CN115745161B - 将基于悬浮污泥的城市污水脱氮传统工艺改造为纯生物膜pda脱氮工艺的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
将基于悬浮污泥的城市污水脱氮传统工艺改造为纯生物膜PDA脱氮工艺的装置与方法属于活性污泥法污水处理技术领域。传统城市污水处理工艺伴随着大量的剩余污泥排放，较低的剩余污泥有效处理率和处理过程中严重的二次污染问题亟待解决。厌氧氨氧化菌有显著的附着生长的生态位偏好，通过向AAO‑BCO工艺的厌、缺氧区投加生物膜载体并接种种泥来在生物膜中富集厌氧氨氧化菌；通过梯度降低悬浮污泥浓度来减少厌、缺氧区中的反硝化菌生物量，削弱反硝化对亚硝态氮的竞争，由此，厌氧氨氧化菌对亚硝态氮的竞争力相对得到提升，能够随悬浮污泥浓度的降低而在生物膜中被强化和富集。本发明为城市污水厂的经济、高效、可持续的升级改造提供了方案。
Description
技术领域：
本发明涉及一种将基于悬浮污泥的城市污水脱氮传统工艺改造为纯生物膜PDA脱氮工艺的装置与方法，属于污水生物处理领域。适用于城市污水处理厂的升级改造过程。
背景技术：
伴随着我国城市化进程的加快，城市污水处理量逐年递增。基于活性污泥法城市污水生物处理是目前脱氮和除碳最经济、有效的途径，是解决水体富营养化、保护水环境的基本方法。我国的绝大多数城市污水处理厂采用的是基于悬浮污泥的传统生物处理工艺，例如A/O、AAO、CAST、氧化沟等，这类传统工艺的运行往往伴随着大量的剩余污泥排放，而剩余污泥的处理成本极高、有效处理率相对较低，在消耗大量能源、伴随着大量额外的二氧化碳排放的同时也引起了严重的二次污染，这与我国低碳减排、修复温室效应的“双碳”愿景背道而驰。当前污泥处置现状强调：城市污水处理厂从悬浮污泥的运行模式向生物膜的运行模式的升级改造是势在必行的。若城市污水处理厂能够摆脱对悬浮污泥的依赖，转而利用生物膜中的生物量完成脱氮过程，剩余污泥的产量能够减少95％以上，污泥处置引发的相应的能源消耗和环境污染等问题将被彻底解决。
厌氧氨氧化(Anammox)作为一种前沿的生物技术，为城市污水的可持续脱氮开辟了新的途径。与依赖于硝化-反硝化的传统工艺不同，厌氧氨氧化菌作为一种的独特的自养微生物能够利用亚硝态氮作为电子受体将氨氮直接氧化为氮气，从而显著降低运营成本和碳足迹。目前，基于厌氧氨氧化技术的高氨氮污水处理***世界范围内已经越来越多地推广。然而，鉴于厌氧氨氧化菌的敏感性以及在低氨氮污水中复杂的微生物竞争(例如，亚硝态氮氧化细菌与厌氧氨氧化菌竞争底物亚硝态氮)，城市污水中的厌氧氨氧化技术仍然存在瓶颈，其中的关键问题是如何保证厌氧氨氧化在城市污水主流中能够持续地获得底物亚硝态氮。
短程反硝化是近几年被提出的一种在厌氧区和缺氧区为厌氧氨氧化提供底物亚硝态氮的途径，以此来“绕过”好氧区中的亚硝态氮氧化细菌与厌氧氨氧化菌对底物亚硝态氮的竞争。具体来说，亚硝态氮可以通过反硝化菌还原硝态氮来得到，而通过一定的控制方法(例如补充易于生物降解的有机碳、控制化学需氧量(COD)与硝态氮较低的浓度比)，反硝化菌对亚硝态氮的还原过程可以被抑制，以此来形成亚硝态氮的积累，为厌氧氨氧化提供反应底物。这种反硝化菌和厌氧氨氧化菌协同完成脱氮的过程被称为短程反硝化耦合厌氧氨氧化(PDA)。然而，PDA在城市污水处理厂(WWTP)中的工业规模实施并不是一个简单的问题，技术瓶颈主要存在于两点：1)城市污水处理厂主流中的厌氧氨氧化菌生物量往往较低；2)绝大多数城市污水处理厂的厌氧区和缺氧区并不具备上述有利于形成亚硝态氮积累的运行条件。
