分段进水短程硝化-厌氧氨氧化组合同步处理污水与污泥的装置与方法

本发明涉及一种分段进水短程硝化-厌氧氨氧化工艺同步处理污水与污泥的装置与方法，属于高氨氮废水污泥生物处理领域。高氨氮负荷垃圾渗滤液首先泵入好氧反应器完成短程硝化过程；外源剩余污泥与短程硝化反应器出水一同打入缺氧反应器，实现剩余污泥发酵与反硝化的耦合过程；最终发酵耦合反硝化反应器出水分段泵入一体化自养脱氮反应器，一体化反应器共包含曝气和缺氧搅拌两个主要运行单元，氨氮在曝气阶段被氧化为亚硝态氮，生成的亚硝态氮与二次进水氨氮通过厌氧氨氧化过程得到进一步去除。本发明工艺运行稳定可靠，在无外碳源投加条件下完成对晚期垃圾渗滤液的深度处理，同时实现了外源剩余污泥的发酵减量目的。

背景技术：

目前我国城市人均日产垃圾1.0-1.2公斤，中国城市人均每年产生量达400公斤，据国家统计局数据直到2019年我国垃圾清运量高达22854万吨，垃圾总量世界第一。2025年全球固体废物的产量将增加到22亿吨，美国和中国垃圾填埋处理的固体废物分别占43％和58％以上，在填埋过程中，每吨废物可产生0.05～0.2吨垃圾渗滤液。垃圾渗滤液是一种氨氮浓度高、成分复杂、可生化性能极差的有机废水，若不加以妥善处置将会给自然环境和人类健康带来巨大威胁。目前大部分垃圾渗滤液处理过程仍采用传统硝化-反硝化生物脱氮工艺，但由于传统工艺对进水碳源要求高，难以实现对低c/n比垃圾渗滤液的有效处理。

作为污水处理的副产物，我国每年产生4000-6000万吨剩余污泥。而目前只有35％的剩余污泥得到了有效处理。剩余污泥中含有丰富的有机碳源，发酵过程可以将剩余污泥中的有机物得到释放，一旦释放的有机物被后续异养微生物所利用将会同时解决“进水碳源不足”和“剩余污泥产量大”两大环境热点问题。

技术实现要素：

本发明提出了分段进水短程硝化-厌氧氨氧化工艺同步处理污水与污泥技术，具体是高氨氮负荷垃圾渗滤液首先泵入好氧反应器完成短程硝化过程；外源剩余污泥与短程硝化反应器出水一同打入缺氧反应器，实现剩余污泥发酵与反硝化的耦合过程；最终发酵耦合反硝化反应器出水分段泵入一体化自养脱氮反应器，一体化反应器共包含曝气和缺氧搅拌两个主要运行单元，氨氮在曝气阶段被氧化为亚硝态氮，生成的亚硝态氮与二次进水氨氮通过厌氧氨氧化过程得到进一步去除。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

分段进水短程硝化-厌氧氨氧化工艺同步处理污水与污泥的装置与方法，其特征在于，包括短程硝化反应器(1)、第一中间水箱(2)、储泥罐(3)、污泥发酵耦合反硝化反应器(4)、第二中间水箱(5)、一体化自养脱氮反应器(6)、pcl控制系统和在线检测设备(7)。

所述短程硝化反应器(1)设有第一搅拌器(1.1)、第一实时在线监测设备(1.2)、第一进水蠕动泵(1.3)、、第一进水口(1.4)、第一空气压缩机(1.5)、第一出水口(1.6)、第一出水蠕动泵(1.7)；所述第一中间水箱(2)设有第二进水口(2.1)、第二出水口(2.2)；所述储泥罐(3)设有第一出泥口(3.1)；所述污泥发酵耦合反硝化反应器(4)设有第二搅拌器(4.1)、第三进水口(4.3)、第一进泥口(4.2)、第三出水口(4.4)、第二实时在线监测设备(4.5)；所述第二中间水箱设有第四进水口(5.1)、第四出水口(5.2)；所述一体化自养脱氮设备(6)设有第三搅拌器(6.1)、第三在线监测设备(6.2)、第二进水蠕动泵(6.3)、第五进水口(6.4)、第二空气压缩机(6.5)、第五出水口(6.6)。

第一进水蠕动泵(1.3)与短程硝化反应器(1)第一进水口(1.4)相连接，第一出水口(1.6)通过第一出水蠕动泵(1.7)与第一中间水箱(2)第二进水口(2.1)相连接，第一中间水箱(2)第二出水口(2.2)与发酵耦合反硝化反应器(4)第三进水口(4.3)相连接，储泥罐(3)第一出泥口(3.1)与发酵耦合反硝化反应器(2)第一进泥口(4.2)相连接，发酵耦合反硝化反应器(4)第三出水口(4.4)与第二中间水箱(5)第四进水口(5.1)相连接，第二中间水箱(5)第四出水口(5.2)通过第二进水蠕动泵(6.3)与一体化自养脱氮反应器(6)第五进水口(6.4)相连接。

