一种实现发酵型短程反硝化除磷的装置和方法

1.本发明涉及的一种实现发酵型短程反硝化除磷的装置和方法，属于污水生物处理技术领域，是一种解决反硝化除磷技术无法利用慢速可生物降解有机物以及实现亚硝稳定产出的技术难题的方法。


背景技术：

2.污水中氮磷污染物的低碳低能耗处理，是水体富营养化防治和温室气体减排的重要技术手段。
3.反硝化除磷技术，即除磷菌以胞内碳源为电子供体将硝氮或者亚硝还原为氮气同步实现除磷的过程，是一种高效的除磷技术。相比于传统的好氧除磷技术，其可以节省50%的碳源消耗，30%曝气能耗，以及50%的污泥产量。
4.但是反硝化除磷技术，对于碳源具有较高要求。以乙酸等挥发性脂肪酸的快速可生物降解有机物是保证反硝化除磷菌储存内碳源的前提。这些快速可生物降解有机物在污水中常常短缺，为了保证高效的除磷效果常需外加碳源，极大地增加了污水处理的运行成本。
5.污水中50%以上为慢速可生物降解有机物，这些有机物目前还无法被反硝化除磷菌直接利用，因此在引入外碳源保证快速可生物降解有机物量的同时，还造成了原水中碳源的浪费。如果反硝化除磷菌可以充分利用原水中这些慢速可生物降解有机物，将能有效地降低反硝化除磷技术因外碳源投加而带来的运营负担。
6.此外，反硝化除磷过程，也涉及到硝氮还原为氮气的反硝化过程。如果可以将硝氮选择性还原为亚硝，进而实现短程反硝化除磷，又可以进一步节省60%用于脱氮过程的碳源消耗；产出的亚硝又可以作为基质供应厌氧氨氧化脱氮，实现反硝化除磷与厌氧氨氧化联合的氮磷同步去除。但是，目前反硝化除磷技术仍无法在充分利用慢速可生物降解有机物的前提下，实现磷的高效去除与亚硝的稳定产出。


