处理剩余污泥减量同步反硝化的系统及其方法

摘要

本发明提供一种处理剩余污泥减量同步反硝化的系统及其方法，该系统中的原水注入机构、污泥注入机构、排水机构和排泥机构都分别与主反应器相连接，在主反应器的侧壁上分别设有与控制装置相连接的pH传感器和ORP传感器，在主反应器的顶部设有温控装置。上述系统的实现步骤分为主反应器接种混合污泥后调试并启动控制装置，向主反应器中注入硝化液，通过搅拌器对主反应器中泥浆进行反应并判定是否需要排泥或换泥，沉淀，排水，闲置，计算机对循环次数的设定值进行判断。本发明通过将剩余污泥中的碳源释放出来以用于强化污水脱氮、除磷处理，实现了在同一时间和同一空间内完成碳源的开发与利用，同时降低水厂污泥处置的成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种污泥、污水生物处理技术，尤其是一种处理剩余污 泥减量同步反硝化的系统及其方法。

背景技术

对于各类污水生物处理系统而言，有相当部分的原水碳源不可避免 的经过微生物的同化作用转移至剩余污泥相中，这一方面给本来就缺乏 碳源的脱氮除磷系统造成更大的碳源需求缺口，另一方面也增加了后需 污泥处理的负荷及成本，因而，如何将剩余污泥相中的碳源释放出来并 用于强化污水脱氮除磷处理，降低碳耗能耗，对于污水处理厂的可持续 运行方式具有重要意义。

而国内外在剩余污泥内碳源的开发利用上，都习惯性的将内碳源的 开发和利用分开进行，其技术重点在于污泥内碳源的开发，而开发完后 的碳源则需另外的淘洗和管道运输进入常规的反硝化脱氮或除磷系统加 以利用，这类技术在实际应用中可操作性不强，特别是现有水厂的技术 改造方面存在较大的技术障碍和经济阻力。另外，通过独立系统开发出 的内碳源其可生化利用性及副产物对主体工序的其他影响尚未明晰，从 而也为此类内碳源开发技术的推广应用制造了障碍。

发明内容

针对上述技术的不足之处，本发明提供一种通过将剩余污泥中的碳 源释放出来以用于强化污水脱氮、除磷处理，实现了在同一时间和同一 空间内完成碳源的开发与利用的处理剩余污泥减量同步反硝化的系统及 其方法。

为实现上述目的，本发明提供一种处理剩余污泥减量同步反硝化的 系统，包括控制装置、主反应器、原水注入机构、污泥注入机构以及排 水机构与排泥机构，所述原水注入机构、所述污泥注入机构、所述排水 机构和所述排泥机构都分别与所述主反应器相连接，在所述主反应器的 侧壁上分别设有与所述控制装置相连接的pH传感器和ORP传感器，在 所述主反应器的顶部设有用于控制所述主反应区内部温度的温控装置。

所述原水注入机构由依次连通的硝化液原水池、进水泵与进水管构 成，所述进水管的另一端与所述主反应器相连通；所述污泥注入机构由 依次连通的储泥池、进泥泵与进泥管构成，所述进泥管的另一端与所述 主反应器相连通，所述进泥泵和所述进水泵还分别与所述控制装置相连 接。

所述排水机构由依次连通的排水池、排水泵与排水管构成，所述排 水管的另一端与所述主反应器相连通，所述排水泵与所述控制装置相连 接；所述排泥机构由依次连通的排泥池、排泥泵与排泥管构成，所述排 泥管的另一端与所述主反应器相连通，所述排泥泵与所述控制装置相连 接。

