短程硝化/厌氧氨氧化-发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化处理污泥消化液的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种基于短程硝化/厌氧氨氧化-发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化工艺处理污泥消化液并处置剩余污泥的方法和装置，属于污泥消化液生化处理及污泥减量技术领域。首先在SBR反应器内通过控制曝气实现半短程硝化，随后厌氧氨氧化自养脱氮，最后在UASB反应器内实现污泥发酵、短程反硝化和厌氧氨氧化的耦合，在不外加碳源的情况下达到污泥消化液深度脱氮的目的，实现了污泥减量化与资源化，同时反应器中的生物膜及颗粒污泥也增强了系统的稳定性。本技术适用于污泥消化液深度处理及污泥减量化处理。

背景技术

随着我国经济的飞速发展，各行各业产生的污废水未经妥善处理排放进入受纳水体，引发了水华、赤潮等一系列富营养化现象，导致受纳水体溶解氧下降、水质恶化，影响鱼类及其他生物的生存，破坏了水生态平衡。

污泥是污水处理过程中无法避免的副产物，剩余污泥和初沉污泥在污泥消化池消化时，将固相中的有机氮转化为液相中的氨氮，使得污泥消化液成为高氨氮低C/N比废水。污泥消化液通常会被回流至污水处理厂前端的主反应区进行处理，使得我国传统污水处理厂曝气能耗高、外加碳源费用昂贵且剩余污泥产量大的问题更加突出。为了解决水体富营养化问题，我国制定了严格的污水排放标准，对污水处理厂的工艺也有了更高的要求。生物膜上的厌氧氨氧化菌能够利用亚硝态氮和氨氮进行自养脱氮，既减少了曝气量和外投碳源的费用又解决了厌氧氨氧化菌难以持留的问题，半短程硝化则可以为厌氧氨氧化提供稳定的亚硝态氮来源，但是短程硝化/厌氧氨氧化在处理污泥消化液时出水中仍会有大量硝态氮剩余，无法满足污泥消化液深度脱氮的需求。

因此短程硝化/厌氧氨氧化后接发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化工艺可以实现污泥消化液的深度脱氮，并且可以达到剩余污泥减量化、稳定化、资源化的目的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是解决污泥消化液深度脱氮和污泥减量化及资源化利用中的问题，提出了一种基于短程硝化/厌氧氨氧化-发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化工艺的装置和方法。

污泥消化液进入SBR反应器后，采取预缺氧/好氧/缺氧的运行方式，通过异氧菌和反硝化菌去除原水中的有机物和上周期剩余的硝态氮，随后通过氨氧化菌和生物膜上的厌氧氨氧化菌去除原水中的部分总氮，出水进入UASB反应器，通过水解酸化菌、反硝化菌和颗粒污泥中的厌氧氨氧化菌的共同作用，进一步降低出水总氮。本发明利用生物膜和颗粒污泥解决了由于厌氧氨氧化污泥易流失导致系统脱氮效果不稳定的问题，提高了系统的脱氮负荷及稳定性，实现了污泥消化液深度脱氮及污泥减量化和资源化，同时减少了外投碳源量及曝气量，降低了高氨氮低C/N比废水的处理成本。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

短程硝化/厌氧氨氧化-发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化处理污泥消化液的方法和装置，其特征在于，包括：原水水箱(1)、短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)、中间水箱(3)、储泥箱(4)、发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器(5)；

原水水箱(1)设有出水口(1.1)；短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)设有第一进水泵(2.1)、进水口(2.2)、曝气泵(2.3)、气体流量计(2.4)、pH/DO实时监测装置(2.5)、pH探头(2.6)、DO探头(2.7)、搅拌器(2.8)、曝气盘(2.9)、出水口(2.10)、排水阀(2.11)、排泥口(2.12)、排泥阀(2.13)和填料架(2.14)；中间水箱(3)设有中间水箱进水口(3.1)和中间水箱出水口(3.2)；储泥箱(4)设有进泥口(4.1)和出泥口(4.2)；发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器(5)设有集气装置(5.1)、第二进水泵(5.2)、进泥泵(5.3)、三相分离器(5.4)、取样口(5.5)、排空阀(5.6)、出水管(5.7)和回流泵(5.8)；