利用所述装置进行分段进水短程硝化-厌氧氨氧化工艺同步处理污水与污泥，包括以下过程：

1)打开第一进水蠕动泵以1l/min流速将晚期垃圾渗滤液原水泵入短程硝化反应器，打开第一空气压缩机(do＝0.5mg/l)和第一搅拌器(rpm＝100)，在线监测设备实时统计总结反应器内ph和do实时在线监测指标。短程硝化是消耗碱度的生物过程，当碱度不再消耗，ph曲线停止下降且出现拐点“氨谷点”时，关闭第一空气压缩机和第一搅拌器停止曝气和搅拌，沉淀30min，按50％体积比排水至第一中间水箱。

2)储泥罐中剩余污泥与短程硝化反应器出水共同进入发酵耦合反硝化反应器。作为亚硝态氮的质子化形式，游离亚硝酸能够促进剩余污中有机碳源的释放，从而在该反应器内完成剩余污泥发酵与反硝化的同步进行。反硝化过程是产生碱度的过程，当ph曲线不再上升或出现拐点“亚硝酸盐肘”时关闭第二搅拌器停止搅拌，沉淀2h，按41.7％体积比排水至第二中间水箱。

3)一体化自养脱氮反应器主要包括进水、曝气、进水、缺氧搅拌、沉淀和排水单元。第二中间水箱的污水按照体积比1.5:1在曝气和缺氧搅拌开始阶段快速泵入一体化反应器，其中曝气阶段进水氨氮被氧化为亚硝态氮，当ph曲线出现氨谷点时关闭第二空气压缩机停止曝气；好氧阶段生成的亚硝态氮与二次进水中的氨氮在缺氧搅拌阶段经过厌氧氨氧化过程得到去除，当ph曲线不再上升或ph曲线一阶导数趋近于零时停止搅拌，沉淀30min，出水。

技术原理

分段进水短程硝化-厌氧氨氧化工艺同步处理污水与污泥的装置与方法，属于高氨氮废水污泥生物处理领域。高氨氮负荷垃圾渗滤液首先泵入好氧反应器完成短程硝化过程；外源剩余污泥与短程硝化反应器出水一同打入缺氧反应器，实现剩余污泥发酵与反硝化的耦合过程；最终发酵耦合反硝化反应器出水分段泵入一体化自养脱氮反应器，一体化反应器共包含曝气和缺氧搅拌两个主要运行单元，氨氮在曝气阶段被氧化为亚硝态氮，生成的亚硝态氮与二次进水氨氮通过厌氧氨氧化过程得到进一步去除。本发明工艺运行稳定可靠易于调控，在无外碳源投加条件下完成对晚期垃圾渗滤液的深度处理，同时实现了外源剩余污泥的发酵减量目的。

本发明涉及的分段进水短程硝化-厌氧氨氧化组合同步处理污水与污泥的装置与方法具有以下优点：

1)通过短程硝化、剩余污泥发酵-反硝化、分段进水短程硝化-厌氧氨氧化的有效结合，在无外加碳源条件下不仅实现了垃圾渗滤液的深度处理，同时完成对外源剩余污泥的发酵减量。

2)与传统硝化过程(nh4⁺→no3^-)相比，短程硝化过程节约了25％曝气量，而且该工艺中短程硝化反应器选用悬浮污泥，低氧曝气条件下不仅可以较好的溶氧效果，同时一定程度促进底物基质与污泥的完全混合。

3)剩余污泥中有机物在游离亚硝酸的促进条件下完成释放并利用，弥补了垃圾渗滤液原水碳源不足的缺陷，促进单一系统内剩余污泥发酵与反硝化的同步进行，一次性解决污水处理厂剩余污泥产量大和进水碳源不足的两大难题。

4)一体化自养脱氮反应器采用分段进水间歇曝气的运行方式，一方面强化进水中碳源的充分利用，另一方面为短程硝化和厌氧氨氧化创造了最优的反应时空条件，实现对发酵过程释放氨氮的进一步处理；

5)本发明的短程硝化反应器、污泥发酵耦合反硝化反应器和分段进水短程硝化-厌氧氨氧化反应器的具体反应时间均通过在线监测装置进行实时控制，避免了不必要的时间、能源的浪费。

附图说明

图1是本发明的装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示分段进水短程硝化-厌氧氨氧化工艺同步处理污水与污泥的装置与方法，其特征在于，包括短程硝化反应器(1)、第一中间水箱(2)、储泥罐(3)、污泥发酵耦合反硝化反应器(4)、第二中间水箱(5)、一体化自养脱氮反应器(6)、pcl控制系统和在线检测设备(7)。

