进水高度可调的底部进水高效脱氮好氧颗粒污泥反应器及处理工艺的制作方法

本发明属于污水处理技术领域，涉及污泥反应器，尤其是一种好氧颗粒污泥反应器及处理工艺。

背景技术：

目前，国内污水处理面临两大难题：一方面是污水处理厂剩余污泥处理压力逐年增加。传统活性污泥法存在的剩余污泥产量高、占地面积大等问题是污水厂良性发展的制约因素。目前剩余污泥处理的费用约为200-400元/吨，占污水处理厂运行费用的50％左右且逐年上升。污泥的减量化、无害化和资源化已经成为业内关注的焦点，也成为整个污水处理行业发展的重要制约因素。另一方面，随着城镇化的发展，国家对污水处理厂的排放标准也愈发严格，尾水中总氮的脱除效率已成为重要考核标准。尽管目前我国设市城市、县累计建成污水处理厂3802座，污水处理能力达1.61亿立方米/日，多数污水厂仍不具高效脱氮能力，而现有的污水处理工艺由于缺乏总氮的有效去除，面临大规模的升级改造。

好氧颗粒污泥因其具有致密的物理结构、优异的沉降性能、功能互营的菌群和高浓度的生物量，在泥水快速分离、同步脱氮除磷、有毒物高效降解、剩余污泥减量等方面具有明显技术优势。其污泥产率仅为0.15kgmlss/kgcod左右，远小于活性污泥的0.4-0.6kgmlss/kgcod，实现了污泥源头减量，在目前剩余污泥处置形势严峻的背景下具有重要的经济意义。同时，当颗粒污泥达到一定粒径后，由于传质阻力的限制使溶解氧无法渗透入颗粒内部，在颗粒结构中形成了由外向内的好氧-缺氧区，为脱氮微生物群落提供了合适的生存环境，从而具有良好同步脱氮效果。由于具有同步脱氮除磷及良好的污泥沉降性，好氧颗粒污泥处理工艺无需设置厌/缺氧段及二沉池，大大节约了占地及建设费用。其占地及建设费用分别仅为传统活性污泥工艺的25％和75％。

但生活污水及工业废水好氧颗粒污泥处理工程运行发现，系统在长期运行(120天～400天不等)条件下易发生结构解体、污泥流失、过程失稳，从而导致反应器崩溃，极大地制约了其工程运用。现有研究表明，运行过程中颗粒污泥粒径过度增加、颗粒内部传质受限是颗粒解体的主要致因。运行过程中颗粒内部溶解氧传质受限，导致厌氧产酸，降低了颗粒内部ph，使作为eps骨架结构的β-多糖被溶解，破坏了好氧颗粒污泥空间结构导致解体；同时，颗粒内部基质不足导致颗粒内部新陈代谢速率下降并出现内源呼吸及细胞自溶，在颗粒内部产生中空结构。这种中空结构削弱了颗粒强度并导致破碎解体。综上所述，抑制颗粒粒径过度增长对好氧颗粒污泥反应器维稳具有重要意义。

已有研究基于泥龄控制，通过在曝气阶段排出泥水混合液，降低反应器泥龄，控制颗粒粒径。但颗粒的排出抑制了絮凝菌生长优势，造成轻质絮体增殖，运行容易失稳。也有研究者通过沉降后排出底部大颗粒污泥，抑制颗粒粒径过度增长。但筛选操作复杂，工程化运用难度高。近年来有通过提高曝气强度增加水力剪切，实现对颗粒粒径的抑制，但大大增加了能耗，提高了运行成本。另一方面，已有策略在抑制大颗粒粒径增长的同时，往往导致颗粒平均粒径过小，对颗粒污泥同步脱氮除磷效果及污染物去除不利。传质研究表明，过小的平均颗粒粒径将导致溶解氧渗透至颗粒内部缺氧区，抑制反应器同步脱氮效果。结合颗粒稳定性与污染物去除效率，研究广泛认为好氧颗粒污泥具有最佳粒径范围，富集最佳粒径颗粒有助于强化颗粒污泥稳定性及污染物去除效果。但如何确立最佳颗粒粒径范围，以及优化颗粒粒径分布迄今尚无有效地对策。