技术实现要素：

7.本发明的目的就是提供一种实现发酵型短程反硝化除磷的装置和方法，在保证反硝化聚磷菌充分利用慢速可生物降解有机物的前提下实现磷的高效去除与亚硝的稳定产出，并富集出兼具发酵与短程反硝化除磷的功能菌种。
8.本发明的技术原理如下：以污水厂污泥为种泥，厌氧段慢速可生物降解有机物首先被转化为快速可生物降解有机物并伴随着胞内碳源的储存和磷的释放；缺氧段硝氮被胞内碳源选择性还原为亚硝，同时伴随着过量吸磷。在上述运行模式下，通过增加进水硝氮负荷强化发酵型短程反硝化除磷菌的富集培养，最终实现了慢速可生物降解有机物的发酵和胞内储存、短程反硝化及同步除磷。本发明在无需外加碳源，控制简单的前提下，通过发酵型短程反硝化除磷菌的富集，创造性的同步解决了慢速可生物降解有机物不利于反硝化除磷以及反硝化除磷过程中无法稳定实现亚硝积累的技术难题，进而在除磷方面节省了50%
的碳源消耗、30%曝气能耗、50%的污泥产量，在脱氮方面减少60%了的碳源消耗，同时为厌氧氨氧化自养脱氮技术提供了稳定的亚硝来源。
9.本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：一种实现发酵型短程反硝化除磷的装置，包括含硝氮废水箱、含慢速可生物降解有机物及磷水箱、发酵型短程反硝化除磷反应器、污泥沉淀池、以及在线监测和反馈控制系统；其中所述含硝氮废水箱通过第二进水泵与发酵型短程反硝化除磷反应器相连接；含慢速可生物降解有机物及磷水箱通过第一进水泵与发酵型短程反硝化除磷反应器相连接；污泥沉淀池通过泥水混合物出水管与发酵型短程反硝化除磷反应器相连接；其中所述发酵型短程反硝化除磷反应器配置有第一进水泵、厌氧区、厌氧搅拌器、缺氧区、缺氧搅拌器、泥水混合物出水管、第二进水泵、污泥回流泵；所述在线监测和反馈控制系统包括计算机和可编程过程控制器，可编程过程控制器内置信号转换器ad转换接口、信号转换器da转换接口、污泥回流泵继电器、第二进水泵继电器、缺氧搅拌继电器、厌氧搅拌继电器、第一进水泵继电器；其中，可编程过程控制器上的信号转换器ad转换接口通过电缆线与计算机相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机；计算机通过信号转换器da转换接口与可编程过程控制器相连接，将计算机的数字指令传递给可编程过程控制器；污泥回流泵继电器与污泥回流泵相连接；第二进水泵继电器与第二进水泵相连接；缺氧搅拌继电器与缺氧搅拌器相连接；厌氧搅拌继电器与厌氧搅拌器相连接；第一进水泵继电器与第一进水泵相连接。
10.本发明还提供了一种实现发酵型短程反硝化除磷的方法，其具体步骤如下：1）将污水厂污泥投加至发酵型短程反硝化除磷反应器内；2）启动第一进水泵，将含有慢速可生物降解有机物以及磷的废水泵入发酵型短程反硝化除磷反应器的厌氧区中，并开启厌氧搅拌器，进行发酵、胞内碳源储存及释磷反应；3）启动第二进水泵，将硝氮废水泵入发酵型短程反硝化除磷反应器的缺氧区中，控制进水慢速可生物降解有机物与进水硝氮质量比为15以上，并开启缺氧搅拌器，进行短程反硝化以及过量吸磷反应；4）发酵型短程反硝化除磷反应器的泥水混合物经泥水混合物出水管流入污泥沉淀池实现泥水分离，其中出水经出水管流出，污泥经污泥回流泵回流至发酵型短程反硝化除磷反应器的厌氧区中以强化发酵型短程反硝化除磷菌的富集；5）待发酵型短程反硝化除磷反应器的厌氧区以及缺氧区中有机物、磷、硝氮去除性能稳定后，梯度增加进水硝氮负荷，使得进水慢速可生物降解有机物与进水硝氮质量比为15以上降低至10以下进而进一步强化发酵型短程反硝化除磷菌的富集，最终实现发酵型短程反硝化除磷的成功启动。
11.本发明的一种实现发酵型短程反硝化除磷的装置和方法，具有以下优点：1）在无外碳源投加情况下，充分利用了污水中的慢速可生物降解有机物，实现了磷的高效去除与亚硝的稳定产出，有效地降低反硝化除磷技术因外碳源投加而带来的成本负担。
12.2）与反硝化除磷技术相比，在充分利用慢速可生物降解有机物的前提下，同时实现了反硝化过程中亚硝的稳定产出，为厌氧氨氧化提供了稳定的亚硝来源。
13.3）与短程反硝化技术相比，在充分利用慢速可生物降解有机物的前提下，同时实
现了磷的高效去除。
14.4）与短程反硝化除磷技术相比，克服了其不能利用慢速可生物降解有机物的技术难题，并富集出兼具发酵与短程反硝化除磷的功能菌种。
15.5）本发明控制简单，运行管理方便，同步实现了磷的高效去除与亚硝的稳定产出，有利于推动反硝化除磷与厌氧氨氧化技术的低碳低能耗工程应用。
附图说明
