CN101519265A - 一种污水处理工艺及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种污水处理工艺，包括如下工序：a)进水工序；b)反应工序；c)处理水排放工序；d)待机工序；e)富磷水排放工序；此污水处理工艺按照上述步骤周期运行。本发明还公开了一种污水处理系统。本发明所提供的污水处理工艺与现有技术相比，通过膜分离设备可以对生物反应池内混合液进行彻底的固液分离，可以较为灵活地对污泥龄进行控制，这样可以最大限度地提高生物反应池内的污泥浓度，由此可以最大限度地提高生物脱氮效果以及聚磷菌的释磷总量及吸磷总量，使系统可以真正实现在不排除剩余活性污泥的情况下实现对磷的高效去除，不但使系统获得了更好的脱氮除磷效果，而且大幅降低了剩余活性污泥的产量，节省了污泥处理处置费用。

Description

一种污水处理工艺及系统
技术领域
本发明涉及一种污水处理工艺及系统，特别适用于处理城市污水，属于水处理技术领域。
背景技术
水体富营养化(eutrophication)已成为愈来愈严重的全球性环境问题，这主要是由于氮、磷等营养物质在环境中的超量排放所引起。因此，世界各国不断提高其污水排放标准。我国现行国家标准《城镇污水处理厂污染物排放标准)》(GB18918-2002)的一级标准的A标准规定氨氮不应超过5mg/L(毫克/升)(低温时不应超过8mg/L)，总氮(TN)不应超过15mg/L，总磷(TP)不应超过0.5mg/L。目前，部分水污染程度严重或水环境质量要求较高的流域和地区已强制要求新建污水处理设施严格执行该标准，现有的以去除含碳有机物为主要目标的二级污水处理厂也应陆续进行工艺升级改造，以使出水满足此标准的要求。
由于城市污水中氮、磷的浓度较低，加之污水流量巨大，单纯采用物化方法对其进行脱氮除磷处理存在药剂用量大、化学污泥产量大、运行成本高昂等显著缺点，因此在实际的污水处理工程中极少采用，利用生物脱氮除磷原理的生物营养物去除(Biological Nutrient Removal，BNR)技术是目前城市污水脱氮除磷处理领域的主要技术。
传统生物脱氮的原理可简述为：(1)首先，污水中的有机氮、蛋白氮等被氨化菌转化为氨氮，而后在好氧条件下被硝化菌变成硝酸盐氮，此阶段称为好氧硝化。(2)随后在缺氧条件下，由碳源提供能量，硝酸盐氮被反硝化菌还原成氮气并从水中逸出，此阶段称为缺氧反硝化。硝化和反硝化是由两类不同的微生物参与的两个相互独立的过程，由于对环境条件的要求不同，它们一般不能同时发生，而只能在空间上或时间上序列式进行。在生物脱氮系统中，硝化菌需要好氧环境，而且增长速度缓慢，污泥龄(或生物固体停留时间，SRT)一般不宜低于30d(天)。反硝化菌的生长则主要在缺氧条件下进行，并且要有充足的碳源提供能量，一般要求原污水中BOD5(五日生化需氧量)与TKN(总凯氏氮)的比值在5-8，否则应考虑外加碳源才可促使反硝化作用顺利进行。
传统生物除磷的原理可简述为：(1)厌氧段：兼性细菌通过发酵，将溶解性有机物转化成低分子发酵产物，即挥发性有机酸(VolatileFatty Acids，VFAs)，聚磷菌(Phosphate Accumulating Organisms，PAOs)吸收这些发酵产物或来自原污水的VFAs，并将其运送到细胞内，同化成胞内碳能源存贮物(PHB/PHV)，在这一过程中能源来自于细胞内部贮存的聚磷的水解以及细胞内糖的酵解，聚磷水解的结果导致磷酸盐释放至细胞外部。(2)好氧段：在好氧条件下，聚磷菌通过PHB/PHV的氧化代谢获取能量用于磷的吸收，合成聚磷并在细胞内部贮存，同时合成新的聚磷菌细胞，产生富磷污泥。氧化过程产生的能量以聚磷酸高能键ATP形式贮存。(3)除磷：通过排放好氧过程产生的富磷污泥，最终将磷从水处理系统中去除。因此，传统生物除磷过程的实质是利用聚磷菌厌氧释磷好氧超量吸磷来加以实现，排除剩余污泥是其除磷的唯一途径，故污泥龄越短除磷效果越好，其理想的污泥龄为3.5-7d，同时好氧吸磷量受制于厌氧释磷量，而厌氧释磷量一方面需要较为严格的厌氧环境，D0(溶解氧)应严格控制在0.2mg/L以下，另一方面也与VFAs的浓度密切相关，研究表明，若要使处理出水中磷含量低于1.0mg/L，污水中的BOD5与TP的比值应控制在20-30，且BOD5中VFAs的含量应较为丰富。
由于新的排放标准要求城市污水处理厂须完成对碳、氮、磷的同时高效去除，因此其选用的处理工艺应同时具备脱氮和除磷功能。如前所述，按照传统生物脱氮和生物除磷的原理，具有同步脱氮除磷功能的生物处理工艺须为不同类型的微生物创造出厌氧、缺氧、好氧以一定的次序交替循环的环境，这种厌氧、缺氧、好氧以一定的次序交替循环的环境可以从空间上去分割，也可以在时间序列上去分割。目前，用于城市污水处理具有生物脱氮除磷效果的污水处理工艺可以按此分为两大类：按空间分割的连续流活性污泥法和按时间分割的间歇式活性污泥法(或称序批式活性污泥法)。前者以厌氧-缺氧-好氧(即A-A-O或A2/O)工艺(工艺原理如图1a所示)为代表，也包括在A2/O工艺的基础上发展起来的各种改良型A2/O工艺，如A-A2/O工艺、倒置A2/O工艺、改良型Bardenpho工艺、UCT工艺、MUCT工艺、VIP工艺等。后者以序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor，SBR)(工艺原理如图2所示)为代表，也包括在传统SBR工艺的基础上发展起来的各种改良型SBR工艺，如ICEAS工艺、DAT-IAT工艺、CAST工艺、CASS工艺、Unitank工艺、MSBR工艺等。按空间分割的连续流活性污泥法为多池生物处理系统，通过污泥回流系统和混合液回流系统的组合工作使活性污泥在空间上顺次经历厌氧、缺氧、好氧或厌氧、好氧、缺氧环境，以同时发挥和强化生物脱氮和生物除磷的作用。传统序批式活性污泥法为单池生物处理系统，无污泥回流系统和混合液回流系统，生化反应和泥水沉淀分离在同一个反应器中进行，污水分批次进入反应器，按照“进水—反应—沉淀—排水排泥—闲置”的模式序批式地进行污水处理，反应器内在时间上顺次形成厌氧、好氧、缺氧环境。为了提高传统SBR的空间利用率并强化其脱氮除磷能力，各种改良型SBR工艺借鉴了多池系统的做法，增设了污泥回流系统或混合液回流系统，但同时也丧失了传统SBR工艺的一些特点，如时间上理想推流式反应器的特性、低污泥膨胀发生机率、理想静置沉淀等。
目前污水生物脱氮除磷工艺尤其是多池生物脱氮除磷系统在实际应用过程中经常出现脱氮和除磷效果不能同时达到最佳的现象，即脱氮效果好时除磷效果较差，而除磷效果好时脱氮效果不佳。其原因主要是生物脱氮和生物除磷过程在以下方面相互矛盾或者相互竞争：(1)生物脱氮除磷包括好氧硝化、缺氧反硝化、厌氧释磷和好氧吸磷等过程，完成不同过程的微生物的种类不同，其对基质类型、环境条件的要求也不尽相同。(2)硝化过程需要的长污泥龄和生物除磷需要的短污泥龄之间存在不可协调的矛盾。(3)厌氧释磷和缺氧反硝化都需要一定量的碳源有机物，尤其是VFAs，由于城市污水中VFAs的含量通常较低(几十毫克/升)，碳源不足引发的竞争往往使聚磷菌不具有优势。(4)硝酸盐对厌氧释磷过程存在负面影响，其一方面使反硝化菌和聚磷菌竞争VFAs用于生物反硝化，另一方面当聚磷菌的聚磷量不高、进水VFAs较低时，NO3 -可以诱导聚磷菌缺氧吸磷，抑制厌氧释磷过程的顺利进行进而影响生物除磷效果。
大多数研究人员将现有污水生物脱氮除磷工艺改进的重点放在所谓强化生物除磷(Enhanced Biological Phosphate Removal，EBPR)工艺的开发，即围绕如何充分发挥聚磷菌的优势来开展工作，如采用增加反应器的数目、增加循环回流管路来消除污泥回流系统携带的D0和NO3 -对聚磷菌厌氧释磷的抑制作用等。显然，这种方法不仅导致污水处理系统的投资和运行费用增加，而且随着反应器数目和回流管路系统的增加，污泥配比、停留时间、基质负荷的分配又从另一个角度影响生物除磷脱氮效果。
