CN101708923A - 一种低碳磷比污水的反硝化除磷脱氮方法 - Google Patents
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Abstract
一种低碳磷比污水的反硝化除磷脱氮方法，涉及一种低碳磷比污水处理工艺。先将待处理污水加入An/A-SBR内，与已经驯化成功的含有反硝化除磷菌的活性污泥发生厌氧反应1.5～2h，放磷和碳源吸收后，沉淀分离30～45min，含氨氮的上清液转移至N-SBBR内，控制SBR和SBBR的容积交换比为60～75％，硝化反应3.5～5h，溶解氧浓度控制在4～6mg/L。待硝化反应结束后，快沉10～15min后将富含硝态氮和磷的出水回流转移至An/A-SBR内，在缺氧反应完毕后添加后曝气时间为1～2h。最后，沉淀40～60min后出水。本发明成功解决硝化菌和聚磷菌的污泥龄之争，达到稳定高效的脱氮除磷效果，又因利用了反硝化除磷脱氮新机理，节省了碳源，特别适合于水质水量变化大、分散型的低C/P比污水的脱氮除磷处理。
Description
技术领域
一种低碳磷比污水的反硝化除磷脱氮方法，涉及一种低碳磷比污水处理方法。属于污水处理技术领域。
背景技术
随着污水中有机碳治理在技术上的基本解决，脱氮除磷已成为了废水生物处理的研究热点。生物脱氮方法与传统去除BOD/COD工艺不同，不仅能耗大，而且运行控制较为严格；生物除磷与脱氮结合，其难度更大，目前人们已发现诸多矛盾，如碳源分配、污泥龄控制、环境条件控制等。在这些问题未解决之前，同步脱氮除磷的目标就难以实现，特别是对南方低碳的城市废水，问题尤为突出。
序批式反应器(SBR)工艺由于具有投资省、工艺简单、操作灵活和管理方便等优点，在中小型城市污水处理厂中得到广泛应用。SBR工艺可以通过时间上的灵活控制，实现好氧、厌氧及缺氧状态的交替环境条件，强化硝化反硝化反应及聚磷菌过量摄磷过程的顺利完成。然而，SBR工艺是一种单污泥系统，由于在一个系统中同时完成脱氮和除磷过程，不可避免地产生了各过程间的矛盾关系，如碳源、泥龄、硝酸盐、硝化和反硝化容量、释磷吸磷的容量等问题，这些问题使得SBR工艺的脱氮除磷在实际应用中达到一级排放标准(磷达到0.5mg/L以下)是有一定难度。传统的SBR工艺在处理C/P比和C/N比分别为40～100和4～12的生活污水时，其总磷和总氮的去除率通常是维持在70～80％和40～85％。如果C/P比进一步降低至40以下时，要达到出水磷浓度≤0.5mg/L基本无法实现。另一方面，序批式生物膜反应器(SBBR)是SBR的一种变型工艺，是在SBR内通过加入填料使得微生物呈附着生长，提高系统抗冲击负荷的能力，多用于高浓度工业有毒有害废水的处理，其对氮磷的去除效率与SBR基本相似。可见，单独利用SBR或者SBBR工艺均无法确保低碳磷比、低碳氮比污水的氮磷脱除效果。
反硝化除磷代表了当前污水脱氮除磷领域的最新理论和技术，它们的提出突破了传统生物脱氮除磷理论，不仅可很好地解决传统工艺中存在的由碳源不足引起的氮磷脱除不稳定问题，还属于污水的可持续处理工艺。反硝化除磷(Denitrifying phosphorus removal)(可以称为缺氧吸磷，Anoxic phosphorusuptake)是指在厌氧/缺氧交替运行条件下，驯化出一类以NO3 --N作为最终电子受体的反硝化聚磷菌(Denitrifying Phosphate-Removal Bacteria，缩写DPB)优势菌属，它们能以NO3 -作为电子受体，利用内碳源(PHB)，通过“一碳两用”方式同时实现反硝化脱氮和吸磷作用。