CN115403150A - 一种利用ifas-sbr处理低碳氮比城市污水的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用IFAS‑SBR处理低碳氮比城市污水的装置及方法，属于污水生物处理领域。所述方法包括以下步骤：(1)IFAS‑SBR工艺的启动，按照顶部进水‑厌氧搅拌‑好氧曝气‑缺氧搅拌‑沉淀‑排水‑闲置七个阶段序批式运行，20天工艺启动成功；(2)同步硝化内源反硝化除磷工艺的运行，首先通过顶部进水和厌氧搅拌强化PAOs和GAOs内碳源贮存，同时PAOs厌氧释磷；其次进行好氧曝气，通过生物膜形成的微环境，实现同步硝化内源反硝化及PAOs好氧过量吸磷；最后缺氧段DNPAOs和DNGAOs利用亚氮和硝氮为电子受体进行反硝化除磷和内源反硝化。该方法培养的泥膜混合系统更加稳定，该工艺可在无需外碳源的情况下，在一个系统内实现低C/N比城市污水的深度脱氮除磷，可用于工艺改造或者建筑面积紧凑的污水处理设施建设。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用活性污泥生物膜混合序批式反应器实现同步硝化内源反硝化除磷处理低碳氮比城市污水的装置及方法，属于污水生物处理技术领域
背景技术
由于传统污水处理技术存在一定的短板与不足。因此，需要研究新型污水处理工艺来解决好相关问题。
城市污水普遍特点就是碳氮比较低，可利用碳源有限。而传统脱氮除磷过程受制于运行方式、运行成本等存在多方面的问题：(1)尽管可以实现脱氮，但是不可避免导致出水总氮浓度过高，而且缺氧区投加外碳源的方式加大了运行成本；(2)仅仅依靠PAOs(或反硝化菌)难以实现在厌氧段(或缺氧段)充分利用原水中的有机碳源，造成资源浪费；(3) 在强化除磷系统中，常存在PAOs和GAOs在有机碳源上的竞争。如何解决好PAOs富集的同时，GAOs的富集能够有助于提高系统的脱氮性能，又保证系统除磷性能的长期稳定。(4) 如何解决好各功能菌(PAOs、GAOs、AOB及NOB)对溶解氧的竞争，保证聚磷菌良好的厌氧释磷与好氧吸磷与同步硝化内源反硝化过程协同进行。
综上所述，需要研发适用于低C/N比城市污水高效实现同步脱氮除磷工艺。IFAS作为一种极具应用潜力的新型污水生物处理技术，相比于传统活性污泥法具有抗冲击负荷能力强、生物持留量大、功能菌群耦合等优点，而且投加的载体密度接近于水，与水处于均匀混合状态，为微生物提供气、液、固三相生存环境，悬浮载体在相互碰撞过程中对气泡产生的力，有利于提高氧气的利用率。本发明通过厌氧/好氧/缺氧的运行方式，筛选了生长缓慢的聚糖菌、聚磷菌、氨氧化细菌，亚硝酸盐氧化菌、反硝化聚磷菌、反硝化聚糖菌，由于生物膜提供的微环境，实现了几种菌的协同作用。厌氧段：PAOs和GAOs将水中易于微生物利用的挥发性脂肪酸转化为细胞内储存的内碳源物质，PAOs进行释磷；好氧段：由于生物膜的微生态环境，AOB、NOB、PAOs、DNPAOs、DNGAOs协同进行同步硝化硝化和过量吸磷；缺氧段：DNPAOs和DNGAOs利用好氧段剩余的亚氮和硝氮作为电子受体进行反硝化除磷和内源反硝化，最终达到污水中的深度脱氮除磷，具有较高的应用价值和社会效益。
发明内容
本发明的目是提供一种利用活性污泥生物膜混合序批式反应器实现同步硝化内源反硝化除磷处理低碳氮比城市污水的装置及方法，实现低碳氮比城市污水高效率、低能耗同步脱氮除磷，解决传统脱氮除磷工艺中存在碳源不足、除磷效果较差、脱氮和除磷无法同时在同一条件下达到最佳效果等问题，工艺流程简单，节省了曝气量，并降低了运行费用、减少占地面积，可有效的维持系统运行的稳定性。
本发明的目的是基于以下技术方案来解决的：一种利用活性污泥生物膜混合序批式反应器实现同步硝化内源反硝化除磷处理低碳氮比城市污水的装置，其特征在于，包括生活污水进水水桶(1)、进水蠕动泵(2)、同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)、出水蠕动泵(4)、出水水桶(5)、在线自动控制系统(6)；其中所述的生活污水进水水桶(1)通过进水蠕动泵(2)与同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)进水口相连接，出水水桶(5)通过出水蠕动泵(4)与同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)出水口相连接；所述同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)配有pH、DO测定仪(3.1)、数显搅拌器(3.2)、底部的曝气盘(3.3)、内部的加热棒(3.4)，反应器内装填有生物载体 (3.7)，曝气泵(3.6)经由气体流量计(3.5)与曝气盘(3.3)连接；
