CN115043485B - 一种实现发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮的装置和方法 - Google Patents

一种实现发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮的装置和方法，属于污水生物处理技术领域。所述装置包括含慢速可生物降解有机物、氨氮和磷水箱，初次沉淀池，硝化反应器，发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器以及二沉池。所述方法为：厌氧段，发酵型短程反硝化除磷菌将慢速可生物降解有机物转化为快速可生物降解有机物，并实现胞内碳源的储存与磷的释放；缺氧段，发酵型短程反硝化除磷菌利用胞内碳源将硝氮选择性还原为亚硝，并过量吸磷，产出的亚硝进一步供给厌氧氨氧化菌脱氮。本发明在充分利用慢速可生物降解有机物的基础上，实现了反硝化除磷与厌氧氨氧化脱氮技术的高效耦合。

Description

一种实现发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮的装置 和方法
技术领域
本发明涉及的一种实现发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮的装置和方法，属于污水生物处理技术领域，是一种解决在充分利用慢速可生物降解有机物的基础上实现反硝化除磷与厌氧氨氧化脱氮耦合的技术难题的方法。
背景技术
城市污水中氮磷污染物的低碳低能耗处理，是遏制水体富营养化、助力低碳环保的重要举措。
厌氧氨氧化是迄今为止最为经济高效的脱氮技术，与传统硝化反硝化技术相比，其可以节省100%的曝气能耗和100%的碳源需求，是污水生物脱氮领域研究的热点前沿。
反硝化除磷是一种经济高效的除磷技术，与传统的好氧除磷技术相比，其可以“一碳两用”在实现除磷的同时实现氮的去除，进而节省50%的碳源消耗和30%曝气能耗，是生物除磷领域的研究热点。
亚硝是厌氧氨氧化菌的必要基质之一，在污水中经常短缺，常需前端途径供给。如果可以调控反硝化除磷过程中稳定产出亚硝，就能将厌氧氨氧化技术与反硝化除磷技术联合，实现经济高效的同步脱氮除磷。这是一种有潜力的实现减污降碳、助力生态文明建设的技术路径。
碳源类型对于反硝化除磷过程中亚硝的积累和磷的去除均有着重要的影响。快速可生物降解有机物有利于反硝化过程中亚硝的稳定积累，也有利于反硝化除磷过程中胞内碳源的高效储存。在实际污水中快速可生物降解有机物常常短缺，常需外加碳源，造成极高的碳源投加费用；而污水中丰富的慢速可生物降解有机物目前还尚无法直接驱动亚硝的积累和磷的去除。
利用原位发酵技术，将慢速可生物降解有机物转化为快速可生物降解有机物并储存为胞内碳源，进而驱动短程反硝化除磷；随后通过碳氮比控制，富集出发酵型短程反硝化除磷菌，有望在充分利用慢速可生物降解有机物的基础上，实现反硝化除磷与厌氧氨氧化技术的高效耦合。目前这种方法还尚未有报道。
发明内容
本发明的目的就是提供一种实现发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮的装置和方法，在充分利用慢速可生物降解有机物的基础上，实现反硝化除磷与厌氧氨氧化脱氮技术的高效耦合。
本发明的技术原理如下：厌氧段，发酵型短程反硝化除磷菌将慢速可生物降解有机物转化为快速可生物降解有机物，并进一步实现胞内碳源的储存与磷的释放；缺氧段，发酵型短程反硝化除磷菌利用胞内碳源将硝氮选择性还原为亚硝，并过量吸磷，产出的亚硝进一步供给厌氧氨氧化菌脱氮。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与厌氧氨氧化菌的联合，实现了经济高效的氮磷同步去除。有望在脱氮方面减少45%曝气能耗和79%的碳源消耗，在除磷方面节省30%的曝气能耗和70%碳源消耗。
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耦合厌氧氨氧化脱氮的装置，包括含慢速可生物降解有机物、氨氮和磷水箱，初次沉淀池，硝化反应器，发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器以及二沉池；其中所述含慢速可生物降解有机物、氨氮和磷水箱通过第一进水泵与初次沉淀池相连接；初次沉淀池通过第二进水泵与硝化反应器相连接；初次沉淀池通过第三进水泵与发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器厌氧区相连接；硝化反应器通过第四进水泵与发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器缺氧区相连接；发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器通过第一出水管与二沉池相连接；二沉池通过污泥回流泵与发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器厌氧区相连接；
其中所述发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器配置有第四进水泵，第三进水泵，厌氧区，厌氧搅拌器，缺氧区，缺氧搅拌器，第一出水管，污泥回流泵，缺氧填料。
本发明还提供了一种实现发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮的方法，其具体步骤如下：
1）将好氧硝化填料投加至硝化反应器内；将污水厂污泥投加至发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器内；将缺氧填料投加至发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器缺氧区内；
2）启动第一进水泵将含慢速可生物降解有机物、氨氮和磷废水泵入初次沉淀池内实现慢速可生物降解有机物的沉淀，及其与含氨氮和磷废水的分离；
3）含氨氮、磷废水通过第二进水泵进入硝化反应器进行全程硝化产出硝氮，硝氮与氨氮的质量比控制在1:4以上；
4）沉淀的慢速可生物降解有机物通过第三进水泵进入发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器厌氧区内进行发酵，首先转变为快速可生物降解有机物，并进一步储存至胞内，同时伴随着磷的释放；
5）含硝氮、氨氮及磷废水通过第四进水泵进入发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器缺氧区内，发酵型短程反硝化除磷菌利用胞内碳源将硝氮选择还原为亚硝，并伴随着磷的过量吸收，附着在缺氧填料上的厌氧氨氧化菌将产出的亚硝和废水中的氨氮转化为氮气脱除；
6）含发酵型短程反硝化除磷菌的泥水混合物通过第一出水管进入二沉池实现泥水分离，出水经第二出水管流出，含发酵型短程反硝化除磷菌的污泥通过污泥回流泵回流至发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器厌氧区内；
7）待发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器中有机物、磷、硝氮去除性能稳定后，梯度增加硝氮与氨氮的质量比，最终实现发酵型短程反硝化除磷的富集及其与厌氧氨氧化菌的稳定协作。
