三泥法硝化及反硝化除磷处理系统及方法
技术领域
本发明技术方案属于中低碳氮比(COD/TN介于3~10)的城镇污水处理领域,具体涉及一种三泥法硝化及反硝化除磷处理系统及方法。
背景技术
按照《城镇污水处理厂污染物排放标准GB18918-2002》一级A的规定,城镇污水经处理后,排放的污水须符合TN≤15mg/L,NH4 +-N≤5mg/L,TP≤0.5mg/L。因此,如何在去除污水中有机物的同时,降低排放污水中的NH4 +-N、TN、TP的含量成为污水处理面临技术的迫切任务之一。氮、磷成为新建污水厂和旧厂升级改造的最大难题。我国南方地区城市污水普遍具有低碳氮比特征,即COD/TN的比例较低,导致南方地区污水厂的提标改造达一级A标准更加困难。低碳氮比污水处理达一级A标准困难的原因有两方面:
常规的处理工艺如A/O、A2/O、SBR、各种氧化沟等,反硝化细菌、硝化细菌及聚磷菌同时存在于悬浮增长的混合液中,污泥在厌氧、缺氧和好氧段之间往复循环。由于硝化菌生长较慢,为了获得良好的硝化效果,需要延长污泥龄(SRT)以提高硝化菌比例,而为了获得较高的除磷效率,需要减少SRT以便及时将聚磷菌以剩余污泥的方式从系统中排出,故而硝化与除磷所需的最佳SRT相抵触,硝化与除磷难以兼顾,尤其是难以同时达到一级A出水标准。
此外,反硝化(即脱氮)与除磷之间也存在着矛盾。聚磷菌和反硝化菌均需要碳源,而当碳氮比低、碳源不足时,反硝化效率不高,一级A的总氮(TN)标准难以达到。目前常用的方案是外加碳源,如甲醇,但是面临着成本、运输安全等问题。
近年来发展较快的双污泥脱氮除磷工艺因其“一碳两用”,节约能耗等优势受到了广泛的关注。双污泥系统中,硝化细菌单独存在于一固定反应池或反应柱中,以独立于反硝化细菌。这样,就解决了单污泥系统中硝化细菌需要好氧时间较长与聚磷菌所需的最佳SRT相抵触的缺陷,使反硝化聚磷菌与硝化细菌都能够在各自最适宜的环境下生长。另外,在双污泥系统,硝化细菌与聚磷菌处于独立的系统中,把硝化反应阶段消耗的有机物,用来作为反硝化脱氮、除磷的碳源,降低污水处理的成本。
双污泥系统具体可以分为Wanner工艺、DEPHANOX工艺、A2N工艺以及A2NSBR工艺。这些工艺具有双污泥法的优点,但是对于我国南方地区总氮和氨氮浓度高、有机物浓度低的城市污水,这些工艺在达一级A出水标准时仍存在不足。(1)由于超越污泥携带的氨氮在后续处理单元不能被去除,因此当进水总氮超过25mg/L时,现有双泥法出水氨氮无法达到一级A的高排放标准,而大多数城市污水厂原水通常高于该总氮浓度。(2)二沉池污泥含磷量高,污泥磷含量通常高于常规A2/O,因此即使少量的污泥随上清液流出也极易导致出水总磷超标,因此现有双泥法工艺出水总磷不能稳定达标。(3)原水中的胶体和颗粒有机物在厌氧池与二沉池污泥混合后,随污泥进入缺氧池,现有双泥法工艺中,这些胶体和颗粒有机物以外碳源的形式存在,不利于工艺的运行,其一,微生物能够利用这部分外碳源进行反硝化但不能吸磷,导致碳源不能“一碳两用”,其二,由于未能充分水解,颗粒有机物可能随缺氧池混合液进入二沉池,导致二沉池内释磷,出水超标;(4)现有双泥法通常采用常规的接触氧化法作为硝化池,占地面积大,而双泥法比常规A2/O法多了一个沉淀池,因此面积过大接触氧化池不适用于用地紧张的城市地区。(5)为了确保二沉池的高沉淀效率,现有双泥法必须采用较低的表面负荷(例如0.5~0.8m3/m2/h),导致二沉池占地面积大。
