CN102060412B - 提高低碳源污水生物除磷脱氮效率的装置及其处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高低碳源污水生物除磷脱氮效率的装置及其处理方法，属于污水处理和剩余污泥处理技术领域。在微波碱解条件下将剩余污泥中的固体有机物水解为溶解性有机物；采用磷酸铵镁沉淀法回收水解上清液中的氮磷；将回收氮磷后的水解上清液加入到低碳源污水中再对其进行生物除磷脱氮处理，提高低碳源污水生物除磷脱氮效率。本发明通过剩余污泥微波碱解处理生产易生物降解的高浓度溶解性有机物，产物可作为低碳源污水生物除磷脱氮的廉价碳源，提高低碳源污水生物除磷脱氮效率，同时可实现污泥减量化、资源化和无害化。可将污泥中的VSS溶解率提高到82％，使得低碳源污水经本发明处理后出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准。

Description

提高低碳源污水生物除磷脱氮效率的装置及其处理方法
技术领域
本发明属于污水和剩余污泥处理方法，特别是一种提高低碳源污水生物除磷脱氮效率的装置及其处理方法。
背景技术
随着水环境富营养化问题的日益加剧，我国对城镇污水处理厂出水中的总氮(TN)、总磷(TP)浓度日益要求严格。在城镇污水的生物处理过程中，生物脱氮和除磷工艺需要消耗大量碳源。
对于大多数污水处理厂来说，进水中的碳源是生物除磷脱氮的限制性因素。例如我国许多城镇污水处理厂建成后，进水中COD浓度一般较低，而TN和TP的含量却相对较高。例如，昆明第二污水处理厂的年平均进水COD、TN和TP的浓度分别为154、29.1和3.1mg/L(来自中国给水排水，2003，19(4)：19～22昆明的城市污水处理现状及发展一文中报道)。而污水的生物除磷脱氮过程必须在足够的碳源条件下才能进行，针对于如此低的进水COD浓度问题，可以考虑投加外碳源，如甲醇、乙酸等，但是由于城镇污水处理厂污水处理量大，外加碳源势必会增加污水处理费用。因此，城镇污水处理中的碳源不足问题已经成为生物除磷脱氮的瓶颈。
剩余污泥是城镇污水处理厂在生物处理污水过程中的必然产物，剩余污泥固体中有机物含量通常大于70％，但是由于剩余污泥中的有机物多以细胞残体和胞外聚合物组成，很难直接作为生物除磷脱氮的碳源。假如能将城镇污水处理厂产生的大量剩余污泥经过一定的预处理来获取能用于城镇污水处理厂生物除磷脱氮所需的有机碳源将是双赢之举，一方面可增加污水中的易生物降解物质的量，有利于提高其除磷脱氮效率；另一方面可实现剩余污泥的减量化和资源化。因此，此技术的应用发展前景受到关注。
利用城镇污水处理厂剩余污泥获取碳源的现有技术有：申请号为200810054486.1的中国专利审定授权说明书公开了“一种处理废水的碳源的制备方法”，它是采用酸性发酵工艺从污泥中制备处理含硫酸盐酸性矿山废水的碳源的工艺，污泥在该工艺的酸性发酵反应器中的水力停留时间为48h～72h。另申请号为200910243651.2的中国专利申请公开说明书公开了“污泥碳源两级碱性水解酸化回收方法”，它是采用强两级碱性水解酸化装置，强碱性完全混合预处理搅拌池与污泥升流式强化水解反应器，从剩余污泥中制备城镇污水处理厂生物除磷脱氮所需有机碳源的工艺，污泥在该工艺的强碱性完全混合预处理搅拌池和污泥升流式强化水解反应器中的水力停留时间分别为60h和8h。在上述工艺中污泥在反应器中的水力停留时间较长，而且反应器的容积较大，增加了设备初投资。
因此，有必要采用更加有效的处理方法缩短剩余污泥的水解时间，提高生物除磷脱氮工艺所需有机碳源产量。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高低碳源污水生物除磷脱氮效率的装置及其处理方法，有利于解决城镇污水处理厂生物除磷脱氮时有机碳源不足及剩余污泥处理困难等问题，实现对剩余污泥中有机碳源的循环利用，有效降低城镇污水处理厂生物除磷脱氮时投加外加有机碳源的成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种提高低碳源污水生物除磷脱氮效率的装置，其中：该装置包括有具有除磷脱氮功能的生物反应池、污泥机械浓缩装置、承压污泥微波碱解处理装置和磷酸铵镁反应沉淀池；所述具有除磷脱氮功能的生物反应池产生的经沉淀处理后的剩余污泥通过管路依次连通污泥机械浓缩装置、承压污泥微波碱解处理装置和磷酸铵镁反应沉淀池；所述磷酸铵镁反应沉淀池通过管路与具有除磷脱氮功能的生物反应池连通；承压污泥微波碱解处理装置和磷酸铵镁反应沉淀池分别设有微波碱解后的污泥固体和磷酸铵镁沉淀的排出口。
