CN113526668A - 一种同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水生物处理技术领域，涉及一种同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置和方法，将污泥发酵与短程反硝化和厌氧氨氧化结合，短程反硝化利用污泥发酵产生的短链脂肪酸将硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮，同时与发酵产生的氨氮作为厌氧氨氧化的反应底物进行深度脱氮，在无外加碳源条件下，对城市污水高效、节能、稳定脱氮，同时实现污泥中的有机物再利用与污泥的减量。

Description

一种同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置和方法

技术领域：

本发明属于污水生物处理技术领域，涉及一种同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置和方法，采用污泥发酵同步短程反硝化与厌氧氨氧化处理城市污水并实现剩余污泥减量。

背景技术：

随着城镇化进程的加快与城市人口的不断增加，使得城市的污水排放量逐年增长。据统计，截至2020年1月底，我国污水处理厂的数量已经达到10000余座，2019年污水处理能力较2018年增长18000万吨/日。在污水处理工艺运行过程中，工艺产生的污泥一部分回流作为生物反应的反应物，而剩余的污泥要排出到***之外。这些剩余污泥的量是惊人的，其含水率较高、体积庞大、易腐烂、气味恶臭且含有大量的重金属、病菌等有毒有害物质。那么如何处理这些污泥成为我国亟待解决的重大问题。因此如果不经过科学***的处理会对周围水体或土壤造成严重污染，甚至会对人体健康造成损害。我国对污泥的处理方式分为填埋、堆肥、自然干化、焚烧等方式，这四种处理方法的占比分别为65％、15％、6％、3％。由此可以看出，填埋的方式仍占主导地位，这种方式直接造成了“二次污染”，对生态环境产生严重威胁。

此外N、P的排放引起的水体富营养化也是造成水体恶化的一大原因，我国颁布了严格的污水排放标准，一级标准要求TP<0.1mg/L，总氮<15mg/L，氨氮<5mg/L。因此要求新建的污水处理厂必须配备脱氮除磷装置。

在传统脱氮工艺中，COD与氮的比例是去除效率的关键，硝化反硝化工艺需要充足的碳源，脱氮效率才会高。而城市污水中的碳源是远远不够的，必须要投加外碳源才能深度脱氮，这就大大增加了处理成本；而剩余污泥是二次澄清后生物转化过程的副产物，这是一种廉价碳源，一方面减少了投资费用，另一方面也减少了污泥的产量。厌氧污泥发酵通过自养或异养微生物的腐烂和细胞裂解，释放无机或有机碳源，蛋白质和一些碳水化合物被水解并发酵为有机酸，为反硝化过程提供电子和能量，而且WAS在衰变过程中会解决污泥处置的问题。但是仅仅通过污泥发酵去除不了产生的氨氮。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，设计提供一种同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置和方法，将污泥发酵与短程反硝化和厌氧氨氧化结合，短程反硝化利用污泥发酵产生的短链脂肪酸将硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮，同时与发酵产生的氨氮作为厌氧氨氧化的反应底物进行深度脱氮，在无外加碳源条件下，对城市污水高效、节能、稳定脱氮，同时实现污泥中的有机物再利用与污泥的减量。

为了实现上述目的，本发明所述同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置包括城市污水原水水箱、全程硝化SBR反应器、第一中间水箱、污泥槽、污泥发酵与短程反硝化一体SFPD反应器、污泥储存箱、第二中间水箱、厌氧氨氧化UASB反应器和出水水箱；城市污水原水水箱通过第一进水泵与全程硝化SBR反应器相连接；空气泵与全程硝化SBR反应器相连接；全程硝化SBR反应器通过第一电动排水阀与第一中间水箱相连接；第一中间水箱通过第二进水泵与污泥发酵与短程反硝化SFPD反应器相连接；污泥储存箱由蠕动泵与污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器相连接；排泥箱通过排泥阀与污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器相连接；污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器通过第二电动排水阀与第二中间水箱相连接，第二中间水箱由第三进水泵与厌氧氨氧化UASB反应器底部相连接；厌氧氨氧化UASB反应器通过第三电动排水阀与出水水箱相连接。

