申请日2020.05.06
公开(公告)日2020.08.04
IPC分类号C02F3/28; C02F101/30
摘要
本发明公开了一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应系统及处理方法，其中，反应系统包括：进水调节池(1)、进水蠕动泵(2)、膨胀颗粒污泥床生物膜反应器(16)、内循环泵(11)、空压机(12);膨胀颗粒污泥床生物膜反应器(16)包括主体反应区(17)和三相分离器(6)两部分，体积比为1~1.2:1;所述主体反应区(17)下部为颗粒污泥床(4)，所述主体反应区(17)顶部布置固定填料床(5)，固定填料床(5)占主体反应区(17)体积20%~30%;所述主体反应区(17)和三相分离器(6)均设置取样口(9)和观察口。本发明以实现高浓度有机废水高效处理与能源回收，具有很好的实际应用价值。
权利要求书
1.一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应处理方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)建立反应系统包括：进水调节池(1)、进水蠕动泵(2)、膨胀颗粒污泥床生物膜反应器(16)、内循环泵(11)、空压机(12);
膨胀颗粒污泥床生物膜反应器(16)包括主体反应区(17)和三相分离器(6)两部分，体积比为1~1.2:1;主体反应区(17)下部为颗粒污泥床(4)，主体反应区(17)顶部布置固定填料床(5)，固定填料床(5)占主体反应区(17)体积20%~30%;三相分离器(6)位于反应器顶部，主体反应区(17)和三相分离器(6)均设置取样口和观察口;
固定填料床(5)填充聚氨酯海绵，聚氨酯海绵呈8~25mm的正方体，内部孔径2~7mm，载体填充率为20%~30%;
(2)、进行微生物培养
污泥床直接采用城市污水处理厂浓缩池污泥和好氧曝气池污泥的混合污泥作为接种污泥，混合质量比为2~3:1，接种体积占主体反应区的40%;
另取上述混合污泥通过序批式反应器进行排泥挂膜法接种到聚氨酯海绵填料上，形成生物载体填料，之后投入到固定填料床(5);
进水C:N:P比例为200:5:1，经过闷曝、间歇进水和连续小流量进水，培养时间为3.5~8.5天，培养后的污泥床MLSS：8~10g/L;
(3)、微生物培养后，开始正常进水连续运行
进水流入进水调节池(1)，进水调节池(1)内通过空压机(12)对进水进行曝气，曝气后的污水进入膨胀颗粒污泥床生物膜反应器(16)内，进水pH值在7.0~7.3，碱度为500~800mg/L;
(4)、进水调节池(1)内曝气污水通过进水蠕动泵(2)打入主体反应区(17)底部，依次流经颗粒污泥床(4)、固定填料床(5)，最终由三相分离器(6)的三角出水堰(8)排出，其中一部分出水通过内循环泵(11)与进水混合重新进入主体反应区(17)底部，内回流比为20%~50%;反应器中溶解氧DO控制为0.15~0.35mg/L，氧化还原电位ORP控制为-300~-350mv，通过加热温度控制器保证系统水温35±2℃;反应器内部设置温度、pH、DO、ORP多参数在线监测仪对进水pH和微氧环境进行实时监控;
(5)、逐步缩短水力停留时间HRT，通过三个运行过程实现快速产甲烷，三个运行过程HRT分别设定在3天、2.5天和2天，每个HRT持续运行15~20天;此时COD去除率92~95%，有机负荷0.4~2.5kgCOD/m3·d;
(6)、在甲烷化实现的基础上，进水中增加20~50mg/L的Ca2+和20~50mg/L的Mg2+，促进污泥颗粒化，连续运行40~60天后开始快速逐步缩短HRT以提高上升水流流速方式加速好氧颗粒污泥形成，HRT 从2天分别下降到1天、12小时、6小时，每个HRT运行3~5天;
(7)、达到产甲烷好氧颗粒污泥的工艺目标后，此时反应器底部污泥呈现淡黄色米粒状，污泥浓度MLSS：16~20g/L，污泥平均粒径1.0~2.5 mm，污泥沉降比SV：15~30%，上部污泥产气率平均甲烷产量为300~1200mL/d;COD去除率在90%以上。
