基于聚羟基烷酸酯代谢调控的污水增强生物除磷脱氮方法

摘要

本发明属于环保技术领域，涉及一种基于聚羟基烷酸酯代谢调控的污水增强生物除磷脱氮方法，包括以下步骤：将污水经初沉后得到的颗粒性有机物与二沉池排出的剩余污泥一起导入污泥浓缩池浓缩；将浓缩的有机废物在聚羟基烷酸酯前体物生产反应器中，厌氧发酵合成聚羟基烷酸酯前体物；去除氮磷后，液体被泵入聚羟基烷酸酯前体物储存池；将聚羟基烷酸酯前体物泵入聚羟基烷酸酯生产反应器生成聚羟基烷酸酯；泵入常规污水生物除磷脱氮反应器进行污水生物除磷脱氮过程。本发明可使氮和磷的去除率提高至80%和95%左右，处理后的出水达到污水一级A排放标准。本方法具有工艺控制方便，温室气体和污泥产生量少，改造工艺成本低等优点。

说明书

技术领域

本发明属于水、废水或污水的生物处理技术领域，涉及一种原位碳源调控聚羟基烷酸酯 （PHA）代谢的城市污水增强除磷脱氮方法。

背景技术

随着经济的发展和生活水平的提高，工业和生活污水的排放量逐年增加，水体污染问题 日益严重。大量氮和磷等营养物质流入河流、湖泊等自然水体环境，导致富营养化现象十分 普遍。污水中的氮和磷排放是引起水体富营养化的主要原因。活性污泥法因具有操作简便等 优点，已成为去除污水氮和磷的一种主要方法。但是，一方面，该方法会导致温室气体排放 和大量初沉和二沉污泥难以处理等问题；另一方面，城市污水普遍存在碳源浓度偏低的问题， 污水较低的碳氮比例难以满足日益提高的除磷脱氮要求。因此，目前的污水厂正面临氮磷达 标排放、污泥处理及温室气体减排等多重压力。

研究表明，在活性污泥处理系统中，微生物在厌氧或缺氧环境下可将污水有机物转化为 胞内PHA，主要包括聚羟基戊酸酯（PHV）和聚羟基丁酸酯（PHB）。其中，反硝化微生物 在缺氧环境下可利用污水有机物或PHA作为硝酸盐（或亚硝酸盐）的电子供体发生反硝化反 应；除磷微生物在好氧或缺氧环境下可通过氧化胞内PHA产生的能量吸收磷。可见，PHA 是直接影响污水生物除磷脱氮的重要物质。如果能够在污水处理厂内部通过调控PHA的代谢 以达到提高除磷脱氮效果及减少温室气体的产生，这将为污水厂升级改造和达标排放提供新 的技术支持，实现污水厂的可持续发展。

发明内容

本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种基于聚羟基烷酸酯代谢调控的污水 增强生物除磷脱氮方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明通过在污水处理设施中增设生物转化单元，原位利用污水厂产生的剩余污泥或/和 污水颗粒有机物，使其高效定向转化为PHA前体物，并通过过程控制，将该PHA前体物高 效转化为除磷脱氮所需的PHA尤其是PHV，使得污水处理系统中的微生物能够利用PHA实 现污水除磷脱氮效率的显著提高，使得城市污水最终能够达标排放。

本发明提出了原位碳源调控PHA代谢的增强除磷脱氮新技术（In-situ Carbon-source  Enhanced Technology,ICET），通过调控PHA的代谢，大幅度提高污水生物除磷脱氮的效率， 最终使得污水厂的出水能够达标排放。

一种基于聚羟基烷酸酯代谢调控的污水增强生物除磷脱氮方法，包括以下步骤：

（1）将污水经初沉后得到的颗粒性有机物与二沉池排出的剩余污泥一起导入污泥浓缩池 浓缩；

（2）将步骤（1）得到的浓缩的有机废物在聚羟基烷酸酯前体物（PHA前体物）生产反 应器中，厌氧发酵合成PHA前体物；

（3）厌氧发酵反应所得混合物在污泥调理池去除氮磷后，液体被泵入PHA前体物储存 池；

（4）随后，将PHA前体物泵入PHA生产反应器生成PHA；

（5）步骤（4）生成的PHA泵入常规污水生物除磷脱氮反应器进行污水生物除磷脱氮过 程。

所述的步骤（1）中，经初沉后得到的颗粒性有机物与二沉池排出的剩余污泥以挥发性悬 浮固体物（VSS）以1:10～10:1的比例导入污泥浓缩池，浓缩时间为12～48小时。

所述的步骤（2）中，厌氧发酵的pH值为8.0～10.0，时间为8～10天，将浓缩的有机废物 定向转化为PHA前体物，其中PHA前体物主要是乙酸和丙酸，其比例分别为30%～60%和 20%～50%。

