基于投加发酵污泥实现PNA与PDA深度脱氮除磷的装置和方法

基于投加发酵污泥实现pna与pda深度脱氮除磷的装置和方法
技术领域
1.本发明涉及基于投加发酵污泥实现短程反硝化耦合厌氧氨氧化深度脱氮除磷的装置和方法，属于污水生物处理的技术领域。


背景技术：

2.随着人类社会生活的不断发展，环境问题愈发严峻，人们也越来越关注生活环境的变化。水作为生命之源，水污染问题日益突出，限制了人类文明的进步，危机人类的生存发展。水体富营养化是当前世界范围内面临的重大水体污染问题，人类活动排放到水体中过量的氮、磷元素是导致这一污染问题的主要原因。同时，随着用水量的提升，也促使污水处理过程产生更多的剩余污泥。
3.厌氧氨氧化技术作为今年来被广泛关注的自养脱氮技术，具有节约曝气能耗、节省碳源、污泥产量低的优点。其反应是将氨氮和亚硝态氮转化为绿色气体氮气和部分硝态氮，由于亚硝态氮来源不足，厌氧氨氧化技术常与短程硝化及短程反硝化耦合，实现污水的脱氮。
4.短程硝化技术可利用游离氨(fa)和游离亚硝(fna)的抑制作业实现高氨氮废水的亚硝态氮积累，而短程硝化/厌氧氨氧化在处理高氨氮废水时积累大量的硝态氮，可为后接的短程反硝化反应技术提供基质，并再次还原为亚硝态氮，参与厌氧氨氧化反应，促进系统的深度脱氮。
5.厌氧发酵技术是目前被广泛使用的污泥减量的方法，发酵过程中将难降解有机物转化为产生的易降解有机物，为短程反硝化提供碳源。将发酵与厌氧氨氧化/短程反硝化耦合可以实现节省碳源，并且达到污泥减量化、资源化的效果。
6.城镇生活污水和污泥消化液中包含了丰富的不可再生的磷源，厌氧氨氧化-羟基磷酸钙技术作为生物脱氮过程与反硝化技术耦合，相对于化学除磷可节约外加药剂投加量，其形成的厌氧氨氧化-羟基磷酸钙颗粒污泥可有效截留厌氧氨氧化细菌，短程反硝化产生的碳酸氢根为羟基磷酸钙结晶创造了适宜的碱性环境，促进实现污泥厌氧消化液的高效脱氮和磷回收，一举多得。


技术实现要素：

7.本发明提出了基于投加发酵污泥实现短程反硝化耦合厌氧氨氧化深度脱氮除磷的装置和方法，污泥消化液在短程硝化/厌氧氨氧化系统中进行脱氮，产生的硝态氮进入短程反硝化/厌氧氨氧化系统，同时城镇生活污水为短程反硝化/厌氧氨氧化系统提供氨氮，投加发酵污泥为提供碳源，进行深度脱氮。消化液和城镇生活污水中的磷源通过外加ca
2+
在短程反硝化/厌氧氨氧化系统的碱性条件下形成羟基磷酸钙结晶，厌氧氨氧化细菌附着在晶核表面，被截留在反应器中，环形聚乙烯悬浮填料用于结晶成核前持留厌氧氨氧化菌。该发明节约碳源，减少处理成本，促进污泥减量，可达到高效脱氮和磷回收的效果。
8.本发明的目的是通过以下技术方案来解决的。
9.所用装置包括：所用的装置包括第一原水箱(1)，sbr(2)，中间水箱(3)，第二原水箱(4)，uasb(5)，出水水箱(6)。
10.所述的原水箱(1)通过第一蠕动泵(2.1)与sbr(2)相连；所述的sbr(2)上设置有曝气装置(2.2)、气体流量计(2.3)、do/ph探头(2.4)、曝气盘、搅拌桨(2.5)、进水口、出水口，do/ph探头与水质分析多参数测定仪相连，曝气盘通过气体流量计和曝气装置相连；所述的sbr(2)通过截流阀(3.1)与中间水箱(3)相连；所述的中间水箱(3)和中间水箱(4)分别通过第二蠕动泵(3.2)和第三蠕动泵(4.1)与uasb(5)相连。所述的uasb(5)上设置有第四蠕动泵(5.1)、环状塑料悬浮填料(5.2)、三相分离器(5.3)、反应器池体(5.4)、出水口。
