CN100395197C - 改进的uct工艺及装置 - Google Patents

Abstract

改进的UCT工艺及装置属于污水处理领域。针对原有的MUCT工艺耗能较大、反应速度不高等缺点，将好氧反应器分成两级，两个好氧反应器之间设有脱氧反应器。每个好氧反应器设有独立的气体流量控制器。在第一好氧池内控制低的溶解氧实现短程硝化，将氨氮氧化成亚硝酸盐，在第二好氧池内实施高的溶解氧，保证剩余的亚硝酸盐被氧化成为硝酸盐。脱氧池脱除第一好氧池出水的溶解氧，防止其影响第二缺氧反应器反硝化的进行。硝化液回流从脱氧反应器至第二缺氧反应器。在第二缺氧反应器，反硝化除磷菌利用亚硝酸盐作为电子受体进行缺氧吸磷，并将亚硝酸盐还原成氮气。该工艺实现了以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷，具有稳定的出水水质和较低的能耗。

Description

改进的UCT工艺及装置

技术领域

本发明涉及一种污水生物处理工艺方法及装置，能同时实现短程硝化和以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷，属于污水处理领域。

背景技术

南非开普敦大学(University of Cape Town)工艺，简称UCT工艺，是最早用于同时生物脱氮除磷的工艺之一，也是目前各国最广泛应用的流程。

UCT工艺顺次设有厌氧区、缺氧区、好氧区和沉淀区，每个区内存在活性污泥。工艺设有三个回流管路，分别是：从缺氧区到厌氧区的泥水混合液回流，从好氧区到缺氧区的泥水混合液回流和从沉淀区到缺氧区的污泥回流。污水首先进入到厌氧区。在厌氧区内，活性污泥中的大量聚磷菌吸收污水中的脂肪酸，并分解体内的聚磷成为溶解性的磷酸盐，释放到污水中。由于厌氧区流出的泥水混合物不断地流入到缺氧区，导致厌氧区内大量污泥进入到缺氧区。为了保证厌氧区内稳定的活性污泥浓度，设立了从缺氧区到厌氧区的泥水混合液回流。缺氧区在接收来自厌氧区泥水混合液的同时，也接收来自后继好氧区的混合液回流和来自沉淀区的污泥回流。这样在缺氧区内存在大量的硝酸盐和正磷酸盐。活性污泥内的聚磷菌利用存在的硝酸盐作为电子受体超量吸收水中的正磷酸盐进入到细胞内形成聚磷，而硝酸盐被还原成氮气，从而使水中的氮和磷得以去除。此外，在缺氧区内也存在着异氧反硝化菌。反硝化菌会利用水中剩余的有机物作为碳源反硝化硝酸盐成为氮气。从缺氧区流出的混合液进入到好氧区。好氧区的功能有两个：一是污水中的氨氮被硝化成硝酸盐；另一个是污水中残余的有机物被氧化。好氧区内泥水混合液进入到沉淀区，在沉淀区实现泥水分离。上清液被作为最终处理后的出水排放。部分剩余污泥被收集作进一步处置。

UCT工艺成功地保证厌氧区的厌氧状态，从而提高了系统的除磷能力。但是，随着水处理技术的长足进步和水处理要求的不断提高，这种工艺的缺点也逐渐显现。从而很大程度上影响其在工程中的应用。

首先，工艺耗能较大。由于传统的UCT工艺脱氮过程仍采用传统的全程硝化，这意味着在硝化过程中将耗费大量的氧气。相对于短程硝化，全程硝化的硝化氧耗量增高25％。全程硝化的耗氧造成其水处理成本的显著增高。

其次，反应速度不高。降低初期投资和运行成本的一个有效手段是提高污染物去除速率，从而减少反应池的水力停留时间和有效容积。在传统的UCT工艺内，硝化采用传统的全程硝化。相对于短程硝化，全程硝化反应器容积增加了30～40％。由于亚硝酸菌世代时间比硝酸菌短，泥龄也短。所以，控制在亚硝酸阶段可提高微生物浓度和硝化反应速度，缩短硝化反应时间。此外，由于UCT工艺本身很大程度上依靠反硝化除磷实现在单一系统内对有机物、氮、磷等污染物的同时去除。在硝化完成后，以硝酸盐作为电子受体实现反硝化除磷。但是，如果实现短程硝化后，以亚硝酸盐作为电子受体实现反硝化除磷，将进一步提高反硝化除磷速率。反应速度的提高，将减小反应器容积，节省基建投资。