尽管生物除磷方法的运行成本通常较低，但国内外大量生物除磷系统的生产运行经验表明，始终保持低于1mg/L的出水TP浓度是比较困难的。为了弥补生物除磷系统的不足，美国、欧洲以及我国的许多实际污水处理工程中在水流方向上即主流程上的最后增设化学除磷池，形成生物化学组合除磷系统，作为磷达标排放的保证手段。但主流程化学除磷存在着处理水量大、药剂用量大、药剂费用高、药剂利用率低、沉淀污泥产量大、磷含量低、难于处置且不易实现磷资源的回收利用等突出问题，因此在实际污水处理过程中很难真正实施。
污水处理领域在二十世纪六七十年代即诞生了Phostrip侧流除磷工艺(工艺原理如图1b所示)，该工艺是在传统活性污泥法(Conventional Activated Sludge，CAS)的基础上，在回流污泥的方向上即侧流程上增设厌氧磷释放池，磷释放池内释放的磷随上清液流到磷化学反应沉淀池，富磷上清液中的磷在反应沉淀池内被石灰或其他沉淀剂沉淀，然后进入初沉池或一个单独的絮凝/沉淀池进行固液分离，最终磷以化学沉淀物的形式从系统中去除。原污水流量的10％-30％被分流到厌氧释磷池，污泥在释磷池内的平均停留时间为5～20h(小时)，一般是8～12h。Phostrip侧流除磷工艺可以使得污水处理主流程的最终出水TP浓度低于1mg/L，而且不太受进水有机物浓度的影响，同时与在主流程上实施化学除磷相比，化学药剂的用量明显较少，药剂费用降低。但该工艺没有脱氮功能，厌氧释磷池内的富磷上清液只能通过注入初沉池出水、二沉池出水或石灰沉淀反应器上清液等淘洗水被淘出，上清液被淘出的比例较为有限，而且上清液中仍然有数量可观的悬浮物，化学污泥的产量仍然较大，加之该工艺对操作人员的技术水平要求较高，因此现今应用已非常有限。
荷兰Delft理工大学Kluyver生物技术实验室近年来研发出一种变形的UCT(University of Cape Town)工艺，即BCFS(biologischchemisch fosfaat stikstof verwijdering)工艺(工艺原理如图1c所示)。BCFS工艺在UCT工艺主流程的厌氧池和缺氧池之间以及缺氧池和好氧池之间分别增加了一个反应器，即接触池和混和池，将传统的生物除磷脱氮3步过程改为5步，将2个循环系统改为了4个，即该工艺主流程上由5个反应器和3组内循环系统构成，侧流程上由1组污泥循环系统和1个富磷上清液(来自厌氧池末端，流量大约为原污水总量的十分之一)化学沉淀除磷单元构成。接触池相当于第二选择器，可以有效防止厌氧水解产物引起的丝状菌膨胀，同时回流污泥中携带的NO3-N在接触池中可以发生反硝化除磷；混和池控制在低D0(≤0.5mg/L)状态下运行，可以获得良好的同时硝化反硝化。BCFS工艺一方面将生物好氧吸磷、缺氧吸磷以及富磷上清液的离线化学沉淀有机结合起来，使系统具有良好的除磷效果，出水总磷≤0.2mg/L，另一方面也将传统生物脱氮、同时硝化反硝化、反硝化除磷结合起来，确保系统具有优异的生物脱氮效果，出水总氮≤5mg/L，是迄今为止能同时获得最佳脱氮除磷效果的方法。但BCFS工艺流程极为复杂，系统基建投资和运行成本高、占地面积大、运行管理复杂，而且除磷途径仍以排除富磷剩余污泥为主，厌氧富磷污水的在线磷分离和离线磷沉淀仅是辅助手段，大量剩余污泥如何处置和污水中磷资源如何回收的问题仍然没有很好地解决，因此应用于实际污水处理工程也受到很大局限。
针对Phostrip侧流除磷工艺脱氮效果不佳以及BCFS工艺流程复杂的问题，重庆大学提出活性污泥外循环ERP-SBR(External recycleprocess of aerobic sludge in SBR system)生物除磷脱氮新工艺(工艺原理如图3所示)。ERP-SBR系统在传统SBR反应器之外增设强化厌氧释磷池(即厌氧反应器)和化学除磷池，与BCFS工艺在主流程上厌氧池末端实现富磷上清液在线分离不同的是，在SBR系统沉淀排水后将部分好氧吸磷污泥连同部分原污水一起排至厌氧释磷池，厌氧释磷后的污泥经过静置沉淀实现泥水分离后再循环回流到SBR反应器，重新参与好氧磷吸收过程，富磷上清液则进入化学除磷池，在投加的化学除磷药剂的作用下形成富磷沉淀物，沉淀后的上清液再回流入SBR反应器进一步去除污水中的氨、磷、有机物等污染物。ERP-SBR工艺在流程上较之BCFS大为简化，而且基本上以侧流程上排除厌氧富磷污水的方式替代了传统生物除磷工艺在主流程上排除好氧富磷污泥的方式来实现除磷，因此使得SBR反应器内的污泥龄、污泥浓度和污泥活性均有所提高，抗冲击负荷能力增强，避免了传统生物脱氮除磷系统反硝化和厌氧释磷对碳源有机物的竞争，脱氮和除磷均达到了较好的效果，而且对部分污泥采用离线强化厌氧释磷，对占原污水总量比例仅十分之一左右但磷浓度却是原污水近十倍左右的富磷污水进行化学处理，既减小了化学除磷系统的规模，又降低了化学药剂的用量和化学污泥的产量，提高了化学除磷系统药剂利用率和化学污泥的含磷率，进而为富磷化学污泥中磷资源的回收利用创造了有利条件，消除了传统生物除磷系统排放的富磷污泥磷固定和处置环节。
但ERP-SBR工艺还存在以下不足之处：(1)污泥龄的控制同样面临两难的境地：缩短污泥龄因对生物脱氮不利并增加污泥处置成本而不可取，延长污泥龄可以最大限度的使污水中的磷以富磷沉淀物的形式得以回收利用，但延长污泥龄将使得作为主反应池的SBR反应器内污泥浓度随着运行时间的延长逐渐增大，以重力沉淀完成泥水分离的效率随之逐渐降低，污泥界面提高，SBR反应器的充水比降低，由此进一步降低了SBR反应器的空间利用率，严重时甚至引发污泥膨胀，出水水质恶化；(2)以滗水器作为撇水设备撇除SBR反应器沉淀期末的上清液作为系统最终出水，出水SS(悬浮物)难以降低至10mg/L，由于SBR反应器沉淀期末上清液中SS含磷量一般不低于5％，因此出水SS所携带的TP即达到0.5mg/L，使得整个系统出水难以满足GB18918一级A标准关于TP指标的要求；(3)尽管厌氧释磷过程本身的历时较短，一般在2h左右就可以完成，但厌氧释磷池同样依靠重力沉淀完成泥水分离，这种泥水分离方式在污泥浓度高时不但需要延长沉淀时间，而且污泥界面升高，使得可排入化学除磷池的富磷上清液的排水高度大幅缩减，此时即便厌氧释磷过程已充分完成，但可以真正排入化学除磷池的富磷上清液仍然不足全部富磷污水的一半，这使得系统的除磷能力无法进一步得到提高。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种污水处理工艺，采用该种工艺处理城市污水可以在不排除剩余活性污泥的情况下实现碳、氮、磷的同时去除，而且脱氮除磷的效率更高，系统流程更为简单，占地面积更省，处理成本更低，更便于污水中磷元素的回收利用。
本发明的另一个目的是提供一种污水处理系统。
为了实现以上的发明目的，本发明采用以下的技术方案：
一种污水处理工艺，包括如下工序：
a)进水工序：原水进入生物反应池至预定的时间或者液位；
b)反应工序：生物反应池内间歇地进行曝气；
c)处理水排放工序：由膜分离设备对生物反应池内的混合液进行固液分离，得到第一透过液，将第一透过液作为系统最终处理出水；
d)待机工序：生物反应池内停止曝气；
e)富磷水排放工序：生物反应池内保持厌氧状态，由膜分离设备对生物反应池内的混合液进行固液分离，得到第二透过液，第二透过液进入与生物反应池相独立设置的磷回收单元内部，磷回收单元使磷从水中脱除，第二透过液由富磷水变成低磷水，低磷水回流至生物反应池内；
此污水处理工艺按照上述步骤周期运行。
优选地，将步骤b)和步骤c)合并为一个反应排水工序：生物反应池内既进水又排水，间歇地进行曝气。
优选地，将步骤a)、步骤b)和步骤c)合并为一个进水反应排水工序：生物反应池内既进水又排水，间歇地进行曝气。
优选地，在步骤a)之前，对原水进行预处理。
优选地，所述生物反应池内的污泥浓度为2～20g/L，更优选为4～15g/L，最优选为8～12g/L。
优选地，在步骤b)～步骤e)中均有原水进入生物反应池。
