CN105753153B - 基于deamox的改良a/o四点分段进水高效生物脱氮除磷装置及应用方法 - Google Patents

基于deamox的改良a/o四点分段进水高效生物脱氮除磷装置及应用方法 Download PDF

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Abstract

基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水高效生物脱氮除磷装置及其应用方法，它属于污水生物处理技术领域。本发明在A/O分段进水工艺的缺氧区实现反硝化氨氧化技术，将传统的高碳源依赖性型的反硝化脱氮方式改变为短程反硝化结合厌氧氨氧化的低碳源依赖型脱氮方式，同时设置预缺氧区解决了回流污泥所携带的NO3 ‑对厌氧释磷的影响，保证了工艺在处理低碳源城市污水时脱氮除磷的高效性。该工艺的装置按照水流方向依次包括城市污水原水箱、预缺氧区、厌氧区、第一段好氧区、第一段缺氧区、第二段好氧区、第二段缺氧区、第三段好氧区、沉淀池和出水管，其中的第一段缺氧区和第二段缺氧区设置海绵填料以实现反硝化氨氧化反应进行脱氮。本发明具有碳源投加量低、曝气能耗小、运行费用少的优点。

Description

基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水高效生物脱氮除磷装置 及应用方法
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水工艺处理低碳源城市污水的生物除磷和自养脱氮的装置及应用方法，适用于新建城市污水处理厂及已建城市污水处理厂的提标改造等技术领域。
背景技术
连续流分段进水缺氧/好氧(A/O)工艺是一种高效的污水生物脱氮工艺。原水多点进入***，可省去硝化液内回流设施，并充分利用原水中有机碳源进行反硝化，节省药剂费用，此外，多点进水使得***对溶解氧的需求更加平衡，并有效避免或降低洪峰流量时污泥被冲刷的危险。考虑到生物除磷对厌氧条件的要求，避免回流污泥所带硝态氮(NO3 -)对厌氧环境的破坏，在***前设置预缺氧区，利用首段进水中的有机碳源将回流污泥中的NO3 -提前降解，以此来减弱反硝化细菌在厌氧格与聚磷菌之间的碳源竞争，确保聚磷菌能够利用足够的碳源进行充分释磷，进而保证***能够实现高效的脱氮除磷效果。
然而，对于进水C/N<3.4的低碳源城市污水而言，即使采用分段进水充分利用原水碳源的运行方式，也不能够实现出水总氮(TN)和总磷(TP)的同时达标。故而在现有工艺的基础上，需要寻求一种能够进一步降低碳源需求量的新型技术。反硝化氨氧化(Denitrifying ammonium oxidation,DEAMOX)技术是一种在厌氧氨氧化(Anaerobicammonium oxidation,Anammox)的基础上，耦合了短程反硝化和Anammox工艺形成的一种新型的生物脱氮技术。它可以节省近一半的曝气能耗，节约60％的有机碳源，获得更低的出水TN去除效果；相对于传统短程硝化型自养脱氮而言，它不需要复杂的过程控制方法来产生亚硝酸盐氮(NO2 -)，而且短程反硝化所产生的NO2 -直接被Anammox菌利用，不会发生较高的NO2 -浓度抑制现象。
因此，在改良A/O四点分段进水工艺中实现DEAMOX工艺，不仅可充 分利用原水中的有机碳源，而且可进一步降低城市污水脱氮除磷的碳源需求量，保证***高效稳定的脱氮除磷效果，进而可为未来城市污水处理厂的建设或已建水厂的升级改造提供技术参考。
发明内容
