申请日2015.12.29
公开(公告)日2016.05.04
IPC分类号C02F3/30
摘要
低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置及其应用方法，它属于污水生物处理技术领域。它要解决传统城市污水处理厂存在能耗高、碳排放量大、不经济节约的问题。装置包括城市污水原水箱、厌氧反应器、缺氧反应器、第一段短程硝化反应器、第一段厌氧氨氧化反应器、第二段短程硝化反应器、第二段厌氧氨氧化反应器、沉淀池和出水管。方法：一、单独培养阶段;二、启动阶段;三、连续运行。本发明综合利用了反硝化除磷、短程硝化和厌氧氨氧化三种功能细菌，建立起了城市污水连续流自养脱氮工艺;本发明保证了系统脱氮除磷的高效性和稳定性;节省了有机碳源和曝气量，减少了剩余污泥的排放量，降低了运行能耗费用，降低了温室气体排放。
摘要附图
权利要求书
1.低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置，其特征在于它包括依次连接的城市污水原水箱(1)、厌氧反应器(2)、缺氧反应器(3)、第一段短程硝化反应器(4)、第一段厌氧氨氧化反应器(5)、第二段短程硝化反应器(6)、第二段厌氧氨氧化反应器(7)、沉淀池(8)和出水管(9);
所述各反应器之间以硅胶管连接，采用重力流的方式进行污水的流动;所述的城市污水原水箱(1)上设置进水管(22)、溢流管(23)和放空管(24);所述的城市污水原水箱(1)和厌氧反应器(2)之间采用进水泵(11)连接;所述的厌氧反应器(2)、缺氧反应器(3)、第一段短程硝化反应器(4)、第一段厌氧氨氧化反应器(5)、第二段短程硝化反应器(6)和第二段厌氧氨氧化反应器(7)均设有搅拌器(10)和取样口(25);第一段短程硝化反应器(4)和第二段短程硝化反应器(6)的底部均设有曝气装置和DO传感器(21)，曝气装置由空气压缩机(13)通过空气转子流量计(17)与黏砂块曝气头(16)连通，DO传感器(21)由数据线与DO测定仪(20)连接;第一段厌氧氨氧化反应器(5)和第二段厌氧氨氧化反应器(7)的外部均设置污泥内循环泵(15)，内部均采用海绵填料(26)进行填充;沉淀池(8)底部通过回流污泥控制阀(18)和污泥外回流泵(14)与缺氧反应器(3)连通，剩余污泥通过剩余污泥排放控制阀(19)排出系统;缺氧反应器(3)的污泥内回流管路上设置污泥内回流泵(12)与厌氧反应器(2)连通。
2.如权利要求1所述低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的应用方法，其特征在于它按以下步骤进行：
一、单独培养阶段：
接种城市污水厂二沉池的活性污泥于两个SBR序批式反应器中，使污泥浓度为2500～3500mg/L，并以实时控制的方式快速淘洗NOB，实现城市污水的短程硝化，稳定运行30d，富集得到AOB;
接种普通除磷污泥于两个SBR序批式反应器中，接种污泥浓度为3000～4000mg/L，逐渐改变电子受体培养出能够适应较高FNA浓度的DPAOs;
在两个连续运行的CSTR反应器中加入海绵填料，然后接种Anammox污泥，富集培养至挂膜厚度达到0.2～0.5mm;
将上述富集到三类细菌的反应器，按照改良UCT多级A/O工艺的形式进行组合;
二、启动阶段：
城市污水原水箱(1)中的城市污水经进水泵(11)通入厌氧反应器(2)，以城市污水协同培养三类细菌的富集物，控制污泥外回流比为50%～150%，污泥内回流比为80%～120%， 第一段短程硝化反应器(4)和第二段短程硝化反应器(6)内溶解氧浓度均为0.2～0.5mg/L，水温为30～35℃，HRT为8～16h，通过排放剩余污泥控制系统污泥龄为15～20d，当系统的氮去除负荷达到1.0mg/m3/d时，则系统启动成功;