技术实现要素：

为了克服已有好氧颗粒污泥处理方式稳定性较差的问题，并进一步强化污染物去除效率，本发明提供一种进水高度可调的底部进水高效脱氮好氧颗粒污泥反应器及处理工艺，其利用污泥床中颗粒污泥粒径分布特性(质量重的大颗粒污泥位于污泥床底部、质量轻的小颗粒污泥位于床层顶部)及基质浓度分布的特性(微生物消耗及传质阻力使出水口附近基质浓度最高)，通过调节底部进水口高度，使出水口始终处于污泥床中最佳粒径颗粒处，促进最佳粒径颗粒生长；同时减少远离出水口处颗粒污泥获得的基质，抑制其生长，从而实现对最佳粒径颗粒的富集和优化，强化好氧颗粒污泥的稳定性及总氮等污染物去除效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种进水高度可调节的底部进水高效脱氮好氧颗粒污泥反应器，所述好氧颗粒污泥反应器的底部设有进水高度可调节的进水装置，利用污泥床中颗粒污泥粒径分布特性及基质浓度分布的特性，在不同运行阶段调节底部进水口高度，使污泥床中具有最佳稳定性及污染物去除效果的颗粒优先获得基质，促进其生长，实现对颗粒粒径分布的优化，从而强化好氧颗粒污泥的稳定性及总氮等污染物去除效果。

进一步，反应器主体为圆柱形反应器，h/d为2～6。

再进一步，反应器进水装置包括配水支管和配水干管，配水干管内径为1/10反应器内径，长度为9/10反应器内径，配水干管两端与反应器壁面的导轨滑块固定并与进水总管连接进水，实现高度可调，配水干管高度调节范围从底部起至1/3～1/4总反应器高度。

更进一步，配水干管沿途设置若干穿孔配水支管，干管与支管呈“丰”字型连接，支管间相互平行，间隔为1/5～1/8干管总长，配水支管内径为1/20反应器内径，配水支管沿途在支管上方开孔出水，出水孔间隔为1/10～1/20配水支管总长度，孔径为1/3～1/5配水支管内径。

所述具有最佳稳定性及污染物去除效果的颗粒称为最佳粒径颗粒，最佳粒径颗粒的污泥粒径处于2～3.5mm。

一种好氧颗粒污泥反应器的处理工艺，反应器以市政污水为进水，接种活性污泥，采用序批式运行方式；序批式运行周期包括进水-曝气-沉降-出水四个阶段，其中进水30～60min、曝气160～190min、沉降10min、出水10min，在出水完成后，由反应器底部进水，水位到达控制上液面后停止进水，反应器体积交换率为50％。进水升流速度应低于4m/h，防止对污泥床造成扰动产生短流，进水升流速度由反应器构型及进水时间控制，进水升流速度＝反应器容积/(2*进水时间*反应器横截面积)。

进一步，颗粒不同的沉降效果决定了污泥床中颗粒粒径从上至下呈增加态势，通过调节底部进水口高度，最佳粒径颗粒的污泥粒径＝2～3.5mm，使最佳粒径颗粒优先获得基质，促进其生长；进水口高度调节方法如下：通过测定污泥床层不同高度处颗粒平均粒径，当床层底部颗粒平均粒径＜最佳颗粒粒径，出水口置于反应器底部；当床层底部颗粒粒径＞最佳颗粒粒径，出水口置于对应颗粒平均粒径为最佳粒径的污泥床高度处。

所述的市政污水中，cod浓度300～2000mg/l，氨氮50～150mg/l，容积负荷0.9～6.0kg/cod·m³·d。

本发明的技术构思为：本发明在接种絮状活性污泥的续批式反应器中，以市政废水为进水，通过在不同运行阶段调节底部进水口高度，优化颗粒粒径分布，强化好氧颗粒污泥的稳定性及污染物去除效果。反应器中进水基质在污泥床内传递过程中，由于微生物消耗及传质阻力，基质浓度从进水口开始梯度下降。因此靠近进水口的颗粒污泥优先获得基质，颗粒生长得到促进；而远离进水口的颗粒污泥获得基质浓度低，其颗粒生长受限。发明利用基质浓度的梯度分布，结合反应器污泥床中颗粒分布的特点(质量重的大颗粒污泥位于污泥床底部、质量轻的小颗粒污泥位于床层顶部)，在不同运行阶段调节底部进水口高度，使进水口始终位于具有最佳稳定性及污染物去除效果的颗粒(称为最佳粒径颗粒，其粒径＝2～3.5mm)处，从而有效强化最佳粒径颗粒生长，实现对颗粒粒径的优化，进而强化好氧颗粒污泥的稳定性及总氮等污染物去除效果。体系出水cod及氨氮去除率达90％以上，总氮去除率达80％以上，有助于改进与提高现有污水处理厂出厂尾水达标排放。发明运行实施操作简便，无需提供额外能耗。

