申请日20200525
公开(公告)日20200728
IPC分类号C02F9/14; C02F11/04
摘要
本发明涉及一种碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置及其运行方法，所述装置由高负荷碳分离反应池、第一沉淀池、主流厌氧氨氧化反应池、第二沉淀池和污泥厌氧消化产能单元五个主体部分组成，其中主流厌氧氨氧化反应池依次分为缺氧区、主PN/A区、氮抛光区和脱气区。本发明将大部分有机污染物在高负荷碳分离反应池中被分离回收用于产能利用，污水中氮通过缺氧区的反硝化、主PN/A区的部分亚硝化/厌氧氨氧化和氮抛光区的多模式净化得以去除。该装置及运行方法具有污水潜能回收利用、运行稳定、出水水质优、能耗物耗低等优点，是适用城市污水处理的新装置及新工艺。
权利要求书
1.一种碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置，其特征在于：包括高负荷碳分离反应池、第一沉淀池、主流厌氧氨氧化反应池、第二沉淀池和污泥厌氧消化产能单元;所述高负荷碳分离反应池的进水端通过进水管连接至城市污水处理厂预处理段出水管，出水端与第一沉淀池配水井的进水端连接，第一沉淀池配水井的出水端与第一沉淀池的进水端连接，所述第一沉淀池通过底部排泥管与第一污泥泵房相连，设置在第一污泥泵房内的第一污泥回流泵通过回流污泥管连接至高负荷碳分离反应池的回流污泥入口、设置在第一污泥泵内的第一剩余污泥泵通过剩余污泥管与污泥厌氧消化产能单元相连;所述主流厌氧氨氧化反应池的进水端通过进水管连接至第一沉淀池的出水端，出水端连接至第二沉淀池配水井的进水端，第二沉淀池配水井的出水端与第二沉淀池的进水端连接，所述第二沉淀池通过底部排泥管与第二污泥泵房相连，设置在第二污泥泵房内的第二污泥回流泵通过回流污泥管连接至主流厌氧氨氧化反应池回流污泥入口，设置在第二污泥回流泵内的第二剩余污泥泵通过剩余污泥管连接至污泥厌氧消化产能单元，第二沉淀池的出水端连接至污水处理厂排放口或深度处理单元。
2.根据权利要求1所述的碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置，其特征在于：所述高负荷碳分离反应池底部设有微孔曝气设备，内部设有一号在线溶解氧监测探头，微孔曝气设备连接一号鼓风机，一号在线溶解氧监测探头和一号鼓风机与PLC控制柜相连，一号在线溶解氧监测探头的输出信号用以反馈控制一号鼓风机。
3.根据权利要求1所述的碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置，其特征在于：所述主流厌氧氨氧化反应池分为缺氧区、主PN/A区、氮抛光区和脱气区，所述主PN/A区内部伸入有外碳源投加泵的投加管且该投加管连接至氮抛光区的进水口处，主PN/A区中部竖直方向设置挡流隔板将主PN/A区分隔成进水槽和出水槽，所述主PN/A区出水槽底部、氮抛光区底部和脱气区底部均设置有微孔曝气设备，且微孔曝气设备均与二号鼓风机连接;所述主PN/A区的进、出水槽内部分别设置二号在线溶解氧监测探头和在线氨氮监测探头，所述氮抛光区内部设置三号在线溶解氧监测探头，这些探头的信号线均连接至PLC控制柜。
4.根据权利要求1所述的碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置，其特征在于：所述缺氧区内设置搅拌器或推流器。
5.根据权利要求1所述的碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置，其特征在于：所述氮抛光区内部设置搅拌器或推流器。
6.根据权利要求1所述的碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置，其特征在于：所述第二沉淀池内设置在线硝酸盐氮监测探头，该探头的信号线连接至PLC控制柜。
7.一种根据权利要求1所述的上述碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置的运行方法，其特征在于：包括如下步骤：
①启动高负荷碳分离反应池：在高负荷碳分离反应池内接种城市污水处理厂活性污泥，使污泥浓度达到3ˉ5g/L，引入城市污水处理厂经预处理后的城市污水，控制反应池内溶解氧高于2.0mg/L，控制污泥回流比100%;待第一沉淀池出水COD去除率达到50ˉ60%以上时，开始排放剩余污泥，高负荷碳分离反应池启动成功;
