以颗粒污泥为介质短程反硝化除磷双污泥工艺与装置

摘要

本发明属于污水处理领域，提供了以颗粒污泥为介质短程反硝化除磷双污泥工艺与装置。该装置依次包括原水管、进水水箱，进水阀，其特征在于：还依次包括通过管路连接的厌氧/缺氧SBR反应器，中间水箱；短程硝化SBR反应器，回流水箱；中间水箱连接短程硝化SBR反应器，回流水箱连接厌氧/缺氧SBR反应器；厌氧/缺氧SBR反应器和短程硝化SBR反应器内设有搅拌装置，厌氧/缺氧SBR反应器设有排水管；短程硝化SBR内设有曝气装置；厌氧/缺氧SBR反应器中投放已经驯化好的具有反硝化除磷功能的颗粒污泥，短程硝化SBR反应器中投放已经驯化好的具有短程硝化功能的颗粒污泥。本发明解决污水脱氮除磷效果不稳定、出水悬浮物含量高以及达标率较低的问题，用于低C/N废水处理。

说明书

技术领域

要求保护的技术方案所属的技术领域为：含氮、磷富营养化污水处理技术领域，涉及一种高效的氮、磷污水处理方法，解决污水脱氮除磷效果不稳定、出水悬浮物含量高以及达标率较低的问题，适用于低C/N废水处理。

背景技术

氮、磷污染引起的水体富营养化问题一直都是世界各国面临的主要问题之一，也是水处理的难点和重点。传统的脱氮除磷机理中脱氮除磷必须分别由专性的反硝化菌和专性的聚磷菌独立完成，且需要涉及硝化、反硝化、释磷、吸磷等多个生化过程。基于传统的脱氮除磷理论开发出的污水处理工艺虽然取得了一些成果，但是还存在着一些弊端，主要表现在：(1)、硝化菌、反硝化菌和聚磷菌这三类微生物的生理习性及对环境条件的要求各不相同，尤其是在污泥龄控制方面，成混合悬浮生长的这三种微生物无法在各自最佳的环境下生长，因而无法最大程度的发挥各自的处理能力，使得处理效果变差，同时系统排泥难以控制；(2)、由于生活污水COD/TN低，反硝化菌和聚磷菌在对碳源的利用上存在着竞争；(3)、厌氧区硝酸盐含量的控制问题，更是目前同步除磷脱氮工艺需要研究和解决的一大难题。由于厌氧区硝酸盐的存在，反硝化菌会与聚磷菌竞争污水中的有机基质，并优先于聚磷菌利用这些有机基质进行反硝化；另一方面，硝酸盐的存在还会被部分聚磷菌利用作为电子受体进行反硝化，从而影响其对有机物的发酵产酸作用；(4)、剩余污泥产量大。这些原因都使得氮和磷的去除成为对立矛盾的方面，使出水氨氮、TN和TP去除不彻底，含氮、磷富营养化污水处理效率低，处理时间长、能耗高，且脱氮除磷效果不稳定和达标率较低。为此，前人也作了一些努力，如投加碳源和改变流程等，但是这些方法增加了能源的浪费。

反硝化聚磷菌理论的提出为脱氮除磷掀开了新的篇章，即以厌氧时合成的PHB为内碳源，在缺氧段以硝酸盐或亚硝酸盐为电子受体，实现同步脱氮除磷。与传统的脱氮除磷工艺相比可节省50％COD消耗量，30％曝气量，50％剩余污泥产量。因此反硝化除磷工艺被视为一种可持续污水处理新工艺。连续流双污泥脱氮除磷工艺根据反硝化除磷菌理论，综合考虑了生物脱氮除磷对环境条件的要求，充分利用了反硝化菌和硝化菌的生理特征，而提出来的一种改进工艺，解决了上述单级污泥工艺运行中存在的一些问题。然而该工艺由于反应载体为絮状污泥，中间沉淀池泥水分离效果不理想，厌氧释磷后的污泥要回流到缺氧区参与吸磷反应，不可避免的将污水中的部分氨氮一同汇流到缺氧区，而此部分氨氮由于无法得到硝化而存在着出水中氨氮浓度高的缺点。要想去除剩余的氨氮需再加一个后曝气池，因此该工艺存在着工艺流程复杂、基建和运行费用高的问题。