原水水箱(1)的出水口(1.1)通过第一进水泵(2.1)与短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)的进水口(2.2)相连，空气依次通过曝气泵(2.3)、气体流量计(2.4)和曝气盘(2.9)打入短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)，并通过pH/DO实时监测装置(2.5)监测其pH和DO值；短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)的出水口(2.10)通过排水阀(2.11)与中间水箱(3)的进水口(3.1)相连；短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)的排泥口(2.12)通过排泥阀(2.13)与中间水箱(3)的进水口(3.1)相连；中间水箱(3)的出水口(3.2)通过第二进水泵(5.2)与发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器(5)的底部相连；储泥箱(4)的出泥口通过进泥泵(5.3)与发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器(5)的底部相连；发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器(5)出水通过出水管(5.7)排出。

本发明同时提供短程硝化/厌氧氨氧化-发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化处理污泥消化液的方法，包括以下步骤：

1)系统的启动

(1)短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器的启动：SBR反应器的接种污泥为短程硝化活性污泥，控制接种后反应器内的污泥浓度为3000-5000mg/L，并通过排泥控制其污泥龄为25-30d；控制原水水箱中COD浓度为120-200mg/L，氨氮浓度为200-400mg/L，通过DO实时监测装置控制DO维持在1-1.5mg/L，设定反应器的排水比为0.5-0.7，每天运行4-6个周期，每个周期包括进水、曝气搅拌、沉淀、排水和闲置；在上述条件下运行反应器，当其出水中氨氮与亚硝态氮的质量浓度比为1-1.32且持续15天以上时，部分短程硝化得以实现；随后在SBR反应器中接种附着厌氧氨氧化菌的固定填料，其体积占反应器有效容积的25-30％，通过DO实时监测装置控制好氧段DO为1-1.5mg/L，反应器的排水比为0.5-0.7，每天运行3-4个周期，每个周期包括进水、缺氧搅拌、好氧搅拌、缺氧搅拌、沉淀、排水和闲置，在上述条件下运行反应器，当其出水中氨氮与亚硝态氮浓度均＜1mg/L且稳定运行15天以上时，认为短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器启动成功。

(2)发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器的启动：UASB反应器首先接种厌氧氨氧化颗粒污泥，接种污泥浓度为3000-4000mg/L，UASB反应器停留时间3-5h，污泥龄20-25d，进水采用亚硝态氮与氨氮质量比为1.3的人工配水，TN浓度为20-30mg/L，当总氮去除率达到90％以上且持续维持15天以上时，完成UASB反应器中对厌氧氨氧化菌的驯化；随后接种短程反硝化活性污泥进入UASB反应器，控制接种后反应器内的污泥浓度为7000-8000mg/L，进水采用含有氨氮、硝态氮及乙酸钠的人工配水，并控制进水中硝态氮及氨氮的质量比为1.5，总氮浓度为20-40mg/L，SCOD浓度为40-80mg/L，当系统出水总氮去除率达到85％以上且持续维持15天以上时，完成UASB反应器中厌氧氨氧化与短程反硝化的耦合；最后以剩余污泥取代乙酸钠作为反硝化的碳源使SCOD的浓度维持在40-80mg/L，当总氮去除率达到85％以上且持续维持15天时，认为发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器启动成功。

2)系统的运行

(1)打开第一进水泵，将原水水箱中的污泥消化液泵入SBR反应器中，该反应器以A/O/A(缺氧/好氧/缺氧)的方式运行，进水完毕后，预缺氧段短程硝化/厌氧氨氧化反应器中的搅拌器开启，缺氧搅拌30min，利用原水中的有机物反硝化去除上周期剩余的硝态氮。预缺氧段结束后，曝气泵开启向短程硝化/厌氧氨氧化反应器曝气，将原水中的氨氮部分转换为亚硝态氮，通过调节气体流量计控制DO在1-1.5mg/L，通过pH/DO在线监测装置监测pH及DO值，好氧搅拌时间为120-180min，曝气结束后，短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器中的曝气泵关闭，缺氧搅拌180-210min，生物膜上的厌氧氨氧化利用剩余氨氮及亚硝态氮进行自养脱氮，随后沉淀30min使泥水分离，打开第一排水阀，排水进入中间水箱，排水比为70％，每天运行3个周期，其余时间闲置。

(2)打开第二进水泵，将中间水箱中的污水泵入UASB反应器，同时储泥箱中的剩余污泥通过进泥泵泵入UASB反应器，控制UASB反应器内污泥浓度为7000-8000mg/L，水力停留时间3-5h，污泥龄20-25d，内循环回流比为100-120％；在上述条件下运行UASB反应器，实现剩余污泥及硝态氮废水在发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化反应器内的耦合处理，UASB反应器的出水和污泥通过出水管和排空阀排放。

