專利名稱：缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟動裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種污水生物處理裝置和方法，尤其是利用絲狀菌的特性實現污水處理的裝 置和方法。
背景技術：
缺氧/好氧生物脫氮工藝，簡稱A/0 (Anoxic/Oxic)生物脫氮工藝，又稱前置反硝化生 物脫氮工藝，是一種公知的污水處理工藝，與傳統的多級生物脫氮工藝相比具有很多優點， 它是現有我國城市污水廠應用最廣泛的脫氮工藝。其特點是前置反硝化在缺氧(Anoxic)條件 下運行，含碳有機物的去除和氨氮的硝化在好氧(Oxic)條件下運行。然而，隨著我國經濟的 飛速發展，該污水處理工藝的節能降耗問題成為當前急需解決的問題，如何利用較少的曝氣 能耗實現污水的高效處理變得尤為重要。
發明內容
本發明的目的是提供一種缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟動裝置和方法，解 決在污水處理過程中如何啟動微膨脹、節能降耗的技術難題，并解決利用較少的曝氣能耗、 實現污水高效處理的問題。
為實現上述目的，本發明采用如下技術方案
一種缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟動裝置，按照從原水進水端至清水出水 端的順序，依次設置進水水箱、反應器和二沉池，其特征在于所述進水水箱經蠕動泵、進 水管和閥門連通反應器，反應器上面的出水堰經清水管道和閥門連通二沉池，反應器的中部 經回流硝化液管道和閥門連通缺氧格室，二沉池內設置分離器，二沉池的底部污泥管一個分 支經污泥回流管和閥門連通缺氧格室，另 一分支連接剩余污泥管和閥門，反應器內設有至少 三道隔板，相鄰隔板交錯開有流水連通孔，反應器的進水端第一格室設置缺氧格室，缺氧格 室內設有攪拌器，缺氧格室之后設置至少兩個好氧格室，且每個好氧格室均設置能精確控制 DO濃度的溶解氧探頭和曝氣頭，各曝氣頭經空氣流量計連接空氣壓縮機。
所述反應器內的隔板是固定隔板或可拆卸的活動隔板。
所述反應器的內部設有調節溫度的加熱器或加熱棒。
所述二沉池的進水管在中心，出水堰在周邊溢流出水。
所述溶解氧探頭的信號線與PID控制系統輸入端連接，由PID控制系統控制空氣壓縮機的開度，通過在線監測反應器格室中DO濃度來實時調節曝氣量，以便維持所需的DO濃度。
所述進水管的進水流量、回流硝化液管道的硝化液回流量和污泥回流管的回流污泥流量
通過改變蠕動泵的轉速、改變閥門開度或改變泵管管徑調節。
啟動缺氧好氧生物脫氮方法中污泥微膨脹的方案主要包括兩種方法
(1) 、單純通過低溶解氧引發污泥微膨脹，包括突然大幅降低溶解氧濃度和逐步降低 溶解氧濃度兩個啟動方式
第一個啟動方式中逐步降低溶解氧濃度的操作方式的具體內容是在缺氧好氧生物脫氮 系統中，在正常污泥負荷(COD —污泥負荷介于O. 20 0. 35C0D/kgMLSSd)下，將溶解氧濃度控 制在2. 0 2. 5mg/L，待運行穩定后，通過降低曝氣量，逐步降低溶解氧濃度為l. 0-1. lmg/L 、0.5-0.6mg/L、 0.3-0.4mg/L。
第二個啟動方式中突然降低溶解氧濃度的操作方式具體指在缺氧好氧生物脫氮系統 中，在正常污泥負荷(COD —污泥負荷介于O. 20 0. 35COD/kgMLSSd)下，將溶解氧濃度控制在 2. 0 2. 5mg/L，待運行穩定后突然降低到O. 5-0. 6mg/L。
(2) 通過低溶解氧協同低負荷的方式啟動污泥微膨脹 該方案中通過低溶解氧協同低負荷的方式啟動污泥微膨脹的具體內容是在缺氧好氧生
