公布日：2023.07.25
申請日：2023.04.18
分類號：C02F9/00(2023.01)I;C02F3/28(2023.01)N;C02F3/30(2023.01)N;C02F3/00(2023.01)N;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本發明涉及水處理領域，公開了一種基于顆粒污泥耦合生物膜法絮狀污泥的水處理方法，包括：（1）培養階段：在反應器內接入厭氧氨氧化顆粒污泥和硝化/反硝化脫氮絮狀污泥，通廢水，循環回流水與廢水混合后在曝氣下依次經過底層污泥床、顆粒污泥反應區、生物膜反應區和三相分離器，部分從三相分離器流出，剩余部分作為循環回流水；培養階段依次分為：菌體篩選階段，采用間歇曝氣和間歇進水模式；活性變更階段，活性提高階段和活性穩定階段采用連續曝氣和進水模式；（2）穩定階段：同活性穩定階段。本發明方法可提高厭氧氨氧化顆粒污泥的顆粒度，減少跑泥量，長期保持活性；可顯著縮短傳統厭氧氨氧化工藝的啟動時間，并提高總氮平均去除效率。
權利要求書
1.一種基于顆粒污泥耦合生物膜法絮狀污泥的水處理方法，其特征在于包括：（1）培養階段：在反應器內接入厭氧氨氧化顆粒污泥和硝化/反硝化脫氮絮狀污泥，通廢水，出現循環回流水后，與廢水混合形成混合廢水后通入反應器，在曝氣下水流依次經過反應器內的底層污泥床、顆粒污泥反應區、生物膜反應區和三相分離器，部分從三相分離器流出，剩余部分作為循環回流水；培養階段依次分為：第1-30d為菌體篩選階段，采用間歇曝氣和間歇進水模式，曝氣時水溶氧為0.5-0.7mg/L，進水時循環回流水的回流比為28-32%；第31-60d為活性變更階段，采用連續曝氣和連續進水模式，控制水溶氧為0.7-1mg/L，循環回流水的回流比為28-32%；第61-90d為活性提高階段，采用連續曝氣和連續進水模式，控制水溶氧為0.9-1.1mg/L，循環回流水的回流比為38-42%；第91-110d為活性穩定階段，采用連續曝氣和連續進水模式，控制水溶氧為1-1.5mg/L，循環回流水的回流比為48-52%；（2）穩定階段：維持活性穩定階段的工藝。
2.如權利要求1所述的水處理方法，其特征在于：步驟（1）中，在菌體篩選階段，所述間歇曝氣為曝氣50-70min，停止50-70min；所述間歇進水為單次進水量達到反應器容量后，停止1.5-2.5h；在整個培養階段，若亞硝氮與氨氮的濃度比>1.5:1，立即停止曝氣和/或停止進水，待恢復后重新啟動。
3.如權利要求1或2所述的水處理方法，其特征在于：步驟（1）中，厭氧氨氧化顆粒污泥至少占總污泥質量的50%；接種的厭氧氨氧化顆粒占反應器總容量的45-55%，接種的硝化/反硝化脫氮絮狀污泥占反應器總容量的25-35%。
4.如權利要求1或2所述的水處理方法，其特征在于：步驟（1）中，生物膜反應區和顆粒污泥反應區的總體積不少于反應器總體積的80%，且生物膜反應區的體積不大于底層污泥床和顆粒污泥反應區的總和；當廢水為陌生水質，無法完全確定是否可以穩定持續顆粒化時，生物膜反應區與顆粒污泥反應區和底層污泥床的總和的體積比為0.8-1:1，當廢水水質確定可以持續穩定顆粒化時，兩者體積之比為1:2.5-3.5。