本发明的技术原理如下：

污泥消化液进入SBR反应器中，在预缺氧段进行反硝化，去除上周期剩余硝态氮，在好氧段进行半短程硝化，将部分氨氮氨氧化为随后缺氧段的厌氧氨氧化反应提供底物，SBR反应器出水中含有较高浓度的硝态氮，排放进入中间水箱，随后与储泥箱中的剩余污泥一同进入UASB反应器，完成剩余污泥发酵、短程反硝化及厌氧氨氧化的耦合，利用剩余污泥发酵产生的挥发性脂肪酸进行短程反硝化，同时利用短程反硝化提供的亚硝态氮及污泥发酵提供的氨氮进行厌氧氨氧化，实现了污泥发酵同步高效处理污泥消化液。本发明的关键在于SBR反应器内的生物膜及UASB反应器内的颗粒污泥提高了厌氧氨氧化菌的持留率进而增强了系统的稳定性，且SBR反应器内半短程硝化的实现需要调控DO及pH，并通过控制曝气时间来控制亚硝态氮与氨氮的质量比为1.32来维持适宜厌氧氨氧化菌生存的环境。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)通过将短程硝化与厌氧氨氧化耦合实现低曝气量自养脱氮，并串联发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化工艺，实现了污泥消化液深度脱氮的同时将剩余污泥减量化、稳定化及资源化利用。

(2)将剩余污泥发酵、短程反硝化和厌氧氨氧化耦合为一体，在发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器中直接投加剩余污泥，减少了工艺占地面积的同时也避免了传统污泥发酵工艺的繁琐步骤，并且降低了处理成本。

(3)短程硝化/厌氧氨氧化后接发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化工艺中，生物膜和颗粒污泥的存在提高了厌氧氨氧化菌的持留率，同时由于后续发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化工艺的存在，保障了脱氮效果，增强了整个脱氮系统的稳定性和抵抗氮负荷冲击的能力。

附图说明

图1是短程硝化/厌氧氨氧化-发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化处理污泥消化液装置结构示意图。

图2是短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器的运行时序图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，短程硝化/厌氧氨氧化-发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化处理污泥消化液的方法和装置，其特征在于，包括：原水水箱(1)、短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)、中间水箱(3)、储泥箱(4)、发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器(5)；

原水水箱(1)设有出水口(1.1)；短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)设有第一进水泵(2.1)、进水口(2.2)、曝气泵(2.3)、气体流量计(2.4)、pH/DO实时监测装置(2.5)、pH探头(2.6)、DO探头(2.7)、搅拌器(2.8)、曝气盘(2.9)、出水口(2.10)、排水阀(2.11)、排泥口(2.12)、排泥阀(2.13)和填料架(2.14)；中间水箱(3)设有中间水箱进水口(3.1)和中间水箱出水口(3.2)；储泥箱(4)设有进泥口(4.1)和出泥口(4.2)；发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器(5)设有集气装置(5.1)、第二进水泵(5.2)、进泥泵(5.3)、三相分离器(5.4)、取样口(5.5)、排空阀(5.6)、出水管(5.7)和回流泵(5.8)；

原水水箱(1)的出水口(1.1)通过第一进水泵(2.1)与短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)的进水口(2.2)相连，空气依次通过曝气泵(2.3)、气体流量计(2.4)和曝气盘(2.9)打入短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)，并通过pH/DO实时监测装置(2.5)监测其pH和DO值；短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)的出水口(2.10)通过排水阀(2.11)与中间水箱(3)的进水口(3.1)相连；短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器(2)的排泥口(2.12)通过排泥阀(2.13)与中间水箱(3)的进水口(3.1)相连；中间水箱(3)的出水口(3.2)通过第二进水泵(5.2)与发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器(5)的底部相连；储泥箱(4)的出泥口通过进泥泵(5.3)与发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器(5)的底部相连；发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器(5)出水通过出水管(5.7)排出。

具体实验用水采用污水处理厂的污泥硝化液为原水，具体水质如下：pH为6.5-7.5，COD浓度为150-240mg/L，氨氮浓度为200-400mg/L，亚硝态氮及硝态氮均在检测限以下，COD/N比为0.375-1.2。试验每天所加污泥为北京市高碑店再生水厂回流污泥(污泥浓度为8000-10000mg/L)及短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器排出的剩余污泥(污泥浓度为3000-5000mg/L)。短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器所用SBR的有效容积为10L，排水比为0.7，每天运行3个周期。发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器有效容积为5L，水力停留时间为3h。