11.应用所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)系统的启动：1.1)部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器的启动：部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器为序批式反应器(sbr)，通过接种短程硝化厌氧氨氧化污泥启动，反应器内污泥浓度为4500-7500mg/l,主动排泥。将进水箱中稀释后的消化液废水泵入部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器，氨氮浓度为500-1000mg/l，tcod浓度为500-3000mg/l。以a/o方式运行sbr，进水5min，缺氧搅拌30-120min，好氧曝气10-21h，沉淀30min，排水5min，排水比为30％-50％，每天运行1-2个周期。在运行过程中，通过水质分析多参数测定仪实时监测反应器溶解氧变化，并在好氧曝气时调节气体流量计控制溶解氧维持在0.05-0.1mg/l。在上述条件下运行反应器，当出水中亚硝态氮浓度＜1mg/l且稳定运行15天以上时，认为部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器启动成功；1.2)短程反硝化/厌氧氨氧化反应器的启动：短程反硝化/厌氧氨氧化反应器为升流式厌氧污泥床反应器(uasb)，通过接种厌氧氨氧化/短程反硝化污泥启动反应器，反应器内污泥浓度为3000-5000mg/l，厌氧氨氧化与短程反硝化污泥接种量体积之比为2:1-3:1。在反应器的上半部分安装有环形塑料悬浮填料以截留厌氧氨氧化污泥，填充比为20％-50％，设置回流比为300％-500％。uasb的进水分为三部分，第一部分为含硝态氮的人工配水，硝态氮浓度为80-85mg/l，第二部分是含氨氮和磷的生活污水，氨氮浓度为50-80mg/l,磷浓度在3-15mg/l，cod浓度为180-240mg/l。第三部分为含ca
2+
的人工配水，浓度为20-25mg/l。三股进水按照体积比1:1:1-1:1:3的比例泵入uasb，水力停留时间为6-21h。当出水硝态氮＜30mg/l且维持15天以上时，向反应器投加发酵污泥500-700ml，发酵污泥在系统中利用难降解有机物释放易降解有机物促进短程反硝化，当出水总氮去除率达到80％以上并维持15天以上时，认为短程反硝化/厌氧氨氧化反应器启动成功。2)系统的运行：sbr(2)进水为稀释的污泥消化液，氨氮浓度为500-1000mg/l,磷浓度为40-250mg/l，tcod浓度为500-3000mg/l，从第一原水箱(1)通过进水泵(2.1)泵入sbr(2)。每天运行1-2个周期，包括进水5min，缺氧搅拌30-120min，好氧曝气10-21h，沉淀30min，排水5min，排水比为30％-50％。在好氧曝气阶段，通过水质分析多参数测定仪实时监测反应器溶解氧变化，并调节气体流量计(2.3)，使do控制在0.05-0.1mg/l。sbr(2)含氨氮(30-60mg/l)和硝态氮(50-100mg/l)的出水通过截流阀(3.1)进入中间水箱(3)，在中间水箱(3)加入ca
2+
，使得ca/p质量浓度比为2.5-3.0，与第二原水箱(4)中的生活废水分别通过第二蠕动泵(3.2)和第三蠕动泵(4.1)泵入uasb(5)，进水体积比为1:1-2:1。在uasb(5)的上半部分安装有环形塑料悬浮填料以截留厌氧氨氧化污泥，填充比为20％-50％，设置回流
比为300％-500％，以促进厌氧氨氧化-羟基磷酸钙颗粒污泥的形成。发酵释放的氨氮、磷和有机物继续被厌氧氨氧化/短程反硝化反应利用，实现系统的深度脱氮除磷。
12.本发明具有以下优势：1)通过两段式反应器，结合短程硝化、短程反硝化、厌氧氨氧化-羟基磷酸钙技术对高氨氮废水进行深度脱氮和磷回收。2)发酵污泥对难降解有机物进行回收利用，为短程反硝化提供优质碳源，无需外加碳源，实现污泥减量化和资源化利用，节约污水处理的运行成本。3)环形聚乙烯悬浮填料和羟基磷酸钙结晶有效截留厌氧氨氧化菌，解决了厌氧氨氧化菌世代周期长，难以富集的问题。