发明内容

本发明者经过长期的探索研究，结合颗粒污泥技术、短程硝化技术和反硝化除磷技术开发一种以颗粒污泥为介质厌氧/缺氧和硝化双污泥短程反硝化除磷脱氮新工艺。本工艺借助两个SBR反应器，分别培养短程硝化颗粒污泥和反硝化除磷颗粒污泥。短程硝化颗粒污泥将氨氧化控制在NO₂^- -N阶段，为反硝化聚磷菌(DPAO)提供电子受体；反硝化颗粒污泥以厌氧/缺氧方式运行，在厌氧段，原水中的有机物合成PHB储存在聚磷菌体内，为缺氧段反硝化贮存了碳源，即“一碳两用”，同时实现了以NO₂^--N为电子受体的反硝化脱氮和吸磷。

该工艺变连续流双污泥工艺为间歇流工艺，简化了工艺流程，减少了一个中间沉淀池，也减少一套污泥回流系统和排泥系统，降低了基建成本和运行费用，同时也增加了系统的处理能力和运行稳定性。同时将微生物自絮凝原理应用于反应系统中，实现污泥颗粒化，充分发挥颗粒污泥沉速快、活性高、结构密实、微生物浓度及容积负荷高等优点，简化出水的分离和净化过程，增大了处理水量和排水比，使得厌氧/缺氧SBR在厌氧阶段之后DPAO污泥中残余的氨氮量减少，从而解决了普通间歇式双污泥系统和连续流双污泥系统中氨氮不能进入硝化反应器出水氨氮较高的问题。

本发明其特征在于：

(1)以颗粒污泥为介质，充分发挥了颗粒污泥沉速快、泥水分离效果好、反应器排水比高等优点，反应效率提高、反应器容积缩小；

(2)反硝化除磷过程以NO₂^--N作为电子受体，将反硝化脱氮和除磷两个独立的过程有机结合在一起，以“一碳两用”方式利用胞内PHB为碳源和能源进行同步脱氮除磷，使DPAO同时完成过量吸磷和反硝化而达到脱氮除磷的双重目的，很好的实现了碳源和能源的节省和剩余污泥的减量；

(3)同时通过改变连续流双污泥反硝化除磷系统的运行方式为间歇式，减少了一个中间沉淀池，也减少一套污泥回流系统和排泥系统，简化了工艺流程。

本发明以颗粒污泥为介质短程反硝化除磷双污泥工艺装置，依次包括原水管1、进水水箱2，进水阀3，其特征在于：还依次包括通过管路连接的厌氧/缺氧SBR反应器5，中间水箱6；短程硝化SBR反应器9，回流水箱10；中间水箱6连接短程硝化SBR反应器9，回流水箱10连接厌氧/缺氧SBR反应器5；厌氧/缺氧SBR反应器和短程硝化SBR反应器内设有搅拌装置，厌氧/缺氧SBR反应器设有排水管4；短程硝化SBR内设有曝气装置；厌氧/缺氧SBR反应器5中投放已经驯化好的具有反硝化除磷功能的颗粒污泥，短程硝化SBR反应器9中投放已经驯化好的具有短程硝化功能的颗粒污泥。

发明的工作原理及过程：

本发明耦合了颗粒污泥技术，短程硝化技术，反硝化除磷技术，采用两个串联的SBR反应器，实现了氮、磷的同步高效去除。

本发明以颗粒污泥为介质短程反硝化除磷双污泥工艺，其特征在于：分为以下3个步骤：

(1)培养反硝化除磷颗粒污泥以及短程硝化颗粒污泥；

(2)厌氧/缺氧SBR反应器5中投放已经驯化好的具有反硝化除磷功能的颗粒污泥，短程硝化SBR反应器9中投放已经驯化好的具有短程硝化功能的颗粒污泥。

(3)反硝化除磷颗粒污泥和短程硝化颗粒污泥的耦合：

3.1厌氧释磷阶段：采用瞬时进水方式向厌氧/缺氧SBR反应器中加入生活污水，同时搅拌，控制pH值为7.5-8.5；该阶段完成COD的去除、磷的释放和PHB的存储，厌氧释磷后，沉淀，含氨氮和富磷的污水经过中间水箱泵入到短程硝化SBR反应器内；