显然，反硝化除磷理论突破了传统脱氮除磷机理所认为的脱氮除磷必须分别由专性反硝化菌和专性聚磷菌(Phosphorus removalorganisms，PAOs)来完成的理念，使得除磷和反硝化脱氮过程用同一类微生物来实现，这对生物脱氮除磷机理是一重大突破和飞跃，为生物脱氮除磷工艺的发展开辟了新天地。在该处理过程中，NO3 -已不再被单纯地视为除磷工艺的抑制性因素，以其作为最终电子受体进行反硝化吸磷反应，与传统的脱氮除磷工艺相比不仅COD耗量可节省50％，氧气耗量降低30％，污泥产量也可望减少50％，因此，反硝化除磷脱氮工艺可被视为一种可持续工艺。
目前基于反硝化除磷理论的革新工艺主要有BCFs和Dephanox两种连续流工艺。BCFs工艺拥有5个反应单元(外加1个沉淀池)、3个内循环和一个内部除磷单元。其中，5个反应单元分别为厌氧池、接触池、缺氧池，混合池和好氧池。而Dephanox工艺具有3个反应单元(外加2个沉淀池)和1个污泥回流。该工艺的3个反应单元分别为厌氧池、好氧硝化反应器和缺氧池。上述2种工艺已经被证明可以获得良好的除磷效果，而BCFs工艺还可以实现磷的有效回收。但是，这2种工艺存在2个非常显著的不足点：①工艺的主体构筑物多；②工艺运行操作管理复杂。这2个不足点大大限制了BCFs工艺和Dephanox工艺的推广应用，尤其对于一些小型、分散型的污水处理厂来说，建造上述2种工艺往往会造成占地面积大、建设成本高和运行维护管理复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种C/P比低至40以下的低碳磷比污水的反硝化除磷脱氮方法，用本发明既解决了脱氮除磷，同时也解决了传统脱氮除磷工艺同步的脱氮除磷效果不稳定和出水不易达标问题，且运行灵活多变、管理方便而非常适合于污水量不大，水质波动大以及农村地区分散型的污水脱氮除磷处理。
为达上述目的，本发明采用除磷污泥和硝化污泥2套污泥系统，即分别由序批式反应器(SBR)活性污泥系统和序批式生物膜反应器(SBBR)生物膜系统组合构成。具体步骤如下：
A，将污水加入厌氧/缺氧序批式反应器(An/A-SBR)内，与已经驯化成功的具有反硝化聚磷菌的活性污泥充分混合搅拌，进行厌氧反应，控制An/A-SBR内的污泥浓度为3800～5000mg/L，溶解氧(DO)浓度≤0.2mg/L，氧化还原电位(ORP)为-40～-250mV，厌氧反应1.5～2h后停止搅拌，沉淀30～45min后进行分离，将富含氨氮和磷的上清液转移至已经挂膜成功的好氧硝化序批式生物膜反应器(N-SBBR)内，进行好氧硝化反应。
上述厌氧反应是活性污泥中的包括反硝化聚磷微生物(DPB)和传统聚磷微生物(PAO)组成的聚磷菌的水解胞内的聚磷颗粒并释放出大量的磷，同时，利用该厌氧反应过程产生的能量，吸收污水中的有机底物并以聚羟基-β-丁酸酯(PHB)的形式贮存在胞内。
B，好氧硝化序批式生物膜反应器(N-SBBR)的有效容积与厌氧/缺氧序批式反应器(An/A-SBR)相同，2个反应器的容积交换比控制在60～75％，好氧硝化序批式生物膜反应器内的溶解氧控制在4～6mg/L，富含氨氮和磷的上清液在N-SBBR内进行好氧硝化反应，同时也好氧降解厌氧阶段未吸收完全的有机物质。好氧硝化反应3.5～5h后沉淀10min，然后将富含硝态氮和磷的出水重新回流至An/A-SBR内，继续搅拌进行缺氧反应，回流水量与污水进水量相同。