附图说明
图1是基于投加发酵污泥实现短程反硝化耦合厌氧氨氧化深度脱氮除磷的装置和方法。图1中：1——第一原水箱，2——sbr，3——中间水箱，4——第二原水箱，5——uasb，6——出水箱，2.1——第一蠕动泵，2.2——曝气装置，2.3——气体流量计，2.4——wtw，2.5——搅拌桨，3.1——截流阀，3.2——第二蠕动泵，4.1——第三蠕动泵，5.1——第四蠕动泵，5.2——环状塑料悬浮填料，5.3——三相分离器，5.4——反应器池体。
具体实施方式
13.下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方案：如图1所示，基于投加发酵污泥实现短程反硝化耦合厌氧氨氧化深度脱氮除磷的装置和方法，所用的装置包括第一原水箱(1)，sbr(2)，中间水箱(3)，第二原水箱(4)，uasb(5)，出水水箱(6)。所述的进水箱(1)通过蠕动泵(2.1)与sbr(2)相连；所述的sbr(2)上设置有曝气装置(2.2)、气体流量计(2.3)、wtw(2.4)、曝气盘、搅拌桨(2.5)、进水口、出水口，曝气盘通过气体流量计和曝气装置相连；所述的sbr(2)通过截流阀(3.1)与中间水箱(3)相连；所述的中间水箱(3)和中间水箱(4)分别通过蠕动泵(3.2)和蠕动泵(4.1)与uasb(5)相连。所述的uasb(5)上设置有回流泵(5.1)、塑料环状悬浮填料(5.2)、三相分离器(5.3)、反应器池体(5.4)、出水口。实验系统如图1所示，各反应器均采用有机玻璃制成。
14.具体运行操作如下：1)系统的启动：1.1)部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器的启动：部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器为序批式反应器(sbr)，通过接种短程硝化厌氧氨氧化污泥启动，反应器内污泥浓度为5000mg/l，主动排泥。将进水箱中稀释后的消化液废水泵入部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器，氨氮浓度为600mg/l，tcod浓度为1500-2000mg/l。以a/o方式运行sbr，进水5min，缺氧搅拌60min，好氧曝气10h，沉淀30min，排水5min，排水比为30％，每天运行2个周期。在运行过程中，通过水质分析多参数测定仪实时监测反应器溶解氧变化，并在好氧曝气时调节气体流量计控制溶解氧维持在0.05-0.1mg/l。在上述条件下运行反应器，当出水中亚硝态氮浓
度＜1mg/l且稳定运行15天以上时，认为部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器启动成功。1.2)短程反硝化/厌氧氨氧化反应器的启动：短程反硝化/厌氧氨氧化反应器为升流式厌氧污泥床反应器(uasb)，通过接种厌氧氨氧化/短程反硝化污泥启动反应器，反应器内污泥浓度为5000mg/l，厌氧氨氧化与短程反硝化污泥接种量体积之比为2:1。在反应器的上半部分安装有环形塑料悬浮填料以截留厌氧氨氧化污泥，填充比为30％，设置回流比为500％。uasb的进水分为三部分，第一部分为含硝态氮的人工配水，硝态氮浓度为80mg/l，第二部分是含氨氮和磷的生活污水，氨氮浓度为50-80mg/l,磷浓度在5-10mg/l，cod浓度为180-240mg/l。第三部分为含ca
2+
