量计，2.6表示第一曝气盘，2.7表示接触区，2.8表示稳定区，3.1和表示排泥泵，3.2表示第一污泥回流泵，4.1表示第二搅拌器，4.2表示第二DO探测仪，4.3表示第二出水阀，4.4表示第二空气压缩机，4.5表示第二气体流量计，4.6表示第二曝气盘，4.7表示缺氧区，4.8表示好氧区，5.1表示第二污泥回流泵，6.1表示第三搅拌器，6.2表示pH探测仪，6.3表示加药口，6.4表示连续投加装置。
具体实施方式：
下面结合附图和实施对本发明做进一步说明：该装置包括污水原水箱(1)、HRCS连续流反应器(2)、第一沉淀池(3)、A/O自养脱氮反应器(4)、第二沉淀池(5)、污泥发酵罐(6)，污水原水箱(1)设有溢流阀(1.1)、放空阀(1.2)和排水阀(1.3)；HRCS连续流反应器(2)由开孔隔板分为三个区域，沿进水方向依次为一个接触区(2.7)和两个稳定区(2.8)，每个格室均设有第一搅拌器(2.1)，稳定区设有以好氧曝气方式运行，设有第一出水阀(2.2)，曝气装置和第一DO探测仪(2.3)，曝气装置由第一空气压缩机(2.4)、第一气体流量计(2.5)和第一曝气盘(2.6)组成；污水原水箱由进水泵(1.4)与接触区(2.7)相连，接触区(2.7)以缺氧搅拌方式运行，出水进入第一沉淀池(3)，底部污泥通过第一污泥回流泵(3.2)回流至稳定区(2.8)，排泥通过排泥泵(3.1)进入污泥发酵罐(6)；A/O自养脱氮反应器(4)由开孔隔板分成四个区域，沿进水方向依次为两个缺氧区(4.7)和两个好氧区(4.8)，每个格室均设有第二搅拌器(4.1)，好氧区(4.8)设有第二出水阀(4.3)，曝气装置和第二DO探测仪(4.2)，曝气装置由第二空气压缩机(4.4)、第二气体流量计(4.5)和第二曝气盘(4.6)组成；第一沉淀池(3)上清液进入A/O自养脱氮反应器(4)，依次经过缺氧区(4.7)和好氧区(4.8)后出水进入第二沉淀池(5)，底部污泥通过第二污泥回流泵(5.1)回流至第一个缺氧区(4.7)；污泥发酵罐(6)设有第三搅拌器(6.1)、pH探测仪(6.2)和加药口(6.3)，通过连续投加装置(6.4)将污泥发酵混合物投加到第一个稳定区(2.8)。A段包括HRCS连续流反应器(2)和第一沉淀池(3)；B段包括A/O自养脱氮反应器(4)和第二沉淀池(5)。
碱性厌氧污泥发酵物储存罐运行期间具体水质如下：COD为3000-4000mg/L，NH4 +-N为300-400mg/L，NO3 -≤2mg/L，NO2 -≤0.5mg/L。试验系统如图1所示，污泥发酵罐有效容积10L，HRCS连续流反应器有效容积30L，A/O自养脱氮反应器有效容积60L，均采用有机玻璃制成。
具体操作如下：
1)系统启动阶段：
向HRCS连续流反应器投加经污水冲洗筛选出的污泥龄为2d，有机负荷为1-4kgCOD/(kgVSS·d)的高负荷活性污泥，控制污泥浓度MLSS为3000-4000mg/L。以实际生活污水为处理对象，第一沉淀池流入稳定区的污泥回流比R1为100％，接触区为厌氧状态，HRT为20-40min，稳定区溶解氧控制在1.5-2mg/L，HRT为40-80min，每天向污泥发酵罐排入剩余污泥，控制HRCS连续流反应器的污泥停留时间SRT在2-4d；向A/O自养脱氮反应器投加短程硝化絮体污泥，在缺氧区投加厌氧氨氧化挂膜固定填料(填充比为25％)，使反应器内絮体污泥浓度MLSS维持在3000-4000mg/L，污泥回流比R3为100％，水力停留时间HRT控制在12-16h，污泥停留时间在50-60d。
HRCS连续流反应器利用好氧动态补偿的方法：向稳定区投加侧流污泥发酵混合物，在碳源交替充足和缺乏的状态下，增殖速度快的菌落处于“饱食-饥饿”选择压的状态下，有利于吸附絮凝贮存有机物。
污泥发酵罐在严格密闭条件下厌氧搅拌，污泥来源为第一沉淀池排出的污泥，每天运行一个周期，包括进泥1h，排泥1h，污泥发酵混合物回流比R2为50％，每个周期开始通过投加氢氧化钠保持pH为9-10。启动时辅助投加污水厂剩余污泥，且系统不排泥，快速提高污泥浓度，当发酵罐内污泥浓度为5000-6000mg/L时，依靠系统自身剩余污泥进行发酵，污泥龄控制在10-20d。
2)正式运行阶段：
生活污水由污水原水箱进入HRCS连续流反应器的接触区，随后进入第一沉淀池，回流污泥至稳定区的回流比R1为100％，剩余污泥排入污泥发酵罐，污泥发酵后的污泥发酵混合物回流至稳定区的回流比R2为50％；第一沉淀池上清液出水进入A/O自养脱氮反应器，先后经过缺氧区和好氧区，随后进入第二沉淀池，回流污泥至缺氧区的回流比R3为100％。
HRCS连续流反应器：接触区水力停留时间为20-40min，厌氧状态；稳定区水力停留时间为40-80min，溶解氧控制在1.5-2mg/L，系统污泥龄控制在2-4d，污泥浓度MLSS在3000-4000mg/L。