在所述主反应器中设有搅拌器，所述搅拌器与所述控制装置相连接。

在所述主反应器的顶部还设有排气阀、水封装置与气体取样口，所 述排气阀与外部的气体收集器相连接。

另外，本发明同时还提供一种实现处理剩余污泥减量同步反硝化的 系统的方法包括以下步骤：

(1)启动系统，主反应器中首次启动的接种污泥由污泥消化系统排 泥和城市污水生物脱氮系统的剩余污泥按一定配比混合而成，调试并启 动控制装置；

(2)启动进水泵，将原水池中的硝化液注入主反应器中，当达到预 先设定的时间后，关闭进水泵和进水阀门；

(3)开启搅拌装置，同时开启温控装置，主反应器中的泥浆进行同 步发酵反应与反硝化反应，并判定是否需要对主反应器进行排泥或换泥 操作；

(4)停止搅拌，并关闭温控装置后，开始沉淀，达到预先设定沉淀 时间后，进入下一道工序；

(5)开启排水阀排水，排水结束，进入下一道工序；

(6)关闭排水阀，开始闲置，当达到预先设定的闲置时间后，系统 读取预先设定的整个反应的循环次数设定值，若未达到预先设定的循环 次数，则系统由在线控制系统自动循环从步骤(2)开始，直至达到预先 设定的闲置时间，进入下一道工序；

(7)计算机对循环次数的设定值进行判断，若达到预先设定的整个 反应的循环次数的设定值，则控制装置自动使系统停止运行，反之，则 从步骤(2)开始重新循环开始处理。

在步骤(1)中，首次启动时，主反应器中接种的混合污泥的体积与 下次排水结束后混合污泥的体积相等，并使反应区污泥浓度在完成进水 之后维持在10KgMLSS/m³左右。

在步骤(3)中，在搅拌器开始搅拌时，开启用于检测与控制主反应 器内部温度的温控装置，并同时记录pH值和ORP值，以其相关值作为 控制参数，根据本次搅拌时间的长短来进行判定是否需要对主反应器进 行排泥或换泥操作。

当本次搅拌时间超过给定的最大搅拌时间时，认为此时主反应器中 的剩余污泥发酵能力已经达到一定程度，失去了反硝化能力，则打开排 泥阀，开始排泥，按照排泥量设定排泥时间，排泥结束后停止搅拌与温 控装置，开启进泥泵开始进泥，按照进泥量设定进泥时间，完成主反应 器的一次换泥过程，进入步骤(4)；当本次搅拌时间小于给定的最大搅 拌时间时，越过换泥操作，直接进入步骤(4)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供的一种剩余污泥减量同步反硝化脱氮优化处理系统及方 法具有以下优点：

1、同步提高污泥减量和反硝化脱氮性能：水解发酵菌群为反硝化菌 群提供碳源，而反硝化菌通过解除产物抑制和提升系统碱度，为前者创 造更优越的发酵环境，两者的协同能达到污泥减量和反硝化效率的同步 提高；

2、剩余污泥减量效果明显：系统中剩余污泥减量基本等于甚至优于 常规的厌氧消化系统，这在较大程度上降低了后续剩余污泥处理处置的 压力。

3、自动化控制程度高：通过反应过程中pH和ORP的变化趋势指示 污泥发酵以及反硝化的进程，并以此完成对系统进排水，进排泥的实时 精确控制，建立起以达到污泥减量和污泥反硝化程度最大化为目的过程 控制方法，同步提高系统的稳定性和处理性能。