同时还提供一种利用提高低碳源污水生物除磷脱氮效率的装置的处理方法。
本发明的优点和有益效果：
(1)本发明可将污泥水解时间由通常的48h～72h缩短在1h之内，进而将水解反应器容积缩小到通常所需容积的1/72～1/48，降低设备初投资。
(2)本发明最大可将污泥中的VSS溶解率提高到82％，回收剩余污泥水解上清液有机碳源并提高低碳源污水生物除磷脱氮效率，使得低碳源污水经本发明处理后出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。
(3)本发明在处理低碳源污水时无需设置初沉池，污水经格栅和沉砂池处理后即可采用本发明处理。
(4)通过磷酸铵镁反应沉淀处理单元，解决了开发碳源过程中氮磷释放的问题，使得承压污泥微波碱解处理装置产生的“有效碳源”，去除剩余污泥经承压污泥微波碱解处理装置处理水解上清液中自身带入的氮磷后的剩余碳源最大化。
(5)本发明在实现城镇污水处理厂污泥资源化的同时，还可实现污泥的减量化和无害化。
附图说明
图1是本发明的利用剩余污泥中溶解性有机物提高低碳源污水A2O除磷脱氮效率的流程图；
图2是本发明的利用剩余污泥中溶解性有机物提高低碳源污水SBR除磷脱氮效率的流程图。
图中：
1、A2O生物反应池    2、污水沉淀池    3、污泥机械浓缩装置
4、承压污泥微波碱解处理装置    5、磷酸铵镁反应沉淀池
6、低碳源污水    7、去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液
8、回流污泥    9、污水沉淀池出水    10、微波碱解后的污泥固
体11、磷酸铵镁沉淀    12、硝化液回流    13、剩余污泥
14、SBR生物反应池    15、SBR生物反应池出水
具体实施方式
结合附图及实施例对本发明的提高低碳源污水生物除磷脱氮效率的装置及其处理方法加以说明。
如图1、2所示，提高低碳源污水生物除磷脱氮效率的装置，该装置包括有具有除磷脱氮功能的生物反应池、污泥机械浓缩装置3、承压污泥微波碱解处理装置4和磷酸铵镁反应沉淀池5；所述具有除磷脱氮功能的生物反应池产生的经沉淀处理后的剩余污泥13通过管路依次连通污泥机械浓缩装置3、承压污泥微波碱解处理装置4和磷酸铵镁反应沉淀池5；所述磷酸铵镁反应沉淀池5通过管路与具有除磷脱氮功能的生物反应池连通；承压污泥微波碱解处理装置4和磷酸铵镁反应沉淀池5分别设有微波碱解后的污泥固体10和磷酸铵镁沉淀11的排出口。
所述具有除磷脱氮功能的生物反应池包括有厌氧-缺氧-好氧生物反应池A2O生物反应池1或SBR生物反应池14；A2O生物反应池1是指在传统曝气反应池的基础上通过控制池中的溶解氧DO浓度使得在该池中沿进水方向依次形成厌氧区、缺氧区和好氧区，该池没有沉淀功能；当具有除磷脱氮功能的生物反应池为A2O生物反应池1时，装置还需包括与A2O生物反应池1连通的硝化液回流12和污水沉淀池2，经A2O生物反应池1处理后的污水进入污水沉淀池2经沉淀处理后，上清液作为污水沉淀池出水9从污水沉淀池2的上部排出，沉淀下的污泥从污水沉淀池2下部排出后分别以回流污泥8和剩余污泥13的形式进入A2O生物反应池1和污泥机械浓缩装置3；当具有除磷脱氮功能的生物反应池为SBR生物反应池14时，SBR生物反应池14直接与污泥机械浓缩装置3连通，经SBR生物反应池14处理后的污水再经SBR生物反应池14沉淀处理后的上清液形成SBR生物反应池出水15从SBR生物反应池14上部排出，沉淀下的污泥从SBR生物反应池14下部排出后以剩余污泥13的形式进入污泥机械浓缩装置3。
实施例1
如图1所示，系统由具有除磷脱氮功能的厌氧-缺氧-好氧反应池A2O生物反应池1、污水沉淀池2、污泥机械浓缩装置3即离心浓缩机、承压污泥微波碱解处理装置4和磷酸铵镁反应沉淀池5组成。
1.剩余污泥浓缩
向来自污水沉淀池2的含固率为0.7％的剩余污泥中投加液体高分子絮凝剂——聚脒，在絮凝剂与剩余污泥中的总固体TS的质量比为1∶1000的条件下，剩余污泥经离心浓缩机浓缩后含固率变为4.5％，浓缩污泥进入承压污泥微波碱解处理装置4。
2.浓缩污泥的微波碱解
