公布日：2023.07.25
申请日：2023.04.18
分类号：C02F9/00(2023.01)I;C02F3/28(2023.01)N;C02F3/30(2023.01)N;C02F3/00(2023.01)N;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本发明涉及水处理领域，公开了一种基于颗粒污泥耦合生物膜法絮状污泥的水处理方法，包括：（1）培养阶段：在反应器内接入厌氧氨氧化颗粒污泥和硝化/反硝化脱氮絮状污泥，通废水，循环回流水与废水混合后在曝气下依次经过底层污泥床、颗粒污泥反应区、生物膜反应区和三相分离器，部分从三相分离器流出，剩余部分作为循环回流水；培养阶段依次分为：菌体筛选阶段，采用间歇曝气和间歇进水模式；活性变更阶段，活性提高阶段和活性稳定阶段采用连续曝气和进水模式；（2）稳定阶段：同活性稳定阶段。本发明方法可提高厌氧氨氧化颗粒污泥的颗粒度，减少跑泥量，长期保持活性；可显著缩短传统厌氧氨氧化工艺的启动时间，并提高总氮平均去除效率。
权利要求书
1.一种基于颗粒污泥耦合生物膜法絮状污泥的水处理方法，其特征在于包括：（1）培养阶段：在反应器内接入厌氧氨氧化颗粒污泥和硝化/反硝化脱氮絮状污泥，通废水，出现循环回流水后，与废水混合形成混合废水后通入反应器，在曝气下水流依次经过反应器内的底层污泥床、颗粒污泥反应区、生物膜反应区和三相分离器，部分从三相分离器流出，剩余部分作为循环回流水；培养阶段依次分为：第1-30d为菌体筛选阶段，采用间歇曝气和间歇进水模式，曝气时水溶氧为0.5-0.7mg/L，进水时循环回流水的回流比为28-32%；第31-60d为活性变更阶段，采用连续曝气和连续进水模式，控制水溶氧为0.7-1mg/L，循环回流水的回流比为28-32%；第61-90d为活性提高阶段，采用连续曝气和连续进水模式，控制水溶氧为0.9-1.1mg/L，循环回流水的回流比为38-42%；第91-110d为活性稳定阶段，采用连续曝气和连续进水模式，控制水溶氧为1-1.5mg/L，循环回流水的回流比为48-52%；（2）稳定阶段：维持活性稳定阶段的工艺。
2.如权利要求1所述的水处理方法，其特征在于：步骤（1）中，在菌体筛选阶段，所述间歇曝气为曝气50-70min，停止50-70min；所述间歇进水为单次进水量达到反应器容量后，停止1.5-2.5h；在整个培养阶段，若亚硝氮与氨氮的浓度比>1.5:1，立即停止曝气和/或停止进水，待恢复后重新启动。
3.如权利要求1或2所述的水处理方法，其特征在于：步骤（1）中，厌氧氨氧化颗粒污泥至少占总污泥质量的50%；接种的厌氧氨氧化颗粒占反应器总容量的45-55%，接种的硝化/反硝化脱氮絮状污泥占反应器总容量的25-35%。
4.如权利要求1或2所述的水处理方法，其特征在于：步骤（1）中，生物膜反应区和颗粒污泥反应区的总体积不少于反应器总体积的80%，且生物膜反应区的体积不大于底层污泥床和颗粒污泥反应区的总和；当废水为陌生水质，无法完全确定是否可以稳定持续颗粒化时，生物膜反应区与颗粒污泥反应区和底层污泥床的总和的体积比为0.8-1:1，当废水水质确定可以持续稳定颗粒化时，两者体积之比为1:2.5-3.5。
