SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同步脱氮除磷的试验装置与方法

摘要

SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同步脱氮除磷的试验装置与方法，属于污水生物处理技术领域。该装置主要由部分反硝化除磷反应器SBR与厌氧氨氧化SBR反应器串联而成，并由PLC控制箱进行在线控制；城市污水进入部分反硝化除磷A

说明书

技术领域

本发明涉及的SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同步脱氮除磷的试验装置与方法，属 于污水生物处理技术领域，是一种强化低C/N的城市生活污水同步脱氮除磷的试验装置和 方法。

背景技术

污水中可利用COD的量是影响脱氮除磷工艺中厌氧释磷和反硝化脱氮的关键因素。 但是传统城市污水厂的处理工艺往往不可避免地将有机物在曝气池中进行了降解，即使是 前置反硝化工艺，也没有充分利用到有机物的价值。因此，进水中可利用有机碳源的不足， 将导致许多污水处理厂(WWTPs)不能够有效去除富营养化物质氮和磷。处理低碳氮比污废 水时，需要寻求能够有效利用有限碳源的新技术。

厌氧氨氧化是指在厌氧或缺氧条件下，厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐氮为电子受体，直接 与氨氮发生反应转化为氮气的生物过程，其反应方程式如式(1)所示。以厌氧氨氧化为核心 的全程自养脱氮技术与传统硝化-反硝化脱氮技术相比具有明显的优势：厌氧氨氧化菌是化 能自养菌，以无机碳作为碳源，因此可节省100％的外加碳源，可大大减少污水处理工程 的运行费用；硝化过程中只需将约50％的氨氮氧化至亚硝酸盐氮，需氧量和供氧能耗大幅 下降；脱氮效率和去除负荷较高，且污泥产量少；减少温室气体氧化亚氮的排放。

NH₄⁺+1.32NO₂^-+0.066HCO₃^-+0.13H⁺→

0.066CH₂O_0.5N_0.15+1.02N₂+0.26NO₃^--N+2.03H₂O     (1)

从生物脱氮途径【硝化过程：NH₄⁺→NO₂^-→NO₃^-；反硝化过程： NO₃^-→NO₂^-→NO→N₂O→N₂】上分析，我们发现：通过控制适宜的运行条件，不仅在硝化 过程中能实现NO₂^-积累，而且在反硝化过程中也能实现NO₂^-积累。已有研究表明：相对 于短程硝化而言，部分反硝化(NO₃^-还原过程控制在NO₂^-阶段)不受DO的影响，更容易 稳定的实现较高的NO₂^-积累，并且反应过程控制简单。

SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同步脱氮除磷工艺处理城市生活污水，是一种新的脱 氮除磷思路，在将其用于碳、氮、磷比例失调且碳源偏低城市污水的处理中，缩短了脱氮 除磷流程，工艺流程简单，显著提高了脱氮除磷效果，大大降低了出水氮、磷浓度，实现 了高效、低能耗的脱氮除磷。

发明内容

本发明专利针对传统脱氮除磷工艺同步脱氮除磷效果不佳，现有污水处理厂污水处理 成本高，污水处理稳定性差，出水TN浓度不达标等问题，提出了SBR部分反硝化除磷/ 厌氧氨氧化同步脱氮除磷的试验装置与方法。该工艺实行生物相分离，将反硝化菌/除磷菌 等异养菌和自养型厌氧氨氧化菌分开，使各自在最佳的环境中生长，并充分发挥了部分反 硝化、反硝化除磷和厌氧氨氧化技术各自的优势，不仅节约了运行成本，而且达到了同步 深度脱氮除磷。生活污水首先进入A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器，强化了原水中碳源 的利用和生物除磷效果。DPAOs和部分反硝化菌充分利用原水中的有机物进行厌氧释磷和 PHA的贮存，而后以厌氧氨氧化反应器出水回流的硝态氮为电子受体，以厌氧段储存的 PHA为电子供体，进行部分反硝化和缺氧吸磷，将硝态氮还原为亚硝态氮，实现亚硝态积 累，同时为了保证除磷效果和使厌氧氨氧化氨氮和亚硝的浓度比为1:1.32，进行后曝气， 完成剩余磷的吸收和部分氨氧化。富含氨氮和亚硝态氮的出水进入厌氧氨氧化反应器进行 自养脱氮，实现深度脱氮。