在混合池中向来自离心浓缩机的含固率为4.5％的浓缩污泥中投加浓度为20M的NaOH溶液，边投加边搅拌，搅拌机转速为80r/min，搅拌时间为10min，直至污泥的pH值为8，之后将加入碱液的污泥置于承压污泥微波碱解处理装置4中在2450MHz的微波场中加热。在加热温度为150℃、加热时间为20min、承压压力为1.6MPa的条件下，挥发性悬浮固体VSS的溶解率为70％，COD溶解率为65％，乙酸和丙酸占总挥发酸TVFAs的比例分别为37％和26％，以COD计。经承压污泥微波碱解处理装置4处理后的水解上清液进入磷酸铵镁反应沉淀池5，微波碱解后的污泥固体10排出承压污泥微波碱解处理装置4。
3.磷酸铵镁反应沉淀
向来自承压污泥微波碱解处理装置4的水解上清液按Mg2+、P与N的摩尔比为1.25∶1∶1投加MgCl2溶液，搅拌反应0.5h，沉淀1h后，水解上清液中的磷酸盐和氨氮通过与Mg2+离子形成磷酸铵镁沉淀11而得到去除，得到去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7。去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7回流至A2O生物反应池1用做生物除磷脱氮的碳源，磷酸铵镁沉淀11排出磷酸铵镁反应沉淀池5。
4.生物反应除磷脱氮
低碳源污水6、去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7和回流污泥8同时进入A2O生物反应池1首端，硝化液回流12进入A2O生物反应池1的缺氧区。
A2O生物反应池1的工艺参数如下：污泥龄为12d，内回流比为200％，污泥回流比为50％，水力停留时间HRT＝8h，混合污水在厌氧、缺氧和好氧状态的HRT比值为：1.5∶1.5∶5。低碳源污水6中COD为200mg/L，TN为40mg/L，TP为6mg/L，BOD：TN＜6。通过将从磷酸铵镁反应沉淀池11得到的去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7加入到低碳源污水6中，低碳源污水6与去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7混合后的水质指标为BOD∶TP＝21且BOD∶TN＝7。
A2O生物反应池的出水一部分以硝化液回流12的形式回流至A2O生物反应池1首端，另一部分进入污水沉淀池2进行固液分离。
5.污水固液分离
经A2O生物反应池1处理后的污水进入污水沉淀池2进行固液分离，沉淀时间为3h，污水经沉淀处理后，上清液作为污水沉淀池出水9从污水沉淀池2的上部排出，沉淀下的污泥从污水沉淀池2的下部排出后分别以回流污泥8和剩余污泥13的形式进入A2O生物反应池1和污泥机械浓缩装置3。
污水沉淀池出水9的水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。
实施例2
低碳源污水6的组成同实施例1，即低碳源污水6中COD为200mg/L，TN为50mg/L，TP为6mg/L，BOD∶TN＜6。低碳源污水6中不加入实施例1所述的从磷酸铵镁反应沉淀池得到的去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7，低碳源污水6仅采用A2O生物反应池1和污水沉淀池2处理，A2O生物反应池1和污水沉淀池2的工艺参数同实施例1。污水沉淀池出水9的水质未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准。
实施例3
如图2所示，系统由具有SBR池14、污泥机械浓缩装置3即离心浓缩机、承压污泥微波碱解处理装置4和磷酸铵镁反应沉淀池5组成。
1.剩余污泥浓缩
向来自SBR生物反应池14的含固率为0.7％的剩余污泥中投加液体高分子絮凝剂——聚脒，在絮凝剂与剩余污泥中的总固体TS的质量比为1∶1000的条件下，剩余污泥经离心浓缩机浓缩后含固率变为4.5％，浓缩污泥进入承压污泥微波碱解处理装置4。
2.浓缩污泥的微波碱解
在混合池中向来自离心浓缩机的含固率为4.5％的浓缩污泥中投加浓度为20M的NaOH溶液，边投加边搅拌，搅拌机转速为100r/min，搅拌时间为15min，直至污泥的pH值为8，将加入碱液的污泥置于承压污泥微波碱解处理装置4中在2450MHz的微波场中加热。在加热温度为170℃、加热时间为10min、承压压力为1.9MPa的条件下，挥发性悬浮固体VSS的溶解率为72％，COD溶解率为66％，乙酸和丙酸占总挥发酸TVFAs的比例分别为30％和35％，以COD计，经承压污泥微波碱解处理装置4处理后的水解上清液进入磷酸铵镁反应沉淀池5，微波碱解后的污泥固体10排出承压污泥微波碱解处理装置4。
3.磷酸铵镁反应沉淀