本发明所述全程硝化SBR反应器内置第一搅拌桨，第一搅拌桨伸出全程硝化SBR反应器的一端连接有搅拌器，空气泵与全程硝化SBR反应器连接的管路上设有气体流量计，pH传感器和DO传感器设置在全程硝化SBR反应器内并分别与pH/DO测定仪相连，第一电动排水阀上方的全程硝化SBR反应器侧壁上开有第一取样口。

本发明所述污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器内置第二搅拌桨，第二搅拌桨伸出污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器的一端与搅拌器连接，加热棒、pH传感器、温度传感器和ORP传感器设置在污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器内，pH传感器和温度传感器分别与pH/温度测定仪连接，ORP传感器与ORP测定仪连接。

本发明所述厌氧氨氧化UASB反应器内置电阻丝和温控设备，厌氧氨氧化UASB反应器的顶端与气体收集瓶连通，厌氧氨氧化UASB反应器的出水端侧壁上开有四个第二取样口，第三进水泵通过蠕动泵与厌氧氨氧化UASB反应器顶部连接。

本发明所述城市污水在此装置中的处理流程为：城市污水通过第一进水泵由城市污水原水水箱抽入全程硝化SBR反应器，在缺氧搅拌阶段，反硝化菌利用进水中的有机物将上一好氧阶段产生的硝酸盐氮还原为氮气；在好氧搅拌阶段，进水中的氨氮通过硝化反应转化为硝酸盐氮，出水进入污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器；剩余污泥通过蠕动泵进入污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器，在污泥发酵过程，通过水解酸化反应产生一系列短链脂肪酸，同时反硝化菌利用短链脂肪酸作为碳源进行短程反硝化反应，将硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮，出水经第二中间水箱由第三进水泵泵入厌氧氨氧化UASB反应器；在厌氧氨氧化UASB反应器中，氨氮与亚硝酸盐氮通过厌氧氨氧化反应产生氮气与少量硝酸盐氮，以实现城市污水的自养脱氮。

本发明同时实现城市污水与剩余污泥减量的具体过程为：

1)***启动：

将具有良好硝化性能的硝化污泥投加至全程硝化SBR反应器内，使接种后的全程硝化SBR反应器内悬浮活性污泥浓度达到4500～5500mg/L；将具有短程反硝化特性的污泥接种至污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器中，使反应器内活性污泥浓度达到8000～12000mg/L；将具有厌氧氨氧化活性的絮体污泥投加到厌氧氨氧化UASB反应器，使接种后反应器内活性污泥浓度达到3000～5000mg/L；

2)运行时调节如下：

将城市污水加入城市污水原水水箱，启动第一进水泵将城市污水抽入全程硝化SBR反应器内，先缺氧搅拌80～120min，后好氧搅拌120～150min，当氨氮去除率达到最大时停止曝气，沉淀排水，排水比为0.4～0.6，出水排入第一中间水箱；此处的好氧曝气搅拌是指DO浓度为0.5～1.0mg/L；

通过第二进水泵将第一中间水箱中含有硝酸盐氮的出水泵入污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器，启动蠕动泵将污泥槽中的剩余污泥泵入污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器，缺氧搅拌12～48h，同时反应器内利用加热棒将温度控制在30～40℃，pH通过NaOH溶液维持在9～11，当反应中硝酸盐氮浓度低于1.0mg/L且氨氮浓度达到最大时停止搅拌，沉淀排水，出水排入第二中间水箱；此外，当反应器内污泥浓度低于8000mg/L时，关闭排泥阀不进行排泥，以保证反应器内活性污泥量；

通过第三进水泵将第二中间水箱中含有氨氮和亚硝酸盐氮的出水泵入厌氧氨氧化UASB反应器，通过电阻丝对反应器进行加热，将温度控制在30～35℃，通过调控第三进水泵转速使反应器水利停留时间为4～8h，出水排入出水水箱。

