申请日2015.07.27
公开(公告)日2015.10.21
IPC分类号C02F3/30; C02F101/10; C02F101/16; C02F3/34
摘要
一种低碳氮比城市生活污水脱氮除磷联合剩余污泥发酵的装置和方法，属于城市生活污水生物处理技术领域。该系统包括原水池、A/O反应器、二沉池、中间水箱、储泥池、剩余污泥发酵耦合反硝化同步厌氧氨氧化自养脱氮序批式反应器(SFDA-SBR)、计算机;原水池分别同A/O反应器进水端与SFDA-SBR的进水端连接，二沉池的排泥端分别与A/O反应器首格室回流污泥端及储泥池的注泥端连接，储泥池的排泥端与SFDA-SBR的注泥端连接。其方法为：低C/N比城市生活污水首先由原水池进入A/O反应器进行硝化反应和除磷，A/O反应器排水进入中间水箱，而后同剩余污泥以及低C/N比生活污水一起进入SFDA-SBR。本发明有利于实现深度脱氮，所需碳源来源于剩余污泥发酵产生的有机物，因而具有污泥减量的作用。
权利要求书
1.一种低碳氮比城市生活污水脱氮除磷联合剩余污泥发酵的处理装置，其 特征在于：包括原水池(1)、A/O反应器(2)、原水进水泵I(2.1)、搅拌装置I (2.2)、曝气头(2.3)、空气压缩机(2.4)、气体流量计(2.5)、二沉池(3)、二 沉池出水管(3.1)、污泥回流泵(3.2)、剩余污泥泵(3.3)、中间水箱(4)、储 泥池(5)、SFDA-SBR(6)、硝化液进水泵(6.1)、原水进水泵II(6.2)、进 泥泵(6.3)、搅拌装置II(6.4)、计算机自动控制系统(7)、pH过程在线监 测控制器(7.1)、ORP过程在线监测控制器(7.2)、pH探头(7.3)、ORP探头 (7.4)、温控加热棒(7.5)、温度监测控制器(7.6);
原水池(1)通过原水进水泵I(2.1)和原水进水泵II(6.2)分别与A/O 反应器(2)的进水端和SFDA-SBR(6)的进水端连接;A/O反应器(2)中设 有搅拌装置I(2.2)、曝气头(2.3)、空气压缩机(2.4)、气体流量计(2.5);A/O 反应器(2)的排水端与二沉池(3)的注入端连接，二沉池(3)的排水通过排 水管(3.1)流入中间水箱(3)，二沉池(3)的排泥端通过回流污泥泵(3.2)和 剩余污泥泵(3.3)分别与A/O反应器(2)厌氧区首格室的污泥回流端以及储泥 池(5)的注泥端连接;中间水箱(4)的出水端通过硝化液进水泵(6.1)与 SFDA-SBR(6)的注水端连接，储泥池(5)的排泥端通过进泥泵(6.3)与SFDA-SBR (6)的进泥端连接;SFDA-SBR(6)内部设置pH探头(7.3)、ORP探头(7.4) 和温控加热棒(7.5)，分别与pH过程在线监测控制器(7.1)、ORP过程在线监 测控制器(7.2)和温度监测控制器(7.6)连接，控制器与计算机自动控制系统 (7)连接;
A/O反应器(1)用上下交错设置过水孔的隔板分为6-9个格室，依此设置 有相连通的厌氧区格室与好氧区格室，厌氧区格室分为2-3个格室，设置有搅拌 装置I(2.2)，好氧区格室分为4-6个格室，设置有曝气头(2.3)，由空气压缩机 (2.4)提供空气;
SFDA-SBR(6)内部设置搅拌装置II(6.4)、pH探头(7.3)、ORP探头(7.4) 和温控加热棒(7.5)，探头和加热棒分别通过pH过程在线监测控制器(7.1)、 ORP过程在线监测控制器(7.2)和温度监测控制器(7.6)与计算机自动控制系 统(7)连接;计算机自动控制系统(7)通过在线监测控制器将SFDA-SBR内 部温度控制在30±1℃，其中任一时刻的pH、ORP、温度显示在计算机显示屏上， 并能自动绘制pH、ORP过程变化曲线。