向来自承压污泥微波碱解处理装置4的水解上清液按Mg2+、P与N的摩尔比为1.3∶1.1∶1投加MgSO4溶液，搅拌反应0.5h，沉淀1h后，水解上清液中的磷酸盐和氨氮通过与Mg2+离子形成磷酸铵镁沉淀11而得到去除，得到去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7。去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7回流至SBR生物反应池14用做生物除磷脱氮的碳源，磷酸铵镁沉淀11排出磷酸铵镁反应沉淀池5。
4.生物反应除磷脱氮
低碳源污水6和去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7同时进入SBR生物反应池14。
SBR生物反应池14的工艺参数如下：污泥龄为12d，充水比为0.75，混合污水在SBR生物反应池14中的HRT为9h，其中：厌氧2h，缺氧2h，好氧4h，沉淀1h。低碳源污水6中COD为150mg/L，TN为35mg/L，TP为5.5mg/L，BOD∶TP＜20且BOD∶TN＜6。通过将从磷酸铵镁反应沉淀池11得到的去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7加入到低碳源污水6中，低碳源污水6与去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7混合后的水质指标为BOD∶TP＝25且BOD∶TN＝8。处理结束后，沉淀下的污泥从SBR生物反应池14下部排出后以剩余污泥13的形式进入污泥机械浓缩装置3，上清液形成SBR生物反应池出水15从SBR生物反应池14排出，SBR生物反应池出水15水质优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标准。
实施例4
低碳源污水6的组成同实施例3，即低碳源污水6中COD为150mg/L，TN为45mg/L，TP为5.5mg/L，BOD∶TP＜20且BOD∶TN＜6。低碳源污水6中不加入实施例3所述的从磷酸铵镁反应沉淀池得到的去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液7，低碳源污水6仅采用SBR生物反应池14处理，SBR生物反应池14的工艺参数同实施例3。SBR生物反应池出水15水质如下：COD为35mg/L，TN为25mg/L，TP为2.4mg/L，未达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准。
实施例5～实施14的实施条件和实施效果分列于表1、表2、表3、表4、表5和表6。
表1剩余污泥浓缩阶段的实施条件和实施效果
Figure BDA0000031439110000091
表2浓缩污泥的微波碱解阶段的实施条件和实施效果
Figure BDA0000031439110000101
表3浓缩污泥的微波碱解阶段的实施效果
表4污泥微波碱解上清液中氮磷去除阶段的实施条件
Figure BDA0000031439110000111
表5生物反应除磷脱氮阶段的实施条件
表6生物反应除磷脱氮阶段的实施效果
  实施例编号   出水水质  备注
  5   优于(GB 18918：2002)一级B标准  其它同实施例1
  6   优于(GB 18918：2002)一级B标准  其它同实施例1
  7   优于(GB 18918：2002)一级B标准  其它同实施例1
  8   优于(GB 18918：2002)一级B标准  其它同实施例1
  9   优于(GB 18918：2002)一级B标准  其它同实施例1
  10   优于(GB 18918：2002)一级B标准  其它同实施例3
  11   优于(GB 18918：2002)一级B标准  其它同实施例3
  12   优于(GB 18918：2002)一级B标准  其它同实施例3
  13   优于(GB 18918：2002)一级B标准  其它同实施例3
  14   优于(GB 18918：2002)一级B标准  其它同实施例3
将实施例1、实施例5～实施例9分别与实施例2对比，实施例3、实施例10～实施例14分别与和实施例4对比，结果表明：向低碳源污水中加入承压微波碱解处理污泥并经磷酸铵镁反应沉淀池产生的去除氮磷的承压污泥微波碱解上清液可以明显提高低碳源污水生物除磷脱氮的效果。

Claims (7)

