CN115893644A - Srt和hrt联合调控构建反硝化除磷耦合厌氧氨氧化强化污水脱氮除磷的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
SRT和HRT联合调控构建反硝化除磷耦合厌氧氨氧化强化污水脱氮除磷的装置与方法属于活性污泥法污水处理技术领域。反硝化除磷菌在缺氧环境中具有以胞内碳源作为电子供体还原硝酸盐的代谢特性，该过程产生的亚硝酸盐能够作为厌氧氨氧化过程的基质参与厌氧氨氧化脱氮，该过程集成了碳、氮、磷污染物的同步去除；通过在AAO‑BCO(厌氧‑缺氧‑好氧‑生物接触氧化)工艺中的缺氧区投加生物膜载体实现絮体污泥和生物膜的SRT分离，来有效持留厌氧氨氧化生物量；通过缩短絮体污泥的SRT、延长缺氧区HRT、减少好氧区HRT的联合调控策略强化絮体污泥中的反硝化除磷。该技术为城市污水同步脱氮除磷提供了一种高效、节能的全新方案。
Description
技术领域
本发明涉及一种SRT和HRT联合调控构建反硝化除磷耦合厌氧氨氧化强化污水脱氮除磷的装置与方法，属于污水生物处理领域。适用于城市污水处理厂的高效、节能同步脱氮除磷过程。
背景技术
城市污水的生物除碳、脱氮、除磷是目前解决水体富营养化最为经济、有效的途径。目前，我国的城市城市污水处理厂大多采用A/O、AAO、 CAST、氧化沟等传统工艺，大多数的城市污水处理厂不能达到《城市污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准，除此之外，基于传统硝化-反硝化脱氮除磷工艺的城市污水处理流程面临着巨额的电能消耗和外加碳源需求，这不仅使得城市污水处理成本陡增，同样伴随着大量额外的二氧化碳排放，与我国低碳减排、修复温室效应的长期环保目标背道而驰。
Anammox反应在20世纪90年代被发现和证实，Anammox菌利用氨氮为电子供体、亚硝态氮为电子受体自养完成氨氮的氧化和亚硝态氮的还原，产生氮气和少量硝态氮。这种自养脱氮技术极大程度上节省了污水处理过程中消耗的曝气能源和碳源。Anammox技术首先在垃圾渗滤液、污泥消化液等高氨氮废水中得以应用，近十年关于Anammox在城市污水中应用的研究被越来越多地开展。亚硝酸盐的来源问题是限制Anammox在城市污水主流中推广的瓶颈，目前基于氨氮氧化产生亚硝酸盐(短程硝化)和基于硝酸盐还原产生亚硝酸盐(短程反硝化)的技术方案被广泛研发和应用，以此与Anammox过程进行耦合。由于硝化过程中亚硝酸盐氧化细菌的活性及生物量难以被长期、稳定地抑制，氨氮氧化产生亚硝酸盐极易被进一步氧化为硝酸盐，从而直接导致短程硝化耦合Anammox过程被阻断。硝酸盐还原作为获取亚硝酸盐的另一大途径，与Anammox过程同在缺氧环境中进行，亚硝酸盐的产生的与Anammox反应利用亚硝酸盐的过程同步进行，此“即产即用”的微生物协同模式更具稳定性。因此，在城市污水主流中，硝酸盐还原耦合Anammox过程成为实现高效、节能脱氮的首选技术方案。
目前，城市污水中磷的去除是污水处理厂面临的另一大问题。由于我国低碳氮比废水的现状，高效达标的氮和磷的去除往往不可兼得，而磷的去除则通常依赖化学除磷药剂的大量投加。因此，开发能够不依赖外加碳源和药剂的集成生物脱氮除磷的综合性技术迫在眉睫。反硝化除磷菌在缺氧环境中具有以胞内碳源作为电子供体还原硝酸盐的代谢特性，硝酸盐异养还原过程产生亚硝酸盐和氮气，同时反硝化除磷菌吸收胞外磷酸盐供下一代谢周期所需。显然，反硝化除磷过程还原硝酸盐产生的中间产物亚硝酸盐具有在缺氧环境中耦合Anammox的潜力，相比传统的基于反硝化细菌的硝酸盐还原过程，反硝化除磷能够在还原硝酸盐产生亚硝酸盐的同时吸收磷酸盐，即反硝化除磷耦合Anammox的过程能够集成高效的自养脱氮和异养除磷为一体。反硝化除磷耦合Anammox过程的构建为解决低碳氮比城市污水的高效脱氮除磷的难题带来了希望，为推动城市污水处理厂的碳中和进程提供了助力。