所述短程硝化反应器(1)设有第一搅拌器(1.1)、第一实时在线监测设备(1.2)、第一进水蠕动泵(1.3)、、第一进水口(1.4)、第一空气压缩机(1.5)、第一出水口(1.6)、第一出水蠕动泵(1.7)；所述第一中间水箱(2)设有第二进水口(2.1)、第二出水口(2.2)；所述储泥罐(3)设有第一出泥口(3.1)；所述污泥发酵耦合反硝化反应器(4)设有第二搅拌器(4.1)、第三进水口(4.3)、第一进泥口(4.2)、第三出水口(4.4)、第二实时在线监测设备(4.5)；所述第二中间水箱设有第四进水口(5.1)、第四出水口(5.2)；所述一体化自养脱氮设备(6)设有第三搅拌器(6.1)、第三在线监测设备(6.2)、第二进水蠕动泵(6.3)、第五进水口(6.4)、第二空气压缩机(6.5)、第五出水口(6.6)。

第一进水蠕动泵(1.3)与短程硝化反应器(1)第一进水口(1.4)相连接，第一出水口(1.6)通过第一出水蠕动泵(1.7)与第一中间水箱(2)第二进水口(2.1)相连接，第一中间水箱(2)第二出水口(2.2)与发酵耦合反硝化反应器(4)第三进水口(4.3)相连接，储泥罐(3)第一出泥口(3.1)与发酵耦合反硝化反应器(2)第一进泥口(4.2)相连接，发酵耦合反硝化反应器(4)第三出水口(4.4)与第二中间水箱(5)第四进水口(5.1)相连接，第二中间水箱(5)第四出水口(5.2)通过第二进水蠕动泵(6.3)与一体化自养脱氮反应器(6)第五进水口(6.4)相连接。

本实施中具体试验用水为实际垃圾渗滤液，其水质特点如下：2390±159mg/lcod、238±69mg/lbod5、1636±192mg/lnh4⁺-n、0.3±1.2mg/lno2^--n、2.8±1.3mg/lno3^--n、1750±349mg/ltn、8.3±0.3ph、和3.5±2.1mg/ltp。剩余污泥取自实际污水处理厂二沉池mlss＝21337±2145mg/l。短程硝化反应器、发酵耦合反硝化反应器、一体化自养脱氮反应器有效容积和排水比分别为10l、6l、10l和50％、41.7％、50％。

具体操作过程如下：

1)打开第一进水蠕动泵以1l/min流速将晚期垃圾渗滤液原水泵入短程硝化反应器，打开第一空气压缩机(do＝0.5mg/l)和第一搅拌器(rpm＝100)，在线监测设备实时统计总结反应器内ph和do实时在线监测指标。短程硝化是消耗碱度的生物过程，当碱度不再消耗，ph曲线停止下降且出现拐点“氨谷点”时，关闭第一空气压缩机和第一搅拌器停止曝气和搅拌，沉淀30min，按50％体积比排水至第一中间水箱。

2)储泥罐中剩余污泥与短程硝化反应器出水共同进入发酵耦合反硝化反应器。作为亚硝态氮的质子化形式，游离亚硝酸能够促进剩余污中有机碳源的释放，从而在该反应器内完成剩余污泥发酵与反硝化的同步进行。反硝化过程是产生碱度的过程，当ph曲线不再上升或出现拐点“亚硝酸盐肘”时关闭第二搅拌器停止搅拌，沉淀2h，按41.7％体积比排水至第二中间水箱。

3)一体化自养脱氮反应器主要包括进水、曝气、进水、缺氧搅拌、沉淀和排水单元。第二中间水箱的污水按照体积比1.5:1在曝气和缺氧搅拌开始阶段快速泵入一体化反应器，其中曝气阶段进水氨氮被氧化为亚硝态氮，当ph曲线出现氨谷点时关闭第二空气压缩机停止曝气；好氧阶段生成的亚硝态氮与二次进水中的氨氮在缺氧搅拌阶段经过厌氧氨氧化过程得到去除，当ph曲线不再上升或ph曲线一阶导数趋近于零时停止搅拌，沉淀30min，出水。

试验结果表明：

出水总氮浓度为15.2mg/l，总氮去除率为99.2％，外源剩余污泥减量速率为4.2kg/m³·d。发酵耦合反硝化反应器和一体化自养脱氮反应器的脱氮贡献率分别为85.9％和10.6％。一体化自养脱氮反应器中，厌氧氨氧化是最主要的脱氮途径，贡献率高的达82.1％。与传统生物脱氮工艺相比，分段进水短程硝化-厌氧氨氧化工艺不仅可以减少25％曝气量和100％的外碳源，而且可以实现50.1％的外源污泥的减量率。