优选地，在步骤d)和步骤e)中进入生物反应池的原水水量占每一个运行周期内注入生物反应池的总原水水量的比例为1～40％，优选为5～20％。
优选地，在步骤c)或者步骤e)为降水位操作。
优选地，在步骤a)、步骤b)或者步骤c)中采用氧气浓度达到25％以上的富氧气作为曝气介质。
优选地，在步骤e)中采用氮气浓度达到95％以上的纯氮气作为曝气介质。
本发明还提供一种污水处理系统，包括生物反应池、膜分离设备、磷回收单元和曝气设备，所述曝气设备在生物反应池内，生物反应池与膜分离设备连通，膜分离设备的出水口与第一输水管路和第二输水管路连通，所述第一输水管路和第二输水管路上均有阀门，所述磷回收单元与第二输水管路和生物反应池连通，所述生物反应池内有搅拌设备。
优选地，污水处理系统还包括空气分离设备。
优选地，污水处理系统还包括预处理装置，所述预处理装置包括格栅、筛网、毛发聚集器、沉砂池、初沉池、调节池、pH调整设备、离子交换设备、吸附设备、混凝沉淀设备、气浮设备、水解酸化设备、升流式厌氧污泥床、颗粒状厌氧污泥膨胀床、内循环反应器、常温催化氧化设备、高温催化氧化设备、光催化氧化设备、高温湿式氧化设备、电解设备、微波设备中的至少一种。
优选地，污水处理系统还包括后处理装置，所述后处理装置包括氯化消毒设备、紫外线消毒设备、臭氧设备、曝气生物滤池、人工湿地、土壤渗滤系统、稳定塘、水生植物净化塘、吸附设备、混凝沉淀设备、絮凝过滤设备、活性炭设备、离子交换设备、超滤设备、纳滤设备、反渗透设备、电渗析设备、电除盐设备中的至少一种。
优选地，污水处理系统同时包括所述的预处理装置和后处理装置。
本发明与现有技术相比，通过膜分离设备可以对生物反应池内混合液进行彻底的固液分离，可以较为灵活地对污泥龄进行控制，不像现有技术采用重力沉淀实现固液分离，在长污泥龄的情况下容易因污泥浓度高、污泥界面高、污泥沉降性能变差而降低构筑物的空间利用率甚至恶化出水水质，这样可以最大限度地提高生物反应池内的污泥浓度，由此可以最大限度地提高生物脱氮效果以及聚磷菌的释磷总量及吸磷总量，使系统可以真正实现在不排除剩余活性污泥的情况下实现对磷的高效去除，不但使系统获得了更好的脱氮除磷效果，而且大幅降低了剩余活性污泥的产量，节省了污泥处理处置费用。
同时，通过膜分离设备对生物反应池内混合液进行彻底的固液分离，将好氧和缺氧阶段的透过液作为系统最终出水，出水悬浮物接近于零，避免了现有技术中采用滗水器等表层撇水设备撇除沉淀后的上清液所普遍面临的出水悬浮物较高的现象，消除了出水中的悬浮物所携带的磷即足以使得污水处理系统出水总磷浓度超标的问题。
另外，通过膜分离设备对生物反应池内混合液进行彻底的固液分离，可以将厌氧阶段聚磷菌释磷所形成的富磷水尽最大可能地从系统中排除，而且膜分离所形成的透过液悬浮物接近于零，消除了现有技术中采用混凝沉淀池作为磷回收单元时普遍存在的悬浮物干扰磷沉淀的问题，节省了除磷药剂的用量，降低了化学污泥的产量，提高了磷沉淀物中磷的含量，为磷资源的回收利用创造了更为有利的条件。
还有，本发明在单一的生物反应池内部从时间序列上顺次经历好氧、缺氧、厌氧环境，实现了碳、氮、磷的同步高效去除，使系统在流程上变得十分简洁，与现有技术的ERP-SBR系统相比省去了厌氧释磷池，与BCFS系统相比省去了四个反应器和几乎全部的循环系统。因此，在具有同样的脱氮除磷能力的前提下，本发明的污水处理系统的占地面积更小，基建投资和运行成本更低，管理维护也更为简单。
附图说明
图1a为现有技术中的厌氧-缺氧-好氧工艺的工艺原理示意图。
图1b为现有技术中的Phostrip工艺的工艺原理示意图。
图1c为现有技术中的BCFS工艺的工艺原理示意图。
图2为现有技术中的传统序批式活性污泥法的工艺原理示意图。
图3为现有技术的ERP-SBR工艺的工艺原理示意图。
图4a为本发明的实施例1提供的污水处理工艺的工艺原理示意图。
图4b为本发明的实施例2提供的污水处理工艺的工艺原理示意图。
图4c为本发明的实施例3提供的污水处理工艺的工艺原理示意图。
图5a为本发明的实施例1提供的污水处理工艺的工序图。
图5b为本发明的实施例2提供的污水处理工艺的工序图。
图5c为本发明的实施例3提供的污水处理工艺的工序图。
图6为本发明的实施例1所述的污水处理工艺及系统的工艺运行过程示意图。
图7为本发明的实施例2所述的污水处理工艺及系统的工艺运行过程示意图。
图8为本发明的实施例3所述的污水处理工艺及系统的工艺运行过程示意图。
附图中各个标记的说明：
1——生物反应池；2——膜分离设备3——曝气设备；4——搅拌设备；
5——磷回收单元；6——抽吸泵；7——鼓风机；8——第一输水管路控制阀门；
9——第二输水管路控制阀门；10——循环泵；11——第一输水管路；
12——第二输水管路；13——膜滤池；14——SBR反应器；15——磷厌氧释放池；
16——磷沉淀池；17——滗水设备；18——磷混合反应池；19——厌氧池；
20——缺氧池；21——好氧池(曝气池)；22——二次沉淀池；
23——接触池；24——混合池；25——料液供给管；26——料液回流管；
27——生物反应池供气控制阀门；28——膜滤池供气控制阀门。
具体实施方式
下面对上述技术方案进行详细的阐述和说明，并且对于其他涉及的技术细节进行详细的阐述和说明：
一种污水处理工艺，包括如下步骤，并按一定的运行周期顺次循环执行：
(1)进水工序：原水进入生物反应池至预定的时间或者液位；
在原水流入生物反应池的过程中，生物反应池内可以只进行曝气或者只进行搅拌，也可以交替进行曝气和搅拌，也可以既不进行曝气也不进行搅拌；
(2)反应工序：生物反应池内间歇地进行曝气和搅拌；
生物反应池内间歇地进行曝气和搅拌，可以使得污水与微生物相接触，污水中的各类污染物被微生物所吸收、分解或者转化。在曝气阶段，生物反应池内为好氧状态，主要发生有机物氧化反应、好氧硝化作用、同时硝化反硝化作用以及聚磷菌吸磷过程。在搅拌阶段，生物反应池内为缺氧状态，主要发生缺氧反硝化作用。
(3)处理水排放工序：由膜分离设备对生物反应池内的混合液进行固液分离，得到第一透过液，将第一透过液作为系统最终处理出水；
当反应工序持续一定时间后，生物反应池内的混合液被膜分离设备所过滤分离，水及部分小分子物质透过膜成为系统出水，微生物、大分子物质以及无机颗粒均被膜截留在生物反应池内部。在处理水排放的过程中，生物反应池内可以进行曝气或搅拌，也可以交替进行曝气和搅拌，也可以既不进行曝气也不进行搅拌，换言之，处理水排放工序可以包含在反应工序内部的任意时段或全部时段内连续或间歇进行，也可以在反应工序结束后再进行。
(4)待机工序：生物反应池内停止曝气；
曝气停止后，可以进行连续或间歇的搅拌，也可以不进行搅拌，生物反应池内逐渐由好氧或缺氧状态进入厌氧状态，开始发生聚磷菌厌氧释磷过程。在待机工序中，生物反应池内不再进入原水，或者只进入少量原水，但初始阶段可以继续通过膜分离设备排放处理水，直至处理水中TP浓度接近或达到排放限值时停止。
(5)富磷水排放工序：生物反应池内保持厌氧状态，由膜分离设备对生物反应池内的混合液进行固液分离，得到第二透过液，第二透过液进入与生物反应池相独立设置的磷回收单元内部，磷回收单元使磷以沉淀物或结晶体等形式得以从水中脱除，第二透过液由富磷水变成低磷水，低磷水回流至生物反应池内。
当待机工序持续到生物反应池内完全处于厌氧状态并且聚磷菌厌氧释磷过程进行到一定程度时，富磷水排放工序开始启动。生物反应池内的混合液被膜分离设备所过滤分离，微生物、大分子物质以及无机颗粒均被膜截留在生物反应池内部，水、部分小分子物质以及磷酸盐透过膜形成第二透过液，第二透过液被引入到与生物反应池相独立设置的磷回收单元内部，磷回收单元使磷以沉淀物或结晶体等形式得以从水中脱除，第二透过液则由富磷水变为低磷水，磷回收单元的出水重新回流至生物反应池。
在所述的进水工序内，生物反应池的混合液既可以一直处于厌氧状态、缺氧状态或好氧状态，也可以从厌氧状态逐渐转变为缺氧状态或者再进一步转变为好氧状态，也可以处于好氧状态和缺氧状态相共存或交替的状态；在所述的反应工序和处理水排放工序内，生物反应池的混合液既可以一直处于好氧状态，也可以处于好氧状态和缺氧状态相共存或交替的状态；在所述的待机工序内，生物反应池的混合液逐渐从缺氧状态转变为厌氧状态；在所述的富磷水排放工序内，生物反应池一直处于厌氧状态。
