一种多级SBR联合生活污水深度脱氮同步污泥发酵混合液资源化的方法

摘要

一种多级SBR联合生活污水深度脱氮同步污泥发酵混合液资源化的方法属于污水生化处理领域。污水进入一级前置反硝化/硝化SBR反应器，然后曝气充氧使得氨氮通过短程硝化反应实现亚硝态氮的积累；一级出水一部分进入二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器，同时向其中加入污泥发酵混合物，反硝化菌利用污泥发酵液的碳源进行反硝化反应，亚硝酸盐被还原为氮气，污泥发酵混合物中的氨氮、磷酸盐随出水进入中间水箱；一级出水另一部分进入中间水箱，二者混合后进入三级厌氧氨氧化SBBR反应器。该方法利用污泥发酵液提供电子供体和碳源，进行深度脱氮，降低了污水处理费用，实现了污泥减量化；使得氨氮、磷酸盐、碳源同时得到资源化。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种多级SBR联合生活污水深度脱氮同步污泥发酵混合液资源化的方法，属于污水生化处理及污泥减量技术领域。

背景技术：

近年来，我国水体富营养化日益严重，活性污泥法脱氮得到了广泛应用。但我国存在着污水C/N较低的问题，在脱氮过程中需要外加碳源，这直接增加了污水处理的运行成本；同时，污水处理厂每处理万吨废水,污泥的产生量(干重)为0.3～3.0t，且污泥量逐年增多，其中未稳定的污泥中含有易降解有机物、恶臭物质、病原体等，易使污泥在运输和处置环节过程中污染物进一步扩散。大量的剩余污泥迫使污水处理厂60％的运行费用用于实现污泥的减量化和无害化。

目前，在污泥处理中，由于污泥发酵可以高效回收能量，一半以上的污水处理厂对污泥进行了厌氧发酵。但由于污泥发酵液中含有氨氮及有机成分，如果不合理利用，将会造成资源浪费。若能从废水和污泥处理系统内部,亦即从污水处理厂本身,将污泥进行水解酸化获取用于生物脱氮需要的生物易降解基质,比如乙酸和其他挥发性脂肪酸等，并将之运用到污水脱氮中，将会大幅度降低污水处理厂购买碳源、处置污泥的费用；污泥发酵液中高浓度的氨氮可以作为污水处理过程中的电子供体，参与厌氧氨氧化反应，从而节省曝气量、碳源投加量；同时污泥发酵混合液中高浓度的磷酸盐也可回收利用。

发明内容：

本发明的目的在于解决城市污水生物脱氮过程电子供体不足、活性污泥法剩余污泥处理处置的问题，提出了一种多级SBR联合生活污水深度脱氮同步污泥发酵混合液资源化的方法。在本实验中，二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器活性污泥法脱氮所用碳源均来源于污泥发酵液，同时污泥发酵液中的高浓度氨氮也为后续脱氮反应提供了电子供体。本实验不需要外 加碳源，不产生剩余污泥，同时可以消化一定量的污泥发酵液，回收磷酸盐，大大降低了污水、污泥处理费用。

该方法脱氮反应分三级SBR完成：(一)一级前置反硝化/硝化SBR反应器内，反硝化菌首先利用原水碳源进行反硝化反应，然后通过曝气实现NO₂^--N的积累；(二)在二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器内，反硝菌利用污泥发酵液中的碳源进行反硝化，将NO₂^--N转换为N₂，同时，污泥发酵液中大量的电子供体NH₄⁺-N从二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器中排入中间水箱；(三)一级前置反硝化/硝化SBR反应器部分出水与二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器出水混合并进入三级厌氧氨氧化SBBR反应器，NO₂^--N和NH₄⁺-N被反应为N₂，从而实现污水深度脱氮。

一种多级SBR联合生活污水深度脱氮同步污泥发酵混合液资源化的装置，其特征在于：设有城市生活污水原水水箱(1)、一级前置反硝化/硝化SBR反应器(2)、中间水箱(3)、二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器(4)、三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)以及出水水箱(6)；其中，原水水箱通过第一进水泵(2.1)与一级前置反硝化/硝化SBR反应器(2)进水口相连接；一级前置反硝化/硝化SBR反应器(2)分别通过出水阀、第二进水泵(4.1)与中间水箱(3)、二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器(4)进水口相连接；二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器(4)通过出水阀与中间水箱(3)相连接；中间水箱通过第三进水泵(5.1)与三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)进水口相连接；三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)通过出水阀与出水水箱(6)相连接。

