本發(fā)明屬于污水處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及污泥反應(yīng)器，尤其是一種好氧顆粒污泥反應(yīng)器及處理工藝。

背景技術(shù)：

目前，國內(nèi)污水處理面臨兩大難題：一方面是污水處理廠剩余污泥處理壓力逐年增加。傳統(tǒng)活性污泥法存在的剩余污泥產(chǎn)量高、占地面積大等問題是污水廠良性發(fā)展的制約因素。目前剩余污泥處理的費用約為200-400元/噸，占污水處理廠運行費用的50％左右且逐年上升。污泥的減量化、無害化和資源化已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點，也成為整個污水處理行業(yè)發(fā)展的重要制約因素。另一方面，隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，國家對污水處理廠的排放標準也愈發(fā)嚴格，尾水中總氮的脫除效率已成為重要考核標準。盡管目前我國設(shè)市城市、縣累計建成污水處理廠3802座，污水處理能力達1.61億立方米/日，多數(shù)污水廠仍不具高效脫氮能力，而現(xiàn)有的污水處理工藝由于缺乏總氮的有效去除，面臨大規(guī)模的升級改造。

好氧顆粒污泥因其具有致密的物理結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的沉降性能、功能互營的菌群和高濃度的生物量，在泥水快速分離、同步脫氮除磷、有毒物高效降解、剩余污泥減量等方面具有明顯技術(shù)優(yōu)勢。其污泥產(chǎn)率僅為0.15kgmlss/kgcod左右，遠小于活性污泥的0.4-0.6kgmlss/kgcod，實現(xiàn)了污泥源頭減量，在目前剩余污泥處置形勢嚴峻的背景下具有重要的經(jīng)濟意義。同時，當顆粒污泥達到一定粒徑后，由于傳質(zhì)阻力的限制使溶解氧無法滲透入顆粒內(nèi)部，在顆粒結(jié)構(gòu)中形成了由外向內(nèi)的好氧-缺氧區(qū)，為脫氮微生物群落提供了合適的生存環(huán)境，從而具有良好同步脫氮效果。由于具有同步脫氮除磷及良好的污泥沉降性，好氧顆粒污泥處理工藝無需設(shè)置厭/缺氧段及二沉池，大大節(jié)約了占地及建設(shè)費用。其占地及建設(shè)費用分別僅為傳統(tǒng)活性污泥工藝的25％和75％。

但生活污水及工業(yè)廢水好氧顆粒污泥處理工程運行發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在長期運行(120天～400天不等)條件下易發(fā)生結(jié)構(gòu)解體、污泥流失、過程失穩(wěn)，從而導(dǎo)致反應(yīng)器崩潰，極大地制約了其工程運用?，F(xiàn)有研究表明，運行過程中顆粒污泥粒徑過度增加、顆粒內(nèi)部傳質(zhì)受限是顆粒解體的主要致因。運行過程中顆粒內(nèi)部溶解氧傳質(zhì)受限，導(dǎo)致厭氧產(chǎn)酸，降低了顆粒內(nèi)部ph，使作為eps骨架結(jié)構(gòu)的β-多糖被溶解，破壞了好氧顆粒污泥空間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致解體；同時，顆粒內(nèi)部基質(zhì)不足導(dǎo)致顆粒內(nèi)部新陳代謝速率下降并出現(xiàn)內(nèi)源呼吸及細胞自溶，在顆粒內(nèi)部產(chǎn)生中空結(jié)構(gòu)。這種中空結(jié)構(gòu)削弱了顆粒強度并導(dǎo)致破碎解體。綜上所述，抑制顆粒粒徑過度增長對好氧顆粒污泥反應(yīng)器維穩(wěn)具有重要意義。