3.2短程硝化阶段：控制溶解氧在1.0mg/L和pH值为7.5-8.0，来自厌氧/缺氧SBR反应器的含氨氮和富磷的污水在短程硝化SBR反应器发生剩余有机物进一步降解和短程硝化作用，氨氮被氧化成亚硝酸盐。短程硝化作用结束后，沉淀，进行泥水分离，上清液中含有富磷和亚硝酸盐。

3.3缺氧反硝化吸磷阶段：短程硝化SBR反应器的上清液经过回流水箱泵入厌氧/缺氧SBR反应器中。此阶段，反硝化聚磷菌利用上清液中的亚硝酸盐作为电子氧化细胞内的PHB从废水中吸磷，完成同步脱氮除磷，反应结束后，沉淀排水。

本发明设计的以颗粒污泥为介质的短程反硝化除磷脱氮污水处理工艺与现有技术相比，具有下列优点：

(1)同步脱氮除磷效果好，出水氨氮小于3mg/L，总氮小于10mg/L，总磷小于0.5mg/L，2002年国家颁布的排污标准中，对城镇污水最严格的排放标准为出水氨氮小于5mg/L、总氮小于15mg/L，本发明的出水氨氮、总氮和总磷远低于国家颁布的排污标准。

(2)该工艺以颗粒污泥为介质，将微生物自絮凝原理应用于反应系统中，实现污泥颗粒化，充分发挥颗粒污泥沉速快、活性高、结构密实、微生物浓度及容积负荷高等优点，简化出水的分离和净化过程，增大了处理水量和排水比，可在一定程度上弥补传统絮状活性污泥的不足。

(3)该工艺变连续流双污泥工艺为间歇流工艺，简化了工艺流程，降低了基建成本和运行费用，从而增加了系统的处理能力和运行稳定性。

(4)COD消耗量少。COD最大程度地被DPAO在厌氧段用于PHB的合成，由于该工艺的特殊布置，合成的PHB被DPAOB同时用于完成反硝化和吸磷，通过“一碳两用”的方式实现了系统的脱氮除磷；

(5)节省供氧曝气的动力消耗。将短程硝化和反硝化除磷技术结合起来，一方面短程脱氮具有降低需氧量、减少碳源投加量、工艺流程短、反应效率提高、反应器容积缩小等特点；另一方面，亚硝酸盐充当除磷的电子受体进行反硝化除磷，具有运行周期短、吸磷放磷速率快等优点。

(6)该工艺为双污泥系统，硝化菌和反硝化聚磷菌各自在自己适宜的环境中生长，这不仅给生长速率较慢的硝化菌创造了一个稳定的环境，增加了系统中硝化菌的生物量并提高了硝化率，也缩短了水力停留时间并减小了反应器的体积，硝化反应已经不再是工艺运行的限制性因素；另一方面，两者的分离解决了传统工艺中聚磷菌和硝化菌对污泥龄不同的要求，两种菌群都在各自最佳的环境中生长，更加有利于维持除磷脱氮系统运行的稳定性，系统的可控制性也得到提高；

(7)污泥产量低，减少污泥后续处理费用。

附图说明

图1是本发明以颗粒污泥为介质的短程反硝化除磷脱氮污水处理方法的试验系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细说明本工艺：

阶段i  反硝化除磷颗粒污泥的培养。

污泥培养分三阶段：第1阶段，接种实际污水处理厂除磷性能较好的污泥，加入模拟废水，以厌氧/好氧(A/O)交替运行的方式运行，由时间程序控制器实现对运行过程的自动控制。每天运行4个周期，每个周期6h，每个周期包含8min进水，2.5h厌氧搅拌，3h好氧曝气，沉淀时间从20-1min逐级递减和2min闲置时间。每个周期排水7L，进水7L，排水比为7/10，污泥龄9d，水力停留时间大约为8.5h，温度为25±0.5℃，进水pH调节在7.5-8.0，好氧阶段溶解氧(DO)控制在4-6mg/L。经过120个周期(30天)，系统完成颗粒化，除磷率保持在90％以上，认为具有除磷能力的颗粒污泥培养成功。第2阶段，将颗粒污泥诱导成具有反硝化除磷能力的颗粒污泥，即在厌氧结束后加入一定量的硝态氮(KNO₃)，将好氧段变为缺氧段，只搅拌，不曝气，其他运行参数不变。运行11天，总氮去除达到85％以上、磷去除率达到95％以上，即认为反硝化除磷颗粒污泥诱导成功。第3阶段，将人工模拟废水变为实际生活污水，驯化20个周期(5天)，反硝化聚磷颗粒污泥基本实际生活污水的水质条件。在驯化期间，定期检测进水水质及微生物释、放磷情况，根据这些数据及时调整运行参数(如负荷，C/P，C/N，污泥龄等)，如进水COD较低无法满足聚磷菌释磷需要时，可适当加入乙酸或丙酸等碳源补充COD。