三、连续运行：
当系统启动成功后，调整缺好氧容积比、HRT和系统污泥龄，以低溶解氧浓度和缺好氧交替运行的方式确保系统短程硝化的稳定性，进而实现系统高效的自养脱氮性能，达到稳定的出水效果，实现系统长期稳定运行后，可按照35℃→30℃→25℃→20℃→15℃→10℃的方式逐渐降低系统的运行温度，实现低温下的低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的稳定运行。
3.根据权利要求2所述的低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的应用方法，其特征在于步骤一中接种城市污水厂二沉池的活性污泥于两个SBR序批式反应器中，使污泥浓度为3000mg/L。
4.根据权利要求2所述的低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的应用方法，其特征在于步骤一中普通除磷污泥来源于高碑店城市污水处理厂二沉池。
5.根据权利要求2所述的低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的应用方法，其特征在于步骤一中接种普通除磷污泥于两个SBR序批式反应器中，接种污泥浓度为3500mg/L。
6.根据权利要求2所述的低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的应用方法，其特征在于步骤一中Anammox污泥来源于北京排水集团污泥消化液Anammox示范工程。
7.根据权利要求2所述的低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的应用方法，其特征在于步骤一中所述逐渐改变电子受体培养出能够适应较高FNA浓度的DPAOs的具体过程为：
1、采用厌/好氧的运行方式，进行普通聚磷菌的富集培养，污泥龄控制在10～15d;
2、采用厌/缺氧运行方式，通过在缺氧阶段投加硝酸盐氮，逐步将好氧吸磷转变为缺氧吸磷，培养出以NO3-为电子受体的DPAOs，并逐步提高负荷，强化DPAOs的富集;
3、逐渐减少缺氧段的硝酸盐氮的投加量，同时提高亚硝酸盐投加量，富集培养出能以NO2-为电子受体的反硝化聚磷菌，并逐步提高负荷，获得能够适应较高FNA浓度的DPAOs。
8.根据权利要求2所述的低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的应用方法，其特征在于步骤一中所述海绵填料的尺寸为2cm×2cm×2cm，填充比为30%～50%。
9.根据权利要求2所述的低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的应用方法， 其特征在于步骤一中所述富集培养至挂膜厚度达到0.2～0.5mm的具体过程为：采用配水培养，富集到Anammox细菌的丰度为1010～1012copies/g·MLVSS后，然后将进水逐渐转变为城市污水，在水温30～35℃，进水流量8～16L/h的条件下富集培养至挂膜厚度达到0.2～0.5mm。
10.根据权利要求2所述的低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的应用方法，其特征在于步骤二中所述的HRT为8～16h，具体的HRT要根据出水NH4+浓度和出水NO2-浓度进行调节，当出水NH4+浓度为10mg·N/L时，控制HRT为12～16h，当出水NO2-浓度为10mg·N/L时，控制HRT为8～12h，当出水NH4+浓度和出水NO2-浓度均大于10mg·N/L时，检查系统中的Anammox细菌是否受到抑制，若受到抑制应及时停止连续运行，恢复步骤一单独富集培养，当出水NH4+浓度和出水NO2-浓度均不足10mg·N/L时，保持系统在当前的HRT下运行。