5.如权利要求1或2所述的水处理方法，其特征在于：步骤（1）中，废水进水前经过预处理，直至COD低于1000mg/L，SS低于1000mg/L。
6.如权利要求1或2所述的水处理方法，其特征在于：步骤（1）中，混合废水的水质满足：氨氮和/或亚硝氮浓度不超过反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥所能承受的最大负荷；电导率低于反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥中厌氧氨氧化菌的抑制值；温度为33-37℃；pH为7.5-8.0。
7.如权利要求1所述的水处理方法，其特征在于：在水处理系统中进行，所述水处理系统包括反应器，用于反应器底部进水的进水泵，用于从反应器顶部抽出循环回流水并从底部重新通入的回流泵；反应器内：底部为底层污泥床，设有排泥阀、曝气器和与进水泵连通的布水器；中部为颗粒污泥反应区，设有用于监测亚硝氮/氨氮/硝态氮/温度/pH/溶解氧/氧化还原电位的传感器；顶部为生物膜反应区和三相分离器，生物膜反应区中设有填料；三相分离器位于生物膜反应区中，其顶部设有进水口和延伸至反应器外的出水堰，出水堰高于进水口且低于反应器内的液位，进水口和出水堰之间的通道中设有用于固液分离的折板分离区，三相分离器的底部设有出泥口。
8.如权利要求7所述的水处理方法，其特征在于：所述折板分离区中设有若干呈100-130°的二折板，二折板之间平行排列，二折板的中心线与水平面平行，相邻二折板之间的空隙构成折板分离区的通道。
9.如权利要求8所述的水处理方法，其特征在于：所述反应器的高径比不小于3:1。
10.如权利要求8所述的水处理方法，其特征在于：所述填料为固定填料或悬浮填料。
发明内容
针对现有技术中厌氧氨氧化工艺启动难、污泥流失显著、应用场景受限技术问题，本发明提供了一种基于颗粒污泥耦合生物膜法絮状污泥的水处理方法。本发明方法可提高厌氧氨氧化颗粒污泥的颗粒度，减少跑泥量，并长期保持其活性；可显著缩短传统厌氧氨氧化工艺的启动时间，总氮的平均去除效率能够达90％以上。
本发明的具体技术方案为：一种基于颗粒污泥耦合生物膜法絮状污泥的水处理方法，包括以下步骤：
(1)培养阶段：在反应器内接入厌氧氨氧化颗粒污泥和硝化/反硝化脱氮絮状污泥，通入废水，出现循环回流水后，与废水混合形成混合废水后通入反应器，在曝气下水流依次经过反应器内的底层污泥床、颗粒污泥反应区、生物膜反应区和三相分离器，部分从三相分离器流出，剩余部分作为循环回流水。
培养阶段依次分为：菌体筛选阶段，采用间歇曝气和间歇进水模式；活性变更阶段，活性提高阶段和活性稳定阶段采用连续曝气和进水模式；后一阶段的水溶氧、循环回流水回流比不低于前一阶段。
(2)稳定阶段：维持活性稳定阶段的工艺。
在本发明的培养阶段，底部的污泥通过底部曝气分散，并通过回流泵上升到颗粒污泥反应区，废水中的氨氮和亚硝氮会优先在颗粒污泥反应区反应脱氮，未完全脱除的氨氮和亚硝氮会继续在生物膜反应区继续完成剩余部分的脱氮。颗粒污泥区产生的絮状污泥会伴随反应器内产生的气泡上浮至生物膜反应区，挂膜于填料上，完成截留部分污泥，同时营造出第二脱氮区域。当废水在颗粒污泥反应区和生物膜反应区完成反应后，氮气直接从反应器顶部逸散，废水通过三相分离器进水后进行泥水分离，分离完成后，颗粒污泥以及部分絮状污泥再次回到生物膜反应区下方，出水通过三相分离器上方排出至出水罐。