当上述五个基本过程按一定的运行周期顺次循环执行时，所述生物反应池内的混合液中的活性微生物，在时间序列上顺次经历好氧、缺氧、厌氧交替循环的环境。在好氧状态时，异养微生物逐步降解含碳有机物，硝化菌将氨氮氧化成硝酸盐，聚磷菌进行好氧吸磷过程；在缺氧状态时，反硝化菌将硝酸盐还原为氮气从水中逸出，完成对总氮的去除；在厌氧状态时，聚磷菌进行厌氧释磷过程。但与厌氧-缺氧-好氧(A2/O)、传统SBR以及二者各自的变型工艺等常规生物脱氮除磷工艺不同的是，本发明不再通过排除好氧区或者好氧期末的富磷污泥的方式将磷元素从水中去除，而是通过排除厌氧阶段形成的富磷上清液的方式实现磷元素的去除或回收，这样从根本上解决了常规生物脱氮除磷工艺为了同时实现生物脱氮和生物除磷而在污泥龄(生物固体停留时间，SRT)控制上存在的矛盾。另外，与荷兰Deft理工大学的BCFS工艺和重庆大学的ERP-SBR工艺不同的是，本发明中活性微生物与水的分离不再依靠重力沉淀的方式，而是通过膜分离设备的高效过滤分离作用，这样不但使活性微生物与水彻底相分离，省去了生物反应池之外所有的混合液或者污泥外循环系统，实现了在单一生物反应池内对碳、氮、磷的高效去除，而且很好的解决了前文所述ERP-SBR工艺所面临的三个方面的问题：(1)系统运行不再需要顾虑长污泥龄下污泥界面升高、充水比随之降低的问题，高效的膜分离过程不但使得污泥龄的控制更为灵活，最大程度的发挥生物反应池的空间利用率，而且可以使系统获得超长的污泥龄(可长达60天甚至90～300天)，从而最大程度的降低剩余活性污泥的产量，节省污泥处理处置费用。尽管在长污泥龄的情况下生物反应池内的污泥浓度可能是常规生物脱氮除磷工艺以及BCFS工艺、ERP-SBR工艺3～4g/L的2～5倍，即高达6～15g/L，但由于采用膜分离过程实现固液分离，因此即便污泥界面较高，系统仍然可以较为顺利地实现处理水排放工序；(2)膜的高效截留性能使处理水排放工序中获得的系统最终出水的悬浮物(SS)几近于零，这样避免了出水悬浮物携带的颗粒态磷含量即足以使得系统TP指标超标的问题；(3)当厌氧释磷过程完成后，仍然通过高效的膜分离过程彻底实现固液分离，不但可以最大程度的将获得的富磷上清液从生物反应池中排除，而且可以尽最大可能提高富磷上清液的磷浓度，换言之，这样可以尽最大可能将原水中的磷转移到富磷上清液，并尽可能的降低外排富磷上清液的总量，同时，由于膜分离所形成的透过液悬浮物接近于零，因此也消除了现有技术中采用混凝沉淀池作为磷回收单元时普遍存在的悬浮物干扰磷沉淀的问题，节省了除磷药剂的用量，降低了化学污泥的产量，提高了磷沉淀物中磷的含量，为磷资源的回收利用创造了更为有利的条件。
作为上述一种污水处理工艺的进一步改进，可以在所述的反应工序和处理水排放工序之间增加一个工序，即沉淀工序。在所述沉淀工序内，生物反应池内既不进水也不排水，既不曝气也不搅拌，微生物依靠重力作用逐渐沉淀至生物反应池底部。在随后的处理水排放工序中，被膜分离设备所过滤分离的液体主要是位于生物反应池上部的上清液，整个处理水排放工序为降水位操作，直至生物反应池内的液位降至沉淀工序末形成的污泥界面附近时停止。在随后的待机工序和富磷水排放工序中，生物反应池内不再进入原水，或者只进入少量原水，但待机工序的初始阶段可以继续通过膜分离设备排放处理水，直至处理水中TP浓度接近或达到排放限值时停止。当然，也可以取消待机工序，直接进行富磷水排放工序，此时亦可以理解为待机工序与沉淀工序完全相重合。当生物反应池内的污泥浓度未达到较高值时(如当MLSS为4～6g/L时)，沉淀后形成的污泥界面不高，增设沉淀工序或者将待机工序改为沉淀工序可以使得膜分离设备所过滤分离的料液不再是含有大量活性微生物的混合液，而是只含有部分悬浮物的上清液，这样可以适当延缓膜分离设备内部膜污染(membrane fouling)的发展，使其保持良好的过滤性能，延迟进行在线或者离线的清洗操作。
作为上述一种污水处理工艺的另一种进一步改进，可以将所述的反应工序和处理水排放工序合并为一个工序，即反应排水工序。在所述反应排水工序内，被膜分离设备所过滤分离的液体始终是生物反应池内的混合液，所获得的第一透过液作为系统最终处理出水，生物反应池内交替进行曝气和搅拌，可以既进水又排水，也可以只排水不进水，进水或排水方式可以是连续的，也可以是间歇的。在随后的待机工序和富磷水排放工序中，生物反应池内不再进入原水，或者只进入少量原水，但待机工序的初始阶段可以继续通过膜分离设备排放处理水，直至处理水中TP浓度接近或达到排放限值时停止。
作为上述一种污水处理工艺的另一种进一步改进，可以将所述的进水工序、反应工序和处理水排放工序合并为一个工序，即进水反应排水工序。在所述进水反应排水工序内，被膜分离设备所过滤分离的液体始终是生物反应池内的混合液，所获得的第一透过液作为系统最终处理出水，生物反应池内交替进行曝气和搅拌，既进水又排水，进水或排水方式可以是连续的，也可以是间歇的。在随后的待机工序和富磷水排放工序中，生物反应池内不再进入原水，或者只进入少量原水，但待机工序的初始阶段可以继续通过膜分离设备排放处理水，直至处理水中TP浓度接近或达到排放限值时停止。
当所述生物反应池内的混合液处于所述好氧状态时，其液相主流区的D0值一般不小于1.0mg/L，优选不小于1.5mg/L，更优选2.0～3.0mg/L；ORP(氧化还原电位)值一般不低于+100mV，优选+180～+600mV；温度一般为4～45℃(摄氏度)，优选15～30℃；pH值一般为6.0～9.0，优选6.5～8.5，更优选7.0～8.0。
当所述生物反应池内的混合液处于所述缺氧状态时，其液相主流区的D0值一般不高于1.0mg/L，优选不高于0.5mg/L，更优选0.2～0.4mg/L；ORP值一般不高于-50mV，优选-100～-50mV；温度一般为4～45℃，优选15～30℃；pH值一般为6.0～9.0，优选6.0～8.0，更优选7.0～7.5；生物反应池进水的BOD5与TKN的比值一般不小于2.5，优选不小于3.5，更优选不小于5。
当所述生物反应池内的混合液处于所述厌氧状态时，其液相主流区的D0值一般不大于0.5mg/L，优选不高于0.2mg/L，更优选0～0.1mg/L；ORP值一般不高于-200mV，优选-350～-200mV；温度一般为4～45℃，优选15～30℃；pH值一般为6.0～9.0，优选6.5～8.5，更优选7.5～8.0；生物反应池进水的BOD5与TP的比值一般不小于10，优选不小于20，更优选不小于25。
所述进水工序持续的时间一般为0.2～4小时，优选0.5～2小时；所述反应工序持续的时间一般为1～24小时，优选2～12小时；所述处理水排放工序持续的时间一般为0.2～12小时，优选0.5～8小时；所述待机工序持续的时间一般为0.2～4小时，优选0.5～2小时；所述富磷水排放工序持续的时间一般为0.2～4小时，优选0.5～2小时。当在所述的反应工序和处理水排放工序之间增加所述沉淀工序时，其持续的时间一般为0.2～4小时，优选0.5～2小时。当所述反应工序和处理水排放工序合并为反应排水工序时，其持续的时间一般为1～24小时，优选2～12小时。当所述进水工序、反应工序和处理水排放工序合并为进水反应排水工序时，其持续的时间一般为1～24小时，优选2～12小时。所述运行周期一般为3～48小时，优选4～12小时。
所述污水处理工艺可以以固定周期运行，也可以以可变周期运行。当工程中安装有能够在线连续监测原水、生物反应池内的混合液以及处理水、富磷水中的有机物、氮、磷等目标污染物的含量时，可以通过自动控制系统实时采集这些数据，并计算出合理的运行周期以及运行周期内各步工序的持续时间，并由自动控制系统向执行机构发出指令予以实施。作为优选，所述污水处理工艺通过动态监测原水、生物反应池内的混合液以及处理水、富磷水中的有机物、氮、磷等目标污染物的变化情况的可变周期进行实施。这样可以使得整个污水处理系统的能量和药剂消耗量达到最小的程度。
