CN116062889B - 高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获的装置与方法属于污水生物处理领域。城市污水先进入厌氧/好氧高负荷活性污泥***，吸附有机物的同时实现污水中磷的去除，出水进入短程反硝化耦合厌氧氨氧化***去除部分氨氮和剩余有机物，利用短程硝化耦合厌氧氨氧化***实现剩余氨氮的去除，产生的硝酸盐再回流到短程反硝化耦合厌氧氨氧化***中去除；以厌氧/好氧交替方式运行，吸附有机物的污泥排放到污泥储泥池，经厌氧污泥发酵将大分子有机物水解产生小分子碳源，为短程反硝化耦合厌氧氨氧化***提供电子供体。本发明不仅实现氮磷的同步深度去除，节省曝气能耗，无需外加碳源，减少温室气体排放，还实现污水碳源回收利用和污泥减量。
Description
技术领域
本发明涉及一种高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获装置与方法，属于污水处理技术领域。该方法具体就是通过高负荷活性污泥法(High-rateactivated sludge,HRAS)吸附回收进水中的有机物的同时进行磷的去除；利用短程反硝化耦合厌氧氨氧化***去除部分氨氮和剩余有机物；再利用短程硝化耦合厌氧氨氧化***去除剩余的氨氮，出水回流到短程反硝化耦合厌氧氨氧化***去除过量硝酸盐，实现城市污水氮磷同步去除的同时促进污水资源能源回收利用。
背景技术
近年来，城市污水量随着城市的发展和居民生活水平的提高而日益增大，污水中的成分也日趋复杂。氮、磷污染随着排放量的增加而更加严重，引起的水体富营养化更是屡见不鲜，不仅影响着人们生活的环境，而且危害人类健康。因此，氮和磷高效去除已成为污水处理的重要目标。
然而，传统的脱氮工艺往往需要大量曝气、额外投加有机碳源维持一定的碱度，从而导致运行费用和投资较高，因此在污水处理实际硝化反硝化技术应用中就越来越受到限制。厌氧氨氧化菌在缺氧或厌氧条件下以亚硝酸盐作为电子受体，直接将氨氮转化为氮气。厌氧氨氧化技术不需要外加碳源和曝气，大大减少了能耗和运行费用，同时减少污泥的产生，对水环境治理起着重要的作用。同时，厌氧氨氧化技术的发展为传统脱氮提供了一种新的发展方向。但是，在厌氧氨氧化刚发展开始，面临的挑战就是亚硝态氮的供给问题。在主流城市污水处理***中，稳定的短程硝化难以实现，导致厌氧氨氧化过程出水积累较高浓度的硝态氮，往往需要进一步去除。但是污水中有机物对厌氧氨氧化的影响以及面对当前国内外资源回收利用大背景的情况下，生物脱氮技术的发展仍需要进一步优化。
厌氧氨氧化和短程硝化耦合与传统生物脱氮工艺相比，可以节省60％曝气能耗和100％有机碳源，同时可以大大降低剩余污泥产量。然而亚硝酸盐氧化菌无法完全抑制，短程硝化作为亚硝酸盐来源途径难以稳定维持，同时还会产生部分硝酸盐难以进一步去除，这限制了短程硝化耦合厌氧氨氧化工艺在主流城市污水厂中的应用。短程反硝化相比于短程硝化为厌氧氨氧化提供亚硝酸盐基质相对稳定，也为硝酸盐废水处理提供了新方法。因此，短程反硝化耦合厌氧氨氧化工艺受到人们广泛关注。但是，以上短程硝化及短程反硝化耦合厌氧氨氧化无法实现对磷的回收，探究如何实现深度氮磷同步去除具有重要意义。
面对资源短缺、环境破坏以及污染问题，实现水资源高质量会用的同时回收有用物质是目前的发展趋势。其中，碳源回收是能源回收的核心问题，通过对污水中有机物进行处理然后在进行脱氮除磷可以说是一个较好的发展方向，因此重新拾起对高负荷活性污泥法的热爱。高负荷活性污泥可以实现对碳源的回收，也可以通过调控运行方式实现对磷的去除。本发明就是通过高负荷活性污泥法实现碳源回收的同时，以厌氧/好氧交替方式运行实现磷的去除，然后利用短程反硝化及短程硝化耦合厌氧氨氧化实现深度脱氮，最终达到氮磷同步去除的同时促进能源的回收。