CN101186417A - 污水生物脱氮与污泥减量耦合生物反应器及其工艺 - Google Patents

Abstract

污水生物脱氮与污泥减量耦合生物反应器及其工艺属于污水处理领域。目前我国90％以上的污泥得不到及时有效处理、处置，导致二次污染。此外，从运行情况看，污水处理厂(尤其是低碳氮比的污水)总氮的去除效果普遍不佳。而剩余污泥减量释放出的碳源则可作为脱氮的有效碳源，从而在减量同时提高脱氮效果。本发明沿水流方向依次构造微氧区以硝化、缺氧区流离捕获污泥低分子化而减量并提供碳源以脱氮、好氧区SND(同步硝化反硝化作用)而进一步脱氮，体积比分别为23％、45％和32％，各区分别生长其适合的微生物。其出水TN为10.2mg/L、氨氮为1.9mg/L、COD为31.2mg/L；其污泥产率为0.068gMLSS/gCOD。已应用于小区生活污水处理。

Description

污水生物脱氮与污泥减量耦合生物反应器及其工艺

技术领域

本发明涉及一种复合式多孔载体污水生物脱氮与污泥减量耦合生物反应器和工艺，属于污水处理领域。

背景技术

污水生物处理技术在污水净化进程中一直发挥着巨大的作用。但其主要的弱点之一是污泥产量大。活性污泥法剩余活性污泥的产率约为1.0-1.5kgDS/kgBOD，污泥处理及最终处置，需要大量的基建投资和高昂的运行费用。目前有90％以上的污泥得不到及时有效的处理、处置，很多有污泥处理设施的污水厂也已没有地方来储放污泥，从而导致污泥的二次污染。此外，从运行的情况看，污水处理厂总氮的去除效果普遍不佳，尤其是低碳氮比的城市污水，而剩余污泥减量释放出的碳源则可作为脱氮的有效碳源，从而在污泥减量的同时，提高脱氮的污水处理效果。因此，从提高污水处理效果和污泥减量两个技术方面，从降低造价和节省能耗与运行费的经济方面，都迫切需要开展城市污水生物脱氮与污泥减量控制装置、工艺技术研究。这已成为我国污泥处理处置领域的当务之急，具有极大的社会、环境和经济效益。

近年来大量试验研究表明在MBR、流化床等工艺中确实发现硝化反应和反硝化反应可以在同一操作条件下于同一反应器内同时进行，即发生同步硝化反硝化反应(简称SND作用)。厌氧微环境的存在是SND产生的一个主要原因，微环境理论认为：在活性污泥絮体或生物膜中，由于受氧的扩散(传递)限制，絮体或生物膜内存在溶解氧梯度。外表面与气、液相直接接触而溶解氧较高，微生物群体以好氧菌、硝化菌为主；内层由于氧传递受阻以及外部氧被大量消耗而形成了缺氧微环境，反硝化菌占优势。缺氧微环境的形成受水中溶解氧浓度的高低及微生物絮体结构、尺寸大小和生物膜厚度的影响。

污泥减量化技术是指通过物理、化学、生物等手段使整个污水处理系统向外排放的生物固体量减少到最小；将污泥中含有的有机物释放出来作为生物脱氮的碳源，在污泥减量的同时促进生物脱氮。

Lawrence^]等提出观测产率系数(Yobs)和污泥停留时间(θc)有如下的关系：

$\frac{1}{\mathrm{Yobs}}=\frac{1}{Y\max }+\frac{\mathrm{\θcKd}}{Y\max }$

式中，Ymax是污泥的最大产率系数，Kd是内源呼吸率。表明污泥观测产率系数和污泥停留时间及内源呼吸率关系非常密切，提高污泥的停留时间和内源呼吸率有助于降低污泥的观测产率系数。

污泥龄是影响剩余污泥产率的关键因素。污泥龄的增加会形成食物链更长的微生物生态系。将废水和污泥的停留时间分离，增加污泥的泥龄是解决剩余污泥减量的重要途径，主要可以通过污泥的原位控制技术(生物膜法、膜生物反应器和多孔载体法)实现。