短程硝化工艺也称为亚硝酸型生物硝化工艺，是目前出现的水处理新技术，其基本原理就是将硝化过程控制在亚硝酸盐阶段，阻止NO^2-的进一步硝化。因此，如何实现传统的UCT工艺中的短程硝化和以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷，降低处理能耗，提高反应速率，保证最大的处理效果和能耗的产出比是传统的UCT工艺革新的方向。

值得注意的是，短程硝化如果没有取得深远的反硝化，出水中就会含有大量的亚硝硝酸盐。亚硝酸盐作为不稳定的氧化物质具有很大的毒害作用。其致癌，可以迅速与红血球结合，消耗溶解氧，诱发营养化。基于这样的原因，实现短程硝化必须注意最大程度地防止出水中含有高的亚硝酸，将其对环境产生毒害降到最低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物去除污水中氮磷和有机污染物的工艺方法及装置，保证短程硝化和利用亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷能同时在各自最佳的环境条件下显著发生，提高硝化和吸磷速率。在保证出水水质和安全的前提下，大幅度提高处理效率，节省运行能耗和费用。

一种能同时实现短程硝化和以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷工艺的装置，即改进的UCT工艺装置；

顺次连接的厌氧反应器1、缺氧反应器2、好氧反应器和沉淀反应器6，厌氧反应器1、缺氧反应器2内分别设有搅拌装置7，缺氧反应器2出水端通过回流泵11和缺氧至厌氧回流管路12与厌氧反应器1的进水端相连接，沉淀反应器6的下端通过污泥回流管路14和回流泵11与缺氧反应器2进水端相连接；

其特征在于：将好氧反应器分成两个，两个好氧反应器之间设有脱氧反应器4，缺氧反应器2连接第一好氧反应器3、第一好氧反应器3连接脱氧反应器4、脱氧反应器4连接第二好氧反应器5，第二好氧反应器5连接沉淀反应器6，第一好氧反应器3和第二好氧反应器5内分别设置曝气器10，曝气器10通过各自的气体流量控制器9与外置的气泵8连接，脱氧反应器4的出水端通过硝化液回流管路13和回流泵11与缺氧反应器2的进水端相连接。

一种能同时实现短程硝化和以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷工艺，即改进的UCT工艺运行步骤为：

(1)接种来自市政污水处理厂二沉池的活性污泥到各反应器内。调整各反应器内的工艺参数对活性污泥进行驯化，使得聚磷菌、反硝化除磷菌、亚硝酸菌和普通异养菌大量生长，并成为处理系统的优势种属；

(2)将原污水注入厌氧反应器1，并启动厌氧反应器1内的搅拌装置7，在搅拌的作用下使原污水进行缺氧放磷反应，水力停留时间为1.2～2.0小时后，厌氧反应器1出水混合液进入到缺氧反应器2；

(3)厌氧反应器1出水混合液进入到缺氧反应器2后，启动缺氧反应器2内的搅拌装置7，在搅拌的作用下进行缺氧吸磷反应，同时，硝酸盐被还原成氮气，实现污水脱氮的目的，缺氧反应器2中的上清液出水进入第一好氧反应器3，混合液经过回流泵11和缺氧至厌氧回流管路12回流到厌氧反应器1，回流比为1～2；

(4)液体进入到第一好氧反应器3后，启动第一好氧反应器3内的曝气器10和与曝气器10相连接的气体流量控制器9，进行曝气反应，去除剩余的有机物，氧化氨氮，第一好氧反应器3内控制溶解氧浓度在1mg/L以下，控制低的溶解氧可以实现短程硝化，将氨氮氧化成亚硝酸盐，水力停留时间为2～5小时后，控制长的水力停留时间保证氨氮氧化完全，出水进入脱氧反应器4；

(5)液体进入脱氧反应器4后，启动脱氧反应器4内的搅拌器7，在搅拌的作用下去除第一好氧反应器3出水中的溶解氧，10～20分钟后，上清液进入第二好氧反应器5，混合液经硝化液回流管路13和回流泵11回流到缺氧反应器2，回流比为1～2；

(6)液体进入第二好氧反应器5后，启动第二好氧反应器5内的曝气器10和与曝气器10相连接的气体流量控制器9，进行进一步的曝气反应，将未被利用的亚硝酸盐氧化成硝酸盐，液体在第二好氧反应器5中的溶解氧浓度在2.0～2.5mg/L之间，水力停留时间1～2小时，高的的溶解氧水平保证亚硝酸迅速氧化成硝酸盐，防止出水中含有亚硝酸对环境产生毒害作用，出水进入沉淀反应器6；

