CN102180565B - 一种城市污水强化生物脱氮的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于污水生物脱氮的方法及装置。该方法以活性污泥为吸附剂，对进水中的有机物进行强化吸附与富集，并通过热碱水解法，对碳源进行解吸和定向优质转化，最终将所获碳源用于生物反硝化的外加碳源；在不用外加碳源的情况下，达到了高效的后置反硝化生物脱氮，出水满足高标准的总氮排放要求。试验结果表明，本工艺的实施不仅可以提高污水碳源的利用效率，降低出水中总氮浓度，还可以减少剩余污泥量，提高硝化效果等，满足目前城市污水处理厂升级改造的需要，为污水高效脱氮和污泥减量化提供了一种新工艺，为工艺改进提供了一个新的发展方向。
Description
技术领域
本发明涉及一种城市污水强化生物脱氮的方法及装置。
背景技术
我国水环境污染和水体富营养化的问题日益严重，氮是引起水体富营养化的主要因素之一。特别是随着社会的进步，人们生活水平的不断提高，以及工农业的发展，城市污水厂进水水质已经发生了很大的变化：氮磷含量成倍增加，有机物含量下降。因此，反硝化碳源不足、冬季硝化效果不稳定、出水水质难以达到更高的污水排水标准要求是目前城市污水处理厂普遍存在的问题；同时，外加碳源的投加和剩余污泥的处理是造成污水处理成本大大提高的主要原因之一。因此，如何提高进水碳源的利用效率、减少剩余污泥的产量和开发经济、高效的污水生物脱氮技术是目前水污染控制工程领域的研究重点和热点。
目前城市污水处理厂采用的污水生物处理工艺都是通过前置式反硝化脱氮，即将好氧区的硝化液回流至工艺前端，利用进水中的碳源进行反硝化。从目前的应用情况来看，此类工艺表现出以下几点不足：1.反硝化碳源不足，要获得良好的反硝化效果。碳氮比需要大于4.0以上；碳源不足是我国污水处理厂生物脱氮过程中普遍存在的问题(朱五星，舒锦琼.城市污水处理厂能量优化策略研究.给水排水，2005，31(12)：31-33)，常需要在反硝化单元添加外加碳源，不仅造成有用碳源的大量消耗，还将增加运行成本，甚至会因为碳源投加的不足或者过量，影响出水水质和形成二次污染。2.进水碳源用于反硝化的利用率低。由于进水碳源成分比较复杂，需进一步水解后才能被反硝化菌利用，在此过程中，很大部分进水碳源被用于合成微生物有机体或被以溶解氧为电子受体的微生物所消耗。因此，如何将进水中的碳源富集、优质转化，并应用于反硝化生物脱氮，是污水处理工艺研发领域的一个全新课题。3.需要回流硝化液，不仅能耗大，还造成了整个工艺活性污泥的混合培养，氨氮去除效果不稳定。不同功能种类的微生物，它们的生长代谢条件不同，将其混合培养，就很难实现最佳的除污效果(高旭，龙腾锐.城市污水处理能耗能效研究进展.重庆大学学报(自然科学版)，2002，25(6)：143-148)；特别是硝化菌世代繁殖时间长，要求较长的泥龄，而异养菌世代繁殖时间较短，则要求缩短泥龄，因此往往造成脱氮效率的降低(郝晓地，汪慧贞，钱易等.欧洲城市污水处理技术新概念-可持续生物除磷脱氮工艺.给水排水，2002，28(6)：6-12)。
剩余污泥处理与处置的成本较高，一般占整个污水处理厂运行成本的50-60％，如何减少剩余污泥产量成为了研究的热点。污泥水解释碳是剩余污泥资源化处理的重要研究内容之一，将污泥水解所释放的有机碳应用于反硝化，不仅可以实现污泥的减量化，还可以解决反硝化碳源不足的问题。目前关于污泥水解和碳源回收的研究可以分为两类(崔成武.活性污泥水解技术的发展与应用.给水排水，2009，4(35)：25-29)：水解初沉污泥和水解活性污泥，它们各有优缺点。