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述的技术问题，提出一种高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获装置和方法。该装置具体就是通过厌氧/好氧高负荷活性污泥***将污水中的可生物降解有机物转化为挥发性脂肪酸等发酵产物，聚磷菌释放磷酸盐，然后在好氧条件下进行磷的过量吸收；出水进入短程反硝化耦合厌氧氨氧化***去除污水中的部分氨氮和剩余有机物，反硝化菌利用高负荷活性污泥法贮存的碳源将硝态氮还原为亚硝酸盐，为厌氧氨氧化菌提供电子供体；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***出水进入短程硝化耦合厌氧氨氧化***以去除剩余氨氮，控制短程反硝化耦合厌氧氨氧化***内溶解氧浓度使氨氮转化为亚硝态氮为厌氧氨氧化提供电子供体；出水回流到短程反硝化耦合厌氧氨氧化***中，去除过量的硝态氮，从而实现城市污水氮磷的同步去除的同时促进污水资源能源回收利用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获装置，包括进水箱(1)、厌氧/好氧高负荷活性污泥***(2)、第一中间水箱(3)、短程反硝化耦合厌氧氨氧化***(4)、第二中间水箱(5)、短程硝化耦合厌氧氨氧化***(6)、第三中间水箱(7)、污泥储泥池(8)、厌氧污泥发酵***(9)、发酵液储备箱(10)；
厌氧/好氧高负荷活性污泥***(2)设有第一蠕动泵(2.1)、第一曝气装置(2.2)、第一气体流量计(2.3)、第一空气泵(2.4)、第一出水口(2.5)、排泥口(2.6)和排泥泵(2.7)；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***(4)设有第二蠕动泵(4.1)、第一搅拌装置(4.2)、第三蠕动泵(4.3)和第二出水口(4.4)；短程硝化耦合厌氧氨氧化***(6)设有第四蠕动泵(6.1)、第二搅拌装置(6.2)、第二曝气装置(6.3)、第二气体流量计(6.4)和第二空气泵(6.5)、第三出水口(6.6)；厌氧污泥发酵***(9)设有污泥泵(9.1)、第三搅拌装置(9.2)和第四出水口(9.3)；
进水箱(1)通过第一蠕动泵(2.1)与厌氧/好氧高负荷活性污泥***(2)进水口相连；厌氧/好氧高负荷活性污泥***(2)出水排入第一中间水箱(3)；第一中间水箱(3)通过第二蠕动泵(4.1)与短程反硝化耦合厌氧氨氧化***(4)进水口相连；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***(4)出水进入第二中间水箱(5)；第二中间水箱(5)通过第四蠕动泵(6.1)与短程硝化耦合厌氧氨氧化***(6)进水口相连；短程硝化耦合厌氧氨氧化***(6)出水与第一中间水箱(3)相连；厌氧/好氧高负荷活性污泥***(2)通过排泥装置将剩余污泥排到污泥储泥池(8)中；污泥储泥池(8)通过污泥泵(9.1)与厌氧污泥发酵***(9)进水口相连；厌氧污泥发酵***(9)内上清液排到发酵液储备箱(10)中；发酵液储备箱(10)通过第三蠕动泵(4.3)与短程反硝化耦合厌氧氨氧化***(4)相连；
高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获方法，其特征在于，包括以下过程：
进水箱中废水通过第一蠕动泵进入厌氧/好氧高负荷活性污泥***内，厌氧水力停留时间1.5-3h，控制好氧水力停留时间为1-3h,溶解氧为0.5-1.5mg/L,污泥龄为2-4d；出水进入第一中间水箱，厌氧/好氧高负荷活性污泥***内污泥通过排泥泵排到污泥储泥池中；污泥储泥池中的污泥通过污泥泵进入厌氧污泥发酵***中进行厌氧发酵，排出上清液进入发酵液储备箱中；