本发明的目的是通过在连续流分段进水工艺中实现反硝化氨氧化技术，来解决低碳源城市污水在无外碳源投加的情况下难以实现出水氮磷稳定达标的技术难题。本发明的目的通过以下技术方案来解决：一种基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水高效生物脱氮除磷的装置，其特征在于，包括依次连接的城市污水原水箱1、预缺氧反应区2、厌氧反应区3、第一段好氧反应区4、第一段缺氧反应区5、第二段好氧反应区6、第二段缺氧反应区7、第三段好氧反应区8、沉淀池9、出水管10，以及从沉淀池底部回流至预缺氧区的污泥回流管路；所述的预缺氧反应区2、厌氧反应区3、第一段好氧反应区4、第一段缺氧反应区5、第二段好氧反应区6、第二段缺氧反应区7、第三段好氧反应区8之间均采用带有连通管的隔板进行连通；所述的城市污水原水箱上设置进水管22、溢流管23和放空管24；所述的城市污水原水箱1采用进水泵11和进水流量控制阀12分别与预缺氧区2、厌氧反应区3、第一段缺氧反应区5和第二段缺氧反应区7连接；所述的预缺氧区2、厌氧反应区3、第一段缺氧反应区5和第二段缺氧反应区7内部均设有搅拌器13；所述的第一段好氧反应区4、第二段好氧反应区6和第三段好氧反应区8的底部均设置曝气装置和DO传感器，曝气装置由空气压缩机14通过空气转子流量计15与黏砂块曝气头16连通，DO传感器18由数据线与DO测定仪17连接；所述的第一段缺氧反应区5和第二段缺氧反应区7采用海绵25作为填料，而且海绵固定在填料架上；沉淀池9底部通过回流污泥控制阀20和污泥回流泵19与预缺氧反应区2连通，剩余污泥通过剩余污泥排放控制阀21排出***。
本发明中的预缺氧反应区2：部分城市污水通过进水泵11的抽吸作用与污泥回流泵19从沉淀池9底部抽取的泥水混合液同时进入预缺氧区2，在搅拌器13的作用下，反硝化细菌利用进入预缺氧反应区原水中的有机碳源进行 反硝化反应，将回流污泥中携带的NO3 -进行反硝化去除，以利于后续聚磷菌的厌氧释磷。通过预缺氧反应区2的设置，可有效解决传统单一污泥***中回流污泥所携带的NO3 -与聚磷菌厌氧释磷同时对碳源的竞争。
本发明中的厌氧反应区3：经进水泵11抽取的部分城市污水与预缺氧反应区2中经过前置反硝化脱氮后的泥水混合液同时进入厌氧反应区3，在厌氧反应区3内搅拌器13的搅拌作用下，聚磷菌大量吸收原水中的可生物降解的有机物，以内碳源PHB的形式储存在聚磷菌体内，同时向水体中释放大量的溶解性正磷酸盐。
本发明中的第一段好氧反应区4：厌氧反应区3的泥水混合液出水直接进入第一段好氧反应区4，在曝气的作用下，异养菌利用氧气将剩余的少量有机物进行氧化分解，同时硝化细菌将NH4 +氧化为NOx -，为后续反硝化氨氧化反应提供底物，聚磷菌利用氧气为电子受体发生好氧吸磷反应。曝气量的大小根据运行状态和进出水的水质情况运用转子流量计进行调节，控制反应器内的溶解氧浓度为0～5mg/L，同时控制第一段好氧反应器出水中的NH4 +浓度在0～3mg/L之间，若出水NH4 +浓度大于3mg/L，则提高反应器内部的溶解氧浓度，直至出水NH4 +浓度低于3mg/L。
本发明中的第一段缺氧反应区5：部分城市污水和第一段好氧反应区4的泥水混合液出水一同进入第一段缺氧反应区5。在搅拌器13的搅拌作用下，异养短程反硝化细菌首先利用进水中的有机碳源进行短程反硝化反应，将NO3 -转化为NO2 -，同时海绵填料上挂膜的厌氧氨氧化菌利用NH4 +和NO2 -发生厌氧氨氧化反应，以DEAMOX方式进行脱氮，并伴随着磷酸盐的吸收。检测第一段缺氧反应区5的出水NO2 -浓度，若出水NO2 -大于1mg/L，则延长第一段缺氧反应区5的水力停留时间直至出水中NO2 -浓度小于1mg/L。