发明内容
为了解决进水碳氮比较低时,碳源不足以同时满足常规脱氮除磷技术同时脱氮和除磷的需求,出水氨氮和总磷达标不稳定,基建和运行费用较高等技术问题。本发明提供了一种三泥法硝化及反硝化除磷处理系统及方法,所述三泥法硝化及反硝化除磷处理系统包括:用于对原水进行沉淀和除油的预处理单元;用于对所述预处理单元排出的污水和所述二沉单元回流的污泥进行厌氧释磷的厌氧单元;用于对所述厌氧单元排出的泥水进行分离的中沉单元;用于对所述中沉单元排出的上清液进行硝化的一级曝气生物硝化单元;用于对经所述中沉单元沉淀的污泥和所述一级曝气生物硝化单元排出的污水进行脱氮除磷的缺氧单元;用于对所述缺氧单元排出的泥水进行分离的二沉单元;用于对经所述二沉单元处理后的污水进行硝化处理的二级曝气生物硝化单元。。
本发明中所述的“三泥”是指:一级曝气生物硝化单元的污泥,厌氧池、中沉池、缺氧池和二沉池中循环的活性污泥,以及二级曝气生物硝化单元的污泥。
根据本发明的一优选技术方案:所述预处理单元包括:用于对原水进行沉淀的初沉单元;用于去除所述初沉单元排出的污水中油脂的除油单元。
根据本发明的一优选技术方案:所述初沉单元为初沉池,所述除油单元为气浮池。
根据本发明的一优选技术方案:所述厌氧单元为利用反硝化聚磷菌进行厌氧释磷并吸收水中溶解性有机物合成体内PHB的厌氧池。
根据本发明的一优选技术方案:所述三泥法硝化及反硝化除磷处理系统还包括:用于将所述二沉单元的回流污泥输送到所述厌氧池的第一污泥泵。
根据本发明的一优选技术方案:所述中沉单元为中沉池,所述一级曝气生物硝化单元为曝气生物滤池。
根据本发明的一优选技术方案:所述三泥法硝化及反硝化除磷处理系统还包括:用于将所述中沉池沉淀的污泥输送到所述缺氧单元的第二污泥泵和超越管线。
根据本发明的一优选技术方案:所述缺氧单元包括:用于对所述中沉单元沉淀的污泥进行厌氧释磷的厌氧子单元;用于对经所述厌氧子单元厌氧释磷的污泥和所述一级曝气生物硝化单元排出的污水进行反硝化脱氮除磷的缺氧子单元;用于对缺氧子单元的泥水混合液进行好氧吸磷、对反硝化生成的气体进行吹脱、对污泥活性进行再生的快速曝气单元。
根据本发明的一优选技术方案:所述二沉单元为将所述缺氧单元排出的泥水进行沉淀分离的二沉池。
根据本发明的一优选技术方案:所述二级曝气生物硝化单元为曝气生物滤池。
本发明提供的三泥法硝化及反硝化除磷处理方法包括:
步骤1、预处理单元对原水进行沉淀和油脂去除;
步骤2、厌氧单元对所述预处理单元排出的污水和二沉单元回流的污泥进行厌氧释磷,吸收水中溶解性有机物合成体内PHB,厌氧单元水力停留时间为1.0~1.5h;
步骤3、中沉单元对所述厌氧单元排出的泥水进行分离,中沉单元的表面负荷1.0~2.0m3/m2/h;
步骤4、一级曝气生物硝化单元对所述中沉单元排出的上清液进行硝化,水力停留时间1.0~1.5h;
步骤5、缺氧单元对经所述中沉单元沉淀的污泥和所述一级曝气生物硝化单元排出的污水进行脱氮除磷;
步骤6、二沉单元对所述缺氧单元排出的泥水进行分离,二沉池表面负荷为1.0~2.0m3/m2/h。
步骤7、二级曝气生物硝化单元对所述二沉单元排出的上清液进行硝化,水力停留时间20~30min。
根据本发明的一优选技术方案:所述步骤1包括:
步骤11、初沉单元对原水进行沉淀;
步骤12、除油单元去除所述初沉单元排出的污水中油脂。