物脫氮系統中，在正常負荷(COD —污泥負荷介于O. 20 0. 35COD/kgMLSSd)和正常溶解氧(2. 0 2. 5mg/L)條件下運行穩定后，通過減少進水量將COD —污泥負荷降低到O. 20kgC0D/kgMLSSd 以下，同時將溶解氧濃度降低至0.5-0.6mg/L。
污泥微膨脹概念由本案發明人首次提出，有如下特點①、膨脹程度屬輕微膨脹；②、 污泥容積指數(SVI)介于150 250mL/g之間；③、不會引起污泥流失；④、主要由低溶解氧 (DO)引起； 、相對于污泥沉降性能良好的污泥，出水化學需氧量(COD)和懸浮固體(SS)去 除率提高，其余指標去除率保持不變；◎、節約曝氣能耗。
低溶解氧以及低負荷容易引發污泥絲狀菌性膨脹的原因動力學選擇理論認為，由于不 同種群的微生物具有不同的生長動力學參數，所以不同的微生物在不同的底物濃度下，具有 不同的生長速率。在高基質或高溶解氧濃度條件下，具有較高Ks和y皿x值的菌膠團細菌比絲 狀菌具有更快的生長速率，絲狀菌生長受到抑制，菌膠團細菌生長占優勢。在低基質或者低 溶解氧濃度條件下，具有較低的飽和常數Ks和最大比生長速率y皿x值的絲狀菌比菌膠團菌具 有更快的比生長速率，因此更容易競爭到底物或者溶解氧，占有生長優勢。因此，在低溶解 氧以及低負荷條件下，絲狀菌更容易競爭到基質和溶解氧，從而引發絲狀菌污泥膨脹。
低溶解氧節能的理論解釋根據雙膜理論可知，在氣膜中存在氧的分壓濃度，在液膜中存在氧的濃度梯度，它們是氧轉移的推動力。而氧難溶于水，因此氧轉移決定性的阻力又集 中在液膜上，氧分子通過液膜是氧轉移過程的控制步驟，通過液膜的轉移速度是氧轉移過程 的控制速度。當混合液中氧的濃度為零時，由于具有最大的推動力，因此氧的轉移速率最 大。當混合液中氧的濃度維持在較低的水平時，相對于高溶解氧比，由于具有較大的推動 力，氧的轉移速率也比高溶解氧時高。因此，如果采用低溶解氧污泥微膨脹方法處理污水， 將會提高氧轉移速率，從而達到節能的效果。
鑒于A/0工藝在我國生活污水處理中的普遍應用，缺氧好氧生物脫氮方法中污泥微膨脹 的啟動裝置選定為A/0工藝裝置，除去傳統的A/0工藝裝置特性，其特點是設置了多個好氧 格室，且每個好氧段均設置了空氣流量計和溶解氧(DO)探頭以精確控制曝氣量和DO濃度。
與現有技術相比本發明具有以下特點和有益效果
本發明啟動污泥微膨脹的主要方法為降低系統中溶解氧濃度。當混合液中氧的濃度維持 在較低的水平時，氧的轉移速率比高溶解氧時高，也即在同等曝氣量下，低氧曝氣的有效充 氧量高，氧化同等量的污染物，低氧曝氣比高氧曝氣對曝氣量的需求量低，節約了曝氣能 耗。
污泥微膨脹狀態下，在大部分污染物去除指標保持不變的前提下，由于絲狀菌具有較大 的比表面積及網捕作用，可去除細小的懸浮物，從而降低了出水中有機顆粒化學需氧量 (COD)和懸浮顆粒物(SS)的濃度。
污泥微膨脹狀態下，同步硝化反硝化效果將會得到強化，在去除相同的氮時，將會節約 有機曝氣量和有機碳源，特別適合處理低C/N比的城市污水和一些特殊的工業廢水。
采用本發明的裝置和方法，使污泥發生絲狀菌輕微膨脹，污泥容積指數(SVI)控制在 150 250mg/L之間。啟動污泥微膨脹的方法以低溶解氧(D0《0. 5mg/L)為關鍵因素，包括突 然降低溶解氧和逐步降低溶解氧兩種。啟動污泥微膨脹還可以采取溶解氧協同低負荷的方 法。當啟動污泥微膨脹迅速，持續時間過長，導致污泥惡性膨脹時，需及時將污泥負荷調 回正常值。由逐步降低溶解氧方法啟動污泥微膨脹系統，硝化效果沒有明顯惡化。出水化 學需氧量(COD)和懸浮顆粒物(SS)去除率提高，其余指標去除率均保持不變。本發明通過對 污泥膨脹的誘因進行分析和研究，并根據最終節約能耗的目的，選取適宜的能夠啟動微膨脹 的重點控制參數，能夠在缺氧/好氧生物脫氮系統中啟動污泥微膨脹，污泥的膨脹程度不會 引發污泥流失，并能將污泥膨脹控制在一定限度內，優化處理效果，同時節約曝氣量，節 省電耗。