初沉污泥的水解产碳率高，水解后溶解性COD占污泥总量的9％-16％(Andreasen K，Petersen G，Thomsen H.Reduction of nutrientemission by sludge hydrolysis.Warter science and technology，1997，35(10)：79-85)，而活性污泥仅为2.5％(Barnes K.Investigation of VFA production during hydrolysis of sludgefor optimization of biological P removal.Master Thesis Technical University ofDenmark，2007)；但初沉污泥水解所得碳源回收率低，易产生恶臭，需要增设除臭设施。
综上所述，将剩余污泥水解所释放的有机碳应用于反硝化可以缓解进水碳源不足的问题，但简单的污泥水解释放的碳源有限，如何增加污泥水解的释碳量，提高进水碳源的利用率，加强活性污泥中弱势菌种的富集程度，是解决目前污水处理厂脱氮效果不理想、硝化程度不稳定的关键方法。
发明内容
本发明的目的是为解决污水处理厂进水COD浓度偏低、反硝化碳源不足、氨氮去除效果不稳定、TN难以达标排放，以及剩余污泥量多、处理处置难等突出问题，提供一种用于污水生物脱氮的方法及装置。
本发明所提供的污水强化生物脱氮装置，由碳源吸附单元(强化回收进水碳源)、硝化菌高效浓缩的硝化单元、利用水解碳源进行生物脱氮的反硝化单元和剩余污泥水解释碳的污泥水解单元组成；其中，所述碳源吸附单元包括设有曝气设备的碳源吸附池(1)、沉淀池(2)、隔膜泵(9)和回流泵(8)，所述硝化单元包括设有曝气设备的硝化池(3)、沉淀池(4)和回流泵(8′)，所述反硝化单元包括设有搅拌桨的反硝化池(5)、强化曝气池(6)、沉淀池(7)和回流泵(8″)，所述污泥水解单元包括设有搅拌桨的水解池(13)、碱储存罐(11)和计量泵(12)，所述水解池(13)内设置有泥水分离区；所述设有曝气设备的碳源吸附池(1)、沉淀池(2)、设有曝气设备的硝化池(3)、沉淀池(4)、设有搅拌桨的反硝化池(5)、强化曝气池(6)、沉淀池(7)通过管道依次串联；所述沉淀池(2)底部设有经回流泵(8)连接所述设有曝气设备的碳源吸附池(1)的污泥回流管和连接所述设有搅拌桨的水解池(13)的污泥排泥管；所述沉淀池(4)底部设有经回流泵(8′)连接所述设有曝气设备的硝化池(3)的硝化污泥回流管和连接所述设有搅拌桨的水解池(13)的硝化污泥排泥管；所述沉淀池(7)底部设有经回流泵(8″)连接所述设有搅拌桨的反硝化池(5)的反硝化污泥回流管和连接所述设有搅拌桨的水解池(13)的反硝化污泥排泥管；所述碱储存罐(11)经设有计量泵(12)的管道与设有搅拌桨的水解池(13)相连通，所述设有搅拌桨的水解池(13)中的泥水分离区经设有计量泵(12′)的管道与所述设有搅拌桨的反硝化池相连通。
本发明的污水强化生物脱氮装置对污水进行生物脱氮的方法，包括下述步骤：
原污水经隔膜泵(9)进入设有曝气设备的吸附池(1)，在吸附池内，通过曝气混合，使污水中的有机物大部分被活性污泥吸附，然后通过沉淀池(2)实现泥水分离，部分污泥经回流泵(8)返回至吸附池，另有一部分进入设有搅拌桨的水解池(13)，吸附池上清液通过重力流，进入设有曝气设备的硝化池(3)；污水在硝化池中硝化污泥的作用下，实现氨氮的去除，然后经过沉淀池(4)的泥水分离作用，污泥一部分经回流泵(8′)返回至硝化池，少量排入设有搅拌桨的水解池，硝化池上清液进入设有搅拌桨的反硝化池(5)；污水在反硝化池中反硝化污泥作用下进行反硝化脱氮，反硝化脱氮所需碳源由水解池中污泥水解释放的碳源提供；脱氮后的泥水混合液接着进入强化曝气池(6)，实现对泥水混合液的快速好氧处理；最后，泥水混合液在沉淀池(7)内实现泥水分离，污泥大部分经回流泵(8″)回流至反硝化池(5)，少部分排入设有搅拌桨的水解池(13)，上清液为最终出水；整个污水处理系统的剩余污泥由水解池处理，水解池采用污泥热碱水解释碳，水解池外围设置有加热套层，套层内注满了自来水，并安装加热管，温度由温度控制仪控制；水解池内设置有泥水分离区，大部分污泥能够被截留在水解池内，少量难沉降污泥和富含溶解性有机物的上清液通过计量泵(12′)加入到反硝化池，为反硝化提供外加碳源。