根据本发明的一优选技术方案:所述三泥法硝化及反硝化除磷处理方法还包括:第一污泥泵将所述二沉单元的回流污泥输送到所述厌氧单元。
根据本发明的一优选技术方案:所述三泥法硝化及反硝化除磷处理方法还包括:第二污泥泵和超越管线将所述中沉单元沉淀的污泥输送到所述缺氧单元。
根据本发明的一优选技术方案:所述步骤5包括:
步骤51、厌氧子单元对所述中沉单元沉淀的污泥中的胶体和颗粒有机物进一步水解酸化,促进微生物利用水解酸化后的溶解性碳源进一步厌氧释磷,水力停留时间为20~30min;
步骤52、缺氧子单元对经所述厌氧子单元进一步厌氧释磷的污泥和所述一级曝气生物硝化单元排出的污水进行反硝化脱氮除磷,水力停留时间为2.0~2.5h;
步骤53、快速曝气单元对缺氧子单元的泥水混合液进行好氧吸磷进一步降低磷浓度、对反硝化生成的气体进行吹脱、对污泥活性进行再生, 水力停留时间为20~30min。
本发明采用双泥系统保证除磷菌与硝化菌分别处于各自适宜的生长环境中,与传统的A2/O等工艺相比,克服了常规脱氮除磷工艺中脱氮与除磷之间污泥龄的矛盾,提高了脱氮除磷效果,降低了基建和运行费用。与其它双泥法相比,本发明具有以下特点:
1、本发明采用曝气生物滤池(BAF)作为一级曝气硝化单元,具有以下特点:①充分利用了BAF硝化效果好、占地面积小的优点;②传统BAF由于进水COD相对较高,因此需要碳化段降解COD(可单独设置碳化BAF或在同一BAF中进行碳化与硝化),碳化段增加了BAF的停留时间,降低了硝化效果,同时由于异养菌生长快、粘性大,因此易堵塞,本发明中的BAF进水COD低,因此克服了传统BAF的硝化速率慢,易堵塞问题。
2、本发明采用二级曝气硝化单元去除由于超越污泥携带的氨氮,现有双泥法在进水总氮超过25mg/L时无法达到一级A的氨氮排放标准,而本发明可稳定地达标。
3、二沉池污泥含磷量高,污泥磷含量通常高于常规A2/O,因此即使少量的污泥随上清液流出也极易导致出水总磷超标,因此现有双泥法工艺出水总磷不能稳定达标。本发明采用曝气生物滤池处理二沉池出水,可截留污泥并进一步好氧除磷,因此出水磷浓度可达到非常低的水平,大幅度优于一级A的总磷排放标准。
4、本发明将缺氧池分隔出厌氧子单元,原水中的胶体和颗粒有机物在厌氧池与二沉池污泥混合后,随污泥进入厌氧子单元,可得到进一步的水解酸化,促进微生物进一步厌氧释磷,强化了原水COD的充分利用,防止这些有机物随混合液进入二沉池,从而避免二沉池释磷和出水磷超标。由于进入厌氧子单元的流量占总流量的30~40%,污泥的实际停留时间达到1.0~1.5h,有利于有机物的水解酸化;厌氧子单元与缺氧子单元合建,结构简单紧凑。
5、在本发明中,中沉池和二沉池可选择高表面负荷,大幅度降低了沉淀池占地面积;硝化单元采用BAF,降低了占地面积。因此,本发明适用于用地紧张的城市的污水厂建设和改造需求。
附图说明
图1是本发明三泥法硝化及反硝化除磷处理系统结构示意图;
图2是本发明三泥法硝化及反硝化除磷处理方法的流程图;
图3为预处理单元对原水进行处理的具体流程图;
图4为缺氧单元对污泥和污水进行处理的具体流程图;
图5为系统主要单元COD变化;
图6为系统主要单元氨氮变化;
图7 为系统主要单元硝态氮变化;
图8 为二级BAF出水TN情况;
图9 为系统主要单元氨氮、硝态氮、总氮的变化;
图10为系统主要单元TP变化;
