旁流除磷实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷的装置和方法

摘要

本发明属于污水生物处理技术领域，涉及一种旁流除磷实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷的装置和方法，城市污水进入短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器后先进行厌氧搅拌再进入好氧阶段，氨氧化菌进行短程硝化完全后进入缺氧阶段，反硝化聚糖菌利用储存的内碳源进行内源反硝化脱氮后出水排入第一出水水箱，排泥经储泥箱进入二次释磷SBR反应器；在二次释磷SBR反应器内进行聚磷菌的二次释磷，剩余污泥在短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器反应周期开始时回流，实现无剩余污泥排放，使得无剩余污泥排放条件下城市污水脱氮除磷性能提高，同时也有利于磷资源的回收与再利用。

说明书

技术领域：

本发明属于污水生物处理技术领域，涉及一种城市污水脱氮除磷装置及方法，特别是一种旁流除磷实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷的装置和方法。

背景技术：

随着经济的迅速发展，环境污染问题越来越突出，尤其是含氮、磷等植物营养型污染物的超标排放。研究表明，当水体中总磷的浓度高于0.02mg/L或者总氮的浓度超过0.2mg/L时，即可视为水体富营养化，且城市污水处理厂二级出水中所含的磷是导致其受纳水体出现富营养化现象的一个主要原因。因此，控制水体富营养化的根本途径就是要控制污染物的排放、加大污染源的治理，并提高污水处理厂处理出水的氮、磷排放标准。我国规定《城镇污水处理厂排放标准》(GB18918-2002)中的一级A标准为：TN＜15mg/L、TP＜0.5mg/L。所以，今后无论是新建污水处理厂还是已有污水处理厂都面临着污水深度脱氮除磷的要求。

此外，在废水生物处理过程中污染物一部分被转化为CO2和N2释放到大气中，一部分被微生物利用合成细胞物质，因此废水处理过程会产生大量的剩余污泥，如果处理处置不当，剩余污泥中的重金属离子以及病原微生物会释放到环境中，危害人类的健康，且剩余污泥在分解过程中会产生臭味以及释放出大量的氮磷元素，污染空气以及水体；厌氧/好氧/缺氧运行的短程硝化内源反硝化耦合除磷工艺，结合了短程硝化、强化生物除磷和内源反硝化三种新型生物脱氮除磷技术的优点。其可在一个SBR反应器内的厌氧/好氧/缺氧交替的条件下，实现短程硝化、好氧吸磷、内源反硝化的进行，进而可提高工艺的脱氮除磷性能。强化生物除磷技术可实现城市污水的高效、稳定除磷。短程硝化内源反硝化技术，在节省反硝化所需碳源的基础上，可通过强化内碳源的利用，提高系统的脱氮性能。因此，迫切需要一种实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷工艺，在厌氧/好氧/缺氧运行的短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR工艺的基础上进行旁流除磷，通过在旁流除磷工艺中强化聚磷菌的厌氧释磷及因菌体自溶而产生的释磷现象，进一步保障系统的除磷性能，有利于磷资源的回收，保障系统的无剩余污泥排放。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种旁流除磷实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷装置及方法，实现无外加碳源条件下低碳城市污水稳定脱氮除磷，并解决采用传统脱氮除磷工艺进行城市污水脱氮除磷过程中脱氮除磷性能不能同时达到最好，且有大量剩余污泥排放的目的。