(7)液体进入沉淀反应器6后进行泥水分离，时间为0.5～1小时，泥水分离后上清液外排，污泥经过污泥回流管路14和回流泵11回流进入到缺氧反应器2，回流比为0.5～1.0。

本发明具有以下优点：

(1)将原始UCT工艺流程的好氧反应器进行分级，分别创造了有利于硝酸菌和亚硝酸菌两大类群微生物生存的最佳环境条件；

(2)在第一个好氧反应器后设置脱氧反应器，将第一个好氧反应器出水中的溶解氧浓度降为最低。然后将脱氧反应器内的混合液回流到缺氧反应器进行缺氧吸磷和反硝化；

(3)采用两套分离的、可控的曝气系统对分级的好氧反应器实施不同曝气量的控制，从而实现在两个反应器内具有不同的溶解氧浓度条件。同时，两个好氧反应器具有不同的水力停留时间(HRT)；

(4)第一个好氧反应器具有长HRT和低溶解氧浓度充分保证氨全部被氧化，同时保持低于1mg/l的溶解氧浓度。第一个好氧反应器内，利用低溶解氧对硝酸菌和亚硝酸菌的分选压力可以保证短程硝化最大程度地发生，并可以进一步节能。长的HRT保证氨氮几乎全部在第一个好氧反应器内氧化完全；

(5)第二个好氧反应器内控制较短的停留时间和较高溶解氧浓度。在第二个好氧反应器内，设置高的溶解氧浓度，给予亚硝酸氧化菌优势，促进其将剩余的部分未被利用的亚硝酸盐快速地氧化成为硝酸盐，而使出水中不含亚硝酸盐。由于剩余亚硝酸浓度较少，其水力停留时间较短，减少过曝气对能量的耗费。

工艺实现了最大程度地以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷。在第一个好氧反应器实现深远的短程硝化，可以维持高的亚硝酸积累率。在后继的脱氧反应器将高亚硝酸盐含量的回流液直接送入到缺氧反应器，保证了其缺氧吸磷有最大量的亚硝酸盐作为电子受体。剩余部分未被利用的亚硝酸盐混合液进入到后继的第二个好氧反应器继续被氧化，使出水中亚硝酸盐含量降到最低，防止了亚硝酸盐可能产生的进一步危害。

本发明的有益效果是：

采用改进的UCT工艺处理生活污水，可以使硝化过程中顺次发生的亚硝化和硝化阶段控制发生在两级好氧反应器内，并实现了以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷。和传统的UCT工艺相比，本发明的有益效果体现为：

1、实现了短程硝化，降低25％的氧耗量，从而降低了污水处理成本。在第一个好氧反应器内控制低溶解氧浓度，通过低溶解的选择压力实现对氨氧化菌的选择，从而保证短程硝化最大程度的发生。

2、提高了硝化和反硝化除磷速率，减少了反应器的体积。短程硝化的实现缩短了硝化反应时间，提高了硝化速率。此外，实现以亚硝酸盐作为电子受体反硝化除磷，进一步提高反硝化除磷速率。提高的反应速率可以将反应器容积缩小30～40％。反应速度的提高，降低了基建投资和运行成本。

3、脱氧池的设立有效地防止好氧池内回流液中溶解氧对反硝化产生的不利影响，保证缺氧区真正的缺氧状态。含有大量亚硝酸盐浓度的混合液进入到后继的脱氧反应器内，进行短暂的停留，脱除溶解氧后回流到缺氧反应器内。防止溶解氧进入到缺氧反应器内，影响反硝化和缺氧吸磷。

4、处理的稳定和处理水质的安全。工艺有效地保证了厌氧、缺氧和好氧环境的最佳状态，从而促进各种功能微生物在各自需要的生长环境内发挥生理代谢功能，从而使处理效果良好且稳定。此外，由于亚硝酸盐对环境具有毒害和不安全性，部分剩余的亚硝酸盐在第二个好氧反应器内被进一步氧化成硝酸盐，使出水的毒性降到最低。保证了出水水质的环境安全性。