所述在线自动控制系统(6)包括计算机(6.1)和与计算机(6.1)电连接的在线自动控制器(6.2)；在线自动控制器(6.2)包括进水蠕动泵继电器(6.3)、曝气泵继电器(6.4)、加热棒继电器(6.5)、搅拌器继电器(6.6)、出水蠕动泵继电器(6.7)、pH、DO测定仪数据信号接口(6.8)，进水蠕动泵继电器(6.3)与进水蠕动泵(2)电连接，曝气泵继电器(6.4) 与曝气泵(3.6)电连接，加热棒继电器(6.5)与加热棒(3.4)电连接，搅拌器继电器(6.6) 与数显搅拌器(3.2)电连接，出水蠕动泵继电器(6.7)与出水蠕动泵(4)电连接，pH、 DO测定仪数据信号接口(6.8)与pH、DO测定仪(3.1)电连接；在线自动控制器(6.2) 利用其内置的4G卡与计算机(6.1)通过网络进行数据连接，进而控制其参数设置。pH、 DO测定仪(3.1)是一个组合的测试仪或两个独立的测试仪，对应的pH、DO测定仪数据信号接口(6.8)为一个或两个。
污水在此装置中的处理流程为：生活污水进入同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)后，先进行厌氧搅拌，PAOs进行厌氧释磷，PAOs和GAOs将水中易于微生物利用的挥发性脂肪酸转化为细胞内储存的内碳源物质PHAs，并伴随着糖原的分解，反硝化菌则利用充足的碳源将上周期剩余的亚氮和硝氮反硝化；随之进行好氧状态，置于生物膜外层的PAOs以溶解氧作为电子受体，利用厌氧段储存的内碳源进行过量的好氧吸磷，活性污泥中AOB、NOB完成硝化反应，将氨氮转化为亚氮和硝氮，主要以置于生物膜内层DNPAOs和DNGAOs利用储存在细胞内的碳源进行反硝化除磷和内源反硝化转化硝氮和亚氮；缺氧阶段， PAOs消耗反应器内剩余的溶解氧进行吸磷，DNPAOs利用储存在细胞内的碳源以亚氮和硝氮为电子受体将水中的正磷酸盐累积到细胞中，DNGAOs同样利用储存在细胞内的碳源以亚氮和硝氮为电子受体进行内源反硝化；最后进行沉淀排水。
本发明提供了一种利用活性污泥生物膜混合序批式反应器实现同步硝化内源反硝化除磷处理低碳氮比城市污水方法，包括以下步骤：
1)生活污水：在25℃下运行同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)，采用低C/N比市政污水，进水COD 201.7～308.5mg/L，TN浓度为45.58～65.32mg/L，TP浓度为 5.77～9.55mg/L，pH值在6.8～7.4之间；
2)接种污泥：同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)接种污泥来自污水厂二沉池回流污泥；将取回的污泥经过150μm筛子筛洗后加入生活污水闷爆1～2天，取一定量闷爆后的污泥进行接种，接种后同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中的污泥浓度在3000～3500mg/L；
3)活性污泥生物膜混合系统的启动：生物载体采用直接投加的方式，向同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中直接投加填充比30％的K3型生物载体，每天运行4个周期，每个周期6h；具体为：生活污水进水水桶(1)的进水首先通过进水蠕动泵(2)进入到同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中，同时开启搅拌器(3.2)进行80-100r/min 厌氧搅拌2h；接着开启曝气泵(3.6)，进行2h的好氧曝气，通过气体流量计(3.5)将溶解氧控制在5-6mg/L；之后80-100r/min缺氧搅拌102min；接下来是8min的沉淀，通过出水蠕动泵(4)排水8min，以及2min闲置，排水比50％；，同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR 反应器(3)内污泥浓度维持在3000～3500mg/L范围内,载体1300～1530mg/L范围内；
4)同步硝化内源反硝化除磷工艺的优化运行：此工艺采用厌氧/好氧/缺氧的运行方式，目的在于强化同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中聚磷菌与聚糖菌的内碳源贮存作用；优化运行目的是提高SND，进一步降低出水总氮浓度，方式是通过延长好氧段时间，降低溶解氧，反应器改为每天运行3个周期，每个周期8个小时；具体为：生活污水进水水桶(1)的进水首先通过进水蠕动泵(2)进入到同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器 (3)中，同时开启搅拌器(3.2)进行80-100r/min厌氧搅拌2h；接着开启曝气泵(3.6)，进行3h的好氧曝气，通过气体流量计(3.5)将溶解氧控制在3-4mg/L左右；之后80-100r/min缺氧搅拌165min；接下来是5min的沉淀，通过出水蠕动泵(4)排水8min，以及2min闲置，排水比50％；同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)内污泥浓度维持在 3000～3500mg/L范围内，载体1900～2320mg/L。