5.如權利要求1或2所述的水處理方法，其特征在于：步驟（1）中，廢水進水前經過預處理，直至COD低于1000mg/L，SS低于1000mg/L。
6.如權利要求1或2所述的水處理方法，其特征在于：步驟（1）中，混合廢水的水質滿足：氨氮和/或亞硝氮濃度不超過反應器內厭氧氨氧化顆粒污泥所能承受的最大負荷；電導率低于反應器內厭氧氨氧化顆粒污泥中厭氧氨氧化菌的抑制值；溫度為33-37℃；pH為7.5-8.0。
7.如權利要求1所述的水處理方法，其特征在于：在水處理系統中進行，所述水處理系統包括反應器，用于反應器底部進水的進水泵，用于從反應器頂部抽出循環回流水并從底部重新通入的回流泵；反應器內：底部為底層污泥床，設有排泥閥、曝氣器和與進水泵連通的布水器；中部為顆粒污泥反應區，設有用于監測亞硝氮/氨氮/硝態氮/溫度/pH/溶解氧/氧化還原電位的傳感器；頂部為生物膜反應區和三相分離器，生物膜反應區中設有填料；三相分離器位于生物膜反應區中，其頂部設有進水口和延伸至反應器外的出水堰，出水堰高于進水口且低于反應器內的液位，進水口和出水堰之間的通道中設有用于固液分離的折板分離區，三相分離器的底部設有出泥口。
8.如權利要求7所述的水處理方法，其特征在于：所述折板分離區中設有若干呈100-130°的二折板，二折板之間平行排列，二折板的中心線與水平面平行，相鄰二折板之間的空隙構成折板分離區的通道。
9.如權利要求8所述的水處理方法，其特征在于：所述反應器的高徑比不小于3:1。
10.如權利要求8所述的水處理方法，其特征在于：所述填料為固定填料或懸浮填料。
發明內容
針對現有技術中厭氧氨氧化工藝啟動難、污泥流失顯著、應用場景受限技術問題，本發明提供了一種基于顆粒污泥耦合生物膜法絮狀污泥的水處理方法。本發明方法可提高厭氧氨氧化顆粒污泥的顆粒度，減少跑泥量，并長期保持其活性；可顯著縮短傳統厭氧氨氧化工藝的啟動時間，總氮的平均去除效率能夠達90％以上。
本發明的具體技術方案為：一種基于顆粒污泥耦合生物膜法絮狀污泥的水處理方法，包括以下步驟：
(1)培養階段：在反應器內接入厭氧氨氧化顆粒污泥和硝化/反硝化脫氮絮狀污泥，通入廢水，出現循環回流水后，與廢水混合形成混合廢水后通入反應器，在曝氣下水流依次經過反應器內的底層污泥床、顆粒污泥反應區、生物膜反應區和三相分離器，部分從三相分離器流出，剩余部分作為循環回流水。
培養階段依次分為：菌體篩選階段，采用間歇曝氣和間歇進水模式；活性變更階段，活性提高階段和活性穩定階段采用連續曝氣和進水模式；后一階段的水溶氧、循環回流水回流比不低于前一階段。
(2)穩定階段：維持活性穩定階段的工藝。
在本發明的培養階段，底部的污泥通過底部曝氣分散，并通過回流泵上升到顆粒污泥反應區，廢水中的氨氮和亞硝氮會優先在顆粒污泥反應區反應脫氮，未完全脫除的氨氮和亞硝氮會繼續在生物膜反應區繼續完成剩余部分的脫氮。顆粒污泥區產生的絮狀污泥會伴隨反應器內產生的氣泡上浮至生物膜反應區，掛膜于填料上，完成截留部分污泥，同時營造出第二脫氮區域。當廢水在顆粒污泥反應區和生物膜反應區完成反應后，氮氣直接從反應器頂部逸散，廢水通過三相分離器進水后進行泥水分離，分離完成后，顆粒污泥以及部分絮狀污泥再次回到生物膜反應區下方，出水通過三相分離器上方排出至出水罐。