为了实现上述目的，本发明所述旁流除磷实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷的装置的主体结构包括城市污水原水水箱、短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器、第一出水水箱、储泥箱、在线监测和反馈控制系统、二次释磷SBR反应器和第二出水水箱；城市污水原水水箱的底部右侧设有第一放空管，城市污水原水水箱的左侧上部设有第一溢流管，城市污水原水水箱通过第一进水泵与短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器相连接；短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器内安装有第一搅拌桨，第一搅拌桨的顶部伸出短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器并与第一搅拌器连接，第一搅拌桨的下部安装有曝气头，曝气头与安装在短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器左侧的气体流量计连接，气体流量计通过电磁阀与气泵连接；短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器内安装有均与pH/DO测定仪连接的pH传感器和DO传感器，短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器底端连接有第二放空管，短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器的右侧下端安装有第一电动排水阀，第一电动排水阀的上端设有排泥阀，短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器通过第一电动排水阀与第一出水水箱相连接；短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器通过排泥阀与储泥箱相连接；第一出水水箱的底部右侧与第三放空管连接，左侧上部与第二溢流管连接；储泥箱的左侧上部连接有第三溢流管，储泥箱通过第二进水泵与二次释磷SBR反应器相连接；二次释磷SBR反应器通过第二电动排水阀与第二出水水箱相连接；二次释磷SBR反应器通过污泥回流泵与短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器相连接；二次释磷SBR反应器内置有第二搅拌桨，第二搅拌桨伸出二次释磷SBR反应器并与第二搅拌器连接；第二出水水箱的底部右侧与第四放空管连接，左侧上部与第四溢流管连接；在线监测和反馈控制系统包括计算机和可编程过程控制器，可编程过程控制器左侧自上而下依次内置曝气继电器、搅拌器继电器和pH/DO数据信号接口，pH/DO数据信号接口右侧依次设有信号转换器DA转换接口和信号转换器AD转换接口，信号转换器AD转换接口通过电缆线与计算机相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机；计算机通过信号转换器DA转换接口与可编程过程控制器相连接，将计算机的数字指令传递给可编程过程控制器；曝气继电器与电磁阀相连接；搅拌器继电器与第一搅拌器相连接；pH/DO数据信号接口与pH/DO测定仪相连接。

本发明进行城市污水脱氮除磷的具体过程为：

(1)城市污水通过第一进水泵由城市污水原水水箱抽入短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器；在短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器内，聚磷菌(PAOs)利用城市污水中的有机碳源进行厌氧释磷并同时储存内碳源聚羟基脂肪酸酯(PHA)于体内，聚糖菌(GAOs)利用城市污水中的有机碳源进行聚羟基脂肪酸酯(PHA)的储存；

(2)开启气泵并调控气体流量计，短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器进入曝气搅拌阶段，聚磷菌(PAOs)则利用体内储存的PHA进行好氧吸磷，实现城市污水中磷的去除，氨氧化菌(AOB)利用城市污水中的氨氮进行短程硝化作用，并将其转化为亚硝态氮后进入缺氧搅拌阶段，聚糖菌(GAOs)利用体内储存的聚羟基脂肪酸酯(PHA)进行内源反硝化脱氮，去除短程硝化过程中产生的亚硝态氮，实现城市污水中氮的去除；缺氧搅拌结束后，沉淀排水，出水经第一电动排水阀排入第一出水水箱进行排泥，排泥通过排泥阀排入储泥箱，后经第二进水泵抽入二次释磷SBR反应器；

(3)在二次释磷SBR反应器内，PAOs利用体内储存的PHA进行二次释磷，也可因菌体自溶而释磷；厌氧搅拌结束后，进行沉淀排水，出水经第二电动排水阀排入第二出水水箱，剩余污泥则经污泥回流泵回流至短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器，实现城市污水的脱氮除磷。

本发明进行旁流除磷实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷的具体步骤如下：

(1)将具有良好除磷性能的现有强化生物除磷系统的剩余污泥和具有良好脱氮性能的短程硝化污泥分别投加至短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器内，使短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器内悬浮活性污泥浓度达到2000～4000mg/L，二次释磷SBR反应器启动时不投加活性污泥；

(2)将城市污水加入城市污水原水水箱，启动第一进水泵将城市污水抽入短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器内，先厌氧搅拌60～240min，再曝气搅拌60～300min，当NH₄⁺-N浓度＜1.0mg/L且PO₄^3--P浓度＜0.5mg/L时停止曝气搅拌，再进行缺氧搅拌2～15h，当pH曲线出现拐点时进行排泥，排泥先经排泥阀排入储泥箱后经第二进水泵抽入二次释磷SBR反应器；排泥结束后停止缺氧搅拌，沉淀排水，排水比为0.2～0.7，出水经第一电动排水阀排入第一出水水箱；

