一种基于厌氧氨氧化的SBR+SBBR城市污水高效生物处理方法及装置

摘要

一种基于厌氧氨氧化的SBR+SBBR城市污水高效生物处理方法及装置，属于污水生物处理技术领域。装置设有SBR反应器、SBBR生物膜反应器；污水首先进入SBR反应器，通过厌氧-好氧交替运行实现生物除磷，同时通过异养菌去除进水中的有机物。通过控制短污泥龄、不发生硝化作用，剩余污泥量多，除磷除有机物效果好。SBR反应器出水进入SBBR生物膜反应器，通过低氧曝气运行，实现短程硝化-厌氧氨氧化自养脱氮。本工艺运行方法包括以下步骤：1)接种污泥和启动阶段；2)运行阶段；本发明更适用于低碳氮比的城市污水的处理，系统控制灵活，节能和脱氮除磷效果好，污染物去除效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于厌氧氨氧化的SBR+SBBR城市污水高效生物处理的 方法及装置，属于污水生物处理技术领域。

背景技术

水体富营养化日益严重，污水中氮磷排放是引起其重要原因。氮磷污染 物的去除已经成为污水处理和再生回用的关键问题。我国2002年颁布的《城镇 污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中要求所有排污单位出水水质为 氨氮小于5mg/L，总氮小于15mg/L，同时2006年1月1日之后建设的污水处 理厂总磷小于0.5mg/L。现有污水处理厂的能耗很高,其中很多污水处理厂出水 水质并不能达到一级排放标准，需要进行升级改造。如何在实现高效脱氮除磷 的同时降低水处理能耗，降低处理费用，对于污水处理的可持续发展有着重要 意义。

生物除磷主要由一类统称为聚磷菌的微生物完成。活性污泥在厌氧和好氧 状态下交替运行，污泥中聚磷菌在厌氧状态下释放磷，在好氧状态下过量地摄 取磷；经过排放富磷剩余污泥，其结果与传统活性污泥法相比，可高效去除污 水中的磷污染物。SBR工艺在厌氧-好氧下交替运行，过量积聚磷酸盐的聚磷菌 占优势生长，使活性污泥含磷量比普通活性污泥高。同时厌氧阶段与好氧阶段 的交替运行有利于活性污泥的颗粒化，使污泥沉降性能大幅提高，提高污染物 去除效率。

传统的生物脱氮技术一般采用硝化－反硝化工艺，通过硝化菌在好氧条件 下将氨氮氧化成硝态氮，然后在缺氧环境下反硝化菌利用有机物将硝态氮还原 成氮气。传统工艺的局限性是需要有机物作为反硝化过程中完成硝酸盐还原的 电子供体。我国城市污水处理厂的进水碳氮比普遍较低，碳源的缺乏成为脱氮 除磷效率无法提高的瓶颈，而外加碳源又会大幅度增加污水处理费用。厌氧氨 氧化菌的发现使得污水全程自养脱氮成为可能，该菌种具有独特的代谢途径， 可利用亚硝酸盐作为电子供体将氨氮氧化生成氮气。相比传统脱氮工艺厌氧氨 氧化技术具有明显的优势：1.厌氧氨氧化菌是化能自养菌，以无机碳作为碳源， 由此脱氮过程中无需投加有机碳源，节省运行费用；2.硝化过程只需将50%的氨 氮氧化至亚硝酸盐，大幅减少供氧能耗；3.厌氧氨氧化技术的脱氮效率和去除负 荷较高，产生很少量剩余污泥；4.可大量减少温室气体氧化亚氮的排放，环境效 益明显。

作为一种可持续发展的生物脱氮技术，厌氧氨氧化工艺有着良好的前景。 但是厌氧氨氧化菌属于自养菌，细胞产率低，不容易在短时间内富集。目前报 道的厌氧氨氧化菌倍增时间为11d，甚至更长。同时反应器初期的时候污泥容易 流失，导致厌氧氨氧化菌顺利富集更加困难。本发明为缩短厌氧氨氧化工艺的 启动时间，需要强化反应器的污泥持留能力，以促进厌氧氨氧菌的快速富集。 采用新型的生物膜技术可强化污泥持留和富集的能力。试验证明通过在系统内 投加填料可一定程度上缩短厌氧氨氧化工艺的启动时间。