附图说明

图1改进的UCT工艺装置示意图；

图中：1-厌氧反应器；2-缺氧反应器；3-第一好氧反应器；4-脱氧反应器；5-第二好氧反应器；6-沉淀反应器；7-搅拌装置；8-气泵；9-气体流量控制器；10-曝气器；11-回流泵；12-氧至厌氧回流管路；13-硝化液回流管路；14-污泥回流管路

具体实施方式

改进的UCT工艺运行步骤参见附图1。该工艺方法是根据传统UCT脱氮除磷系统中除磷与硝化反应的先后次序性，将好氧硝化过程顺次发生的亚硝化和硝化分别控制在两个反应反应器内进行，形成两级好氧硝化工艺。为了防止溶解氧对缺氧吸磷的影响，在第一个好氧反应器后设立脱氧反应器，回流液中的溶解氧降到最低。同时，好氧硝化液的回流源于脱氧反应器。本发明技术方案中所采用装置是能同时实现短程硝化和以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷工艺装置。

改进的UCT工艺的运行步骤为：

(1)原污水进入厌氧反应器1进行厌氧放磷。污泥浓度控制在2000～3000mg/L，水力停留时间为1.2～2.0小时；

(2)缺氧反应器2内的混合液通过缺氧至厌氧回流管路12回流到厌氧反应器1。其主要作用是保证厌氧区的污泥浓度，回流比为1～2；

(3)通过污泥回流管路14，回流污泥从沉淀反应器6进入到缺氧反应器2的进水端，回流比为0.5～1.0；

(4)通过硝化液回流管路13，硝化液从脱氧反应器4回流到缺氧反应器2进水端，回流比为1～2。

(5)厌氧反应器1出水混合液进入到缺氧反应器2。在缺氧反应器2进行显著的缺氧吸磷，同时亚硝酸盐被还原成氮气，大部分的氮在该反应器被去除，同时厌氧释放的大量磷酸盐被过量的吸收。

(6)在第一个好氧反应器3内，剩余的有机物被去除，氨氮全部被氧化。该反应器控制溶解氧浓度在1mg/L以下，水力停留时间为2～5小时。根据Oland原理，在低的溶解氧环境内，氨氧化菌获得氧的能力大于亚硝酸氧化菌，因此低溶解氧的环境内为氨氧化菌提供了优势的增长条件，保证85％以上的亚硝酸积累率；

(7)脱氧反应器4是设在第一个好氧反应器3后，具有10～20分钟短暂停留时间。其主要目的是最大程度地去除第一个好氧反应器3出水中的溶解氧，避免好氧硝化液回流中含有的溶解氧对缺氧吸磷的影响；

(8)第二个好氧反应器5的主要作用是将未被利用的亚硝酸盐氧化成硝酸盐，防止出水中含有亚硝酸盐对环境产生毒害作用。第二个好氧反应器5水力停留时间1～2小时，溶解氧浓度控制在2.0～2.5mg/L，通过延时曝气，保证剩余亚硝酸盐被氧化成为硝酸盐；

(9)第二好氧反应器5出水进入到沉淀反应器6进行泥水分离，上清液外排。沉淀反应器6停留时间0.5～1小时。

本发明技术方案中所采用装置是能同时实现短程硝化和以亚硝酸盐作为电子受体的反硝化除磷工艺装置。

UCT装置参见附图1：厌氧反应器1、缺氧反应器2、第一个好氧反应器3、脱氧反应器4、第二个好氧反应器5和二次沉淀反应器6顺次连接，厌氧反应器1、缺氧反应器2和脱氧反应器4内分别设有搅拌装置7，缺氧反应器2出水端通过回流泵11和缺氧至厌氧回流管路12与厌氧反应器1的进水端相连接，第一个好氧反应器3和第二个好氧反应器5内分别设置曝气器10，曝气器10通过气体流量控制器9与外置的气泵8连接，脱氧反应器4的出水端通过硝化液回流管路13和回流泵11与缺氧反应器2的进水端相连接，沉淀反应器6的下端通过污泥回流管路14和回流泵11与缺氧反应器2进水端相连接。

本发明的特征在于：将原始UCT工艺流程的好氧反应器进行分级，设立两级好氧反应反应器。每个反应反应器设置独立的气体流量计和曝气装置，对两个曝气反应器实现不同的溶解氧浓度的控制。在第一个好氧反应反应器后设置脱氧反应器，将硝化液内的溶解氧浓度降到最低，防止硝化液回流将溶解氧带入到缺氧反应器影响缺氧吸磷。硝化液回流从脱氧反应器出水处回流至缺氧反应器，保证大量亚硝酸盐作为反硝化吸磷的电子受体。

