微曝气硝化联合污泥发酵耦合反硝化处理低碳氮比生活污水的方法
【专利摘要】微曝气硝化联合污泥发酵耦合反硝化处理低碳氮比生活污水的方法，属于污水污泥处理领域。装置包括：原水池、储泥池、主反应器、排水池、空气压缩机、排泥池以及自动控制系统。在主反应器上设有搅拌器、温控装置、气体流量计以及曝气装置。方法为：首次运行时接种剩余污泥发酵系统的排泥，每周期运行时向主反应器注入城市污水生物脱氮系统所排剩余污泥以及生活污水，混合液中的氨氮通过硝化反应转化为亚硝态氮，进而利用污泥发酵产生的内碳源进行反硝化反应。本发明硝化阶段采用微曝气，反硝化阶段无需投加外碳源，最终实现了在同一反应器内进行污泥内碳源开发、硝化反应和发酵耦合反硝化反应的目的。
【专利说明】微曝气硝化联合污泥发酵耦合反硝化处理低碳氮比生活污水的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微曝气硝化联合发酵耦合反硝化处理低碳氮比生活污水的方法，属于污水生物处理【技术领域】。该工艺适用于低碳氮比(C0D质量浓度/总氮质量浓度，C/N)城市生活污水的强化脱氮生物处理。
【背景技术】
[0002]随着水体富营养化的日益严重，氮素污染问题引起了人们的高度关注。与此同时，对于氮素的排放标准也日趋严格。我国于2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中对氮素的一级A排放标准为氨氮小于5mg/L，总氮小于15mg/L。然而，我国城市污水普遍存在的碳氮比偏低的问题逐渐成为城市污水处理达标的瓶颈，这导致了约有三分之一的城市污水处理厂总氮难以达标，需要通过在反硝化阶段投加外碳源的方式达到一级A排放标准。
[0003]活性污泥法是目前城市污水处理使用的普遍方法之一，活性污泥法在净水的同时会产生数量可观的剩余污泥。我国每年产生的污泥量更是高达I亿吨以上。因此，污水生物处理系统的剩余污泥处理问题是城市污水处理厂另一个重点和难点。
[0004]近年来，污泥内碳源的开发与利用成为了新的研究热点。这既有助于解决污水处理碳源不足的问题，又可以实现污泥的减量化无害化处理。但现有多数研究往往局限于污泥内碳源的开发，即污泥发酵产酸后，通过淘洗的方式将有机酸投入到反应器中进行利用。这种发酵-淘洗的方式有以下不足:1、由于混合污泥长期处于厌氧环境，导致污泥黏度升高，不易泥水分离；2、完全厌氧发酵过程很难避免有产甲烷反应发生，而产甲烷过程会消耗大量发酵产物；3、由于淘洗效率普遍较低，若要提高液相中的挥发性脂肪酸(VolatileFatty Acid，VFA)溶出量，则需加大淘洗水量和淘洗次数；4、由于发酵过程会释放出较高的氨氮和磷酸盐，将发酵液注入后续处理单元时会增加进水负荷。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明利用序批式反应器将污泥发酵、城市生活污水的硝化、反硝化耦合于同一体系中，利用污泥发酵产生的有机酸为碳源进行反硝化，无需外加碳源，强化了低C/N污水的脱氮效果。本发明可以在同一反应器中实现微曝气氨氧化反应、发酵产生内碳源、原位利用发酵产物进行反硝化反应的耦合，从而使得系统出水达到一级A标准。
[0006]本发明通过以下技术步骤实现:
[0007]—种微曝气硝化联合污泥发酵耦合反硝化处理低碳氮比生活污水的方法，其装置包括:原水池、 储泥池、主反应器、空气压缩机、排水池、排泥池、可编程过程控制器和计算机。原水池、储泥池、空气压缩机、排水池、排泥池分别与主反应器相连接，在主反应器顶部设有一号搅拌器、温控装置、PH传感器、DO传感器，侧面设有气体流量计、进水管、进泥管、出水管、排泥管，底部设有曝气装置；储泥池顶部设有二号搅拌器。
[0008]原水池、进水泵和进水管一端依次相连，进水管另一端与主反应器连接；储泥池、进泥泵和进泥管一端依次相连，进泥管另一端与主反应器相连接；排水池、排水继电器和排水管一端依次连接，排水管另一端与主反应器相连接；排泥池、排水继电器和排泥管一端依次连接，排泥管另一端与主反应器相连接；空气压缩机通过气体流量计与主反应器相连接；
[0009]可编程过程控制器内置有pH传感器接口、DO传感器接口、进水继电器接口、一号搅拌器接口、温控传感器接口、曝气继电器接口、排水继电器接口、排泥继电器接口、进泥继电器接口，可编程过程控制器另一端与计算机相连接。