虽然反硝化除磷菌在城市污水处理活性污泥系统中广泛分布，但其生物量往往远低于反硝化菌，因此进一步富集反硝化除磷菌对反硝化除磷耦合Anammox过程是有必要的。除磷菌的生长速率普遍高于反硝化菌，因此，较低的SRT能够推动聚磷菌的富集，同时完成对反硝化菌的淘洗和抑制；另外，传统的除磷菌需要厌氧、好氧交替的环境以完成代谢活动，而反硝化除磷菌作为除磷菌中的特殊分支需要厌氧、缺氧氧交替的环境来完成代谢活动，因此，延长缺氧HRT并缩短好氧HRT能够促进传统除磷菌群向反硝化除磷菌转化。总的来说，短SRT控制能够促进除磷菌的富集，而延长缺氧HRT并缩短好氧HRT有利于除磷菌向反硝化除磷菌转化，以此来推动反硝化除磷过程成为系统中主导的除磷和产生亚硝酸盐的生物过程。
Anammox菌的倍增周期较长，在城市污水中往往为14天左右。因此，基于短SRT控制的运行策略，絮体污泥中的Anammox菌会被淘洗而无法实现富集。Anammox菌具有附着生长的特性，容易在生物膜和颗粒污泥中被富集和持留，相比颗粒污泥，以生物膜的形式富集Anammox菌对运行水力条件要求较小且更加稳定。在连续流中，尤其适合通过投加生物膜载体来富集Anammox菌，其可行性已经在实验室小试规模、中试规模和实际工程中得到广泛验证。在构建反硝化除磷耦合Anammox的过程中，基于反硝化除磷产生的中间产物亚硝酸盐和原水中的氨氮作为基质，通过向缺氧区投加生物膜载体为提供 Anammox菌附着位点和充足的SRT，为反硝化除磷菌和Anammox菌的耦合创建了有利的条件。
发明内容
SRT和HRT联合调控构建反硝化除磷耦合厌氧氨氧化强化污水脱氮除磷的方法，应用以下装置：原水水箱(1)中的城市污水经进水泵(2)、止回阀(3)和进水管路(14)从厌氧区(4)进入厌氧-缺氧-好氧(AAO)生化反应区；AAO生化反应区由厌氧区(4)、第一缺氧区(6)、第二缺氧区(7)、第三缺氧区(8)、第四缺氧区(9)和好氧区(10) 依次连接组成；厌氧区安装有潜水搅拌器(5)；第一缺氧区(6)、第二缺氧区(7)、第三缺氧区(8)和第四缺氧区(9)均投加有生物膜载体并安装潜水搅拌器(5)；好氧区(10) 设有曝气头(21)，曝气头经曝气管路(23)与转子流量计(26)、空气阀门(22)及空气压缩机(28)相连；好氧区(10)设有溢流堰，活性污泥生化反应区的出水经溢流堰进入二沉池进水管(11)与二沉池中心管(24)相连，二沉池(12)的出水口与出水管相连；二沉池(12)中的活性污泥通过污泥回流泵(20)及污泥回流管道(16)以与系统进水量相等的流量(污泥回流比为100％)回流至厌氧区，污泥回流管道装有阀门(15)、流量计 (17)和止回阀(19)；二沉池剩余污泥通过排泥管道(29)排至污泥处理系统；二沉池出水上清液经由提升泵(25)被全部泵入生物接触氧化(BCO)生化反应区(13)；BCO 生化反应区均投加有生物膜载体并安装曝气头(30)，曝气头经曝气管路(23)与转子流量计(26)、空气阀门(22)及空气压缩机(28)相连；BCO生化反应区末端与硝化液回流管路(18)连接，硝化液回流管路设有硝化液回流泵(31)，将来自BCO生化反应区末端富含硝酸盐的硝化液以与系统进水量2-4倍的流量(硝化液回流比为200％-400％)泵入第一缺氧区(6)；BCO生化反应区末端的出水经溢流堰和出水管(27)排出系统。
