CN112939348A

CN112939348A - 一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的系统及方法

Info

Publication number: CN112939348A
Application number: CN202110143924.7A
Authority: CN
Inventors: 隋倩雯; 狄斐; 魏源送
Original assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Current assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2021-06-11

Abstract

本发明公开了一种一体化亚硝化‑厌氧氨氧化同步反硝化除磷的系统及方法，系统包括：进水水箱，用于容置污水，并用于向膜曝气反应器中通入污水；膜曝气反应器，与进水水箱连接，以便处理进水水箱通入到膜曝气反应器中的污水；其中，膜曝气反应器内容置有含有聚磷菌的絮体泥，膜曝气反应器内设置有中空纤维膜，中空纤维膜的膜丝表面附着有生物膜，生物膜上附着有氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌，氨氧化细菌附着在生物膜上接近膜丝表面一侧，厌氧氨氧化细菌附着在生物膜上远离膜丝表面的一侧；出水水箱，用于接收膜曝气反应器处理过后的污水；通过将反硝化除磷、部分亚硝化‑厌氧氨氧化耦合到一个反应器内，降低了运行成本，占地面积小，运行能耗低。

Description

一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的系统及方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的系统及方法。

背景技术

污水的脱氮除磷一直是研究领域的热点及难点，传统活性污泥法处理污水的工艺成熟，普遍应用于城市污水处理与高浓度有机废水处理工程中，存在能耗大、化学药剂投加量大、运行成本高等问题，需要开发节能、降耗的污水处理技术与装置。

废水生物除磷是指利用微生物的代谢作用去除污水中的磷，微生物通过吸收污水中的PO₄ ^3--P形成富磷污泥，然后通过排放富磷污泥实现污水中磷的去除，活性污泥法处理污水时，将活性污泥交替在厌氧以及好氧状态下运行，能使过量积聚磷酸盐的积磷菌占优势生长，使活性污泥含磷量比普通活性污泥高。污泥中积磷菌在厌氧状态下释放磷，在好氧/缺氧状态下过量地摄取磷。经过排放富磷剩余污泥，传统的污水处理厂大都采用上述方法。

氮废水的脱氮机理包括硝化作用和反硝化作用两个基本过程。硝化作用是指由氨氮转化为硝态氮的过程，该过程主要依靠亚硝化细菌和硝化细菌两类好氧自养菌来完成。

亚硝化-厌氧氨氧化反应在实现脱氮的同时产生一定硝酸盐，通常产生硝酸盐占10％～20％生物脱氮量，造成总氮去除率偏低。

但是，目前的污水处理厂中上述反应并不能在同一个反应池中同步进行，脱氮和除磷的效率不高，占用场地大，能耗高，污泥产量多，出水水质低。目前亟待解决的技术问题是，提出一种高效的，集成度高的脱氮除磷的方法，降低能耗，降低污泥产量，提高出水水质。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高集成度的一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的系统，可以在同一个反应器内完成聚磷菌吸磷、废水脱氮等功能，实现了降低能耗、降低污泥产量以及提高出水水质的技术进步。同时，本发明公开的高集成度的一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的系统可用于对传统的设备进行改造升级，具体方案如下。

本发明公开了一种一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的系统，包括：

进水水箱，用于容置污水，并用于向膜曝气反应器中通入污水；

所述膜曝气反应器，与所述进水水箱连接，以便处理所述进水水箱通入到所述膜曝气反应器中的污水；其中，所述膜曝气反应器内设置有中空纤维膜；

回流泵，所述回流泵两端分别与所述膜曝气反应器两端连接；

所述中空纤维膜的膜丝表面附着有生物膜，所述生物膜上附着有氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌，所述氨氧化细菌附着在所述生物膜上接近所述膜丝表面一侧，所述厌氧氨氧化细菌附着在所述生物膜上远离所述膜丝表面的一侧；

出水水箱，用于接收所述膜曝气反应器处理过后的污水；

其中，所述膜曝气反应器内通过聚磷菌与污水进行厌氧反应，以实现所述聚磷菌的厌氧释磷与碳源储存。

根据本发明的一些实施例，还包括空气压缩机，所述空气压缩机与所述中空纤维膜连接。

根据本发明的一些实施例，所述生物膜的单位膜丝长度生物附着量为0.5mg/cm。

本发明还公开一种一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的方法，包括：

S1，通过进水水箱向膜曝气反应器内通入污水，通过所述膜曝气反应器内的聚磷菌与所述污水进行厌氧反应，以实现所述聚磷菌的厌氧释磷与碳源储存，所述聚磷菌以活性污泥的方式容置在所述膜曝气反应器内；