本发明中的第二段好氧反应区6：功能同第一段好氧反应区4。第一段缺氧反应区5的泥水混合液出水直接进入第二段好氧反应区6，在曝气的作用下，完成剩余的极少有机物的氧化去除和NH4 +的硝化，以及磷酸盐的好氧吸收。控制反应器内的溶解氧浓度为0～5mg/L，并控制第二段好氧反应区出水中的 NH4 +浓度在0～3mg/L之间，若出水NH4 +浓度大于3mg/L，就要提高反应器内部的溶解氧浓度，直至出水NH4 +浓度小于3mg/L。
本发明中的第二段缺氧反应区7：功能同第一段缺氧反应区5。经进水泵11抽取的部分城市污水和第二段好氧反应区6的泥水混合物出水一同进入第二段缺氧反应区7。在搅拌器13的作用下，发生短程反硝化反应和厌氧氨氧化反应，并伴随磷酸盐的吸收。同样检测第二段缺氧反应区出水NO2 -浓度，若出水中NO2 -浓度大于1mg/L，则延长第二段缺氧反应区的水力停留时间直至出水中NO2 -浓度小于1mg/L。
本发明中的第三段好氧反应区8：功能同第一段好氧反应区4和第二段好氧反应区6，第二段的缺氧反应区7的泥水混合液出水直接进入第三段好氧反应区8。在曝气的作用下，完成剩余的极少有机物的氧化去除和NH4 +的硝化，以及磷酸盐的好氧吸收。控制反应器内的溶解氧浓度为0～5mg/L，并控制第三段好氧反应区出水中的NH4 +浓度在0～3mg/L之间，若出水NH4 +浓度大于3mg/L，就要提高反应器内部的溶解氧浓度，直至出水NH4 +浓度小于3mg/L。
本发明中的沉淀池9：第三段好氧反应区8的泥水混合液出水进入沉淀池9进行泥水分离，上清液外排，污泥沉淀在污泥斗，回流污泥经过污泥回流泵19回流至预缺氧反应区2，剩余污泥经剩余污泥排放控制阀21排出***外。
上述基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水高效生物脱氮除磷装置的应用方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)从城市污水处理厂二沉池取活性污泥接种于改良A/O四点分段进水反应器中，投加后的污泥浓度MLSS＝3000～4000mg/L；将海绵填料接种于第一段缺氧反应区和第二段缺氧反应区，填充比均为30～50％，进而改变传统缺氧反应区的功能，使其由单一的反硝化作用改变为短程反硝化结合厌氧氨氧化的反硝化氨氧化作用；
(2)低碳源城市污水经进水泵依次进入预缺氧反应区、厌氧反应区、第一段缺氧反应区和第二段缺氧反应区，同时沉淀池底部的污泥通过污泥回流泵按照50～150％的回流比回流至预缺氧反应区，并通过排放剩余污泥控制污 泥龄为15～20d；维持第一段好氧反应区、第二段好氧反应区和第三段好氧反应区的溶解氧浓度DO＝2～3mg/L；当沉淀池出水NH4 +浓度低于3mg/L时，将进水负荷由起初的低负荷Q＝80L/d以20L/d为梯度提升到正常负荷Q＝240L/d；当沉淀池出水NH4 +-N<5mg/L，PO4 3-<0.5mg/L，TN<15mg/L时，确认基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水工艺已启动完成；
(3)测定各反应区出水水质，当第一段缺氧反应区和第二段缺氧反应区的出水NO2 --N浓度超过1mg/L，延长缺氧反应区的实际水力停留时间，至出水NO2 -浓度低于1mg/L；若第一段、第二段和第三段好氧反应区出水NH4 +浓度大于3mg/L时，提高好氧反应区内部的溶解氧浓度，直至出水NH4 +浓度小于3mg/L
本发明涉及的基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水高效生物脱氮除磷装置及应用方法，与现有传统的生物脱氮除磷技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)针对C/N<3的低碳源城市污水的处理，本发明采用的反硝化氨氧化技术进一步降低了分段进水工艺脱氮除磷过程中对于有机碳源的需求量，有助于解决低碳源城市污水进水碳源不足的问题，从而保证了***脱氮除磷的高效性和稳定性；
