基于泥龄控制的好氧颗粒污泥快速培养的装置及方法与流程

本发明涉及一种基于泥龄控制的好氧颗粒污泥快速培养的装置及方法，属于废水生物处理技术领域。

背景技术：

1991年mishima等在连续流ausb反应器内发现好氧活性污泥自凝聚现象。好氧颗粒污泥是在好氧条件下自发形成的微生物自固定形式，具有优异的沉降性能、较高的生物持留量、较低的污泥产率以及抗有机负荷冲击性能，大大弥补了传统活性污泥法的不足。2005年在德国慕尼黑召开的第一届好氧颗粒污泥研讨会对其做出明确定义，认为好氧颗粒污泥作为一种微生物聚集体，其颗粒不随水力剪切力的降低而凝聚并具有相比絮体污泥较快的沉降速度并认为好氧颗粒污泥技术是一项有发展前途的污水处理新技术。此后，研究热点主要集中在好氧颗粒污泥的形成机理、培养条件以及主要影响因素并加速其工程化应用。研究报道，较长泥龄微生物的持留有利于污泥颗粒稳定和污染物高效去除。在好氧颗粒污泥技术应用方面，荷兰delft、澳大利亚queensland等大学，先后实施了好氧颗粒污泥处理食品、食用油、啤酒、畜禽养殖以及市政等废水处理中试试验和工程示范。目前，相对成熟的好氧颗粒污泥工艺是荷兰nereda工艺，其在荷兰epe市政污水厂等地建设的改造工艺，污染物去除高效稳定、用地面积和能耗节约75％。

然而，目前在sbr反应器中运行的好氧颗粒污泥由于泥龄不能得到有效控制，使反应器运行过程中排出大量污泥，导致功能菌群流失，体系微生物代谢紊乱，硝化和反硝化作用受到抑制，影响颗粒结构稳定性，进一步引起反应器发生不可逆失稳现象，制约了其工业化的应用。因此，在控制泥龄的同时维持好氧颗粒污泥结构稳定性及污染物去除效率，具有非常重要的实际应用意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种泥龄控制快速培养高效脱氮的好氧颗粒污泥装置，在控制反应器污泥泥龄、减少占地面积的同时，保障好氧颗粒污泥反应器长期稳定运行。

本发明具体采用如下技术方案实现：

基于泥龄控制的好氧颗粒污泥快速培养的装置，包括进水单元、反应器主体、曝气单元以及出水单元；所述的反应器主体为柱状的双层筒体，内筒体作为反应区域，内外筒体之间的区域作为污泥贮存区域，内筒体中的出水口通过带有第一电磁阀的管路连接污泥贮存区域的污泥口，污泥贮存区域的外筒体底部设有带第二电磁阀的排泥管；污泥贮存区域污泥口上方的横截面上架设有多孔环形板，用于减少板上方液面的波动；内筒体上方设有用于感应液位高度的第一液位计探头；多孔环形板上方设有第二液位计探头；所述的曝气单元包括顺次连接的空气泵、转子流量计、多孔曝气头，多孔曝气头位于内筒体的底部；所述的进水单元和出水单元分别用于反应器主体的进水和出水。

作为优选，所述的进水单元包括与反应器主体顶部的进水口相连接的潜水泵以及进水桶，潜水泵位于进水桶中。

作为优选，所述的出水单元，包括出水桶与蠕动泵，蠕动泵连通反应器主体侧壁上的出水口以及出水桶。

作为优选，还设有控制单元，用于进行中央控制。进一步的，所述的控制单元采用plc控制器。

本发明的另一目的在于提供一种利用如上述任一项所述装置的基于泥龄控制的好氧颗粒污泥快速培养方法，其步骤如下：

采用sbr工艺运行反应器，运行前预先接种污泥，接种mlss为4-6g/l；进水基质为城镇污水，进水cod浓度为300-800mg/l，运行过程中维持有机负荷1.5-3.0kgcod·m^-3·d^-1；反应器采用4-8的高径比和30％-70％的排水比；运行周期为4-6h，分为进水、静置、曝气、排泥、沉淀和出水六个阶段，其中排泥时间为1～2min，沉淀时间为5-60min，曝气时间为3-5h。

作为优选，排泥阶段中，排泥时间点控制在曝气结束前1-2min，反应器中泥龄控制为6-8天，优选控制为8天。反应器的排泥流量可控制在80-110ml/min。

作为优选，沉淀阶段中，间隔2-3天根据污泥层沉淀至出水口下方2-3cm高度所需的时间调节沉淀时间，使出水保持澄清状态。

作为优选，所述的接种污泥取自市政污水处理厂曝气池。

因此，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的装置可以实现控制反应器中污泥泥龄的效果，同时采用双筒体结构可以减少占地面积，显著提高脱氮性能。