2.应用权利要求1所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)启动A/O反应器：以城市污水处理厂的二沉池排泥为接种污泥注入 A/O反应器，其污泥浓度为2000-4000mg/L，同时，以低C/N比城市生活污水作 为原水注入原水池，通过原水进水泵I打入A/O反应器中;随后启动搅拌系统和 曝气系统，A/O反应器厌氧区格室发生放磷反应，好氧区格室发生硝化吸磷反应， 反应过程中DO维持在2-3mg/L，调节进水流量使A/O反应器厌氧区每格室的水 力停留时间为0.5h～1.0h，好氧区每格室的水力停留时间为1.0h～2.0h，二沉池的 水力停留时间为1.0h～1.5h，打开污泥回流泵和剩余污泥泵，调节污泥回流比为 50%～100%;
(2)启动SFDA-SBR：SFDA-SBR的启动分为三个阶段，阶段一，接种 厌/缺氧污泥系统的污泥，其污泥浓度为3000～4000mg/L;以乙酸钠、硝酸钠的 混合溶液作为原水加入SFDA-SBR，混合液中碳素与氮素的质量比为2～3，在缺 氧条件下搅拌，观测到反应器内pH不断减速上升，ORP不断减速下降，但ORP 值始终大于-300mV，稳定运行到亚硝积累率达到80%以上，实现了部分反硝化 污泥的驯化培养;阶段二，减少进水中乙酸钠的量，以城市污水处理厂剩余污泥 代替减少的乙酸钠，增加剩余污泥的投入量，直至乙酸钠全部被剩余污泥替代; 以剩余污泥发酵产生的挥发性脂肪酸取代乙酸钠作为反硝化的碳源;注入氢氧化 钠溶液控制反应器内pH为8.0～9.0，通过加热棒维持反应器内温度为30℃，实 现反硝化和剩余污泥发酵的耦合;用A/O反应器出水的硝化液代替硝酸钠溶液 作为进水，使得最终亚硝积累率仍达到80%以上;阶段三，向反硝化与剩余污泥 发酵耦合的SFDA-SBR中接种稳定运行十个月以上的厌氧氨氧化污泥使得反应 器内污泥浓度为5000～6000mg/L;向低C/N比生活污水中加入A/O反应器的出 水硝化液，使得氨氮与硝态氮的质量比为1:1.5～1:10，以此作为进水注入 SFDA-SBR，当SFDA-SBR中TN去除率高于90%且持续维持15天以上时，达 到剩余污泥发酵耦合反硝化同步厌氧氨氧化自养脱氮的实现;
(3)串联运行A/O反应器与SFDA-SBR：原水箱中的低C/N比生活污水 通过原水进水泵I打入A/O反应器，污泥浓度为2000-3000mg/L，随后启动搅拌 装置I，调节气体流量计使溶解氧维持在2-3mg/L;A/O反应器出水进入二沉池， 泥水分离后，沉淀污泥回流到A/O反应器的厌氧区首格室的污泥回流端，回流 比控制在50%-100%，上清液通过出水管流入中间水箱，开启连接SFDA-SBR的 两个进水泵，调节泵速，使得原水进水体积与硝化液进水体积比为1:1.5～1:10， 总进水体积为SFDA-SBR有效容积的3/5～4/5，同时，储泥池中的新鲜剩余污泥 通过进泥泵注入SFDA-SBR中，调节泵速，进泥体积为SFDA-SBR有效容积的 1/5-2/5，进水进泥时间0.5h，缺氧搅拌4.5h，沉淀1h，排水0.25h，排水比为0.5～0.7， 每天运行1-2个周期。
说明书