接种短程反硝化污泥和厌氧氨氧化污泥于短程反硝化耦合厌氧氨氧化***中，控制接种后污泥浓度为3000-8000mg/L；接种短程反硝化污泥对亚硝态氮的积累率≥70％，污泥浓度为2500-4000mg/L；接种厌氧氨氧化污泥的氮去除负荷≥0.1kgN/(m3·d)，污泥浓度为3000-6000mg/L；接种的短程反硝化污泥和厌氧氨氧化污泥质量比为1:3-1:5；第一中间水箱中的废水通过第二蠕动泵进入短程反硝化耦合厌氧氨氧化***；进水结束时将发酵液储备箱中的厌氧发酵上清液通过第三蠕动泵加入到短程反硝化耦合厌氧氨氧化***，使得碳氮比为2.0-3.5；投加发酵液后缺氧搅拌3-6h，搅拌结束后静置沉淀30-60min，排出上清液，控制排水比40-60％；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***出水进入第二中间水箱；
接种短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥于短程硝化耦合厌氧氨氧化***中，控制短程硝化耦合厌氧氨氧化***的污泥浓度为3000-5000mg/L；接种的短程硝化污泥对亚硝酸盐的积累率≥80％，污泥浓度为2000-4000mg/L；接种厌氧氨氧化污泥的氮去除负荷≥0.1kgN/(m3·d)，污泥浓度为3000-6000mg/L；接种的短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥质量比为1:2-1:4；第二中间水箱中的废水通过第四蠕动泵进入短程硝化耦合厌氧氨氧化***中，进水结束后曝气2-6h，溶解氧控制在0.2-0.8mg/L；沉淀30-60min，上清液排出到第三中间水箱，排水比控制在50-80％；第三水箱的出水回流到短程反硝化耦合厌氧氨氧化***进行硝态氮的去除，控制回流比，使短程反硝化耦合厌氧氨氧化***进水的硝态氮与氨氮质量浓度比为1.0-1.5。
本技术通过高负荷活性污泥法实现碳的捕获同时去除污水中的磷，然后利用短程反硝化及短程硝化耦合厌氧氨氧化的联合，处理城市污水。原水首先进入厌氧/好氧高负荷活性污泥***中，以厌氧/好氧交替方式运行，控制水力停留时间，聚磷菌在厌氧条件下释放磷，在好氧条件下过量吸磷；出水进入短程反硝化耦合厌氧氨氧化***，***内的反硝化细菌将硝酸盐还原为亚硝酸盐，而不进行亚硝酸盐还原为氮气的还原过程，此过程亚硝态氮的积累率≥70％，从而实现稳定的亚硝酸盐积累；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***中短程反硝化所需碳源来源于高负荷活性污泥***贮存的碳源，控制短程反硝化耦合厌氧氨氧化***内适宜碳氮比和反应时间实现亚硝酸盐的积累；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***出水进入短程硝化耦合厌氧氨氧化***，通过好氧曝气，控制曝气时间和溶解氧浓度，硝化细菌将原水中的氨氮氧化为亚硝酸盐，而不进一步氧化为硝酸盐，实现亚硝酸盐的积累，为厌氧氨氧化提供电子供体，出水回流到短程反硝化耦合厌氧氨氧化***去除过量硝酸盐，从而实现城市生活污水氮磷的同步去除。
本发明涉及的高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获工艺和方法具有以下优点：
1)利用短程硝化和短程反硝化两种途径实现亚硝酸盐的产生，为厌氧氨氧化提供电子供体，提高厌氧氨氧化脱氮效率，大大节省了曝气能耗，无需外加碳源，降低运行费用；
2)短程反硝化耦合厌氧氨氧化能将短程硝化耦合厌氧氨氧化***产生的过量硝酸盐进一步去除，提高***的脱氮效率，提高出水水质；