目前厌氧氨氧化技术的研究与应用主要集中在高温高氨氮废水处理中，而 常温下城市污水厌氧氨氧化技术的研究应用比较少。基于厌氧氨氧化技术的城 市污水同步脱氮除磷工艺鲜有报道。目前厌氧氨氧化技术处理城市污水的推广 应用需要解决的问题包括：如何在反应器内有效的持留并富集厌氧氨氧化菌； 如何协调反应器不同菌种的相互比例从而提高反应运行的稳定性；如何降低系 统运行维护的复杂程度。因此，需要提出新型的利用厌氧氨氧化工艺处理城市 污水的装置和方法。

发明内容

本发明的目的就是针对现有城市污水处理能耗高、出水稳定性差、部分出 水氮磷不能达到一级A标的问题，提出了一种基于厌氧氨氧化的SBR+SBBR城 市污水高效生物处理装置及运行方法，该方法和装置首先将污水通入SBR反应 器，通过厌氧释磷过程-好氧吸磷过程交替运行排出富磷污泥实现生物除磷，同 时在好氧过程中通过异养菌去除进水中的部分有机物；而后污水通入SBBR反 应器，通过短程硝化-厌氧氨氧化进行自养脱氮。该SBBR装置应用新型填料和 悬浮活性污泥有效的持留富集厌氧氨氧化菌，提高对污泥的持留能力，增加微 生物的浓度。SBBR反应器在悬浮污泥和生物膜上形成不同的优势菌属，从而将 活性污泥法和生物膜法的优点有机的结合起来，可显著提高系统的处理能力和 运行稳定性。并通过合理的反应器结构和水力流态为不同功能的微生物提供的 适宜生长环境，实现厌氧氨氧化工艺的快速启动，并提高系统的脱氮效率以及 工艺的稳定性。

本发明的目的是通过以下解决方案来解决的：一种基于厌氧氨氧化的 SBR+SBBR城市污水高效生物处理装置，其特征在于，主要包括城市污水原水 箱（1）、SBR除磷除有机物反应器（2）、中间水箱（3）、SBBR短程硝化-厌氧 氨氧化一体化生物膜反应器（4）；城市污水原水箱储存的是城市污水厂的初沉 池污水，主要的污染物质为有机物和氨氮；城市污水原水箱（1）设有溢流管（1.1） 和放空管（1.2）；城市污水原水箱（1）通过SBR进水泵（1.3）与SBR除磷除 有机物反应器（2）进水管相连接；SBR除磷除有机物反应器（2）设有调速搅 拌器（2.1）、排水阀（2.2）、排泥阀（2.3）、膜片曝气头（2.4）、气量调节阀（2.5）、 鼓风机（2.6）和气体流量计（2.7）；SBR除磷除有机物反应器（2）出水管与中 间水箱（3）连接；中间水箱（3）设有溢流管（3.1）和放空管（3.2）；中间水 箱（3）通过SBBR进水泵（3.3）与SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜 反应器（4）相连接；SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜反应器（4）设 有排水阀（4.1）、排泥阀（4.2））、膜片曝气头（4.3）、气量调节阀（4.4），SBBR 短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜反应器（4）内固定有分散的固定填料（4.5）， 固定填料为现有技术中海绵和PE材料组成的复合填料。优选固定填料中的海绵 为边长为0.5-1.5cm的立方体状物质，PE为圆柱状物质。

城市污水在此装置中的处理流程为：城市初沉池污水进入污水原水箱，通 过进水泵向SBR除磷除有机物反应器进水，磷和有机物通过生物除磷作用和异 养菌对有机物的降解作用高效去除；SBR除磷除有机物反应器出水进入中间水 箱进行水量调节；中间水箱的污水通过进水泵向SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一 体化生物膜反应器进水；而后SBBR反应器在低溶解氧条件下运行，氨氧化菌 氧化氨氮转化为亚硝酸盐的同时厌氧氨氧化菌利用底物基质氨氮与亚硝反应生 成氮气。同时反应器中的反硝化菌能利用SBR除磷除有机物反应器出水残余的 有机物进行反硝化作用，使得厌氧氨氧化作用产生的硝态氮还原为氮气；通过 上述过程最终达到将有机物和氮、磷污染物从污水中高效去除的目的。

一种基于上述厌氧氨氧化的SBR+SBBR城市污水高效生物装置处理城市污 水的方法，其特征在于，具体启动与调控的步骤如下：

1）接种污泥和启动阶段：SBR除磷除有机物反应器（2）接种城市污水厂 二沉池回流污泥，使得污泥浓度在4-6g/L，优选5g/L；SBBR短程硝化-厌氧氨 氧化一体化生物膜反应器（4）按照体积比1:1接种城市污水厂二沉池回流污泥 和稳定运行的短程硝化污泥，使得污泥浓度在2-4g/L，优选2.5g/L，并从稳定运 行的高氨氮废水厌氧氨氧化反应器内取适量生物膜填料进行接种，生物膜填料 体积占总反应器体积不低于4%；