利用本发明方法COD出水＜50mg/L，出水TN＜15mg/L，出水磷酸盐含量小于0.5mg/L。
本发明的一种利用活性污泥与生物膜混合序批式反应器实现同步硝化内源反硝化除磷处理低碳氮比城市污水的装置及方法，具有以下优点：
1)IFAS工艺具有多方面的优势，抗冲击负荷能力强，减少占地面积，非常适用于污水处理厂的升级改造，不仅可以高效脱氮除碳，还可以调和生物脱氮除磷的泥龄矛盾。与MBBR 相比，填充比较低，减少填料成本，还可以进行污泥减量。IFAS工艺系统中的生物填料可以使微生物特别是那些非优势微生物，可以通过生物膜的形成而得以保留，从而增加了系统中微生物的功能多样性等。
2)同步硝化内源反硝化除磷工艺是一种新型处理工艺，主要包含了厌氧段内部碳源储存、厌氧释磷、好氧吸磷、同步硝化内源反硝化，反硝化除磷等过程。该工艺能够充分利用原水有机碳源将其储存，同时依靠填料上特有的“厌/缺/好”微环境，使其形成的生态系统更为稳定、微生物菌群多样性更加丰富，并可提高同步硝化反硝化效率，有助于污水处理系统脱氮除磷性能的提高，序批式运行使得后置内源反硝化一方面避免了外碳源的投加，同时保证了出水水质。因此，该工艺在有效减少能耗和运行成本等方面效果俱佳。
3)该工艺启动运行简便，直接将生物填料投加活性污泥反应器中，对于污水厂提质增效有重要意义。
附图说明
图1为本发明一种利用泥膜混合序批式反应器实现同步硝化内源反硝化除磷处理低碳氮比城市污水的装置结构示意图。
图中1为生活污水进水水桶，2为进水蠕动泵，3为同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器，4为出水蠕动泵，5为出水水桶；3.1为pH、DO测定仪，3.2为数显恒速搅拌器，3.3为曝气盘，3.4为加热棒，3.5为气体流量计，3.6为曝气泵；6.1为计算机，6.2为在线自动控制器，6.3为进水蠕动泵继电器，6.4为曝气泵继电器，6.5为加热棒继电器，6.6为搅拌器继电器，6.7为出水蠕动泵继电器，6.8为pH、DO测定仪数据信号接口。
图2为反应器启动期间个污染物质去除效果图：①对应NH4 +-N图、②对应COD图、③对应 TP图、④对应TN图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步的说明：如图1所示，本发明一种利用活性污泥与生物膜序批式反应器实现同步硝化内源反硝化除磷处理低碳氮比城市污水的装置及方法，其装置主要包括生活污水进水水桶(1)、进水蠕动泵(2)、同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)、出水蠕动泵(4)出水水桶(5)在线自动控制系统(6)；其中所述的生活污水进水水桶(1)通过进水蠕动泵(2)与同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)相连接，出水水桶(5)通过出水蠕动泵(4)与同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR 反应器(3)相连接；所述同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)包括pH、DO测定仪(3.1)、数显搅拌器(3.2)、曝气盘(3.3)、加热棒(3.4)、气体流量计(3.5)、曝气泵 (3.6)、生物载体(3.7)；所述在线自动控制系统(6)包括计算机(6.1)和在线自动控制器(6.2)；在线自动控制器(6.2)包括计算机(6.1)和在线自动控制器(6.2)；在线自动控制器(6.2)包括进水蠕动泵继电器(6.3)、曝气泵继电器(6.4)、加热棒继电器(6.5)、搅拌器继电器(6.6)、出水蠕动泵继电器(6.7)、pH、DO测定仪数据信号接口(6.8)；在线自动控制器(6.2)利用其内置的4G卡与计算机(6.1)通过网络进行数据连接，进而控制其参数设置
实例1：
一种利用活性污泥生物膜混合序批式反应器实现同步硝化内源反硝化除磷处理低碳氮比城市污水的方法其特征在于，包括以下步骤：
1)生活污水：在25℃下运行同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)，进水COD 201.7～308.5mg/L，氨氮浓度45.58～65.32mg/L，亚氮浓度小0.5mg/L，硝氮浓度小于0.5mg/L， TN浓度为45～66mg/L，TP浓度为5.77～9.55mg/L，pH值在6.8～7.4之间；
