申请日2012.12.25
公开(公告)日2013.05.08
IPC分类号C02F3/34; C02F3/30
摘要
本发明公开了一种污泥发酵强化城市污水脱氮除磷的方法，涉及城市污水强化脱氮除磷工艺和污泥发酵技术的耦合控制技术，属于城市污水处理及污泥生化处理领域。本发明利用序批式反应器，将污泥发酵作用与城市污水的脱氮和除磷过程作用耦合在同一体系中，使得污泥发酵产生的易降解碳源可以及时被聚磷菌和反硝化细菌消耗，强化了低C/N比城市污水的脱氮效果，避免了发酵过程中因产物积累而导致发酵反应速率减缓的问题，同时实现初沉污泥的初步稳定。该工艺适用于低C/N比、C/P比城市污水的强化脱氮除磷和污泥的初步减量和稳定。具有节省碳源，提高脱氮效率，并且具有设备简单、运行灵活、脱氮效率高等优点。
权利要求书
1.污泥发酵强化城市污水脱氮除磷的方法，其装置包括顺次连接的原水 水箱(1)、序批式反应器SBR1(3)、中间水箱(4)、序批式反应器 SBR2(6)及污泥贮存箱(7);原水水箱(1)通过进水泵(2)与序 批式反应器SBR1(3)相连，序批式反应器SBR1通过管路与中间水箱( 4)相连，中间水箱(4)通过中间水泵(5)与序批式反应器SBR2(6 )相连;中间水泵(5)同时连接进气管路;污泥贮存箱(7)通过加 泥泵(8)与序批式反应器SBR2(6)相连;序批式反应器SBR1(3)内 的曝气头与空气压缩机(10)相连;序批式反应器SBR1(3)安装第一 搅拌器(11)和第一温度控制装置(19);序批式反应器SBR2(6)中 安装第二搅拌器(12)和第二温度控制装置(20);序批式反应器SB R1(3)中安装DO在线测定仪(13)、第一pH在线测定仪(14);序批 式反应器SBR2(6)中安装ORP在线测定仪(15)和第二pH在线测定仪 (16);另外设置与计算机(18)相连的过程控制器(17)用以接收 上述DO在线测定仪(13)、第一pH在线测定仪(14)、ORP在线测定仪 (15)、第二pH在线测定仪(16)的信号，同时，计算机(18)通过 过程控制器(17)与空气压缩机(10)、第一搅拌器(11)和第二搅 拌器(12)连接;
其特征在于包括以下步骤：
序批式反应器SBR1(3)每周期依次经历进水、缺氧搅拌、进水、厌氧 搅拌、曝气、沉淀、排水7个过程;
Ⅰ进水 设定进水量为反应器有效容积的1/4，通过时控开关进行控制 ;系统启动后，原水水箱(1)中的污水通过进水泵(2)进入到序批 式反应器SBR1(3)，进水的同时开启第一搅拌器(11);
Ⅱ缺氧 进水完毕后进入缺氧时段，反应器内上一周期排水后剩余的 硝化液利用原水中的碳源进行反硝化作用，去除总氮;设定反硝化时 间为30分钟;
Ⅲ进水 设定第二次进水量为反应器有效容积的1/4，通过时控开关进 行控制，原水水箱(1)中的污水通过进水泵(2)进入到序批式反应 器SBR1(3);
Ⅳ厌氧 厌氧状态，聚磷菌利用第二次进水中的碳源进行厌氧释磷所 用，时间设定为30~60分钟;
Ⅴ曝气 开启空气压缩机(10)，向序批式反应器SBR1提供氧气，将 进水中的氨氮转化为氧化态氮NOx-;根据在线监测DO和pH，当①dpH/ dt≥0且t≥2h或②d DO/dt>1且t≥2h出现时，通过过程控制器(17 )的输出信号A控制空气 压缩机(10)和第一搅拌器(11)停止，曝气结束;
Ⅵ沉淀 设定沉淀时间为10-30分钟，沉淀阶段完成泥水分离;