2.根据权利要求1所述的一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应处理方法，其特征在于：步骤(2)中，进水中碳源为葡萄糖或乙酸钠，氮源为氯化铵、硫酸铵或尿素，磷源为磷酸二氢钾或磷酸氢钾。
3.根据权利要求2所述的一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应处理方法，其特征在于：步骤(2)中，进水中还加入微量元素储备液，微量元素储备液如下：
FeCl3·4H2O：2000mg/L，CoCl2·6H2O：2000mg/L，MnCl2·4H2O：500mg/L，CuCl2·2H2O：30mg/L，ZnCl2：50mg/L，H3BO3：50mg/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O：90mg/L，Na2SeO3：100mg/L，NiCl2·6H2O：50mg/L，EDTA：1000mg/L。
4.根据权利要求3所述的一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应处理方法，其特征在于：步骤(2)中，闷曝、间歇进水和连续小流量进水具体如下：
首先过滤去除不溶性杂质，闷曝24h;然后将污泥与进水等体积比例混合后置入反应器，静置12h;待污泥接种到生物载体填料上后曝气12h，排掉1/3上清液，加入进水重复该过程，持续1~3天;最后以小流量连续流进水注满反应器后以恢复污泥活性，再持续小流量进水运行1~4天。
5.根据权利要求4所述的一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应处理方法，其特征在于：小流量进水即为HRT为4天。
6.一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应系统，其特征在于：包括：进水调节池(1)、进水蠕动泵(2)、膨胀颗粒污泥床生物膜反应器(16)、内循环泵(11)、空压机(12);
所述膨胀颗粒污泥床生物膜反应器(16)包括主体反应区(17)和三相分离器(6)两部分，体积比为1~1.2:1;所述主体反应区(17)下部为颗粒污泥床(4)，所述主体反应区(17)顶部布置固定填料床(5)，固定填料床(5)占主体反应区(17)体积20%~30%;所述主体反应区(17)和三相分离器(6)均设置取样口(9)和观察口;
所述固定填料床(5)内填充聚氨酯海绵，聚氨酯海绵呈8~25mm的正方体，内部孔径2~7mm，载体填充率为20%~30%;
所述颗粒污泥床(4)采用城市污水处理厂浓缩池污泥和好氧曝气池污泥的混合污泥作为接种污泥，混合质量比为2~3:1，接种体积占主体反应区(17)的40%;
所述空压机(12)的出口管路上安装质量流量计(13)后通入进水调节池(1)内，所述进水调节池(1)底部出口通过进水蠕动泵(2)连接膨胀颗粒污泥床生物膜反应器(16)的主体反应区(17)底部进口，所述膨胀颗粒污泥床生物膜反应器(16)的三相分离器(6)的三角出水堰(8)通过内循环泵(11)与主体反应区(17)底部进口连通，三角出水堰(8)另接有出水口(18);三相分离器(6)的集气口(7)安装湿式气体流量计(14)。
说明书
一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应系统及处理方法
技术领域
本发明属于废水生物处理技术领域，具体为一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应系统及处理方法。
背景技术