(2)厌氧反应区前置预缺氧反应区，有效的解决了回流污泥中所携带的NO3 -对厌氧释磷的影响，保证了生物除磷的高效性；
(3)反硝化氨氧化技术能够节省接近一半的曝气能耗，节约60％的有机碳源，并且可进一步提高出水TN的去除效果，降低出水的氮含量；
(4)对现有水厂进行升级改造是相对简单，易于操作。
附图说明
图1为本发明中基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水高效生物脱氮除磷装置的示意图，其中1表示城市污水原水箱、2表示预缺氧反应器、3表示厌氧反应器、4表示第一段好氧反应器、5表示第一段缺氧反应器、6表示第二段好氧反应器、7表示第二段缺氧反应器、8第三段好氧反应器、9表示 沉淀池、10表示出水管、11表示进水泵、12表示进水控制阀、13表示搅拌器、14表示空气压缩机、15表示空气转子流量计、16表示黏砂块曝气头、17表示DO测定仪、18表示DO传感器、19表示污泥回流泵、20表示回流污泥控制阀、21表示剩余污泥排放控制阀、22表示进水管、23表示溢流管、24表示放空管、25表示海绵填料。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：结合图1所示，本实施方式构建的一种基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水高效生物脱氮除磷装置，包括依次连接的城市污水原水箱1、预缺氧反应区2、厌氧反应区3、第一段好氧反应区4、第一段缺氧反应区5、第二段好氧反应区6、第二段缺氧反应区7、第三段好氧反应区8、沉淀池9、出水管10，以及从沉淀池底部回流至预缺氧区的污泥回流管路；所述的预缺氧反应区2、厌氧反应区3、第一段好氧反应区4、第一段缺氧反应区5、第二段好氧反应区6、第二段缺氧反应区7、第三段好氧反应区8之间均采用带有连通管的隔板进行连通；所述的城市污水原水箱上设置进水管22、溢流管23和放空管24；所述的城市污水原水箱1采用进水泵11和进水流量控制阀12分别与预缺氧区2、厌氧反应区3、第一段缺氧反应区5和第二段缺氧反应区7连接；所述的预缺氧区2、厌氧反应区3、第一段缺氧反应区5和第二段缺氧反应区7内部均设有搅拌器13；所述的第一段好氧反应区4、第二段好氧反应区6和第三段好氧反应区8的底部均设置曝气装置和DO传感器，曝气装置由空气压缩机14通过空气转子流量计15与黏砂块曝气头16连通，DO传感器18由数据线与DO测定仪17连接；所述的第一段缺氧反应区5和第二段缺氧反应区7采用海绵25作为填料，而且海绵固定在填料架上；沉淀池9底部通过回流污泥控制阀20和污泥回流泵19与预缺氧反应区2连通，剩余污泥通过剩余污泥排放控制阀21排出***。
具体实施方式二：本实施方式基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水 高效生物脱氮除磷装置的应用方法，按以下步骤进行：
(1)从城市污水处理厂二沉池取活性污泥接种于改良A/O四点分段进水反应器中，投加后的污泥浓度MLSS＝3000～4000mg/L；将海绵填料接种于第一段缺氧反应区和第二段缺氧反应区，填充比均为30～50％，进而改变传统缺氧反应区的功能，使其由单一的反硝化作用改变为短程反硝化结合厌氧氨氧化的反硝化氨氧化作用；