(3)二次释磷SBR反应器运行时，厌氧搅拌2～20h，当pH曲线出现第二个拐点后沉淀排水，排水比为0.2～0.7，出水经第二电动排水阀排入第二出水水箱，部分污泥则经污泥回流泵抽入短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器；二次释磷SBR反应器运行时，活性污泥来源于短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器的排泥，通过调控厌氧搅拌的运行时间使二次释磷SBR反应器内活性污泥浓度维持在2000～3000mg/L；当二次释磷SBR反应器内活性污泥浓度＞3000mg/L时，增加缺氧搅拌的运行时间；当二次释磷SBR反应器内活性污泥浓度＜2000mg/L时，减少缺氧搅拌的运行时间；短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器运行时，通过调控污泥回流泵的运行时间使短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器内活性污泥浓度维持在2000～3000mg/L；当短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器内活性污泥浓度＞3000mg/L时，减少污泥回流泵的运行时间；当短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器内悬浮活性污泥浓度＜2000mg/L时，增加污泥回流泵的运行时间，完成旁流除磷实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷。

本发明与现有技术相比，结合了短程硝化反硝化、强化生物除磷和内源反硝化三种新型生物脱氮除磷技术的优点，还结合了旁流除磷工艺的优点，使得无剩余污泥排放条件下城市污水脱氮除磷性能的提高成为可能，同时也有利于磷资源的回收与再利用，具体具有以下优点：一是将短程硝化、强化生物除磷和内源反硝化三种新型生物脱氮除磷技术用于城市污水的脱氮除磷过程中，通过调控厌氧/好氧/缺氧的运行的条件可实现城市污水的深度脱氮除磷，且无需外加有机碳源；二是短程硝化内源反硝化技术，在节省反硝化所需碳源的基础上，可通过强化内碳源的利用，提高系统的脱氮性能；三是将旁流除磷技术与短程硝化内源反硝化耦合除磷新技术相结合，可进一步提高系统的除磷性能，有利于磷资源的回收，且可实现系统的无剩余污泥排放。

附图说明：

图1为本发明所述旁流除磷实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷的装置的主体结构原理示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合对本发明做进一步的说明。

实施例1：

本实施例所述旁流除磷实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷的装置的主体结构包括城市污水原水水箱1、短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2、第一出水水箱3、储泥箱4、在线监测和反馈控制系统5、二次释磷SBR反应器6和第二出水水箱7；城市污水原水水箱1的底部右侧设有第一放空管1.2，城市污水原水水箱1的左侧上部设有第一溢流管1.1，城市污水原水水箱1通过第一进水泵2.1与短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2相连接；短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内安装有第一搅拌桨2.4，第一搅拌桨2.4的顶部伸出短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2并与第一搅拌器2.3连接，第一搅拌桨2.4的下部安装有曝气头2.8，曝气头2.8与安装在短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2左侧的气体流量计2.7连接，气体流量计2.7通过电磁阀2.6与气泵2.5连接；短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内安装有均与pH/DO测定仪2.12连接的pH传感器2.13和DO传感器2.14，短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2底端连接有第二放空管2.11，短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2的右侧下端安装有第一电动排水阀2.10，第一电动排水阀2.10的上端设有排泥阀2.9，短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2通过第一电动排水阀2.11与第一出水水箱3相连接；短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2通过排泥阀2.9与储泥箱4相连接；第一出水水箱3的底部右侧与第三放空管3.2连接，左侧上部与第二溢流管3.1连接；储泥箱4的左侧上部连接有第三溢流管4.1，储泥箱4通过第二进水泵6.1与二次释磷SBR反应器6相连接；二次释磷SBR反应器6通过第二电动排水阀6.4与第二出水水箱7相连接；二次释磷SBR反应器6通过污泥回流泵2.2与短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2相连接；二次释磷SBR反应器6内置有第二搅拌桨6.3，第二搅拌桨6.3伸出二次释磷SBR反应器6并与第二搅拌器6.2连接；第二出水水箱7的底部右侧与第四放空管7.2连接，左侧上部与第四溢流管7.1连接；在线监测和反馈控制系统5包括计算机5.1和可编程过程控制器5.2，可编程过程控制器5.2左侧自上而下依次内置曝气继电器5.5、搅拌器继电器5.6和pH/DO数据信号接口5.7，pH/DO数据信号接口5.7右侧依次设有信号转换器DA转换接口5.3和信号转换器AD转换接口5.4，信号转换器AD转换接口5.4通过电缆线与计算机5.1相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机5.1；计算机5.1通过信号转换器DA转换接口5.3与可编程过程控制器5.2相连接，将计算机5.1的数字指令传递给可编程过程控制器5.2；曝气继电器5.5与电磁阀2.6相连接；搅拌器继电器5.6与第一搅拌器2.3相连接；pH/DO数据信号接口5.7与pH/DO测定仪2.12相连接。