(2)由于本发明采用的在曝气阶段排泥控制泥龄的运行方式，克服了非泥龄调控情况下序批式反应器(sbr)容易失稳的问题，可赋予反应器较高的污染物去除效率(nh4+-n、cod和tn去除率分别维持在90％、95％、75％以上)以及长时间的稳定运行。

(3)由于采用了泥龄控制控制在6-8d的工艺调控方式，相比较传统sbr法，颗粒化时间缩短了15-20天，tn去除率提高了5％-10％，克服了传统sbr工艺颗粒化时间长、颗粒易失稳的问题，在实际污水处理中具有非常重要的现实意义。

(4)本发明培养的好氧颗粒污泥为淡黄色球形颗粒，平均粒径为0.2mm，粒径呈分布正态，颗粒结构紧实、表面有沟壑保障溶解氧(do)以及营养物质传质；相比普通活性污泥，颗粒污泥中的微生物团聚紧密，含有较高比例的菌胶团，且富集有小月菌属、陶厄氏菌和硝化螺菌属等功能菌群。

附图说明

图1为本发明的实施案例1中使用的装置结构示意图；

图2位本发明中多孔环形板的结构示意图；

图3为实施例中的反应器污泥沉降时间变化图；

图4为实施例中反应器污泥浓度(mlss)和污泥体积指数(sv)指标的变化图；

图5为实施例中传统sbr工艺与泥龄控制工艺污染物去除性能的变化图；

图6为实施例中不同工艺下的颗粒污泥sem对比图。a.传统sbr工艺好氧颗粒污泥表面sem图；b.srt(8d)控制条件下好氧颗粒污泥表面sem图；c.srt(12d)控制条件下好氧颗粒污泥表面sem图；

图中：空气泵1、转子流量计2.1、多孔曝气头2.2、控制单元3、潜水泵4、进水桶5、第一液位计探头6、蠕动泵7、出水桶8、第二液位计探头9、第一电磁阀10、第二电磁阀11、出水口12、污泥口13、多孔环形板14。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述

如图1所示的实施案例是一种基于泥龄控制的好氧颗粒污泥快速培养的装置，其整体包括进水单元、反应器主体、曝气单元以及出水单元。

其中反应器主体为上部圆柱状、下部圆锥状的双层筒体，内筒体作为反应区域，内外筒体之间的区域作为污泥贮存区域，由此减少了单独的污泥贮存区域占地，节省装置的用地面积。内筒体中的出水口12通过带有第一电磁阀10的管路连接污泥贮存区域的污泥口13，污泥贮存区域的外筒体底部设有带第二电磁阀11的排泥管，污泥贮存区域中的剩余污泥通过打开第二电磁阀11排出。内筒体中在曝气阶段的泥水混合物通过出水口12和污泥口13进入污泥贮存区域中，由此通过控制泥水混合物的排放量可以控制装置中污泥泥龄。污泥贮存区域中的排泥量由第二液位计探头9检测，但在曝气阶段排泥存在较大的水力冲击，容易造成液位波动，因此污泥贮存区域污泥口13上方的横截面上架设有如图2所示的多孔环形板14，用于减少板上方液面的波动。第二液位计探头9设于多孔环形板14上方。内筒体上方设有用于感应液位高度的第一液位计探头6，用于控制内筒体中总废水量。

曝气单元包括顺次连接的空气泵1、转子流量计2.1、多孔曝气头2.2，多孔曝气头位于内筒体的底部。进水单元和出水单元分别用于反应器主体的进水和出水，其中进水单元包括与反应器主体顶部的进水口相连接的潜水泵4以及进水桶5，潜水泵4位于进水桶5中，用于将进水桶5中存储的基质输送至反应器中；而出水单元包括出水桶8与蠕动泵7，蠕动泵7连通反应器主体侧壁上的出水口以及出水桶8，用于将反应器中的多余基质废水排入出水桶8。

整个装置由控制单元3进行中央控制，控制单元3可采用为plc控制器、单片机等方式实现，其与空气泵1、转子流量计2.1、潜水泵4、第一液位计探头6、蠕动泵7、第二液位计探头9、第一电磁阀10、第二电磁阀11分别连接。根据各感应装置，自动控制其他阀门、泵等设备，实现闭环控制。

该装置的运行过程如下：

采用sbr工艺运行反应器，通过潜水泵4将进水桶5内的基质废水抽入反应器主体中，同时接种污泥，利用空气泵1对废水进行曝气；在曝气阶段，泥水混合物于曝气结束前1分钟打开第一电磁阀10，由反应器内抽出并存储于污泥贮存区域中。该过程中，由多孔环形板14消除液面波动，液面高度由第二液位计探头9监测，当达到预定的高度时，停止第一电磁阀10工作。然后打开第二电磁阀11，排出泥水混合物。反应器中的废水基质可以通过蠕动泵7定量抽入出水桶8中。