Ⅶ排水 设定排水比为1/2，通过时控开关进行控制;出水阀门打开， 上清液被排入到中间水箱(4);
序批式反应器SBR2(6)在交替厌氧-缺氧-限氧环境下运行，以初沉污 泥和剩余污泥的混合污泥为发酵底物，初沉泥/剩余泥干重之比在0~2 之间;序批式反应器SBR2(6)每周期依次经历厌氧、进水、缺氧、好 氧、沉淀、排水、换泥7个过程;
Ⅰ厌氧 启动第二搅拌器(12)，厌氧发酵开始，发酵时间设置为9- 20小时;
Ⅱ进水 设定进水时间为反应器有效容积的1/2，通过时控开关进行控 制;中间水箱(4)中的硝化液通过中间水泵(5)进入到序批式反应 器SBR2(6);
Ⅲ缺氧 反硝化菌在进水后利用发酵产物进行反硝化作用，将NOx-还 原成氮气，同时聚磷菌以NOx-作为电子受体进行反硝化吸磷;反硝化 作用进行的同时，污泥发酵反应也继续进行;根据在线监测pH和ORP， 当①dpH/dt≤0且t≥30分钟或②d ORP/dt≤-50且t≥30分钟出现时， 关闭第二搅拌器(12)，缺氧搅拌时段结束;
Ⅳ好氧 开启进气阀和中间水泵(5)，将空气打入序批式反应器SBR 2(6);时间设置为30分钟，控制溶解氧DO为0.4-0.5mg/L，以提供同 步硝化反硝化的条件，并进一步去除混合液中的磷酸盐和未利用的CO D;
Ⅴ沉淀 设定沉淀时间为1-2小时，沉淀阶段完成泥水分离;
Ⅵ排水 设定排水比为1/2，通过时控开关进行控制;出水阀门打开， 上清液经出水管路(9)排出;
Ⅶ换泥 开启第二搅拌器(12)，待污泥混合均匀后从序批式反应器 SBR2(6)排出污泥;排泥体积设为序批式反应器SBR2(6)有效容积 的1/20;排泥结束后，开启加泥泵(8)，污泥从污泥贮存箱(7)进 入序批式反应器SBR2(6)，设定加泥体积与排泥体积相同。
说明书
污泥发酵强化城市污水 脱氮除磷的方法
技术领域
本发明涉及城市污水强化脱氮除磷工艺和污泥发酵技术的耦合控制技术，属于城市污水处理及污泥生化处理领域。该工艺适用于低C/N比、C/P比城市污水的强化脱氮除磷和污泥的初步减量和稳定。
背景技术
我国在2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中要求所有排污单位出水水质为COD小于50mg/L，氨氮小于5mg/L，总氮小于15mg/L，总磷小于0.5mg/L(一级A标准)。十一五期间COD排放得到有效控制，但氮、磷排放远超受纳水体的环境容量问题不容忽视。为到达日益严格的排放标准，降低运行成本，许多污水厂面临工艺的优化运行或升级改造问题。
生物脱氮过程中，异养反硝化菌需要利用有机物作为电子供体还原氧化态氮，包括硝态氮和亚硝态氮。然而，城市污水处理目前普遍存在进水C/N低，碳源不充足的问题，导致出水TN难以达标。通过投加甲醇等外碳源可以达到良好出水效果，但费用颇大，同时有增大剩余污泥产量、打破污水处理厂原有碳平衡、增加CO2等温室气体的排放等问题。生物除磷也需要优质碳源，由于进水碳源的限制，污水处理厂一般采用后续混凝沉淀，往二沉池出水中投加混凝剂以达到把液相中的磷转移到固相的目的。虽然取得良好除磷效果，但不可避免地带来处理成本提高、化学沉淀污泥量大等问题。这部分污泥则加剧了污水厂的污泥处理困境，如何经济有效地处理和处置污泥也是众多污水处理厂面临的难题。