已有研究基于泥齡控制，通過在曝氣階段排出泥水混合液，降低反應(yīng)器泥齡，控制顆粒粒徑。但顆粒的排出抑制了絮凝菌生長優(yōu)勢，造成輕質(zhì)絮體增殖，運行容易失穩(wěn)。也有研究者通過沉降后排出底部大顆粒污泥，抑制顆粒粒徑過度增長。但篩選操作復(fù)雜，工程化運用難度高。近年來有通過提高曝氣強度增加水力剪切，實現(xiàn)對顆粒粒徑的抑制，但大大增加了能耗，提高了運行成本。另一方面，已有策略在抑制大顆粒粒徑增長的同時，往往導(dǎo)致顆粒平均粒徑過小，對顆粒污泥同步脫氮除磷效果及污染物去除不利。傳質(zhì)研究表明，過小的平均顆粒粒徑將導(dǎo)致溶解氧滲透至顆粒內(nèi)部缺氧區(qū)，抑制反應(yīng)器同步脫氮效果。結(jié)合顆粒穩(wěn)定性與污染物去除效率，研究廣泛認為好氧顆粒污泥具有最佳粒徑范圍，富集最佳粒徑顆粒有助于強化顆粒污泥穩(wěn)定性及污染物去除效果。但如何確立最佳顆粒粒徑范圍，以及優(yōu)化顆粒粒徑分布迄今尚無有效地對策。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服已有好氧顆粒污泥處理方式穩(wěn)定性較差的問題，并進一步強化污染物去除效率，本發(fā)明提供一種進水高度可調(diào)的底部進水高效脫氮好氧顆粒污泥反應(yīng)器及處理工藝，其利用污泥床中顆粒污泥粒徑分布特性(質(zhì)量重的大顆粒污泥位于污泥床底部、質(zhì)量輕的小顆粒污泥位于床層頂部)及基質(zhì)濃度分布的特性(微生物消耗及傳質(zhì)阻力使出水口附近基質(zhì)濃度最高)，通過調(diào)節(jié)底部進水口高度，使出水口始終處于污泥床中最佳粒徑顆粒處，促進最佳粒徑顆粒生長；同時減少遠離出水口處顆粒污泥獲得的基質(zhì)，抑制其生長，從而實現(xiàn)對最佳粒徑顆粒的富集和優(yōu)化，強化好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性及總氮等污染物去除效果。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一種進水高度可調(diào)節(jié)的底部進水高效脫氮好氧顆粒污泥反應(yīng)器，所述好氧顆粒污泥反應(yīng)器的底部設(shè)有進水高度可調(diào)節(jié)的進水裝置，利用污泥床中顆粒污泥粒徑分布特性及基質(zhì)濃度分布的特性，在不同運行階段調(diào)節(jié)底部進水口高度，使污泥床中具有最佳穩(wěn)定性及污染物去除效果的顆粒優(yōu)先獲得基質(zhì)，促進其生長，實現(xiàn)對顆粒粒徑分布的優(yōu)化，從而強化好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性及總氮等污染物去除效果。

進一步，反應(yīng)器主體為圓柱形反應(yīng)器，h/d為2～6。

再進一步，反應(yīng)器進水裝置包括配水支管和配水干管，配水干管內(nèi)徑為1/10反應(yīng)器內(nèi)徑，長度為9/10反應(yīng)器內(nèi)徑，配水干管兩端與反應(yīng)器壁面的導(dǎo)軌滑塊固定并與進水總管連接進水，實現(xiàn)高度可調(diào)，配水干管高度調(diào)節(jié)范圍從底部起至1/3～1/4總反應(yīng)器高度。

更進一步，配水干管沿途設(shè)置若干穿孔配水支管，干管與支管呈“豐”字型連接，支管間相互平行，間隔為1/5～1/8干管總長，配水支管內(nèi)徑為1/20反應(yīng)器內(nèi)徑，配水支管沿途在支管上方開孔出水，出水孔間隔為1/10～1/20配水支管總長度，孔徑為1/3～1/5配水支管內(nèi)徑。

所述具有最佳穩(wěn)定性及污染物去除效果的顆粒稱為最佳粒徑顆粒，最佳粒徑顆粒的污泥粒徑處于2～3.5mm。

一種好氧顆粒污泥反應(yīng)器的處理工藝，反應(yīng)器以市政污水為進水，接種活性污泥，采用序批式運行方式；序批式運行周期包括進水-曝氣-沉降-出水四個階段，其中進水30～60min、曝氣160～190min、沉降10min、出水10min，在出水完成后，由反應(yīng)器底部進水，水位到達控制上液面后停止進水，反應(yīng)器體積交換率為50％。進水升流速度應(yīng)低于4m/h，防止對污泥床造成擾動產(chǎn)生短流，進水升流速度由反應(yīng)器構(gòu)型及進水時間控制，進水升流速度＝反應(yīng)器容積/(2*進水時間*反應(yīng)器橫截面積)。