本发明的一种实现发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮的装置和方法，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，实现了反硝化除磷与厌氧氨氧化脱氮技术的高效耦合，有效地降低了短程反硝化技术因外碳源投加而带来的成本负担。
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，同时实现了与厌氧氨氧化菌的高效耦合，在脱氮方面进一步减少了45%曝气能耗和79%的碳源消耗。
3）与短程反硝化厌氧氨氧化技术相比，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，在除磷方面进一步节省了30%的曝气能耗和70%的碳源消耗。
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。
5）本发明控制简单，运行管理方便，有利于新建水厂实现低碳低能耗的氮磷同步削减，也适用于原有污水处理厂实现减污降碳的升级改造。
附图说明
图1为本发明一种实现发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮的装置和方法所应用的装置结构示意图。图中1为含慢速可生物降解有机物、氨氮和磷水箱，2为初次沉淀池，3为硝化反应器，4为发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器以及5为二沉池；2.1为第一进水泵；3.1为第二进水泵，3.2为好氧硝化填料；4.1为第四进水泵，4.2为第三进水泵，4.3为厌氧区，4.4为厌氧搅拌器，4.5为缺氧区，4.6为缺氧搅拌器，4.7为第一出水管，4.8为污泥回流泵，4.9为缺氧填料；5.1为第二出水管。
具体实施方式
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耦合厌氧氨氧化脱氮的装置和方法，该装置包括：含慢速可生物降解有机物、氨氮和磷水箱1，初次沉淀池2，硝化反应器3，发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4以及二沉池5；其中所述含慢速可生物降解有机物、氨氮和磷水箱1通过第一进水泵2.1与初次沉淀池2相连接；初次沉淀池2通过第二进水泵3.1与硝化反应器3相连接；初次沉淀池2通过第三进水泵4.2与发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4厌氧区4.3相连接；硝化反应器3通过第四进水泵4.1与发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4缺氧区4.5相连接；发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4通过第一出水管4.7与二沉池5相连接；二沉池5通过污泥回流泵4.8与发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4厌氧区4.3相连接；
其中所述发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4配置有第四进水泵4.1，第三进水泵4.2，厌氧区4.3，厌氧搅拌器4.4，缺氧区4.5，缺氧搅拌器4.6，第一出水管4.7，污泥回流泵4.8，缺氧填料4.9。
试验过程中，采用颗粒淀粉、氯化铵、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、氨氮和磷废水，慢速可生物降解有机物浓度为500 mg COD/L，氨氮浓度为60 mg/L，磷浓度为6 mg/L。营养液组分如表1。
表1营养液配置组分
物质 浓度(g/L) 物质 浓度(g/L)
微量元素I EDTA 5.00 FeSO4 5.00
微量元素Ⅱ EDTA 15.0 NaSeO4·10H2O 0.21
H3BO3 0.014 ZnSO4·7H2O 0.43
CuSO4·5H2O 0.25 CoCl2·6H2O 0.24
NaMoO4·2H2O 0.22 NiCl2·6H2O 0.19
MnCl2·4H2O 0.99
试验***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耦合厌氧氨氧 化脱氮反应器4有效容积为40L，二沉池5有效容积为20L。
具体运行操作如下：
1）将好氧硝化填料3.2投加至硝化反应器3内，填料填充率为15%；将污水厂污泥投加至发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4内，污泥浓度为4000 mg/L;将缺氧填料4.9投加至发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4缺氧区4.5内，填料填充率为25%；
2）启动第一进水泵2.1将含慢速可生物降解有机物、氨氮和磷废水泵入初次沉淀池2内实现慢速可生物降解有机物的沉淀，及其与含氨氮和磷废水的分离；
3）含氨氮、磷废水通过第二进水泵3.1进入硝化反应器3进行全程硝化产出硝氮，硝氮与氨氮的质量比控制在1:4；
4）沉淀的慢速可生物降解有机物通过第三进水泵4.2进入发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4厌氧区4.3内进行发酵，首先转变为快速可生物降解有机物，并进一步储存至胞内，同时伴随着磷的释放，其中厌氧区4.3水力停留时间控制为8小时；
5）含硝氮、氨氮及磷废水通过第四进水泵4.1进入发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4缺氧区4.5内，发酵型短程反硝化除磷菌利用胞内碳源将硝氮选择还原为亚硝，并伴随着磷的过量吸收，附着在缺氧填料上的厌氧氨氧化菌将产出的亚硝和废水中的氨氮转化为氮气脱除，其中缺氧区4.5水力停留时间控制为4小时；
6）含发酵型短程反硝化除磷菌的泥水混合物通过第一出水管4.7进入二沉池5实现泥水分离，出水经第二出水管5.1流出，含发酵型短程反硝化除磷菌的污泥通过污泥回流泵4.8回流至发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4厌氧区4.3内；
7）连续运行55天后，发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器4中有机物、磷、硝氮去除性能分别稳定在70%、65%、100%，第56天梯度增加硝氮与氨氮的质量比，由1:4以上逐步增加为1:1，最终实现了发酵型短程反硝化除磷的富集及其与厌氧氨氧化菌的稳定协作。
试验结果表明：在慢速可生物降解有机物浓度为500 mg COD/L，氨氮浓度为60mg/L，磷浓度为6 mg/L，发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器中的厌氧区与缺氧区水力停留时间分别为8小时和4小时的条件下，出水COD小于100 mg/L，磷去除率大于85%，氨氮去除率大于90%，成功实现了发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮。