为了解决厌氧氨氧化菌生物量低的问题，载体生物膜被提出和印证来为缓慢生长的厌氧氨氧化菌提供生物量持留和富集的附着条件，因此，厌氧区和缺氧区中悬浮污泥结合生物膜的混合生物量运行模式被广泛推荐。值得注意的是，反硝化细菌和厌氧氨氧化菌的生态位差异常常在这类混合生物量的运行模式中被发现：考虑到厌氧氨氧化菌的附着生长的生态位偏好，绝大多数厌氧氨氧化生物量持留在生物膜中；而对反硝化细菌来说，生物膜中传质阻力会影响其底物摄取，因此反硝化细菌更多地在悬浮污泥中富集。有研究表明，悬浮污泥中的反硝化细菌会与生物膜中的厌氧氨氧化菌竞争共同的底物亚硝态氮，即，反硝化细菌一方面能够将硝态氮还原为亚硝态氮，另一方面又将大部分亚硝态氮进一步还原为氮气。从这个意义上来说，悬浮污泥中的反硝化细菌与生物膜中的厌氧氨氧化菌存在显著的竞争关系，这种竞争关系会显著影响厌氧氨氧化的底物获取过程、抑制PDA过程的进行。因此，有研究提出降低悬浮污泥的浓度，以此来减少***中的反硝化细菌生物量，最终达到削弱反硝化对亚硝态氮竞争力的目的，使厌氧氨氧化获得更高比例的亚硝态氮。这一观点的可行性已经得到了验证，即，生物膜中的厌氧氨氧化在悬浮污泥浓度降低过程中逐步得到富集和强化。事实上，若最终将悬浮污泥全部排出***并形成纯生物膜的运行模式，已经得到富集和强化的厌氧氨氧化极有潜力成为纯生物膜体系中主导的脱氮通路。
基于上述背景，本文提出了梯度降低悬浮污泥浓度来强化生物膜中的厌氧氨氧化菌丰度和脱氮贡献率，最终将悬浮污泥全部排出***，在纯生物膜的体系中构建由PDA主导的脱氮工艺。值得说明的是，为保证在降低厌氧、缺氧区中悬浮污泥浓度的过程中硝化过程不受影响，本文建议应为硝化过程构建独立的污泥***。AAO-BCO(厌氧-缺氧-好氧串联生物接触氧化)工艺是实现上文中提到的升级改造过程的理想工艺载体。首先，BCO(生物接触氧化)单元串联在二沉池和AAO(厌氧-缺氧-好氧)单元之后，悬浮污泥被隔离在BCO单元之外，整个硝化过程均是由其中的载体生物膜完成的，因此其性能不会受到厌氧、缺氧区中悬浮污泥浓度变化的影响。另外，AAO-BCO工艺中厌、缺氧区的有效体积的占比往往在60％以上，远高于传统的AAO工艺，这弥补纯生物膜体系中相对较少的生物量和相对较慢的脱氮速率。总的来说，本文基于AAO-BCO工艺提出了梯度降低AAO单元中的悬浮污泥浓度来强化生物膜中的厌氧氨氧化菌丰度和脱氮贡献的策略，最终将悬浮污泥全部排出AAO单元，并形成基于纯生物膜的PDA脱氮工艺。这为城市污水厂的经济、高效、可持续的升级改造提供了全新的技术方案。
发明内容：
将基于悬浮污泥的城市污水脱氮传统工艺改造为纯生物膜PDA脱氮工艺的方法，应用以下装置：原水水箱(1)中的城市污水经进水管路(14)由进水泵(2)泵入厌氧-缺氧-好氧(AAO)生化反应区，进水管路设置有止回阀(3)；原水首先进入厌氧区(4)，然后依次流经、第一缺氧区(6)、第二缺氧区(7)、第三缺氧区(8)、第四缺氧区(9)以及曝气区(好氧区)(10)；在厌氧区和缺氧区中投加生物膜载体并配备有潜水搅拌器(5)；在好氧区中(10)配备曝气装置(22)，曝气装置与曝气管路(24)、转子流量计、空气阀门(23)相连，由空气压缩机(31)提供曝气动力；AAO生化反应区的溢流堰设置在好氧区，出水由溢流堰经过二沉池进水管(11)和二沉池中心管(25)进入二沉池(12)；二沉池底部的剩余污泥由污泥回流泵(20)经污泥回流管道(16)泵入厌氧区，污泥回流比为100％，污泥回流管道设置有阀门(15)、流量计和止回阀；二沉池上另设置有排泥管道(26)