進一步，顆粒不同的沉降效果決定了污泥床中顆粒粒徑從上至下呈增加態(tài)勢，通過調(diào)節(jié)底部進水口高度，最佳粒徑顆粒的污泥粒徑＝2～3.5mm，使最佳粒徑顆粒優(yōu)先獲得基質(zhì)，促進其生長；進水口高度調(diào)節(jié)方法如下：通過測定污泥床層不同高度處顆粒平均粒徑，當床層底部顆粒平均粒徑＜最佳顆粒粒徑，出水口置于反應(yīng)器底部；當床層底部顆粒粒徑＞最佳顆粒粒徑，出水口置于對應(yīng)顆粒平均粒徑為最佳粒徑的污泥床高度處。

所述的市政污水中，cod濃度300～2000mg/l，氨氮50～150mg/l，容積負荷0.9～6.0kg/cod·m³·d。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：本發(fā)明在接種絮狀活性污泥的續(xù)批式反應(yīng)器中，以市政廢水為進水，通過在不同運行階段調(diào)節(jié)底部進水口高度，優(yōu)化顆粒粒徑分布，強化好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性及污染物去除效果。反應(yīng)器中進水基質(zhì)在污泥床內(nèi)傳遞過程中，由于微生物消耗及傳質(zhì)阻力，基質(zhì)濃度從進水口開始梯度下降。因此靠近進水口的顆粒污泥優(yōu)先獲得基質(zhì)，顆粒生長得到促進；而遠離進水口的顆粒污泥獲得基質(zhì)濃度低，其顆粒生長受限。發(fā)明利用基質(zhì)濃度的梯度分布，結(jié)合反應(yīng)器污泥床中顆粒分布的特點(質(zhì)量重的大顆粒污泥位于污泥床底部、質(zhì)量輕的小顆粒污泥位于床層頂部)，在不同運行階段調(diào)節(jié)底部進水口高度，使進水口始終位于具有最佳穩(wěn)定性及污染物去除效果的顆粒(稱為最佳粒徑顆粒，其粒徑＝2～3.5mm)處，從而有效強化最佳粒徑顆粒生長，實現(xiàn)對顆粒粒徑的優(yōu)化，進而強化好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性及總氮等污染物去除效果。體系出水cod及氨氮去除率達90％以上，總氮去除率達80％以上，有助于改進與提高現(xiàn)有污水處理廠出廠尾水達標排放。發(fā)明運行實施操作簡便，無需提供額外能耗。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：強化好氧顆粒污泥的穩(wěn)定性及污染物去除效果。通過在不同運行階段調(diào)節(jié)底部進水口高度，有效富集最佳粒徑顆粒，實現(xiàn)了顆粒污泥粒徑優(yōu)化，提高了反應(yīng)器穩(wěn)定性及總氮等污染物去除效率。體系出水cod及氨氮去除率達90％以上，總氮去除率達80％以上，有助于改進與提高現(xiàn)有污水處理廠出廠尾水達標排放。發(fā)明運行實施操作簡便，無需提供額外能耗。進一步，好氧顆粒污泥工藝具有污染物去除效率高、工藝成本低、占地面積小、產(chǎn)泥量低，易于大規(guī)模的應(yīng)用等特點。

附圖說明

圖1為進水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，進水總管9、導(dǎo)軌組10、導(dǎo)軌滑塊11、進水裝置12，污泥床13、反應(yīng)器上液面14；

圖2為顆粒內(nèi)部溶解氧傳質(zhì)模擬；

圖3為本發(fā)明實施例中反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，配水池1、進水泵2、鼓風(fēng)機3、液位計4、出水口5、排泥口6、曝氣設(shè)備7、可編程控制器8、進水總管9、導(dǎo)軌組10、導(dǎo)軌滑塊11、進水裝置12；

圖4為進水裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，配水干管21、穿孔配水支管22、導(dǎo)軌組10；