Claims (1)

1.一种实现发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮的方法，方法所用的装置包括：含慢速可生物降解有机物、氨氮和磷水箱（1），初次沉淀池（2），硝化反应器（3），发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）以及二沉池（5）；其中所述含慢速可生物降解有机物、氨氮和磷水箱（1）通过第一进水泵（2.1）与初次沉淀池（2）相连接；初次沉淀池（2）通过第二进水泵（3.1）与硝化反应器（3）相连接；初次沉淀池（2）通过第三进水泵（4.2）与发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）厌氧区（4.3）相连接；硝化反应器（3）通过第四进水泵（4.1）与发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）缺氧区（4.5）相连接；发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）通过第一出水管（4.7）与二沉池（5）相连接；二沉池（5）通过污泥回流泵（4.8）与发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）厌氧区（4.3）相连接；
其中所述发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）配置有第四进水泵（4.1），第三进水泵（4.2），厌氧区（4.3），厌氧搅拌器（4.4），缺氧区（4.5），缺氧搅拌器（4.6），第一出水管（4.7），污泥回流泵（4.8），缺氧填料（4.9），其特征在于，方法包括以下内容：
1）将好氧硝化填料（3.2）投加至硝化反应器（3）内；将污水厂污泥投加至发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）内；将缺氧填料（4.9）投加至发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）缺氧区（4.5）内；
2）启动第一进水泵（2.1）将含慢速可生物降解有机物、氨氮和磷废水泵入初次沉淀池（2）内实现慢速可生物降解有机物的沉淀，及其与含氨氮和磷废水的分离；
3）含氨氮、磷废水通过第二进水泵（3.1）进入硝化反应器（3）进行全程硝化产出硝氮，硝氮与氨氮的质量比控制在1:4以上；
4）沉淀的慢速可生物降解有机物通过第三进水泵（4.2）进入发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）厌氧区（4.3）内进行发酵，首先转变为快速可生物降解有机物，并进一步储存至胞内，同时伴随着磷的释放；
5）含硝氮、氨氮及磷废水通过第四进水泵（4.1）进入发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）缺氧区（4.5）内，发酵型短程反硝化除磷菌利用胞内碳源将硝氮选择还原为亚硝，并伴随着磷的过量吸收，附着在缺氧填料上的厌氧氨氧化菌将产出的亚硝和废水中的氨氮转化为氮气脱除；
6）含发酵型短程反硝化除磷菌的泥水混合物通过第一出水管（4.7）进入二沉池（5）实现泥水分离，出水经第二出水管（5.1）流出，含发酵型短程反硝化除磷菌的污泥通过污泥回流泵（4.8）回流至发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）厌氧区（4.3）内；
7）待发酵型短程反硝化除磷耦合厌氧氨氧化脱氮反应器（4）中有机物、磷、硝氮去除性能稳定后，梯度增加硝氮与氨氮的质量比，最终实现发酵型短程反硝化除磷的富集及其与厌氧氨氧化菌的稳定协作。
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