一种低碳氮比城市生活污水脱氮除磷联合剩余污泥发酵装置和方法
技术领域
本发明涉及一种低碳氮比城市生活污水脱氮除磷联合剩余污泥发酵的装 置和方法，属于城市生活污水生物处理技术领域。首先在A/O反应器内实现 除磷和硝化反应，再于SFDA-SBR中在水解酸化菌、反硝化菌和厌氧氨氧化 菌的共同作用下实现污泥的减量和污水总氮的高效去除。本技术适用于低C/N 比(化学需氧量质量浓度与总氮质量浓度的比值)城市生活污水的深度处理。
背景技术
近年来，水体中氮、磷过量导致的富营养化现象日趋严重，水域生态环 境和人类健康受到了严重影响，为此我国对城市污水处理厂的出水水质，尤 其是对出水的氮、磷指标要求更加严格。生物脱氮技术是目前应用最广泛的 污水脱氮技术，原理为通过硝化菌和反硝化菌作用实现氮的去除，但其达到 高效脱氮的关键是充足的碳源。
我国大部分城市生活污水，存在碳源严重不足的问题，其自身的碳源无 法满足脱氮的需求，进而成为污水生物处理总氮不达标的关键原因。国内现 有污水生物处理系统往往通过投加甲醇等外碳源来补充碳源需求，这既增加 了处理成本，又加剧了水厂中CO2的排放和剩余污泥的大量产生。另外，由 于污水生物处理系统的剩余污泥产量大，处理成本高昂，对于一个典型的城 市污水处理系统而言，其污泥处理成本大约占总成本的40%，且剩余污泥的 处理处置容易造成营养元素的二次释放，容易引起二次污染。
厌氧氨氧化工艺是一种经济高效的污水生物脱氮途径，其原理为在缺氧 条件下，厌氧氨氧化菌以亚硝态氮为电子受体，直接将氨氮氧化为氮气，与 传统工艺相比，厌氧氨氧化工艺无需供氧和有机碳源，剩余污泥量低，厌氧 氨氧化菌代谢活性高，工艺容积转化率高。但是厌氧氨氧化反应以亚硝酸盐 为基质，通常需要以短程硝化作为前处理工艺。短程硝化的实现一般需要通 过限制溶解氧、游离氨抑制以及高温运行等使硝化反应只进行到亚硝态氮这 一步，但是在处理低C/N比城市生活污水的实际应用中，由于亚硝酸盐积累 难以维持稳定以及污水升温操作较为困难和经济上的不适宜等条件，短程硝 化经常受到限制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种低碳氮比城市生活污水脱氮除磷联 合剩余污泥发酵的装置和方法，在A/O反应器内进行污水的硝化反应和除磷， 后续通过外源污泥发酵、反硝化和厌氧氨氧化进行污水的深度脱氮，并可同 时实现污泥减量。
为实现上述目的，本发明提供一种低碳氮比城市生活污水脱氮除磷联合 剩余污泥发酵的装置，包括原水池(1)、A/O反应器(2)、原水进水泵I(2.1)、 搅拌装置I(2.2)、曝气头(2.3)、空气压缩机(2.4)、气体流量计(2.5)、二 沉池(3)、二沉池出水管(3.1)、污泥回流泵(3.2)、剩余污泥泵(3.3)、中 间水箱(4)、储泥池(5)、SFDA-SBR(6)、硝化液进水泵(6.1)、原水进 水泵II(6.2)、进泥泵(6.3)、搅拌装置II(6.4)、计算机自动控制系统(7)、 pH过程在线监测控制器(7.1)、ORP过程在线监测控制器(7.2)、pH探头(7.3)、 ORP探头(7.4)、温控加热棒(7.5)、温度监测控制器(7.6)。