下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。
圖1是本發明缺氧好氧生物脫氮系統中污泥微膨脹啟動裝置的結構示意圖。 圖2是本發明采用突然降低溶解氧的啟動方法，污泥沉降性的變化趨勢效果圖。 圖3是本發明采取逐漸降低溶解氧的啟動方法，污泥沉降性的變化趨勢效果圖。 圖4是本發明采取低溶解氧協同低負荷的啟動方法，污泥沉降性的變化趨勢效果圖。 附圖標記 具體實施例方式
缺氧/好氧生物脫氮系統中污泥微膨脹啟動裝置參見圖l所示，按照從原水進水端至清水 出水端的順序，依次設置進水水箱l、反應器13和二沉池16，其特征在于所述進水水箱l經 蠕動泵2、進水管20和閥門3連通反應器13，反應器13上面的出水堰18經清水管道19和閥門連 通二沉池16 ，反應器l 3的中部經回流硝化液管道9和閥門連通缺氧格室14， 二沉池16內設置 分離器8， 二沉池16的底部污泥管一個分支經污泥回流管11和閥門連通缺氧格室14，另一分 支連接剩余污泥管12和閥門，反應器13內設有至少三道隔板，相鄰隔板交錯開有流水連通孔 22，反應器13的進水端第一格室設置缺氧格室14，缺氧格室14內設有攪拌器4，缺氧格室之 后設置至少兩個好氧格室15，且每個好氧格室均設置曝氣頭5和能精確控制D0濃度的溶解氧 探頭17，各曝氣頭5經空氣流量計6連接空氣壓縮機7。
所述溶解氧探頭17的信號線與PID控制系統23輸入端連接，由PID控制系統控制空氣壓縮 機7的開度和各閥門的開度，通過在線監測反應器格室中DO濃度來實時調節曝氣量，以便維 持所需的DO濃度。
所述進水管的進水流量、回流硝化液管道9的硝化液回流量和污泥回流管11的回流污泥 流量通過改變蠕動泵的轉速、改變閥門開度或改變泵管管徑調節。
可以根據試驗需要，通過調節出水堰位置，調節工作體積。反應器內可設有4一10道活 動隔板，可以靈活拆卸，可以根據需要調整每個格室體積大小以及反應器格室數，試驗運行 中反應器的格室數基本上分為6個或7個。首格室缺氧運行，第2格室可以缺氧運行也可以好 氧運行，從第3格室起好氧運行。為了避免返混現象，在隔板上交錯開孔，使水流呈現上下 流流態。缺氧區通過機械攪拌器的攪拌使反應器內的活性污泥與進水底物、回流污泥和回流 硝化液充分混合。好氧區由空氣壓縮機供氣，采用燒結砂頭作為微孔曝氣，反應器內溫度由 加熱棒進行調節。通過調節蠕動泵的轉速或改變泵管管徑可以調節進水流量、硝化液回流量 和回流污泥流量。二沉池采用中心管進水，周邊溢流出水。建立PID控制系統，通過在線監 測反應器格室中DO濃度來實時調節曝氣量，以便維持所需的DO濃度。啟動缺氧好氧生物脫氮方法中污泥微膨脹的方案主要包括兩種方法
(1) 、單純通過低溶解氧引發污泥微膨脹，包括突然大幅降低溶解氧濃度和逐步降低 溶解氧濃度兩個啟動方式
第一個啟動方式中逐步降低溶解氧濃度的操作方式的具體內容是在缺氧好氧生物脫氮 系統中，在正常污泥負荷(COD —污泥負荷介于O. 20 0. 35C0D/kgMLSSd)下，將溶解氧濃度控 制在2. 0 2. 5mg/L，待運行穩定后，通過降低曝氣量，逐步降低溶解氧濃度為l. 0mg/L、 0. 5mg/L、 0. 3mg/L。
第二個啟動方式中突然降低溶解氧濃度的操作方式具體指在缺氧好氧生物脫氮系統 中，在正常污泥負荷(COD —污泥負荷介于O. 20 0. 35C0D/kgMLSSd)下，將溶解氧濃度控制在 2. 0 2. 5mg/L，待運行穩定后突然降低到O. 5mg/L。