本發明在將顆粒污泥與絮狀污泥進行耦合的基礎上，有針對性地將該階段分為四個分階段，每個分階段分別采用不通的曝氣和進水模式，該方法可提高厭氧氨氧化顆粒污泥的顆粒度，減少跑泥量，并長期保持污泥活性。與傳統厭氧氨氧化工藝相比可顯著縮短啟動時間。
作為優選，步驟(1)中，培養階段的四個分階段分別為：
第1-30d為菌體篩選階段，采用間歇曝氣和間歇進水模式，曝氣時控制水溶氧為0.5-0.7mg/L，進水時循環回流水的回流比為28-32％；在菌體篩選階段，所述間歇曝氣為曝氣50-70min，停止50-70min；所述間歇進水為單次進水量達到反應器容量后，停止1.5-2.5h。
在菌體篩選階段，進行低溶氧(0.5-0.7mg/L)、高回流比(28-32％)的間歇曝氣和進水。其中，每進水一次，反應器內的溶氧值DO通過監測傳感器中的溶氧實時監測來進行反饋聯動控制溶氧在0.5-0.7mg/L。反應器進行高回流比能夠均勻反應器中的溶氧和物料濃度，并且提供較高的上升流速加速顆粒污泥的形成。每隔1.5-2.5h進水能夠保證反應器中的氨氮濃度足夠進行亞硝化反應。在進行低溶氧曝氣在低溶氧過程中(DO＜1.5mg/L)，特別是DO＜1mg/L的情況下，亞硝化反應的活性會極大地高于硝化反應，從而使得亞硝化細菌AOB會逐漸取代硝化細菌NOB，由于采用間歇曝氣，厭氧時間與好氧時間比為1:1左右，能夠使得通過硝化反應生成的硝酸被反硝化細菌主導的反硝化反應充分消耗掉，使得亞硝酸的含量快速提高，從而抑制硝化細菌的活性。另外在低溶氧濃度下，厭氧氨氧化菌也能夠因為足夠的亞硝和氨氮從而進行緩慢的增殖。因此在此階段主要篩選出亞硝化菌和保留厭氧氨氧化菌，硝化細菌逐漸因為不適應環境逐漸被淘汰。
第31-60d為活性變更階段，采用連續曝氣和連續進水模式，控制水溶氧為0.7-1mg/L，循環回流水的回流比為28-32％。
在活性變更階段，進行長時間低溶氧(0.7-1mg/L)、高回流比(28-32％)的連續曝氣和進水。反應器內的溶氧值DO通過監測傳感器中的溶氧實時監測來進行反饋聯動控制溶氧在0.7-1mg/L內。保持反應器高回流比(28-32％)不變，繼續均勻反應器中的溶氧和物料濃度，并且提供較高的上升流速加速顆粒污泥的形成。在篩選出亞硝化細菌和厭氧氨氧化菌后進行連續進水的模式，給亞硝化菌提供充足的底物進行增殖和反應，并且適當提高溶氧DO值(0.7-1mg/L，＜1.5mg/L)，使得占優勢的亞硝化菌產生更多亞硝，并且在此過程中抑制反硝化細菌的增殖，防止反硝化菌直接利用廢水中剩余的碳源將亞硝酸鹽直接脫除為氮氣，從而使得厭氧氨氧化菌得到充足的亞硝酸鹽和氨氮作為底物進行增殖和反應。
第61-90d為活性提高階段，采用連續曝氣和連續進水模式，控制水溶氧為0.9-1.1mg/L，循環回流水的回流比為38-42％。
在活性提高階段，進行長時間低溶氧(0.9-1.1mg/L)、高回流比(38-42％)的連續曝氣和進水。反應器內的溶氧值DO通過監測傳感器12中的溶氧實時監測來進行反饋聯動控制溶氧在1mg/L左右。提高反應器高回流比到(38-42％)，加速均勻反應器中的溶氧和物料濃度，并且開始形成厭氧氨氧化顆粒污泥。維持低溶氧(0.9-1.1mg/L)，加速亞硝化菌增殖和轉換更多的氨氮為亞硝給厭氧氨氧化顆粒污泥提供亞硝酸鹽，并且通過亞硝化細菌和厭氧氨氧化細菌的協同作用形成厭氧氨氧化顆粒污泥。