C，缺氧反应时，An/A-SBR内污泥浓度控制在3800～5000mg/L，溶解氧浓度≤0.2mg/L，氧化还原电位控制在-80～-220mV，在此过程，聚磷菌以体内的聚羟基-β-丁酸酯作为电子供体，以NO3 -作为电子受体，完成同步的反硝化脱氮和过量吸磷作用，缺氧反应2～3h后进行好氧后曝气反应。
D，在An/A-SBR内进行好氧后曝气反应1～2h，控制溶解氧为2～4mg/L，通过好氧曝气，聚磷菌利用氧气作为电子受体进一步吸磷，并充分恢复污泥活性后沉淀40～60min进行泥水分离，出水达到了国家城镇污水处理厂污染物排放一级A标准(GB 18918-2002)，An/A-SBR内含聚磷菌的污泥泥龄控制在18～22d。
上述的C步和D步的聚磷菌包括反硝化聚磷微生物(DPB)和传统聚磷微生物(PAO)。
本发明具有下列优点：
1.本发明拥有除磷污泥和硝化污泥统2套污泥系统，即分别由SBR活性污泥系统和SBBR生物膜系统组合构成，实现了设备成套化，并继承和发扬了SBR工艺结构简单的优点。
2.硝化菌呈附着生长，硝化反应已不再是工艺运行的限制因素，同时也可省去或缩短沉淀时间；另一方面，利用SBBR生物膜系统也可提高反应器容积交换率，即SBBR内的硝化液几乎可全部回流至SBR内，提高脱氮效率。
3.本发明的反硝化除磷脱氮工艺，对SBR和SBBR的各反应过程，可单独实施实时的在线控制策略，通过控制搅拌器和曝气的控制开关，调节厌氧/缺氧/好氧的运行时间，保证运行的稳定和出水的达标，同时又可以实现运行费用的最小化。
4.本发明的脱氮和除磷方法采用的是反硝化除磷脱氮机理，因而与基于传统脱氮除磷机理的工艺相比，不仅COD耗量可节省50％，氧气耗量降低30％，污泥产量也可望减少50％，因此，该工艺非常适合于进水有机碳源较低，但同时又要求脱氮除磷的污水处理。
5.本发明工艺采用双污泥系统，硝化菌呈生物膜固着生长于SBR中(即SBBR)，这不仅给生长速率较慢的硝化菌创造了一个稳定的生活环境，增加了系统中硝化菌生物量，提高了硝化率，也可减少水力停留时间和反应器体积，硝化反应已不再是工艺运行的限制性因素；而反硝化聚磷菌悬浮生长于另一SBR中，两者的分离解决了传统工艺中聚磷菌和硝化菌的竞争矛盾，它们可在各自最佳的环境中生长，这更有利于除磷、脱氮系统的稳定和高效，可控制性也得到了提高。
6.本发明的SBR使有机物和含氮磷化合物可在一个反应池内得到去除，减少了厌氧池、缺氧池和沉淀池等处理构筑物，从而降低了基建投资和工艺的占地面积；同时因SBR法本身具备了减少污泥膨胀几率以及间歇运行的时序可以比较灵活的进行调整等优点，非常适合处理小水量，间歇排放的工业废水与分散点源污染的治理，这很大程度上增强了SBR-SBBR工艺运行的稳定性和应用的灵活性。
7.对2个SBR可以采用实时控制策略，控制生物厌氧、好氧和缺氧过程的搅拌和曝气时间，从根本上解决了曝气或搅拌时间不足所引起的硝化/反硝化、厌氧放磷、好氧吸磷不完全和曝气或搅拌时间过长所带来的运行成本的提高和能源的浪费。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图
具体实施方式
实施例1
请参阅图1。本发明采用除磷污泥和硝化污泥2套污泥系统(分别用虚线构出)，即分别由序批式反应器(SBR)活性污泥系统和序批式生物膜反应器(SBBR)生物膜系统组合构成。
以校园生活污水为处理对象，考察了SBR-SBBR工艺反硝化除磷和脱氮的效能。
试验研究期间的进水水质和处理效果如表1所示，试验期间SBR-SBBR工艺的相关运行参数如下：
(1)An/A-SBR：MLSS＝3800～4400mg/L；SRT＝18～22d
厌氧反应：DO≤0.2mg/L；ORP＝-40～-250mV；HRT＝1.5h；沉淀时间30～45min。