采用改进的UCT工艺的处理一般生活污水，其出水水质可以达到中华人民共和国国家标准城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)中的一级B类标准以上。且可以节约能耗，减少运行成本和初期投资。

Claims (2)

1.一种改进的UCT工艺装置，包括顺次连接的厌氧反应器(1)、缺氧反应器(2)、好氧反应器和沉淀反应器(6)，厌氧反应器(1)、缺氧反应器(2)内分别设有搅拌装置(7)，缺氧反应器(2)出水端通过回流泵(11)和缺氧至厌氧回流管路(12)与厌氧反应器(1)的进水端相连接，沉淀反应器(6)的下端通过污泥回流管路(14)和回流泵(11)与缺氧反应器(2)进水端相连接；

其特征在于：将好氧反应器分成两个，两个好氧反应器之间设有脱氧反应器(4)，缺氧反应器(2)连接第一好氧反应器(3)、第一好氧反应器(3)连接脱氧反应器(4)、脱氧反应器(4)连接第二好氧反应器(5)，第二好氧反应器(5)连接沉淀反应器(6)，第一好氧反应器(3)和第二好氧反应器(5)内分别设置曝气器(10)，曝气器(10)通过各自的气体流量控制器(9)与外置的气泵(8)连接，脱氧反应器(4)的出水端通过硝化液回流管路(13)和回流泵(11)与缺氧反应器(2)的进水端相连接。

2.根据权利要求1所述的装置其改进的UCT工艺，其特征在于，包括以下运行步骤为：

1)接种来自市政污水处理厂二沉池的活性污泥到各反应器内，调整各反应器内的工艺参数对活性污泥进行驯化，使得聚磷菌、反硝化除磷菌、亚硝酸菌和普通异养菌大量生长，并成为处理系统的优势种属；

2)将原污水注入厌氧反应器(1)，并启动厌氧反应器(1)内的搅拌装置(7)，在搅拌的作用下使原污水进行缺氧放磷反应，水力停留时间为1.2～2.0小时后，厌氧反应器(1)出水混合液进入到缺氧反应器(2)；

3)厌氧反应器(1)出水混合液进入到缺氧反应器(2)后，启动缺氧反应器(2)内的搅拌装置(7)，在搅拌的作用下进行缺氧吸磷反应，同时，硝酸盐被还原成氮气，实现污水脱氮的目的，缺氧反应器(2)中的上清液出水进入第一好氧反应器(3)，混合液经过回流泵(11)和缺氧至厌氧回流管路(12)回流到厌氧反应器(1)，回流比为1～2；

4)液体进入到第一好氧反应器(3)后，启动第一好氧反应器(3)内的曝气器(10)和与曝气器(10)相连接的气体流量控制器(9)，进行曝气反应，去除剩余的有机物，氧化氨氮，第一好氧反应器(3)内控制溶解氧浓度在1mg/L以下，控制低的溶解氧可以实现短程硝化，将氨氮氧化成亚硝酸盐，水力停留时间为2～5小时后，控制长的水力停留时间保证氨氮氧化完全，出水进入脱氧反应器(4)；

5)液体进入脱氧反应器(4)后，启动脱氧反应器(4)内的搅拌器(7)，在搅拌的作用下去除第一好氧反应器(3)出水中的溶解氧，10～20分钟后，上清液进入第二好氧反应器(5)，混合液经硝化液回流管路(13)和回流泵(11)回流到缺氧反应器(2)，回流比为1～2；

6)液体进入第二好氧反应器(5)后，启动第二好氧反应器(5)内的曝气器(10)和与曝气器(10)相连接的气体流量控制器(9)，进行进一步的曝气反应，将未被利用的亚硝酸盐氧化成硝酸盐，液体在第二好氧反应器(5)中的溶解氧浓度在2.0～2.5mg/L之间，水力停留时间1～2小时，高的的溶解氧水平保证亚硝酸迅速氧化成硝酸盐，防止出水中含有亚硝酸对环境产生毒害作用，出水进入沉淀反应器(6)；

7)液体进入沉淀反应器(6)后进行泥水分离，时间为0.5～1小时，泥水分离后上清液外排，污泥经过污泥回流管路(14)和回流泵(11)回流进入到缺氧反应器(2)，回流比为0.5～1.0。

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