生物吸附与污泥水解释碳联合强化脱氮方法的工艺运行条件：
1、吸附池进水为城市污水处理厂旋流沉砂池出水，由40％的工业废水和60％的生活污水组成，其中COD为120-720mg/L，TN为9-55mg/L，氨氮为8-50mg/L，TP为1-11mg/L，且试验结果表明，进水污染物浓度越高，工艺越高效，优势更能体现。
2、生物吸附与污泥水解释碳联合强化脱氮工艺的总HRT(水力停留时间)(不含沉淀池)为6.8-11.2小时，其中，吸附池0.4-0.6小时，硝化池4.0-6.0小时，反硝化池2.0-4.0小时和强化曝气池0.4-0.6小时。
3.系统内生物量分布和污泥回流比：吸附池MLSS(混合液悬浮固体浓度)为2.5±0.5g/L，污泥回流比为50-75％；硝化池MLSS为5±0.5g/L，污泥回流比为75-100％；反硝化池MLSS为4.5±0.5g/L，污泥回流比为100％。
4.污泥水解条件：温度55-65℃，pH为10-11。
5.水解池运行条件：采用连续进、出水，间歇排泥，进泥MLSS为6±1g/L，池内MLSS控制在10.0±2g/L，HRT为24.0-30.0小时。
生物吸附与污泥水解释碳联合强化脱氮方法的运行效果：
1、碳源快速吸附效果：在高有机负荷(12.8kgCOD/m3·d)和低泥龄(0.75d)条件下，吸附池对进水中的有机物表现出高效的吸附效果。在连续运行模式和极短的HRT(30.0-35.0min)条件下，COD的去除率可以稳定在60-70％，实现了对进水碳源的吸附分离，并将其优质转化后用于后置反硝化外加碳源。
2、氨氮去除效果的稳定性：通过将硝化菌与异养菌分离培养，硝化单元出现了硝化细菌的高效富集，表现出了良好、稳定的氨氮去除效果，出水氨氮一般能维持在0.5±0.2mg/L；冬季水温为5-15℃条件下，硝化单元出水氨氮浓度也能保持在1.0mg/L以下。
3、活性污泥热碱水解释碳效果：在60℃、pH为11的条件下，污泥水解24小时后，溶解性COD(SCOD)占污泥总量的30％-46％，而在一般的水解酸化过程中，污泥水解酸化后溶解性COD仅占污泥总量的9％-16％。
4、强化脱氮效果：当系统在完全以污泥水解释放的有机碳为反硝化外加碳源的情况下，总氮平均去除率为65％，出水总氮浓度能保持在12mg/L左右，达到了“一级A”总氮浓度排放标准。
5污泥减量化效果：将剩余污泥热碱水解，并用于反硝化外加碳源，可以大大减少剩余污泥产量，在处理量为5.0m3/d的中试系统中，通过3个多月的连续运行，几乎没有剩余污泥排放，仅有少量难水解的污泥成分排放，约0.2kg/d。
本发明的方法具有以下有益效果：
1)在活性污泥水解释碳前，增加一个利用活性污泥快速吸附污水碳源的过程(HRT为30-35min)，不仅避免了传统污泥水解的不足，还大大提高了污泥水解的产碳率，实现了高效利用污水碳源进行生物脱氮的目的，同时，还将污水中的碳和氮分开处理，为实现高效硝化作用提供了条件。
2)在每个功能单元都设有沉淀池，较好的实现了污泥中微生物的分开培养，有利于同时满足不同种类微生物生长所需条件，提高活性污泥的污染物去除效率。
3)采用后置式反硝化脱氮，出水总氮浓度下限低，并以污泥水解碳源为反硝化碳源，不需要系统外补充碳源。
综上，本发明方法在进水C/N值较低的情况下，提高了进水碳源的利用率，强化了生物硝化效果，减少了剩余污泥产量，并以水解活性污泥所得的碳源进行反硝化，节省了外加碳源，实现了出水水质好、系统稳定和剩余污泥量少等目的。
附图说明
图1为本发明生物吸附与污泥水解释碳联合强化脱氮装置的结构示意图。
图2吸附池进、出水中COD浓度的变化曲线。