为达到高效的同步脱氮除磷效果，本发明采用的SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同 步脱氮除磷的试验装置，其特征在于：包括城市污水原水箱(1)、A²/O-SBR反硝化除磷 反应器(2)、第一中间水箱(3)、厌氧氨氧化SBR反应器(4)、第二中间水箱(5)、 计算机(6)、PLC控制箱(7)；其中A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器(2)内设有气体 流量计(9)、第一搅拌桨(10)、曝气头(11)、气泵(12)、第一pH传感器(13)、 DO传感器(14)、第一WTW溶氧仪(15)、第一取样口(16)、回流硝化液进水阀(17)、 第一出水阀(18)、第一电磁阀(19)；厌氧氨氧化SBR反应器(4)内置有第二搅拌桨 (22)、第二pH传感器(23)、第一ORP传感器(24)、第二WTW溶氧仪(25)、第 二取样口(26)、第二出水阀(27)、第二电磁阀(28)；PLC控制箱(7)内设有信号 转换器AD转换接口(30)、信号转换器(DA)转换接口(31)、曝气继电器、第一搅拌 继电器、第一pH和DO数据信号接口；第二搅拌继电器、第二pH和第一ORP数据信号 接口；

SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同步脱氮除磷的试验装置，其特征在于：城市污水原 水箱(1)通过第一进水泵(8)与A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器(2)相连接；A²/O-SBR 部分反硝化除磷反应器(2)第一出水阀(18)经第一电磁阀(19)与第一中间水箱(3) 相连接；第一中间水箱(3)通过第二进水泵(20)与厌氧氨氧化SBR反应器(4)相连接； 厌氧氨氧化SBR反应器(4)第二出水阀(27)经第二电磁阀(28)与第二中间水箱(5) 相连接；第二中间水箱(5)通过硝化液回流泵(21)与A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器 (2)硝化液回流进水阀(17)相连接；

SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同步脱氮除磷的试验装置，其特征在于：PLC控制 箱(7)上的信号转换器AD转换接口(30)通过电缆线与计算机(6)相连接，将传感器 模拟信号转换成数字信号传递给计算机(6)，计算机(6)通过信号转换器DA转换接口 (31)与PLC控制箱(7)相连接，将计算机(6)的数字指令传递给PLC控制箱(7)， 进而对处理系统进行实时控制；

本发明还提供了一种SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同步脱氮除磷的试验方法，其 特征在于，包括以下内容：

SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同步脱氮除磷的试验方法，其特征在于，包括以下内 容：

系统启动：将反硝化除磷污泥和亚硝酸盐氮积累率在70％～80％的部分反硝化污泥(其 污泥浓度分别为6000～8000mg/L、3000～4000mg/L)，按体积比为1:2接种到部分反硝化除 磷A²/O-SBR反应器(2)，使反应器内污泥浓度为3500mg/L；在厌氧氨氧化反应器(4) 中接种厌氧氨氧化颗粒污泥，使反应器内污泥浓度达到3000～4000mg/L，当系统总氮去除 率达85％以上，磷去除率达95％以上，即认为SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化系统启动 成功。

周期运行操作步骤如下：

1)将生活污水加入原水水箱(1)，经第一进水泵(8)进入A²/O-SBR部分反硝化除磷反 应器(2)，进水结束后，开启第一搅拌器(8)，厌氧搅拌1～2h，当厌氧搅拌pH值曲 线出现拐点时停止搅拌；

2)厌氧结束后，启动硝化液回流泵(21)将1/3～2/3的厌氧氨氧化SBR反应器(4)出水 从第二中间水箱(5)回流到A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器(2)，缺氧搅拌1～2h， 当缺氧搅拌时pH值曲线出现拐点时停止缺氧搅拌；

3)缺氧反应结束后，启动气泵(12)，通过气体流量计(9)调节气体流量，曝气搅拌1～ 1.5h，并通过在线监测系统和反馈控制系统控制DO浓度为1.5～2.0mg/L，而后静止沉 淀30min，出水经第一出水阀(18)和第一电磁阀(19)排入第一中间水箱(3)，排 水比为0.4～0.6；

4)启动第二进水泵(20)将A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器(2)出水从第一中间水箱 (3)抽入厌氧氨氧化SBR反应器(4)，进水结束后，开启第二搅拌桨(20)，缺氧搅 拌3～4h；

5)厌氧氨氧化反应结束后，静止沉淀30min后排水，排水比为0.4～0.6，其出水排入第 二中间水箱(5)后，再经硝化液回流泵(21)回流到A²/O-SBR部分反硝化除磷反应 器(2)和经排水口(32)排出系统，其体积比控制在0.5～2；而后系统进入下一周期， 重复以上步骤；

