CN101891344A - 活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化污水处理装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化污水处理装置及方法，其采用由内环为厌氧区，外环为交错布设的缺氧和挂有生物膜的好氧区的改良型CASS反应器和化学除磷池组成，通过推流和混合流相结合的流态增加改良型CASS反应器的抗冲击负荷能力。装置只在外环好氧区安装曝气设备，在曝气装置下游，溶解氧浓度从高向低变化，好氧区之后会出现缺氧甚至厌氧区域，因此反硝化菌能够利用硝化产物直接进行反硝化，促使在装置中发生同时硝化反硝化脱氮。装置通过交错布设的生物膜提高反应器的抗冲击负荷能力，采用两向污泥水下推流器避免生物膜对环流污泥的阻滞；反应器中发生同步硝化反硝化反应，可减少曝气量，节省能耗，并不需另设缺氧池，加上反应器无需另设二沉池，能减小反应器体积，节省基建费用和运行费用，适于经费紧张的小城镇污水处理。

Description

活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化污水处理装置与方法

技术领域

本发明涉及污水生物处理方法，涉及一种同步除磷脱氮、抗水质水量冲击负荷能力强的一体化污水处理技术，适用于小城镇污水的同步除磷脱氮。

背景技术

随着我国城镇化的加速，越来越多的氮磷营养物质排入水体，加之农田径流等，水体富营养化现象越来越严重，氮磷等植物营养素的去除已成为城市污水处理的必要任务。我国小城镇污水的主要特点是污水排放规律和水质水量波动较大，水量一般在0.5×10⁴～3.0×10⁴m³/d范围；水质波动一般为COD：300～500mg/L，TN：30～60mg/L，TP：4～8mg/L。目前，针对小城镇污水同步除磷脱氮工艺的研究较多，但是大多流程复杂、处理效果不稳定，鲜有适合小城镇经济、技术和水质特点的除磷脱氮工艺，导致我国小城镇污水的处理排放达标率较低，水体污染情况日趋严重。且目前尚未见有关活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化工艺研究的相关报道。

传统的生物除磷脱氮工艺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，用于水质水量波动大的小城镇污水处理时也存在不少问题，主要体现在以下几方面：(1)除磷与脱氮之间的污泥龄矛盾。传统除磷方式是通过排除富磷剩余污泥来去除污水中的磷酸盐，污泥龄越短越利于除磷；而在脱氮方面，由于硝化细菌增殖速度慢，系统必须维持较长的污泥龄才能取得良好的氮去除效果。因此，传统工艺往往处理不好脱氮与除磷之间的污泥龄矛盾，导致除磷脱氮不能兼顾。(2)硝化过程产物硝酸盐对厌氧释磷过程有抑制作用。厌氧段硝酸盐的存在，反硝化菌会与聚磷菌竞争污水中有机质，并优先于聚磷菌利用这些有机基质进行反硝化；硝酸盐的存在还会被部分聚磷菌利用作为电子受体进行反硝化，从而影响其对有机物的发酵产酸作用。结果使聚磷菌无法得到足够的挥发性脂肪酸(VFAs)，从而抑制聚磷菌厌氧释磷及PHB(聚β羟基丁酸盐)的合成能力，进而影响好氧段聚磷菌的吸磷能力，导致除磷效果不佳。(3)现有的实际工程中的工艺，微生物平均停留时间不长，导致增殖较慢的微生物有可能还没来得及增殖就已流失，如世代时间长的硝化菌较难增殖。此外，当污水水量水质波动大时，系统抗水力及浓度冲击负荷能力低，不宜于生物量的增加和高级别微生物的生长繁殖，从而导致除磷脱氮效果不稳定。

因此，针对小城镇污水水质水量变化大的特点以及小城镇经济、技术水平相对落后的现状，对水质水量抗冲击负荷能力强的经济可行的脱氮除磷污水处理工艺技术的研究开发意义重大。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种抗水质水量冲击负荷能力强、同步除磷脱氮的活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化装置与方法(Cyclic Activated Sludge combined Biofilm System，简称CASBS)。

本发明的技术方案如下：

本发明首先提出一种活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化污水处理装置，其具有主反应器和化学除磷池。

所述主反应器有一内环池体和一外环池体，所述内环池体内为厌氧区，厌氧区从底部接入有进水管，厌氧区的出水通过底部的过水孔通往外环池体；厌氧区内设置有搅拌器；所述厌氧区的上部接出有富磷污水排放管，富磷污水排放管连接至化学除磷池。