3)利用高负荷活性污泥法捕获城市污水中的有机碳源，同时实现资源能源回收利用和磷的去除。
附图说明
图1是高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获工艺方法的流程图。如图1：1-进水箱；2-厌氧/好氧高负荷活性污泥***；3-第一中间水箱；4-短程反硝化耦合厌氧氨氧化***；5-第二中间水箱；6-短程硝化耦合厌氧氨氧化***；7-第三中间水箱；8-污泥储泥池；9-厌氧污泥发酵***；10-发酵液储备箱；2.1-第一蠕动泵；2.2-第一曝气装置；2.3-第一气体流量计；2.4-第一空气泵；2.5-第一出水口；2.6-排泥口；2.7-排泥泵；4.1-第二蠕动泵；4.2-第一搅拌装置；4.3-第三蠕动泵；4.4-第二出水口；6.1-第四蠕动泵；6.2-第二搅拌装置；6.3-第二曝气装置；6.4-第二气体流量计；6.5-第二空气泵；6.6-第三出水口；9.1-污泥泵；9.2-第三搅拌装置；9.3-第四出水口。
具体实施方式
如图1所示，高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获装置，包括进水箱(1)、厌氧/好氧高负荷活性污泥***(2)、第一中间水箱(3)、短程反硝化耦合厌氧氨氧化***(4)、第二中间水箱(5)、短程硝化耦合厌氧氨氧化***(6)、第三中间水箱(7)、污泥储泥池(8)、厌氧污泥发酵***(9)、发酵液储备箱(10)；
厌氧/好氧高负荷活性污泥***(2)设有第一蠕动泵(2.1)、第一曝气装置(2.2)、第一气体流量计(2.3)、第一空气泵(2.4)、第一出水口(2.5)、排泥口(2.6)和排泥泵(2.7)；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***(4)设有第二蠕动泵(4.1)、第一搅拌装置(4.2)、第三蠕动泵(4.3)和第二出水口(4.4)；短程硝化耦合厌氧氨氧化***(6)设有第四蠕动泵(6.1)、第二搅拌装置(6.2)、第二曝气装置(6.3)、第二气体流量计(6.4)和第二空气泵(6.5)、第三出水口(6.6)；厌氧污泥发酵***(9)设有污泥泵(9.1)、第三搅拌装置(9.2)和第四出水口(9.3)；
进水箱(1)通过第一蠕动泵(2.1)与厌氧/好氧高负荷活性污泥***(2)进水口相连；厌氧/好氧高负荷活性污泥***(2)出水排入第一中间水箱(3)；第一中间水箱(3)通过第二蠕动泵(4.1)与短程反硝化耦合厌氧氨氧化***(4)进水口相连；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***(4)出水进入第二中间水箱(5)；第二中间水箱(5)通过第四蠕动泵(6.1)与短程硝化耦合厌氧氨氧化***(6)进水口相连；短程硝化耦合厌氧氨氧化***(6)出水与第一中间水箱(3)相连；厌氧/好氧高负荷活性污泥***(2)通过排泥装置将剩余污泥排到污泥储泥池(8)中；污泥储泥池(8)通过污泥泵(9.1)与厌氧污泥发酵***(9)进水口相连；厌氧污泥发酵***(9)内上清液排到发酵液储备箱(10)中；发酵液储备箱(10)通过第三蠕动泵(4.3)与短程反硝化耦合厌氧氨氧化***(4)相连；
高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获方法，包括以下步骤：