4、节省建设和改造成本，可推广性强：省去了内碳源淘洗和输配过 程，并可通过对初沉池或污泥浓缩池简易改造实现。

附图说明

图1为本发明处理系统的结构图；

图2本发明控制方法的流程图；

图3为图2的实施例的流程图。

主要符号说明如下：

1-主反应器          1.1-水封装置           1.2-密封法兰

1.3-排气阀          1.4-气体取样口         1.5-进水管

1.6-进泥管          1.7-排水管             1.8-排泥管

1.9-pH传感器        1.10-温控装置          1.11-搅拌器

1.12-缓冲罐         1.13-气体收集装置

1.14-ORP传感器      2-原水池               3-储泥池

4-排水池            5-排泥池               6-控制装置

7-计算机            8-进水泵               9-进泥泵

10-排水泵           11-排泥泵              12-上盖

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图至1所示，本发明提供一种剩余污泥减量同步反硝化脱氮优化 处理系统，包括控制装置6、主反应器1、原水注入机构、污泥注入机构、 排水机构以及排泥机构与计算机7，其中，控制装置6分别与原水注入 机构、污泥注入机构排水机构以及排泥机构与计算机7相连接，原水注 入机构和污泥注入机构与主反应器1的注入端相连通，排水机构和排泥 机构与主反应器1的排出端相连通。其中，主反应器1为圆柱形的密闭 结构，在主反应器1的顶部设有上盖12，该上盖12通过设置在其底部 的密封法兰1.2固定在主反应器1的顶部，在主反应器1的顶部设有用 于检测与控制主反应区1内部温度的温控装置1.10、排气阀1.3、气体取 样口1.4以及水封装置1.1，温控装置1.10可使主反应区1内的温度精确 控制在正负1摄氏度的范围内。排气阀1.3、气体取样口1.4以及温控装 置1.10中的检测端与加热端均贯穿于上盖12与密封法兰1.2的内部，水 封装置1.1设置在上盖12的顶部。搅拌器1.11为机械悬臂式搅拌器固定 于在水封装置1.1上方，其顶部的马达与控制装置6相连接。搅拌器的 顶部贯穿于水封装置1.1、上盖12、密封法兰1.2的内部，其底部设置在 主反应器1中。主反应器1中产生的气体通过排气阀1.3经由缓冲罐1.12 进入气体收集装置1.13中。

在主反应器1的侧壁上设有分别与控制装置6相连接的pH传感器 1.9以及ORP传感器1.14，其中，pH传感器1.9的末端和ORP传感器 1.14的末端分别设置在主反应器1的内部，两个传感器信号经由控制装 置6传输至计算机7。

原水注入机构和污泥注入机构与主反应器1的注入端相连通。其中， 原水注入机构由依次连通的原水池2、进水泵8与进水管1.5构成，进水 管1.5的另一端与主反应器1注入侧的侧壁相连通，进水泵8与控制装 置6相连接，原水池中的硝化液经由进水泵与进水管注入主反应器中。 污泥注入机构由依次连通的储泥池3构成，进泥管1.6的另一端与主反 应器1的侧壁相连通，储泥池中的污泥经由进泥泵与进泥管注入主反应 器中，进泥泵9与控制装置6相连接。

排水机构和排泥机构与主反应器1的排出端相连通。排水机构由依 次连通的排水池4、排水泵10与排水管1.7构成，排水管1.7的另一端 与主反应器1中排出侧的侧壁相连通，排水泵10与控制装置6相连接， 由主反应器1中排出的水经由排水管与排水泵进行排水池中。排泥机构 由依次连通的排泥池5、排泥泵11与排泥管1.8构成，排泥管1.8的另 一端与主反应器1中排出侧的侧壁相连通，排泥泵与控制装置相连接， 由主反应器1中排出的污泥经由排泥管与排泥泵进行排泥池中。

本发明同时还提供一种实现处理剩余污泥减量同步反硝化的系统的 方法包括以下步骤：

(1)启动系统，主反应器中首次启动的接种污泥由污泥消化系统排 泥和城市污水生物脱氮系统的剩余污泥按一定配比混合而成，调试并启 动控制装置；

(2)启动进水泵，将原水池中的硝化液注入主反应器中，当达到预 先设定的时间后，关闭进水泵和进水阀门，；

(3)开启搅拌装置，同时开启温控装置，主反应器中的泥浆进行同 步发酵反应与反硝化反应，并判定是否需要对主反应器进行排泥或换泥 操作；

(4)在停止搅拌，并关闭温控装置后，开始沉淀，达到预先设定沉 淀时间后，进入下一道工序；

(5)开启排水阀排水，排水结束，进入下一道工序；

(6)关闭排水阀，开始闲置，当达到预先设定的闲置时间后，系统 读取预先设定的整个反应的循环次数设定值，若未达到预先设定的循环 次数，则系统由在线控制系统自动循环从步骤(2)开始，直至达到预先 设定的闲置时间，进入下一道工序；