本阶段的运行参数为：进水COD控制在400-600mg/L，PO₄^3--P控制6-10mg/L之间，污泥浓度(MLSS)控制在2.0-2.5g/l之间，pH调节在7.5-8.0之间，温度控制在25±0.5℃。水力停留时间大约为8.5h，污泥龄9d，排水比为7/11。好氧阶段溶解氧(DO)控制在4-6mg/L。

阶段ii  短程硝化颗粒污泥的培养

短程硝化颗粒污泥培养分2个阶段：第1阶段，接种污水处理厂硝化效果较好的活性污泥，采用人工模拟废水启动SBR反应器，由时间程序控制器实现对运行过程的自动控制。每天运行6个周期，每个周期4h，包含8min进水，3.5h好氧曝气，沉淀时间从15-1min递减和2min闲置时间。曝气量恒定在0.3m³/h，每个周期排水7L，进水7L，排水比为7/11，水力停留时间大约为6h，温度保持在25±0.5℃，pH控制在7.5-8.5之间。培养期间，进水氨氮从50逐步增加到200mg/L，不断提高氨氮负荷，目的是提高硝化细菌占全菌的比例，同时控在氨氮氧化结束后及时停曝气，将氨氧化控制在NO₂^-阶段，实现短程硝化。通过逐步递减的沉降时间，将沉降性能不好的污泥排出系统外，促使颗粒污泥的形成。用显微镜及时观测污泥的型态变化，检测出水水质和亚硝酸盐积累率，经过180个周期(30天)培养，氨氮的去除率达到90％以上且亚硝酸盐的积累率达到85％以上，且运行稳定，认为短程硝化颗粒污泥培养成功。第2阶段，将人工配模拟废水转变为实际生活污水，经过30个周期(5天)驯化，氨氮去除率达到98％以上且亚硝酸盐的积累率达到90％以上，且运行稳定，认为处理实际生活污水的短程硝化颗粒污泥培养成功。

本阶段的运行参数为：进水COD为400mg/L左右，氨氮从50逐步增加到200mg/L，污泥浓度(MLSS)控制在2.0-2.5g/l之间，pH调节在7.5-8.5之间，温度控制在25±0.5℃，曝气量恒定在0.3m³/h。水力停留时间大约为5.7h，污泥龄7d，排水比为7/11。

阶段iii反硝化除磷颗粒污泥和短程硝化颗粒污泥的耦合，下面结合附图详细说明：

I进水  首先原水经过原水管1进入到进水水箱2中，打开进水阀3，启动水泵将待处理的废水注入厌氧/缺氧SBR反应器5，达到液位时，水泵停止运行；

II厌氧搅拌  进水完毕，搅拌器启动，进行厌氧反应。反硝化聚磷菌吸收大量的有机物，并以PHB的形式储存于体内，同时释放出大量的磷；

III沉淀  厌氧结束后停止搅拌，进行沉淀，沉淀获得富含氨氮和磷的上清液。打开排水阀将上清液投加到中间水箱6中；

IV短程硝化反应  启动水泵，将富含氨氮和磷的上清液注入到短程硝化SBR反应器9中，鼓风机8启动，开始曝气，剩余的有机物进行进一步的降解，氨氮被氧化成亚硝酸盐；

V沉淀  硝化结束后，停止曝气、搅拌，进行沉淀，沉淀获得的上清液中含有富磷和亚硝酸盐，经排水阀进入回流水箱10；

VI缺氧反硝化反应  回流水箱10中含有富磷和亚硝酸盐的污水，经水泵注入到厌氧/缺氧SBR反应器5中进行缺氧搅拌反应，DPAO以体内贮存的PHB为电子供体，以硝化液中的NO₂^-为电子受体，完成反硝化脱氮和过量吸磷作用；