SRT和HRT联合调控构建反硝化除磷耦合厌氧氨氧化强化污水脱氮除磷的方法，其特征在于：
1)AAO生化反应区和二沉池后串联BCO生化反应区，在这种组合工艺中，AAO生化反应区的作用为曝气吹脱厌氧、缺氧区脱氮产生的氮气，同时防止絮体污泥腐化发酵、保持污泥活性。
2)通过控制系统进水流量来调节水力停留时间(HRT)，使系统总HRT保持在10-12小时；通过调整各反应区的运行体积，控制缺氧区HRT为好氧区HRT的3-5倍，以此来培养在缺氧区完成吸磷代谢的反硝化除磷菌，同时淘洗在好氧区完成吸磷代谢的传统除磷菌；控制BCO生化反应区的HRT为缺氧HRT的0.5倍，以此来高效地完成硝化过程；即 HRT厌氧区：HRT缺氧区：HRT好氧区：HRTBCO＝1：3-5：1：1.5-2.5。
3)在缺氧区投加比表面积为400-500m2/m3、填充比为20％-40％的生物膜载体，实现絮体污泥和生物膜的SRT分离，在生物膜中为Anammox菌的附着生长提供长SRT条件。
4)在BCO生化反应区投加比表面积为400-500m2/m3、填充比为50％-70％的生物膜载体，在生物膜中为BCO生化反应区中的硝化细菌提供长SRT条件。
5)通过控制每日二沉池剩余污泥排泥量为AAO生化反应区体积的10％-20％来维持生化反应区中的絮体污泥的SRT为5-10天，以此来将吸磷之后的富磷污泥排除系统，同时快速完成絮体污泥中反硝化除磷菌的培养和传统除磷菌的淘洗。
6)原水由原水水箱(1)经过进水管路(2)进入厌氧区(3)，来自二沉池的回流污泥经污泥回流管路进入进入厌氧区，原水和回流污泥在潜水搅拌器的作用下充分混合；来自BCO生化反应区末端的硝化液经硝化液回流管路进入第一缺氧区，在潜水搅拌器的作用下与厌氧区出水充分混合，并依次流经第二、三、四缺氧区；第四缺氧区出水进入好氧区，好氧去出水经溢流堰和二沉池进水管路进入二沉池；二沉池出水经提升泵被全部注入 BCO生化反应区，其中一部分作为硝化液被回流至第一缺氧区，另外一部分经溢流堰和出水管路排出系统。
7)厌氧区(3)中，反硝化除磷菌分解胞内的多聚磷酸盐(Poly-P)和糖原(Glycogen，简写为Gly)等产生能量ATP，利用这部分能量摄取原水中的挥发性脂肪酸(VFA)合成聚羟基烷酸(PHAs)，同时，分解Poly-P产生的磷酸盐被释放至胞外。
8)缺氧区中，反硝化除磷菌以硝酸盐为电子受体分解胞内的PHAs等产生能量ATP，利用这部分能量摄取水环境中的磷酸盐并合成胞内Poly-P，即缺氧区中的胞外磷酸盐被合成为胞内Poly-P，以此完成磷酸盐的去除。
9)反硝化除磷菌利用PHAs为电子供体异养还原硝酸盐为亚硝酸盐，亚硝酸盐与来自原水的氨氮作为Anammox菌的底物参与自养的脱氮过程。
10)好氧区的溶解氧被控制在0.5-1.0mg/L，好氧区底部的曝气将厌氧区和缺氧区脱氮过程产生的氮气进行吹脱，避免氮气进入二沉池引起污泥上浮；曝气有利于保持污泥活性，避免长时间厌缺氧环境造成的污泥老化、活性下降等问题。
11)BCO生化反应区中含有填充比为50％-60％的生物膜载体，用于在好氧条件下富集氨氮硝化细菌(AOB)和亚硝酸盐硝化细菌(NOB)；曝气使得生物膜载体混合均匀并与水体充分接触。
SRT和HRT联合调控构建反硝化除磷耦合厌氧氨氧化强化污水脱氮除磷的方法，包括以下步骤：