S2，通过所述膜曝气反应器内的中空纤维膜对厌氧反应后的污水进行无泡曝气，通过聚磷菌、氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌进行除氮和除磷，其中，所述中空纤维膜的膜丝表面附着所述生物膜，所述氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌位于所述生物膜上，用于在曝气时发生亚硝化-厌氧氨氧化反应，并产生硝酸盐；

S3，静置沉淀进行泥水分离，排出部分上清液以及部分沉淀污泥；

其中，在所述无泡曝气过程中所述生物膜从内向外分形成梯度的好氧区域-厌氧区域，产生的硝酸盐与所述活性污泥中聚磷菌发生反硝化除磷。

根据本发明的一些实施例，所述一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的方法为序批式运行，以重复执行所述S1至所述S3。

根据本发明的一些实施例，所述S1中，向膜曝气反应器内通入污水后，进行厌氧搅拌。

根据本发明的一些实施例，所述厌氧搅拌的时间为1.5～2.5h。

根据本发明的一些实施例，所述S2中，向所述中空纤维膜内通入空气进行曝气，曝气时间为1.5～2.5h。

根据本发明的一些实施例，所述曝气采用间歇曝气方式，曝气流量为0.1～0.15L/min，曝气压力为10～15kPa。

根据本发明的一些实施例，静置沉淀20～40min进行泥水分离，排出的上清液比例为50-60％，排泥后的污泥龄为20～30d。

通过上述技术方案，本发明通过将反硝化除磷、部分亚硝化-厌氧氨氧化耦合到所述膜曝气反应器内，膜曝气反应器两端分别与进水水箱和出水水箱连接，可以充分利用生活污水中有限的碳源实现了污水生物脱氮除磷，降低了运行成本。另外，通过膜曝气方式能够在生物膜和膜丝表面形成异向传质生物结构，有利于氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌实现亚硝化-厌氧氨氧化的有机结合，高效稳定地自养型生物脱氮，由亚硝化-厌氧氨氧化产生的少量硝酸盐释放到絮体泥中，有利于反硝化除磷反应进一步脱氮、除磷，同时减少了污水处理工程中温室气体的排放，集成度高，占地面积小，运行能耗、成本低，适用于小规模污水处理装置化运行，或污水厂升级改造。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例的一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的系统的结构示意图；

图2示意性示出了本公开实施例的一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的方法的流程图；

其中，1表示进水水箱，2表示膜曝气反应器，2.1表示进水泵，2.2表示中空纤维膜，2.3表示搅拌器，2.4表示压力表，2.5表示流量计，2.6表示空气压缩机，2.7表示回流泵，3表示出水水箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释，例如，SBR是序批式活性污泥法的简称，在同一反应池(器)中，按时间顺序由进水、曝气、沉淀、排水和待机五个基本工序组成的活性污泥污水处理方法，简称SBR法。

为了解决上述技术问题，本发明将反硝化除磷与基于膜曝气的一体化亚硝化-厌氧氨氧化工艺结合起来，在同一反应器内实现同步脱氮除磷，反应器集成度高，脱氮负荷高，能耗低，污泥产量少，出水水质高，在增效扩容上提供了一种新思路，尤其适用于已建成污水厂升级改造，具有广阔发展与应用前景，具体方案如下。

图1示意性示出了本公开实施例的一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的系统的结构示意图。

本发明公开了一种一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的系统，如图1所示，包括进水水箱1、膜曝气反应器2、回流泵2.7和出水水箱3。

根据本发明的一些实施例，进水水箱1用于容置污水，并用于向膜曝气反应器2中通入污水。

根据本发明的一些实施例，可选的，进水水箱1可以是污水处理厂的既有污水池，也可以省略，采用污水管道直接将污水通入到膜曝气反应器2内。

根据本发明的一些实施例，膜曝气反应器2与进水水箱1连接，以便处理进水水箱1通入到膜曝气反应器2中的污水；其中，膜曝气反应器2内设置有中空纤维膜2.2。

根据本发明的一些实施例，中空纤维膜2.2的曝气方式为无泡曝气。

根据本发明的一些实施例，回流泵2.7两端分别与膜曝气反应器2两端连接。

根据本发明的一些实施例，中空纤维膜2.2的膜丝表面附着有生物膜，生物膜上附着有氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌。