原水在被注入生物反应池时，可以是连续的，也可以是间歇的。在每一个运行周期内，可以只在进水工序时向生物反应池内注入原水，也可以既在进水工序又在其他工序(除沉淀工序外)内注入原水。作为优选，在进水工序和其他工序(除沉淀工序外)内均向生物反应池内注入原水。这样在好氧状态、缺氧状态、厌氧状态时生物反应池内均有原水注入，避免了传统生物脱氮除磷系统中普遍存在的缺氧反硝化过程和厌氧释磷过程对碳源有机物的竞争，可以在生物脱氮过程和生物除磷过程之间更好地分配碳源有机物，达到更好的脱氮除磷效果。在待机工序和富磷水排放工序内向生物反应池内注入的原水水量占每一个运行周期内注入生物反应池的总原水水量的比例为1～40％，优选5～20％。
在所述处理水排放工序、反应排水工序和富磷水排放工序内，可以使原水在任一时段或全部时段内连续或间歇进入生物反应池，换言之，处理水排放工序、反应排水工序和富磷水排放工序既可以为恒水位操作，也可以为降水位操作。当处理水排放工序或反应排水工序为降水位操作时，在随后的待机工序内可以使原水在任一时段或全部时段内连续或间歇进入生物反应池，也可以不再继续进入原水。当处理水排放工序或反应排水工序为恒水位操作时，在随后的待机工序内生物反应池内不再继续进入原水。作为优选，所述处理水排放工序和反应排水工序均为降水位操作，即随着持续时间的延长，生物反应池内的水位逐渐降低。这样在随后的待机工序和富磷水排放工序中即便向生物反应池内继续注入少量原水，生物反应池内的水位仍然可以控制在较低的水平，由此可以提高富磷上清液中磷的浓度，降低排入磷回收单元的富磷污水的总量，节省相关药剂的用量。
按照生物反应池内微生物的生长类型，所述生物反应池可以为悬浮生长型的活性污泥反应器，也可以为附着生长型的生物膜反应器，也可以为既有悬浮生长型的活性污泥又有附着生长型的生物膜的复合反应器。作为优选，所述生物反应池为悬浮生长型的活性污泥反应器。按照反应器内的物料流态，所述生物反应池可以为推流反应器，也可以为完全混合反应器，也可以采用类似于氧化沟(Oxidation Ditch)那样既有推流流态又有完全混合流态的反应器设计。
所述生物反应池的曝气方式可以为连续式，也可以为间歇式或脉冲式。
当生物反应池处于好氧状态、缺氧状态或者好氧状态和缺氧状态相共存或交替时，所述生物反应池内的曝气介质可以是压缩空气，也可以是氧气体积浓度不低于25％的富氧气；当所述生物反应池处于厌氧状态时，所述生物反应池内可以只进行搅拌，也可以采用氮气体积浓度不低于95％的纯氮气作为介质进行曝气。作为优选，当生物反应池处于好氧状态、缺氧状态或者好氧状态和缺氧状态相共存或交替时，采用氧气体积浓度不低于25％的富氧气作为曝气介质，更优选采用氧气体积浓度不低于90％的纯氧气作为曝气介质；当所述生物反应池处于厌氧状态时，采用氮气体积浓度不低于95％的纯氮气作为曝气介质，更优选采用氮气体积浓度不低于99％的纯氮气作为曝气介质。这样不管膜分离设备执行处理水排放工序，还是执行富磷水排放工序，都可以利用曝气所形成的气水二相流在膜分离设备的过滤单元表面进行错流(cros sflow)流动，由此形成的水力剪切力能够有效抑制污染物在过滤单元表面沉积，避免过滤阻力增大而发生严重的膜污染现象，使得膜分离设备始终保持较好的过滤性能。同时，在生物反应池处于厌氧状态时以纯氮气作为曝气介质可以不破坏生物反应池内部的厌氧环境，保证富磷水排放工序的顺利进行；在生物反应池处于好氧状态、缺氧状态或者好氧状态和缺氧状态相共存或交替时以富氧气或者纯氧气作为曝气介质，氧转移效率更高，不但可以使生物反应池中保持较高的污泥浓度和污泥活性，改善污泥沉降性能，降低剩余活性污泥产量，促进硝化菌的生长，而且可以进一步节约电耗。另外，纯氮气和富氧气(纯氧气)均可以由空气制备，而且制备技术较为成熟，制备成本也较为低廉。利用空气分离设备分离得到氧气和氮气是比较常见的技术。所述空气分离设备可以采用低温空分法，也可以采用变压吸附法(Pressure Swing Adsorption，PSA)、膜分离空分法等常温空分方法，也可以采用空分领域已知的其它各类方法。空气分离设备简称空分设备。
所述生物反应池内的MLSS(污泥浓度)一般为2～20g/L，优选4～15g/L，更优选8～12g/L。
本发明还提供一种污水处理系统，包括生物反应池、膜分离设备、磷回收单元和曝气设备，所述曝气设备在生物反应池内，生物反应池与膜分离设备连通，膜分离设备的出水口与第一输水管路和第二输水管路连通，所述第一输水管路和第二输水管路上均有阀门，所述磷回收单元与第二输水管路和生物反应池连通，所述生物反应池内有搅拌设备。
所述膜分离设备具有一个或者一个以上的过滤单元。所述过滤单元是指具有过滤作用的组件，可以是中空纤维束式膜组件、中空纤维帘式膜组件、板框式平板膜组件、毛细管式膜组件、管式膜组件以及微孔过滤管等水处理领域可以用到的各类过滤单元。
执行处理水排放工序阶段固液分离的膜分离设备与执行富磷水排放工序阶段固液分离的膜分离设备可以为同一套设备，也可以其中一个是另一个的一部分，也可以是两套相独立的设备。作为优选，由同一套膜分离设备来执行处理水排放工序阶段和富磷水排放工序阶段的固液分离。
所述膜分离设备可以设置于生物反应池内部浸没安装于液面以下，即与生物反应池组成所谓内置式膜生物反应器(submerged MBR)，也可以独立设置于生物反应池外部，即与生物反应池组成所谓外置式膜生物反应器(side stream MBR)。作为优选，所述膜分离设备独立设置于生物反应池外部。这样更便于膜分离设备的安装、检修和在线清洗。
所述膜分离设备在执行处理水排放工序时的膜通量(即膜分离设备正常工作时单位表面上单位时间内的透过液流量)与在执行富磷水排放工序时的膜通量可以相同也可以不相同。考虑到膜分离设备在执行富磷水排放工序时生物反应池内应保持厌氧状态，即便以纯氮气作为曝气介质进行曝气既可以不破坏厌氧状态，也可以利用气水二相流的错流流动作为膜污染的抑制手段，但曝气所形成的水面扰动仍然可能造成一定程度的大气复氧，故曝气强度应控制在较低的水平。因此，作为优选，所述膜分离设备在执行富磷水排放工序时的膜通量低于其在执行处理水排放工序时的膜通量。这样有利于使膜分离设备保持较好的过滤性能。
所述磷回收单元可以使得磷从水中脱除，其除磷方式可以采用沉淀、吸附、结晶等水处理领域已知的各种工艺，例如，可以为混凝沉淀池(或混凝沉淀设备)，也可以为吸附池(或吸附设备)，也可以是其他能够从水溶液中将磷酸盐沉淀分离、吸附分离或结晶析出的反应单元。所采用的混凝剂或者吸附剂可以是钙(Ca)、铝(Al)、铁(Fe)、镁(Mg)或其他金属阳离子所形成的无机盐或聚合物，或者是上述一种或两种以上化学药剂的混合物。不论采用何种除磷方式，只要能够实现将第二透过液由富磷水变为低磷水即可。由于磷回收单元的进水是膜分离设备的第二透过液，悬浮物接近于零，因此消除了现有技术中采用混凝沉淀池作为磷回收单元时普遍存在的悬浮物干扰磷沉淀的问题，不但节省了除磷药剂的用量，降低了化学污泥的产量，而且提高了磷沉淀物中磷的含量，为磷资源的回收利用创造了更为有利的条件。
在所述污水处理系统的前段可以设有预处理装置，这里的预处理装置指的是，原水进入生物反应池之前可以对原水进行处理的装置。所述预处理装置可以由格栅、筛网、毛发聚集器、沉砂池、初沉池、调节池、隔油池、pH调整设备、离子交换设备、吸附设备、混凝沉淀设备、气浮设备、厌氧反应设备(包括但不限于水解酸化、升流式厌氧污泥床、颗粒状厌氧污泥膨胀床、内循环反应器等)、高级氧化设备(包括但不限于常温催化氧化、高温催化氧化、光催化氧化、高温湿式氧化等)、电解设备、微波设备之中的任何一个或两个以上构成，用以除去污水中的大块漂浮物、悬浮物、长纤维物质、泥砂、油脂、对微生物有害的重金属以及微生物难以降解的有机污染物，使预处理后的水温保持在10-40℃之间，pH值保持在6-9之间，BOD5(五日生化需氧量)与COD(化学需氧量)的比值保持在0.3以上。预处理后的污水进入生物反应池。