图3硝化单元启动过程中出水氨氮浓度变化曲线。
图4反硝化污泥的碳源适应性驯化与系统脱氮效果。
图5污泥水解池出水中TCOD和SCOD浓度的变化曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1、对城市污水进行强化生物脱氮处理
对污水进行强化生物脱氮在图1所示的装置中进行。该装置由碳源吸附单元、硝化单元、反硝化单元和污泥水解单元组成；其中，所述碳源吸附单元包括设有曝气设备的碳源吸附池1、沉淀池2、隔膜泵9和回流泵8，所述硝化单元包括设有曝气设备的硝化池3、沉淀池4和回流泵8′，所述反硝化单元包括设有搅拌桨的反硝化池5、强化曝气池6、沉淀池7和回流泵8″，所述污泥水解单元包括设有搅拌桨的水解池13、碱储存罐11和计量泵12，所述水解池13内设置有泥水分离区；所述设有曝气设备的碳源吸附池1、沉淀池2、设有曝气设备的硝化池3、沉淀池4、设有搅拌桨的反硝化池5、强化曝气池6、沉淀池7通过管道依次串联；所述沉淀池2底部设有经回流泵8连接所述设有曝气设备的碳源吸附池1的污泥回流管和连接所述设有搅拌桨的水解池13的污泥排泥管；所述沉淀池4底部设有经回流泵8′连接所述设有曝气设备的硝化池3的硝化污泥回流管和连接所述设有搅拌桨的水解池13的硝化污泥排泥管；所述沉淀池7底部设有经回流泵8″连接所述设有搅拌桨的反硝化池5的反硝化污泥回流管和连接所述设有搅拌桨的水解池13的反硝化污泥排泥管；所述碱储存罐11经设有计量泵12的管道与设有搅拌桨的水解池13相连通，所述设有搅拌桨的水解池13中的泥水分离区经设有计量泵12′的管道与所述设有搅拌桨的反硝化池相连通。
采用上述装置对城市污水进行强化生物脱氮处理
1、生物吸附与污泥水解释碳联合强化脱氮工艺的启动
所处理的污水为城市污水处理厂旋流沉砂池出水，由40％的工业废水和60％的生活污水组成，其中COD为120-720mg/L，TN为9-55mg/L，氨氮为8-50mg/L，TP为1-11mg/L。
工艺的启动采用各个功能单元分开单独启动，然后统一调整运行参数。所有单元的接种污泥都取自城市污水处理厂氧化沟二沉池的浓缩活性污泥。由于硝化单元需要培养自养硝化菌，所以首先启动硝化单元，接种污泥浓度为3g/L，在不进水的情况下，曝气三天，然后按HRT(水力停留时间)为6小时进水(旋流沉砂池出水)，出水氨氮浓度稳定后，再调整运行参数。硝化单元启动1周后，开始启动吸附单元，此单元的接种污泥浓度为3g/L，充分曝气，按HRT为0.5小时连续进水，污泥回流比控制在50-100％。接着，实现对反硝化单元的启动，接种污泥浓度为4g/L左右，开启搅拌装置以保证泥水完全混合，反硝化外加碳源起始以甲醇为主，然后在保证外加碳源总量不变的情况下，分阶段地减少甲醇的添加量，增加污泥水解碳源量，对反硝化污泥进行碳源适应性驯化，污泥回流比控制在50-100％。污泥水解池在启动时，首先注满污水处理厂氧化沟二沉池的浓缩活性污泥，并开启搅拌装置以保证污泥的混合，调整pH到11.0，加热至60℃，反应30小时后，开始连续投加剩余污泥，并连续加入定量的碱液，使水解池内的pH控制在11.0。系统的各个单元采用连续排泥，并以各单元内污泥浓度为排泥量的控制指标，即在系统正常运行的条件下，按照一定的流量从各单元的二沉池连续排放剩余污泥，且将吸附池、硝化池、反硝化和污泥水解池的污泥浓度分别控制在2.0-3.0g/L、4.5-5.5g/L、4.0-5.0g/L和8.0-12.0g/L的范围内，当污泥浓度大于此范围时，适当地提高污泥的排放量，相反，当污泥浓度小于此范围时，适当地降低污泥的排放量。