而进行污泥发酵，可以起到有效减量和稳定污泥的作用。如在发酵过程中避免产甲烷作用的发生，使污泥中的大分子有机颗粒向挥发性脂肪酸等小分子转化，并为反硝化菌和除磷菌所利用，则可缓解低C/N、C/P比城市污水的碳源不足问题，提高系统的脱氮除磷效果。该方法相比传统工艺可以节省外加碳源和絮凝药剂，降低处理成本和 运行费用，并同时进行污泥的初步减量和稳定，是符合可持续发展规律的工艺，有较大实际意义，应用市场广阔。
传统的污泥发酵和碳源提取技术一般为发酵-淘洗工艺，即污泥在发酵池内水解酸化产生挥发性脂肪酸等可利用有机物，且利用进水淘洗发酵池内的发酵产物，随后淘洗液被打入生物反应区用以增强脱氮除磷效果。在实际实际工程中，如果利用发酵-淘洗工艺开发污泥内复合碳源，存在一些劣势：1) 由于污泥的吸附作用，发酵产生的 VFA 很难被淘洗出来，且要想较高的淘洗效率则需要较大的淘洗水量，且淘洗效率较低，泥水分离困难;2) 在完全厌氧的反应器中很难避免产甲烷反应发生，且颗粒物质水解是污泥厌氧发酵的限速步骤，因此发酵产物被产甲烷菌大量消耗;3) 为达到较高的淘洗效率则需要较大的淘洗水用量，必然产生较大的上升流速，带出很多颗粒物质，增加了后续处理单元的固体负荷。
初沉发酵强化城市污水脱氮除磷的方法是一种新型的碳源开发-利用工艺。具有如下优点：1) 由于NOx--N的存在，避免了产甲烷反应的发生，防止了发酵产物被产甲烷菌消耗;2) 发酵产物产生后随即被周围的反硝化细菌就地利用，刺激污泥发酵产生更多可利用碳源;3) 反硝化反应产生碱度，能使反应器保持在中性或偏碱性的条件下运行，随反硝化进行pH上升到8左右，避免了常规发酵中的系统酸化问题;4)利用反硝化聚磷菌，将脱氮与除磷耦合在污泥发酵系统中，达到“一碳两用”、相互促进的作用;5)省略传统工艺中的淘洗步骤，工艺主体仅需两个SBR反应器，运行简单易操作，可推广性强。
发明内容
本发明利用序批式反应器，将污泥发酵作用与城市污水的脱氮和除磷过程作用耦合在同一体系中，使得污泥发酵产生的易降解碳源可以及时被聚磷菌和反硝化细菌消耗，强化了低C/N比城市污水的脱氮效果，避免了发酵过程中因产物积累而导致发酵反应速率减缓的问题，同时实现初沉污泥的初步稳定。
本发明通过以下技术方案来实现：
污泥发酵强化城市污水脱氮除磷的方法，其特征在于是处理低C/N比、低C/P比城市污水并使污泥得到初步稳定的方法，其装置包括顺次连接的原水水箱、序批式反应器SBR1、中间水箱、序批式反应器SBR2及污泥贮存箱。原水水箱通过进水泵与序批式反应器SBR1相连，序批式反应器SBR1通过出水管路与中间水箱相连，中间水箱通过中间水泵与序批式反应器SBR2相连。中间水泵同时连接进气管路。污泥贮存箱通过加泥泵与序批式反应器SBR2相连。序批式反应器SBR1内的曝气头与空气压缩机相连。序批式反应器SBR1安装第一搅拌器和第一温度控制装置;序批式反应器SBR2中安装第二搅拌器和第二温度控制装置。序批式反应器SBR1中安装DO在线测定仪、第一pH在线测定仪;序批式反应器SBR2中安装ORP在线测定仪和第二pH在线测定仪。另外设置与计算机相连的过程控制器用以接收上述DO在线测定仪、第一pH在线测定仪、ORP在线测定仪、第二pH在线测定仪的信号，同时，计算机通过过程控制器与空气压缩机、第一搅拌器和第二搅拌器连接。
污泥发酵强化城市污水脱氮除磷的装置实现控制的方法，其特征在于包括以下步骤：
序批式反应器SBR1处理低C/N比、低C/P比生活污水，每周期依次经历进水、缺氧搅拌、进水、厌氧搅拌、曝气、沉淀、排水7个过程。
Ⅰ进水 设定进水量为反应器有效容积的1/4，通过时控开关进行控制。系统启动后，原水水箱中的污水通过进水泵进入到序批式反应器SBR1，进水的同时开启第一搅拌器。