在外环池体中，沿圆周方向依次划分为缺氧区、好氧区、缺氧区和好氧区。好氧区内有交错布设的生物膜，其底部设置有曝气设施，曝气管道与生物膜最好交错布设，以减少曝气对生物膜的扰动，保证生物膜上微生物生长良好。所述装置通过控制曝气量使在外环池体沿程有明显的溶解氧梯度。

在外环池体的底部设置有两向推流器，使外环池体的水流可以环绕反应器顺时针从缺氧区到好氧区再到缺氧区、好氧区或逆时针方向从缺氧区到好氧区再到缺氧区、好氧区，形成循环运动。且推流器最好在反应器外环的缺氧区底部对称设置。

在所述好氧区的中部设置有滗水器，滗水器向外接出达标污水，在好氧区底部接出有剩余污泥排放管。

从所述装置的缺氧区底部接出有混合液回流管至厌氧区内。

所述化学除磷池也设置有搅拌器，从化学除磷池底部接有化学除磷污水回流管至主反应器的好氧区，在化学除磷池的底部接出有化学污泥排放管。

进一步，利用上述装置，本发明提出一种活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化污水处理方法，所述方法包括两个运行工序，步骤如下：

(1)主反应运行工序，设每周期为n小时，n＝4～8：

①先将生活污水通过进水管连续不间断进入厌氧区，同时使缺氧区的混合液通过混合液回流管持续回流至厌氧区，回流比为100％～150％，厌氧区的污水则通过过水孔进入缺氧区。

②每运行周期开始时，先使厌氧区的搅拌器开始搅拌，好氧区的曝气设施开始曝气，并让推流器启动，使反应器水流从缺氧区流向好氧区，并做循环运动。混合液回流量为进水水量的100％～150％，根据进水水量波动，可调节变化范围为反应器总容积的1/4至1/2。混合液回流量相对于厌氧区体积比例约等于0，不影响厌氧区的DO条件，聚磷菌在厌氧状态下进行释磷。

③在好氧区内的曝气设施运行n-1小时后停止曝气，令其底部的推流器、厌氧区的搅拌器都相应停止运行；

④主反应器在静置30分钟后，反应器实现泥水分离，处理后的污水从好氧区通过滗水器达标排除，同时厌氧区排水至化学除磷池，排水量为进水的10％；

⑤反应器运行n小时后，本周期结束，下一周期开始，推流器的推流方向反转；

(2)侧流除磷池运行工序

①同时，在主反应器停止运行静置30分钟后，反应器实现泥水分离，将厌氧区的富磷上清液通过富磷污水排放管排至化学除磷池，排出量占每周期进水量的10％；

②富磷污水进入化学除磷池后，投入化学除磷剂(如石灰)，并启动化学除磷池的搅拌器，搅拌20分钟，让富磷污水与化学药剂充分混合，化学除磷池出水磷酸盐浓度为5mg/L左右；

③富磷化学污泥通过化学除磷池化学污泥排放管排出。

④在下一周期开始前，将化学除磷后的清液通过化学除磷污水回流管回流至主反应器的好氧区进一步进行处理。

本发明采用了由内环为厌氧区，外环为缺氧和挂有生物膜的好氧区的改良型CASS反应器和化学除磷池，通过将CASS反应器改造成环状，有利于反应器分区，通过推流和混合流相结合的流态增加反应器的抗冲击负荷能力。本发明的装置只在外环好氧区安装曝气设备，在曝气装置下游，溶解氧浓度从高向低变化，好氧区之后会出现缺氧甚至厌氧区域，因此反硝化菌能够利用硝化产物直接进行反硝化，促使在装置中发生同时硝化反硝化脱氮。本装置的好氧区挂有生物膜，可以防止增长速率慢的微生物被淘洗出系统，同时增加反应器内生物量和生物种类，特别是营养层次较高的或者污泥龄较长的微生物，以提高系统的抗冲击能力。同时，厌氧区的独立有利于溶解氧(DO)的控制和污水中高分子有机物分解成小分子碳源物质，配以连续进水使碳源合理分配，一定程度上缓解了厌氧释磷和缺氧反硝化的碳源竞争。已超量吸磷的部分活性污泥在厌氧区充分释磷，通过将少部分富磷上清液导入化学除磷池进行固磷，除磷后清液回流至CASBS反应器外环好氧区进一步降解去除其他营养物质。本装置通过加挂生物膜和环形流道的运用，提高了反应器的抗冲击负荷能力。反应器中发生同步硝化反硝化反应，可减少曝气量，节省能耗，并且不需另设缺氧池，加上反应器无需另设二沉池，能够减小反应器体积，节省基建费用和运行费用，适于经费紧张的小城镇污水处理。

