申请日2013.12.18
公开(公告)日2014.04.16
IPC分类号C02F3/30
摘要
一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置及方法，涉及污水生物处理技术领域，特别涉及氮素污染的处理技术。本发明是为了解决现有基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮方法中絮体污泥粒径小使得污泥浓度低、污泥沉降性能差最终导致厌氧氨氧化脱氮方法的脱氮效率低以及运行稳定性差的问题。本装置包括U反应器主体、保温系统、进水系统、排水系统、曝气系统、自动控制系统和参数监控系统。通过各部件的连接及对培养环境的设置，实现了智能控制及智能监测整个培养过程，在培养过程中先进行强曝气，促使污泥的颗粒化，然后再限氧培养厌氧氨氧化菌，成功培养出全自养脱氮颗粒污泥。本发明适用于污水处理领域。
权利要求书
1.一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置，其特征在于，该装置包括U形反应器主体(1)、 保温系统(2)、进水系统(3)、排水系统(4)、曝气系统(5)、自动控制系统(6)和参数 监控系统(7);
保温系统(2)包括保温层(2-1)和电阻丝(2-2);
进水系统(3)包括装有水的进水箱(3-1)、进水计量泵(3-2)、进水滤头(3-3)、进 酸计量泵(3-4)、进碱计量泵(3-5)、装有酸的存酸瓶(3-6)和装有碱的存碱瓶(3-7);
排水系统(4)包括排水管(4-1)、电磁阀(4-2)和出水箱(4-3);
曝气系统(5)包括气泵(5-1)、气体流量计(5-2)、止回阀(5-4)和膜片曝气头(5-4);
自动控制系统(6)包括温度控制单元(6-1)、PH控制单元(6-2)和序批运行控制单 元(6-3);
参数监控系统(7)包括在线PH传感器(7-2)、溶解氧传感器(7-3)、温度传感器(7-4) 和参数监测单元(7-1);
U形反应器主体(1)的外部设置有保温层(2-1);U形反应器主体(1)与保温层(2-1) 之间放置有电阻丝(2-2);U形反应器主体(1)的顶端设置有活动式反应器盖(1-1)，所 述活动式反应器盖(1-1)的中间设置有出气管(1-2);U形反应器主体(1)的中间位置开 有排水口(1-4);U形反应器主体(1)的排水口(1-4)下方设置有取样口(1-5);U形 反应器主体(1)的取样口下方开有曝气输入口(1-7);U形反应器主体(1)的底部开有 放空管(1-8);U形反应器主体(1)的上半部分设置有一号传感器入口(1-9)、二号传感 器入口(1-10)和三号传感器入口(1-11);U形反应器主体(1)上位于三号传感器入口 的下方开有酸碱度输入口(1-3);U形反应器主体(1)的酸碱度输入口(1-3)的下方开 有进水口(1-6);
保温层(2-1)上的开口位置、开口大小分别与U形反应器主体(1)的开口位置、开 口大小相同;
电阻丝(2-2)的两端分别与温度控制单元(6-1)的两个供电端连接;放空管(1-8) 的一端设置有封堵;取样口(4-1)外接截止阀;
进酸计量泵(3-4)的出液端和进碱计量泵(3-5)的出液端同时与U形反应器主体(1) 的酸碱度输入口(1-3)连通;进酸计量泵(3-4)的入液端与装有酸的存酸瓶(3-6)连通; 进酸计量泵(3-4)的控制端与PH控制单元(6-2)的酸控制端连接;进碱计量泵(3-5) 的入液端与装有碱的存碱瓶(3-7)连通;进碱计量泵(3-5)的控制端与PH控制单元(6-2) 的碱控制端连接;
进水计量泵(3-2)的控制端与序批运行控制单元(6-3)的进水控制端连接;进水计量 泵(3-2)的输出端与U形反应器主体(1)的进水口(1-6)连通，进水计量泵(3-2)的 输入端与装有水的进水箱(3-1)连通;
U形反应器主体(1)的进水口(1-6)与进水滤头(3-3)的一端连通;进水滤头(3-3) 和膜片曝气头(5-4)设置在U形反应器主体(1)内部，且进水滤头(3-3)位于膜片曝气 头(5-4)的正上方，进水滤头(3-3)的出水面与膜片曝气头(5-4)的出气面相对放置;