VII沉淀  反应结束时，排出一定量的污泥混合液保持适当的污泥龄，然后沉淀；

VIII排水  最终沉淀后的上清液作为处理出水从排水管4排出；

IX闲置  排水结束到下一个周期开始定义为闲置期。

X    重复以上进水、厌氧搅拌、沉淀、短程硝化、沉淀、缺氧反硝化、沉淀和排水工序，使整个系统始终处于厌氧、好氧、缺氧交替的状态，间歇进水和出水，并在每个周期结束时定期排放剩余的颗粒污泥。以颗粒污泥为介质的短程反硝化除磷脱氮污水处理系统的运行参数是：进水COD＝260-600mg/L，NH₄⁺-N＝20～80mg/L，TP＝5.0-20.0mg/L，进水pH控制在7.5-8.0之间，污泥浓度MLSS控制在2.0-2.5g/L，短程硝化颗粒污泥SBR的DO控制在1.0mg/L左右。在以亚硝酸盐为电子受体反硝化除磷脱氮时，应注意厌氧/缺氧SBR反应器溶液中亚硝酸盐的浓度与pH的关系，可加入适当酸碱调节pH，控制游离亚硝酸的浓度在0.002HNO₂-N mg/L以下，保证厌氧/缺氧SBR中进入的亚硝酸盐不会对反硝化吸磷产生抑制，因此厌氧\缺氧SBR在缺氧运行时的pH的控制不可过低，应保持在7.5-8.5之间，以防止过高的游离亚硝酸对反硝化吸磷产生抑制。

实施例1：

以某大学家属区排放的实际生活污水作为原水，进水pH＝7.8-8.0，COD＝260～350mg/L，NH₄⁺-N＝20～40mg/L，TP＝5.0-10.0mg/L。厌氧/缺氧SBR反应器和短程硝化SBR反应器的运行参数与培养时相同。原污水进入厌氧/缺氧SBR反应器内，完成磷的释放，沉淀后进入短程硝化SBR内进行硝化反应。短程硝化SBR亚硝酸盐积累率保持在80-90％，硝化结束后亚硝酸盐浓度在12-30mg/L。含有亚硝酸盐的上清液回流到厌氧/缺氧SBR反应器内进行反硝化同步脱氮除磷。室温25℃下，利用pH传感器控制厌氧/缺氧SBR反硝化吸磷时pH维持在7.7-8.0，其游离亚硝酸浓度为0.44×10^-3-1.7×10^-3N mg/L，小于抑制浓度2.0×10^-3N mg/L，不会对反硝化吸磷产生抑制作用。整个过程进水7L，排水7L，排水比为7/11，厌氧/缺氧SBR反应器的SRT为9-10d，COD、NH₄⁺-N和TP的去除率可维持在95％，95％和90％左右。

实施例2：

以某大学家属区排放的实际生活污水作为原水，加适量的自来水稀释或加入葡萄糖、NH₄Cl或K₂HPO₄以达到不同的COD、氨氮和总磷值(COD＝400-600mg/L，NH₄⁺-N＝50～80mg/L，TP＝10.0-20.0mg/L)。厌氧/缺氧SBR反应器和短程硝化SBR反应器的运行参数与培养时相同。原污水进入厌氧/缺氧SBR反应器内，完成磷的释放，沉淀后进入短程硝化SBR内进行硝化反应。短程硝化SBR亚硝酸盐积累率保持在80-90％，硝化结束后亚硝酸盐浓度在42-70mg/L，利用pH传感器控制厌氧/缺氧SBR反硝化吸磷时pH维持在8.0-8.2左右，室温25℃下，其游离亚硝酸浓度为1.0×10^-3-1.6×10^-3N mg/L，小于抑制浓度2.0×10^-3N mg/L，不会对反硝化吸磷产生抑制作用。进水7L，聚磷污泥的SRT为9-10d，COD、NH₄⁺-N和TP的去除率可维持在90％，92％和93％左右。