将城市污水处理厂二沉池剩余污泥投加至AAO生化反应区中作为种泥，将生物膜载体分别投加至缺氧区和BCO生化反应区；保持AAO生化反应区内混合悬浮固体浓度(MLSS)为3000-5000mg/L；控制污泥回流流量和硝化液回流流量为进水流量的100％和200％-400％；通过控制潜水搅拌的速度使缺氧区中的生物膜载体和活性污泥混合均匀、充分接触；控制AAO生化反应区好氧区的溶解氧(DO)为0.5-1.0mg/L，控制BCO生化反应区的溶解氧(DO)为1.0-3.0mg/L；通过控制每日二沉池剩余污泥排泥量为AAO生化反应区体积的10％-20％来维持生化反应区中的SRT为5-10天；通过控制系统进水流量来调节水力停留时间(HRT)，使系统总的HRT保持在10-12小时，使HRT厌氧区：HRT缺氧区：HRT好氧区：HRTBCO＝1：3-5：1：1.5-2.5。
SRT和HRT联合调控构建反硝化除磷耦合厌氧氨氧化强化污水脱氮除磷的方法以AAO为工艺载体，串联BCO工艺来利用其中曝气条件下形成的硝化生物膜高效地完成氨氮到亚硝态氮的转化，在缺氧区中投加生物膜载体来富集Anammox菌。AAO生化反应区中延长的缺氧区HRT和缩短的好氧区HRT为反硝化除磷菌的富集提供了条件，其中絮体污泥的短SRT控制策略加速了反硝化除磷过程成为主导菌群。反硝化除磷过程中，硝酸盐还原产生的亚硝酸盐作为Anammox过程的底物参与自养脱氮过程，该耦合过程集成了碳、氮、磷污染物的同步去除。该系统为城市污水同步脱氮除磷提供了一种高效、节能的全新方案。
附图说明
图1 SRT和HRT联合调控构建反硝化除磷耦合厌氧氨氧化强化污水脱氮除磷的装置与方法示意图。
图1中：1-原水水箱；2-进水泵；3-止回阀；4-厌氧区；5-潜水搅拌器；6-第一缺氧区； 7-第二缺氧区；8-第三缺氧区；9-第四缺氧区；10-好氧区；11-二沉池进水管；12-二沉池； 13-BCO生化反应区；14-进水管路；15-阀门；16-污泥回流管道；17-流量计；18-硝化液回流管路；19-止回阀；20-污泥回流泵；21-曝气装置；22-空气阀门；23-曝气管路；24-二沉池中心管；25-提升泵；26-转子流量计；27-出水管；28-空气压缩机；29-排泥管道；30-曝气装置；31-硝化液回流泵。
具体实施方式
结合图1，具体说明本发明的实施方式：
1)AAO生化反应区和二沉池后串联BCO生化反应区，在这种组合工艺中，AAO生化反应区的作用为曝气吹脱厌氧、缺氧区脱氮产生的氮气，同时防止絮体污泥腐化发酵、保持污泥活性。
2)通过控制系统进水流量来调节水力停留时间(HRT)，使系统总HRT保持在10-12小时；通过调整各反应区的运行体积，控制缺氧区HRT为好氧区HRT的3-5倍，以此来培养在缺氧区完成吸磷代谢的反硝化除磷菌，同时淘洗在好氧区完成吸磷代谢的传统除磷菌；控制BCO生化反应区的HRT为缺氧HRT的0.5倍，以此来高效地完成硝化过程；即 HRT厌氧区：HRT缺氧区：HRT好氧区：HRTBCO＝1：3-5：1：1.5-2.5。
3)在缺氧区投加比表面积为400-500m2/m3、填充比为20％-40％的生物膜载体，实现絮体污泥和生物膜的SRT分离，在生物膜中为Anammox菌的附着生长提供长SRT条件。
4)在BCO生化反应区投加比表面积为400-500m2/m3、填充比为50％-70％的生物膜载体，在生物膜中为BCO生化反应区中的硝化细菌提供长SRT条件。
5)通过控制每日二沉池剩余污泥排泥量为AAO生化反应区体积的10％-20％来维持生化反应区中的絮体污泥的SRT为5-10天，以此来将吸磷之后的富磷污泥排除系统，同时快速完成絮体污泥中反硝化除磷菌的培养和传统除磷菌的淘洗。