在所述污水处理系统的后段可以设有后处理装置，这里的后处理装置指的是，可以对第一透过液进行进一步处理的装置。所述后处理装置可以由氯化消毒设备(消毒剂包括但不限于氯气、次氯酸钠、二氧化氯等)、紫外线消毒设备、臭氧设备、曝气生物滤池、人工湿地、土壤渗滤系统、稳定塘、水生植物净化塘、吸附设备、混凝沉淀设备、絮凝过滤设备、活性炭设备(活性炭为颗粒状或粉末状，曝气或不曝气)、离子交换设备、超滤设备、纳滤设备、反渗透设备、电渗析设备、电除盐设备之中的任何一个或两个以上构成，用以对第一透过液进行进一步的消毒、脱色，或者进一步去除第一透过液中仍然残留的有机物和无机盐。后处理后的第一透过液进入产水收集装置。
优选地，在所述污水处理装置的前段和后段可以同时设有所述的预处理装置和后处理装置。
在所述的污水处理系统中可以增设D0或ORP等测定仪，用以在线连续自动监测生物反应池内混合液的实时DO或ORP值，并以此来动态调整所述曝气设备输出的气量，这样可以进一步节省能耗，并且更好调控生物反应池内的环境条件，使其能够在好氧状态、缺氧状态、厌氧状态之间顺利实现切换和交替。
在所述的污水处理系统中可以增设COD、BOD、TOC(总有机碳)、NH4 +-N(氨氮)、NO2 --N(亚硝酸盐氮)、NO3 --N(硝酸盐氮)、TKN(总凯氏氮)、TN(总氮)、磷酸盐、TP(总磷)等水质指标的测定仪，用以在线连续自动监测原水、生物反应池内的混合液以及处理水、富磷水中的上述水质指标，并以此来动态调整系统的运行周期、运行周期内各工序的持续时间以及生物反应池内的环境条件，这样既可以确保处理水的各项水质指标稳定符合相应排放限值的要求，又可以将整个系统的能量及药剂消耗量降至最低。
上述阐述的本发明的污水处理系统的原理和变化，同样适用于本发明提供的污水处理工艺，也可以说本发明的污水处理工艺和污水处理系统是相辅相成的，两者配合使用相得益彰，能够获得较好的污水处理效果。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1
如图4a所示，一种污水处理系统，包括生物反应池1，安装在生物反应池1之内的膜分离设备2、曝气设备3和搅拌设备4，设置于生物反应池1之外的磷回收单元5，吸水口与膜分离设备2的出水口相连通的抽吸泵6，出气口与曝气设备3的进气口相连通的鼓风机7。与抽吸泵6的出水口相连的管路分出两个支路，即第一输水管路11和第二输水管路12，其中第一输水管路11与产水收集装置相连，第二输水管路12与磷回收单元5的进水口相连，磷回收单元5的出水口则通过管路与生物反应池1相连。第一输水管路11和第二输水管路12上分别安装有一个电动阀门，即第一输水管路控制阀门8和第二输水管路控制阀门9。
生物反应池1的内部净尺寸为10m(米)(宽)×25m(长)×5.6m(深)，有效水深为5m，有效容积为1250m3。产水贮存池5的内部净尺寸为5m(宽)×20m(长)×5.6m(深)，有效水深为5m，有效容积为500m3。
膜分离设备2共有50个，分2排放置，每排25个，每个膜分离设备2的外形尺寸均为1000mm(毫米)(长)×1000mm(宽)×2000mm(高)，每个膜分离设备2内部集成的过滤单元为中空纤维帘式膜组件，共20片，每片中空纤维帘式膜组件均由598根中空纤维膜丝组成，中空纤维膜丝的外径为2.8mm，平均膜孔径为0.4μm(微米)，材质为聚偏氟乙烯，上端可以自由摆动，每根膜丝均呈闭孔状态，利用柔性环氧树脂封结，下端用环氧树脂浇铸汇集于端头之中，并且用聚氨酯对其进行二次浇铸，以对膜丝根部进行保护。端头外部设有外径为Φ10mm的产水管，所有产水管均并联至每一个膜分离设备2的集水支管，各个膜分离设备2的集水支管均并联至集水总管，集水总管与抽吸泵6的吸水口相连通。
抽吸泵6共4台，3用1备，每台的流量为100m3/h(立方米/小时)，扬程为32m，吸程为8m，功率为15kW(千瓦)。鼓风机7共3台，2用1备，每台风量为20.87m3/min(立方米/分钟)，风压为58.8kPa(千帕)，转速为1400r/min(转/分)，功率为37kW。磷回收单元采用絮凝沉淀反应器，由折板絮凝池和同向流斜板沉淀池两部分组成，其中折板絮凝池有效容积为30m3，水力停留时间为6～18min，同向流斜板沉淀池水力表面负荷为30m3/(m2·h)，斜板间距35mm。
当原水为一般的城市污水时，其主要水质指标为：pH＝6～9，CODCr＝400～500mg/L，BOD5＝200～300mg/L，SS＝100～300mg/L，氨氮＝20～60mg/L，TN＝20～80mg/L，TP＝2～8mg/L。在本发明的污水处理系统的前段可以沿水流方向设置如下的预处理装置：闸门井、粗格栅、集水池、细格栅和沉砂池。其中粗格栅选用过水能力为1200m3/h、栅条间隙为20mm的回转式格栅除污机，集水池有效容积为100m3，内设3台(2用1备)流量为600m3/h、扬程为12m、功率为37kW的潜水排污泵，细格栅选用过水能力为1200m3/h、栅条间隙为5mm的旋转式格栅除污机，沉砂池选用2套处理量为600m3/h的旋流沉砂器，配套1台螺旋式砂水分离器。
针对前述类型的原水，本发明的污水处理系统可以达到的日处理规模为5000m3/d，生物反应池1的水力停留时间约为6小时，MLSS(污泥浓度)为5～8g/L(克/升)，容积负荷为0.8～1.2kg-BOD/(m3·d-1)，污泥负荷为0.1～0.24kg-BOD/(kg-MLSS·d-1)，产水贮存池5的水力停留时间约为2.4小时。
如图5a、图6所示，本发明的污水处理系统运行时，按照进水、反应、处理水排放、待机、富磷水排放五步工序运行，其中进水工序的时间为0.5h，反应工序的时间为1.5h，处理水排放工序的时间为3h，待机工序的时间为0.5h，富磷水排放工序的时间为0.5h，总的运行周期为6h。当系统处于进水工序、反应工序和处理水排放工序时，鼓风机7均为间歇式运行，提供的是氧气体积浓度为25％的富氧气，并且每运行20min后即停止10min，在鼓风机7停止运行期间搅拌设备4启动运行以完成生物反应池1内的料液混合，在鼓风机7启动运行后搅拌设备4即停止运行。当系统处于待机工序时，鼓风机7停止运行。当系统处于富磷水排放工序时，鼓风机7为连续式运行，提供的是氮气体积浓度为95％的纯氮气。当系统处于待机工序、富磷水排放工序时，搅拌设备4均连续运行。当系统处于进水工序时，进水流量为1000m3/h，至进水工序结束时，进入生物反应池1的总污水量为500m3，同时，从磷回收单元5回流至生物反应池1内的低磷水总量为150m3，则在进水工序内进入生物反应池1的总水量为650m3，生物反应池1内的水深由2.4m升至5.0m。随后系统进入反应工序，在反应工序内生物反应池1停止进入污水，进行间歇的曝气和搅拌。在随后的处理水排放工序内，抽吸泵6开始启动运行，第一输水管路控制阀门8也同步开启，第二输水管路控制阀门9则处于关闭状态，在抽吸泵6提供的负压的作用下，膜分离设备2对生物反应池1内的混合液进行固液分离，获得第一透过液，第一透过液经由第一输水管路11流入产水收集装置。在处理水排放工序内生物反应池1连续式地进入污水，进水流量为200m3/h，总污水量为600m3，抽吸泵的平均工作流量为416.67m3/h，从生物反应池1中排出的第一透过液即系统最终处理出水总量为1250m3，至处理水排放工序结束时，生物反应池1内的水深由5.0m降至2.4m。在随后的待机工序中，生物反应池1既不进水也不排水，停止曝气，进行连续的搅拌，生物反应池1内逐步进入厌氧状态。在接下来的富磷水排放工序内生物反应池1以300m3/h的进水流量连续式地进入污水，继续进行连续的搅拌，抽吸泵6则以300m3/h的平均工作流量再次启动运行，第二输水管路控制阀门9也同步开启，第一输水管路控制阀门8则处于关闭状态，在抽吸泵6提供的负压的作用下，膜分离设备2对生物反应池1内的混合液进行固液分离，获得第二透过液，第二透过液经由第二输水管路12流入磷回收单元5。在磷回收单元5内部经过混凝反应池和斜板沉淀池后，第二透过液中的TP浓度由25mg/L降为1mg/L。在富磷水排放工序内生物反应池1内的水深保持为2.4m，进入的总污水量为150m3，共获得总量为150m3的第二透过液，共有约3.6kg的磷被磷回收单元5以磷化学沉淀物的形式从系统中脱除。至此，本发明的污水处理系统完成了一个运行周期的全部工序，处理的总污水量为1250m3。本发明的污水处理系统每日可运行4个完整的运行周期，日处理污水总量为5000m3/d。