本实施例进行城市污水脱氮除磷的具体过程为：

(3)城市污水通过第一进水泵2.1由城市污水原水水箱1抽入短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2；在短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内，聚磷菌(PAOs)利用城市污水中的有机碳源进行厌氧释磷并同时储存内碳源聚羟基脂肪酸酯(PHA)于体内，聚糖菌(GAOs)利用城市污水中的有机碳源进行PHA的储存；

(4)开启气泵2.5并调控气体流量计2.7，短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2进入曝气搅拌阶段，PAOs则利用体内储存的PHA进行好氧吸磷，实现城市污水中磷的去除，氨氧化菌(AOB)利用城市污水中的氨氮进行短程硝化作用，并将其转化为亚硝态氮后进入缺氧搅拌阶段，GAOs利用体内储存的PHA进行内源反硝化脱氮，去除短程硝化过程中产生的亚硝态氮，实现城市污水中氮的去除；缺氧搅拌结束后，沉淀排水，出水经第一电动排水阀2.10排入第一出水水箱3进行排泥，排泥通过排泥阀2.9排入储泥箱4，后经第二进水泵6.1抽入二次释磷SBR反应器6；

(3)在二次释磷SBR反应器6内，PAOs利用体内储存的PHA进行二次释磷，也可因菌体自溶而释磷；厌氧搅拌结束后，进行沉淀排水，出水经第二电动排水阀6.4排入第二出水水箱7，剩余污泥则经污泥回流泵2.2回流至短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2，实现城市污水的脱氮除磷。

本实施例还提供了旁流除磷实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷的方法，其具体步骤如下：

(1)将具有良好除磷性能的现有强化生物除磷系统的剩余污泥和具有良好脱氮性能的短程硝化污泥分别投加至短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内，使短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内悬浮活性污泥浓度达到2000～4000mg/L，二次释磷SBR反应器6启动时不投加活性污泥；

(2)将城市污水加入城市污水原水水箱1，启动第一进水泵2.1将城市污水抽入短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内，先厌氧搅拌60～240min，再曝气搅拌60～300min，当NH₄⁺-N浓度＜1.0mg/L且PO₄^3--P浓度＜0.5mg/L时停止曝气搅拌，再进行缺氧搅拌2～15h，当pH曲线出现拐点时进行排泥，排泥先经排泥阀2.9排入储泥箱4后经第二进水泵6.1抽入二次释磷SBR反应器6；排泥结束后停止缺氧搅拌，沉淀排水，排水比为0.2～0.7，出水经第一电动排水阀2.10排入第一出水水箱3；