2）正常运行阶段

2.1SBR除磷除有机物反应器（2）运行方式为,首先常温进水，厌氧搅拌均 匀，好氧曝气，去掉大部分有机物，静止沉淀，排水进入中间水箱（3），其中 在好氧阶段使溶解氧浓度控制在3-5mg/L，水力停留时间HRT控制在2-8h，优 选4h，污泥停留时间控制在3-5d，优选4d；优选进水量为SBR除磷除有机物 反应器（2）体积的一半；

2.2SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜反应器（4）运行方式为，中 间水箱（3）的水进入SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜反应器（4），调 整曝气管路的阀门进行低氧曝气，控制反应器内的溶解氧在0.1-0.3mg/L，同时 保证污泥在反应器较充分悬浮，不出现短流和死区，曝气一段时间，使得总氮 低于15mg/L，之后静沉15-30min，最后通过排水阀排水，水力停留时间HRT 为5-10h，优选7h。

进一步SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜反应器（4）运行稳定后， 若曝气结束时氨氮浓度低于5mg/L，则减少系统曝气时间。若曝气结束时氨氮浓 度高于5mg/L，则增加系统曝气时间。直至系统出水氨氮浓度小于5同时大于 0.5mg/L，以防基质浓度过低时出现过曝气现象影响氨氧化菌和厌氧氨氧化菌活 性。

本发明一种基于厌氧氨氧化SBR+SBBR城市污水高效生物处理的方法，与 现有传统生物脱氮工艺和常规厌氧氨氧化脱氮处理工艺相比具有以下优势：

1)本发明通过SBR+SBBR系统实现低碳氮比城市污水的同步脱氮除磷，污 水的除磷和脱氮分别在两个独立的反应器内进行，有利于优势菌种的培养；分 别在SBR反应器中富集聚磷菌和SBBR反应器中富集硝化菌和厌氧氨氧化菌， 为功能微生物提供了适宜的生长环境，避免了聚磷菌、氨氧化菌、厌氧氨氧化 菌在污泥龄和溶解氧浓度上的矛盾，提高了各功能微生物的活性和相应的污染 物去除效率。

2）本发明通过控制SBR除磷除有机物反应器的短污泥龄（3-5d），使氨氧 化细菌（AOB）和亚硝酸盐氧化细菌（NOB）不能生长，不发生硝化作用，节 省能源提高除磷除有机物效果。同时本发明的SBR反应器在厌氧和好氧交替运 行，选择性的排放絮体污泥可迅速实现污泥颗粒化，使污泥沉降性能大幅提高， 提高反应器运行效率。

3）本发明通过SBBR反应器的复合生物膜技术为氨氧化菌和厌氧氨氧化菌 分别提供适宜的生长条件。利用悬浮活性污泥为氨氧化菌生长提供适宜的溶解 氧等适宜的生长条件，利用固定填料为厌氧氨氧化菌富集提供适宜的环境，避 免污泥絮体中过高的溶解氧对厌氧氨氧化菌的抑制作用。SBBR反应器基于厌氧 氨氧化技术去除污水中的总氮，不需要有机物作为反硝化碳源。

4）本发明的运行能耗降低，运行操作简单。本发明采用短程硝化-厌氧氨 氧化自养脱氮工艺处理城市污水，可节省60%的曝气量；采用固定填料的生物 膜和悬浮污泥相结合的技术实现一体化厌氧氨氧化工艺，曝气系统只需实现悬 浮污泥的有效混合即可，有效的降低了运行能耗，同时也有利于低溶解氧的控 制和维持，提高了系统运行的稳定性。采用SBR工艺进行生物强化除磷，耐冲 击负荷能力强，运行控制简单易行。本发明启动时间短，稳定运行时间长，效 果好，并且具有较好的抗破坏能力，抗破坏恢复周期短。

综上所述，利用本发明处理城市污水，无需有机物作为碳源，可节省100% 的有机碳源，产生极少温室气体；同时脱氮除磷效率高，运行操作简单，系统 处理效果稳定。城市污水水量大，处理费用高，此发明在城市污水处理中的应 用对整个污水处理行业节能降耗有着极其重要的影响。

附图说明

图1为本发明一种基于厌氧氨氧化SBR+SBBR城市污水高效生物处理装置 的结构示意图。

图2为SBR除磷除有机物反应器连续运行82周期对氮去除效果的变化曲线 图。

图3为SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜反应器连续运行82周期对 氮去除效果的变化曲线图。

