一种微氧升流式生物滤池处理市政污水装置及其处理工艺

1.本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种微氧升流式生物滤池处理市政污水装置及其处理工艺。


背景技术：

2.厌氧氨氧化工艺是指在厌氧或缺氧条件下，微生物直接以氨氮作为电子供体，以亚硝氮作电子受体，产生氮气和少量硝态氮的微生物反应，如式(1)所示。相较于传统的全程硝化反硝化脱氮工艺，厌氧氨氧化工艺因其不需外加有机碳源、曝气量少、污泥产量低等优势受到众多研究学者的青睐。目前，厌氧氨氧化工艺在全球已有逾200座工程投产应用，主要针对于高氨氮废水的处理，如污泥消化液、垃圾渗滤液、畜禽废水等的处理，其在经济效益、去除效率和稳定运行方面取得了良好的效果，若能将其应用于市政污水的处理则在节能降耗方面具有显著优势。
[0003][0004]
对于市政污水来说，存在一定量的有机物，厌氧氨氧化反应会产生少量硝氮，总氮去除效率最高达到89％，如果结合反硝化菌利用有机物作电子受体进行反硝化脱氮，则有望达到总氮全部去除，如式(2)所示。然而，目前鲜有将厌氧氨氧化工艺应用于工程中市政污水处理的报道，主要由于：市政污水氨氮浓度低，不利于厌氧氨氧化菌的富集；厌氧氨氧化菌世代周期长(倍增时间11d)，生长缓慢的特点。因此，寻求将厌氧氨氧化工艺应用于低氨氮废水高效稳定的运行方法是非常有必要的。生物膜法因具有以下特点：
①
食物链长、污泥产量低；
②
随着生物膜厚度不同，存在缺氧、厌氧环境；
③
生物平均停留时间长，可生长世代时间长、增殖慢的自养菌，故适用于低基质市政污水的快速挂膜启动和运行。
[0005]


技术实现要素：

[0006]
有鉴于此，为解决上述背景技术中存在的不足，本发明提供了一种微氧升流式生物滤池处理市政污水装置，能够实现短程硝化、有机质氧化、反硝化和厌氧氨氧化的分步反应，实现了cod、氨氮和总氮高去除率，节省占地。
[0007]
为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：
[0008]
一种微氧升流式生物滤池处理市政污水装置，包括反应器，所述反应器从下到上依次连通缺氧区、兼氧区和分离区；
[0009]
所述缺氧区内设置有与自动控制装置相连接的溶解氧电极和氧化还原电位电极，所述缺氧区的底部和底座相连接，所述缺氧区的底部设置有进气口和两个进水口，所述进气口的上方设置有与进气管相连接的曝气头；
[0010]
所述兼氧区设置有改性玄武岩纤维作为填料富集微生物菌群，所述兼氧区的上部
连通有循环口，所述循环口依次连通循环泵和四通接头，所述四通接头分别与所述循环口、两个所述进水口和外部进水管相连通；
[0011]
所述分离区设置有与所述反应器顶部相连通的三相分离器，所述三相分离器设有排水口。
[0012]
优选地，所述改性玄武岩纤维的密度2.73g/cm3，填充比为50％～70％。
[0013]
优选地，所述反应器从上到下依次连通有三个取样口。
[0014]
优选地，所述反应器的外壁设置有水浴保温夹层，所述兼氧区的上部和所述缺氧区的下部分别设置有水浴循环出口和水浴循环入口，所述水浴循环出口和所述水浴循环入口分别与所述水浴保温夹层相连通。
[0015]
优选地，所述水浴循环出口和所述水浴循环入口通过水浴恒温锅相连通。
[0016]
优选地，所述三相分离器上设置有溢流口。
[0017]
优选地，所述进气管上连通有曝气泵。
[0018]
优选地，所述外部进水管上连通有进水泵。
[0019]
本发明还提供了利用上述微氧升流式生物滤池处理市政污水装置的处理工艺，其特征在于，包括如下的步骤：
[0020]
启动阶段：以市政污水为进水基质，将改性玄武岩纤维作为生物膜载体，通过逐步缩短水力停留时间和提高溶解氧的方式驯化培养生物膜，具体为：
[0021]
启动初期，在缺氧区内底部接种浓度为6～8g/l的二沉池回流污泥，在启动阶段初期，进水基质从外部进水管进入缺氧区内，控制水力停留时间为6h，控制缺氧区内的溶氧度在1.0mg/l以内，控制回流量与进水基质的体积比为2～ 5:1，当三相分离器的排水口中的出水中cod去除率达到80％，氨氮去除率达到 90％，总氮去除率达到70％，设置下一阶段的水力停留时间为上一阶段的1/2～ 5/6，相较于上一阶段每阶段缺氧区溶解氧提高量为0.1～0.3mg/l，当三相分离器的排水口中的出水中cod去除率达到80％，氨氮去除率达到90％，总氮去除率达到70％，连续稳定运行一周，并观察到有红菌出现，即认为反应器启动成功；