经过本发明的污水处理系统处理后，出水的主要水质指标可以达到：CODCr＝20～30mg/L，BOD5＝1～5mg/L，SS＝0mg/L，TN＝4～10mg/L，TP<0.5mg/L，去除效率分别为：CODCr≥94％，BOD5≥96％，SS＝100％，TN≥80％，TP≥90％。
实施例2
如图4b所示，一种污水处理系统，大部分结构与实施1相同，所不同的是，膜分离设备2安装在生物反应池1之外，生物反应池1和膜分离设备2之间由料液供给管25和料液回流管26相连通，其中料液供给管25上安装有循环泵10，循环泵10共6台，4用2备，每台的流量为800m3/h，扬程为12m，功率为45kW。在本发明的污水处理系统中不设抽吸泵，在其前段设置的预处理装置与实施例1相同。
膜分离设备2共有200个，分为4组，每组50个，每组内分2排放置，每排25个，每个膜分离设备2的外形尺寸均为200mm(直径)×2000mm(高)，每个膜分离设备2内部集成的过滤单元为中空纤维束式膜组件，共7束，每束中空纤维束式膜组件均由400根中空纤维膜丝组成，中空纤维膜丝的外径为2.8mm，平均膜孔径为0.4μm，材质为聚偏氟乙烯，上端可以自由摆动，每根膜丝均呈闭孔状态，利用柔性环氧树脂封结，下端用环氧树脂浇铸汇集于端头之中，并且用聚氨酯对其进行二次浇铸，以对膜丝根部进行保护。端头外部设有外径为Φ10mm的产水管，所有产水管均并联至每一个膜分离设备2的集水端头，各个膜分离设备2的集水端头均通过管道并联至集水总管，集水总管与抽吸泵6的吸水口相连通。每个膜分离设备2都有一个料液进口和一个料液出口，料液进口与循环泵10的出水口之间由料液供给管25相连通，料液出口与生物反应池1之间由料液回流管26相连通。
当原水为一般的城市污水时，其主要水质指标为：pH＝6～9，CODCr＝400～500mg/L，BOD5＝200～300mg/L，SS＝100～300mg/L，氨氮＝20～60mg/L，TN＝20～80mg/L，TP＝2～8mg/L。针对前述类型的原水，本发明的污水处理系统可以达到的日处理规模为5000m3/d，生物反应池1的水力停留时间约为6小时，MLSS(污泥浓度)为5～8g/L，容积负荷为0.8～1.2kg-BOD/(m3·d-1)，污泥负荷为0.1～0.24kg-BOD/(kg-MLSS·d-1)，产水贮存池5的水力停留时间约为2.4小时。
如图5b、图7所示，本发明的污水处理系统运行时，按照进水、反应排水、待机、富磷水排放四步工序运行，其中进水工序的时间为0.5h，反应排水工序的时间为4.0h，待机工序的时间为0.5h，富磷水排放工序的时间为1.0h，总的运行周期为6h。当系统处于进水工序、反应排水工序时，鼓风机7均为间歇式运行，提供的是压缩空气，并且每运行20min后即停止10min，在鼓风机7停止运行期间搅拌设备4启动运行以完成生物反应池1内的料液混合，在鼓风机7启动运行后搅拌设备4即停止运行。当系统处于待机工序、富磷水排放工序时，鼓风机7均停止运行，搅拌设备4则连续运行。当系统处于进水工序时，进水流量为1000m3/h，至进水工序结束时，进入生物反应池1的总污水量为500m3，同时，从磷回收单元5回流至生物反应池1内的低磷水总量为150m3，则在进水工序内进入生物反应池1的总水量为650m3，生物反应池1内的水深由2.4m升至5.0m。随后系统进入反应排水工序，循环泵10开始启动运行，第一输水管路控制阀门8也同步开启，第二输水管路控制阀门9则处于关闭状态，在循环泵10提供的正压的作用下，膜分离设备2对生物反应池1内的混合液进行固液分离，获得第一透过液，第一透过液经由第一输水管路11流入产水收集装置。在反应排水工序内生物反应池1连续式地进入污水，进水流量为150m3/h，总污水量为600m3，第一透过液的平均产水流量为312.5m3/h，从生物反应池1中排出的第一透过液即系统最终处理出水总量为1250m3，至反应排水工序结束时，生物反应池1内的水深由5.0m降至2.4m。在随后的待机工序中，生物反应池1既不进水也不排水，停止曝气，进行搅拌，生物反应池1内逐步进入厌氧状态。在接下来的富磷水排放工序内生物反应池1以150m3/h的进水流量连续式地进入污水，继续进行连续的搅拌，循环泵10再次启动运行，第二输水管路控制阀门9也同步开启，第一输水管路控制阀门8则处于关闭状态，在循环泵10提供的正压的作用下，膜分离设备2对生物反应池1内的混合液进行固液分离，以150m3/h的平均产水流量获得第二透过液，第二透过液经由第二输水管路12流入磷回收单元5。在磷回收单元5内部经过混凝反应池和斜板沉淀池后，第二透过液中的TP浓度由25mg/L降为1mg/L。在富磷水排放工序内生物反应池1内的水深保持为2.4m，进入的总污水量为150m3，共获得总量为150m3的第二透过液，共有约3.6kg的磷被磷回收单元5以磷化学沉淀物的形式从系统中脱除。至此，本发明的污水处理系统完成了一个运行周期的全部工序，处理的总污水量为1250m3。本发明的污水处理系统每日可运行4个完整的运行周期，日处理污水总量为5000m3/d。
经过本发明的污水处理系统处理后，出水的主要水质指标可以达到：CODCr＝20～30mg/L，BOD5＝1～5mg/L，SS＝0mg/L，TN＝4～10mg/L，TP<0.5mg/L，去除效率分别为：CODCr≥94％，BOD5之96％，SS＝100％，TN≥80％，TP≥90％。
实施例3
如图4c所示，一种污水处理系统，大部分结构与实施1相同，所不同的是，膜分离设备2安装在与生物反应池1相独立的膜滤池13之内，生物反应池1和膜滤池13内均安装有曝气设备3，但搅拌设备4只安装于生物反应池1内。生物反应池1和膜滤池13之间由料液供给管25和料液回流管26相连通，其中料液回流管26上安装有循环泵10，循环泵10共6台，4用2备，每台的流量为800m3/h，扬程为12m，功率为45kW。与鼓风机7出气口相连的管路分为两个支路，其中一个支路与生物反应池1内的曝气设备3相连通，另一个支路与膜滤池13内的曝气设备3相连通，两个支路上分别安装有生物反应池供气控制阀门27和膜滤池供气控制阀门28。膜分离设备2共有50个，分5排放置，每排10个，每个膜分离设备2的尺寸和规格与实施例1相同。生物反应池1的内部净尺寸为10m(宽)×20m(长)×5.6m(深)，有效水深为5m，有效容积为1000m3。膜滤池13的内部净尺寸为10m(宽)×5m(长)×5.6m(深)，有效水深为5m，有效容积为250m3。生物反应池1和膜滤池13共壁合建，合建后的构筑物的总宽为10m，总长为25米(未计入隔墙厚度)。在本发明的污水处理系统的前段设置的预处理装置与实施例1相同。
当原水为一般的城市污水时，其主要水质指标为：pH＝6～9，CODCr＝400～500mg/L，BOD5＝200～300mg/L，SS＝100～300mg/L，氨氮＝20～60mg/L，TN＝20～80mg/L，TP＝2～8mg/L。针对前述类型的原水，本发明的污水处理系统可以达到的日处理规模为5000m3/d，生物反应池1的水力停留时间约为6小时，MLSS(污泥浓度)为5～8g/L，容积负荷为0.8～1.2kg-BOD/(m3·d-1)，污泥负荷为0.1～0.24kg-BOD/(kg-MLSS·d-1)，产水贮存池5的水力停留时间约为2.4小时。