原水池(1)通过原水进水泵I(2.1)和原水进水泵II(6.2)分别与A/O 反应器(2)的进水端和SFDA-SBR(6)的进水端连接;A/O反应器(2)中 设有搅拌装置I(2.2)、曝气头(2.3)、空气压缩机(2.4)、气体流量计(2.5); A/O反应器(2)的排水端与二沉池(3)的注入端连接，二沉池(3)的排水 通过排水管(3.1)流入中间水箱(3)，二沉池(3)的排泥端通过回流污泥泵 (3.2)和剩余污泥泵(3.3)分别与A/O反应器(2)厌氧区首格室的污泥回 流端以及储泥池(5)的注泥端连接;中间水箱(4)的出水端通过硝化液进 水泵(6.1)与SFDA-SBR(6)的注水端连接，储泥池(5)的排泥端通过进 泥泵(6.3)与SFDA-SBR(6)的进泥端连接。SFDA-SBR(6)内部设置pH 探头(7.3)、ORP探头(7.4)和温控加热棒(7.5)，分别与pH过程在线监测 控制器(7.1)、ORP过程在线监测控制器(7.2)和温度监测控制器(7.6)连 接，控制器与计算机自动控制系统(7)连接。
A/O反应器(1)用上下交错设置过水孔的隔板分为6-9个格室，依 此设置有相连通的厌氧区格室与好氧区格室，厌氧区格室分为2-3个格室，设 置有搅拌装置I(2.2)，好氧区格室分为4-6个格室，设置有曝气头(2.3)， 由空气压缩机(2.4)提供空气。
SFDA-SBR(6)内部设置搅拌装置II(6.4)、pH探头(7.3)、ORP 探头(7.4)和温控加热棒(7.5)，探头和加热棒分别通过pH过程在线监测控 制器(7.1)、ORP过程在线监测控制器(7.2)和温度监测控制器(7.6)与计 算机自动控制系统(7)连接。计算机自动控制系统(7)通过在线监测控制 器将SFDA-SBR内部温度控制在30±1℃，其中任一时刻的pH、ORP、温度 显示在计算机显示屏上，并能自动绘制pH、ORP过程变化曲线。
本发明同时提供一种低碳氮比城市生活污水脱氮除磷联合剩余污泥 发酵的方法，包括以下步骤：
(1)启动A/O反应器：以城市污水处理厂的二沉池排泥为接种污泥注 入A/O反应器，其污泥浓度为2000-4000mg/L，同时，以低C/N比城市生活 污水作为原水注入原水池，通过原水进水泵I打入A/O反应器中;随后启动 搅拌系统和曝气系统，A/O反应器厌氧区格室发生放磷反应，好氧区格室发 生硝化吸磷反应，反应过程中DO维持在2-3mg/L，调节进水流量使A/O反 应器厌氧区每格室的水力停留时间为0.5h～1.0h，好氧区每格室的水力停留时 间为1.0h～2.0h，二沉池的水力停留时间为1.0h～1.5h，打开污泥回流泵和剩余 污泥泵，调节污泥回流比为50%～100%。
(2)启动SFDA-SBR：SFDA-SBR的启动分为三个阶段，阶段一，接 种厌/缺氧污泥系统的污泥，其污泥浓度为3000～4000mg/L，以乙酸钠、硝酸 钠的混合溶液作为原水加入SFDA-SBR，混合液中碳素与氮素的质量比为 2～3，在缺氧条件下搅拌，观测到反应器内pH不断减速上升，ORP不断减速 下降，但ORP值始终大于-300mV，稳定运行到亚硝积累率达到80%以上，实 现了部分反硝化污泥的驯化培养;阶段二，减少进水中乙酸钠的量，以城市 污水处理厂剩余污泥代替减少的乙酸钠，增加剩余污泥的投入量，直至乙酸 钠全部被剩余污泥替代。以剩余污泥发酵产生的挥发性脂肪酸(VFAs)取代 乙酸钠作为反硝化的碳源。注入氢氧化钠溶液控制反应器内pH为8.0～9.0， 通过加热棒维持反应器内温度为30℃，实现反硝化和剩余污泥发酵的耦合。 用A/O反应器出水的硝化液代替硝酸钠溶液作为进水，使得最终亚硝积累率 仍达到80%以上;阶段三，向反硝化与剩余污泥发酵耦合的SFDA-SBR中接 种稳定运行十个月以上的厌氧氨氧化污泥使得反应器内污泥浓度为 5000～6000mg/L。向低C/N比生活污水中加入A/O反应器的出水硝化液，使 得氨氮与硝态氮的质量比为1:1.5～1:10，以此作为进水注入SFDA-SBR，当 SFDA-SBR中TN去除率高于90%且持续维持15天以上时，达到剩余污泥发 酵耦合反硝化同步厌氧氨氧化自养脱氮的实现。