(2) 通過低溶解氧協同低負荷的方式啟動污泥微膨脹 該方案中通過低溶解氧協同低負荷的方式啟動污泥微膨脹的具體內容是在缺氧好氧生
物脫氮系統中，在正常負荷(COD —污泥負荷介于O. 20 0. 35C0D/kgMLSSd)和正常溶解氧 (2. 0 2. 5mg/L)條件下運行穩定后，通過減少進水量將COD —污泥負荷降低到 0. 20kgC0D/kgMLSSd以下，同時將溶解氧濃度降低至O. 5mg/L。
圖2顯示了采用單純依靠低溶解氧啟動污泥微膨脹的方法，采用突然降低溶解氧的啟動方 式，污泥沉降性的變化趨勢。實施例l: D0為2.0mg/L的一周時間內，SVI在160mL/g左右； DO降低到O. 5mg/L， 7天后SVI從158mL/g上升至223mL/g，之后SVI不再繼續升高，基本維持在 190mL/g，持續了20天。
采用缺氧好氧生物脫氮系統啟動污泥微膨脹，原水為校園生活污水，曝氣池內混合液懸 浮固體濃(MLSS)維持在2500 3500mg/L之間，反應器平均溫度為25。C ，內循環比150%，污 泥回流比100%。缺氧區和好氧區體積比為l: 5，控制水力停留時間7小時，COD —污泥負荷基 本維持在0.25kgC0D/kgMLSSd左右。采用漸減曝氣，通過調節好氧區每格室的曝氣量來維持 每格室中的DO在一定的水平。在上述條件下運行該A/0系統，起初D0為2. Omg/L時，污泥沉 降性良好，SVI在160mL/g左右，如附圖2所示。該系統在高溶解氧條件下運行一周后，通過 減小曝氣量，將DO從2. Omg/L以上降低到0. 5mg/L，同時維持系統其他運行參數和環境條件不 變，7天后SVI從158mL/g上升至223mL/g。繼續保持DO在O. 5mg/L，其他運行條件不變，SVI不 再繼續升高，基本維持在190mL/g，持續了20天，達到了一個穩定的絲狀菌污泥微膨脹狀 態，如附圖2所示。至此，已成功完成在缺氧好氧生物脫氮系統中污泥微膨脹的啟動。
在此期間，保證回流通暢時，二沉池的泥位在出水液位的2/3處，沒有污泥流失現象發生，系統運行狀況良好，處理效果穩定。以上的試驗表明了在A/0系統中突然大幅度降低溶 解氧會引發絲狀菌污泥微膨脹，維持DO在O. 5mg/L，其他運行條件不變，SVI值將會達到穩 定。污泥微膨脹狀態是穩定且可持續的。
圖3表示了采取單純依靠低溶解氧啟動污泥微膨脹抓逐步降低溶解氧濃度的啟動方式， 污泥沉降性的變化趨勢。實施例2: DO從2.0mg/L逐漸降低到1.0、 0.5、 0. 3mg/L。當DO為 2.0mg/L和1.0mg/L時，污泥的SVI值處于170mL/g以下；當DO降低為O. 5mg/L時，SVI開始逐漸 上升，最高達217mL/g，大多維持在190mL/g以下；DO降低至O. 3mg/L， SVI值也未大幅的增 加。
采用缺氧好氧生物脫氮系統(如附圖l所示)啟動污泥微膨脹，原水為校園生活污水，曝 氣池內混合液懸浮固體濃(MLSS)維持在2500 3500mg/L之間，反應器平均溫度為25"C ，內 循環比150%，污泥回流比100%。缺氧區和好氧區體積比為l: 5，試驗期間處理水量為 225L/d，水力停留時間7小時，COD —污泥負荷基本維持在O. 25kgC0D/kgMLSSd左右。采用漸 減曝氣，通過調節好氧區每格室的曝氣量來維持每格室中的DO在一定的水平。將系統平均DO 從2. Omg/L逐漸降低到1.0、 0.5、 0. 3mg/L。如附圖3所示，當D0為2. Omg/L和l. Omg/L時，系 統內污泥的SVI值相對較低，處于170mL/g以下；當DO降低為O. 5mg/L時，SVI開始逐漸上升， 最高達217mL/g，不過大多維持在190mL/g以下。即使DO降低至O. 3mg/L， SVI值也沒有大幅的 增加，并未引發嚴重的污泥膨脹，總體上污泥沉降性良好。在缺氧好氧生物脫氮系統系統中 成功啟動且穩定維持了污泥微膨脹狀態。