图11为沉降时污泥层高度随时间变化。
具体实施方式
以下结合附图对本发明技术方案进行详细说明。
图1是本发明三泥法硝化及反硝化除磷处理系统结构示意图。如图1所示,三泥法硝化及反硝化除磷处理系统包括预处理单元101、厌氧单元102、中沉单元103、一级曝气生物硝化单元104、缺氧单元105、二沉单元106和二级曝气生物硝化单元107。
所述预处理单元101用于对原水进行沉淀和去除油脂。在本发明的优选技术方案中,所述预处理单元101具体包括初沉单元111和除油单元121。其中,所述初沉单元111对原水进行沉淀。经过所述初沉单元111沉淀处理后的污水进入除油单元121。除油单元121对污水中的油脂进行去除。
在本发明的优选技术方案中,所述初沉单元111为初沉池,所述除油单元121为气浮池。
所述厌氧单元102用于对所述预处理单元101排出的污水和所述二沉单元106回流的污泥进行厌氧释磷,在本发明的优选技术方案中,所述厌氧单元102为利用反硝化聚磷菌进行厌氧释磷的厌氧池。在该厌氧池中,水力停留时间为1.0-1.5h,经所述初沉池和所述除油预处理后污水与所述二沉单元106输送的回流污泥进行混合形成泥水混合液,反硝化聚磷菌在厌氧条件下水解体内聚磷,以正磷酸根的形式释放到水中,并吸收水中溶解性的有机物合成体内PHB,水力停留时间为1.0~1.5h。
在本发明的优选技术方案中,所述三泥法硝化及反硝化除磷处理系统还包括第一污泥泵162,第一污泥泵162用于将所述二沉单元106的回流污泥输送到所述厌氧池中。
所述中沉单元103用于对所述厌氧单元102排出的泥水进行分离,表面负荷为1.0~2.0m3/m2/h,上清液进入所述一级曝气生物硝化单元104。所述一级曝气生物硝化单元104用于对所述中沉单元103排出的上清液进行硝化,水力停留时间1.0~1.5h。污水中的氨氮及有机氮经氨化处理后氨氮,再通过生物硝化作用硝化成硝酸氮,所述一级曝气生物硝化池对污水的硝化效果可以达到90~95%。
在本发明的优选技术方案中,所述中沉单元103为中沉池,所述一级曝气生物硝化单元104为曝气生物滤池。
本发明的优选技术方案中,所述三泥法硝化及反硝化除磷处理系统还包括第二污泥泵145和超越管线235,所述第二污泥泵145和超越管线235用于将所述中沉池沉淀的污泥输送到所述缺氧单元105中。
所述缺氧单元105用于对经所述中沉单元103沉淀的污泥和所述一级曝气生物硝化单元104排出的污水进行脱氮除磷。所述缺氧单元105采用厌氧段、缺氧段与曝气段合建式结构。
在本发明的优选技术方案中,所述缺氧单元105包括:厌氧子单元115、缺氧子单元125和快速曝气子单元135。在所述厌氧子单元115中,水力停留时间为20-30min左右,所述中沉单元103沉淀的污泥进行在其中进一步厌氧释磷,一方面,可以将中沉池污泥中胶体和颗粒有机物进一步水解酸化,微生物利用水解酸化后的溶解性碳源进一步厌氧释磷。另一方面,当进水有机物浓度很低,导致所述厌氧单元102释磷不充分时,可以通过向所述厌氧子单元115投加外加碳源来提高释磷的效果,从而提高系统释磷和吸磷的效率,厌氧子单元水力停留时间为20~30min。在缺氧子单元125,水力停留的时间为2.0~2.5h,经所述厌氧子单元115厌氧释磷的污泥和所述一级曝气生物硝化单元104排出的污水在所述缺氧子单元125中再次混合,所述缺氧子单元125中的反硝化聚磷菌以硝态氮为电子受体氧化体内PHB,并超量吸收水中正磷酸根从而合成体内聚磷,完成脱氮除磷的处理。经过所述缺氧子单元125的脱氮除磷后,快速曝气子单元135通过好氧吸磷对缺氧子单元125的泥水混合液中的磷进行进一步吸收,同时吹脱反硝化生成的气体和再生污泥活性,快速曝气时间20~30min。