具体运行过程如下：

1)系统的启动

(1)短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器的启动：SBR反应器的接种污泥为短程硝化活性污泥，控制接种后反应器内的污泥浓度为3000-5000mg/L，并通过排泥控制其污泥龄为25-30d；控制原水水箱中COD浓度为120-200mg/L，氨氮浓度为200-400mg/L，通过DO实时监测装置控制DO维持在1-1.5mg/L，设定反应器的排水比为0.5-0.7，每天运行4-6个周期，每个周期包括进水、曝气搅拌、沉淀、排水和闲置；在上述条件下运行反应器，当其出水中氨氮与亚硝态氮的质量浓度比为1-1.32且持续15天以上时，部分短程硝化得以实现；随后在SBR反应器中接种附着厌氧氨氧化菌的固定填料，其体积占反应器有效容积的25-30％，通过DO实时监测装置控制好氧段DO为1-1.5mg/L，反应器的排水比为0.5-0.7，每天运行3-4个周期，每个周期包括进水、缺氧搅拌、好氧搅拌、缺氧搅拌、沉淀、排水和闲置，在上述条件下运行反应器，当其出水中氨氮与亚硝态氮浓度均＜1mg/L且稳定运行15天以上时，认为短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器启动成功。

(2)发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器的启动：UASB反应器首先接种厌氧氨氧化颗粒污泥，接种污泥浓度为3000-4000mg/L，UASB反应器停留时间3-5h，污泥龄20-25d，进水采用亚硝态氮与氨氮质量比为1.3的人工配水，TN浓度为20-30mg/L，当总氮去除率达到90％以上且持续维持15天以上时，完成UASB反应器中对厌氧氨氧化菌的驯化；随后接种短程反硝化活性污泥进入UASB反应器，控制接种后反应器内的污泥浓度为7000-8000mg/L，进水采用含有氨氮、硝态氮及乙酸钠的人工配水，并控制进水中硝态氮及氨氮的质量比为1.5，总氮浓度为20-40mg/L，SCOD浓度为40-80mg/L，当系统出水总氮去除率达到85％以上且持续维持15天以上时，完成UASB反应器中厌氧氨氧化与短程反硝化的耦合；最后以剩余污泥取代乙酸钠作为反硝化的碳源使SCOD的浓度维持在40-80mg/L，当总氮去除率达到85％以上且持续维持15天时，认为发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化UASB反应器启动成功。

2)系统的运行

(1)打开第一进水泵，将原水水箱中的污泥消化液泵入SBR反应器中，该反应器以A/O/A(缺氧/好氧/缺氧)的方式运行，进水完毕后，预缺氧段短程硝化/厌氧氨氧化反应器中的搅拌器开启，缺氧搅拌30min，利用原水中的有机物反硝化去除上周期剩余的硝态氮。预缺氧段结束后，曝气泵开启向短程硝化/厌氧氨氧化反应器曝气，将原水中的氨氮部分转换为亚硝态氮，通过调节气体流量计控制DO在1-1.5mg/L，通过pH/DO在线监测装置监测pH及DO值，好氧搅拌时间为120-180min，曝气结束后，短程硝化/厌氧氨氧化SBR反应器中的曝气泵关闭，缺氧搅拌180-210min，生物膜上的厌氧氨氧化利用剩余氨氮及亚硝态氮进行自养脱氮，随后沉淀30min使泥水分离，打开第一排水阀，排水进入中间水箱，排水比为70％，每天运行3个周期，其余时间闲置。

(2)打开第二进水泵，将中间水箱中的污水泵入UASB反应器，同时储泥箱中的剩余污泥通过进泥泵泵入UASB反应器，控制UASB反应器内污泥浓度为7000-8000mg/L，水力停留时间3-5h，污泥龄20-25d，内循环回流比为100-120％；在上述条件下运行UASB反应器，实现剩余污泥及硝态氮废水在发酵耦合短程反硝化/厌氧氨氧化反应器内的耦合处理，UASB反应器的出水和污泥通过出水管和排空阀排放。

连续实验结果表明：运行稳定后，最终反应器出水氨氮小于5mg/L，出水总氮小于15mg/L，出水COD＜50mg/L，实现了污泥消化液的深度脱氮且污泥减量率可达25％。

以上是本发明的具体实施案例，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。