1.一种提高低碳源污水生物除磷脱氮效率的装置，其特征是：该装置包括有具有除磷脱氮功能的生物反应池、污泥机械浓缩装置(3)、承压污泥微波碱解处理装置(4)和磷酸铵镁反应沉淀池(5)；所述具有除磷脱氮功能的生物反应池产生的经沉淀处理后的剩余污泥(13)通过管路依次连通污泥机械浓缩装置(3)、承压污泥微波碱解处理装置(4)和磷酸铵镁反应沉淀池(5)；所述磷酸铵镁反应沉淀池(5)通过管路与具有除磷脱氮功能的生物反应池连通；承压污泥微波碱解处理装置(4)和磷酸铵镁反应沉淀池(5)分别设有微波碱解后的污泥固体(10)和磷酸铵镁沉淀(11)的排出口。
2.根据权利要求1所述的提高低碳源污水生物除磷脱氮效率的装置，其特征是：所述具有除磷脱氮功能的生物反应池包括有厌氧-缺氧-好氧生物反应池A2O生物反应池(1)或SBR生物反应池(14)。
3.利用权利要求1所述装置的处理方法，该方法包括以下步骤：
1)剩余污泥机械浓缩
具有除磷脱氮功能的生物反应池产生的经沉淀处理后得到的剩余污泥(13)进入污泥机械浓缩装置(3)后，剩余污泥经投加絮凝剂后再经污泥机械浓缩装置(3)处理后形成浓缩污泥，浓缩污泥中的总固体(TS)浓度为4.5％～10％，浓缩污泥进入承压污泥微波碱解处理装置(4)；
2)浓缩污泥微波碱解
在混合池中向来自污泥机械浓缩装置(3)的浓缩污泥投加碱性溶液，碱性溶液浓度为15M～20M，控制浓缩污泥的pH值为8～12，加入碱液后使用机械搅拌方式混合；将与碱液混合好的浓缩污泥投入承压污泥微波碱解处理装置(4)进行微波碱解，微波加热温度为125℃～205℃，加热时间为5min～45min；加热压力为0.4MPa～2.2MPa，挥发性悬浮固体(VSS)的溶解率为60％～82％，化学需氧量(COD)溶解率为62％～80％；经承压污泥微波碱解处理装置(4)处理后得到的水解上清液中乙酸占总挥发性脂肪酸(TVFAs)的比例为30％～45％，以COD计，丙酸占TVFAs的比例为20％～40％，以COD计；经承压污泥微波碱解处理装置(4)处理后的水解上清液进入磷酸铵镁反应沉淀池(5)，微波碱解后的污泥固体(10)排出承压污泥微波碱解处理装置(4)；
3)承压污泥微波碱解水解上清液中的氮磷去除
来自承压污泥微波碱解处理装置(4)的水解上清液进入磷酸铵镁反应沉淀池(5)后，在磷酸铵镁反应沉淀池(5)中的水力停留时间(HRT)为1～2h，其中搅拌反应时间为0.5h～1h，沉淀和排水时间为0.5h～1h；根据水解上清液的pH值按照Mg2+、P与N的摩尔比为1.25～1.45∶0.85～1.25∶1投加镁离子溶液，经搅拌反应和沉淀处理后，水解上清液中的磷酸盐和氨氮通过与Mg2+离子形成磷酸铵镁沉淀(11)而得到去除，去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液(7)回流至具有除磷脱氮功能的生物反应池用做生物除磷脱氮的碳源，磷酸铵镁沉淀(11)排出磷酸铵镁反应沉淀池(5)；
4)低碳源污水除磷脱氮
低碳源污水(6)与去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液(7)同时进入具有除磷脱氮功能的生物反应池的首端得到混合污水；混合污水在厌氧、缺氧和好氧状态下的水力停留时间HRT比值为2～1∶3～1∶3～6，混合污水经沉淀处理后产生的剩余污泥(13)进入污泥机械浓缩装置(3)。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述的碱性溶液为NaOH、KOH和Ca(OH)2溶液中的任何一种。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征是：所述的镁离子溶液为MgCl2、MgSO4和Mg(OH)2溶液中的任何一种。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征是：低碳源污水(6)与去除氮磷的承压污泥微波碱解水解上清液(7)混合后的水质指标需达到生物化学需氧量BOD：总磷(TP)＞20，且BOD：总氮(TN)＞6。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征是：低碳源污水经该法处理后出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2002一级B标准。
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