所述的步骤（4）中，聚羟基烷酸酯前体物在pH为6.8～7.2条件下反应3.5小时，生成聚 羟基烷酸酯（PHA）。

所述的步骤（2）中，合成PHA前体物的原料为污水有机物、初沉池的颗粒性有机物或 二沉池的剩余污泥中的一种或一种以上。

步骤5中使用的污水生物除磷脱氮反应器为序批式反应器（SBR）、厌氧/好氧（A/O）反 应器、厌氧/缺氧/好氧（A²/O）反应器、缺氧/厌氧/好氧（倒置A²/O）反应器或氧化沟的任意 一种。

由于碱性pH可以加速污泥和污水颗粒性有机物（主要是蛋白质和多糖）的溶解和水解， 同时还能够抑制产甲菌的活性。因此，在碱性pH条件下（如pH=10）产生的PHA前体物浓 度为pH=7的3倍以上；通过控制碳氮比，可使丙酸含量达到47%。PHA前体物经PHA生产 反应器转化为PHA后，活性污泥微生物可利用PHA作为其生长、反硝化和除磷的能源和碳 源，而PHA中的PHV组分是一种慢速氧化的内碳源，可以减慢碳源被氧气直接氧化的速率， 有利于强化系统的反硝化和除磷功能。

本发明提出的基于PHA代谢调控的污水增强生物除磷脱氮的新方法，推荐的工艺参数 为：PHA前体物通过初沉池和二沉池的混合有机废物在pH=8.0～10.0（pH=10最佳）条件下 的厌氧发酵得到；PHA通过PHA前体物在pH=6.8～7.2（pH=7最佳）条件下反应3.5小时得 到。

本发明的有益效果是：

（1）本方法显著提高了污水和污泥有机质定向转化合成PHA前体物的效率和短链脂肪 酸（SCFA）中丙酸的含量，使常温下产SCFA的水平提高3倍以上，丙酸含量从20%提高至 47%以上，同时污泥减量20%以上。

（2）本方法显著提高了PHA前体物定向转化为PHA的效率，其PHA合成量达到污泥 干重的70%左右，明显高于pH=7.6-8.0时合成的PHA（约42%左右），且合成的PHA中的 PHV含量高达65%左右。

（3）本方法合成的PHA易于被污水处理系统中的微生物所利用，使得污水除磷脱氮效 率提高至80%和95%左右，出水达到国家一级A排放标准。

（4）本方法中的工艺控制方便，工艺改造成本低，易于大规模推广。

附图说明

图1为原位碳源调控PHA代谢的增强除磷脱氮新技术（In-situ Carbon-source Enhanced  Technology,ICET）的工艺流程图。

附图标注：

1格栅，                       2调节池，

3初沉池，                     4污水生物除磷脱氮反应器，

5二沉池，                     6污泥浓缩池，

7上清液储存池，               8PHA生产反应器，

9  PHA前体物生产反应器，      10污泥调理池，

11PHA前体物储存池，           12污泥脱水机。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

（1）如图1所示，污水经格栅1、调节池2和初沉池3所得有机废物和二沉池5的剩余 污泥以1:1的VSS比例导入污泥浓缩池6浓缩沉淀24小时；

（2）浓缩后的混合物进入PHA前体物生产反应器9（控制pH=10.0的条件下厌氧发酵8 天）定向转化为PHA前体物；

（3）所得PHA前体物（浓度为4650mg COD/L，乙酸和丙酸的含量分别为48%和41%） 在污泥调理池10去除氮磷后进入污泥脱水机12，所得液体泵入PHA前体物储存池11储存；

（4）将上清液储存池7的液体和PHA前体物泵入PHA生产反应器8（控制pH=7.0、反 应3.5小时）合成PHA；

（5）将合成的含PHA活性污泥（PHA的合成量达到2.42mmol-C/g-VSS，PHV占PHA 的百分比65%）泵入A²/O污水生物除磷脱氮反应器4，待处理的实际污水COD为150mg/L， TN为30.5mg/L，TP为6.0mg/L，混合液悬浮固体浓度（MLSS）约为3100mg/L，污泥龄（SRT） 约为20d，运行结果：COD=45mg/L，TN=7.0mg/L，TP=0.4mg/L，NH₄^＋-N=0mg/L，出水 水质符合污水厂一级A排放标准。

实施例2

（1）如图1所示，污水经格栅1、调节池2和初沉池3所得有机废物和二沉池5的剩余 污泥以10:1的VSS比例导入污泥浓缩池6浓缩沉淀12小时；

（2）浓缩后的混合物进入PHA前体物生产反应器9（控制pH=8.0的条件下厌氧发酵8 天）；

（3）所得PHA前体物（浓度为4230mg COD/L，乙酸和丙酸的含量分别为56%和28%） 在污泥调理池10去除氮磷后进入污泥脱水机12，所得液体泵入PHA前体物储存池11储存；