第91-110d為活性穩定階段，采用連續曝氣和連續進水模式，控制水溶氧為1-1.5mg/L，循環回流水的回流比為48-52％。
在活性穩定階段，進行長時間較低溶氧(1-1.5mg/L)、高回流比(48-52％)的連續曝氣和進水。反應器內的溶氧值DO通過監測傳感器12中的溶氧實時監測來進行反饋聯動控制溶氧在1-1.5mg/L左右。繼續提高反應器高回流比到(48-52％)，加速均勻反應器中的溶氧和物料濃度，并且加快的上升流速能夠快速鞏固厭氧氨氧化顆粒污泥和加快顆粒污泥和絮狀污泥的分離，并促進更多的厭氧氨氧化顆粒污泥的形成，最終可得到顆粒度較高的厭氧氨氧化顆粒污泥。
在整個培養階段，若亞硝氮與氨氮的濃度比＞1.5:1，立即停止曝氣和/或停止進水，待恢復后重新啟動。
在整個培養階段，一旦亞硝氮的濃度臨近抑制濃度的范圍(亞硝酸：氨氮＞1.5：1)，則需立即關停曝氣系統，相應降低反應器內溶解氧，從而弱化亞硝化反應，減少亞硝氮的供應，或是停止進水，待反應器內亞硝氮逐步消耗一部分后，再重新進水。在整個培養階段中，在反應器內完成亞硝化/厭氧氨氧化的情境下，將反應器內溶解氧濃度控制在0.5-1.5mg/L之間，抑制亞硝酸鹽氧化菌NOB的同時，保證氨氧化菌AOB和厭氧氨氧化菌AMX菌的正活性。
作為優選，步驟(1)中，厭氧氨氧化顆粒污泥和硝化/反硝化脫氮絮狀污泥的含水量低于90wt％。
較高的污泥固含量能保證污泥的活性。
作為優選，步驟(1)中，厭氧氨氧化顆粒污泥至少占總污泥質量的50％；接種的厭氧氨氧化顆粒占反應器總容量的45-55％，接種的硝化/反硝化脫氮絮狀污泥占反應器總容量的25-35％。
作為優選，步驟(1)中，生物膜反應區和顆粒污泥反應區的總體積不少于反應器總體積的80％，且生物膜反應區的體積不大于底層污泥床和顆粒污泥反應區的總和；當廢水為陌生水質，無法完全確定是否可以穩定持續顆粒化時，生物膜反應區與底層污泥床和顆粒污泥反應區的總和的體積比為0.8-1:1，當廢水水質確定可以持續穩定顆粒化時，兩者體積之比為1:2.5-3.5。
在生物膜反應區形成厭氧氨氧化顆粒污泥，底層污泥床提供污泥基質和含有少量厭氧氨氧化菌的底泥，通過高回流比和適應環境培養的篩選，使得厭氧氨氧化顆粒污泥能夠在生物膜反應器上生長，增強厭氧氨氧化菌的顆粒化程度和縮短其培養的時間。
作為優選，步驟(1)中，混合廢水的水質滿足：氨氮和/或亞硝氮濃度不超過反應器內厭氧氨氧化顆粒污泥所能承受的最大負荷；電導率低于反應器內厭氧氨氧化顆粒污泥中厭氧氨氧化菌的抑制值；溫度為33-37℃；pH為7.5-8.0。
作為優選，步驟(1)中，廢水進水前經過預處理，直至COD低于1000mg/L，SS低于1000mg/L。
低COD的進水能夠保證厭氧氨氧化菌的優勢生長，過高的SS會造成反應器的堵塞和微生物生長環境的惡化。
作為優選，所水處理方法在水處理系統中進行，該水處理系統包括反應器，用于反應器底部進水的進水泵，用于從反應器頂部抽出循環回流水并從底部重新通入的回流泵。
反應器內：
底部為底層污泥床，設有排泥閥、曝氣器和與進水泵連通的布水器；
中部為顆粒污泥反應區，設有用于監測亞硝氮/氨氮/硝態氮/溫度/pH/溶解氧/氧化還原電位的傳感器；