根据本发明的一些实施例，氨氧化细菌附着在生物膜上接近膜丝表面一侧，厌氧氨氧化细菌附着在生物膜上远离膜丝表面的一侧。

根据本发明的一些实施例，MABR(Membrane-aerated biofilm reactor，膜曝气生物反应器)的膜材料可以作为负载载体，在膜表面形成生物膜，模腔内侧的氧气由内扩散，生物膜由内向外依次形成好氧区、兼氧区、和厌氧区环境，微生物利用该生存环境进行功能分区，形成溶解氧与底物异向传质的生物膜结构，利于促进稳定的一体式部分亚硝化-厌氧氨氧化反应。

根据本发明的一些实施例，出水水箱3用于接收膜曝气反应器2处理过后的污水。

根据本发明的一些实施例，可选的，出水水箱3可以为污水处理厂的既有污水池，也可以省略，将处理过后合格的污水直接排放至预设地点。

根据本发明的一些实施例，膜曝气反应器2内通过聚磷菌与污水进行厌氧反应，以实现聚磷菌的厌氧释磷与碳源储存。

根据本发明的一些实施例，膜曝气反应器2内接种城市生活污水处理厂剩余污泥，其内部富含聚磷菌。

根据本发明的一些实施例，聚磷菌包括普通聚磷菌和反硝化聚磷菌。

根据本发明的一些实施例，还包括空气压缩机2.6，空气压缩机2.6与中空纤维膜2.2连接。

根据本发明的一些实施例，生物膜的单位膜丝长度生物附着量为0.5mg/cm。

图2示意性示出了本公开实施例的一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的方法的流程图。

本发明还公开一种一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的方法，如图2所示，包括步骤S1、S2和S3。

根据本发明的一些实施例，S1，通过进水水箱1向膜曝气反应器2内通入污水，通过膜曝气反应器2内的聚磷菌与污水进行厌氧反应，以实现聚磷菌的厌氧释磷与碳源储存，聚磷菌以活性泥的方式容置在膜曝气反应器内。

根据本发明的一些实施例，S2，通过中空纤维膜2.2对厌氧反应后的污水进行无泡曝气，通过聚磷菌、氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌进行除氮和除磷，其中，中空纤维膜2.2的膜丝表面附着生物膜，氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌位于生物膜上，用于在曝气时发生亚硝化-厌氧氨氧化反应，并产生硝酸盐。

根据本发明的一些实施例，S3，静置沉淀进行泥水分离，排出部分上清液以及部分沉淀污泥。

根据本发明的一些实施例，膜曝气反应器2在运行阶段包括厌氧反应阶段和好氧反应阶段。

根据本发明的一些实施例，在厌氧反应阶段，污水经第一进水泵2.1进入膜曝气反应器2中，进水的同时搅拌器2.3开启，厌氧搅拌，聚磷菌利用进水碳源发生厌氧释磷与内碳源储存。

根据本发明的一些实施例，在好氧反应阶段，通过空气压缩机2.6向中空纤维膜2.2膜丝内部进行曝气，根据进水水质与曝气量需求可采用间歇曝气方式。通过空气压缩机2.6向模腔内部曝气，形成异向传质的生物膜结构，膜丝表面从内向外分别形成好氧-缺氧梯度生物膜结构。膜丝表面(生物膜内部好氧区)在氨氧化细菌的作用下发生氨氧化作用，将进水NH₄ ⁺-N部分亚硝化为NO₂ ^--N，生物膜外部的厌氧氨氧化细菌进一步利用NH₄ ⁺-N和NO₂ ^--N发生厌氧氨氧化作用。厌氧氨氧化反应产生的少量NO₃ ^--N进入混合液中，聚磷菌利用硝酸盐发生反硝化除磷，实现氮、磷的同步去除。

根据本发明的一些实施例，在好氧反应阶段，膜曝气反应器2内含有泥水混合液，其中富含聚磷菌，利用进水有机物发生厌氧释磷，并利用NO₃ ^-化进行反硝化除磷。

根据本发明的一些实施例，厌氧氨氧化细菌以无机碳化合物为碳源，发生以NO₂ ^-为电子受体、NH4⁺为电子供体的氧化还原反应，产生N₂的同时并产生少量NO₃ ^-。。