圖5為運行中反應(yīng)器顆粒污泥粒徑分布及最佳粒徑顆粒污泥占比圖；

圖6為反應(yīng)器運行中氨氮及總氮去除效果。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1～圖6，一種進水高度可調(diào)節(jié)的底部進水高效脫氮好氧顆粒污泥反應(yīng)器，反應(yīng)器主體為圓柱形反應(yīng)器，h/d(高徑比)為2～6?；诔两岛蟛煌筋w粒污泥在污泥床中位置不同(質(zhì)量重的大顆粒污泥位于污泥床底部、質(zhì)量輕的小顆粒污泥位于床層頂部)，在不同運行階段根據(jù)顆粒污泥生長狀況，調(diào)節(jié)底部進水口高度，使污泥床中最佳粒徑顆粒優(yōu)先獲得基質(zhì)，促進其生長，實現(xiàn)對顆粒粒徑分布的優(yōu)化。

進一步，反應(yīng)器進水裝置12位于反應(yīng)器底部，包括配水干管21與穿孔配水支管22。配水干管21內(nèi)徑為1/10反應(yīng)器內(nèi)徑，長度為3/4～9/10反應(yīng)器內(nèi)徑。配水干管21兩端與反應(yīng)器壁面的導(dǎo)軌滑塊11固定并與進水總管9連接進水，實現(xiàn)高度可調(diào)。配水干管21高度調(diào)節(jié)范圍從底部起至1/3～1/4總反應(yīng)器高度。配水干管21沿途設(shè)置若干穿孔配水支管22，干管與支管呈“豐”字型連接，支管間相互平行，間隔為1/5～1/8干管總長。穿孔配水支管22內(nèi)徑為1/20反應(yīng)器內(nèi)徑，穿孔配水支管22沿途在支管上方開孔出水。出水孔間隔為1/10～1/20穿孔配水支管22總長度，孔徑為1/3～1/5穿孔配水支管22內(nèi)徑(圖1)。

一種好氧顆粒污泥反應(yīng)器的處理工藝，以市政污水為進水，絮狀活性污泥為接種污泥。反應(yīng)器采用序批式運行，周期分為進水、曝氣、沉淀及出水四個階段，其中進水30～60min、曝氣160～190min、沉降10min、出水10min。在續(xù)批式反應(yīng)器出水完成后，由反應(yīng)器底部進水，水位到達控制反應(yīng)器上液面14后停止進水。反應(yīng)器體積交換率為50％。進水升流速度低于4m/h，防止對污泥床造成擾動。進水升流速度由反應(yīng)器構(gòu)型及進水時間控制(進水升流速度＝反應(yīng)器容積/(2*進水時間*反應(yīng)器橫截面積))。

本發(fā)明基于反應(yīng)-擴散動力學(xué)方程、溶解氧傳質(zhì)動力學(xué)方程，結(jié)合各相同性球形模型，通過matlab計算模擬了不同時間溶解氧在顆粒內(nèi)分布情況。研究指出，運行30min后，顆粒表層至1.0mm處區(qū)域為好氧，顆粒內(nèi)1.0mm至1.15mm區(qū)域為缺氧區(qū)，具備反硝化條件，而1.2mm深度以內(nèi)為溶解氧過低，不利于顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而隨著運行時間延續(xù)，基質(zhì)逐漸被消耗，溶解氧可傳遞至顆粒更深處。運行120min后，顆粒表層至1.3mm處區(qū)域為好氧區(qū)，顆粒內(nèi)1.45mm至1.7mm區(qū)域為缺氧區(qū)，具備反硝化條件，而1.75mm深度以內(nèi)溶解氧過低，不利于顆粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。由此可見，結(jié)合顆粒穩(wěn)定性與污染物去除效率，顆粒半徑應(yīng)在1.0-1.75mm之間，即最佳顆粒粒徑為2～3.5mm(附圖2)。

進水裝置12高度由運行時污泥床中顆粒粒徑分布控制，通過測定污泥床13不同高度處顆粒平均粒徑，調(diào)節(jié)進水裝置12高度，使最佳粒徑顆粒(顆粒污泥粒徑＝2mm)優(yōu)先獲得基質(zhì)，促進其生長。具體如下：當污泥床13底部顆粒平均粒徑＜2mm，出水口置于反應(yīng)器底部；當污泥床13底部顆粒粒徑＞2mm，出水口置于對應(yīng)顆粒平均粒徑為2mm的污泥床高度處。