缺氧反应：DO≤0.2mg/L；ORP＝-90～220mV；HRT＝3h。
曝气后好氧反应：DO＝2.0～4.0mg/L；HRT＝2h；沉淀时间为45～60min。
(2)SBBR生物膜反应器：填料为聚丙烯鲍尔环
好氧硝化过程：DO＝4～6mg/L；HRT＝5h；快沉时间为10min。
表1SBR-SBBR工艺反硝化除磷和脱氮效果
从表1可得，即使试验进水的水质波动较大，SBR-SBBR反硝化除磷工艺对COD、磷和氨氮的去除仍可分别维持在83％，89％和86％。其中，该工艺对COD和氨氮的出水已经达到了国家城镇污水处理厂污染物排放一级A标准(GB 18918-2002)。而对磷的去除率即使进水平均值达到14.2mg/L，出水磷浓度可维持在2.0mg/L，去除率达到了89％。
具体步骤是：(1)将一定量校园生活污水加入到An/A-SBR内，与已经驯化成功的具有反硝化聚磷菌的活性污泥充分混合搅拌，进行厌氧反应。其中，An/A-SBR内的污泥浓度控制为3800～4400mg/L；SRT＝18～22d；厌氧反应的DO≤0.2mg/L；ORP＝-40～-250mV；HRT＝1.5h。在此过程中，活性污泥中的聚磷菌(包括反硝化聚磷微生物(DPB)和传统聚磷微生物(PAO)水解胞内的聚磷颗粒并释放出大量的磷；同时，利用该过程产生的能量，吸收污水中的有机底物并以聚羟基-β-丁酸酯(PHB)的形式贮存在胞内。(2)厌氧反应完毕后停止搅拌，进行沉淀分离，沉淀时间为30～45min。(3)泥水混合液经充分沉淀分离后，将上清液转移至已经挂膜成功的N-SBBR内，其回流量和进水量相同。另外，N-SBBR的有效容积可与SBR相同，2个反应器的容积交换比可控制在60～75％左右。
(4)富含氨氮和磷的上清液在N-SBBR内进行好氧硝化反应，同时也好氧降解厌氧阶段未吸收完全的有机物质。好氧反应时间为3.5～5h，好氧硝化过程的DO＝4～6mg/L；HRT＝5h。(5)待硝化结束，快沉时间为10min，然后将富含硝态氮和磷的出水重新回流至An/A-SBR内，转移水量与进水量相当。(6)在An/A-SBR内进行缺氧搅拌反应。此时An/A-SBR内的污泥浓度控制在3800～5000mg/L，溶解氧DO浓度≤0.2mg/L；ORP＝-90～220mV；HRT＝3h。在此过程，DPB/PAO以体内的PHB作为电子供体，以NO3 -作为电子受体，完成同步的反硝化脱氮和过量吸磷作用。(7)在An/A-SBR内进行好氧后曝气反应，曝气后好氧反应的DO＝2.0～4.0mg/L；反应时间HRT＝2h。通过这一阶段的曝气，An/A-SBR内的聚磷菌可利用氧气作为电子受体进一步吸磷，保证最终的出水磷浓度。(8)An/A-SBR内泥水进行分离，然后出水和排放剩余污泥。沉淀时间为40～60min，An/A-SBR内聚磷污泥的污泥龄控制在18～22d。
在上述反应过程，2个池中均设置DO、pH和ORP在线检测探头，通过实时控制策略，优化调控厌氧、缺氧和好氧时间，保证工艺运行稳定和出水的达标。
实施例2
以校园生活污水为原水，通过投加KH2PO4来获得不同的进水C/P比，考察进水C/P和N/P比变化对SBR-SBBR反硝化除磷脱氮工艺去除氮磷的影响作用，研究结果如表2所示。试验期间SBR-SBBR工艺的相关运行参数如下：
(1)SBR活性污泥反应器：MLSS＝3800～4400mg/L；SRT＝18～22d
厌氧反应：DO≤0.2mg/L；ORP＝-40～-250mV；HRT＝1.5h；沉淀时间30～45min.