②启动主流厌氧氨氧化反应池：在主流厌氧氨氧化反应池内接种城市污水处理厂具有硝化功能的活性污泥，使污泥浓度达到3ˉ4g/L，引入第一沉淀池出水，开启搅拌器、曝气设备和污泥回流泵，控制氮抛光区溶解氧不低于2.0mg/L，控制污泥回流比100%;监测第二沉淀池出水水质直至出水氨氮浓度低于1.0mg/L，根据在线溶解氧监测探头、在线氨氮监测探头和在线硝酸盐氮监测探头的信号值控制曝气量和剩余污泥排放量;在主PN/A区投加25ˉ40%厌氧氨氧化菌生物载体，在氮抛光区内投加10ˉ30%厌氧氨氧化菌生物载体，完成主流厌氧氨氧化池的启动。
8.根据权利要求7所述的碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置的运行方法，其特征在于：所述高负荷碳分离反应池控制水力停留时间HRT为1.0h、控制污泥泥龄SRT为0.50ˉ1.50d、控制最终出水COD与TN浓度比值COD/TN≤1.0ˉ2.5，保持反应池内溶解氧稳定在低值DOmin,1和高值DOmax,1(1.0ˉ2.0)之间。
9.根据权利要求7所述的碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置的运行方法，其特征在于：所述主流厌氧氨氧化反应池稳定运行控制方法是：当在线氨氮检测值≤设定最低值NH4,min，控制主PN/A区曝气量，使其溶解氧不超过设定最高值DOmax,2，关闭氮抛光区曝气;当在线氨氮检测值>NH4,min，且≤设定最高值NH4,max时，控制主PN/A区曝气量，使其溶解氧在低值DOmin,2和高值DOmax,2之间，开启氮抛光区曝气，控制其溶解氧在低值DOmin,3和高值DOmax,3之间;当在线硝酸盐氮检测值≥设定最高值NO3,max时，开启外碳源投加，根据在线硝酸盐氮检测值自控调节外碳源投加量;当在线氨氮检测值低于设定低值NHmin,s，且在线硝酸盐氮检测值高于设定值NO3max,s时，增加剩余污泥排放;当在线氨氮检测值高于设定高值NHmax,s，且在线硝酸盐氮检测值低于设定值NO3min,s时，减少剩余污泥排放。
说明书
碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置及其运行方法
技术领域
本发明涉及一种城市污水处理技术领域，特别涉及一种碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置及其运行方法。
背景技术
城市污水富含有机质，可被视为一种潜在的能源。污水中有机质的潜能约为14.7-28.7kJ/gCOD，以常见的城市污水COD浓度300mg/L为例，其有机质能可达1.2ˉ2.4kWh/m3。常规污水处理过程的能耗约0.3ˉ0.7kWh/m3，如果能对污水中的有机质能进行有效的回收利用，则有可能实现污水处理过程中的能源自给。然而，在常规污水处理中，氮、磷等可引起水体富营养化的无机营养物的去除，必须依赖于有机质，尤其是反硝化生物脱氮过程中需要大量的有机碳源。因此，常规污水处理中碳、氮不可分离的状况严重限制了污水有机质潜能的回收利用。基于厌氧氨氧化技术的生物脱氮工艺，利用一类自养型浮霉菌——厌氧氨氧化菌，以氨为电子供体，亚硝酸盐为电子受体，无需依赖有机碳源即可完成污水生物脱氮过程。因此，采用厌氧氨氧化生物脱氮技术可将污水中的有机质解放出来，是实现污水有机质能回收利用的关键。
基于厌氧氨氧化的生物脱氮技术在城市污水主流处理工艺中的应用，一般称之为“主流厌氧氨氧化工艺”。主流厌氧氨氧化工艺目前仍处于试验研究阶段，国际上当前的研究进展也仅止于中试规模的研究，尚未能实现真正的工程应用，其主要应用难点包括：(1)城市污水中氮浓度较低，不利于系统内亚硝酸盐氧化菌(NOB)的抑制，导致脱氮性能受限;(2)城市污水的低温条件对厌氧氨氧化菌活性有很大影响，冬季低温时脱氮效率不高;(3)目前主流厌氧氨氧化研究中出水氨氮和总氮普遍较高，很难稳定达到城市污水处理厂的排放标准要求，尚未形成可替代现有生物脱氮工艺的成熟技术方案。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的不足，而提供一种碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置，该装置可高效分离回收污水中的有机质，稳定实现厌氧氨氧化生物脱氮且出水水质优、能耗物耗低，适用于城市污水处理。
本发明的另一目的是提供上述碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置的运行方法。