本发明优点

(1)排除厌氧富磷污水的除磷方式解决了反硝化细菌所需要的长泥龄和聚磷菌所需要的短泥龄的矛盾，使系统可以在较长泥龄条件下发挥出优异的同步脱氮除磷效果。

(2)好氧区、缺氧区和厌氧区独立的方式缓解了硝化过程产物硝酸盐对厌氧释磷过程的抑制作用。厌氧区硝酸盐的存在，反硝化菌会与聚磷菌竞争污水中的有机基质，还会影响有机物的发酵产酸作用，从而抑制了聚磷菌的释磷及PHB(聚β羟基丁酸盐)的合成能力，进而影响在好氧条件下聚磷菌的吸磷能力，使系统除磷效果下降。CASBS通过好氧区和厌氧区的独立，并且回流液来自缺氧区经反硝化脱氮后的混合液，硝酸盐含量很少，可缓解硝酸盐对厌氧释磷的抑制作用。

(3)采用生物膜法与活性污泥法相结合及环形流道的设计，增加了反应器抗冲击负荷的能力。由于生物膜上参与净化反应的微生物种类多，能够存活世代时间较长的微生物，因此对水质、水量变动有较强的适应性。环形设计使反应器内的流态介于完全混合和推流之间，这种水流状态使该工艺对水温、水量和水质的变动有较强的适应性，并且有利于活性污泥的生物凝聚作用，而且可以将反应器外圈分为好氧区和缺氧区，用以进行硝化和反硝化，取得脱氮的效果。

(4)节省占地，运行费用低。由于CASBS反应器外环存在明显的溶解氧梯度，有利于发生同时硝化反硝化作用，显著减少混合液回流量，有利于节约能耗。而且同时硝化反硝化在较低DO下较易发生，反应条件也非常容易控制，能进一步减少运行费用。同时，该工艺无需另设二沉池和缺氧池，能够节约基建费用和占地面积。

附图说明

图1为本发明活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化的污水处理装置结构示意图。

图2为本发明活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化的污水处理装置平面图。

图3为本发明活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化的污水处理装置运行工艺流程图。

图中，厌氧区-1、缺氧区-2、好氧区-3、化学除磷池-4、进水管-5、富磷污水排放管-6、化学除磷污水回流管-7、剩余污泥排放管-8，混合液回流管-9，化学污泥排放管-10，过水孔-11、曝气设施-12，生物膜-13，厌氧搅拌器-14，化学除磷搅拌器-15，推流器-16，滗水器-17，主反应时控器-18，滗水器及富磷污水排放时控器-19，化学除磷污水回流时控器-20，进水泵-21，污泥回流泵-22，富磷污水排放泵-23。

具体实施方式

参见图1，本活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化污水处理装置具有主反应器和化学除磷池4。

其中，主反应器有一内环池体和一外环池体，内环池体内为厌氧区1，进水泵21通过厌氧区1底部的进水管5将污水泵入厌氧区1，厌氧区1的出水通过底部的过水孔11通往外环池体。厌氧区1内设置有厌氧搅拌器14，主反应时控器18控制厌氧搅拌器14的开启与关闭。滗水器及富磷污水排放时控器19控制富磷污水排放泵23通过厌氧区1上部的富磷污水排放管6将富磷污水泵至化学除磷池4。

在外环池体中沿圆周方向依次划分为缺氧区2、好氧区3、缺氧区2和好氧区3，好氧区3内挂有生物膜13，设置有曝气设施12，曝气管道与生物膜13交错布设。主反应时控器18控制曝气设施12的开启与关闭，通过控制曝气量使在外环池体沿程有明显的溶解氧梯度。

在外环池体的缺氧区底部设置有两向推流器16，使外环池体的水流沿顺时针或者逆时针方向从缺氧区2到好氧区3再到缺氧区2、好氧区3，形成循环运动，每周期结束时推流器16的推流方向改变。

在好氧区3的中部设置有滗水器17，通过滗水器及富磷污水排放时控器19控制滗水器17的开启与关闭。滗水器17向外接出达标污水，在好氧区3底部接出有剩余污泥排放管8。

污泥回流泵22将外环混合液从缺氧区通过所述装置底部接出的混合液回流管9回流至厌氧区1内。

化学除磷池4内设置有化学除磷搅拌器15，化学除磷污水回流时控器20控制化学除磷后的污水通过化学除磷污水回流管7自流至主反应器的好氧区3。在化学除磷池4的底部接出有化学污泥排放管10。