进水箱中的城市生活污水通过第一蠕动泵进入厌氧/好氧高负荷活性污泥***中，厌氧水力停留时间1.5-3h，控制好氧水力停留时间为1-3h,溶解氧为0.5-1.5mg/L,污泥龄为2-4d；厌氧/好氧高负荷活性污泥***以厌氧/好氧交替方式运行，出水进入第一中间水箱，厌氧/好氧高负荷活性污泥***污水中的有机物转移至污泥中，污泥通过排泥泵排到污泥储泥池中；污泥储泥池中的污泥通过污泥泵进入厌氧污泥发酵***中进行厌氧发酵，控制厌氧污泥发酵***温度为30℃，溶解氧浓度0mg/L，厌氧污泥发酵***以间歇方式运行，运行时序依次为进泥、搅拌、排泥，排出上清液进入发酵液储备箱中；
接种短程反硝化污泥和厌氧氨氧化污泥于短程反硝化耦合厌氧氨氧化***中，控制接种后污泥浓度为3000-8000mg/L；接种的短程反硝化污泥对亚硝态氮的积累率≥70％，污泥浓度为2500-4000mg/L；接种厌氧氨氧化污泥的氮去除负荷≥0.1kgN/(m3·d)，污泥浓度为3000-6000mg/L；接种的短程反硝化污泥和厌氧氨氧化污泥质量比为1:3-1:5；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***以间歇方式运行，第一中间水箱中的污水通过第二蠕动泵进入短程反硝化耦合厌氧氨氧化***；进水结束时将发酵液储备箱中的厌氧发酵上清液通过第三蠕动泵加入到短程反硝化耦合厌氧氨氧化***，使得碳氮比为2.0-3.5；投加发酵液后启动第一搅拌装置缺氧搅拌3-6h，搅拌结束后静置沉淀30-60min，排出上清液，控制排水比40-60％；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***出水进入第二中间水箱；
接种短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥于短程硝化耦合厌氧氨氧化***中，控制短程硝化耦合厌氧氨氧化***的污泥浓度为3000-5000mg/L；接种的短程硝化污泥对亚硝酸盐的积累率≥80％，污泥浓度为2000-4000mg/L；接种厌氧氨氧化污泥的氮去除负荷≥0.1kgN/(m3·d)，污泥浓度为3000-6000mg/L；接种的短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥质量比为1:2-1:4；短程硝化耦合厌氧氨氧化***以间歇方式运行，第二中间水箱中的废水通过第四蠕动泵进入短程硝化耦合厌氧氨氧化***中，进水结束后启动第二搅拌装置并曝气2-6h，溶解氧控制在0.2-0.8mg/L；搅拌结束后沉淀30-60min，上清液排出到第三中间水箱，排水比控制在50-80％；第三水箱的出水回流到短程反硝化耦合厌氧氨氧化***进行硝态氮的去除，控制回流比，使短程反硝化耦合厌氧氨氧化***进水的硝态氮与氨氮质量浓度比为1.0-1.5。
连续试验结果表明，通过高负荷活性污泥法实现碳的捕获同时去除污水中的磷，然后利用短程反硝化及短程硝化耦合厌氧氨氧化的联合，处理城市污水，不仅实现氮磷的同步深度去除，而且节省能耗，无需外加碳源，实现资源能源的回收利用。
Claims (2)
1.高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获装置，其特征在于，包括进水箱（1）、厌氧/好氧高负荷活性污泥***（2）、第一中间水箱（3）、短程反硝化耦合厌氧氨氧化***（4）、第二中间水箱（5）、短程硝化耦合厌氧氨氧化***（6）、第三中间水箱（7）、污泥储泥池（8）、厌氧污泥发酵***（9）、发酵液储备箱（10）；
厌氧/好氧高负荷活性污泥***（2）设有第一蠕动泵（2.1）、第一曝气装置（2.2）、第一气体流量计（2.3）、第一空气泵（2.4）、第一出水口（2.5）、排泥口（2.6）和排泥泵（2.7）；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***（4）设有第二蠕动泵（4.1）、第一搅拌装置（4.2）、第三蠕动泵（4.3）和第二出水口（4.4）；短程硝化耦合厌氧氨氧化***（6）设有第四蠕动泵（6.1）、第二搅拌装置（6.2）、第二曝气装置（6.3）、第二气体流量计（6.4）和第二空气泵（6.5）、第三出水口（6.6）；厌氧污泥发酵***（9）设有污泥泵（9.1）、第三搅拌装置（9.2）和第四出水口（9.3）；