如图5c、图8所示，本发明的污水处理系统运行时，按照进水反应排水、待机、富磷水排放三步工序运行，其中进水反应排水工序的时间为4h，待机工序的时间为0.5h，富磷水排放工序的时间为1.5h，总的运行周期为6h。当系统处于进水反应排水工序时，鼓风机7为连续式运行，提供的是氧气体积浓度为25％的富氧气，并且生物反应池供气控制阀门27每运行20min后即停止10min，在生物反应池供气控制阀门27关闭期间只有一台鼓风机运行，同时搅拌设备4启动运行以完成生物反应池1内的料液混合，在生物反应池供气控制阀门27打开后搅拌设备4即停止运行，两台鼓风机同时运行，在进水反应排水工序膜滤池供气控制阀门28一直处于开启状态。当系统处于待机工序时，鼓风机7停止运行。当系统处于富磷水排放工序时，鼓风机7为连续式运行，提供的是氮气体积浓度为95％的纯氮气，并且只有一台鼓风机运行，同时生物反应池供气控制阀门27始终关闭，膜滤池供气控制阀门28则一直处于开启状态。当系统处于待机工序、富磷水排放工序时，搅拌设备4均连续运行。当系统处于进水反应排水工序时，循环泵10和抽吸泵6均开始启动运行，第一输水管路控制阀门8也同步开启，第二输水管路控制阀门9则处于关闭状态，循环泵10使得混合液在生物反应池1和膜滤池13之间循环流动，在抽吸泵6提供的负压的作用下，膜分离设备2对膜滤池13内的混合液进行固液分离，获得第一透过液，第一透过液经由第一输水管路11流入产水收集装置。在进水反应排水工序内生物反应池1连续式地进入污水，初始0.5h的进水流量为1312.5m3/h，同时，从磷回收单元5排出的总量为150m3的低磷水也在该时段内回流至生物反应池1，中间1.0h的进水流量为312.5m3/h，最后2.5h的进水流量为52.5m3/h，整个进水反应排水工序内进入的总污水量为1100m3，第一透过液的平均产水流量为312.5m3/h，从生物反应池1中排出的第一透过液即系统最终处理出水总量为1250m3，生物反应池1内的水深在初始0.5h内由2.4m逐渐升至5.0m，在中间1.0h内维持在5.0m不变，在最后2.5h内由5.0m逐渐降至2.4m。在随后的待机工序中，生物反应池1既不进水也不排水，停止曝气，进行搅拌，生物反应池1内逐步进入厌氧状态。在接下来的富磷水排放工序内生物反应池1以100m3/h的进水流量连续式地进入污水，继续进行连续的搅拌，循环泵10和抽吸泵6再次启动运行，第二输水管路控制阀门9也同步开启，第一输水管路控制阀门8则处于关闭状态，在抽吸泵6提供的负压的作用下，膜分离设备2对膜滤池13内的混合液进行固液分离，以100m3/h的平均产水流量获得第二透过液，第二透过液经由第二输水管路12流入磷回收单元5。在磷回收单元5内部经过混凝反应池和斜板沉淀池后，第二透过液中的TP浓度由25mg/L降为1mg/L。在富磷水排放工序内生物反应池1内的水深保持为2.4m，进入的总污水量为150m3，共获得总量为150m3的第二透过液，共有约3.6kg的磷被磷回收单元5以磷化学沉淀物的形式从系统中脱除。至此，本发明的污水处理系统完成了一个运行周期的全部工序，处理的总污水量为1250m3。本发明的污水处理系统每日可运行4个完整的运行周期，日处理污水总量为5000m3/d。
经过本发明的污水处理系统处理后，出水的主要水质指标可以达到：CODCr＝20～30mg/L，BOD5＝1～5mg/L，SS＝0mg/L，TN＝4～10mg/L，TP<0.5mg/L，去除效率分别为：CODCr≥94％，BOD5≥96％，SS＝100％，TN≥80％，TP≥90％。
以上对本发明所提供的污水处理工艺及系统进行了详细介绍。本说明书中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想在具体实施方式及应用范围上可能在实施过程中会有改变之处。因此，本说明书记载的内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (14)

1、一种污水处理工艺，包括如下工序：
a)进水工序：原水进入生物反应池至预定的时间或者液位；
b)反应工序：生物反应池内间歇地进行曝气和搅拌；
c)处理水排放工序：由膜分离设备对生物反应池内的混合液进行固液分离，得到第一透过液，将第一透过液作为系统最终处理出水；
d)待机工序：生物反应池内停止曝气；
e)富磷水排放工序：生物反应池内保持厌氧状态，由膜分离设备对生物反应池内的混合液进行固液分离，得到第二透过液，第二透过液进入与生物反应池相独立设置的磷回收单元内部，磷回收单元使磷从水中脱除，第二透过液由富磷水变成低磷水，低磷水回流至生物反应池内；
此污水处理工艺按照上述步骤周期运行。
2、根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于，将步骤b)和步骤c)合并为一个反应排水工序：生物反应池内既间歇地进行曝气和搅拌，又通过膜分离设备获得第一透过液作为系统最终处理出水。
3、根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于，将步骤a)、步骤b)和步骤c)合并为一个进水反应排水工序：生物反应池内既进水又间歇地进行曝气和搅拌，也通过膜分离设备获得第一透过液作为系统最终处理出水。
4、根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于，在步骤a)之前，对原水进行预处理。
5、根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于，所述生物反应池内的污泥浓度为2～20g/L，优选为4～15g/L，更优选为8～12g/L。
6、根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于，在步骤b)～步骤e)中均有原水进入生物反应池。
7、根据权利要求6所述的污水处理工艺，其特征在于，在步骤d)和步骤e)中进入生物反应池的原水水量占每一个运行周期内注入生物反应池的总原水水量的比例为1～40％，优选为5～20％。
8、根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于，在步骤c)或者步骤e)为降水位操作。
9、根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于，在步骤a)、步骤b)或者步骤c)中采用氧气浓度达到25％以上的富氧气作为曝气介质。
10、根据权利要求1所述的污水处理工艺，其特征在于，在步骤e)中采用氮气浓度达到95％以上的纯氮气作为曝气介质。
11、一种污水处理系统，其特征在于，包括生物反应池、膜分离设备、磷回收单元和曝气设备，所述曝气设备在生物反应池内，生物反应池与膜分离设备连通，膜分离设备的出水口与第一输水管路和第二输水管路连通，所述第一输水管路和第二输水管路上均有阀门，所述磷回收单元与第二输水管路和生物反应池连通，所述生物反应池内有搅拌设备。
12、根据权利要求11所述的污水处理系统，其特征在于，还包括空气分离设备。
13、根据权利要求11所述的污水处理系统，其特征在于，还包括预处理装置，所述预处理装置包括格栅、筛网、毛发聚集器、沉砂池、初沉池、调节池、pH调整设备、离子交换设备、吸附设备、混凝沉淀设备、气浮设备、水解酸化设备、升流式厌氧污泥床、颗粒状厌氧污泥膨胀床、内循环反应器、常温催化氧化设备、高温催化氧化设备、光催化氧化设备、高温湿式氧化设备、电解设备、微波设备中的至少一种。
14、根据权利要求11所述的污水处理系统，其特征在于，还包括后处理装置，所述后处理装置包括氯化消毒设备、紫外线消毒设备、臭氧设备、曝气生物滤池、人工湿地、土壤渗滤系统、稳定塘、水生植物净化塘、吸附设备、混凝沉淀设备、絮凝过滤设备、活性炭设备、离子交换设备、超滤设备、纳滤设备、反渗透设备、电渗析设备、电除盐设备中的至少一种。
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