本发明在将颗粒污泥与絮状污泥进行耦合的基础上，有针对性地将该阶段分为四个分阶段，每个分阶段分别采用不通的曝气和进水模式，该方法可提高厌氧氨氧化颗粒污泥的颗粒度，减少跑泥量，并长期保持污泥活性。与传统厌氧氨氧化工艺相比可显著缩短启动时间。
作为优选，步骤(1)中，培养阶段的四个分阶段分别为：
第1-30d为菌体筛选阶段，采用间歇曝气和间歇进水模式，曝气时控制水溶氧为0.5-0.7mg/L，进水时循环回流水的回流比为28-32％；在菌体筛选阶段，所述间歇曝气为曝气50-70min，停止50-70min；所述间歇进水为单次进水量达到反应器容量后，停止1.5-2.5h。
在菌体筛选阶段，进行低溶氧(0.5-0.7mg/L)、高回流比(28-32％)的间歇曝气和进水。其中，每进水一次，反应器内的溶氧值DO通过监测传感器中的溶氧实时监测来进行反馈联动控制溶氧在0.5-0.7mg/L。反应器进行高回流比能够均匀反应器中的溶氧和物料浓度，并且提供较高的上升流速加速颗粒污泥的形成。每隔1.5-2.5h进水能够保证反应器中的氨氮浓度足够进行亚硝化反应。在进行低溶氧曝气在低溶氧过程中(DO＜1.5mg/L)，特别是DO＜1mg/L的情况下，亚硝化反应的活性会极大地高于硝化反应，从而使得亚硝化细菌AOB会逐渐取代硝化细菌NOB，由于采用间歇曝气，厌氧时间与好氧时间比为1:1左右，能够使得通过硝化反应生成的硝酸被反硝化细菌主导的反硝化反应充分消耗掉，使得亚硝酸的含量快速提高，从而抑制硝化细菌的活性。另外在低溶氧浓度下，厌氧氨氧化菌也能够因为足够的亚硝和氨氮从而进行缓慢的增殖。因此在此阶段主要筛选出亚硝化菌和保留厌氧氨氧化菌，硝化细菌逐渐因为不适应环境逐渐被淘汰。
第31-60d为活性变更阶段，采用连续曝气和连续进水模式，控制水溶氧为0.7-1mg/L，循环回流水的回流比为28-32％。
在活性变更阶段，进行长时间低溶氧(0.7-1mg/L)、高回流比(28-32％)的连续曝气和进水。反应器内的溶氧值DO通过监测传感器中的溶氧实时监测来进行反馈联动控制溶氧在0.7-1mg/L内。保持反应器高回流比(28-32％)不变，继续均匀反应器中的溶氧和物料浓度，并且提供较高的上升流速加速颗粒污泥的形成。在筛选出亚硝化细菌和厌氧氨氧化菌后进行连续进水的模式，给亚硝化菌提供充足的底物进行增殖和反应，并且适当提高溶氧DO值(0.7-1mg/L，＜1.5mg/L)，使得占优势的亚硝化菌产生更多亚硝，并且在此过程中抑制反硝化细菌的增殖，防止反硝化菌直接利用废水中剩余的碳源将亚硝酸盐直接脱除为氮气，从而使得厌氧氨氧化菌得到充足的亚硝酸盐和氨氮作为底物进行增殖和反应。
第61-90d为活性提高阶段，采用连续曝气和连续进水模式，控制水溶氧为0.9-1.1mg/L，循环回流水的回流比为38-42％。
在活性提高阶段，进行长时间低溶氧(0.9-1.1mg/L)、高回流比(38-42％)的连续曝气和进水。反应器内的溶氧值DO通过监测传感器12中的溶氧实时监测来进行反馈联动控制溶氧在1mg/L左右。提高反应器高回流比到(38-42％)，加速均匀反应器中的溶氧和物料浓度，并且开始形成厌氧氨氧化颗粒污泥。维持低溶氧(0.9-1.1mg/L)，加速亚硝化菌增殖和转换更多的氨氮为亚硝给厌氧氨氧化颗粒污泥提供亚硝酸盐，并且通过亚硝化细菌和厌氧氨氧化细菌的协同作用形成厌氧氨氧化颗粒污泥。