6)原水由原水水箱(1)经过进水管路(2)进入厌氧区(3)，来自二沉池的回流污泥经污泥回流管路进入进入厌氧区，原水和回流污泥在潜水搅拌器的作用下充分混合；来自BCO生化反应区末端的硝化液经硝化液回流管路进入第一缺氧区，在潜水搅拌器的作用下与厌氧区出水充分混合，并依次流经第二、三、四缺氧区；第四缺氧区出水进入好氧区，好氧去出水经溢流堰和二沉池进水管路进入二沉池；二沉池出水经提升泵被全部注入 BCO生化反应区，其中一部分作为硝化液被回流至第一缺氧区，另外一部分经溢流堰和出水管路排出系统。
7)厌氧区(3)中，反硝化除磷菌分解胞内的多聚磷酸盐(Poly-P)和糖原(Glycogen，简写为Gly)等产生能量ATP，利用这部分能量摄取原水中的挥发性脂肪酸(VFA)合成聚羟基烷酸(PHAs)，同时，分解Poly-P产生的磷酸盐被释放至胞外。
8)缺氧区中，反硝化除磷菌以硝酸盐为电子受体分解胞内的PHAs等产生能量ATP，利用这部分能量摄取水环境中的磷酸盐并合成胞内Poly-P，即缺氧区中的胞外磷酸盐被合成为胞内Poly-P，以此完成磷酸盐的去除。
9)反硝化除磷菌利用PHAs为电子供体异养还原硝酸盐为亚硝酸盐，亚硝酸盐与来自原水的氨氮作为Anammox菌的底物参与自养的脱氮过程。
10)好氧区的溶解氧被控制在0.5-1.0mg/L，好氧区底部的曝气将厌氧区和缺氧区脱氮过程产生的氮气进行吹脱，避免氮气进入二沉池引起污泥上浮；曝气有利于保持污泥活性，避免长时间厌缺氧环境造成的污泥老化、活性下降等问题。
11)BCO生化反应区中含有填充比为50％-60％的生物膜载体，用于在好氧条件下富集氨氮硝化细菌(AOB)和亚硝酸盐硝化细菌(NOB)；曝气使得生物膜载体混合均匀并与水体充分接触。
具体步骤：
将城市污水处理厂二沉池剩余污泥投加至AAO生化反应区中作为种泥，将生物膜载体分别投加至缺氧区和BCO生化反应区；保持AAO生化反应区内混合悬浮固体浓度(MLSS)为3000-5000mg/L；控制污泥回流流量和硝化液回流流量为进水流量的100％和200％-400％；通过控制潜水搅拌的速度使缺氧区中的生物膜载体和活性污泥混合均匀、充分接触；控制AAO生化反应区好氧区的溶解氧(DO)为0.5-1.0mg/L，控制BCO生化反应区的溶解氧(DO)为1.0-3.0mg/L；通过控制每日二沉池剩余污泥排泥量为AAO生化反应区体积的10％-20％来维持生化反应区中的SRT为5-10天；通过控制系统进水流量来调节水力停留时间(HRT)，使系统总的HRT保持在10-12小时，使HRT厌氧区：HRT缺氧区： HRT好氧区：HRTBCO＝1：3-5：1：1.5-2.5。
SRT和HRT联合调控构建反硝化除磷耦合厌氧氨氧化强化污水脱氮除磷的装置与方法以AAO为工艺载体，串联BCO工艺来利用其中曝气条件下形成的硝化生物膜高效地完成氨氮到亚硝态氮的转化，在缺氧区中投加生物膜载体来富集Anammox菌。AAO生化反应区中延长的缺氧区HRT和缩短的好氧区HRT为反硝化除磷菌的富集提供了条件，其中絮体污泥的短SRT控制策略加速了反硝化除磷过程成为主导菌群。反硝化除磷过程中，硝酸盐还原产生的亚硝酸盐作为Anammox过程的底物参与自养脱氮过程，该耦合过程集成了碳、氮、磷污染物的同步去除。该系统为城市污水同步脱氮除磷提供了一种高效、节能的全新方案。
Claims (5)