膜片曝气头(5-4)的一端与止回阀(5-3)的一端连通;止回阀(5-3)的另一端与气 体流量计(5-2)的一端连通，气体流量计(5-2)的另一端与气泵(5-1)的一端连通;气 泵(5-1)的控制端与序批运行控制单元(6-3)的曝气控制端连接;
排水管(4-1)的一端与U形反应器主体(1)的排水口(1-4)连通;排水管(4-1)的 中间部位设置有电磁阀(4-2);电磁阀(4-2)的控制端与序批运行控制单元(6-3)的排水 控制端连接;排水管(4-1)的另一端与出水箱(4-3)连通;
在线PH传感器(7-2)的输出端与参数监测单元(7-1)的在线PH传感器输入端连接; 溶解氧传感器(7-3)的输出端与参数监测单元(7-1)的溶解氧传感器输入端连接;温度传 感器(7-4)的输出端与参数监测单元(7-1)温度传感器输入端连接;在线PH传感器(7-2) 的输入端、溶解氧传感器(7-3)的输入端和温度传感器(7-4)的输入端分别插入U形反 应器主体(1)的一号传感器入口(1-9)、二号传感器入口(1-10)和三号传感器入口(1-11)。
2.根据权利要求1所述的一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置，其特征在于，U形 反应器主体(1)的高径比为14:1。
3.根据权利要求1所述的一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置，其特征在于：膜片曝 气头(5-4)采用的是盘式膜片微孔曝气头。
4.利用权利要求1所述的一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗粒污 泥的培养方法，其特征在于，该培养方法包括以下步骤：
步骤一、打开活动式反应器盖(1-1)，向反应器内加入Xmg的接种污泥，X等于污泥 浓度与反应器体积的乘积;
步骤二、向反应器内注入反应器进水，使反应器内的污泥浓度在2000mg SS/L～3000mg SS/L;
步骤三、设定反应器内的温度范围;温度控制单元(6-1)根据该温度控制范围控制电 阻丝发热，使反应器内的温度值维持在该温度范围内;
步骤四、PH控制单元(6-2)判断反应器内的实际PH值是否大于PH设定值，如果是， 执行步骤六，否则执行步骤五;
步骤五、PH控制单元(6-2)控制进碱计量泵(3-5)向反应器内注入碱，使反应器内 的pH值达到PH设定值±0.1，然后执行步骤七;
步骤六、PH控制单元(6-2)控制进酸计量泵(3-4)向反应器内注入酸，使反应器内 的pH值达到PH设定值±0.1，然后执行步骤七;
步骤七、通过序批运行控制单元(6-3)设定反应器序批运行次序、进水时间、曝气时 间、沉淀时间、排水时间和容积交换率;
步骤八、通过调整气体流量计(5-2)使得曝气量在100mL/min～200mL/min之间;开 始进入培养阶段;
在培养过程中每天检测一次反应器排出的水中的氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓 度，观察反应器内污泥的形态，是否出现颗粒污泥;当反应器内出现颗粒污泥时，通过序 批运行控制单元(6-3)将沉淀时间调整为1min～5min，同时，通过气体流量计(5-2)调 整曝气量使得反应器内的溶解氧在1mg/L～2mg/L之间;然后继续培养阶段，当反应器出水 中的氨氮、硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓度在0mg/L～50mg/L时，全自养脱氮颗粒污泥培养 完成。
5.根据权利要求4所述的利用一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗 粒污泥的培养方法，其特征在于，