参见图2，利用上述装置进行污水处理的方法如下：

(1)CASBS工艺主反应运行工序(以每周期4小时为例)

①进水泵21将生活污水通过进水管5连续不间断进入厌氧区1，污泥回流泵22将反应器底部的混合液通过混合液回流管9持续回流至厌氧区1，回流比为100％～150％。厌氧区1的污水通过过水孔11流入缺氧区2。

②每周期开始时，主反应时控器18控制厌氧区1的厌氧搅拌器14开始搅拌以及好氧区3的曝气设施12开始曝气，推流器16启动，使反应器外环水流从缺氧区2流向好氧区3，并做循环运动。由于回流混合液体积相对于厌氧区体积很小，混合液回流不影响厌氧区1的DO条件，聚磷菌在厌氧状态下进行释磷。

③主反应时控器18控制曝气设施12运行3小时后停止曝气以及外环推流器16、厌氧区的搅拌器14都相应停止运行。

④反应器静置30分钟进行泥水分离，滗水器及富磷污水排放时控器19控制滗水器17开启，将处理后的污水从好氧区3通过滗水器17达标排除。同时，滗水器及富磷污水排放时控器19控制富磷污水排放泵23将厌氧区1的富磷污水泵至化学除磷池4，排水量为进水的10％。

⑤反应器运行4小时后，本周期结束，下一周期开始，推流器16的推流方向改变。

(2)侧流除磷池运行工序

①CASBS主反应器停止运行静置30分钟后，反应器实现泥水分离，滗水器及富磷污水排放时控器19控制富磷污水排放泵23将厌氧区1的富磷上清液通过富磷污水排放管6(占每周期进水量的10％)排至化学除磷池4。

②富磷污水进入化学除磷池4后，投入化学除磷剂(石灰)，并启动化学除磷搅拌器15搅拌20分钟，让富磷污水与化学药剂充分混合。化学除磷池4出水磷酸盐浓度为5mg/L左右。

③富磷化学污泥通过化学污泥排放管10排出。

④在下一周期开始前，化学除磷污水回流时控器20控制化学除磷后的清液通过化学除磷污水回流管7自流至主反应器外环进一步进行处理。

具体应用实例1：

以重庆某大学校园排放的生活污水为处理对象，实验温度12℃～23℃。CASBS反应器有效容积160L，其中内环厌氧区容积30升，外环容积130升，好氧区容积大致80升，缺氧区容积大致50升。日处理量为240L，每天6周期，每周期4小时，每周期换水比1/4，污泥龄为40天，曝气末端好氧区DO控制为0.8-1.2mg/L。进水水质波动较大，COD＝106～630mg/L、TN＝25～111mg/L、NH₃-N＝13～67mg/L、TP＝2～8mg/L，CASBS系统稳定运行期间厌氧释磷浓度达到40mg/L以上，处理出水COD≤30mg/L、TN≤13mg/L、NH₃-N≤4mg/L、TP≤0.5mg/L，平均去除率分别为97％、93％、91％、98％，出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。

具体应用实例2：

以重庆某大学校园排放的生活污水为处理对象，实验温度12℃～23℃。CASBS反应器有效容积160L，其中内环厌氧区容积30升，外环容积130升，好氧区容积大致80升，缺氧区容积大致50升。进水水质为COD＝213～521mg/L、TN＝25～68mg/L、NH₃-N＝13～42mg/L、TP＝2～7mg/L。进水水量波动较大，为120～480L/d。当进水水量为120L/d左右时，每天3周期，换水比1/4；每天进水量240/L时，每天6周期，换水比1/4；每天进水量480L/d时，每天6周期，换水比1/2，其余情况以此类推。处理出水COD≤28mg/L、TN≤11mg/L、NH₃-N≤3mg/L、TP≤0.5mg/L，平均去除率分别为98％、94％、90％、99％，出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A标准。

Claims (5)

1.活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化污水处理装置，其具有主反应器和化学除磷池(4)；

其特征在于：所述主反应器有一内环池体和一外环池体，所述内环池体内为厌氧区(1)，厌氧区(1)从底部接入有进水管(5)，进水泵(21)将生活污水通过进水管(5)泵入厌氧区(1)；厌氧区(1)的出水通过底部的过水孔(11)通往外环池体；厌氧区(1)内设置有厌氧搅拌器(14)；所述厌氧区(1)的上部通过富磷污水排放泵(23)接出有富磷污水排放管(6)；滗水器及富磷污水排放时控器(19)控制富磷污水排放泵(23)的启动与停止，化学除磷污水回流时控器(20)控制化学除磷后的清液回流至主反应器好氧区(3)；