所述原水水箱(1)、中间水箱(3)、出水水箱(6)均为开口箱体，设有溢流管和放空管。

所述一级前置反硝化/硝化SBR反应器(2)内置有搅拌器(2.2)、搅拌桨(2.3)。空压机(2.4)、空气阀(2.5)、空气流量计(2.6)和曝气装置(2.7)共同组成短程硝化SBR反应器(2)的曝气系统；反应器底部设有排空阀(2.8)；反应器器壁上设有取样阀(2.9)、第一出水阀(2.10)、第 二出水阀(2.11)；反应器中插有pH电极(2.12)和溶解氧探头(2.13)，并与水质在线监测多参数测定仪(2.14)连接。

所述二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器(4)内置有搅拌器(4.2)和搅拌桨(4.3)；反应器的pH电极(4.4)与水质在线监测多参数测定仪(4.5)连接；反应器器壁上设有取样兼投加污泥发酵泥水混合物阀(4.6)、出水阀(4.7)、排泥阀(4.8)；反应器底部设有排空阀(4.9)。

所述三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)内置有搅拌器(5.2)和搅拌桨(5.3)；加热装置(5.4)为反应器提供热量；反应器中插有pH电极(5.6)，并与水质在线监测多参数测定仪(5.5)连接；反应器器壁上设有出水阀(5.7)和取样阀(5.8)，底部设有排空阀(5.9)；反应器内侧装有填料(5.10)。

应用权利要求1所述装置进行一种多级SBR联合生活污水深度脱氮同步污泥发酵混合液资源化的方法，其特征包括以下步骤：

1)系统启动：取短程硝化污泥投加到一级前置反硝化/硝化SBR反应器(2)内，使反应器内污泥浓度达到2000～4000mg/L；取短程反硝化污泥投加到二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器(4)内，并取污泥发酵液加入其中，反应器内污泥浓度达到2000～4000mg/L；在三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)内沿内壁填充一层填料(包括但不局限于MBBR、悬浮球填料、弹性填料)，接种污水处理厂厌氧氨氧化污泥进行反应，填料的填充比为50％。

2)运行时调节操作如下：

一级前置反硝化/硝化SBR反应器的运行时序依次为：进水，机械搅拌，曝气充氧，沉淀，第一次排水至二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器、第二次排水至中间水箱、闲置。系统排水比为50％，生活污水进水后首先搅拌30min，以利用原水碳源进行反硝化，当pH不再上升时反硝化结束；然后曝气5h，反应器内溶解氧量上升至2±0.2mg/L，并不断搅拌进行短程硝化反应，积累亚硝态氮。当曝气搅拌过程中，pH不再降低时停止曝气，短程硝化反应结束；沉淀1h后，第一出水阀排出30％的体积污水，紧接着第二出水阀排出20％的体积污水；排水后进入闲置阶段，闲置1.5h。当短程硝化SBR反应器(2)出水NH₄⁺-N<1mg/L，NO₂^--N为进水中NH₄⁺-N质量浓度值的50％ 时，一级前置反硝化/硝化SBR反应器启动成功。然后一级前置反硝化/硝化SBR反应器按照进水，机械搅拌，曝气充氧，沉淀，第一次排水至二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器、第二次排水至中间水箱、闲置循环运行并且参数值和上面相同。

二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器的运行时序为：进水、机械搅拌、沉淀、排水、排泥、闲置。一级前置反硝化/硝化SBR反应器第一出水阀出水通过进水泵(4.1)进入二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器，同时从取样兼投加污泥发酵泥水混合物阀加入污泥发酵泥水混合物。发酵泥水混合物悬浮固体浓度SS＝20000±50mg/L，NH4+-N＝650±50mg/L。进水与发酵泥水混合物体积比为20:3；反应2h，沉淀4h，沉淀结束后完通过排水阀排水，排水体积比为50％；排泥，二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器的污泥龄为15d，排泥后进入闲置阶段，闲置2h。当出水NO₂^--N<1mg/L，NH₄⁺-N>40mg/L时启动成功；然后二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器按照进水、机械搅拌、沉淀、排水、排泥、闲置循环运行并且参数值和上面相同。

三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)内有加热装置，通过水质在线监测多参数测定仪(5.5)控制反应器内温度为35℃，反应器每周期加入NH₄HCO₃缓冲溶液维持pH值为7.9～8.1；反应器运行序列为：进水、机械搅拌、沉淀、排水、闲置。中间水箱内的污水通过第三进水泵(5.1)进入反应器，厌氧搅拌5h后，沉淀1h后进行排水，排水比体积为40％～60％；闲置2h。当厌氧氨氧化SBR反应器出水TN<15mg/L，COD<50mg/L时，完成三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)的启动。然后三级厌氧氨氧化SBBR反应器按照进水、机械搅拌、沉淀、排水循环运行并且参数值和上面相同。