步骤二中的所述反应器进水的水质中的元素浓度及水质的酸碱度分别为：氨氮浓度在 200mg-N/L～500mg-N/L，碳氮比在0～0.5之间，碱度在3000mg/L～5000mg/L，钙离子浓 度在100mg/L～200mg/L，PH在7.5～8.0之间。
6.根据权利要求4所述的利用一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗 粒污泥的培养方法，其特征在于，
步骤一中的污泥浓度在2000mg SS/L～3000mg SS/L之间，反应器体积的大小与反应器 自身有关;步骤三中的反应器的温度范围为30℃～35℃;步骤五和步骤六中的PH设定值为 7.5。
7.根据权利要求4所述的利用一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗 粒污泥的培养方法，其特征在于，
步骤七中所述的通过序批运行控制单元(6-3)设定反应器序批运行次序、进水时间、 曝气时间、沉淀时间、排水时间和容积交换率的具体设置如下：
所述序批运行次序具体为进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-沉淀-排水;
所述进水是由序批运行控制单元(6-3)控制进水计量泵(3-2)实现，所述曝气是由序 批运行控制单元(6-3)控制气泵(5-1)实现，所述排水是由序批运行控制单元(6-3)控 制排水电磁阀(4-2)实现;
进水时间与曝气时间的比值为1:2，沉淀时间为5min～10min，排水时间为一个培养周 期排一次水;反应器排水容积交换率为10%～20%。
8.根据权利要求4所述的利用一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗 粒污泥的培养方法，其特征在于，
接种污泥是厌氧氨氧化菌富培物或者是活性污泥。
9.根据权利要求5所述的利用一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置实现全自养脱氮颗 粒污泥的培养方法，其特征在于，
反应器进水的氨氮浓度是通过采用加入硫酸铵的方法实现的;反应器进水的碱度是通 过采用加入碳酸氢钠的方法实现的，该碱度以碳酸钙计;反应器进水的钙离子浓度是通过 采用加入氯化钙的方法实现的;碳氮比是通过加入硫酸铵的方法实现的。
说明书
一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置及方法
技术领域
本发明涉及污水生物处理技术领域，特别涉及氮素污染的处理技术。
背景技术
随着氮素污染的日益严重和人类社会对环境质量要求的不断提高，废水生物脱氮技术 引起了世界各国的广泛关注，已成为水污染控制的重要研究方向。传统基于硝化反硝化作 用的活性污泥法在污水脱氮上起到一定的作用，但由于其流程长，动力消耗大，运行成本 高以及抗冲击负荷能力弱等缺点，不符合当代“可持续发展”、“节能减排”的要求，亟待 寻求发展新型高效污水脱氮工艺。
基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮工艺是近几年新兴的污水脱氮工艺。其主要通过好氧 氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的合作，首先在好氧条件下，好氧氨氧化菌将一半的氨氮氧化为 亚硝酸盐氮，然后在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以剩余的氨氮为电子供体，以生成的亚硝 酸盐氮为电子受体，直接转为氮气，从而达到脱氮的目的。该工艺由于具有降低能耗、无 需外加碳源等优点，受到了人们的广泛关注，被认为是一种极具前景的新型污水脱氮技术。
好氧颗粒污泥是活性污泥微生物通过自固定最终形成结构紧凑、外形规则的生物聚集 体。它具有相对密实的微观结构、优良的沉淀性能、较高浓度的污泥截留和多样的微生物 种群结构。因此，相比于传统的活性污泥，好氧颗粒污泥可降低污泥沉淀系统的要求，减 少剩余污泥的排放，提高工艺的抗冲击负荷能力等优点，在废水生物处理中具有非常广阔 的应用前景。