A/O自养脱氮反应器：缺氧区厌氧氨氧化挂膜固定填料填充比为20％-25％，水力停留时间控制在12-16h，缺氧区和好氧区水力停留时间一致，均为6-8h，污泥停留时间在50-60d，污泥浓度3000-4000mg/L，好氧区溶解氧控制在1.0-2.0mg/L。
污泥发酵罐：采用间歇运行模式，每个周期开始通过投加氢氧化钠保持pH为9-10，每天进泥1h，排泥1h，污泥发酵混合物回流比R2为50％，辅助投加剩余污泥使污泥浓度维持在5000-6000mg/L，污泥龄控制在10-20d。
试验结果表明：运行稳定后，城市生活污水通过HRCS连续流反应器后COD去除率在50％-70％，系统出水COD小于50mg/L，NH4 +-N低于5mg/L，总氮低于10mg/L，出水COD、NH4 +-N、TN等技术指标均稳定达到国家一级A排放标准。
以上是本发明的具体实施例，便于该技术领域的技术人员能更好的理解和应用本发明，本发明的实施不限于此，因此该技术领域的技术人员对本发明所做的简单改进都在本发明的范围之内。
Claims (1)
1.污泥发酵联合PN/A技术强化城市污水碳捕获的工艺，其特征在于：
设置一种污泥发酵联合PN/A技术强化城市污水碳捕获及剩余污泥减量与资源化利用的装置，该装置包括污水原水箱（1）、HRCS连续流反应器（2）、第一沉淀池（3）、A/O自养脱氮反应器（4）、第二沉淀池（5）、污泥发酵罐（6），污水原水箱（1）设有溢流阀（1.1）、放空阀（1.2）和排水阀（1.3）；HRCS连续流反应器（2）由开孔隔板分为三个区域，沿进水方向依次为一个接触区（2.7）和两个稳定区（2.8），每个格室均设有第一搅拌器（2.1），稳定区以好氧曝气方式运行，设有第一出水阀（2.2），曝气装置和第一DO探测仪（2.3），曝气装置由第一空气压缩机（2.4）、第一气体流量计（2.5）和第一曝气盘（2.6）组成；污水原水箱由进水泵（1.4）与接触区（2.7）相连，接触区（2.7）以缺氧搅拌方式运行，出水进入第一沉淀池（3），底部污泥通过第一污泥回流泵（3.2）回流至稳定区（2.8），排泥通过排泥泵（3.1）进入污泥发酵罐（6）；A/O自养脱氮反应器（4）由开孔隔板分成四个区域，沿进水方向依次为两个缺氧区（4.7）和两个好氧区（4.8），每个格室均设有第二搅拌器（4.1），好氧区（4.8）设有第二出水阀（4.3），曝气装置和第二DO探测仪（4.2），曝气装置由第二空气压缩机（4.4）、第二气体流量计（4.5）和第二曝气盘（4.6）组成；第一沉淀池（3）上清液进入A/O自养脱氮反应器（4），依次经过缺氧区（4.7）和好氧区（4.8）后出水进入第二沉淀池（5），底部污泥通过第二污泥回流泵（5.1）回流至第一个缺氧区（4.7）；污泥发酵罐（6）设有第三搅拌器（6.1）、pH探测仪（6.2）和加药口（6.3），通过连续投加装置（6.4）将污泥发酵混合物投加到第一个稳定区（2.8）；A段包括HRCS连续流反应器（2）和第一沉淀池（3）；B段包括A/O自养脱氮反应器（4）和第二沉淀池（5）；
具体启动与调控步骤如下：
1）系统启动阶段：
向HRCS连续流反应器投加经污水冲洗筛选出的污泥龄为2d，有机负荷为1-4kgCOD/（kgVSS·d）的高负荷活性污泥，控制污泥浓度MLSS为3000-4000mg/L；向A/O自养脱氮反应器投加短程硝化絮体污泥，在缺氧区投加厌氧氨氧化挂膜固定填料，使反应器内絮体污泥浓度MLSS维持在3000-4000mg/L；污泥发酵罐在严格密闭条件下厌氧搅拌，启动时辅助投加污水厂剩余污泥，且系统不排泥，提高污泥浓度，当发酵罐内污泥浓度处于5000-6000mg/L时，依靠系统自身剩余污泥进行发酵；
2）正式运行阶段：
生活污水由污水原水箱进入HRCS连续流反应器的接触区，随后进入第一沉淀池，回流污泥至稳定区的回流比R1为100％，剩余污泥排入污泥发酵罐，污泥发酵后的污泥发酵混合物回流至稳定区的回流比R2为50％；第一沉淀池上清液出水进入A/O自养脱氮反应器，先后经过缺氧区和好氧区，随后进入第二沉淀池，回流污泥至缺氧区的回流比R3为100％；
HRCS连续流反应器：接触区水力停留时间为20-40min，厌氧状态；稳定区水力停留时间为40-80min，溶解氧控制在1.5-2mg/L，系统污泥龄控制在2-4d，污泥浓度MLSS在3000-4000mg/L；
A/O自养脱氮反应器：缺氧区厌氧氨氧化挂膜固定填料填充比为20％-25％，水力停留时间控制在12-16h，缺氧区和好氧区水力停留时间一致，均为6-8h，污泥停留时间在50-60d，污泥浓度3000-4000mg/L，好氧区溶解氧控制在1.0-2.0mg/L；
污泥发酵罐：采用间歇运行模式，每个周期开始通过投加氢氧化钠保持pH为9-10，每天进泥1h，排泥1h，污泥发酵混合物回流比R2为50％，投加第一沉淀池剩余污泥使污泥浓度维持在5000-6000mg/L，污泥龄控制在10-20d。
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