逐漸降低DO相對于突然降低DO的方式來說，系統的硝化效果沒有出現嚴重惡化。將系統 中DO分別采用兩種方式降低到O. 5mg/L，對比系統的硝化效果發現逐漸降低DO效果更優。這 主要是由于在逐漸降低DO的過程中提供了讓部分硝化菌適應環境改變的條件。
圖4表明了采取低溶解氧協同低負荷啟動污泥微膨脹的方法，實施例3:原水為校園生活 污水，曝氣池內混合液懸浮固體濃度(MLSS)維持在2500 3500mg/L之間，反應器平均溫度 為25。C，內循環比為150%，污泥回流比100%，缺氧區與好氧區體積比為l: 5。首先使缺氧好 氧生物脫氮系統在O. 22kgC0D/kgMLSSd，溶解氧為2. Omg/L的條件下運行穩定，平均SVI基本 維持在160mL/g。然后減小進水量，COD —污泥負荷降低為O. 18kgC0D/kgMLSSd。同時采用漸 減曝氣，通過調節好氧區每格室的曝氣量來維持反應器內平均D0為0.5mg/L。由附圖4，污泥 沉降性在低溶解氧協同低負荷的作用發生了改變，SVI由起初的160mL/g在3天內上升至 190mL/g， 8天后已達到210 mL/g，并隨時間的推移有繼續上升的趨勢。污泥微膨脹狀態已成 功啟動，為防止污泥流失，重新調回進水流量使COD —污泥負荷恢復到O. 22kgC0D/kgMLSSd，幾天后SVI又重新穩定在185mL/g。至此，污泥微膨脹狀態成功維持。
低溶解氧協同低負荷啟動污泥微膨脹與單純靠低溶解氧啟動污泥微膨脹的過程相比，前 者能在較短的時間內改變污泥沉降性，但是如果持續時間過長的話，容易導致惡性污泥膨 脹。因此，在采用該方案啟動污泥微膨脹時應注意，當成功啟動污泥微膨脹后及時將系統的 污泥負荷調回正常范圍。低溶解氧協同低負荷的啟動方式，污泥沉降性的變化趨勢。系統在 COD —污泥負荷為正常負荷，溶解氧為2.0mg/L的條件下運行穩定后，SVI基本維持在 160mL/g;將COD —污泥負荷降低為O. 18kgC0D/kgMLSSd，同時降低溶解氧至O. 5mg/L，在3天 內SVI上升至190mL/g， 8天后已達到210 mL/g，且有繼續上升的趨勢；將COD —污泥負荷重新 調整為正常負荷，幾天后SVI又重新穩定于185mL/g。
權利要求
權利要求1一種缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟動裝置，按照從原水進水端至清水出水端的順序，依次設置進水水箱(1)、反應器(13)和二沉池(16)，其特征在于所述進水水箱(1)經蠕動泵(2)、進水管(20)和閥門(3)連通反應器(13)，反應器(13)上面的出水堰(18)經清水管道(19)和閥門連通二沉池(16)，反應器(13)的中部經回流硝化液管道(9)和閥門連通缺氧格室(14)，二沉池(16)內設置分離器(8)，二沉池(16)的底部污泥管一個分支經污泥回流管(11)和閥門連通缺氧格室(14)，另一分支連接剩余污泥管(12)和閥門，反應器(13)內設有至少三道隔板，相鄰隔板交錯開有流水連通孔，反應器(13)的進水端第一格室設置缺氧格室(14)，缺氧格室(14)內設有攪拌器(4)，缺氧格室之后設置至少兩個好氧格室(15)，且每個好氧格室均設置能精確控制DO濃度的溶解氧探頭(17)和曝氣頭(5)，各曝氣頭(5)經空氣流量計(6)連接空氣壓縮機(7)。
2. 根據權利要求l所述的缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟 動裝置，其特征在于所述反應器內的隔板是固定隔板或可拆卸的活動隔板。