将污水和污泥的停留时间分离的另一种简便方法是利用多孔载体在流动状态下将污泥微生物捕获，同时利用一定尺寸的多孔载体可以实现好氧、厌氧微生物的共存，更有利于利用不同微生物之间的协同作用的产生。这样不仅可以在反应器中增加微生物的停留时间，而且在污水流动方向上形成好氧、厌氧反复藕合的过程。

发明内容

本发明的目的为解决污水处理厂污泥产量大和总氮的去除效果普遍不佳的问题，从提高污水处理效果和污泥减量两个技术方面，从降低造价和节省能耗与运行费的经济方面，研究、发明本装置和工艺，进行污泥减量，同时利用剩余污泥减量释放出的碳源作为脱氮的有效碳源从而提高脱氮效果。

一种污水生物脱氮与污泥减量耦合生物反应器，其特征在于：包括生物反应区以及二沉池；生物反应区依次包括微氧区A、缺氧区B和好氧区C，体积比分别为23％、45％和32％，生物反应区内部均匀放置球形复合式多孔微生物载体；

进水管1设在微氧区A前端；微氧区和好氧区底部均设有穿孔曝气管3；好氧区连接设有出水管5、排泥管6的二沉池；空气经曝气总管2到曝气支管4，再到各穿孔曝气管3。

复合流离球球壳为PVC注塑而成，球面呈网格状，优选直径为10cm，球内填边长为1.5cm的立方体状海绵载体，载体具有亲水性、通透性、高比表面积、良好的物化稳定性的特点，其空隙率大于0.9。

应用述的生物反应器的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

原水经过进水管1先流入微氧区A，微氧区A内的平均溶解氧DO为1～2mg/L；然后流入缺氧区B，缺氧区B溶解氧DO小于0.5mg/L，再进入好氧区C，好氧区C的平均溶解氧DO为3.5mg/L，沿水流方向形成微氧、缺氧及复合式多孔微生物载体内部厌氧、好氧的环境。生物反应区的出水进入二沉池经过出水管5排出，剩余污泥由排泥管6排出。

本反应器的污泥产率低于活性污泥法和生物膜法，具有更好的污水处理效能尤其是脱氮效能和更低的能耗和良好的污泥减量效果。

依据流离原理和生物脱氮原理构造的耦合生物反应器，通过对其进行两年多的试验分析，本着发展可持续污水处理为目的，分析提高处理效果和保持反应器运行稳定性的措施，并与反应器工艺设计相结合，全面提高反应器的性能。该反应器除了具有生物膜反应器一些共性特点，比如微生物固着生长，不存在污泥膨胀问题，水力停留时间和SRT相分离等一系列的优点，而且还有以下几个特点：

1)良好的污水生物脱氮与污泥减量效果。原水先流入微氧区，由于流离和生物粘附作用，废水中的悬浮物等进入到球形复合式多孔微生物载体内，并被载体内海绵载体捕获、累积，有较高的微生物浓度，并有利于世代时间较长的硝化菌的培养和生长；废水中的氨氮在硝化菌的作用下转化成硝态氮；之后进入缺氧区，在反硝化菌的作用下硝态氮转化成氮气，同时流离作用加强，从而进一步截留、捕获水中的SS以及微氧区脱落的生物膜，并载体内累积、发酵从而使污泥液化和低分子化而使污泥分解、减量，而分解产生的低分子化有机物，提供了生物脱氮所需的碳源，因而具有良好的脱氮效果；进入好氧区后，由于沿着从液体到复合式多孔微生物载体内部的方向，形成了悬浮好氧型、附着好氧型、附着兼氧型、附着厌氧型的复杂微生物系统，具有良好的SND(同步硝化反硝化作用)，因而进一步脱氮，从而具有良好的污水生物脱氮与污泥减量效果。

2)良好的功能分区和微生物分区。沿水的流动方向依次形成微氧区、缺氧区和好氧区，分别生长各区适合的微生物，并完成相应的硝化、脱氮和SND功能。

3)环境多样性和生物多样性。多孔微生物载体污水处理法中污水呈推流式，所以浓度是不断地在变化，而且微氧、缺氧和好氧状态的出现，导致生物相变化，形成高度的生物多样性和多样的微生物生态系。在纵向，微生物构成了一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物、微型动物等多个营养级组成的复合生态系统；在横向，沿着液体到载体的方向，构成了一个悬浮好氧型、附着好氧型、附着兼氧型和附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统。