[0010]一种微曝气硝化联合污泥发酵耦合反硝化处理低碳氮比生活污水的方法，其特征包括以下步骤:
[0011]I)接种污泥:微曝气硝化联合污泥发酵耦合反硝化主反应器首次启动时采用的接种污泥来自污泥消化系统排泥，其污泥浓度为10-13kgMLSS/m3，并且初次进水进泥后的混合污泥浓度为5-8kgMLSS/m3 ；
[0012]2)启动系统:开启进水泵、进泥泵、一号搅拌器、二号搅拌器、空气压缩机，开启可编程过程控制器和计算机，设置DO为0.5-0.8mg/L,设置温度为30± 1°C ;
[0013]3)进泥:启动进泥泵，将储泥池中的新鲜剩余污泥泵入主反应器中，剩余污泥为城市污水生物脱氮系统所排剩余污泥，污泥浓度浓缩至10-13kgMLSS/m3，进泥与接种污泥的质量浓度比为1/5至3/10 ；
[0014]4)进水:启动进水泵，将原水池中的城市生活污水泵入主反应器中，进水体积占主反应器有效容积的2/5-3/5 ；
[0015]5)好氧阶段:硝化阶段采用微曝气，通过可编程过程控制器控制空气压缩机使溶解氧控制在0.5-0.8mg/L，可编程过程控制器收集pH传感器反馈信号并传输入计算机，当PH信号的一阶导数由负变正时，关闭空气压缩机；
[0016]6)缺氧阶段:通过可编程过程控制器控制一号搅拌器，转速为SO-1OOrpm，可编程过程控制器收集PH传感器反馈信号并传输至计算机，当PH信号的一阶导数由正变负时，关闭一号搅拌器，进入下一步骤；
[0017]7)静置:静置沉淀时间为30_60min，沉淀结束后进入下一步骤；
[0018]8)排水:通过可编程过程控制器控制排水继电器，排水体积为主反应器有效容积的 2/5-3/5 ；
[0019]9)排泥:通过可编程过程控制器控制排泥继电器，排泥比为1:12.5-1:8 ；
[0020]10)搅拌:通过可编程过程控制器启动一号搅拌器，搅拌时间为6-10h ；
[0021]11)循环步骤(3)——(10)。
[0022]本发明的原理:本发明可以在同一反应器中实现微曝气氨氧化反应、发酵产生内碳源、原位利用发酵产物进行反硝化反应的耦合。本发明所述方法处理的城市生活污水C/N小于3，进水氨氮浓度为50mg/L。首先在氨氧化阶段，溶解氧控制在0.5-0.8mg/L,硝化细菌利用溶解氧进行硝化反应，将氨氮转化为亚硝态氮；反硝化阶段，在发酵细菌进行消化的同时，反硝化细菌利用污泥发酵产生的内碳源进行反硝化反应，由此实现了发酵耦合反硝化反应。另外，由于前一阶段采用微曝气，故不会对发酵细菌产生较大影响。反硝化反应终止后，进行厌氧消化，为下一周期提供内碳源。
[0023]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0024]I)在同一空间内实现了城市生活污水的硝化反应、发酵耦合反硝化反应，无需外加碳源，即可实现低C/N城市生活污水的总氮一级A排放标准；
[0025]2)在硝化阶段采用微曝气，既不破坏发酵细菌的产酸活性，又节约了能源消耗；
[0026]3)短程硝化出水的亚硝态氮为发酵耦合反硝化阶段提供了稳定的缺氧环境，同时反硝化过程产生碱度，中和了消化反应产生的短链脂肪酸，有效促进了消化效率；
[0027]4)相较于传统的厌氧消化过程，亚硝态氮的存在避免了产甲烷菌消耗污泥发酵产物，从而使发酵产物充分用于脱氮。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明的装置结构图:
[0029]1-原水池 1.1-进水泵 1.2-进水管
[0030]2-储泥池 2.1-二号搅拌器 2.2-进泥泵 2.3_进泥管
[0031]3-主反应器 3.1-—号搅拌器 3.2-温度传感器 3.3_气体流量计
3.4-pH传感器
[0032]3.5-D0传感器 3.6_曝气头
[0033]4-空气压缩机 5-排水池 5.1-排水继电器 5.2-排水管
[0034]6-排泥池 6.1-排泥继电器 6.2-排泥管
[0035]7-可编程过程控制器 7.1-pH传感器接口 7.2_D0传感器接口
[0036]7.3-进水继电器接口 7.4- 一号搅拌器接口