所述二沉单元106用于对所述缺氧单元105排出的泥水进行分离,完成最终的泥水分离,二沉池表面负荷1.0~2.0m3/m2/h。。经过所述二沉单元106泥水分离后,符合排放标准的上清液排入下水道或者作为绿化用水,沉淀的污泥一部分通过所述第一污泥泵162以回流污泥的形式输送到所述厌氧池,另外一部分以剩余污泥的形式排放,最终完成污水中磷的去除。
在本发明的优选技术方案中,所述三泥法硝化及反硝化除磷处理系统还包括二级曝气生物硝化单元107,所述二级曝气生物硝化单元107用于对经所述二沉单元106处理后的污水进行硝化处理,水力停留时间为20~30min。在三泥法硝化及反硝化除磷处理系统增加所述二级曝气生物硝化单元107主要针对超越污泥中携带的氨氮导致所述二沉单元106排出的上清液中氨氮达不到排放标准的情况。通过进一步硝化处理,保证系统的最终出水中的氨氮达到排放标准,同时进一步降低出水SS、TP,。在本发明的优选技术方案中,所述二级曝气生物硝化单元107为曝气生物滤池。
图2是本发明三泥法硝化及反硝化除磷处理方法的流程图。如图2所示,三泥法硝化及反硝化除磷处理方法包括:
S101、预处理单元对原水进行沉淀和油脂去除;
S102、厌氧单元对所述预处理单元排出的污水和二沉单元回流的污泥进行厌氧释磷;
S103、中沉单元对所述厌氧单元排出的泥水进行分离;
S104、一级曝气生物硝化单元对所述中沉单元排出的上清液进行硝化;
S105、缺氧单元对经所述中沉单元沉淀的污泥和所述一级曝气生物硝化单元排出的污水进行脱氮除磷;
S106、二沉单元对所述缺氧单元排出的泥水进行分离;
S107、二级曝气生物硝化单元对所述二沉单元排出的上清液进行硝化。
图3为预处理单元对原水进行处理的具体流程图。如图3所示,在本发明的优选技术方案中,预处理单元对原水进行处理具体包括:
S311、初沉单元对原水进行沉淀;
S321、除油单元去除所述初沉单元排出的污水中的油脂。
在本发明的优选技术方案中,S106之后执行:第一污泥泵将所述二沉单元的回流污泥输送到所述厌氧单元。
在本发明的优选技术方案中,S103之后、S105之前执行:第二污泥泵和超越管线将所述中沉单元沉淀的污泥输送到所述缺氧单元。
图4为缺氧单元对污泥和污水进行处理的具体流程图。如图4所示,在本发明的优选技术方案中,缺氧单元对污泥和污水进行处理具体包括:
S415、厌氧子单元对所述中沉单元沉淀的污泥进一步厌氧释磷;即厌氧子单元对所述中沉单元沉淀的污泥中的胶体和颗粒有机物进一步水解酸化,促进微生物利用水解酸化后的溶解性碳源进一步厌氧释磷,水力停留时间为20~30min。
S425、缺氧子单元对经所述厌氧子单元厌氧释磷的污泥和所述一级曝气生物硝化单元排出的污水进行反硝化脱氮除磷;即,缺氧子单元对经所述厌氧子单元进一步厌氧释磷的污泥和所述一级曝气生物硝化单元排出的污水进行反硝化脱氮除磷,水力停留时间为2.0~2.5h;
S435、快速曝气单元对缺氧子单元的泥水混合液进行好氧吸磷、对反硝化生成的气体进行吹脱、对污泥活性进行再生。快速曝气单元水力停留时间为20~30min。