A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器(2)运行时每天排泥，使SRT为10～15d，反应器内污 泥浓度维持在3000～4000mg/L范围内；厌氧氨氧化SBR反应器(4)运行时，每天清洗 第二中间水箱(5)，将沉淀在其底部的污泥倒回厌氧氨氧化SBR反应器(5)，以防止厌氧 氨氧化污泥流失；

本发明SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同步脱氮除磷的试验装置与方法，与现有传 统生物脱氮除磷工艺相比具有以下优势：

1)从本质上解决了除磷菌和脱氮菌在碳源方面存在的矛盾和竞争

原水中的氮主要通过厌氧氨氧化过程去除，而厌氧氨氧化反应为自养反应，不消耗原 水中的有机碳源。与完全反硝化除磷相比，部分反硝化除磷大大减少了碳源的消耗量，从 而保证了除磷过程中有足够的有机物，从本质上解决了除磷菌和脱氮菌在碳源方面存在的 矛盾和竞争。

2)解决了除磷菌和脱氮菌在溶解氧方面的矛盾和竞争

采用生物相分离技术，有效耦合了反硝化除磷技术、部分反硝化技术和厌氧氨氧化技 术。解决了除磷菌和脱氮菌在溶解氧方面的矛盾和竞争，更易于维持系统的脱氮除磷率和 运行稳定性。

3)节省有机碳源、节约曝气量，减少剩余污泥产量，降低能耗和运行费用

生活污水首先进入反硝化除磷反应器，厌氧搅拌，最大程度地利用了原水中的有机碳 源，“一碳两用”进行同步脱氮除磷，避免了外碳源的投加，并且厌氧氨氧化菌为自养菌， 以CO₂为无机碳源，不消耗原水中的有机物；厌氧氨氧化和反硝化除磷的反应均无需氧气 的参与；本工艺运行时有机碳源参与较少，可大大降低剩余污泥产量，降低污泥处理费用。

4)工艺流程简单，出水效果稳定，可实现高效、低能耗的脱氮除磷

本发明的主要反应装置仅有部分反硝化除磷A²/O-SBR和厌氧氨氧化SBR反应器，具 有可控制性强、工艺简单等优点。一方面，前置部分反硝化除磷实现了稳定的亚硝态氮积 累，相比前置完全反硝化除磷对厌氧氨氧化出水中硝酸盐氮的脱氮处理方式，减少碳源的 耗量，从而节约运行成本，另外还能减少反硝化过程温室气体的排放量及污泥产量；另一 方面，反硝化除磷技术实现了脱氮和除磷过程的统一，可有效的利用污水中的碳源和厌氧 氨氧化过程产生的NO₃^--N，使得反硝化和除磷同时发生，使得污水的同步脱氮除磷更容易 实现。

附图说明：

图1为本发明SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同步脱氮除磷的试验装置的结构示意 图。

图1中：1-城市污水原水箱；2-A²/O-SBR反应器；3-第一中间水箱；4-厌氧氨氧化SBR 反应器；5-第二中间水箱；6-计算机；7-PLC控制箱；8-第一进水泵；9-气体流量计；10- 第一搅拌桨；11-曝气头；12-气泵；13-第一pH传感器；14-DO传感器；15-第一WTW 溶氧仪；16-第一取样口；17-硝化液回流进水阀；18-第一出水阀；19-第一电磁阀；20-第 二进水泵；21-硝化液回流泵；22-第二搅拌桨；23-第二pH传感器；24-ORP传感器；25- 第二WTW溶氧仪；26-第二取样口；27-第二出水阀；28-第二电磁阀；29-控制总线；30- 信号转换器AD转化接口；31-信号转换器DA转化接口；32-系统出水排放口。

具体的实施方式：

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化同步脱氮除磷的试验装置，其 特征在于：包括城市污水原水箱(1)、A²/O-SBR反硝化除磷反应器(2)、第一中间水 箱(3)、厌氧氨氧化SBR反应器(4)、第二中间水箱(5)、计算机(6)、PLC控制箱 (7)；其中城市污水原水箱(1)通过第一进水泵(8)与A²/O-SBR部分反硝化除磷反应 器(2)相连接；A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器(2)第一出水阀(18)经第一电磁阀 (19)与第一中间水箱(3)相连接；第一中间水箱(3)通过第二进水泵(20)与厌氧氨 氧化SBR反应器(4)相连接；厌氧氨氧化SBR反应器(4)第二出水阀(27)经第二电 磁阀(28)与第二中间水箱(5)相连接；第二中间水箱(5)通过硝化液回流泵(21)与 A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器(2)硝化液回流进水阀(17)相连接；PLC控制箱(7) 上的信号转换器AD转换接口(30)通过电缆线与计算机(6)相连接，将传感器模拟信号 转换成数字信号传递给计算机(6)，计算机(6)通过信号转换器DA转换接口(31)与 PLC控制箱(7)相连接，将计算机(6)的数字指令传递给PLC控制箱(7)，进而对处 理系统进行实时控制；