缺氧反应：DO≤0.2mg/L；ORP＝-90～220mV；HRT＝3h。
后曝气好氧反应：DO＝2.0～4.0mg/L；HRT＝2h；沉淀时间为45～60min。
(2)SBBR生物膜反应器：填料为聚丙烯鲍尔环
好氧硝化过程：DO＝4～6mg/L；HRT＝5h；快沉时间为10min。
由表2可见，在进水磷浓度小于12mg/L的范围内，进水有机负荷在64mgCOD/g MLSS左右时，出水的磷浓度可实现≤0.5mg/L，达到国家城镇污水处理厂污染物一级A排放标准(GB 18918-2002)。而通常我国城市生活污水中的磷浓度为2～8mg/L，COD/P比在30～100；农村分散污水的磷浓度通常在≤5mg/L，COD/P比为40～60左右。因此，采用本方法完全可以实现出水磷浓度≤0.5mg/L的国家城镇污水处理厂污染物排放一级A标准(GB 18918-2002)。
表2进水C/P比对SBR-SBBR工艺反硝化除磷和脱氮的影响
| COD负荷(mgCOD/gMLSS) | 进水PO4 3--P(mg/L) | C/P比 | C/N | N/P | 出水PO4 3--P(mg/L) | PO4 3--P去除率(％) | TN去除率(％) |
| 58.9 | 21.6 | 9.5 | 6.2 | 1.5 | 8.5 | 62 | 82 |
| 65.3 | 15.5 | 15.4 | 3.5 | 4.3 | 1.6 | 89 | 67 |
| 64.3 | 11.9 | 19.4 | 4.5 | 4.4 | 0.5 | 96 | 81 |
| 63.1 | 6.9 | 30.8 | 5.8 | 5.3 | 0.3 | 97 | 79 |
同时从表2中也可发现，随着C/P比的升高，P的去除率整体呈现一个上升趋势。对于本系统来说，C/P比在19.4左右，即可维持优良的除磷效果；当进水C/P比高于该值时，在缺氧阶段硝态氮充足的情况下，可以获得较好的除磷效果；而当C/P比在15.4以下时，由于进水中的含碳量过低，将导致系统除磷效果下降。因此，对于进水C/P≥19.4的污水，在缺氧电子受体充分前提下，可以保证最终磷的出水水质。
另一方面，当进水C/P比较低时(如15.4左右)，该方法也可以保证88.5％的除磷率，这是传统工艺无法达到的。上述结果证明了，利用SBR-SBBR反硝化除磷脱氮工艺实现除磷和脱氮在获得相同的脱氮和除磷的前提下，可以节省碳源，因此该工艺很适合低C/P比污水的脱氮除磷处理。
Claims (3)
1.一种低碳磷比污水的反硝化除磷脱氮方法，其特征在于：
A，污水首先进入厌氧/缺氧序批式反应器内，与已经驯化成功的具有反硝化聚磷菌的活性污泥充分混合搅拌，进行厌氧反应，控制厌氧/缺氧序批式反应器内的活性污泥浓度为3800～5000mg/L，溶解氧浓度≤0.2mg/L，氧化还原电位为-40～-250mV，厌氧反应1.5～2h后停止搅拌，沉淀30～45min后进行分离，将上清液转移至已经挂膜成功的好氧硝化序批式生物膜反应器内，进行好氧硝化反应；
B，好氧硝化序批式生物膜反应器的有效容积与厌氧/缺氧序批式反应器相同，2个反应器的容积交换比控制在60～75％，好氧硝化序批式生物膜反应器内的溶解氧浓度控制在4～6mg/L，好氧硝化反应3.5～5h后沉淀10min，然后将富含硝态氮和磷的出水重新回流至厌氧/缺氧序批式反应器内继续搅拌进行缺氧反应，回流水量与污水进水量相同；
C，缺氧反应时，厌氧/缺氧序批式反应器内活性污泥浓度控制在3800～5000mg/L，溶解氧浓度≤0.2mg/L，氧化还原电位控制在-80～-220mV，聚磷菌以体内的聚羟基-β-丁酸酯作为电子供体，以NO3 -作为电子受体，完成同步的反硝化脱氮和过量吸磷作用，缺氧反应2～3h后进行好氧后曝气反应；
D，在厌氧/缺氧序批式反应器内进行好氧后曝气反应时的溶解氧浓度控制在2～4mg/L，通过1～2h好氧曝气，聚磷菌利用氧气作为电子受体进一步吸磷，并充分恢复污泥活性后沉淀40～60min进行泥水分离，出水达到了国家城镇污水处理厂污染物排放一级A标准(GB 18918-2002)。
2.根据权利要求1所述的一种低碳磷比污水的反硝化除磷脱氮方法，其特征在于：所述的C步和D步中的聚磷菌包括反硝化聚磷微生物和传统聚磷微生物。
3.根据权利要求1所述的一种低碳磷比污水的反硝化除磷脱氮方法，其特征在于：所述的反硝化聚磷菌的活性污泥的泥龄控制在18～22d。
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