；二沉池中的上清液进入二沉池出水管，二沉池的全部出水经由提升泵(27)被全部泵入生物接触氧化(BCO)生化反应区(13)；在BCO生化反应区投加生物膜载体并配备BCO曝气装置(28)，BCO曝气装置与BCO曝气管路(23)、转子流量计(29)、空气阀门相连，由空气压缩机提供曝气动力；BCO生化反应区的出水由硝化液回流泵(21)经硝化液回流管路(18)被泵入第一缺氧区，硝化液回流比为200％-400％，硝化液回流管道设置有阀门、流量计(17)和止回阀(19)；BCO生化反应区末端的出水经溢流堰和出水管(30)排出***。
将基于悬浮污泥的城市污水脱氮传统工艺改造为纯生物膜PDA脱氮工艺的方法，其特征在于：
1)升级改造的过程是在AAO-BCO(厌氧-缺氧-好氧串联生物接触氧化)工艺中完成的。
2)在AAO生化反应区的厌氧区和缺氧区中投加填充比为30％-50％、比表面积为400-500m2/m3的生物膜载体，同时向AAO生化反应区投加厌氧氨氧化种泥。
3)在AAO生化反应区投加生物膜载体和种泥之后，保持悬浮污泥浓度为4500-3500mg VSS/L稳定运行3-4个月，随后进行悬浮污泥浓度的梯度降低。通过控制剩余污泥排放量将悬浮污泥浓度降低至3500-2500mg VSS/L并稳定运行3-4个月；通过控制剩余污泥排放量将悬浮污泥浓度降低至2500-1500mg VSS/L并稳定运行3-4个月；通过控制剩余污泥排放量将悬浮污泥浓度降低至1500mg VSS/L以下并稳定运行3-4个月；最终，将悬浮污泥全部排出AAO生化反应区。
4)硝化过程是在BCO生化反应区中完成的，其中投加具有硝化功能的、填充比为40％-60％、比表面积为400-500m2/m3的生物膜载体。BCO生化反应区串联在AAO生化反应区和二沉池之后，二沉池的出水上清液进入BCO生化反应区，将悬浮污泥隔离在BCO生化反应区之外，这种纯生物膜的运行模式保证了在AAO生化反应区中进行的一系列悬浮污泥浓度的调控不会影响整个工艺的硝化性能。
5)当装置以4500-3500mg VSS/L的悬浮污泥浓度运行时，保持总有效水力停留时间(HRT)为12-15小时；当悬浮污泥浓度降低至2500-1500mg VSS/L，通过将进水流量降低20％的方式将总有效HRT延长20％；当悬浮污泥被全部排出***时，在现有流量基础上再次将进水流量降低20％。
将基于悬浮污泥的城市污水脱氮传统工艺改造为纯生物膜PDA脱氮工艺的方法，包括以下步骤：
城市污水处理厂中的悬浮污泥投加至AAO生化反应区中作为悬浮污泥种泥，保持AAO生化反应区内初始的悬浮污泥浓度为4500-3500mg VSS/L；如权利要求3所述，将厌氧氨氧化种泥和填充比为30％-50％、比表面积为400-500m2/m3的生物膜载体投加至厌氧区和缺氧区；如权利要求5所述将填充比为40％-60％、比表面积为400-500m2/m3的具有硝化功能的生物膜载体投加至BCO生化反应区；如权利要求4所述梯度降低AAO生化反应区中的悬浮污泥浓度，直至悬浮污泥被全部排出***；整个运行期间，污泥回流比为100％，硝化液回流比为200％-400％；控制AAO生化反应区好氧区的溶解氧(DO)为0.5-1.0mg/L；控制BCO生化反应区的溶解氧(DO)为1.0-3.0mg/L；通过控制潜水搅拌的速度为80-100转每分钟使厌氧区和缺氧区中的生物膜载体混合均匀、与污水充分接触。
总的来说，本文基于AAO-BCO工艺提出了梯度降低AAO单元中的悬浮污泥浓度来强化生物膜中的厌氧氨氧化菌丰度和脱氮贡献的策略，最终将悬浮污泥全部排出AAO单元，并形成基于纯生物膜的PDA脱氮工艺。这为城市污水厂的经济、高效、可持续的升级改造提供了全新的技术方案。