(2)低碳源城市污水经进水泵依次进入预缺氧反应区、厌氧反应区、第一段缺氧反应区和第二段缺氧反应区，同时沉淀池底部的污泥通过污泥回流泵按照50～150％的回流比回流至预缺氧反应区，并通过排放剩余污泥控制污泥龄为15～20d；维持第一段好氧反应区、第二段好氧反应区和第三段好氧反应区的溶解氧浓度DO＝2-3mg/L；当沉淀池出水NH4 +浓度低于3mg/L时，将进水负荷由起初的低负荷Q＝80L/d以20L/d为梯度提升到正常负荷Q＝240L/d；；当沉淀池出水NH4 +-N<5mg/L，PO4 3-<0.5mg/L，TN<15mg/L时，确认基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水工艺已启动完成；
(3)测定各反应区出水水质，当第一段缺氧反应区和第二段缺氧反应区的出水NO2 --N浓度超过1mg/L，延长缺氧反应区的实际水力停留时间，至出水NO2 -浓度小于1mg/L；若第一段、第二段和第三段好氧反应区出水NH4 +浓度大于3mg/L时，则提高好氧反应区内部的溶解氧浓度，直至出水NH4 +浓度小于3mg/L。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
结合图1所示，基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水高效生物脱氮除磷装置的应用方法，按以下步骤进行：
(1)从城市污水处理厂二沉池取活性污泥接种于改良A/O四点分段进水反应器中，投加后的污泥浓度MLSS＝3000-4000mg/L；将海绵填料接种于第一段缺氧反应区和第二段缺氧反应区，进而改变传统缺氧反应区的功能，使其由单一的反硝化作用改变为短程反硝化结合厌氧氨氧化的反硝化氨氧化作 用；
(2)低碳源城市污水按照20％:30％:30％:20％的进水比例经进水泵依次进入预缺氧反应区、厌氧反应区、第一段缺氧反应区和第二段缺氧反应区，同时沉淀池底部的污泥通过污泥回流泵按照100％的回流比回流至预缺氧反应区，并通过排放剩余污泥控制污泥龄为20d；维持第一段好氧反应区、第二段好氧反应区和第三段好氧反应区的溶解氧浓度DO＝2～3mg/L；当沉淀池出水NH4 +浓度小于3mg/L时，将进水负荷由起初的低负荷Q＝80L/d以20L/d为梯度提升到正常负荷Q＝240L/d；当沉淀池出水NH4 +-N<5mg/L，PO4 3-<0.5mg/L，TN<15mg/L时，确认基于DEAMOX的改良A/O四点分段进水工艺已启动完成；
(3)测定各反应区出水水质，当第一段缺氧反应区和第二段缺氧反应区的出水NO2 --N浓度超过1mg/L，延长缺氧反应区的实际水力停留时间，至出水NO2 -浓度小于1mg/L；若第一段、第二段和第三段好氧反应区出水NH4 +浓度大于3mg/L，提高好氧反应区内部的溶解氧浓度，直至出水NH4 +浓度小于3mg/L。
本实施例步骤一中所述海绵填料的尺寸为2cm×2cm×2cm。
本实施例采用北京工业大学家属区生活污水作为原水，具体水质如下：COD浓度为202.42±42.78mg/L；NH4 +-N浓度为69.71±20.78mg/L，NO2 --N浓度为0.52±0.50mg/L，NO3 --N浓度为0.61±0.51mg/L。试验装置如图1所示，采用有机玻璃制成，有效容积为80L，利用带有连通管的隔板将试验装置分为七个反应器，可根据***缺好氧容积比进行调整，沉淀池采用竖流式沉淀池，由有机玻璃制成，上部沉淀池呈圆柱形，污泥斗为截头倒锥体，倾角为60°，采用中心进水、周边三角堰出水方式，有效容积为30L。
试验结果表明：运行稳定后，平均出水COD浓度为45.12mg/L，平均出水NH4 +-N浓度为0.13mg/L，平均出水NO2 --N浓度为0.08mg/L，平均出水 NO3 --N浓度为6.89mg/L，平均出水TN浓度为7.65mg/L，平均出水PO4 3--P浓度为0.10mg/L，出水氮磷浓度均达到一级A排放标准的要求。