图4为此工艺连续运行82周期对磷和COD去除效果的变化曲线图。

图1中：1——城市污水原水箱、2——SBR除磷除有机物反应2、3——中 间水箱、4——SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜反应器；1.1——溢流管， 1.2——放空管，1.3——SBR进水泵；2.1——调速搅拌器，2.2——排水阀，2.3—— 排泥阀，2.4——膜片曝气头，2.5——气量调节阀，2.6——鼓风机，2.7——气 体流量计；3.1——溢流管，3.2——放空管，3.3——SBBR进水泵；4.1——排水 阀，4.2——排泥阀，4.3——膜片曝气头，4.4——气量调节阀,4.5——固定填料。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实 施例。

实施例1

如图1所示一种基于厌氧氨氧化SBR+SBBR城市污水高效生物处理的装置 设有城市污水原水箱1、SBR除磷除有机物反应器2、中间水箱3、SBBR短程 硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜反应器4；城市污水原水箱储存的是城市污水厂 的初沉池污水，主要的污染物质为有机物和氨氮；城市污水原水箱1设有溢流 管1.1和放空管1.2；城市污水原水箱1通过SBR进水泵1.3与SBR除磷除有机 物反应器2进水管相连接；SBR除磷除有机物反应器2设有调速搅拌器2.1、排 水阀2.2、排泥阀2.3、膜片曝气头2.4、气量调节阀2.5鼓风机2.6和气体流量 计2.7；SBR除磷除有机物反应器2出水管与中间水箱3连接；中间水箱3设有 溢流管3.1和放空管3.2；中间水箱3通过SBBR进水泵3.3与SBBR短程硝化- 厌氧氨氧化一体化生物膜反应器4相连接；SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化 生物膜反应器4设有排水阀4.1、排泥阀4.2、膜片曝气头4.3、气量调节阀4.4 和边长为0.5-1.5cm的正立方体形固定填料4.5。

试验采用北京高碑店城市污水处理厂初沉池出水作为原水，具体水质如下： COD浓度为160-250mg/L；NH⁺₄-N浓度为32.46-58mg/L，NO₂^--N≤0.25mg/L， NO^-₃-N≤1mg/L。试验系统如图1所示，各反应器均采用有机玻璃制成，SBR除 磷除有机物反应器有效体积为120L；SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜 反应器有效容积为120L。

具体运行操作如下：

1）接种污泥和启动阶段：SBR除磷除有机物反应器接种城市污水厂二沉池 回流污泥，使得污泥浓度在5g/L左右。SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物 膜反应器按照体积比1:1接种城市污水厂二沉池回流污泥和稳定运行的短程硝 化污泥，使得污泥浓度在2.5g/L左右，并从稳定运行的高氨氮废水厌氧氨氧化 反应器内取适量生物膜填料进行接种，填料体积占总反应器体积的10%。

2）正常运行阶段：

2.1SBR除磷除有机物反应器2运行方式为,首先进水60L（反应器体积 120L，排水比为50%），低速搅拌30min，曝气90min,静止沉淀10-30min，排 水60L。在好氧阶段使溶解氧浓度控制在3-5mg/L；水力停留时间HRT控制在 4h；污泥停留时间控制在4d。

2.2SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜反应器4运行方式为，反应器 2出水60L进入反应器4（反应器体积120L，排水比为50%）。调整曝气管路的 阀门进行低氧曝气210min，控制反应器内的溶解氧在0.1-0.3mg/L，同时保证污 泥在反应器较充分悬浮，不出现短流和死区。之后静沉15-30min，最后通过排 水阀排水60L。水力停留时间HRT为7h；

2.3SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜反应器4，若曝气结束时氨氮 浓度低于5mg/L，则减少系统曝气时间。若曝气结束时氨氮浓度高于5mg/L，则 增加系统曝气时间。直至系统出水氨氮浓度小于5同时大于0.5mg/L，以防基质 浓度过低时出现过曝气现象影响氨氧化菌和厌氧氨氧化菌活性。

试验结果表明，如图2、图3所示，运行稳定后，SBR除磷除有机物反应器 出水磷酸盐浓度0.01-0.22mg/L。SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一体化生物膜反应 器出水氨氮浓度0.44-7.63mg/L，出水亚硝浓度0-0.67mg/L，出水硝氮浓度 0.68-4.77mg/L，出水总氮低于15mg/L。此工艺连续运行82周期对磷和COD去 除效果的变化曲线图见图4。

其中图3中45周期左右时由于仪器故障取出SBBR短程硝化-厌氧氨氧化一 体化生物膜反应器中生物膜和污泥之后两天，再次运行很短的周期即恢复到很 好的状态。