本发明与现有技术相比，结合污泥发酵、短程反硝化与厌氧氨氧化的优点，在实现城市污水自养脱氮的同时，去除了剩余污泥发酵过程产生的有机物，且无需投加外源有机碳源，利用发酵产物作为碳源并实现了剩余污泥的减量化，具体具有以下优点：

1)将污泥发酵产酸技术与短程反硝化厌氧氨氧化技术联合应用于城市污水的脱氮过程中，直接利用发酵产生的脂肪酸作为碳源，无需外加有机碳源，且解决了城市污水脱氮过程中C/N比较低，碳源不足的问题；同时反硝化菌利用了发酵产生的脂肪酸作为碳源增加了***传质的推动力；

2)污泥发酵同步反硝化SFPD反应器的进水含有大量的硝酸盐氮，由于这类电子受体的存在，破坏了***内严格的厌氧状态，导致氧化还原电位ORP的升高，抑制了严格厌氧的产甲烷菌的生长，避免了产甲烷反应，进而减少产甲烷菌对短链脂肪酸的消耗，因此作为反硝化的碳源得以充分利用；

3)反硝化反应消耗大量的发酵产生的有机酸，为***补充碱度，同时为水解发酵菌创造了更好的生长环境；

4)反硝化菌利用发酵产生的脂肪酸作为碳源，一方面可以强化脱氮效果，另一方面由于固相中的有机物转移至液相，从而实现污泥减量，达到少排泥、不排泥甚至消耗泥的效果，即同时解决现阶段污水厂脱氮碳源不足和剩余污泥产量大这两大难题。

附图说明：

图1为本发明所述同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置结构示意图，其中1为城市污水原水箱；2为全程硝化SBR反应器；3为第一中间水箱；4为污泥槽；5为污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器；6为污泥储存箱；7为第二中间水箱；8为厌氧氨氧化UASB反应器；9为出水水箱；2.1为第一进水泵；2.2为第一电动排水阀；2.3为第一取样口；2.4为搅拌器；2.5为第一搅拌桨；2.6为空气泵；2.7为气体流量计；2.8为pH传感器；2.9为DO传感器；2.10为pH/DO测定仪；5.1为蠕动泵；5.2为搅拌器；5.3为第二搅拌桨；5.4为第二进水泵；5.5为加热棒；5.6为pH传感器；5.7为温度传感器；5.8为pH/温度测定仪；5.9为排泥阀；5.10为取样口；5.11为ORP传感器；5.12为ORP测定仪、5.13为第二电动排水阀、8.1为第三进水泵；8.2为蠕动泵；8.3为电阻丝；8.4为温控设备；8.5为第二取样口；8.6为第三电动排水阀；8.7为气体收集瓶；9为出水水箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例：

本实施例所述同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置结构如图1所示，污泥发酵同步短程反硝化与厌氧氨氧化处理城市污水并实现剩余污泥减量的工艺，包括城市污水原水水箱1、全程硝化SBR反应器2、第一中间水箱3、污泥槽4、污泥发酵与短程反硝化一体SFPD反应器5、污泥储存箱6、第二中间水箱7、厌氧氨氧化UASB反应器8和出水水箱9；城市污水原水水箱1通过第一进水泵2.1与全程硝化SBR反应器2相连接；空气泵2.6与全程硝化SBR反应器2相连接；全程硝化SBR反应器2通过第一电动排水阀2.2与第一中间水箱3相连接；第一中间水箱3通过第二进水泵5.4与污泥发酵与短程反硝化SFPD反应器5相连接；污泥储存箱6由蠕动泵5.1与污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器5相连接；排泥箱6通过排泥阀5.9与污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器5相连接；污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器5通过第二电动排水阀5.13与第二中间水箱7相连接，第二中间水箱7由第三进水泵8.1与厌氧氨氧化UASB反应器8底部相连接；厌氧氨氧化UASB反应器8通过第三电动排水阀8.6与出水水箱9相连接。