启动试验表明：硝化单元的启动时间较长，启动初期出水氨氮浓度较高，至第20天后，逐渐趋于平稳，出水氨氮浓度能够基本保持在1.0mg/L以下(见图3)，说明硝化污泥较难富集，但富集后，能达到稳定、高效的硝化效果。吸附单元的启动过程时间较短，2-3天后出水COD浓度就能趋于稳定，在进水COD浓度波动较大的情况下，出水COD能够稳定在100-200mg/L，COD去除率达到60％(见图2)。由于污泥热碱水解液为碱性，且成分复杂，含固量高，所以，反硝化单元的启动过程实际上是对反硝化污泥的碳源适应性驯化，通过约一个月的分阶段驯化，系统出水总氮能够基本上稳定在12mg/L(见图4)。活性污泥水解实际上是以物化作用为主的过程，所以水解池的启动时间较短，约通过24小时的水解反应，出水COD浓度就达到稳定，在连续运行模式下，水解池出水中SCOD可以稳定在2000mg/L左右(见图5)。
2、生物吸附与污泥水解释碳联合强化脱氮工艺的运行及运行参数优化
运行条件：在启动成功后，将进水流量调整到工艺的设计处理量(10m3/d)，并根据各个单元的处理功能，测量各单元出水中主要处理指标的含量，进而调整、优化其相关运行参数。即吸附池、硝化池和反硝化池分别以有机物、氨氮和总氮的去除效果，污泥水解池以碳源释放量为评价标准，对各个单元的运行参数进行逐一调整，包括对MLSS、HRT、SRT、DO和碳源投加量等。
运行试验结果表明：通过运行参数的优化，即：吸附池MLSS(混合液悬浮固体浓度)为2.5±0.5g/L，污泥回流比为50-75％；硝化池MLSS为5±0.5g/L，污泥回流比为75-100％；反硝化池MLSS为4.5±0.5g/L，污泥回流比为100％；污泥水解条件：温度60℃，pH为11。水解池运行条件：采用连续进、出水，间歇排泥，进泥MLSS为6±1g/L，池内MLSS控制在10.0±2g/L，HRT为24.0小时。
系统在设计处理量下，即总HRT为8.5h(不含沉淀池)：吸附池0.5小时，硝化池4.5小时，反硝化池3.0小时和强化曝气池0.5小时，平均出水COD、氨氮、总氮和总磷可以分别达到48.2mg/L、0.61mg/L、12.86mg/L和0.98mg/L，且由于中试条件下，沉淀池出水SS含量较高(25.5mg/L)，通过后续深化处理，出水指标还可以进一步优化。同时，将系统剩余污泥水解后用于反硝化的外加碳源，可明显地减少系统的排泥量。
Claims (1)
1.一种污水强化生物脱氮装置，由碳源吸附单元、硝化单元、反硝化单元和污泥水解单元组成；其中，所述碳源吸附单元包括设有曝气设备的吸附池（1）、第一沉淀池（2）、隔膜泵（9）和第一回流泵（8），所述硝化单元包括设有曝气设备的硝化池（3）、第二沉淀池（4）和第二回流泵（8＇），所述反硝化单元包括设有搅拌桨的反硝化池（5）、强化曝气池（6）、第三沉淀池（7）和第三回流泵（8″），所述污泥水解单元包括设有搅拌桨的水解池（13）、碱储存罐（11）和第一计量泵（12），所述设有搅拌桨的水解池（13）内设置有泥水分离区；所述设有曝气设备的吸附池（1）、第一沉淀池（2）、设有曝气设备的硝化池（3）、第二沉淀池（4）、设有搅拌桨的反硝化池（5）、强化曝气池（6）、第三沉淀池（7）通过管道依次串联；所述第一沉淀池（2）底部设有经第一回流泵（8）连接所述设有曝气设备的吸附池（1）的污泥回流管和连接所述设有搅拌桨的水解池（13）的污泥排泥管；所述第二沉淀池（4）底部设有经第二回流泵（8＇）连接所述设有曝气设备的硝化池（3）的硝化污泥回流管和连接所述设有搅拌桨的水解池（13）的硝化污泥排泥管；所述第三沉淀池（7）底部设有经第三回流泵（8″）连接所述设有搅拌桨的反硝化池（5）的反硝化污泥回流管和连接所述设有搅拌桨的水解池（13）的反硝化污泥排泥管；所述碱储存罐（11）经设有第一计量泵（12）的管道与设有搅拌桨的水解池（13）相连通，所述设有搅拌桨的水解池（13）中的泥水分离区经设有第二计量泵（12＇）的管道与所述设有搅拌桨的反硝化池（5）相连通。
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