(3)二次释磷SBR反应器6运行时，厌氧搅拌2～20h，当pH曲线出现第二个拐点后沉淀排水，排水比为0.2～0.7，出水经第二电动排水阀6.4排入第二出水水箱7，部分污泥则经污泥回流泵2.2抽入短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2；二次释磷SBR反应器6运行时，活性污泥来源于短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2的排泥，通过调控厌氧搅拌的运行时间使二次释磷SBR反应器6内活性污泥浓度维持在2000～3000mg/L；当二次释磷SBR反应器6内活性污泥浓度＞3000mg/L时，增加缺氧搅拌的运行时间；当二次释磷SBR反应器6内活性污泥浓度＜2000mg/L时，减少缺氧搅拌的运行时间；短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2运行时，通过调控污泥回流泵2.2的运行时间使短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内活性污泥浓度维持在2000～3000mg/L；当短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内活性污泥浓度＞3000mg/L时，减少污泥回流泵2.2的运行时间；当短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内悬浮活性污泥浓度＜2000mg/L时，增加污泥回流泵2.2的运行时间，完成旁流除磷实现无剩余污泥排放的城市污水脱氮除磷。

实施例2：

本实施例的试验用水取自某大学家属区生活污水，具体水质如下：COD浓度为184.5～298.7mg/L，NH₄⁺-N浓度为46.5～67.8mg/L，NO₂^--N浓度<0.5mg/L，NO₃^--N浓度<1mg/L，P浓度为3.3～7.9mg/L，采用如图1所示装置，各反应器为有机玻璃材质，其中短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2有效容积为10L，二次释磷SBR反应器6有效容积为5L；具体过程为：

(1)将具有良好除磷性能的强化生物除磷系统的剩余污泥和具有良好脱氮性能的短程硝化污泥分别投加至短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内，使接种后短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内悬浮活性污泥浓度达到2500mg/L；二次释磷SBR反应器6启动时不投加活性污泥；

(2)将城市污水加入城市污水原水水箱1，启动第一进水泵2.1将4L城市污水抽入短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内，先厌氧搅拌150min，再进行曝气搅拌，当NH₄⁺-N浓度＜1.0mg/L且PO₄^3--P浓度＜0.5mg/L时停止曝气搅拌，再进行缺氧搅拌，当pH曲线出现拐点时排泥2L，排泥先经排泥阀2.9排入储泥箱4后经第二进水泵6.1抽入二次释磷SBR反应器6；排泥结束后停止缺氧搅拌，沉淀排水，排水比为0.4，出水经第一电动排水阀2.10排入第一出水水箱3；

(3)二次释磷SBR反应器6运行时，进行厌氧搅拌，当pH曲线出现第二个拐点后沉淀排水，排水比为0.4，出水经第二电动排水阀6.4排入第二出水水箱7，部分污泥则经污泥回流泵2.2抽入短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2；二次释磷SBR反应器6运行时，活性污泥来源于短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2的排泥，通过调控厌氧搅拌的运行时间使二次释磷SBR反应器6内活性污泥浓度维持在3000mg/L左右；当二次释磷SBR反应器6内活性污泥浓度＞3000mg/L时，增加缺氧搅拌的运行时间；当二次释磷SBR反应器6内活性污泥浓度＜2000mg/L时，减少缺氧搅拌的运行时间；短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2运行时，通过调控污泥回流泵2.2的运行时间使短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内活性污泥浓度维持在2500mg/L；当短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内活性污泥浓度＞3000mg/L时，减少污泥回流泵2.2的运行时间；当短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2内悬浮活性污泥浓度＜2000mg/L时，增加污泥回流泵2.2的运行时间；试验结果表明：运行稳定后，短程硝化内源反硝化耦合除磷SBR反应器2出水COD浓度为33～48mg/L，NH₄⁺-N浓度＜1mg/L，NO₂^--N为＜1mg/L，NO₃^--N＜3mg/L，TN浓度＜5mg/L，PO₄^3--P浓度＜0.5mg/L，出水可达一级A排放标准；二次释磷SBR反应器6出水PO₄^3--P浓度为12～25mg/L。