本实施例所述全程硝化SBR反应器2内置第一搅拌桨2.5，第一搅拌桨2.5伸出全程硝化SBR反应器2的一端连接有搅拌器2.4，空气泵2.6与全程硝化SBR反应器2连接的管路上设有气体流量计2.7，pH传感器2.8和DO传感器2.9设置在全程硝化SBR反应器内并分别与pH/DO测定仪2.10相连，第一电动排水阀2.2上方的全程硝化SBR反应器2侧壁上开有第一取样口2.3。

本实施例所述污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器5内置第二搅拌桨5.3，第二搅拌桨5.3伸出污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器5的一端与搅拌器5.2连接，加热棒5.5、pH传感器5.6、温度传感器5.7和ORP传感器5.11设置在污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器5内，pH传感器5.6和温度传感器5.7分别与pH/温度测定仪5.8连接，ORP传感器5.11与ORP测定仪5.12连接。

本实施例所述厌氧氨氧化UASB反应器8内置电阻丝8.3和温控设备8.4，厌氧氨氧化UASB反应器8的顶端与气体收集瓶8.7连通，厌氧氨氧化UASB反应器8的出水端侧壁上开有四个第二取样口8.5，第三进水泵8.1通过蠕动泵8.2与厌氧氨氧化UASB反应器8顶部连接。

本实施例采用所述装置进行试验，试验过程中，试验用水取自某大学家属区生活污水，具体水质如下：COD浓度为160～250mg/L，NH₄ ⁺-N浓度为40～60mg/L，NO₂ ^--N浓度<0.5mg/L，NO₃ ^--N浓度<1mg/L，各反应器为有机玻璃材质，其中全程硝化SBR反应器2的有效容积为5L，污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器5的有效容积为5L，厌氧氨氧化UASB反应器7的有效容积为3.5L，具体过程为：

1)***启动：

将具有良好硝化性能的硝化污泥投加至全程硝化SBR反应器2内，使接种后的全程硝化SBR反应器2内悬浮活性污泥浓度达到5000mg/L；将具有短程反硝化特性的污泥接种至污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器中，同时投加污水厂二沉池的剩余污泥，使反应器内活性污泥浓度达到11000mg/L；将具有厌氧氨氧化活性的絮体污泥投加到厌氧氨氧化UASB，使接种后反应器内活性污泥浓度达到4500mg/L；

2)运行时调节如下：

将城市污水加入城市污水原水水箱1，启动第一进水泵2.1，将2L城市污水抽入全程硝化SBR反应器2内，先缺氧搅拌100min，后好氧搅拌140min，当氨氮去除率达到最大时停止曝气，沉淀排水，排水比为0.4，出水排入第一中间水箱3；此处的好氧曝气搅拌是指DO浓度为0.8mg/L；

通过第二进水泵5.4将第一中间水箱3中含有硝酸盐氮的2L出水泵入污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器5，启动蠕动泵5.1将污泥槽4中的250mL剩余污泥泵入污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器5，缺氧搅拌24h，当反应中硝酸盐氮浓度低于1.0mg/L且氨氮浓度达到最大时停止搅拌，沉淀排水，出水排入第二中间水箱7；此外，反应器内利用加热棒5.5将温度控制在35℃，pH通过NaOH溶液维持约9，通过调整排泥阀5.9启动时间维持SRT约20d；

通过第三进水泵8.1将第二中间水箱7中含有氨氮和亚硝酸盐氮的出水泵入厌氧氨氧化UASB反应器8，通过电阻丝对反应器进行加热，将温度控制在34℃，通过调控第三进水泵8.1转速使反应器水力停留时间为5h，出水排入出水水箱9。

本实施例的试验结果表明，运行稳定后，污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器5硝酸盐氮到亚硝酸盐转化率>80％，污泥减量40％～60％；厌氧氨氧化UASB反应器8的出水TN浓度<15mg/L，其中NH₄ ⁺-N浓度<5mg/L，NO₂ ^--N<1mg/L，NO₃ ^--N<5mg/L，出水可达一级A排放标准。

Claims (5)