3. 根據權利要求l所述的缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟 動裝置，其特征在于所述反應器的內部設有調節溫度的加熱器或加熱棒。
4. 根據權利要求l所述的缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟 動裝置，其特征在于所述二沉池的進水管在中心，出水堰在周邊溢流出水。
5. 根據權利要求l所述的缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟 動裝置，其特征在于所述溶解氧探頭(17)的信號線與PID控制系統(23)輸入端連接， 由PID控制系統控制空氣壓縮機(7)的開度和各閥門的開度，通過在線監測反應器格室中 DO濃度來實時調節曝氣量，以便維持所需的DO濃度。
6. 根據權利要求l所述的缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟 動裝置，其特征在于所述進水管的進水流量、回流硝化液管道(9)的硝化液回流量和污 泥回流管(11)的回流污泥流量通過改變蠕動泵的轉速、改變閥門開度或改變泵管管徑調節。
7. 一種利用權利要求l一6所述裝置的缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥 微膨脹的啟動方法，其特征是通過降低溶解氧濃度引發污泥微膨脹。
8.根據權利要求7所述的缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟 動方法，其特征是降低溶解氧濃度的方式是突然大幅降低溶解氧濃度的方式，將溶解氧濃 度控制在2. 0 2. 5mg/L，待運行穩定后突然降低到O. 5 — 0. 6mg/L。
9.根據權利要求7所述的缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟 動方法，其特征是降低溶解氧濃度的方式是逐步降低溶解氧濃度的方式，待工藝運行穩定 后，通過降低曝氣量，逐步降低溶解氧濃度的梯度為l.O-l. lmg/L、 0. 5-0.6mg/L、 0.3-0.4mg/L。
10.根據權利要求7所述的缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟 動方法，其特征是通過低溶解氧濃度的同時降低負荷的方式啟動污泥微膨脹，通過減少進 水量將COD —污泥負荷降低到O. 20kgC0D/kgMLSSd以下，同時將溶解氧濃度降低至O. 5 — 0.6mg/L。
全文摘要
一種缺氧/好氧生物脫氮工藝中污泥微膨脹的啟動裝置和方法，屬于污水處理技術領域。其特點是在缺氧/好氧生物脫氮系統中啟動污泥輕微膨脹，將污泥膨脹控制在一定限度內，優化處理效果，節約能耗。啟動缺氧/好氧生物脫氮系統中污泥微膨脹的方案是(1)單純通過低溶解氧引發污泥微膨脹，包括逐步降低溶解氧濃度和突然降低溶解氧濃度兩種啟動方式；(2)通過低溶解氧協同低負荷的方式啟動污泥微膨脹。該裝置和方法主要用于優化缺氧/好氧生物脫氮污水處理系統的運行效果，即在降低溶解氧濃度節約曝氣量節能的同時，保證污染物去除率達標，同時出水懸浮物濃度大大降低。
文檔編號C02F3/30GK101456628SQ20091030019
公開日2009年6月17日 申請日期2009年1月15日 優先權日2009年1月15日
發明者洋 劉, 孫治榮, 彭永臻, 王淑瑩, 鄭雅楠, 郭建華, 馬寧平 申請人:彭永臻