的人工配水，浓度为25mg/l。三股进水按照体积比1:1:2的比例泵入uasb，水力停留时间为21h。当出水硝态氮＜30mg/l且维持15天以上时，向反应器投加发酵污泥500ml，发酵污泥在系统中利用难降解有机物释放易降解有机物促进短程反硝化，当出水总氮去除率达到80％以上并维持15天以上时，认为短程反硝化/厌氧氨氧化反应器启动成功。2)系统的运行：sbr(2)进水为按比例稀释的污泥消化液，氨氮浓度为600mg/l,磷浓度为80mg/l，tcod浓度为1500-2000mg/l，从第一原水箱(1)通过进水泵(2.1)泵入sbr(2)。每天运行1-2个周期，包括进水5min，缺氧搅拌120min，好氧曝气10h，沉淀30min，排水5min，排水比为30％。在好氧曝气阶段，通过水质分析多参数测定仪实时监测反应器溶解氧变化，并调节气体流量计(2.3)，使do控制在0.05-0.1mg/l。sbr(2)含氨氮(50mg/l)、硝态氮(70mg/l)和磷的出水通过截流阀(3.1)进入中间水箱(3)，在中间水箱(3)加入ca
2+
，使得ca/p质量浓度比为2.5-3.0，与第二原水箱(4)中的生活废水分别通过第二蠕动泵(3.2)和第三蠕动泵(4.1)泵入uasb(5)，进水体积比为2:1。在uasb(5)的上半部分安装有环形塑料悬浮填料以截留厌氧氨氧化污泥，填充比为30％，设置回流比为500％，以促进厌氧氨氧化-羟基磷酸钙颗粒污泥的形成。发酵释放的氨氮、磷和有机物继续被厌氧氨氧化/短程反硝化反应利用，实现系统的深度脱氮除磷。
15.实验结果表明：工艺稳定运行后，pn-sbr实现了88％以上的亚硝酸盐积累率，为uasb的厌氧氨氧化提供了基质。pda-uasb利用污泥硝化液和pn-sbr的出水，实现了去除硝酸盐氮和节省外部碳源，为羟基磷灰石的形成提供了合适的ca/p及ph环境。系统氨氮的去除率和总无机氮的去除率分别稳定在90％以上和95％以上，出水硝态氮浓度可忽略不计，出水cod小于60mg/l，磷回收效率最高可达85％。以上是本发明的具体实施例，便于该技术领域的技术人员能更好的理解和应用本发明，但本发明的实施不限于此，因此该技术领域的技术人员对本发明所做的简单改进都在本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于投加发酵污泥实现短程硝化/厌氧氨氧化、短程反硝化/厌氧氨氧化深度脱氮除磷的装置，其特征在于：所用的装置包括第一原水箱(1)，sbr(2)，中间水箱(3)，第二原水箱(4)，uasb(5)，出水水箱(6)；所述的原水箱(1)通过第一蠕动泵(2.1)与sbr(2)相连；所述的sbr(2)上设置有曝气装置(2.2)、气体流量计(2.3)、do/ph探头(2.4)、曝气盘、搅拌桨(2.5)、进水口、出水口，do/ph探头与水质分析多参数测定仪相连，曝气盘通过气体流量计和曝气装置相连；所述的sbr(2)通过截流阀(3.1)与中间水箱(3)相连；所述的中间水箱(3)和中间水箱(4)分别通过第二蠕动泵(3.2)和第三蠕动泵(4.1)与uasb(5)相连；所述的uasb(5)上设置有第四蠕动泵(5.1)、环状塑料悬浮填料(5.2)、三相分离器(5.3)、反应器池体(5.4)、出水口。2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：1)系统的启动：1.1)部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器的启动：部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器为序批式反应器，通过接种短程硝化厌氧氨氧化污泥启动，反应器内污泥浓度为4500-7500mg/l,主动排泥；将进水箱中稀释后的消化液废水泵入部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器，氨氮浓度为500-1000mg/l，tcod浓度为500-3000mg/l；以a/o方式运行sbr，进水5min，缺氧搅拌30-120min，好氧曝气10-21h，沉淀30min，排水5min，排水比为30％-50％，每天运行1-2个周期；在运行过程中，通过水质分析多参数测定仪实时监测反应器溶解氧变化，并在好氧曝气时调节气体流量计控制溶解氧维持在0.05-0.1mg/l；在上述条件下运行反应器，当出水中亚硝态氮浓度＜1mg/l，δno