2)接种污泥：同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)接种污泥来自污水厂二沉池回流污泥；将取回的污泥经过150μm筛子筛洗后加入生活污水闷爆1～2天，取一定量闷爆后的污泥进行接种，接种后同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中的污泥浓度在3000～3500mg/L；
3)活性污泥生物膜混合系统的启动：生物载体采用直接投的方式，向同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中直接投加填充比30％的K3型生物载体，每天运行4个周期，每个周期6h；具体为：生活污水进水水桶(1)的进水首先通过进水蠕动泵(2)进入到同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中，同时开启搅拌器(3.2)进行80-100r/min 厌氧搅拌2h；接着开启曝气泵(3.6)，进行2h的好氧曝气，通过气体流量计(3.5)将溶解氧控制在5-6mg/L左右；之后80-100r/min缺氧搅拌102min；接下来是8min的沉淀，通过出水蠕动泵(4)排水8min，以及2min闲置，排水比50％；此外，启动期间不做特殊的排泥，沉降性不好的污泥被阻滞在生物填料表面并被排出，同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR 反应器(3)内污泥浓度维持在3000～3500mg/L范围内，载体1300～1530mg/L范围内；
4)同步硝化内源反硝化除磷工艺的优化运行：此工艺采用厌氧/好氧/缺氧的运行方式，目的在于强化同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中聚磷菌与聚糖菌的内碳源贮存作用；优化运行目的是提高SND，进一步降低出水总氮浓度，方式是通过延长好氧段时间，降低溶解氧，反应器改为每天运行3个周期，每个周期8个小时；具体为：生活污水进水水桶(1)的进水首先通过进水蠕动泵(2)进入到同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器 (3)中，同时开启搅拌器(3.2)进行80-100r/min厌氧搅拌2h；接着开启曝气泵(3.6)，进行3h的好氧曝气，通过气体流量计(3.5)将溶解氧控制在3-4mg/L左右；之后80-100r/min缺氧搅拌165min；接下来是5min的沉淀，通过出水蠕动泵(4)排水8min，以及2min闲置，排水比50％；同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)内污泥浓度维持在 3000～3500mg/L范围内,生物膜1900-2320mg/L范围内；
试验结果表明：如图示，同步硝化内源反硝除磷系统出水PO4 3-的浓度范围为0～0.5mg/L，出水氨氮的浓度范围为0～0.5mg/L，出水亚氮浓度范围为0.1～10mg/L，出水硝氮浓度范围为 0.1～15mg/L，出水COD浓度小于50mg/L。出水各水质指标达到一级A排放标准。
Claims (4)
1.一种利用活性污泥生物膜混合序批式反应器实现同步硝化内源反硝化除磷处理低碳氮比城市污水的装置，其特征在于，包括生活污水进水水桶(1)、进水蠕动泵(2)、同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)、出水蠕动泵(4)、出水水桶(5)、在线自动控制系统(6)；其中所述的生活污水进水水桶(1)通过进水蠕动泵(2)与同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)进水口相连接，出水水桶(5)通过出水蠕动泵(4)与同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)出水口相连接；所述同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)配有pH、DO测定仪(3.1)、数显搅拌器(3.2)、底部的曝气盘(3.3)、内部的加热棒(3.4)，反应器内装填有生物载体(3.7)，曝气泵(3.6)经由气体流量计(3.5)与曝气盘(3.3)连接；
所述在线自动控制系统(6)包括计算机(6.1)和与计算机(6.1)电连接的在线自动控制器(6.2)；在线自动控制器(6.2)包括进水蠕动泵继电器(6.3)、曝气泵继电器(6.4)、加热棒继电器(6.5)、搅拌器继电器(6.6)、出水蠕动泵继电器(6.7)、pH、DO测定仪数据信号接口(6.8)，进水蠕动泵继电器(6.3)与进水蠕动泵(2)电连接，曝气泵继电器(6.4)与曝气泵(3.6)电连接，加热棒继电器(6.5)与加热棒(3.4)电连接，搅拌器继电器(6.6)与数显搅拌器(3.2)电连接，出水蠕动泵继电器(6.7)与出水蠕动泵(4)电连接，pH、DO测定仪数据信号接口(6.8)与pH、DO测定仪(3.1)电连接；在线自动控制器(6.2)利用其内置的4G卡与计算机(6.1)通过网络进行数据连接，进而控制其参数设置。pH、DO测定仪(3.1)是一个组合的测试仪或两个独立的测试仪，对应的pH、DO测定仪数据信号接口(6.8)为一个或两个。