说明书
低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置及其应用方法
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种连续流反硝化除磷和短程硝化厌氧氨氧化技术处理低碳源城市污水的同步脱氮除磷方法，
背景技术
全球变暖和环境污染是当前国际关心的热点话题。对于污水生物处理，在防止氮磷排放导致水体富营养化的同时，如何节约能耗和降低温室气体的排放成了行业发展急需解决的关键问题。传统的污水生物脱氮工艺，大多基于好氧硝化和异养反硝化开发的工艺(典型的代表如A/O、A2/O工艺)。好氧硝化过程中，需要充足的曝气保证氨氧化菌(AOB,Ammoniaoxidationbacteria)和亚硝化氧化菌(NOB,Nitriteoxidationbacteria)的正常生长代谢，以实现氨氮(NH4+)向亚硝态氮(NO2-)和硝态氮(NO3-)的转化;反硝化过程中，为实现高效脱氮，通常需要投加大量的外碳源(如甲醇)以实现NO3-和NO2-向氮气(N2)的转化。可见，在传统生物脱氮过程中，需要耗费大量的能源和碳源。此外，在好氧硝化和异养反硝化的过程中，由于不利条件(如低溶解氧(DO)、NO2-积累、低C/N比)的诱导，会明显释放强温室气体N2O。据报道，N2O的温室效应比CO2强200～300倍，过去20年全球对流层中N2O的浓度以每年0.25%的速率增长。因此，面向节能减排(特指节约曝气能耗、降低温室气体释放)的污水生物处理技术将会顺应行业的发展，成为新一代主流的工艺。
厌氧氨氧化(Anaerobicammoniumoxidation,Anammox)的发现，使低能耗、可持续污水处理技术成为可能。厌氧氨氧化自养脱氮工艺需要将部分的NH4+氧化为NO2-，而后得到的NO2-再氧化剩余部分的NH4+，最终达到脱氮的目的。此过程中只需消耗0.8mol的O2;仅以CO2作为碳源，无需有机物的消耗;由于是全程自养脱氮，所以污泥产生量低，1mol氨氮的去除仅生成3g生物体。通过以上的分析，可以看出与传统生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化自养脱氮技术可节省100%的有机碳源消耗，可节省60%的曝气量，从而降低工艺的直接能耗和运行费用;同时污泥产量少，可以减少污泥处置费用;此外，厌氧氨氧化菌以二氧化碳作为碳源，且代谢途径中没有N2O等中间产物，因此可以减少温室气体的排放。随着对生物脱氮除磷工艺研究的不断深入，人们发现有一部分聚磷菌能够以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体，在进行反硝化的同时完成过量吸磷，实现“一碳两用”，从而可降低生物脱氮除磷对有机碳源的需求量。尤其是以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除 磷则能进一步节省脱氮除磷对有机碳源的需求量，同时还可以降低脱氮除磷过程的能耗，并且避免有机物的存在对厌氧氨氧化菌的抑制作用。因此，同时实现短程硝化/厌氧氨氧化与反硝化除磷，可充分利用原水碳源，同时还可以降低运行能耗，降低温室气体排放，最终实现低碳源城市污水高效脱氮除磷的目的。
发明内容
本发明目的是为了解决传统城市污水处理厂为实现出水水质达标通常采用过量曝气、过量投加碳源的运行方式，故而造成了污水处理能耗高、碳排放量大、不经济节约的问题，而提供低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置及其应用方法。