目前，将好氧颗粒污泥技术应用于污水脱氮的报道屡见不鲜，诸如采用好氧颗粒污泥 实现同步硝化反硝化脱氮技术、实现短程硝化反硝化脱氮技术等。然而，将厌氧氨氧化技 术和好氧颗粒污泥技术相结合，发挥各自的优势完成污水脱氮的报道很少。其主要原因在 于：基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮工艺要求微氧环境，从而保证厌氧氨氧化菌的存活和 对亚硝酸盐氧化菌的抑制，而好氧颗粒污泥的形成需要满足一定的水力条件，即较强的水 流剪切力，这种水流剪切力一般是通过强曝气实现的。基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮工 艺中的絮体污泥粒径小，从而导致培养源的污泥浓度低，而且污泥沉降性能差，这些原因 最终导致厌氧氨氧化工艺处理效率低以及运行稳定性比较差。因此，研究开发基于厌氧氨 氧化的全程自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置及方法是当前研究的重点和难点。
发明内容
本发明是为了解决现有基于厌氧氨氧化的全程自养脱氮方法中絮体污泥粒径小使得污 泥浓度低、污泥沉降性能差最终导致厌氧氨氧化脱氮方法的脱氮效率低以及运行稳定性差 的问题。本发明提供一种全自养脱氮好氧颗粒污泥的培养装置和方法。
一种全自养脱氮颗粒污泥的培养装置，该装置包括U形反应器主体、保温系统、进水 系统、排水系统、曝气系统、自动控制系统和参数监控系统;
保温系统包括保温层和电阻丝;
进水系统包括装有水的进水箱、进水计量泵、进水滤头、进酸计量泵、进碱计量泵、 装有酸的存酸瓶和装有碱的存碱瓶;
排水系统包括排水管、电磁阀和出水箱;
曝气系统包括气泵、气体流量计、止回阀和膜片曝气头;
自动控制系统包括温度控制单元、PH控制单元和序批运行控制单元;
参数监控系统包括在线PH传感器、溶解氧传感器、温度传感器和参数监测单元;
U形反应器主体的外部设置有保温层;U形反应器主体与保温层之间放置有电阻丝; U形反应器主体的顶端设置有活动式反应器盖，所述活动式反应器盖的中间设置有出气管; U形反应器主体的中间位置开有排水口;U形反应器主体的排水口下方设置有取样口;U 形反应器主体的取样口下方开有曝气输入口;U形反应器主体的底部开有放空管;U形 反应器主体的上半部分设置有一号传感器入口、二号传感器入口和三号传感器入口;U形 反应器主体上位于三号传感器入口的下方开有酸碱度输入口;U形反应器主体的酸碱度输 入口的下方开有进水口;
保温层上的开口位置、开口大小分别与U形反应器主体的开口位置、开口大小相同;
电阻丝的两端分别与温度控制单元的两个供电端连接;放空管的一端设置有封堵;取 样口外接截止阀;
进酸计量泵的输出端和进碱计量泵的输出端同时与U形反应器主体的酸碱度输入口连 通;进酸计量泵的输入端与装有酸的存酸瓶连通;进酸计量泵的控制端与PH控制单元的 酸控制端连接;进碱计量泵的输入端与装有碱的存碱瓶连通;进碱计量泵的控制端与PH 控制单元的碱控制端连接;
进水计量泵的控制端与序批运行控制单元的进水控制端连接;进水计量泵的输出端与U 形反应器主体的进水口连通，进水计量泵的输入端与装有水的进水箱连通;
U形反应器主体的进水口与进水滤头的一端连通;进水滤头和膜片曝气头设置在U形 反应器主体内部，且进水滤头位于膜片曝气头的正上方，进水滤头的出水面与膜片曝气头 的出气面相对放置;
膜片曝气头的一端与止回阀的一端连通;止回阀的另一端与气体流量计的一端连通， 气体流量计的另一端与气泵的一端连通;气泵的控制端与序批运行控制单元的曝气控制端 连接;
排水管的一端与U形反应器主体的排水口连通;排水管的中间部位设置有电磁阀;电 磁阀的控制端与序批运行控制单元的排水控制端连接;排水管的另一端与出水箱连通;