[0022]
所述进水基质主要成分如下：cod为0～200mg/l，氨氮40～60mg/l，总磷 6～8mg/l，以caco3计碱度为400～600mg/l；
[0023]
运行过程阶段：
[0024]
运行全过程中保持进水基质浓度不变，ph在7.5～8.0之间，温度范围为 30～35℃，缺氧区溶解氧浓度在1.0mg/l以内，兼氧区溶解氧浓度小于缺氧区，相应的氧化还原电位在
‑
100mv～+100mv之间；
[0025]
稳定运行阶段：
[0026]
启动阶段完成后，保持进水基质浓度不变，继续分阶段缩短水力停留时间，提高溶解氧，下一阶段的水力停留时间为上一阶段的1/2～5/6，每阶段缺氧区溶解氧提高量为0.1～0.3mg/l，直至连续两周氨氮去除率高于90％且总氮去除率高于70％，即为稳定运行阶段。
[0027]
优选地，启动阶段初期，所述二沉池回流污泥需要在反应器内预厌氧一周。
[0028]
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
[0029]
(1)在没有接种厌氧氨氧化污泥的前提下，升流式生物滤池的改性玄武岩纤维填料为厌氧氨氧化菌的富集生长提供了良好的载体，通过营造缺氧区和兼氧区，在一体式反
应器中实现短程硝化、有机质氧化、反硝化和厌氧氨氧化的分步反应，实现了cod、氨氮和总氮高去除率，节省占地；
[0030]
(2)在缺氧区，反硝化菌以有机物作电子受体将回流液中的硝氮还原，可以解除有机物对厌氧氨氧化菌的抑制作用；厌氧氨氧化反应后的回流液可为缺氧区的短程硝化反应补充碱度；随着氮负荷提高，回流液可以稀释进水浓度，强化传质，提高氮去除率；
[0031]
(3)改性玄武岩纤维上的生物膜可形成较高的生物量，达到50g/l，而且生物种类繁多，如细菌、真菌、放线菌、丝状菌、原生动物等，食物链长，因此反应器中发生的反应复杂多样，如异养菌降解有机物、短程硝化、反硝化、厌氧氨氧化、厌氧污泥内源消化等，显著降低了污泥产量，再加上填料对污泥的截留，系统无污泥排放，出水澄清。
[0032]
(4)以市政污水为进水，采用缩短水力停留时间和提高溶解氧的运行工艺，并借助填料的富集作用，实现了污水的水力停留时间与生物固体平均停留时间的分离，可在短时间内启动反应器挂膜并稳定运行。在满足出水一级a的排放标准下，水力停留时间最短可降低至30
‑
60mi n，氮负荷最高可达2.4kgn/(m3·
d)，污泥停留时间无限长，对于厌氧氨氧化工艺处理市政污水等低浓度污水具有一定的借鉴意义。
附图说明
[0033]
图1为本发明提供的微氧升流式生物滤池处理市政污水装置结构示意图；
[0034]
图中，1.缺氧区，2.兼氧区，3.水浴保温夹层，4.改性玄武岩纤维，5.三相分离器，6.四通接头，7.底座，8.进水口，9.循环口，10.循环泵，11.进水泵，12.曝气头，13.曝气泵，14.恒温水浴锅，15.水浴循环出口，16.第一取样口，17.第二取样口，18.第三取样口，19.排水口，20.溢流口，21.自动控制装置，22.溶解氧电机，23.氧化还原电位电极，24.水浴循环入口，25.反应器， 26.进气管，27.外部进水管。
具体实施方式
[0035]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
[0036]
如图1所示，本发明提供了一种微氧升流式生物滤池处理市政污水装置，包括反应器25，所述反应器25从下到上依次连通缺氧区1、兼氧区2和分离区；
[0037]
所述缺氧区1内设置有与自动控制装置21相连接的溶解氧电极22和氧化还原电位电极23，所述缺氧区1的底部和底座7相连接，所述缺氧区1的底部设置有进气口和两个进水口8，所述进气口的上方设置有与进气管26相连接的曝气头12；
[0038]
所述兼氧区2设置有改性玄武岩纤维4作为填料富集微生物菌群，所述兼氧区2的上部连通有循环口9，所述循环口9依次连通循环泵10和四通接头6，所述四通接头6分别与所述循环口9、两个所述进水口2和外部进水管27相连通；