生化处理是高浓度有机废水普遍采用的一种经济高效处理方法。通过厌氧微生物的作用，不仅可以将废水中COD去除，还能回收生物气体(甲烷)。目前已经开发出的产甲烷反应系统主要有：厌氧活性污泥、厌氧生物滤池、厌氧序批式反应器(ASBR)、厌氧折板式反应器(ABR)及上流式厌氧污泥床(UASB)等。然而产甲烷菌属于严格厌氧菌，生长速率十分缓慢且对进水条件和环境要求十分苛刻;另一方面在产甲烷系统中同时存在着产甲烷菌、水解产酸细菌、产乙酸细菌等微生物种群的竞争互营关系，若运行不当将会抑制产甲烷效能，最终导致甲烷化启动时间延长、甚至失败。
近些年，强化厌氧产甲烷技术成为污水处理研究的关注点。很多研究表明：在微氧条件下，兼性微生物可以快速将有机物转化为低分子脂肪酸(乙酸)的中间产物，从而为快速甲烷化形成创造有利条件。低氧条件具有氧利用率高，曝气能耗小，剩余污泥产量少，COD去除率高，抗冲击负荷能力强，去除难生物降解物质等优势，微氧生物处理技术在产甲烷快速启动方面具有广阔的应用前景，然而现有的微氧反应装置及运行方式很容易造成反应器内DO升高，导致厌氧微环境破坏，另外低氧条件容易使得污泥丝状膨胀，造成污泥流失现象，容易导致产甲烷效率下降。颗粒污泥是一种高效污水生物处理技术，颗粒污泥形成可以降低不良条件对产甲烷菌的冲击，能起到较好的保护作用，此外较大粒径的颗粒污泥粒径大，污泥沉降性能好，不会因为产气而发生污泥上浮或流失问题。
目前，好氧颗粒污泥在间歇式运行反应器研究已较为成熟，然而对于连续流反应器及其培养方法研究很少。因此开发基于稳定连续流反应装置并建立相应的操作方法以保证产甲烷好氧颗粒污泥的快速实现对于高浓度有机废水稳定高效运行具有重要意义。
发明内容
本发明针对传统微氧条件引起的产甲烷效率不高的问题，提供一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应系统和处理方法，以实现高浓度有机废水高效处理与能源回收。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应系统，包括：进水调节池、进水蠕动泵、膨胀颗粒污泥床生物膜反应器(EGSBBR)、内循环泵、空压机。
所述膨胀颗粒污泥床生物膜反应器包括主体反应区和三相分离器两部分，体积比为(1~1.2):1;所述主体反应区下部为颗粒污泥床，所述主体反应区顶部布置固定填料床，固定填料床占主体反应区体积20%~30%;所述主体反应区和三相分离器均设置取样口和观察口。
所述固定填料床内填充聚氨酯海绵，聚氨酯海绵呈8~25mm的正方体，内部孔径2~7mm，载体(聚氨酯海绵)填充率为20%~30%。
所述颗粒污泥床采用城市污水处理厂浓缩池污泥和好氧曝气池污泥的混合污泥作为接种污泥，混合质量比为(2~3):1，接种体积占主体反应区的40%。
所述空压机的出口管路上安装质量流量计后通入进水调节池内，所述进水调节池底部出口通过进水蠕动泵连接膨胀颗粒污泥床生物膜反应器的主体反应区底部进口，所述膨胀颗粒污泥床生物膜反应器的三相分离器的三角出水堰通过内循环泵与主体反应区底部进口连通，三角出水堰另接有出水口;三相分离器的集气口安装湿式气体流量计。
一种强化微氧产甲烷颗粒污泥反应处理方法，包括如下步骤：
(1)、建立上述反应系统。
(2)、进行微生物培养
污泥床直接采用城市污水处理厂浓缩池污泥和好氧曝气池污泥的混合污泥作为接种污泥，混合质量比为(2~3):1，接种体积占主体反应区的40%。
另取混合污泥通过序批式反应器进行排泥挂膜法接种到聚氨酯海绵填料上，形成生物载体填料，之后投入到固定填料床;接种步骤：将1.5L上述的混合污泥和模拟废水混合后泵入5L SBR反应器(反应器中放入填料)，静置24h;待微生物接种到填料上后，曝气8~10h，再静置14~16h;排出0.5L上清液，换新的模拟废水0.5L，静置15~20h，之后再次排出0.5L上清液，换新的模拟废水0.5L，静置15~20h，如此重复持续5~7天，肉眼观察到海绵表面形成一层生物膜之后，形成生物载体填料，之后从SBR反应器中取出，投入到系统填料床中。
进水(自配模拟废水)C:N:P比例为200:5:1，碳源为葡萄糖或乙酸钠，氮源为氯化铵、硫酸铵或尿素，磷源为磷酸二氢钾或磷酸氢钾。
经过闷曝、间歇进水和连续小流量进水，培养时间为3.5~8.5天，培养后的污泥床MLSS：8~10g/L。