(7)计算机对循环次数的设定值进行判断，若达到预先设定的整个 反应的循环次数的设定值，则控制装置自动使系统停止运行，反之，则 从步骤(2)开始重新循环开始处理。

其中，在步骤1中，首次启动时，主反应器中接种的混合由污泥注 入机构注入，该污混合泥由污泥消化系统排泥和城市污水生物脱氮系统 的剩余污泥按一定配比混合而成，主反应器中接种的混合污泥的体积与 下次排水结束后混合污泥的体积相等，并使反应区污泥浓度在完成进水 之后维持在10KgMLSS/m³左右，调试并启动控制装置，控制装置在首次 启动时设定的相关参数分为沉淀时间参数、闲置时间参数以及系统循环 次数。

在步骤2中，控制装置对进水量进行分析以确定进水所需要时间， 通过对原水注入机构进行控制，使原水池中的硝化液注入主反应器，当 达到预先设定的时间后，关闭进水泵和进水阀门，完成该工序。

在步骤3中，控制系统开启搅拌器对主反应器中的泥浆进行发酵与 反硝化反应，并且在开启搅拌器的同时也开启温控装置，温控装置对主 反应器中的温度进行检测和控制，根据本次搅拌时间的长短来判定是否 对主反应器进行排泥和换泥操作，通过pH传感器与ORP传感器同时记 录主反应器中的pH值和ORP值，并以dpH/dt和ORP的绝对值作为控 制参数，在搅拌器搅拌开启10分钟之后开始进行判定：当dpH/dt的值 小于0并维持5分钟，或者ORP值小于给定值并维持5分钟时进入下一 个判定条件。

当本次搅拌时间超过给定的最大搅拌时间时，此时主反应器中的剩 余污泥发酵能力已经达到一定程度，失去了反硝化能力，需要打开排泥 机构开始排泥，按照排泥量设定排泥时间，排泥结束后停止搅拌，并关 闭温控装置，启动污泥注入机构开始进泥，按照进泥量设定进泥时间， 完成主反应器的一次换泥过程，进入步骤(4)；当本次搅拌时间小于给 定的最大搅拌时间时，控制装置会自动越过换泥操作，进入步骤(4)。

在步骤4中，在停止搅拌，并关闭温控装置后，对泥浆进行沉淀， 当达到预先设定的沉淀时间后，完成该工序，并进入下一道工序。

在步骤5中，控制装置控制排水机构中的排水阀开始排水，其排水 时间与进水时间相同，当排水结束后，完成该工序，并进入下一道工序。

在步骤6中，排水阀关闭后，开始对主反应器中的混合污泥进行闲 置，当达到预先设定的闲置时间后，完成该工序，并进入下一道工序。

在步骤7中，计算机对循环次数的设定值进行判断，若达到预先设 定的整个反应的循环次数，则控制装置使系统自动停止运行；若未达到 预先设定的循环次数，则控制装置由步骤(2)开始重新循环开始处理。

如图3所示，实验用水为某大学家属区排放实际生活污水经A/O处 理后的硝化液(pH＝6.5-7.8，COD＝40-60mg/L，NH4+-N＝0.5-2mg/L， NOx--N＝60-80mg/L)，实验接种污泥采用某大型城市污水处理厂污泥消 化系统所排剩余污泥，实验用剩余污泥为以某大学家属区实际生活污水 为处理对象的SBR脱氮中试系统(SS，9830-10335mg/L；VSS，8475-8880mg/L； TCOD，12653-13010mg/L)，所用反应器有效容积10L，每周期进水6L， 反应器内混合液NOx--N浓度维持在36-48mg/L，反应器内初始污泥浓度 在9-11g/L之间，污泥龄约为45d，反应温度控制在35℃。具体步骤如 下：

(1)启动系统：主反应器中首次启动的接种污泥由污泥消化系统排 泥和城市污水生物脱氮系统的剩余污泥按1∶3配比混合而成，首次启动 时反应器中污泥体积为4L，浓度约为25g/L，需要确保主反应器中污泥 的浓度在完成进水后维持在10KgMLSS/m3，调试并启动在线处理系统， 控制装置在首次启动时设定的相关参数分为沉淀时间参数、闲置时间参 数以及系统循环次数；