附图说明：
图1是利用剩余污泥发酵上清液在PDA-MBBR中实现城市污水深度脱氮的装置与方法示意图。
图1中：1-原水水箱；2-进水泵；3-止回阀；4-厌氧区；5-潜水搅拌器；6-第一缺氧区；7-第二缺氧区；8-第三缺氧区；9-第四缺氧区；10-曝气区(好氧区)；11-二沉池进水管；12-二沉池；13-生物接触氧化(BCO)生化反应区；14-进水管路；15-阀门；16-污泥回流管道；17-流量计；18-硝化液回流管路；19-止回阀；20-污泥回流泵；21-硝化液回流泵；22-曝气装置；23-空气阀门；24-曝气管路；25-二沉池中心管；26-排泥管道；27-提升泵；28-BCO曝气装置；29-转子流量计；30-出水管；31-空气压缩机；。
具体实施方式
结合图1，具体说明本发明的实施方式：
1)升级改造的过程是在AAO-BCO(厌氧-缺氧-好氧串联生物接触氧化)工艺中完成的。
2)在AAO生化反应区的厌氧区和缺氧区中投加填充比为30％-50％、比表面积为400-500m2/m3的生物膜载体，同时向AAO生化反应区投加厌氧氨氧化种泥。
3)在AAO生化反应区投加生物膜载体和种泥之后，保持悬浮污泥浓度为4500-3500mg VSS/L稳定运行3-4个月，随后进行悬浮污泥浓度的梯度降低。通过控制剩余污泥排放量将悬浮污泥浓度降低至3500-2500mg VSS/L并稳定运行3-4个月；通过控制剩余污泥排放量将悬浮污泥浓度降低至2500-1500mg VSS/L并稳定运行3-4个月；通过控制剩余污泥排放量将悬浮污泥浓度降低至1500mg VSS/L以下并稳定运行3-4个月；最终，将悬浮污泥全部排出AAO生化反应区。
4)硝化过程是在BCO生化反应区中完成的，其中投加具有硝化功能的、填充比为40％-60％、比表面积为400-500m2/m3的生物膜载体。BCO生化反应区串联在AAO生化反应区和二沉池之后，二沉池的出水上清液进入BCO生化反应区，将悬浮污泥隔离在BCO生化反应区之外，这种纯生物膜的运行模式保证了在AAO生化反应区中进行的一系列悬浮污泥浓度的调控不会影响整个工艺的硝化性能。
5)当装置以4500-3500mg VSS/L的悬浮污泥浓度运行时，保持总有效水力停留时间(HRT)为12-15小时；当悬浮污泥浓度降低至2500-1500mg VSS/L，通过将进水流量降低20％的方式将总有效HRT延长20％；当悬浮污泥被全部排出***时，在现有流量基础上再次将进水流量降低20％。
具体步骤：
城市污水处理厂中的悬浮污泥投加至AAO生化反应区中作为悬浮污泥种泥，保持AAO生化反应区内初始的悬浮污泥浓度为4500-3500mg VSS/L；如权利要求3所述，将厌氧氨氧化种泥和填充比为30％-50％、比表面积为400-500m2/m3的生物膜载体投加至厌氧区和缺氧区；如权利要求5所述将填充比为40％-60％、比表面积为400-500m2/m3的具有硝化功能的生物膜载体投加至BCO生化反应区；如权利要求4所述梯度降低AAO生化反应区中的悬浮污泥浓度，直至悬浮污泥被全部排出***；整个运行期间，污泥回流比为100％，硝化液回流比为200％-400％；控制AAO生化反应区好氧区的溶解氧(DO)为0.5-1.0mg/L；控制BCO生化反应区的溶解氧(DO)为1.0-3.0mg/L；通过控制潜水搅拌的速度为80-100转每分钟使厌氧区和缺氧区中的生物膜载体混合均匀、与污水充分接触。
Claims (1)