排泥时间最好设为反应器运行周期结束前1-2min，泥龄通过体系功能菌群最适泥龄确定，排泥量通过下述公式确定

其中，

srt—污泥泥龄,d

v—反应器体积,l

v’—各周期排泥体积,l

t—反应器运行周期,h

当前好氧颗粒污泥sbr工艺泥龄不能得到有效控制，使反应器运行过程中排出大量污泥，导致功能菌群流失，体系微生物代谢紊乱，硝化和反硝化作用受到抑制，影响颗粒结构稳定性，进一步引起反应器发生不可逆失稳现象，制约了其工业化的应用。相较之下，本发明通过控制排泥可以进一步调控污泥泥龄，比传统sbr工艺颗粒化时间缩短了15-20天，tn去除率提高了5％-10％，克服了传统sbr工艺颗粒化时间长、颗粒易失稳的问题，在实际污水处理中具有非常重要的现实意义。

本发明获得的好氧颗粒污泥为淡黄色球形颗粒，污泥平均粒径为0.1mm且分布均匀，颗粒结构紧实、表面有沟壑保障溶解氧(do)以及营养物质传质。颗粒中微生物团聚紧密，含有较高比例的菌胶团，且富集有动胶菌属、陶厄氏菌、亚硝化单胞菌、硝化螺菌属等功能菌群。

下面通过实施例对本发明的技术效果做进一步说明。

实施例

本实施例中处理城镇污水的好氧颗粒污泥工艺采用一个有效容积为4.0l的序批式反应器(sbr)，反应器的主体为圆柱形的有机玻璃筒，筒高50cm，内径10cm，高径比为5。装置的具体结构见图1和2以及前述描述，不再赘述。

本实施例的接种污泥取自市政污水处理厂曝气池，香农指数为4.85，意味着颗粒中有较高的菌群丰度，门水平菌群结构分析发现，变形菌门以及拟杆菌门占到了60％以上。

本实施例采用上述反应器处理城镇污水培养好氧颗粒污泥的操作过程如下：采用sbr工艺运行反应器，在plc的控制下，反应器按照进水—静置—曝气—排泥—沉淀—出水的顺序运行。反应器初始的运行条件为：sbr周期4小时，其中进水5分钟，静置45分钟，曝气180分钟，排泥1分钟，沉降5分钟，排水5分钟。反应器底部安装的多孔曝气头提供的表面气速为2.0cm/s,体积交换比为50％。反应器启动初期，将污泥浓度为4.5g/l的普通活性絮体污泥接种到上述反应器中，cod浓度为650mg/l的城镇生活污水作为基质，运行过程中维持有机负荷2kgcod·m^-3·d^-1。在曝气阶段，泥水混合物于曝气结束前1分钟由蠕动泵10从反应器内抽出，流量为1/12l/min，反应器中泥龄控制为8天。由于运行过程中，污泥性质会发生变化，因此间隔2-3天需要根据污泥层沉淀至出水口12下方2-3cm高度所需的时间调节曝气时间和沉淀时间，使出水保持澄清状态。逐渐运行至反应器内好氧颗粒污泥各项指标稳定后，最终体系沉淀时间保持5min。为方便后续描述，将上述实施例记为r2。

同时为了对比展示本发明的效果，同步设置了对比例r1和r3，其中r1与r2相比区别在于采用sbr工艺通过传统方法培养好氧颗粒污泥，剩余污泥随sbr出水排出，泥龄不控制；r3与r2的区别在于泥龄控制为12d。

如图4、5所示，好氧颗粒污泥培养完成之后，反应器内污泥浓度维持在4-5g/l，反应器处理效果稳定，出水水质良好。梯度降曝后系统nh4⁺-n、cod和tn去除率分别维持在90％、95％、75％以上，污染物去除效率高、长期运行性能稳定。

由于采用了泥龄控制的工艺调控方式(如图3所示)，颗粒化时间相比于传统sbr工艺缩短了15-20天，克服了传统sbr工艺颗粒化时间长、颗粒易失稳的问题，在实际污水处理中具有非常重要的现实意义。

如图6所示，本实施例中8d泥龄下培养的好氧颗粒污泥为平均粒径较大(平均粒径为0.1mm)、粒径分布正态的淡黄色球形颗粒，颗粒结构紧实、表面有较细沟壑保障溶解氧(do)以及营养物质传质；相比传统工艺下的普通活性污泥，颗粒污泥中的微生物团聚紧密，含有较高比例的菌胶团，且富集有动胶菌属、陶厄氏菌属、亚硝化单胞菌、硝化螺菌属等功能菌群。且泥龄过长也会影响好氧颗粒污泥的培养效果，图中12d泥龄的颗粒污泥粒径较小，结构明显更为松散，且其污泥颗粒化时间与传统工艺下相比还要长15天左右。