[0037]7.5-温控传感器接口 7.6-曝气继电器接口
[0038]7.7-排水继电器接口 7.8-排泥继电器接口
[0039]7.9-进泥继电器接口 8-计算机
【具体实施方式】
[0040]结合附图1和实施实例对本发明做进一步说明。
[0041]一种微曝气硝化联合污泥发酵耦合反硝化处理低碳氮比生活污水的方法，其装置包括:原水池1、储泥池2、主反应器3、空气压缩机4、排水池5、排泥池6、可编程过程控制器7和计算机8。微曝气联合污泥发酵耦合反硝化主反应器3采用圆柱形结构，在其顶部设有一号搅拌器3.1，温度传感器3.2、pH传感器3.4、D0传感器3.5，侧面设有气体流量计3.3，两侧分别设有进水管1.2、进泥管2.3、出水管5.2、排泥管6.2，底部设有曝气装置3.6。
[0042]原水池I通过进水泵1.1、进水管1.2与主反应器3相连接，储泥池2通过进泥泵
2.2、进泥管2.3和主反应器相连接，储泥池2顶部设有二号搅拌器2.1，排水池5通过排水继电器5.1、排水管5.2与主反应器3相连接,排泥池6通过排泥继电器6.1、排泥管6.2与主反应器3相连接，空气压缩机4通过气体流量计3.3与主反应器3相连接。
[0043]可编程过程控制器7内置有pH传感器接口 7.1、DO传感器接口 7.2、进水继电器接口 7.3、一号搅拌器接口 7.4、温控传感器接口 7.5、曝气继电器接口 7.6、排水继电器接口
7.7、排泥继电器接口 7.8、进泥继电器接口 7.9，可编程过程控制器7另一端与计算机8相连接。
[0044]本发明以某大学家属区排放的生活污水(pH = 7.0-7.9，NH4+_N = 58_68mg/L，COD=120-140mg/L)为研究对象。实验接种污泥来自某城市污水处理厂污泥消化系统所排剩余污泥，实验用剩余污泥来自城市生活污水中试脱氮系统所排剩余污泥，浓缩后置于储泥池中(MLSS = 10-13kgMLSS/m3, MLVSS = 8-llkgMLSS/m3) ?微曝气联合污泥发酵耦合反硝化主反应器有效容积为10L，首次运行接种消化污泥4L，每周期投加新鲜剩余污泥1.2L，进水4.8L，混合后NH4+-N浓度为35mg/L，污泥浓度为6.lkgMLSS/m3，反应温度控制在30°C。具体运行过程如下:
[0045]I)接种污泥:微曝气硝化联合污泥发酵耦合反硝化主反应器首次启动时采用的接种污泥来自污泥消化系统排泥，其污泥浓度为12kgMLSS/m3，首次投加的新鲜剩余污泥来自城市生活污水中试脱氮系统，其污泥浓度为llkgMLSS/m3，并且初次进水进泥后的混合污泥浓度为 6.lkgMLSS/m3。
[0046]2)启动系统:开启进水泵、进泥泵、一号搅拌器、二号搅拌器、空气压缩机，开启可编程过程控制器和计算机，设置DO为0.5-0.8mg/L,设置温度为30± 1°C ;
[0047]3)进泥:启动进泥泵，将储泥池中的新鲜剩余污泥泵入主反应器中，剩余污泥为城市污水生物脱氮系统所排剩余污泥，污泥浓度为llkgMLSS/m3，进泥泵速为240ml/min，进泥时间为5min ；
[0048]4)进水:启动进水泵，将原水池中的生活污水泵入主反应器中，进水泵速为480ml/min,进水时间为 1min ；
[0049]5)好氧阶段:硝化阶段采用微曝气，通过可编程过程控制器控制空气压缩机使溶解氧控制在0.5-0.8mg/L，可编程过程控制器收集pH传感器反馈信号并传输入计算机，当PH信号的一阶导数由负变正时，关闭空气压缩机，硝化时间约为3h ；
[0050]6)缺氧阶段:通过可编程过程控制器控制一号搅拌器，转速为80rpm，可编程过程控制器收集PH传感器反馈信号并传输至计算机，当pH信号的一阶导数由正变负时，关闭一号搅拌器，随后进入下一步骤；
[0051]7)静置:静置沉淀时间为30min，沉淀结束后进入下一步骤；
[0052]8)排水:通过可编程过程控制器控制排水继电器，排水体积为4.8L，排水时间为2min ；
[0053]9)排泥:排水结束后，启动一号搅拌器，通过可编程过程控制器控制排泥继电器，排泥1.2L；
[0054]10)搅拌:，搅拌时间为9h ；
[0055]11)循环步骤(3)——(10)。