根据本发明的一些实施例，聚磷菌摄取并氧化分解有机物，产生的能量一部分用于磷的吸收和聚磷的合成，一部分则使ADP与H₃PO₄结合，转化为ATP而储存起来，以聚磷(一种高能无机化合物)的形式在细胞中储存磷，其能量可以超过生长所需，这一过程称为聚磷菌磷的摄取。处理过程中，通过从系统中排除高磷污泥以达到去除磷的目的。在厌氧和无氮氧化物存在的条件下，聚磷菌体内的ATP进行水解，放出H₃PO₄和能量，形成ADP，这一过程为聚磷菌磷的释放。

反硝化聚磷菌可以利用氧气作为电子受体，还能够在缺氧的条件下以硝酸盐(NO_X ^-)作为电子受体来氧化聚-β-羟基丁酸盐(PHB)，不仅可以使硝态氮转化为氮气溢出体外，同时过量地摄取污水中的磷酸盐，从而达到除磷和反硝化(脱氮)在同一时期同一环境下进行的目的，同步去除污水的氮与磷。

根据本发明的一些实施例，膜曝气反应器2包括中空纤维膜2.2，中空纤维膜2.2的膜丝表面附着生物膜，在无泡曝气过程中生物膜从内向外分形成梯度的好氧区域-厌氧区域。

根据本发明的一些实施例，一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的方法为序批式运行，以重复执行S1至S4。

根据本发明的一些实施例，S1中，向膜曝气反应器2内通入污水后，进行厌氧搅拌。

根据本发明的一些实施例，厌氧搅拌的时间为1.5～2.5h。

根据本发明的一些实施例，S2中，向中空纤维膜2.2内通入空气进行曝气，曝气时间为1.5～2.5h。

根据本发明的一些实施例，曝气采用间歇曝气方式，曝气流量为0.1～0.15L/min，曝气压力为10～15kPa。

根据本发明的一些实施例，本发明公开的系统可以根据污水处理厂既有的设备进行改造升级，提高污水处理的效率，降低能耗。

通过上述技术方案，本发明通过将反硝化除磷、部分亚硝化-厌氧氨氧化耦合到一个反应器内，充分利用生活污水中有限的碳源实现了污水生物脱氮除磷，降低了运行成本。

通过膜曝气方式能够形成异向传质生物结构，有利于氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌实现亚硝化-厌氧氨氧化的有机结合，有利于高效稳定地自养型生物脱氮，同时减少了污水处理工程中温室气体的排放。

采用膜曝气的运行方式，有利用提高充氧效率，提高氧气利用率，大幅降低运行能耗。

集成度高，占地面积小，运行能耗、成本低，适用于小规模污水处理装置化运行，或污水厂升级改造。至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的系统，其特征在于，包括：

出水水箱，用于接收所述膜曝气反应器处理过后的污水；

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，还包括空气压缩机，所述空气压缩机与所述中空纤维膜连接。

3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述生物膜的单位膜丝长度生物附着量为0.5mg/cm。

4.一种一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的方法，其特征在于，包括：

S2，通过所述膜曝气反应器内的中空纤维膜对厌氧反应后的污水进行无泡曝气，通过聚磷菌、氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌进行除氮和除磷，其中，所述中空纤维膜的膜丝表面附着所述生物膜，所述氨氧化细菌和所述厌氧氨氧化细菌位于所述生物膜上，用于在曝气时发生亚硝化-厌氧氨氧化反应，并产生硝酸盐；

5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，所述一体化亚硝化-厌氧氨氧化同步反硝化除磷的方法为序批式运行，以重复执行所述S1至所述S3。

6.根据权利要求4或5所述方法，其特征在于，所述S1中，向膜曝气反应器内通入污水后，进行厌氧搅拌。

7.根据权利要求6所述方法，其特征在于，所述厌氧搅拌的时间为1.5～2.5h。

8.根据权利要求4或5所述方法，其特征在于，所述S2中，向所述中空纤维膜内通入空气进行曝气，曝气时间为1.5～2.5h。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述曝气采用间歇曝气方式，曝气流量为0.1～0.15L/min，曝气压力为10～15kPa。

10.根据权利要求4或5所述方法，其特征在于，静置沉淀20～40min进行泥水分离，排出的上清液比例为50-60％，排泥后的污泥龄为20～30d。