技术原理：

一种污水深度脱氮同步污泥发酵泥水混合物资源化处理的方法的技术原理是在脱氮生物反应流程中，通过二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器添加污泥发酵液，为反硝化脱氮补充碳源。同时污泥发酵液中高浓度的氨氮也成为厌氧氨氧化菌的基质，与短程硝化反应出水共同完成厌氧氨氧化 脱氮。整套工艺中C、N、P元素转化过程如图2所示，通过短程硝化反应、反硝化反应、厌氧氨氧化反应、污泥排放等实现脱氮过程。这一方面节约了污水处理购买碳源的费用，提高了污水出水水质，另一方面实现了污泥减量化和资源化，使得污泥发酵产物回收利用。

本发明一种污水深度脱氮同步污泥发酵泥水混合物资源化处理的方法与传统污水脱氮工艺相比具有以下优点：

1、无需外加碳源便可实现污水深度脱氮。反硝化脱氮的碳源大部分来源于污泥发酵液，开发利用内碳源；

2、二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器在提供碳源的同时，为整套脱氮装置提供电子供体，保证了厌氧氨氧化反应充足的基质；

3、整套工艺无剩余污泥产生，同时可以对其他系统的剩余污泥发酵液进行利用，实现了污泥发酵液资源化；

4、将硝化细菌、反硝化细菌分离，分别在不同的反应器内进行反应，菌种的分离提高了各自的反应速率，整体脱氮反应较快。

5、本实验出水含有较高浓度磷酸盐，可用化学沉淀法进行回收利用。

附图说明：

图1为本装置的结构示意图

1、原水水箱；1.1、第一溢流管；1.2、第一放空管；2、一级前置反硝化/硝化SBR反应器；2.1、第一进水泵；2.2、搅拌器；2.3、搅拌桨；2.4、空压机；2.5、空气阀；2.6、空气流量计；2.7、曝气装置；2.8、排空阀；2.9、取样阀；2.10、第一出水阀；2.11、第二出水阀；2.12、pH电极；2.13、溶解氧探头；2.14、水质在线监测多参数测定仪；3、中间水箱；3.1、第二溢流管；3.2、第二放空管；4、二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器；4.1、第二进水泵；4.2、搅拌器；4.3、搅拌桨；4.4、pH电极；4.5、水质在线监测多参数测定仪；4.6、取样兼投加污泥发酵泥水混合物阀；4.7、出水阀；4.8、排泥阀；4.9、排空阀；5、三级厌氧氨氧化SBBR反应器；5.1、第三进水泵；5.2、搅拌器；5.3、搅拌桨；5.4、加热装置；5.5、水质在线监测多参数测定仪；5.6、pH电极；5.7、出水阀；5.8、取样阀；5.9、排空阀；5.10、填料；6、 出水水箱；6.1、第三溢流管；6.2、第三放空管。

图2为本方法流程中C、N、P元素转化图。

AOB：短程硝化细菌；Anammox：厌氧氨氧化细菌；NH₄⁺：氨氮；NO₂^-：亚硝态氮；NO₃^-：硝态氮；COD：化学需氧量。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明：如图1所示，一种多级SBR联合生活污水深度脱氮同步污泥发酵混合液资源化的装置，设有城市生活污水原水水箱(1)、一级前置反硝化/硝化SBR反应器(2)、中间水箱(3)、二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器(4)、三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)以及出水水箱(6)；其中，原水水箱通过第一进水泵(2.1)与一级前置反硝化/硝化SBR反应器(2)进水口相连接；一级前置反硝化/硝化SBR反应器(2)分别通过出水阀、第二进水泵(4.1)与中间水箱(3)、二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器(4)进水口相连接；二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器(4)通过出水阀与中间水箱(3)相连接；中间水箱通过第三进水泵(5.1)与三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)进水口相连接；三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)通过出水阀与出水水箱(6)相连接。

所述原水水箱(1)、中间水箱(3)、出水水箱(6)均为开口箱体，设有溢流管和放空管。

所述一级前置反硝化/硝化SBR反应器(2)内置有搅拌器(2.2)、搅拌桨(2.3)。空压机(2.4)、空气阀(2.5)、空气流量计(2.6)和曝气装置(2.7)共同组成短程硝化SBR反应器(2)的曝气系统；反应器底部设有排空阀(2.8)；反应器器壁上设有取样阀(2.9)、第一出水阀(2.10)、第二出水阀(2.11)；反应器中插有pH电极(2.12)和溶解氧探头(2.13)，并与水质在线监测多参数测定仪(2.14)连接。