Ⅱ缺氧 进水完毕后进入缺氧时段，反应器内上一周期排水后剩余的硝化液利用原水中的碳源进行反硝化作用，去除总氮。设定反硝化时间为30分钟。
Ⅲ进水 设定第二次进水量为反应器有效容积的1/4，通过时控开关进行控制，原水水箱中的污水通过进水泵进入到序批式反应器SBR1。
Ⅳ厌氧 厌氧状态，聚磷菌利用第二次进水中的碳源进行厌氧释磷所用，时间设定为30~60分钟。
Ⅴ曝气 开启空气压缩机，向序批式反应器SBR1提供氧气，将进水中的氨氮转化为氧化态氮NOx-;根据在线监测DO和pH，当①dpH/dt≥0且t≥2h或②d DO/dt>1且t≥2h出现时，通过过程控制器的输出信号A控制空气压缩机和第一搅拌器停止，曝气结束。
Ⅵ沉淀 设定沉淀时间为10-30分钟，沉淀阶段完成泥水分离。
Ⅶ排水 设定排水比为1/2，通过时控开关进行控制。出水阀门打开，上清液被排入到中间水箱。
序批式反应器SBR2在交替厌氧-缺氧-限氧环境下运行，以初沉污泥和剩余污泥的混合污泥为发酵底物，可以同步进行污泥发酵及反硝化脱氮、除磷过程。初沉泥/剩余泥干重之比在0~2之间。序批式反应器SBR2每周期依次经历厌氧、进水、缺氧、好氧、沉淀、排水、换泥7个过程。
Ⅰ厌氧 启动第二搅拌器，厌氧发酵开始，发酵时间设置为9-20小时。
Ⅱ进水 设定进水时间为反应器有效容积的1/2，通过时控开关进行控制。中间水箱中的硝化液通过中间水泵进入到序批式反应器SBR2。
Ⅲ缺氧 反硝化菌在进水后利用发酵产物进行反硝化作用，将NOx-还原成氮气，同时聚磷菌以NOx-作为电子受体进行反硝化吸磷。反硝化作用进行的同时，污泥发酵反应也继续进行。根据在线监测pH和ORP，当①dpH/dt≤0且t≥30分钟或②d ORP/dt≤-50且t≥30分钟出现时，关闭第二搅拌器，缺氧搅拌时段结束。
Ⅳ好氧 开启进气阀和中间水泵，将空气打入序批式反应器SBR2。时间设置为30分钟，控制溶解氧DO0.4-0.5mg/L，以提供同步硝化反硝化的条件，并进一步去除混合液中的磷酸盐和未利用的COD。
Ⅴ沉淀 设定沉淀时间为1-2小时，沉淀阶段完成泥水分离。
Ⅵ排水 设定排水比为1/2，通过时控开关进行控制。出水阀门打 开，上清液经出水管路排出。
Ⅶ换泥 开启第二搅拌器，待污泥混合均匀后从序批式反应器SBR2排出污泥。排泥体积设为序批式反应器SBR2有效容积的1/20。排泥结束后，开启加泥泵，污泥从污泥贮存箱进入序批式反应器SBR2，设定加泥体积与排泥体积相同。
与传统的污泥发酵-碳源提取、利用技术相比，该发明具有如下优点：
1)在序批式反应器SBR1中采用分段进水技术，强化厌氧释磷过程，为后续充分吸磷打下基础;在序批式反应器SBR2中厌氧-缺氧-好氧循环为生物除磷提供完整途径，出水总磷含量低。
2)硝化细菌在在序批式反应器SBR1中得到富集，硝化速率比常规系统快，氨氮去除效果好;在在序批式反应器SBR1中后续缺氧、好氧过程有效抑制发酵过程中的氨氮过量释放，并提供氨氮去除途径，出水氨氮浓度低。
3)将污泥发酵体系与城市污水反硝化脱氮及除磷耦合在同一系统中，聚磷菌和反硝化菌原位利用发酵产物作为碳源，能及时解除污泥发酵过程的产物抑制，产甲烷菌的活性受到抑制，发酵产生的碳源能够为反硝化脱氮氮和聚磷菌高效利用。
4)采用序批式反应器，工艺的各个时段可以根据实际情况灵活调整，操作简便，可控性强。发明的主体实验装置无须过多回流设计，大大节省能耗和建设、管理费用。