第91-110d为活性稳定阶段，采用连续曝气和连续进水模式，控制水溶氧为1-1.5mg/L，循环回流水的回流比为48-52％。
在活性稳定阶段，进行长时间较低溶氧(1-1.5mg/L)、高回流比(48-52％)的连续曝气和进水。反应器内的溶氧值DO通过监测传感器12中的溶氧实时监测来进行反馈联动控制溶氧在1-1.5mg/L左右。继续提高反应器高回流比到(48-52％)，加速均匀反应器中的溶氧和物料浓度，并且加快的上升流速能够快速巩固厌氧氨氧化颗粒污泥和加快颗粒污泥和絮状污泥的分离，并促进更多的厌氧氨氧化颗粒污泥的形成，最终可得到颗粒度较高的厌氧氨氧化颗粒污泥。
在整个培养阶段，若亚硝氮与氨氮的浓度比＞1.5:1，立即停止曝气和/或停止进水，待恢复后重新启动。
在整个培养阶段，一旦亚硝氮的浓度临近抑制浓度的范围(亚硝酸：氨氮＞1.5：1)，则需立即关停曝气系统，相应降低反应器内溶解氧，从而弱化亚硝化反应，减少亚硝氮的供应，或是停止进水，待反应器内亚硝氮逐步消耗一部分后，再重新进水。在整个培养阶段中，在反应器内完成亚硝化/厌氧氨氧化的情境下，将反应器内溶解氧浓度控制在0.5-1.5mg/L之间，抑制亚硝酸盐氧化菌NOB的同时，保证氨氧化菌AOB和厌氧氨氧化菌AMX菌的正活性。
作为优选，步骤(1)中，厌氧氨氧化颗粒污泥和硝化/反硝化脱氮絮状污泥的含水量低于90wt％。
较高的污泥固含量能保证污泥的活性。
作为优选，步骤(1)中，厌氧氨氧化颗粒污泥至少占总污泥质量的50％；接种的厌氧氨氧化颗粒占反应器总容量的45-55％，接种的硝化/反硝化脱氮絮状污泥占反应器总容量的25-35％。
作为优选，步骤(1)中，生物膜反应区和颗粒污泥反应区的总体积不少于反应器总体积的80％，且生物膜反应区的体积不大于底层污泥床和颗粒污泥反应区的总和；当废水为陌生水质，无法完全确定是否可以稳定持续颗粒化时，生物膜反应区与底层污泥床和颗粒污泥反应区的总和的体积比为0.8-1:1，当废水水质确定可以持续稳定颗粒化时，两者体积之比为1:2.5-3.5。
在生物膜反应区形成厌氧氨氧化颗粒污泥，底层污泥床提供污泥基质和含有少量厌氧氨氧化菌的底泥，通过高回流比和适应环境培养的筛选，使得厌氧氨氧化颗粒污泥能够在生物膜反应器上生长，增强厌氧氨氧化菌的颗粒化程度和缩短其培养的时间。
作为优选，步骤(1)中，混合废水的水质满足：氨氮和/或亚硝氮浓度不超过反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥所能承受的最大负荷；电导率低于反应器内厌氧氨氧化颗粒污泥中厌氧氨氧化菌的抑制值；温度为33-37℃；pH为7.5-8.0。
作为优选，步骤(1)中，废水进水前经过预处理，直至COD低于1000mg/L，SS低于1000mg/L。
低COD的进水能够保证厌氧氨氧化菌的优势生长，过高的SS会造成反应器的堵塞和微生物生长环境的恶化。
作为优选，所水处理方法在水处理系统中进行，该水处理系统包括反应器，用于反应器底部进水的进水泵，用于从反应器顶部抽出循环回流水并从底部重新通入的回流泵。
反应器内：
底部为底层污泥床，设有排泥阀、曝气器和与进水泵连通的布水器；