所述的市政污水中，cod濃度300～2000mg/l，氨氮50～150mg/l，容積負荷0.9～6.0kg/cod·m³·d。

實例：如圖3所述，反應(yīng)器主體為圓柱形好氧顆粒污泥反應(yīng)器，h/d(高徑比)為6。反應(yīng)器內(nèi)徑20cm，有效體積40l。反應(yīng)器內(nèi)部從下至上依次設(shè)置有：排泥口6，曝氣裝置7，進水裝置12、出水口5、液位計4。反應(yīng)器進水裝置12以進水總管9與進水泵2相連，由配水池1中進水，液位計4控制進水上液面。鼓風(fēng)機3將空氣輸入到曝氣裝置7，反應(yīng)器通過中部出水口5出水。裝置內(nèi)所有進水、曝氣、及出水均由可編程控制器8自動化控制。反應(yīng)器定期通過排泥口6進行剩余污泥排放。

反應(yīng)器中配水干管21內(nèi)徑2.0cm，長18cm。穿孔配水干管22兩端與反應(yīng)器壁面的導(dǎo)軌滑塊固定并與進水總管連接進水，可調(diào)節(jié)范圍從底部起至30cm處。配水干管21沿途設(shè)置4根內(nèi)徑為1.0cm的穿孔配水支管22，穿孔配水支管長度為兩根14cm，兩根16cm，共計4根如圖4所示。穿孔配水支管22沿途間隔2.0cm在支管上方開孔出水，孔徑為0.25cm。反應(yīng)器可有多種變型，為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知。

在上述h/d6的sbr反應(yīng)器中接種活性污泥，接種污泥采用污水處理二沉池回流污泥，接種泥量4000mg/l，廢水cod濃度1000mg/l、氨氮58mg/l，總氮98mg/l，容積負荷3.0kg/cod·m³·d，體積交換率50％。采用空氣曝氣，表面氣速1.0cm/s。其中進水20min，曝氣210min、沉降10min、出水10min。

在上述h/d6的sbr反應(yīng)器中，進水口起始位置為反應(yīng)器底部；在運行過程中，隨著顆粒粒徑的增加，在沉降后取污泥床不同位置顆粒測定粒徑，當床層底部顆粒平均粒徑＜2mm，出水口置于反應(yīng)器底部；當床層底部顆粒粒徑＞2mm，出水口置于對應(yīng)顆粒平均粒徑為2mm的污泥床高度處。

運行13d后反應(yīng)器顆?；磻?yīng)器運行穩(wěn)定，污泥量持續(xù)增長并穩(wěn)定在8000mg/l左右，顆粒具有良好的沉降性，svi為48±4ml/g左右，顆粒平均粒徑532±19μm，其中處于最佳粒徑范圍的顆粒(顆粒粒徑2.0-3.5mm)所占比例為3.7±0.42％。氨氮及cod的去除率維持在90％以上，總氮去除率48.7±2.1％。此后顆粒粒徑逐漸增長，運行27d后，處于最佳粒徑范圍的顆粒所占比例為6.9±1.8％，總氮去除率55.7±2.1％。此時反應(yīng)器底部最大顆粒粒徑達到2230±19μm，開始通過測定污泥床顆粒粒徑分布調(diào)控底部進水口高度。運行59d后，反應(yīng)器進水口高度穩(wěn)定至1/4反應(yīng)器高度。此時反應(yīng)器中處于最佳粒徑范圍的顆粒所占比例從13d時3.7±0.4％迅速增至49.6±4.3％并保持穩(wěn)定(圖4)，總氮去除率提升至85.7±3.4％(圖5)。通過調(diào)控底部進水口高度，有效抑制了顆粒粒徑的過度增長，反應(yīng)器穩(wěn)定運行139d。同時，顆粒粒徑的分布得到明顯優(yōu)化，處于最佳粒徑范圍的顆粒數(shù)量從3.7±0.4％增至49.6±4.3％。對顆粒粒徑分布的優(yōu)化強化了反硝化脫氮效果，反應(yīng)器總氮去除效果從48.7±2.1％提高至85.7±3.4％。本發(fā)明實現(xiàn)了好氧顆粒污泥的穩(wěn)定運行，同時具有良好的污染物去除效果。