[0039]
所述分离区设置有与所述反应器25顶部相连接的三相分离器5，所述三相分离器5
设有排水口19。
[0040]
在本发明中，所述改性玄武岩纤维4的密度2.73g/cm3，填充比为50％～70％，改性玄武岩纤维4优选为通过悬挂的方式设置于兼氧区2，本领域中其他的设置方式亦可，在此不做限定。
[0041]
在本发明中，所述反应器25从上到下依次连通有三个取样口，三个取样口从上之下依次命名为第一取样口16、第二取样口17和第三取样口18。三个取样口可以用于检测反应器内不同高度的氨氮去除率和总氮去除率。
[0042]
在本发明中，所述反应器25的外壁设置有水浴保温夹层3，所述兼氧区2 的上部和所述缺氧区1的下部分别设置有水浴循环出口15和水浴循环入口24，所述水浴循环出口15和所述水浴循环入口24分别与所述水浴保温夹层3相连通，优选地，还可以在水浴保温层3的最外层包裹一层毡毯，用于保温和避光。
[0043]
在本发明中，所述水浴循环出口15和所述水浴循环入口24通过水浴恒温锅14相连通。
[0044]
在本发明中，所述三相分离器5上设置有溢流口20。
[0045]
在本发明中，所述进气管上连通有曝气泵13。
[0046]
在本发明中，所述外部进水管27上连通有进水泵11，用于将市政污水泵入反应器内。
[0047]
本发明的作用机理为：
[0048]
反应器25底部的缺氧区1，亚硝化菌将部分氨氮氧化为亚硝氮，如式(3) 所示；反硝化菌利用有机物将回流液中的硝氮还原为氮气，厌氧氨氧化反应的回流液为短程硝化反应补充碱度，如式(2)所示。反应区中部填料生物膜的兼氧区2，厌氧氨氧化菌将残留的氨氮和生成的亚硝氮反应生成氮气和少量的硝氮，如式(1)所示。
[0049][0050]
本发明的运行方式为：
[0051]
本发明中，反应器25为升流式生物滤池，材质优选为有机玻璃，内径优选为60mm，外径优选为100mm，反应区高度优选为1.2m，有效容积为3.4l，本领域技术人员还可根据实际需要更换其他尺寸的反应器，在此不做限定。
[0052]
本发明中，进水基质为市政污水，市政污水与回流液混合后利用四通接头6通过反应器25底座7上的两个进水口8进入反应器25内，回流液的回流量和市政污水的水量分别通过循环泵10、进水泵11进行调节。曝气泵13通过进气管26和曝气头12向反应器25输送空气进行曝气。反应后的出水通过三相分离器5的排水口排放，溢流口20是为了安全保障。水浴保温夹层3通过水浴循环为反应器25提供恒定适宜的温度。改性玄武岩纤维4填料为厌氧氨氧化菌提供附着生长的场所以及所需的兼氧环境，形成生物膜，避免污泥流失，达到高污泥浓度。
[0053]
底座6中间的进气口上方优选螺纹连接钛合金曝气头，进气口接通的进气管26与曝气泵13相连，通过曝气泵13和回流液的回流量控制反应器25内的溶解氧的浓度。反应器25内的溶解氧浓度和氧化还原电位通过自动控制装置 (plc)连接溶解氧电极22和氧化还原电位电极23在线实时监测。
[0054]
本发明中，曝气头12优选为钛合金曝气头，本领域中其他的曝气头亦可，在此不做
限定。
[0055]
需要指出的是，本发明中未做说明的连接方式为本领域中常规的连接方式，本领域技术人员可以根据实际需要进行设置。
[0056]
本发明还提供了利用上述微氧升流式生物滤池处理市政污水装置的处理工艺，包括如下的步骤：
[0057]
启动阶段：以市政污水为进水基质，将改性玄武岩纤维作为生物膜载体，通过逐步缩短水力停留时间和提高溶解氧的方式驯化培养生物膜，具体为：
[0058]
启动初期，在缺氧区内底部接种浓度为6～8g/l的二沉池回流污泥，在启动阶段初期，进水基质从外部进水管进入缺氧区内，控制水力停留时间为6h，控制缺氧区内的溶氧度在1.0mg/l以内，控制回流量与进水基质的体积比为2～ 5:1，当三相分离器的排水口中的出水中cod去除率达到80％，氨氮去除率达到 90％，总氮去除率达到70％，设置下一阶段的水力停留时间为上一阶段的1/2～ 5/6，相较于上一阶段每阶段缺氧区溶解氧提高量为0.1～0.3mg/l，当三相分离器的排水口中的出水中cod去除率达到80％，氨氮去除率达到90％，总氮去除率达到70％，连续稳定运行一周，并观察到有红菌出现，即认为反应器启动成功；