其中，进水中还加入微量元素储备液，微量元素储备液成分如下：FeCl3·4H2O(2000mg/L)，CoCl2·6H2O(2000mg/L)，MnCl2·4H2O(500mg/L)，CuCl2·2H2O(30mg/L)，ZnCl2(50mg/L)，H3BO3(50mg/L)，(NH4)6Mo7O24·4H2O(90mg/L)，Na2SeO3(100mg/L)，NiCl2·6H2O(50mg/L)，EDTA(1000mg/L);
其中，闷曝、间歇进水和连续小流量进水的具体过程如下：首先过滤去除不溶性杂质，闷曝24h;然后将污泥与模拟废水等体积比例混合后置入反应器，静置12h;待污泥接种到生物载体填料上后曝气12h，排掉1/3上清液，之后再加入模拟废水1/3后曝气12h，排掉1/3上清液，重复该过程，持续1~3天;最后以小流量(HRT为4天)连续流进水注满反应器后以恢复污泥活性，再持续小流量进水运行1~4天。
(3)、微生物培养后，开始正常进水连续运行
进水(自配模拟废水)流入进水调节池，进水调节池内通过空压机对废水进行曝气，曝气后的污水进入膨胀颗粒污泥床生物膜反应器内，进水pH值在7.0~7.3，碱度为500~800mg/L(以碳酸钙计)。
(4)、进水调节池内曝气污水通过进水蠕动泵打入主体反应区底部，依次流经颗粒污泥床、固定填料床，最终由三相分离器的三角出水堰排出，其中一部分出水通过内循环泵与进水混合重新进入主体反应区底部，内回流比为20%~50%(另一部分出水可直接排放);反应器中溶解氧DO控制为0.15~0.35mg/L，氧化还原电位ORP控制为-300~-350mv，通过加热温度控制器保证系统水温35±2℃;反应器内部设置温度、pH、DO、ORP多参数在线监测仪对进水pH和微氧环境进行实时监控。
(5)、逐步缩短水力停留时间(HRT)，通过三个运行过程实现快速产甲烷，三个运行过程HRT分别设定在3天、2.5天和2天，每个HRT持续运行15~20天，经过45~60天系统平均甲烷产量为500~550mL/d;此时COD去除率92~95%，有机负荷0.4~2.5kgCOD/m3·d。
(6)、在甲烷化实现的基础上，进水中增加20~50mg/L的Ca2+和20~50mg/L的Mg2+，促进污泥颗粒化，连续运行25~40天后开始快速逐步缩短HRT以提高上升水流流速方式加速好氧颗粒污泥形成，HRT从2天分别下降到1天、12小时、6小时，每个HRT运行8~12天。
(7)、达到产甲烷好氧颗粒污泥的工艺目标后，此时反应器底部污泥呈现淡黄色米粒状，污泥浓度MLSS：16~20g/L，污泥平均粒径1.0~2.5mm，污泥沉降比SV：15~30%，上部污泥产气率平均甲烷产量为300~1200mL/d;COD去除率在90%以上。
本发明采用预曝气手段，降低对产甲烷系统的甲烷化活性影响，针对污泥上浮问题，在高效污泥膨胀床反应器EGSB内增加固定式生物填料，形成膨胀颗粒污泥床生物膜反应器(Expanded Granular Sludge Blanket Biofilm Reactor，EGSBBR)，利用生物膜反应器的优点可以有效避免污泥上浮问题，而且还可以提高反应器微生物总量，并为厌氧甲烷菌提供良好的生存微环境，保证加快反应器产甲烷启动时间;在工艺系统稳定运行的基础上，通过逐步缩短水力停留时间和增大内回流的方式，加快好氧颗粒污泥形成。
本发明具有以下有益效果：
1、利用进水预曝气方式，采用填充有多孔海绵的高效污泥膨胀床生物膜新型反应器，通过所形成的高效产甲烷颗粒污泥，可以有效去除有机废水中COD并实现甲烷回收。
2、处理操作方法简单，运行时间短。仅通过温度、pH、DO控制和HRT调节可实现对工艺的稳定运行，正常运行总天数为60~100天左右。
3、系统甲烷化和COD去除效率高，产生的污泥粒径大。
4、颗粒污泥密实，污泥产量少，系统无需要排泥。污水和污泥易于分离，不会发生污泥膨胀和流失现象。
本发明设计合理，具有很好的实际应用价值。（发明人周鑫;葛大令;张伟）