本发明低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置，它包括依次连接的城市污水原水箱、厌氧反应器、缺氧反应器、第一段短程硝化反应器、第一段厌氧氨氧化反应器、第二段短程硝化反应器、第二段厌氧氨氧化反应器、沉淀池和出水管;
所述各反应器之间以硅胶管连接，采用重力流的方式进行污水的流动;所述的城市污水原水箱上设置进水管、溢流管和放空管;所述的城市污水原水箱和厌氧反应器之间采用进水泵连接;所述的厌氧反应器、缺氧反应器、第一段短程硝化反应器、第一段厌氧氨氧化反应器、第二段短程硝化反应器和第二段厌氧氨氧化反应器均设有搅拌器和取样口;第一段短程硝化反应器和第二段短程硝化反应器的底部均设有曝气装置和DO传感器，曝气装置由空气压缩机通过空气转子流量计与黏砂块曝气头连通，DO传感器由数据线与DO测定仪连接;第一段厌氧氨氧化反应器和第二段厌氧氨氧化反应器的外部均设置污泥内循环泵，内部均采用海绵填料进行填充;沉淀池底部通过回流污泥控制阀和污泥外回流泵与缺氧反应器连通，剩余污泥通过剩余污泥排放控制阀排出系统;缺氧反应器的污泥内回流管路上设置污泥内回流泵与厌氧反应器连通。
本发明中的厌氧反应器：城市污水通过进水泵的抽吸作用与内回流污泥同时进入厌氧反应器，与厌氧反应器内的泥水混合液进行混合。在厌氧条件下，聚磷菌大量吸收原水中可生物降解的有机物，并以内碳源PHB的形式储存在生物体内，同时向水体中释放大量的溶解性正磷酸盐。
本发明中的缺氧反应器：沉淀池回流污泥在污泥外回流泵的作用下与厌氧反应器的泥水混合液同时进入缺氧反应器。在搅拌器的搅拌作用下异养反硝化细菌利用污水中剩余的有机物将回流污泥携带的少量硝态氮和亚硝态氮进行反硝化反应，同时部分反硝化除磷菌以硝态氮或亚硝态氮为电子受体，以厌氧条件下储存在细胞体内的PHB为电子供体完成反硝化除磷反应，实现氮磷的同步去除。
本发明中的第一段短程硝化反应器：缺氧反应器的泥水混合液出水直接进入第一段短程硝化反应器。在曝气的作用下，异养菌利用氧气将剩余的少量有机物进行氧化分解，同时AOB将原水中的部分NH4+氧化为NO2-，为后续厌氧氨氧化反应提供底物，聚磷菌(包括反硝化聚磷菌)利用氧气为电子受体发生好氧吸磷反应。曝气量的大小根据运行状态和进出水的水质情况运用转子流量计进行调节，控制反应器内的溶解氧浓度为0.2～0.5mg/L，同时控制第一段短程硝化反应器出水中的NH4+浓度大于NO2-浓度，若NH4+浓度低于NO2-浓度，则降低第一段好氧区的水力停留时间。
本发明中的第一段厌氧氨氧化反应器：第一段短程硝化反应器的泥水混合液出水直接进入第一段厌氧氨氧化反应器。在搅拌器的搅拌作用下，海绵填料上挂膜的厌氧氨氧化菌利用NH4+和NO2-发生厌氧氨氧化反应，进行脱氮。开启污泥内循环泵促进第一段厌氧氨氧化反应器内部污泥的混合均匀。检测反应器出水NO2-浓度，若出水中还含有NO2-，则延长第一段厌氧氨氧化反应器的水力停留时间。
本发明中的第二段短程硝化反应器：功能同第一段短程硝化反应器，第一段的厌氧氨氧化反应器的泥水混合液出水直接进入第二段短程硝化反应器。在曝气的作用下，AOB将剩余的NH4+部分氧化为NO2-，发生半短程硝化反应器，为第二段厌氧氨氧化细菌提供底物。同样控制反应器内的溶解氧浓度为0.2～0.5mg/L，并控制第二段短程硝化反应器出水中的NH4+浓度大于NO2-浓度，若NH4+浓度低于NO2-浓度，则降低第二段好氧区的水力停留时间。
本发明中的第二段厌氧氨氧化反应器：功能同第一段厌氧氨氧化反应器。在搅拌器和污泥内循环泵的作用下，海绵填料上的厌氧氨氧化细菌利用原水中剩余的NH4+和NO2-发生厌氧氨氧化反应。监测反应器出水NH4+浓度和NO2-浓度，若出水中还含有NO2-，则延长第二段厌氧氨氧化反应器的水力停留时间，若出水中还含有NH4+，则延长短程硝化反应器的水力停留时间。