中部为颗粒污泥反应区，设有用于监测亚硝氮/氨氮/硝态氮/温度/pH/溶解氧/氧化还原电位的传感器；
顶部为生物膜反应区和三相分离器，生物膜反应区中设有填料；
三相分离器位于生物膜反应区中，其顶部设有进水口和延伸至反应器外的出水堰，出水堰高于进水口且低于反应器内的液位，进水口和出水堰之间的通道中设有用于固液分离的折板分离区，三相分离器的底部设有出泥口。
本发明的水处理系统共包含三大功能单元，即颗粒污泥反应区、生物膜反应区和三相分离器，其中生物膜反应区中填充有填料。本发明三相分离器通过进水口下翻进水，大部分气体直接从反应器顶部排出，水流经过折板分离区，其中内置的折板起到固液分离作用，三相分离器的出水通过出水堰溢流出水，三相分离器中的颗粒污泥和其他固相物质通过出泥口重新进入生物膜反应区下方，其中出水堰的高度低于反应器的液位高度且高于进水口的高度。该三相分离器中，通过生物膜反应区的废水经过下翻进水和折板的作用，进行高效的固液分离，减少了厌氧氨氧化颗粒污泥的跑泥。
本发明中的曝气器通过传感器进行阶段反馈运行。厌氧氨氧化反应主要涉及亚硝酸盐和铵离子的反应，整个厌氧氨氧化菌的培养过程涉及的反应式如下：NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+2.03H2O+0.066CH2O0.5N0.15(厌氧氨氧化菌)
整个反应器内需要保证亚硝化反应正常发生而硝化反应减弱，从而获得亚硝酸盐，从而使得厌氧氨氧化反应正常的进行。亚硝氮和氨氮探头实时读取反应器内亚硝氮和氨氮浓度，保证其两者比例适合于厌氧氨氧化菌生存。对于厌氧氨氧化菌而言，氨氮不易对厌氧氨氧化产生抑制作用，而亚硝氮则相反，在相对较低的浓度条件下会抑制厌氧氨氧化菌的生长。因此在不同的培养阶段需要控制不同的曝气和回流情况。
作为优选，所述折板分离区中设有若干呈100-130°的二折板，二折板之间平行排列，二折板的中心线与水平面平行，相邻二折板之间的空隙构成折板分离区的通道。
进入三相分离器的折板分离区之前水流需要下翻至折板分离区的底部，接着通过折板分离区向上溢流出水，该结构设计容易使得污泥和悬浮物在因为瞬时的水力方向的改变以及水力路程的增加，滞留在折板分离区或者折板分离区之前，加强了固液分离的效果。
作为优选，所述反应器的高径比不小于3:1。
较高的高径比有利于在带循环的升流式反应器中更快地筛选出颗粒污泥。
作为优选，所述填料为固定填料(IFAS)或悬浮填料(MBBR)。
IFAS和MBBR两种填料都适合高负荷环境下的生物富集，其中含有的生物载体，使得多个不同的生物种群能够协同作用，增强了厌氧氨氧化的过程。
与现有技术对比，本发明的有益效果是：
(1)本发明将颗粒污泥生物膜法絮状污泥进行耦合，并将培养阶段分为四个分阶段。整个培养阶段通过调节循环回流比、曝气量等条件参数，使得反应器中更容易形成颗粒污泥，强化反应器的脱氮效果。
(2)本发明与常规厌氧氨氧化工序相比，提高了厌氧氨氧化的颗粒度，平均颗粒度可达60％以上，跑泥量减少30％，长期保证厌氧氨氧化颗粒污泥的活性。缩短传统厌氧氨氧化的启动时间20％以上，总氮的平均去除效率能够达90％以上，解决了现有技术中厌氧氨氧化工艺启动难、污泥流失显著、应用场景受限等难题。
（发明人：杜睿;杨家辉;潘智衡;朱春申;何炼;詹偶如;宫亚斌;吴达;田启欢）