16.图1为本发明一种实现发酵型短程反硝化除磷的装置和方法所应用的装置结构示意图。图中1为含硝氮废水箱、2为含慢速可生物降解有机物及磷水箱、3为发酵型短程反硝化除磷反应器、4为污泥沉淀池、以及5为在线监测和反馈控制系统；3.1为第一进水泵、3.2为厌氧区、3.3为厌氧搅拌器、3.4为缺氧区、3.5为缺氧搅拌器、3.6为泥水混合物出水管、3.7为第二进水泵、3.8为污泥回流泵；4.1为出水管；5.1为计算机、5.2为可编程过程控制器、5.3为信号转换器ad转换接口、5.4为信号转换器da转换接口、5.5为污泥回流泵继电器、5.6为第二进水泵继电器、5.7为缺氧搅拌继电器、5.8为厌氧搅拌继电器、5.9为第一进水泵继电器。
具体实施方式
17.下面结合附图和实例对本发明做进一步的说明：如图1所示，一种实现发酵型短程反硝化除磷的装置和方法，应用如下装置：包括含硝氮废水箱1、含慢速可生物降解有机物及磷水箱2、发酵型短程反硝化除磷反应器3、污泥沉淀池4、以及在线监测和反馈控制系统5；其中所述含硝氮废水箱1通过第二进水泵3.7与发酵型短程反硝化除磷反应器3相连接；含慢速可生物降解有机物及磷水箱2通过第一进水泵3.1与发酵型短程反硝化除磷反应器3相连接；污泥沉淀池4通过泥水混合物出水管3.6与发酵型短程反硝化除磷反应器3相连接；其中所述发酵型短程反硝化除磷反应器3配置有第一进水泵3.1、厌氧区3.2、厌氧搅拌器3.3、缺氧区3.4、缺氧搅拌器3.5、泥水混合物出水管3.6、第二进水泵3.7、污泥回流泵3.8；所述在线监测和反馈控制系统5包括计算机5.1和可编程过程控制器5.2，可编程过程控制器5.2内置信号转换器ad转换接口5.3、信号转换器da转换接口5.4、污泥回流泵继电器5.5、第二进水泵继电器5.6、缺氧搅拌继电器5.7、厌氧搅拌继电器5.8、第一进水泵继电器5.9；其中，可编程过程控制器5.2上的信号转换器ad转换接口5.3通过电缆线与计算机5.1相连接，将传感器模拟信号转换成数字信号传递给计算机5.1；计算机5.1通过信号转换器da转换接口5.4与可编程过程控制器5.2相连接，将计算机5.1的数字指令传递给可编程过程控制器5.2；污泥回流泵继电器5.5与污泥回流泵3.8相连接；第二进水泵继电器5.6与第二进水泵3.7相连接；缺氧搅拌继电器5.7与缺氧搅拌器3.5相连接；厌氧搅拌继电器5.8与厌氧搅拌器3.3相连接；第一进水泵继电器5.9与第一进水泵3.1相连接。
18.试验过程中，采用颗粒淀粉、磷酸二氢钾、0.3 ml/l营养液、自来水模拟含慢速可生物降解有机物及磷废水，慢速可生物降解有机物浓度为500 mg cod/l，磷浓度为6 mg/l；采用硝酸钠、0.3 ml/l营养液、自来水模拟含硝氮废水，硝氮浓度根据需要调整。营养液组分如表1。
19.表1 营养液配置组分试验系统如图1所示，各反应器均采用有机玻璃制作，发酵型短程反硝化除磷反应器3有效容积为30 l；污泥沉淀池4有效容积为20 l。
20.具体运行操作如下：1）将污水厂剩余污泥投加至发酵型短程反硝化除磷反应器3内，使得反应器内污泥浓度为5000 mg/l;2）启动第一进水泵3.1，将含有慢速可生物降解有机物以及磷的废水泵入发酵型短程反硝化除磷反应器3的厌氧区3.2中，并开启厌氧搅拌器3.3，进行发酵、胞内碳源储存及释磷反应，厌氧区3.2水力停留时间控制为8小时；3）启动第二进水泵3.7，将25 mg氮/l的硝氮废水泵入发酵型短程反硝化除磷反应器3的缺氧区3.4中，控制进水慢速可生物降解有机物与进水硝氮质量比为20，并开启缺氧搅拌器3.5，进行短程反硝化以及过量吸磷反应，，缺氧区3.4水力停留时间控制为4小时；4）发酵型短程反硝化除磷反应器3的泥水混合物经泥水混合物出水管3.6流入污泥沉淀池4实现泥水分离，其中出水经出水管4.1流出，污泥经污泥回流泵3.8回流至发酵型短程反硝化除磷反应器3的厌氧区3.2中以强化发酵型短程反硝化除磷菌的富集；5）连续运行40天后发现发酵型短程反硝化除磷反应器3的厌氧区3.2以及缺氧区3.4中有机物、磷、硝氮去除性能分别稳定为60%，45%，98%；随后以10 mg氮/l的梯度增加进水硝氮负荷，使得进水慢速可生物降解有机物与进水硝氮质量比由20逐步降低至8，最终实现了发酵型短程反硝化除磷的成功启动。
21.试验结果表明：在慢速可生物降解有机物废水cod浓度为500 mg /l，磷浓度为6 mg/l，硝氮浓度为62.5 mg /l的条件下，出水cod小于100 mg/l，磷去除率大于90%，硝氮去除率大于98%，硝氮到亚硝转化率大于75%，成功启动了短程反硝化除磷过程。