本发明的技术方案是：一种碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置，包括高负荷碳分离反应池、第一沉淀池、主流厌氧氨氧化反应池、第二沉淀池和污泥厌氧消化产能单元;所述高负荷碳分离反应池的进水端通过进水管连接至城市污水处理厂预处理段出水管，出水端与第一沉淀池配水井的进水端连接，第一沉淀池配水井的出水端与第一沉淀池的进水端连接，所述第一沉淀池通过底部排泥管与第一污泥泵房相连，设置在第一污泥泵房内的第一污泥回流泵通过回流污泥管连接至高负荷碳分离反应池的回流污泥入口、设置在第一污泥泵内的第一剩余污泥泵通过剩余污泥管与污泥厌氧消化产能单元相连;所述主流厌氧氨氧化反应池的进水端通过进水管连接至第一沉淀池的出水端，出水端连接至第二沉淀池配水井的进水端，第二沉淀池配水井的出水端与第二沉淀池的进水端连接，所述第二沉淀池通过底部排泥管与第二污泥泵房相连，设置在第二污泥泵房内的第二污泥回流泵通过回流污泥管连接至主流厌氧氨氧化反应池回流污泥入口，设置在第二污泥回流泵内的第二剩余污泥泵通过剩余污泥管连接至污泥厌氧消化产能单元，第二沉淀池的出水端连接至污水处理厂排放口或深度处理单元。
所述高负荷碳分离反应池底部设有微孔曝气设备，内部设有一号在线溶解氧监测探头，微孔曝气设备连接一号鼓风机，一号在线溶解氧监测探头和一号鼓风机与PLC控制柜相连，一号在线溶解氧监测探头的输出信号用以反馈控制一号鼓风机。
所述主流厌氧氨氧化反应池分为缺氧区、主PN/A区、氮抛光区和脱气区，所述主PN/A区内部伸入有外碳源投加泵的投加管且该投加管连接至氮抛光区的进水口处，主PN/A区中部竖直方向设置挡流隔板将主PN/A区分隔成进水槽和出水槽，所述主PN/A区出水槽底部、氮抛光区底部和脱气区底部均设置有微孔曝气设备，且微孔曝气设备均与二号鼓风机连接，所述主PN/A区的进、出水槽内部分别设置二号在线溶解氧监测探头和在线氨氮监测探头，所述氮抛光区内部设置三号在线溶解氧监测探头，这些探头的信号线均连接至PLC控制柜。
所述缺氧区内设置搅拌器或推流器。
所述氮抛光区内部设置搅拌器或推流器。
所述第二沉淀池内设置在线硝酸盐氮监测探头，该探头的信号线连接至PLC控制柜。
上述碳分离耦合主流厌氧氨氧化生物脱氮处理城市污水的装置的运行方法，包括如下步骤：
①启动高负荷碳分离反应池：在高负荷碳分离反应池内接种城市污水处理厂活性污泥，使污泥浓度达到3ˉ5g/L，引入城市污水处理厂经预处理后的城市污水，控制反应池内溶解氧高于2.0mg/L，控制污泥回流比100%;待第一沉淀池出水COD去除率达到50ˉ60%以上时，开始排放剩余污泥，高负荷碳分离反应池启动成功;
②启动主流厌氧氨氧化反应池：在主流厌氧氨氧化反应池内接种城市污水处理厂具有硝化功能的活性污泥，使污泥浓度达到3ˉ4g/L，引入第一沉淀池出水，开启搅拌器、曝气设备和污泥回流泵，控制氮抛光区溶解氧不低于2.0mg/L，控制污泥回流比100%;监测第二沉淀池出水水质直至出水氨氮浓度低于1.0mg/L，根据在线溶解氧监测探头、在线氨氮监测探头和在线硝酸盐氮监测探头的信号值控制曝气量和剩余污泥排放量;在主PN/A区投加25ˉ40%厌氧氨氧化菌生物载体，在氮抛光区内投加10ˉ30%厌氧氨氧化菌生物载体，完成主流厌氧氨氧化池的启动。
所述高负荷碳分离反应池控制水力停留时间HRT为1.0h、控制污泥泥龄SRT为0.50ˉ1.50d、控制最终出水COD与TN浓度比值COD/TN≤1.0ˉ2.5，保持反应池内溶解氧稳定在低值DOmin,1和高值DOmax,1(1.0ˉ2.0)之间。
所述主流厌氧氨氧化反应池稳定运行控制方法是：当在线氨氮检测值≤设定最低值NH4,min，控制主PN/A区曝气量，使其溶解氧不超过设定最高值DOmax,2，关闭氮抛光区曝气;当在线氨氮检测值>NH4,min，且≤设定最高值NH4,max时，控制主PN/A区曝气量，使其溶解氧在低值DOmin,2和高值DOmax,2之间，开启氮抛光区曝气，控制其溶解氧在低值DOmin,3和高值DOmax,3之间;当在线硝酸盐氮检测值≥设定最高值NO3,max时，开启外碳源投加，根据在线硝酸盐氮检测值自控调节外碳源投加量;当在线氨氮检测值低于设定低值NHmin,s，且在线硝酸盐氮检测值高于设定值NO3max,s时，增加剩余污泥排放;当在线氨氮检测值高于设定高值NHmax,s，且在线硝酸盐氮检测值低于设定值NO3min,s时，减少剩余污泥排放。
与现有技术相比，本发明的技术创新和优点如下：
1、本发明高负荷碳分离池通过较低的溶解氧和短泥龄控制，避免有机物的过度氧化分解，而以固体形式(污泥)得以高效分离回收，可最大限度回收利用污水有机质能;
2、本发明污水中的脱氮过程大部分通过主PN/A区部分亚硝化/厌氧氨氧化自养脱氮过程完成，节约曝气能耗和碳源消耗;而剩余氮组分在氮抛光区内得以进一步去除，出水有机物及氮组分指标均能达到城市污水处理高标准排放要求;
3、本发明氮抛光区根据水质变化采用不同处理模式，可应对季节性水温变化和原水水质波动，保证出水水质稳定。（发明人陶润先;郭兴芳;吴凡松;郑兴灿;申世峰;李劢）