进水箱（1）通过第一蠕动泵（2.1）与厌氧/好氧高负荷活性污泥***（2）进水口相连；厌氧/好氧高负荷活性污泥***（2）出水排入第一中间水箱（3）；第一中间水箱（3）通过第二蠕动泵（4.1）与短程反硝化耦合厌氧氨氧化***（4）进水口相连；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***（4）出水进入第二中间水箱（5）；第二中间水箱（5）通过第四蠕动泵（6.1）与短程硝化耦合厌氧氨氧化***（6）进水口相连；短程硝化耦合厌氧氨氧化***（6）出水与第一中间水箱（3）相连；厌氧/好氧高负荷活性污泥***（2）通过排泥装置将剩余污泥排到污泥储泥池（8）中；污泥储泥池（8）通过污泥泵（9.1）与厌氧污泥发酵***（9）进水口相连；厌氧污泥发酵***（9）内上清液排到发酵液储备箱（10）中；发酵液储备箱（10）通过第三蠕动泵（4.3）与短程反硝化耦合厌氧氨氧化***（4）相连。
2.利用权利要求1所述装置进行高负荷活性污泥法强化城市污水氮磷协同高效去除与碳捕获的方法，其特征在于，包括以下过程：
进水箱中废水通过第一蠕动泵进入厌氧/好氧高负荷活性污泥***内，厌氧水力停留时间1.5-3h，控制好氧水力停留时间为1-3 h,溶解氧为0.5-1.5 mg/L,污泥龄为2-4 d；出水进入第一中间水箱，厌氧/好氧高负荷活性污泥***内污泥通过排泥泵排到污泥储泥池中；污泥储泥池中的污泥通过污泥泵进入厌氧污泥发酵***中进行厌氧发酵，排出上清液进入发酵液储备箱中；
接种短程反硝化污泥和厌氧氨氧化污泥于短程反硝化耦合厌氧氨氧化***中，控制接种后污泥浓度为3000-8000mg/L；接种短程反硝化污泥对亚硝态氮的积累率≥70%，污泥浓度为2500-4000 mg/L；接种厌氧氨氧化污泥的氮去除负荷≥0.1kgN/(m3·d)，污泥浓度为3000-6000 mg/L；接种的短程反硝化污泥和厌氧氨氧化污泥质量比为1:3-1:5；第一中间水箱中的废水通过第二蠕动泵进入短程反硝化耦合厌氧氨氧化***；进水结束时将发酵液储备箱中的厌氧发酵上清液通过第三蠕动泵加入到短程反硝化耦合厌氧氨氧化***，使得碳氮比为2.0-3.5；投加发酵液后缺氧搅拌3-6h，搅拌结束后静置沉淀30-60min，排出上清液，控制排水比40-60%；短程反硝化耦合厌氧氨氧化***出水进入第二中间水箱；
接种短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥于短程硝化耦合厌氧氨氧化***中，控制短程硝化耦合厌氧氨氧化***的污泥浓度为3000-5000mg/L；接种的短程硝化污泥对亚硝酸盐的积累率≥80%，污泥浓度为2000-4000 mg/L；接种厌氧氨氧化污泥的氮去除负荷≥0.1kgN/(m3·d)，污泥浓度为3000-6000 mg/L；接种的短程硝化污泥和厌氧氨氧化污泥质量比为1:2-1:4；第二中间水箱中的废水通过第四蠕动泵进入短程硝化耦合厌氧氨氧化***中，进水结束后曝气2-6h，溶解氧控制在0.2-0.8mg/L；沉淀30-60min，上清液排出到第三中间水箱，排水比控制在50-80%；第三中间水箱的出水回流到短程反硝化耦合厌氧氨氧化***进行硝态氮的去除，控制回流比，使短程反硝化耦合厌氧氨氧化***进水的硝态氮与氨氮质量浓度比为1.0-1.5。
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