在线PH传感器的输出端与参数监测单元的在线PH传感器输入端连接;溶解氧传感器 的输出端与参数监测单元的溶解氧传感器输入端连接;温度传感器的输出端与参数监测单 元温度传感器输入端连接;在线PH传感器的输入端、溶解氧传感器的输入端和温度传感 器的输入端分别插入U形反应器主体的一号传感器入口、二号传感器入口和三号传感器入 口。
U形反应器主体的高径比为14:1。
膜片曝气头采用的是盘式膜片微孔曝气头。
该培养方法包括以下步骤：
步骤一、打开活动式反应器盖，向反应器内加入Xmg的接种污泥，X等于污泥浓度与 反应器体积的乘积;
步骤二、向反应器内注入反应器进水，使反应器内的污泥浓度达到200mg/L～300mg/L;
步骤三、设定反应器内的温度范围;温度控制单元根据该温度控制范围控制电阻丝发 热，使反应器内的温度值维持在该温度范围内;
步骤四、PH控制单元判断反应器内的实际PH值是否大于PH设定值，如果是，执行 步骤六，否则执行步骤五;
步骤五、PH控制单元控制进碱计量泵向反应器内注入碱，使反应器内的pH值达到7.5 ±0.1，然后执行步骤七;
步骤六、PH控制单元6-2控制进酸计量泵向反应器内注入酸，使反应器内的pH值达 到7.5±0.1，然后执行步骤七;
步骤七、通过序批运行控制单元设定反应器序批运行次序、进水时间、曝气时间、沉 淀时间、排水时间和容积交换率;
步骤八、通过调整气体流量计使得曝气量在100mL/min～200mL/min之间;开始进入培 养阶段;
在培养过程中每天检测一次反应器排出的水中的氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮的浓 度，观察反应器内污泥的形态，是否出现颗粒污泥;当反应器内出现颗粒污泥时，通过序 批运行控制单元将沉淀时间调整为1min～5min，同时，通过气体流量计调整曝气量使得反 应器内的溶解氧在1mg/L～2mg/L之间;然后继续培养阶段，当反应器出水中的氨氮、硝酸 盐氮以及硝酸盐氮的浓度在0mg/L～50mg/L时，全自养脱氮颗粒污泥培养完成。
步骤二中的所述反应器进水的水质中的元素浓度及水质的酸碱度分别为：氨氮浓度在 200mg-N/L～500mg-N/L，碳氮比在0～0.5之间，碱度在3000mg/L～5000mg/L，钙离子浓 度在100mg/L～200mg/L，PH在7.5～8.0之间。
步骤一中的污泥浓度在2000mg SS/L～3000mg SS/L之间，反应器体积的大小与反应器 自身有关;步骤三中的反应器的温度范围为30℃～35℃;步骤五和步骤六中的PH设定值为 7.5。
步骤七中所述的通过序批运行控制单元6-3设定反应器序批运行次序、进水时间、曝气 时间、沉淀时间、排水时间和容积交换率的具体设置如下：
所述序批运行次序具体为进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-进水-曝气-沉淀-排水;
所述进水是由序批运行控制单元6-3控制进水计量泵3-2实现，所述曝气是由序批运行 控制单元6-3控制气泵5-1实现，所述排水是由序批运行控制单元6-3控制排水电磁阀4-2 实现;
进水时间与曝气时间的比值为1:2，沉淀时间为5min～10min，排水时间为一个培养周期排 一次水;反应器排水容积交换率为10%～20%。
接种污泥是厌氧氨氧化菌富培物或者是活性污泥。
反应器进水的氨氮浓度是通过采用加入硫酸铵的方法实现的;反应器进水的碱度是通 过采用加入碳酸氢钠的方法实现的，该碱度以碳酸钙计;反应器进水的钙离子浓度是通过 采用加入氯化钙的方法实现的;碳氮比是通过加入硫酸铵的方法实现的。
本发明的有益效果如下：
1、采用本发明提出的装置及方法，以活性污泥为培养源，成功培养出全自养脱氮颗粒 污泥。利用好氧颗粒污泥较高的污泥浓度和优良的沉降性能，提高了工艺的脱氮效率，同 时利用颗粒污泥较大的粒径和较大的厌氧区，为厌氧氨氧化菌提供稳定的生存环境，提高 了工艺的稳定性。
2、本发明培养的全自养脱氮颗粒污泥，相比于硝化反硝化工艺，能够节约60%的曝气 量，100%的有机碳源;相比于活性污泥工艺，能够减少90%的污泥产量，并具有较好的抗 冲击能力。