4)生物量高、抗冲击性强。有较高的微生物浓度，除了复合式多孔微生物载体表面生长生物膜外，复合式多孔微生物载体空隙内积累大量微生物，还有悬浮生长的微生物；在多孔微生物载体污水处理中，即使有有害物质混入，在前段就被阻挡下来，而不会在全段发生；因微生物生长在载体中、浓度高，而且固体颗粒被捕获入载体里，因此系统对污水的负荷变动有强的适应能力。

5)污泥停留时间和污水停留时间可分离。在活性污泥法中，污泥和污水形成混合液流出。由于污泥停留时间短，所以污泥难以被分解。而本技术，污水在所定的停留时间内流出，而污泥却被捕获在多孔载体内，污泥停留时间很长，所以说固体物质很容易被液化、低分子化而分解。

6)易于安装施工和已有污水处理厂升级改造、费用低。流态为推流式，球形复合式多孔微生物载体可直接投放无需固定、支撑结构，具有基建投资省、运行成本低和剩余污泥产量少的特点。

附图说明

图1是本发明复合式多孔微生物载体污水生物脱氮与污泥减量耦合生物反应器工艺原理图。

图中，1-进水管，2-曝气总管，3-穿孔曝气管，4-曝气支管，5-出水管，6-排泥管，A-微氧区，B-缺氧区，C-好氧区。

具体实施方式

本发明的装置以及具体操作步骤在发明内容已经有详述，该处不再赘述。

反应区沿程均匀设有6根曝气管。设7个取样口，取样口顺序依次为0#，1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#(出水)。在反应区内部均匀放置球形复合式多孔微生物载体，直径为10cm，孔隙率为0.9。

进水氨氮为59.0mg/L，出水氨氮为1.9mg/L，去除率为96.7％；出水硝态氮达到5.1mg/L；进水TN为77.5mg/L，出水TN为10.2mg/L，去除率为86.7％；进水COD为225.2mg/L，出水COD为31.2mg/L，去除率86.0％。该反应器内产生的剩余污泥由排泥管排出，微氧+缺氧+好氧工况共运行49天，污泥产量共312.278g，COD平均为277.9mg/L，平均进水负荷0.936KgCOD/m³.d，污泥平均产率＝0.068gMLSS/gCOD，而传统活性污泥法的污泥平均产率为0.4gMLSS/gCOD。该发明已应用于小区生活污水处理。

本反应器的污泥产率低于活性污泥法和生物膜法，具有更好的污水处理效能和更低的能耗和良好的污泥减量效果，且易于安装施工，适合新建和已有污水处理厂升级改造。

Claims (3)

1.一种污水生物脱氮与污泥减量耦合生物反应器，其特征在于：包括生物反应区以及二沉池；生物反应区依次包括微氧区(A)、缺氧区(B)和好氧区(C)，体积比分别为23％、45％和32％，生物反应区内部均匀放置球形复合式多孔微生物载体；

进水管(1)设在微氧区(A)前端；微氧区和好氧区底部均设有穿孔曝气管(3)；好氧区连接设有出水管(5)、排泥管(6)的二沉池；空气经曝气总管(2)到曝气支管(4)，再到各穿孔曝气管(3)。

2.根据权利要求1所述的生物反应器，其特征在于：所述的球形复合式多孔微生物载体，其球壳为PVC注塑而成，球面呈网格状，直径为10cm，球内填边长为1.5cm的立方体状海绵载体，载体空隙率大于0.9。

3.一种应用权利要求1所述的生物反应器的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

原水经过进水管(1)先流入微氧区(A)，微氧区(A)内的平均溶解氧DO为1～2mg/L；然后流入缺氧区(B)，缺氧区(B)溶解氧DO小于0.5mg/L，再进入好氧区(C)，好氧区(C)的平均溶解氧DO为3.5mg/L，沿水流方向形成微氧、缺氧及复合式多孔微生物载体内部厌氧、好氧的环境。生物反应区的出水进入二沉池经过出水管(5)排出，剩余污泥由排泥管(6)排出。