3-‑
n：δnh
4+-n为0.11，δtn:δnh
4+-n为0.88，且稳定运行15天以上时，认为部分短程硝化/厌氧氨氧化反应器启动成功；1.2)短程反硝化/厌氧氨氧化反应器的启动：短程反硝化/厌氧氨氧化反应器为升流式厌氧污泥床反应器，通过接种厌氧氨氧化/短程反硝化污泥启动反应器，反应器内污泥浓度为3000-5000mg/l，厌氧氨氧化与短程反硝化污泥接种量体积之比为2:1-3:1；在反应器的上半部分安装有环形塑料悬浮填料以截留厌氧氨氧化污泥，填充比为20％-50％，设置回流比为300％-500％；uasb的进水分为三部分，第一部分为含硝态氮的人工配水，硝态氮浓度为80-85mg/l，第二部分是含氨氮和磷的生活污水，氨氮浓度为50-80mg/l,磷浓度在3-15mg/l，cod浓度为180-240mg/l；第三部分为含ca
2+
的人工配水，浓度为20-25mg/l；三股进水按照体积比1:1:1-1:1:3的比例泵入uasb，水力停留时间为6-21h；当出水硝态氮＜30mg/l且维持15天以上时，向反应器投加发酵污泥500-700ml，发酵污泥在系统中利用难降解有机物释放易降解有机物促进短程反硝化，当出水总氮去除率达到80％以上并维持15天以上时，认为短程反硝化/厌氧氨氧化反应器启动成功；2)系统的运行：sbr(2)进水为稀释的污泥消化液，氨氮浓度为500-1000mg/l,磷浓度为40-250mg/l，tcod浓度为500-3000mg/l，从第一原水箱(1)通过进水泵(2.1)泵入sbr(2)；每天运行1-2个周期，包括进水5min，缺氧搅拌30-120min，好氧曝气10-21h，沉淀30min，排水5min，排水比为30％-50％；在好氧曝气阶段，通过水质分析多参数测定仪实时监测反应器溶解氧变化，并调节气体流量计(2.3)，使do控制在0.05-0.1mg/l；sbr(2)含30-60mg/l氨氮和50-100mg/l硝态氮的出水通过截流阀(3.1)进入中间水箱(3)，在中间水箱(3)加入ca
2+
，使得ca/p质量浓度比为2.5-3.0，与第二原水箱(4)中的生活废水分别通过第二蠕动泵(3.2)和第三蠕动泵(4.1)泵入uasb(5)，进水体积比为1:1-2:1；在uasb(5)的上半部分安装
有环形塑料悬浮填料以截留厌氧氨氧化污泥，填充比为20％-50％，设置回流比为300％-500％。

技术总结
基于投加发酵污泥实现PNA与PDA深度脱氮除磷的装置和方法，属于污水生物处理领域。发酵液原水箱与短程硝化/厌氧氨氧化反应器、中间水箱、短程反硝化/厌氧氨氧化反应器、出水箱依次连接。运行方式是原水箱中的消化液进入序批式反应器(SBR)进行部分短程硝化和厌氧氨氧化反应，出水硝态氮与生活污水的氨氮作为基质进入UASB参与短程反硝化和厌氧氨氧化反应。在UASB中形成羟基磷灰石颗粒，进行磷的纯化，同时投加发酵污泥在运行过程中发酵生成有机酸，为短程反硝化提供碳源。本发明同步处理高氮废水及含磷废水，且处理过程生成的羟基磷灰石作为可回收产物实现了磷的资源化利用，对高氮磷的实际污水处理深度脱氮除磷具有重要意义。的实际污水处理深度脱氮除磷具有重要意义。的实际污水处理深度脱氮除磷具有重要意义。


技术研发人员：王博 汪文 王硕 江潭 王露
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/16