Claims (1)

1.一种AO生物膜+污泥发酵耦合反硝化实现污水深度脱氮同步污泥减量的方法，所应用的装置包括原水水箱(1)、AO生物膜反应器(2)、原水进水泵(2.1)、搅拌装置Ⅰ(2.2)、悬浮填料Ⅰ(2.3)、悬浮填料Ⅱ(2.4)、硝化液回流泵(2.5)、曝气头(2.6)、空气压缩机(2.7)、气体流量计(2.8)、中间水箱(3)、储泥池(4)、污泥发酵耦合反硝化反应器(5)、硝化液进水泵(5.1)、进泥泵(5.2)、搅拌装置Ⅱ(5.3)、温控加热棒(5.4)、温度在线监测控制器(5.5)、排水阀(5.6)和排泥阀(5.7)；
原水水箱(1)通过原水进水泵(2.1)与AO生物膜反应器(2)相连，污水依次流经AO生物膜反应器(2)的缺氧区和好氧区，出水进入中间水箱(3)，一部分通过硝化液回流泵(2.5)回流至缺氧区前端，另一部分进入污泥发酵耦合反硝化反应器(5)，同时进入的还有储泥池(4)中储存的城市污水处理厂的剩余污泥；
其特征在于，包括以下步骤：
(1)启动AO生物膜反应器：AO生物膜反应器包括缺氧区和好氧区两个部分，体积比为1:2，其中缺氧区投加富集反硝化菌和厌氧氨氧化菌的悬浮填料Ⅰ，好氧区投加富集硝化菌的悬浮填料Ⅱ，填料均采用直径为25～50mm的聚丙烯空心环，密度为0.98％～1.00g/cm3，孔隙率为94％～96％，填充率均为30％～40％，注入污水，调整总水力停留时间为6h，开启搅拌***和曝气***，控制好氧区的溶解氧DO为2～4mg/L；污水和回流的硝化液在缺氧区进行反硝化脱氮，过程中产生的部分亚硝与原水中的氨氮一起被悬浮填料Ⅰ上固定的厌氧氨氧化菌利用，发生厌氧氨氧化反应进一步脱氮；混合液继续流入好氧区发生硝化反应，将氨氮转化为硝态氮，其出水一部分被回流至缺氧区前端，硝化液回流比为300％；
(2)启动污泥发酵耦合反硝化反应器：向反应器中投加污泥浓度为3000～4000mg/L的反硝化污泥和C/N比为2～3的乙酸钠、硝酸钠混合液，缺氧搅拌，用温控加热棒控制反应器温度为30℃，直至反应器中亚硝积累率达到80％以上；逐渐减少乙酸钠的投加量，并投加城市污水处理厂的剩余污泥，直至剩余污泥发酵产生的C源能够完全取代乙酸钠，再逐步用AO生物膜反应器的出水代替硝酸钠，使反应器的亚硝积累率仍保持在80％以上，实现了污泥发酵耦合反硝化；最后向反应器中投加厌氧氨氧化污泥，使得反应器内污泥浓度为5000～6000mg/L，实现污泥发酵耦合反硝化、厌氧氨氧化，解决污泥发酵产生氨氮造成二次污染的问题；
(3)串联运行AO生物膜反应器和污泥发酵耦合反硝化反应器：当AO生物膜反应器出水NH4 +降至时3.0mg/L以下，污泥发酵耦合反硝化反应器总氮去除率达90％以上时，串联运行两个反应器，AO生物膜反应器保持回流比300％，总水力停留时间6h，好氧区溶解氧DO为2～4mg/L，出水储存在中间水箱；污泥发酵耦合反硝化反应器利用自控装置设置周期如下：①进泥，启动进泥泵，将储泥池中储存的城市污水处理厂的剩余污泥打入污泥发酵耦合反硝化反应器，设定加泥体积为反应器有效容积的1/5～2/5，进泥时间为15min；②进水，启动硝化液进水泵，将中间水箱储存的AO生物膜反应器出水泵入反应器，设定进水体积为反应器有效容积的4/5～3/5，进水时间为15min；③缺氧搅拌，启动搅拌装置Ⅱ，转速控制在80～100rpm，缺氧搅拌5h，用温控加热棒控制反应器温度为30℃；④沉淀2h；⑤排水，排水体积为反应器有效体积的2/5～3/5，排水时间15min；⑥排泥，排泥比为1/2，排泥时长15min；整个周期为8h。
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