本发明中的沉淀池：第二段厌氧氨氧化反应器的泥水混合液出水进入沉淀池进行泥水分离，上清液外排，污泥沉淀在污泥斗，回流污泥经过污泥外回流泵回流至缺氧反应器，剩余污泥经剩余污泥排放控制阀排出系统外。
上述低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的应用方法，按以下步骤进行：
一、单独培养阶段：
接种城市污水厂二沉池的活性污泥于两个SBR序批式反应器中，使污泥浓度为2500～3500mg/L，并以实时控制的方式快速淘洗NOB(亚硝酸氧化细菌)，实现城市污水 的短程硝化，稳定运行30d后，富集得到AOB(氨氧化细菌);
接种普通除磷污泥于两个SBR序批式反应器中，接种污泥浓度为3000-4000mg/L，逐渐改变电子受体培养出能够适应较高FNA(游离亚硝酸)浓度的DPAOs(反硝化除磷菌);
在两个连续运行的CSTR反应器中加入海绵填料，然后接种Anammox污泥，富集培养至挂膜厚度达到0.2～0.5mm;
将上述富集到三类细菌的反应器，按照改良UCT多级A/O工艺的形式进行组合;
二、启动阶段：
城市污水原水箱中的城市污水经进水泵通入厌氧反应器，以城市污水协同培养三类细菌的富集物，控制污泥外回流比为50%～150%，污泥内回流比为80%～120%，第一段短程硝化反应器和第二段短程硝化反应器内溶解氧浓度均为0.2～0.5mg/L，水温为30～35℃，HRT(水力停留时间)为8～16h，通过排放剩余污泥控制系统污泥龄为15～20d，当系统的氮去除负荷达到1.0mg/m3/d时，则系统启动成功;
三、连续运行：
当系统启动成功后，调整缺好氧容积比、HRT和系统污泥龄，以低溶解氧浓度和缺好氧交替运行的方式确保系统短程硝化的稳定性，进而实现系统高效的自养脱氮性能，达到稳定的出水效果，实现系统长期稳定运行后，可按照35℃→30℃→25℃→20℃→15℃→10℃的方式逐渐降低系统的运行温度，实现低温下的低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置的稳定运行。
本发明采用先单独富集培养再组合连续运行的方式进行连续流改良UCT自养脱氮除磷工艺的启动。系统启动后，低碳源城市污水首先进入厌氧反应器，在厌氧条件下，聚磷菌利用进水中的COD完成PHB的储存和释磷;然后进入缺氧反应器，发生反硝化吸磷反应，进行氮磷的同步去除;接着依次进入两段短程硝化/厌氧氨氧化反应器，控制短程硝化反应器内溶解氧浓度为0.2～0.5mg/L，以低溶解氧和缺好氧交替的方式稳定维持系统的短程硝化，为后续厌氧氨氧化菌反应提供生长所需的底物，同时以自养脱氮的方式实现污水氮的去除。本发明综合利用了反硝化除磷、短程硝化和厌氧氨氧化三种功能细菌，建立起了城市污水连续流自养脱氮工艺，具有高效稳定，节能减排，污泥产量少等优点。
本发明低碳源城市污水改良UCT自养脱氮除磷装置及应用，与现有传统生物脱氮除磷工艺相比，具有以下优势：
(1)利用反硝化除磷菌和厌氧氨氧化菌进行脱氮除磷，解决了低碳源城市污水进水 碳源不足的问题，保证了系统脱氮除磷的高效性和稳定性;
(2)原水中的有机物主要用于反硝化除磷过程，避免了有机物的存在对后续厌氧氨氧化菌的影响，同时也节约了曝气能耗;
(3)节省了有机碳源和曝气量，减少了剩余污泥的排放量，降低了运行能耗费用。Anammox菌是自养菌，以CO2为无机碳源，生长缓慢，且污泥产率低，降低了污泥处理的成本，同时短程硝化采用低溶解氧的方式进行维持，曝气能耗大大节省，反硝化除磷菌具有“一碳两用”的特点，同时具备脱氮和除磷的作用;
(4)出水效果稳定，温室气体排放少。本发明考虑到自养脱氮具有一定的硝酸盐产物，利用反硝化除磷进一步降低水体中的总氮，保证出水总氮达标，效果稳定;短程硝化厌氧氨氧化自养脱氮以无机碳为碳源，同时厌氧氨氧化菌代谢过程中无N2O生成，因此本工艺温室气体排放少。