[0056]连续运行结果表明:在30°C，DO浓度为0.5-0.8mg/L，反应器中污泥浓度为5-8kgMLSS/m3,进水C/N小于3的情况下，出水氨氮小于5mg/L,出水总氮小于10mg/L,达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002) —级A标准。本发明在同一反应器中实现了微曝气硝化、污泥内碳源的开发、利用污泥内碳源进行反硝化的耦合，最终实现了低C/N生活污水的脱氮过程。
【权利要求】
1.一种微曝气硝化联合污泥发酵耦合反硝化处理低碳氮比生活污水的装置，其特征在于:包括原水池(I)、储泥池(2)、主反应器(3)、空气压缩机(4)、排水池(5)、排泥池(6)、可编程过程控制器(7)和计算机(8);原水池(I)、储泥池(2)、空气压缩机(4)、排水池(5)、排泥池(6)分别与主反应器(3)相连接，在所述主反应器(3)顶部设有一号搅拌器(3.1)、温度传感器(3.2)、pH传感器(3.4)、DO传感器(3.5)，侧面设有气体流量计(3.3)、进水管(1.2)、进泥管(2.3)、排水管(5.2)、排泥管(6.2)，底部设有曝气头(3.6);储泥池(2)顶部设有二号搅拌器(2.1)； 原水池(I)、进水泵(1.1)和进水管(1.2)的一端依次相连接，进水管另一端与主反应器(3)连接；储泥池(2)、进泥泵(2.1)和进泥管(2.3)的一端依次相连接，进泥管(2.3)另一端与主反应器(3)相连接；排水池(5)、排水继电器(5.1)和排水管一端(5.2)依次相连接，所述排水管(5.2)另一端与主反应器(3)相连接；排泥池(6)、排水继电器(6.1)和排泥管(6.2) 一端依次连接，排泥管(6.2)另一端与主反应器(3)相连接；空气压缩机(4)通过气体流量计(3.3)与主反应器(3)相连接； 可编程过程控制器(7)内置有pH传感器接口(7.1)、D0传感器接口(7.2)、进水继电器接口(7.3)、一号搅拌器接口(7.4)、温控传感器接口(7.5)、曝气继电器接口(7.6)、排水继电器接口(7.7)、排泥继电器接口(7.8)、进泥继电器接口(7.9)，可编程过程控制器(7)另一端与计算机(8)相连接。
2.应用权利要求1所述装置处理低碳氮比生活污水的方法，其特征包括以下步骤: 1)接种污泥:微曝气硝化联合污泥发酵耦合反硝化主反应器首次启动时采用的接种污泥来自污泥消化系统排泥，其污泥浓度为10-13kgMLSS/m3，并且初次进水进泥后的混合污泥浓度为5-8kgMLSS/m3 ； 2)启动系统:开启进水泵、进泥泵、一号搅拌器、二号搅拌器、空气压缩机，开启可编程过程控制器和计算机，设置DO为0.5-0.8mg/L,设置温度为30± 1°C ; 3)进泥:启动进泥泵，将储泥池中的新鲜剩余污泥泵入主反应器中，剩余污泥为城市污水生物脱氮系统所排剩余污泥，污泥浓度浓缩至10-13kgMLSS/m3，进泥与接种污泥的质量浓度比为1/5至3/10 ； 4)进水:启动进水泵，将原水池中的城市生活污水泵入主反应器中，进水体积占主反应器有效容积的2/5-3/5 ； 5)好氧阶段:硝化阶段采用微曝气，通过可编程过程控制器控制空气压缩机使溶解氧控制在0.5-0.8mg/L,可编程过程控制器收集pH传感器反馈信号并传输入计算机，当pH信号的一阶导数由负变正时，关闭空气压缩机； 6)缺氧阶段:通过可编程过程控制器控制一号搅拌器，转速控制在SO-1OOrpm，可编程过程控制器收集PH传感器反馈信号并传输至计算机，当pH信号的一阶导数由正变负时，关闭一号搅拌器，进入下一步骤； 7)静置:静置沉淀时间为30-60min，沉淀结束后进入下一步骤； 8)排水:通过可编程过程控制器控制排水继电器，排水体积为主反应器有效容积的2/5-3/5 ； 9)排泥:通过可编程过程控制器控制排泥继电器，排泥比为1:12.5-1:8 ； 10)搅拌:通过可编程过程控制器启动一号搅拌器，搅拌时间为6-10h；11)循环步骤( 3)——(10)。
【文档编号】C02F11/04GK104163493SQ201410361653
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年7月27日 优先权日:2014年7月27日
【发明者】彭永臻, 郭媛媛, 王博, 唐裕芳, 王淑莹 申请人:北京工业大学