所述二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器(4)内置有搅拌器(4.2)和搅拌桨(4.3)；反应器的pH电极(4.4)与水质在线监测多参数测定仪(4.5)连接；反应器器壁上设有取样兼投加污泥发酵泥水混合物阀(4.6)、 出水阀(4.7)、排泥阀(4.8)；反应器底部设有排空阀(4.9)。

所述三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)内置有搅拌器(5.2)和搅拌桨(5.3)；加热装置(5.4)为反应器提供热量；反应器中插有pH电极(5.6)，并与水质在线监测多参数测定仪(5.5)连接；反应器器壁上设有出水阀(5.7)和取样阀(5.8)，底部设有排空阀(5.9)；反应器内侧装有填料(5.10)。

应用权利要求1所述装置进行一种多级SBR联合生活污水深度脱氮同步污泥发酵混合液资源化的方法，其特征包括以下步骤：

1)系统启动：取短程硝化污泥投加到一级前置反硝化/硝化SBR反应器(2)内，使反应器内污泥浓度达到2000～4000mg/L；取短程反硝化污泥投加到二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器(4)内，并取污泥发酵液加入其中，反应器内污泥浓度达到2000～4000mg/L；在三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)内沿内壁填充一层填料(包括但不局限于MBBR、悬浮球填料、弹性填料)，接种污水处理厂厌氧氨氧化污泥进行反应，填料的填充比为50％。

2)运行时调节操作如下：

一级前置反硝化/硝化SBR反应器的运行时序依次为：进水，机械搅拌，曝气充氧，沉淀，第一次排水至二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器、第二次排水至中间水箱、闲置。系统排水比为50％，生活污水进水后首先搅拌30min，以利用原水碳源进行反硝化，当pH不再上升时反硝化结束；然后曝气5h，反应器内溶解氧量上升至2±0.2mg/L，并不断搅拌进行短程硝化反应，积累亚硝态氮。当曝气搅拌过程中，pH不再降低时停止曝气，短程硝化反应结束；沉淀1h后，第一出水阀排出30％的体积污水，紧接着第二出水阀排出20％的体积污水；排水后进入闲置阶段，闲置1.5h。当短程硝化SBR反应器(2)出水NH₄⁺-N<1mg/L，NO₂^--N为进水中NH₄⁺-N质量浓度值的50％时，一级前置反硝化/硝化SBR反应器启动成功。然后一级前置反硝化/硝化SBR反应器按照进水，机械搅拌，曝气充氧，沉淀，第一次排水至二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器、第二次排水至中间水箱、闲置循环运行并且参数值和上面相同。

二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器的运行时序为：进水、机 械搅拌、沉淀、排水、排泥、闲置。一级前置反硝化/硝化SBR反应器第一出水阀出水通过进水泵(4.1)进入二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器，同时从取样兼投加污泥发酵泥水混合物阀加入污泥发酵泥水混合物。发酵泥水混合物悬浮固体浓度SS＝20000±50mg/L，NH4+-N＝650±50mg/L。进水与发酵泥水混合物体积比为20:3；反应2h，沉淀4h，沉淀结束后完通过排水阀排水，排水体积比为50％；排泥，二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器的污泥龄为15d，排泥后进入闲置阶段，闲置2h。当出水NO₂^--N<1mg/L，NH₄⁺-N>40mg/L时启动成功；然后二级反硝化同步发酵混合液资源化SBR反应器按照进水、机械搅拌、沉淀、排水、排泥、闲置循环运行并且参数值和上面相同。

三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)内有加热装置，通过水质在线监测多参数测定仪(5.5)控制反应器内温度为35℃，反应器每周期加入NH₄HCO₃缓冲溶液维持pH值为7.9～8.1；反应器运行序列为：进水、机械搅拌、沉淀、排水、闲置。中间水箱内的污水通过第三进水泵(5.1)进入反应器，厌氧搅拌5h后，沉淀1h后进行排水，排水比体积为40％～60％；闲置2h。当厌氧氨氧化SBR反应器出水TN<15mg/L，COD<50mg/L时，完成三级厌氧氨氧化SBBR反应器(5)的启动。然后三级厌氧氨氧化SBBR反应器按照进水、机械搅拌、沉淀、排水循环运行并且参数值和上面相同。

连续试验结果表明：运行稳定后，三级厌氧氨氧化SBBR反应器出水TN<15mg/L、COD<50mg/L、NH₄⁺-N<5mg/L、NO₂^--N<1mg/L。本发明可广泛应用于城市污水及其他低C/N工业废水处理。