本发明的有益效果主要表现在：强化好氧颗粒污泥的稳定性及污染物去除效果。通过在不同运行阶段调节底部进水口高度，有效富集最佳粒径颗粒，实现了颗粒污泥粒径优化，提高了反应器稳定性及总氮等污染物去除效率。体系出水cod及氨氮去除率达90％以上，总氮去除率达80％以上，有助于改进与提高现有污水处理厂出厂尾水达标排放。发明运行实施操作简便，无需提供额外能耗。进一步，好氧颗粒污泥工艺具有污染物去除效率高、工艺成本低、占地面积小、产泥量低，易于大规模的应用等特点。

附图说明

图1为进水系统结构示意图，图中，进水总管9、导轨组10、导轨滑块11、进水装置12，污泥床13、反应器上液面14；

图2为颗粒内部溶解氧传质模拟；

图3为本发明实施例中反应器结构示意图；图中，配水池1、进水泵2、鼓风机3、液位计4、出水口5、排泥口6、曝气设备7、可编程控制器8、进水总管9、导轨组10、导轨滑块11、进水装置12；

图4为进水装置结构示意图，图中，配水干管21、穿孔配水支管22、导轨组10；

图5为运行中反应器颗粒污泥粒径分布及最佳粒径颗粒污泥占比图；

图6为反应器运行中氨氮及总氮去除效果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种进水高度可调节的底部进水高效脱氮好氧颗粒污泥反应器，反应器主体为圆柱形反应器，h/d(高径比)为2～6。基于沉降后不同粒径颗粒污泥在污泥床中位置不同(质量重的大颗粒污泥位于污泥床底部、质量轻的小颗粒污泥位于床层顶部)，在不同运行阶段根据颗粒污泥生长状况，调节底部进水口高度，使污泥床中最佳粒径颗粒优先获得基质，促进其生长，实现对颗粒粒径分布的优化。

进一步，反应器进水装置12位于反应器底部，包括配水干管21与穿孔配水支管22。配水干管21内径为1/10反应器内径，长度为3/4～9/10反应器内径。配水干管21两端与反应器壁面的导轨滑块11固定并与进水总管9连接进水，实现高度可调。配水干管21高度调节范围从底部起至1/3～1/4总反应器高度。配水干管21沿途设置若干穿孔配水支管22，干管与支管呈“丰”字型连接，支管间相互平行，间隔为1/5～1/8干管总长。穿孔配水支管22内径为1/20反应器内径，穿孔配水支管22沿途在支管上方开孔出水。出水孔间隔为1/10～1/20穿孔配水支管22总长度，孔径为1/3～1/5穿孔配水支管22内径(图1)。

一种好氧颗粒污泥反应器的处理工艺，以市政污水为进水，絮状活性污泥为接种污泥。反应器采用序批式运行，周期分为进水、曝气、沉淀及出水四个阶段，其中进水30～60min、曝气160～190min、沉降10min、出水10min。在续批式反应器出水完成后，由反应器底部进水，水位到达控制反应器上液面14后停止进水。反应器体积交换率为50％。进水升流速度低于4m/h，防止对污泥床造成扰动。进水升流速度由反应器构型及进水时间控制(进水升流速度＝反应器容积/(2*进水时间*反应器横截面积))。

本发明基于反应-扩散动力学方程、溶解氧传质动力学方程，结合各相同性球形模型，通过matlab计算模拟了不同时间溶解氧在颗粒内分布情况。研究指出，运行30min后，颗粒表层至1.0mm处区域为好氧，颗粒内1.0mm至1.15mm区域为缺氧区，具备反硝化条件，而1.2mm深度以内为溶解氧过低，不利于颗粒结构稳定。而随着运行时间延续，基质逐渐被消耗，溶解氧可传递至颗粒更深处。运行120min后，颗粒表层至1.3mm处区域为好氧区，颗粒内1.45mm至1.7mm区域为缺氧区，具备反硝化条件，而1.75mm深度以内溶解氧过低，不利于颗粒结构稳定。由此可见，结合颗粒稳定性与污染物去除效率，颗粒半径应在1.0-1.75mm之间，即最佳颗粒粒径为2～3.5mm(附图2)。