以北京某高校家属区生活污水为处理对象，考察了此系统的脱氮除磷性能。其水质特 征如下：COD浓度为206.01～307.36mg/L，NH₄⁺-N浓度为61.17～73.82mg/L，NO₂^-浓度 <0.5mg/L，NO₃^-浓度为0～0.83mg/L，PO₄^3--P浓度为5.81～8.92mg/L，C/N比约为3.3，C/P 比约为40.36。试验期间，具体的操作运行步骤和工艺运行参数如下：

1)系统启动：将反硝化除磷污泥和亚硝酸盐氮积累率在70％～80％的部分反硝化污泥 (其污泥浓度分别为6000～8000mg/L、3000～4000mg/L)，按体积比为1:2接种到部分反硝 化除磷A²/O-SBR反应器(2)，使反应器内污泥浓度为3500mg/L；在厌氧氨氧化反应器 (4)中接种厌氧氨氧化颗粒污泥，使反应器内污泥浓度达到3000～4000mg/L，当系统总氮 去除率达85％以上，磷去除率达95％以上，即认为SBR部分反硝化除磷/厌氧氨氧化系统 启动成功。

2)周期运行操作步骤：启动第一进水泵(8)将3L生活污水由原水水箱(1)泵入 A²/O-SBR反硝化除磷反应器(2)，进水结束后，第一搅拌器(8)开始搅拌，厌氧搅拌 2h，聚磷菌充分利用原水中的VFAs合成内碳源PHA，同时释放磷，当厌氧搅拌pH值曲 线出现拐点时停止搅拌，试验发现约80％的COD在此阶段去除；

3)厌氧结束后，启动硝化液回流泵(21)将3L厌氧氨氧化SBR反应器(4)出水从 第二中间水箱(5)回流到A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器(2)，缺氧搅拌2h，DPAOS 以回流的硝态氮作为电子受体，厌氧段储存的PHA为电子供体，进行缺氧部分反硝化吸 磷反应，将NO₃^--N还原为NO₂^--N，实现NO₂^--N积累，同时进行缺氧吸磷；

4)缺氧反应结束后，启动气泵(12)，通过气体流量计(9)调节气体流量，曝气 搅拌1h，进行好氧吸磷和部分短程硝化，并通过在线监测系统和反馈控制系统控制DO浓 度为1.5～2.0mg/L，而后静止沉淀30min，出水经第一出水阀(18)第一电磁阀(19)排 入第一中间水箱(3)，排水比为0.6；

5)启动第二进水泵(20)将A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器(2)出水从第一中间水 箱(3)泵入厌氧氨氧化SBR反应器(4)，进水结束后，开启第二搅拌桨(20)，缺氧搅 拌4h；

6)厌氧氨氧化反应结束后，静止沉淀30min后排水，排水比为0.6，其出水排入第二 中间水箱(5)后，50％的出水经硝化液回流泵(21)回流到A²/O-SBR反硝化除磷反应器 (2)，为反硝化除磷提供电子受体；50％的出水从排水口(35)排出系统，而后系统进入 下一周期，重复以上步骤；

7)A²/O-SBR部分反硝化除磷反应器(2)运行时每天排泥，使SRT为10～15d，反应 器内污泥浓度维持在3000～4000mg/L范围内；厌氧氨氧化SBR反应器(4)运行时，每 天清洗第二中间水箱(5)，将沉淀在其底部的污泥倒回厌氧氨氧化SBR反应器(5)，以 防止厌氧氨氧化污泥流失；

试验期间，各反应器均采用有机玻璃制作，部分反硝化除磷SBR反应器(2)和厌氧 氨氧化SBR反应器(4)的有效容积均为10L。试验结果表明：在上述操作步骤和运行参 数条件下，出水平均COD、NH₄⁺-N、TN、TP浓度分别为32.84mg/L、1.18mg/L、0.69mg/L， 9.02mg/L，0.12mg/L，均稳定达到国家一级A标准。

以上内容是结合具体的实验实施方式对本发明所做的进一步详细说明，便于该领域技 术人员更好地理解和应用本发明，不能认为本发明的具体实施只限于这些说明，因此该领 域技术人员对本发明所做的简单改进都在本发明保护范围之内。