(2)启动进水泵，原水池中的硝化液单次进水量为6L，进水泵进 水量为600ml/分钟，进水10分钟，进水过程通过在线处理系统进行设定， 当达到预先设定的时间后，关闭进水泵和进水阀门，进入下一道工序；

(3)控制系统开启搅拌器对主反应器中的泥浆进行发酵与反硝化反 应，并且开启温控装置对主反应器中的温度进行检测和控制，根据本次 搅拌时间的长短来判定是否对主反应器进行排泥和换泥操作，通过pH 传感器与ORP传感器同时记录污泥的pH值和ORP值，并以dpH/dt和 ORP的绝对值作为控制参数，在搅拌器搅拌开启10分钟之后开始进行 判定：当dpH/dt的值小于0并维持5分钟，或者ORP值小于-400mV并 维持5分钟时进入下一个判定条件：

a、当本次搅拌时间超过给定的最大搅拌时间12h时，认为此时中的 剩余污泥发酵能力已经达到一定程度，失去了反硝化能力，打开排泥阀 开始排泥，单次排泥量为1/3即3.3L，排泥时间设定为5分钟，排泥结 束后停止搅拌并关闭温控装置，开启进泥泵开始进泥，单次进泥量与排 泥量相等，进泥泵进泥速度为330ml/分钟，进泥时间10分钟，完成一次 换泥过程，进入沉淀工序；

b、当本次搅拌时间小于给定的最大搅拌时间12h时，控制装置自动 越过换泥操作，起先进入沉淀工序；

(4)搅拌器搅拌停止，并关闭温控装置，开始对泥浆进行沉淀，达 到预先设定的沉淀时间6h后，沉淀结束后完成该工序，并进入下一道工 序；

(5)控制装置控制排水阀开启排水，单次排水量为6L，排水时间 10分钟，排水结束后完成该工序，并进入下一道工序；

(6)关闭排水阀，开始闲置，当达到预先设定的闲置时间1h后， 完成该工序，并进入下一道工序；

(7)计算机对循环次数的设定值进行判断，若达到预先设定的整个 反应的循环次数200次后，控制装置自动停止运行；若未达到预先设定 的循环次数(200次)，则控制装置由步骤(2)开始下一个循环处理。

通过本发明的处理系统与处理方法处理后，最终出水NOx--N出水 浓度小于5mg/L，平均VSS减量50％，56.7％的VSS总量用于反硝化脱 氮，剩余污泥反硝化能力高达0.39gNO3--N/gVSS。

本发明的原理如下：

污泥减量同步反硝化是指将反硝化过程嵌入污泥厌氧发酵过程，以 取代厌氧发酵生化反应链的末端进程——产甲烷，形成“水解酸化-产氢 产乙酸-反硝化”的新型生化反应链。从微生物学角度上讲，即将反硝化 菌引入厌氧发酵系统，利用反硝化菌对产甲烷菌的竞争优势，构建水解 发酵菌群和反硝化菌群协同合作的微生物生态体系。并形成高效稳定的 污泥减量同步反硝化系统，系统中污泥水解发酵产物直接优先被反硝化 菌利用，从而实现同步发酵反硝化。水解发酵菌群为反硝化菌群提供碳 源，反硝化菌又为前者创造了更优越的发酵环境，两者的协同作用能达 到污泥减量和反硝化效率的同步提高。在上述原理的基础上，本发明提 出了基于pH和ORP参数的过程控制策略，在实现自动化控制的同时对 反应系统性能进一步优化。

本发明通过对污泥发酵和反硝化耦合，实现了在同一时间和同一空 间内完成内碳源的开发与利用，并结合过程控制方法，提高污泥发酵反 硝化生化效率的同时，能最大限度的将剩余污泥中的内碳源用于反硝化 脱氮，较大幅度的节省了污水厂碳耗和污泥处理成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本 发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包 含在本发明的保护范围之内。