进水装置12高度由运行时污泥床中颗粒粒径分布控制，通过测定污泥床13不同高度处颗粒平均粒径，调节进水装置12高度，使最佳粒径颗粒(颗粒污泥粒径＝2mm)优先获得基质，促进其生长。具体如下：当污泥床13底部颗粒平均粒径＜2mm，出水口置于反应器底部；当污泥床13底部颗粒粒径＞2mm，出水口置于对应颗粒平均粒径为2mm的污泥床高度处。

所述的市政污水中，cod浓度300～2000mg/l，氨氮50～150mg/l，容积负荷0.9～6.0kg/cod·m³·d。

实例：如图3所述，反应器主体为圆柱形好氧颗粒污泥反应器，h/d(高径比)为6。反应器内径20cm，有效体积40l。反应器内部从下至上依次设置有：排泥口6，曝气装置7，进水装置12、出水口5、液位计4。反应器进水装置12以进水总管9与进水泵2相连，由配水池1中进水，液位计4控制进水上液面。鼓风机3将空气输入到曝气装置7，反应器通过中部出水口5出水。装置内所有进水、曝气、及出水均由可编程控制器8自动化控制。反应器定期通过排泥口6进行剩余污泥排放。

反应器中配水干管21内径2.0cm，长18cm。穿孔配水干管22两端与反应器壁面的导轨滑块固定并与进水总管连接进水，可调节范围从底部起至30cm处。配水干管21沿途设置4根内径为1.0cm的穿孔配水支管22，穿孔配水支管长度为两根14cm，两根16cm，共计4根如图4所示。穿孔配水支管22沿途间隔2.0cm在支管上方开孔出水，孔径为0.25cm。反应器可有多种变型，为本领域技术人员公知。

在上述h/d6的sbr反应器中接种活性污泥，接种污泥采用污水处理二沉池回流污泥，接种泥量4000mg/l，废水cod浓度1000mg/l、氨氮58mg/l，总氮98mg/l，容积负荷3.0kg/cod·m³·d，体积交换率50％。采用空气曝气，表面气速1.0cm/s。其中进水20min，曝气210min、沉降10min、出水10min。

在上述h/d6的sbr反应器中，进水口起始位置为反应器底部；在运行过程中，随着颗粒粒径的增加，在沉降后取污泥床不同位置颗粒测定粒径，当床层底部颗粒平均粒径＜2mm，出水口置于反应器底部；当床层底部颗粒粒径＞2mm，出水口置于对应颗粒平均粒径为2mm的污泥床高度处。

运行13d后反应器颗粒化，反应器运行稳定，污泥量持续增长并稳定在8000mg/l左右，颗粒具有良好的沉降性，svi为48±4ml/g左右，颗粒平均粒径532±19μm，其中处于最佳粒径范围的颗粒(颗粒粒径2.0-3.5mm)所占比例为3.7±0.42％。氨氮及cod的去除率维持在90％以上，总氮去除率48.7±2.1％。此后颗粒粒径逐渐增长，运行27d后，处于最佳粒径范围的颗粒所占比例为6.9±1.8％，总氮去除率55.7±2.1％。此时反应器底部最大颗粒粒径达到2230±19μm，开始通过测定污泥床颗粒粒径分布调控底部进水口高度。运行59d后，反应器进水口高度稳定至1/4反应器高度。此时反应器中处于最佳粒径范围的颗粒所占比例从13d时3.7±0.4％迅速增至49.6±4.3％并保持稳定(图4)，总氮去除率提升至85.7±3.4％(图5)。通过调控底部进水口高度，有效抑制了颗粒粒径的过度增长，反应器稳定运行139d。同时，颗粒粒径的分布得到明显优化，处于最佳粒径范围的颗粒数量从3.7±0.4％增至49.6±4.3％。对颗粒粒径分布的优化强化了反硝化脱氮效果，反应器总氮去除效果从48.7±2.1％提高至85.7±3.4％。本发明实现了好氧颗粒污泥的稳定运行，同时具有良好的污染物去除效果。