1.一种同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置，其特征在于，包括城市污水原水水箱、全程硝化SBR反应器、第一中间水箱、污泥槽、污泥发酵与短程反硝化一体SFPD反应器、污泥储存箱、第二中间水箱、厌氧氨氧化UASB反应器和出水水箱；城市污水原水水箱通过第一进水泵与全程硝化SBR反应器相连接；空气泵与全程硝化SBR反应器相连接；全程硝化SBR反应器通过第一电动排水阀与第一中间水箱相连接；第一中间水箱通过第二进水泵与污泥发酵与短程反硝化SFPD反应器相连接；污泥储存箱由蠕动泵与污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器相连接；排泥箱通过排泥阀与污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器相连接；污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器通过第二电动排水阀与第二中间水箱相连接，第二中间水箱由第三进水泵与厌氧氨氧化UASB反应器底部相连接；厌氧氨氧化UASB反应器通过第三电动排水阀与出水水箱相连接。

2.根据权利要求1所述同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置，其特征在于，所述全程硝化SBR反应器内置第一搅拌桨，第一搅拌桨伸出全程硝化SBR反应器的一端连接有搅拌器，空气泵与全程硝化SBR反应器连接的管路上设有气体流量计，pH传感器和DO传感器设置在全程硝化SBR反应器内并分别与pH/DO测定仪相连，第一电动排水阀上方的全程硝化SBR反应器侧壁上开有第一取样口。

3.根据权利要求2所述同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置，其特征在于，所述污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器内置第二搅拌桨，第二搅拌桨伸出污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器的一端与搅拌器连接，加热棒、pH传感器、温度传感器和ORP传感器设置在污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器内，pH传感器和温度传感器分别与pH/温度测定仪连接，ORP传感器与ORP测定仪连接。

4.根据权利要求3所述同时实现城市污水处理与剩余污泥减量的装置，其特征在于，所述厌氧氨氧化UASB反应器内置电阻丝和温控设备，厌氧氨氧化UASB反应器的顶端与气体收集瓶连通，厌氧氨氧化UASB反应器的出水端侧壁上开有四个第二取样口，第三进水泵通过蠕动泵与厌氧氨氧化UASB反应器顶部连接。

5.一种采用如权利要求4所述装置同时实现城市污水与剩余污泥减量的方法，其特征在于具体过程为：

1)***启动：

将具有良好硝化性能的硝化污泥投加至全程硝化SBR反应器内，使接种后的全程硝化SBR反应器内悬浮活性污泥浓度达到4500～5500mg/L；将具有短程反硝化特性的污泥接种至污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器中，使反应器内活性污泥浓度达到8000～12000mg/L；将具有厌氧氨氧化活性的絮体污泥投加到厌氧氨氧化UASB反应器，使接种后反应器内活性污泥浓度达到3000～5000mg/L；

2)运行时调节如下：

将城市污水加入城市污水原水水箱，启动第一进水泵将城市污水抽入全程硝化SBR反应器内，先缺氧搅拌80～120min，后好氧搅拌120～150min，当氨氮去除率达到最大时停止曝气，沉淀排水，排水比为0.4～0.6，出水排入第一中间水箱；此处的好氧曝气搅拌是指DO浓度为0.5～1.0mg/L；

通过第二进水泵将第一中间水箱中含有硝酸盐氮的出水泵入污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器，启动蠕动泵将污泥槽中的剩余污泥泵入污泥发酵同步短程反硝化SFPD反应器，缺氧搅拌12～48h，同时反应器内利用加热棒将温度控制在30～40℃，pH通过NaOH溶液维持在9～11，当反应中硝酸盐氮浓度低于1.0mg/L且氨氮浓度达到最大时停止搅拌，沉淀排水，出水排入第二中间水箱；此外，当反应器内污泥浓度低于8000mg/L时，关闭排泥阀不进行排泥，以保证反应器内活性污泥量；

通过第三进水泵将第二中间水箱中含有氨氮和亚硝酸盐氮的出水泵入厌氧氨氧化UASB反应器，通过电阻丝对反应器进行加热，将温度控制在30～35℃，通过调控第三进水泵转速使反应器水利停留时间为4～8h，出水排入出水水箱。

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