在外环池体中，沿圆周方向依次划分为缺氧区(2)、好氧区(3)、缺氧区(2)和好氧区(3)，好氧区(3)内挂有生物膜(13)，设置有曝气设施(12)；在外环池体的底部设置有推流器(16)，使外环池体的水流从缺氧区到好氧区再到缺氧区、好氧区，形成循环运动；

所述曝气设施(12)以及厌氧搅拌器(14)、推流器(16)的启动与停止由主反应时控器(18)控制，通过控制曝气量使在外环池体沿程有明显的溶解氧梯度；

在所述好氧区(3)的中部设置有滗水器(17)，滗水器(17)向外接出达标污水，滗水器(17)的开启与闭合由滗水器及富磷污水排放时控器(19)控制；在好氧区(3)底部接出有剩余污泥排放管(8)；

从所述缺氧区(2)的底部接出有混合液回流管(9)至厌氧区(1)内，并在中间设置污泥回流泵(22)，将缺氧区(2)的活性污泥连续回流至厌氧区(1)；

所述化学除磷池(4)设置有化学除磷搅拌器(15)，从化学除磷池(4)底部接有化学除磷污水回流管(7)至主反应器的好氧区(3)，在化学除磷池(4)的底部接出有化学污泥排放管(10)。

2.根据权利要求1所述的活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化污水处理装置其特征在于：在所述好氧区(3)内交错布设有生物膜，挂膜密度为15％～25％。

3.根据权利要求1所述的活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化污水处理装置其特征在于：在好氧区(3)内设置的曝气设施(12)其曝气管道与生物膜(13)交错布设。

4.根据权利要求1所述的活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化污水处理装置其特征在于：所述推流器(16)为两向推流器，在反应器外环的缺氧区底部对称设置，每周期结束时该两向推流器推流方向改变。

5.一种利用权利要求1-4任一装置进行的活性污泥-生物膜组合循环流脱氮除磷一体化污水处理方法，所述方法包括两个运行工序，步骤如下：

(1)主反应运行工序，设每周期为n小时，n＝4～8：

①进水泵(21)将生活污水通过进水管(5)连续不间断泵入厌氧区(1)，同时污泥回流泵(22)使缺氧区(2)的混合液通过混合液回流管(9)持续回流至厌氧区(1)，回流比为100％～150％，厌氧区(1)的污水则通过过水孔(11)进入缺氧区(2)；

②每运行周期开始时，主反应时控器(18)控制厌氧区(1)的厌氧搅拌器(14)开始搅拌，好氧区(3)的曝气设施(12)开始曝气，并让推流器(16)启动，使反应器水流从缺氧区(2)流向好氧区(3)，并做循环运动；进水量根据水量波动可调节为反应器容积的1/4至1/2；

③主反应时控器(18)控制好氧区内的曝气设施(12)运行n-1小时后停止曝气，令其底部的推流器(16)、厌氧搅拌器(14)都相应停止运行；

④主反应器在静置30分钟后，反应器实现泥水分离，滗水器及富磷污水排放时控器(19)控制滗水器(17)的开启与闭合，将处理后的污水从好氧区(3)通过滗水器(17)达标排除，同时控制富磷污水排放泵(23)将富磷污水从厌氧区(1)排至化学除磷池(4)，排水量为进水量的10％；

⑤反应器运行n小时后，本周期结束，下一周期开始，推流器(16)的推流方向反转；

(2)侧流除磷池运行工序

①同时，在主反应器停止运行静置30分钟后，反应器实现泥水分离，滗水器及富磷污水排放时控器(19)控制富磷污水排放泵(23)将厌氧区(1)的富磷上清液通过富磷污水排放管(6)排至化学除磷池(4)，排出量占每周期进水量的10％；

②富磷污水进入化学除磷池(4)后，投入化学除磷剂，滗水器及富磷污水排放时控器(19)启动化学除磷池(4)的化学除磷搅拌器(15)，搅拌20分钟，让富磷污水与化学药剂充分混合，化学除磷池(4)出水磷酸盐浓度控制目标为5mg/L；

③富磷化学污泥通过化学除磷池(4)化学污泥排放管(10)排出；

④在下一周期开始前，化学除磷污水回流时控器(20)控制化学除磷后的清液通过化学除磷污水回流管(7)自流至主反应器的好氧区(3)进一步进行处理。

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