1.将基于悬浮污泥的城市污水脱氮传统工艺改造为纯生物膜PDA脱氮工艺的方法，其特征在于，应用以下装置：原水水箱（1）中的城市污水经进水管路（14）由进水泵（2）泵入AAO生化反应区，进水管路设置有止回阀；原水首先进入厌氧区（4），然后依次流经第一缺氧区（6）、第二缺氧区（7）、第三缺氧区（8）、第四缺氧区（9）以及曝气区（10）；在厌氧区和缺氧区中投加生物膜载体并配备有潜水搅拌器（5）；在曝气区（10）中配备曝气装置（22），曝气装置与曝气管路（24）、转子流量计、空气阀门相连，由空气压缩机（31）提供曝气动力；AAO生化反应区的溢流堰设置在好氧区，出水由溢流堰经过二沉池进水管（11）和二沉池中心管（25）进入二沉池（12）；二沉池底部的剩余污泥由污泥回流泵（20）经污泥回流管道（16）泵入厌氧区，污泥回流比为100%，污泥回流管道设置有阀门（15）、流量计和止回阀；二沉池上另设置有排泥管道（26）；二沉池中的上清液进入二沉池出水管，二沉池的全部出水经由提升泵（27）被全部泵入BCO生化反应区（13）；在BCO生化反应区投加生物膜载体并配备BCO曝气装置（28），BCO曝气装置与BCO曝气管路、转子流量计（29）、空气阀门相连，由空气压缩机提供曝气动力；BCO生化反应区的出水由硝化液回流泵（21）经硝化液回流管路（18）被泵入第一缺氧区，硝化液回流比为200%-400%，硝化液回流管道设置有阀门、流量计（17）和止回阀；BCO生化反应区末端的出水经溢流堰和出水管（30）排出***；
城市污水处理厂中的悬浮污泥投加至AAO生化反应区中作为悬浮污泥种泥，保持AAO生化反应区内初始的悬浮污泥浓度为3500-4500 mg VSS/L；将厌氧氨氧化种泥填充比为30%-50%、比表面积为400-500m2/m3的生物膜载体投加至厌氧区和缺氧区；将填充比为40%-60%、比表面积为400-500m2/m3的具有硝化功能的生物膜载体投加至BCO生化反应区；梯度降低AAO生化反应区中的悬浮污泥浓度，直至悬浮污泥被全部排出***；BCO生化反应区串联在AAO生化反应区和二沉池之后，二沉池的出水上清液进入BCO生化反应区，将悬浮污泥隔离在BCO生化反应区之外，整个运行期间，污泥回流比为100%，硝化液回流比为200%-400%；控制AAO生化反应区好氧区的溶解氧为0.5-1.0mg/L;控制BCO生化反应区的溶解氧为1.0-3.0mg/L；通过控制潜水搅拌的速度为80-100转每分钟使厌氧区和缺氧区中的生物膜载体混合均匀、与污水充分接触；
将基于悬浮污AAO生化反应区投加生物膜载体和种泥之后，保持悬浮污泥浓度为4500-3500mg VSS/L稳定运行3-4个月，随后进行悬浮污泥浓度的梯度降低；通过控制剩余污泥排放量将悬浮污泥浓度降低至3500-2500mgVSS/L并稳定运行3-4个月；通过控制剩余污泥排放量将悬浮污泥浓度降低至2500-1500mg VSS/L并稳定运行3-4个月；通过控制剩余污泥排放量将悬浮污泥浓度降低至1500 mg VSS/L以下并稳定运行3-4个月；最终，将悬浮污泥全部排出AAO生化反应区；
当装置以4500-3500 mg VSS/L的悬浮污泥浓度运行时，保持总有效水力停留时间为12-15小时；当悬浮污泥浓度降低至2500-1500 mg VSS/L，通过将进水流量降低20%的方式将总有效HRT延长20%；当悬浮污泥被全部排出***时，在现有流量基础上再次将进水流量降低20%。
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