2.采用权利要求1所述的装置处理低碳氮比城市污水的方法，其特征在于，污水在此装置中的处理流程为：生活污水进入同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)后，先进行厌氧搅拌，PAOs进行厌氧释磷，PAOs和GAOs将水中易于微生物利用的挥发性脂肪酸转化为细胞内储存的内碳源物质PHAs，并伴随着糖原的分解，反硝化菌则利用充足的碳源将上周期剩余的亚氮和硝氮反硝化；随之进行好氧状态，置于生物膜外层的PAOs以溶解氧作为电子受体，利用厌氧段储存的内碳源进行过量的好氧吸磷，活性污泥中AOB、NOB完成硝化反应，将氨氮转化为亚氮和硝氮，主要以置于生物膜内层DNPAOs和DNGAOs利用储存在细胞内的碳源进行反硝化除磷和内源反硝化转化硝氮和亚氮；缺氧阶段，PAOs消耗反应器内剩余的溶解氧进行吸磷，DNPAOs利用储存在细胞内的碳源以亚氮和硝氮为电子受体将水中的正磷酸盐累积到细胞中，DNGAOs同样利用储存在细胞内的碳源以亚氮和硝氮为电子受体进行内源反硝化；最后进行沉淀排水。
3.采用权利要求1所述的装置处理低碳氮比城市污水的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)生活污水：在25℃下运行同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)，采用低C/N比市政污水，进水COD 201.7～308.5mg/L，TN浓度为45.58～65.32mg/L，TP浓度为5.77～9.55mg/L，pH值在6.8～7.4之间；
2)接种污泥：同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)接种污泥来自污水厂二沉池回流污泥；将取回的污泥经过150μm筛子筛洗后加入生活污水闷爆1～2天，取一定量闷爆后的污泥进行接种，接种后同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中的污泥浓度在3000～3500mg/L；
3)活性污泥生物膜混合系统的启动：生物载体采用直接投加的方式，向同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中直接投加填充比30％的K3型生物载体，每天运行4个周期，每个周期6h；具体为：生活污水进水水桶(1)的进水首先通过进水蠕动泵(2)进入到同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中，同时开启搅拌器(3.2)进行80-100r/min厌氧搅拌2h；接着开启曝气泵(3.6)，进行2h的好氧曝气，通过气体流量计(3.5)将溶解氧控制在5-6mg/L；之后80-100r/min缺氧搅拌102min；接下来是8min的沉淀，通过出水蠕动泵(4)排水8min，以及2min闲置，排水比50％；，同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)内污泥浓度维持在3000～3500mg/L范围内,载体1300～1530mg/L范围内；
4)同步硝化内源反硝化除磷工艺的优化运行：此工艺采用厌氧/好氧/缺氧的运行方式，目的在于强化同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中聚磷菌与聚糖菌的内碳源贮存作用；优化运行目的是提高SND，进一步降低出水总氮浓度，方式是通过延长好氧段时间，降低溶解氧，反应器改为每天运行3个周期，每个周期8个小时；具体为：生活污水进水水桶(1)的进水首先通过进水蠕动泵(2)进入到同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)中，同时开启搅拌器(3.2)进行80-100r/min厌氧搅拌2h；接着开启曝气泵(3.6)，进行3h的好氧曝气，通过气体流量计(3.5)将溶解氧控制在3-4mg/L左右；之后80-100r/min缺氧搅拌165min；接下来是5min的沉淀，通过出水蠕动泵(4)排水8min，以及2min闲置，排水比50％；同步硝化内源反硝化除磷IFAS-SBR反应器(3)内污泥浓度维持在3000～3500mg/L范围内，载体1900～2320mg/L。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，利用上述方法COD出水＜50mg/L，出水TN＜15mg/L，出水磷酸盐含量小于0.5mg/L。
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