本发明采用双泥系统保证除磷菌与硝化菌分别处于各自适宜的生长环境中,与传统的A2/O等工艺相比,克服了常规脱氮除磷工艺中脱氮与除磷之间污泥龄的矛盾,提高了脱氮除磷效果,降低了基建和运行费用。与其它双泥法相比,本发明具有以下特点:
1、本发明采用曝气生物滤池(BAF)作为一级曝气硝化单元,具有以下特点:①充分利用了BAF硝化效果好、占地面积小的优点;②传统BAF由于进水COD相对较高,因此需要碳化段降解COD(可单独设置碳化BAF或在同一BAF中进行碳化与硝化),碳化段增加了BAF的停留时间,降低了硝化效果,同时由于异养菌生长快、粘性大,因此易堵塞,本发明中的BAF进水COD低,因此克服了传统BAF的硝化速率慢,易堵塞问题。
2、本发明采用二级曝气硝化单元去除由于超越污泥携带的氨氮,现有双泥法在进水总氮超过25mg/L时无法达到一级A的氨氮排放标准,而本发明可稳定地达标。
3、二沉池污泥含磷量高,污泥磷含量通常高于常规A2/O,因此即使少量的污泥随上清液流出也极易导致出水总磷超标,因此现有双泥法工艺出水总磷不能稳定达标。本发明采用曝气生物滤池处理二沉池出水,可截留污泥并进一步好氧除磷,因此出水磷浓度可达到非常低的水平,大幅度优于一级A的总磷排放标准。
4、本发明将缺氧池分隔出厌氧子单元,原水中的胶体和颗粒有机物在厌氧池与二沉池污泥混合后,随污泥进入厌氧子单元,可得到进一步的水解酸化,促进微生物进一步厌氧释磷,强化了原水COD的充分利用,防止这些有机物随混合液进入二沉池,从而避免二沉池释磷和出水磷超标。由于进入厌氧子单元的流量占总流量的30~40%,污泥的实际停留时间达到1.0~1.5h,有利于有机物的水解酸化;厌氧子单元与缺氧子单元合建,结构简单紧凑。
5、本发明中中沉池和二沉池可选择高表面负荷,大幅度降低了二沉池占地面积;硝化单元采用BAF,降低了占地面积。因此,本发明适用于用地紧张的城市的污水厂建设和改造需求。
以深圳某大学校园生活区污水为原水,原水COD=120-300mg/L,NH4 +=28-60mg/L,TN=33-75mg/L,平均COD/TN=5.0,TP=4.2-6.3mg/L,pH=6.5-7.5,处理水量为1.0m3/h。
主要设计参数:厌氧池HRT=1.0 h,中沉池、二沉池表面负荷1.6m3/m2/h,缺氧池HRT=3.0 h,一级曝气生物硝化单元(一级BAF)HRT=1.0h,二级曝气生物硝化单元(一级BAF)HRT=0.5h,超越污泥与回流污泥量控制在进水量的33%。
图5为系统主要单元COD变化;图6为系统主要单元氨氮变化;图7 为系统主要单元硝态氮变化;图8 为二级BAF出水TN情况;图9 为系统主要单元氨氮、硝态氮、总氮的变化;图10为系统主要单元TP变化;图11为沉降时污泥层高度随时间变化。如图5、6、7、8、9、10和11所示。经过近两个月的运行,出水COD平均30mg/L左右,出水TP平均0.19mg/L,NH4 +平均3.6mg/L,TN平均10.8mg/L。该系统可承受高TN负荷,当TN达到60mg/L时,出水NH4 +和TN仍可达到一级A标准,即NH4 +低于5mg/L,TN低于15mg/L。
以上内容是结合具体的优选技术方案对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。