（4）将上清液储存池7的液体和PHA前体物泵入PHA生产反应器8（控制pH=6.8、反 应3.5小时）合成PHA；

（5）将合成的含PHA活性污泥（PHA的合成量达到2.33mmol-C/g-VSS，PHV占PHA 的百分比61%）泵入A²/O污水生物除磷脱氮反应器4，待处理的实际污水COD为130mg/L， TN为35mg/L，TP为6.5mg/L，MLSS约为3200mg/L，SRT约为20d，运行结果：COD=48 mg/L，TN=6.5mg/L，TP=0.2mg/L，NH₄^＋-N=0mg/L，出水水质符合污水厂一级A排放标准。 实施例3

（1）如图1所示，污水经格栅1、调节池2和初沉池3所得有机废物和二沉池5的剩余 污泥以5:1的VSS比例导入污泥浓缩池6浓缩沉淀24小时；

（2）浓缩后的混合物进入PHA前体物生产反应器9（控制pH=8的条件下厌氧发酵8 天）；

（3）所得PHA前体物（浓度为4310mg COD/L，乙酸和丙酸的含量分别为50%和31%） 在污泥调理池10去除氮磷后进入污泥脱水机12，所得液体泵入PHA前体物储存池11储存；

（4）将上清液储存池7的液体和PHA前体物泵入PHA生产反应器8（控制pH=7.2、反 应3.5小时）合成PHA；

（5）将合成的含PHA活性污泥（PHA的合成量达到2.35mmol-C/g-VSS，PHV占PHA 的百分比62%）泵入倒置A²/O污水生物除磷脱氮反应器4，待处理的实际污水COD为180 mg/L，TN为30mg/L，TP为5.5mg/L，MLSS约为3000mg/L，SRT约为20d，运行结果： COD=42mg/L，TN=7.5mg/L，TP=0.1mg/L，NH₄^＋-N=0.2mg/L，出水水质符合污水厂一级A 排放标准。

实施例4

（1）如图1所示，污水经格栅1、调节池2和初沉池3所得有机废物和二沉池5的剩余 污泥以2:1的VSS比例导入污泥浓缩池6浓缩沉淀24小时；

（2）浓缩后的混合物进入PHA前体物生产反应器9（控制pH=9的条件下厌氧发酵8 天）；

（3）所得PHA前体物（浓度为4480mg COD/L，乙酸和丙酸的含量分别为46%和38%） 在污泥调理池10去除氮磷后进入污泥脱水机12，所得液体泵入PHA前体物储存池11储存；

（4）将上清液储存池7的液体和PHA前体物泵入PHA生产反应器8（控制pH=6.8、反 应3.5小时）合成PHA；

（5）将合成的含PHA活性污泥（PHA的合成量达到2.42mmol-C/g-VSS，PHV占PHA 的百分比64%）泵入倒置A²/O污水生物除磷脱氮反应器4，待处理的实际污水COD为120 mg/L，TN为31.5mg/L，TP为7.3mg/L，MLSS约为3200mg/L，SRT约为20d，运行结果： COD=40mg/L，TN=6.3mg/L，TP=0.2mg/L，NH₄^＋-N＝0.1mg/L，出水水质符合污水厂一级 A排放标准。

实施例5

（1）如图1所示，污水经格栅1、调节池2和初沉池3所得有机废物和二沉池5的剩余 污泥以1:10的VSS比例导入污泥浓缩池6浓缩沉淀48小时；

（2）浓缩后的混合物进入PHA前体物生产反应器9（控制pH=10的条件下厌氧发酵8 天）；

（3）所得PHA前体物（浓度为4570mg COD/L，乙酸和丙酸的含量分别为55%和30%） 在污泥调理池10去除氮磷后进入污泥脱水机12，所得液体泵入PHA前体物储存池11储存；

（4）将上清液储存池7的液体和PHA前体物泵入PHA生产反应器8（控制pH=7.2、反 应3.5小时）合成PHA；

（5）将合成的含PHA活性污泥（PHA的合成量达到2.39mmol-C/g-VSS，PHV占PHA 的百分比62%）泵入SBR污水生物除磷脱氮反应器4，待处理的实际污水COD为160mg/L， TN为29mg/L，TP为8.6mg/L，MLSS约为3100mg/L，SRT约为20d，运行结果：COD=39 mg/L，TN=6.5mg/L，TP=0.3mg/L，NH₄^＋-N=0.2mg/L，出水水质符合污水厂一级A排放标 准。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉 本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应 用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技 术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范 围之内。