[0059]
所述进水基质主要成分如下：cod为0～200mg/l，氨氮40～60mg/l，总磷 6～8mg/l，以caco3计碱度为400～600mg/l；
[0060]
运行过程阶段：
[0061]
运行全过程中保持进水基质浓度不变，ph在7.5～8.0之间，温度范围为 30～35℃，缺氧区溶解氧浓度在1.0mg/l以内，兼氧区溶解氧浓度小于缺氧区，相应的氧化还原电位在
‑
100mv～+100mv之间；
[0062]
稳定运行阶段：
[0063]
启动阶段完成后，保持进水基质浓度不变，继续分阶段缩短水力停留时间，提高溶解氧，下一阶段的水力停留时间为上一阶段的1/2～5/6，每阶段缺氧区溶解氧提高量为0.1～0.3mg/l，直至连续两周氨氮去除率高于90％且总氮去除率高于70％，即为稳定运行阶段。
[0064]
在本发明中，启动阶段初期，所述二沉池回流污泥需要在反应器内预厌氧一周。
[0065]
本发明提供的上述微氧升流式生物滤池处理市政污水装置处理工艺分为厌氧氨氧化启动挂膜阶段和稳定运行阶段，在填充改性玄武岩纤维的升流式生物滤池中，接种二沉池回流污泥，以市政污水为进水基质，通过逐步缩短水力停留时间和提高溶解氧的方式驯化培养生物膜。
[0066]
启动阶段初期，设置较高的水力停留时间，较低的溶解氧浓度，分阶段逐步缩短水力停留时间，同时提高溶解氧。当三相分离器的排水口中的出水中cod 去除率达到80％,氨氮去除率达到90％，总氮去除率达到70％，连续稳定运行一周，并观察到有红菌出现，即认为反应器挂膜启动成功。启动阶段完成后，保持进水基质浓度不变，继续分阶段缩短水力停留时间，提高溶解氧，直至连续两周氨氮去除率高于90％且总氮去除率高于70％，认为反应系统的水力停留时间低于最低限度，即氮去除负荷超过最高限度。
[0067]
下面结合具体实施例对本发明提供的上述微氧升流式生物滤池处理市政污水装置处理工艺进行详细的说明，但不能把他们认为是对本发明的保护范围的限定。
[0068]
利用上述处理工艺进行如下的实施例，进水基质中的主要成分如表1所示，
[0069]
表1进水基质的主要成分表
[0070]
实施例进水基质的主要成分实施例1cod为0mg/l，氨氮50mg/l，总磷6mg/l，以caco3计碱度为500mg/l实施例2cod为100mg/l，氨氮40mg/l，总磷7mg/l，以caco3计碱度为400mg/l实施例3cod为200mg/l，氨氮60mg/l，总磷8mg/l，以caco3计碱度为600mg/l
[0071]
分阶段停留时间参数如下表2所示：
[0072]
表2分阶段停留时间
[0073][0074]
本发明中，水力停留时间即为反应器体积(l)，除以进水速率(l/h)，得水力停留时间。缩短水体停留时间，就是通过提高进水速率来实现的，然而进水速率可以通过进水泵和回流液的回流量进行控制，根据需要可以控制不同的速率，实现不同的水力停留时间。
[0075]
污泥浓度,缺氧区溶氧度,兼氧区溶氧度,回流量与进水基质的体积比,ph, 温度和氧化还原电位的工艺参数如下表3所示：
[0076][0077]
需要说明的是，本发明中分阶段提高溶氧度的提高量为0.1
‑
0.3mg/l，必须保证缺氧区的溶氧度控制在1mg/l以下。兼氧区的溶氧度只需要小于缺氧区的溶氧度即可，本发明中，兼氧区的溶氧度必然会小于缺氧区的溶氧度，因此，本发明中对兼氧区的溶氧度不做具
体的限定。
[0078]
对上述实施例1
‑
3进行计算，计算结果如下表4所示：
[0079][0080][0081]
上述表4中氮负荷的计算方式为：
[0082]
上述表4中，氮负荷kgn/(m3·
d)，其中n代表的是氮元素，kg/(m3·
d)与 g/(l
·
d)是相同的。
[0083]
氮负荷＝c*24/(1000*hrt)，式中，c为进水氮浓度，单位：mg/l，hrt为水力停留时间，单位：小时。本发明中c为进水氮浓度指的是进水中氨氮的浓度，氮负荷计算的是最终达到的水力停留时间相对应的氮负荷。
[0084]
由上述表4可知，水力停留时间越短，氮负荷越高，氮负荷可高达 2.4kgn/(m3·
d)。
[0085]
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。