頂部為生物膜反應區和三相分離器，生物膜反應區中設有填料；
三相分離器位于生物膜反應區中，其頂部設有進水口和延伸至反應器外的出水堰，出水堰高于進水口且低于反應器內的液位，進水口和出水堰之間的通道中設有用于固液分離的折板分離區，三相分離器的底部設有出泥口。
本發明的水處理系統共包含三大功能單元，即顆粒污泥反應區、生物膜反應區和三相分離器，其中生物膜反應區中填充有填料。本發明三相分離器通過進水口下翻進水，大部分氣體直接從反應器頂部排出，水流經過折板分離區，其中內置的折板起到固液分離作用，三相分離器的出水通過出水堰溢流出水，三相分離器中的顆粒污泥和其他固相物質通過出泥口重新進入生物膜反應區下方，其中出水堰的高度低于反應器的液位高度且高于進水口的高度。該三相分離器中，通過生物膜反應區的廢水經過下翻進水和折板的作用，進行高效的固液分離，減少了厭氧氨氧化顆粒污泥的跑泥。
本發明中的曝氣器通過傳感器進行階段反饋運行。厭氧氨氧化反應主要涉及亞硝酸鹽和銨離子的反應，整個厭氧氨氧化菌的培養過程涉及的反應式如下：NH4++1.32NO2-+0.066HCO3-+0.13H+→1.02N2+0.26NO3-+2.03H2O+0.066CH2O0.5N0.15(厭氧氨氧化菌)
整個反應器內需要保證亞硝化反應正常發生而硝化反應減弱，從而獲得亞硝酸鹽，從而使得厭氧氨氧化反應正常的進行。亞硝氮和氨氮探頭實時讀取反應器內亞硝氮和氨氮濃度，保證其兩者比例適合于厭氧氨氧化菌生存。對于厭氧氨氧化菌而言，氨氮不易對厭氧氨氧化產生抑制作用，而亞硝氮則相反，在相對較低的濃度條件下會抑制厭氧氨氧化菌的生長。因此在不同的培養階段需要控制不同的曝氣和回流情況。
作為優選，所述折板分離區中設有若干呈100-130°的二折板，二折板之間平行排列，二折板的中心線與水平面平行，相鄰二折板之間的空隙構成折板分離區的通道。
進入三相分離器的折板分離區之前水流需要下翻至折板分離區的底部，接著通過折板分離區向上溢流出水，該結構設計容易使得污泥和懸浮物在因為瞬時的水力方向的改變以及水力路程的增加，滯留在折板分離區或者折板分離區之前，加強了固液分離的效果。
作為優選，所述反應器的高徑比不小于3:1。
較高的高徑比有利于在帶循環的升流式反應器中更快地篩選出顆粒污泥。
作為優選，所述填料為固定填料(IFAS)或懸浮填料(MBBR)。
IFAS和MBBR兩種填料都適合高負荷環境下的生物富集，其中含有的生物載體，使得多個不同的生物種群能夠協同作用，增強了厭氧氨氧化的過程。
與現有技術對比，本發明的有益效果是：
(1)本發明將顆粒污泥生物膜法絮狀污泥進行耦合，并將培養階段分為四個分階段。整個培養階段通過調節循環回流比、曝氣量等條件參數，使得反應器中更容易形成顆粒污泥，強化反應器的脫氮效果。
(2)本發明與常規厭氧氨氧化工序相比，提高了厭氧氨氧化的顆粒度，平均顆粒度可達60％以上，跑泥量減少30％，長期保證厭氧氨氧化顆粒污泥的活性。縮短傳統厭氧氨氧化的啟動時間20％以上，總氮的平均去除效率能夠達90％以上，解決了現有技術中厭氧氨氧化工藝啟動難、污泥流失顯著、應用場景受限等難題。
（發明人：杜睿;楊家輝;潘智衡;朱春申;何煉;詹偶如;宮亞斌;吳達;田啟歡）