1.SRT和HRT联合调控构建反硝化除磷耦合厌氧氨氧化强化污水脱氮除磷的装置其特征在于：原水水箱(1)中的城市污水经进水泵(2)、止回阀(3)和进水管路(14)从厌氧区(4)AAO生化反应区；AAO生化反应区由厌氧区(4)、第一缺氧区(6)、第二缺氧区(7)、第三缺氧区(8)、第四缺氧区(9)和好氧区(10)依次连接组成；厌氧区安装有潜水搅拌器(5)；第一缺氧区(6)、第二缺氧区(7)、第三缺氧区(8)和第四缺氧区(9)均投加有生物膜载体并安装潜水搅拌器(5)；好氧区(10)设有曝气头(21)，曝气头经曝气管路(23)与转子流量计(26)、空气阀门(22)及空气压缩机(28)相连；好氧区(10)设有溢流堰，活性污泥生化反应区的出水经溢流堰进入二沉池进水管(11)与二沉池中心管(24)相连，二沉池(12)的出水口与出水管相连；二沉池(12)中的活性污泥通过污泥回流泵(20)及污泥回流管道(16)以与系统进水量相等的流量即污泥回流比为100％回流至厌氧区，污泥回流管道装有阀门(15)、流量计(17)和止回阀(19)；二沉池剩余污泥通过排泥管道(29)排至污泥处理系统；二沉池出水上清液经由提升泵(25)被全部泵入BCO生化反应区(13)；BCO生化反应区均投加有生物膜载体并安装曝气头(30)，曝气头经曝气管路(23)与转子流量计(26)、空气阀门(22)及空气压缩机(28)相连；BCO生化反应区末端与硝化液回流管路(18)连接，硝化液回流管路设有硝化液回流泵(31)，将来自BCO生化反应区末端富含硝酸盐的硝化液以与系统进水量2-4倍的流量即硝化液回流比为200％-400％泵入第一缺氧区(6)；BCO生化反应区末端的出水经溢流堰和出水管(27)排出系统。
2.应用权利要求1所述装置联合调控构建反硝化除磷耦合厌氧氨氧化强化污水脱氮除磷的方法，其特征在于：将城市污水处理厂二沉池剩余污泥投加至AAO生化反应区中作为种泥，将生物膜载体分别投加至缺氧区和BCO生化反应区；保持AAO生化反应区内混合悬浮固体浓度MLSS为3000-5000mg/L；控制污泥回流流量和硝化液回流流量为进水流量的100％和200％-400％；通过控制潜水搅拌的速度使缺氧区中的生物膜载体和活性污泥混合均匀、充分接触；控制AAO生化反应区好氧区的溶解氧为0.5-1.0mg/L，控制BCO生化反应区的溶解氧为1.0-3.0mg/L；通过控制每日二沉池剩余污泥排泥量为AAO生化反应区体积的10％-20％来维持生化反应区中的SRT为5-10天；通过控制系统进水流量来调节水力停留时间HRT，使系统总的HRT保持在10-12小时，使HRT厌氧区：HRT缺氧区：HRT好氧区：HRTBCO＝1：3-5：1：1.5-2.5。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于在AAO生化反应区和二沉池后串联BCO生化反应区，在这种组合工艺中，AAO生化反应区的作用为曝气吹脱厌氧、缺氧区脱氮产生的氮气，同时防止絮体污泥腐化发酵、保持污泥活性。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在缺氧区投加比表面积为400-500m2/m3、填充比为20％-40％的生物膜载体。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：在BCO生化反应区投加比表面积为400-500m2/m3、填充比为50％-70％的生物膜载体，在生物膜中为BCO生化反应区中的硝化细菌提供长SRT条件。
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