(3)串联运行A/O反应器与SFDA-SBR：原水箱中的低C/N比生活 污水通过原水进水泵I打入A/O反应器，污泥浓度为2000-3000mg/L，随后启 动搅拌装置I，调节气体流量计使溶解氧维持在2-3mg/L;A/O反应器出水进 入二沉池，泥水分离后，沉淀污泥回流到A/O反应器的厌氧区首格室的污泥 回流端，回流比控制在50%-100%，上清液通过出水管流入中间水箱，开启连 接SFDA-SBR的两个进水泵，调节泵速，使得原水进水体积与硝化液进水体 积比为1:1.5～1:10，总进水体积为SFDA-SBR有效容积的3/5～4/5，同时，储 泥池中的新鲜剩余污泥通过进泥泵注入SFDA-SBR中，调节泵速，进泥体积 为SFDA-SBR有效容积的1/5-2/5，进水进泥时间0.5h，缺氧搅拌4.5h，沉淀 1h，排水0.25h，排水比为0.5～0.7，每天运行1-2个周期。
本发明的技术原理如下：
低C/N比城市生活污水首先进入A/O反应器，在厌氧区，聚磷菌在厌氧 条件下，分解体内的多聚磷酸盐产生ATP，利用ATP以主动运输方式吸收污水 中基质进入细胞内合成PHB，同时释放出磷酸盐于环境中，简称厌氧释磷反应， 接着进入好氧区，聚磷菌在好氧条件下，分解机体内的PHB和外源基质，产 生质子驱动力将体外的磷酸盐输送到体内合成ATP和核酸，将过剩的磷酸盐 聚合成细胞贮存物，简称好氧吸磷反应，同时在好氧条件下，在亚硝化菌和 硝化菌的作用下，将污水中的氨氮先氧化为亚硝态氮，接着再氧化为硝态氮， 简称硝化反应;硝化液进入SFDA-SBR，在反应器中一方面，反硝化菌能利 用剩余污泥发酵产生的碳源将硝化液中的硝态氮和厌氧氨氧化过程中产生的 硝态氮部分反硝化为亚硝态氮，还能将系统中剩余的硝态氮和亚硝态氮还原 为氮气从系统中去除;另一方面，利用厌氧氨氧化菌的自养脱氮能力，将来 自原水中的氨氮和剩余污泥发酵产生的氨氮以及部分反硝化产生的亚硝转化 为氮气从系统中去除，从而实现整个系统的深度脱氮，同时使剩余污泥得到 有效利用，实现污泥减量。本发明的关键在于，通过用低C/N比配水培养驯 化出部分反硝化菌，使亚硝积累率稳定维持在80%以上，从而确保剩余污泥 发酵耦合部分反硝化同步厌氧氨氧化自养脱氮系统中厌氧氨氧化菌有足够的 底物基质。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过将剩余污泥发酵，反硝化及厌氧氨氧化自养脱氮有机结合， 实现低C/N比城市生活污水的深度脱氮和剩余污泥减量，达到节省污水脱 氮碳源投加和处理成本的目的;
2、由于剩余污泥发酵耦合反硝化同步厌氧氨氧化自养脱氮反应器 中微生物种群具有多样性，即便城市生活污水偶尔水质波动很大，仍可实 现总氮的高效去除，即该系统可以有效应对氮负荷冲击;
3、实现污水生物脱氮系统自身剩余污泥的减量化处理和利用，提 高污泥污水处理效率，节省处理成本和占地面积。
4、整个工艺操作简单，只需设定两反应器的进水流量和SFDA-SBR 各阶段的反应时间，无需复杂的控制过程，出水TN即可满足排放标准。
