CN103112999B

CN103112999B - 一种连续流城市生活污水再生方法

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Publication number: CN103112999B
Application number: CN201310058990.XA
Authority: CN
Inventors: 李冬; 王斌; 吴迪; 梁瑜海; 高伟楠; 李德祥; 杨胤; 何永平; 门绚; 曾辉平; 张�杰
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-04-30
Anticipated expiration: 2033-02-25
Also published as: CN103112999A

Abstract

一种连续流城市生活污水再生方法属于水环境恢复技术领域，具体涉及一种连续流城市生活污水再生方法。鉴于传统同步脱氮除磷工艺，存在脱氮除磷争夺碳源，碳源严重不足，脱氮菌与除磷菌泥龄、溶解氧需求差异大，生活污水碱度不足，脱氮除磷效果难以同时兼顾等问题，从工艺流程的整体统筹，优化各处理单元的任务，通过厌氧-好氧工艺除磷除有机物、多级完全混合式亚硝化工艺将氨氮部分氧化为亚硝酸盐氮、上向流厌氧氨氧化生物滤池自养脱氮，实现污水的高效低碳处理及再生，出水COD小于45mg/L，BOD小于10mg/L，TP小于0.4mg/L，TN小于10mg/L，可达到国家一级A标准。

Description

一种连续流城市生活污水再生方法

技术领域

本发明属于水环境恢复技术领域，具体涉及一种连续流城市生活污水再生方法。

背景技术

污水处理达标排放是缓解水环境危机的重要手段。国家颁布了《城镇污水处理厂污染物排放标准》，要求出水达到一级A，其中COD小于50mg/L，BOD小于10mg/L，TN小于15mg/L，TP小于0.5mg/L，对于营养元素的控制尤为严格。我国污水处理厂目前采用的工艺，大多基于传统脱氮除磷理论，存在固有缺欠，难以实现一级A标准处理排放。

首先，生活污水属于低碳氮比污水，对于脱氮除磷，碳源严重不足，由于反硝化脱氮和生物除磷都需要消耗碳源，存在碳源的争夺问题，往往需要人工投加有机碳源甲醇，增加运行费用，并且有机碳源最终转化为二氧化碳，这种温室气体又造成了二次污染。其次，除磷菌与脱氮菌在泥龄方面存在较大差异，除磷菌为短泥龄菌，污泥龄4-7d为宜，脱氮菌为长泥龄菌，污泥龄在20-30d为宜，传统工艺由于是同一反应器内实现脱氮除磷，不能同时兼顾脱氮及除磷效果。再次，生活污水碱度相对于氨氮含量不足，要想取得良好的硝化效果，需人工投加碱度；全程硝化溶解氧消耗量高，动力费用大。最后，传统工艺脱氮以硝化液回流至前置缺氧段提高脱氮效率，动力费用高，以400%回流比为限，理论上最大总氮去除难以实现一级A标准的总氮小于15mg/L，且硝酸盐对厌氧释磷产生抑制，影响除磷效果，除磷难以达到一级A标准中的TP小于0.5mg/L。

目前，已有的二级污水处理工艺改造工程，几乎都是在二级处理流程的基础上，补充深度处理工艺。即习惯性的将污水深度处理分级考虑，然后简单机械的组合起来，实现污水深度处理。工程实际运行表明，这样的升级改造不仅能耗、物耗大量浪费，而且处理效果也不甚理想。其根本原因就是各单元构筑物在相应的处理流程中所肩负的污染物的去除种类和负荷存在不合理、不经济甚或错误之处。因此，污水处理厂的升级改造工作应该从工艺流程的整体统筹考虑，明确和调整各处理单元的任务并优化其相应的有机负荷。从工艺技术来看，应结合污水处理厂现有的工艺流程和场地情况研发工艺简洁、易操作运行和维护的污水深度处理关键技术，实现排放水稳定高效达到一级A排放标准；从经济运行来看，应尽量减少曝气和药剂投加的能耗和物耗，实现低碳经济。

既然N、P不可能在一个反应器内同时深度去除，那么就应该在不同的反应器中分步实现。生物除磷由于不投加药剂，可以节省大量运行费用，而且在生物除磷的同时又可以去除有机物，因此可以强化生物除磷单元，实现磷和有机物的深度去除，这也完全符合低碳经济的目标。由于在生物除磷的同时也去除了大量有机物，在不投加碳源的前提下，脱氮单元的工艺就应该采用以自养脱氮工艺为核心的一系列脱氮工艺。20世纪90年代发现的厌氧氨氧化（ANAMMOX）现象为这一设想提供了可能性，为最终低碳高效处理生活污水提供了新的思路。

连续流污水再生方法，通过以厌氧-好氧除磷除有机物，后续自养脱氮工艺，实现城市生活污水的低碳、高效去除，具有处理负荷高，处理效果好，无需外加有机及无机碳源，耗氧量及回流量低，动力费用小等优点。

连续流污水再生方法对A/O工艺提出了新的要求。由于后续自养脱氮单元，除生物同化作用少量吸收一部分磷素，基本无除磷功能，除磷完全依赖于A/O工艺，A/O除磷效果应达到或接近一级A水平。自养脱氮工艺不能同时耐受高COD与低氮素基质，A/O需在最大程度去除有机物的前提下，尽量多的保留水体中的氨氮，使之不转化，低损失。但传统A/O除磷工艺运行时，并不针对氮素进行调控，往往氨氮损失超过50%，总氮损失超过40%，这对后续自养脱氮工艺极为不利，且反硝化的大量存在与厌氧区聚磷菌释磷争夺碳源，降低了除磷效率，一般传统A/O工艺运行时，除磷率维持在80%左右，难以进一步提高。鉴于此，在传统厌氧-好氧除磷工艺的基础上，亟需提出高效除磷、低氮素损失的新型A/O除磷工艺运行参数。

自养脱氮由亚硝化工艺及厌氧氨氧化工艺组成。厌氧氨氧化是在厌氧条件下，自养菌将氨氮与亚硝酸盐氮按1:1.3反应生成氮气，并伴随少量硝酸盐氮产生。主要存在稳定比例进水难以获得以及出水少量硝酸盐氮难以去除等问题。

亚硝化，作为厌氧氨氧化的前置工艺，将氨氮部分氧化为亚硝酸盐氮，使得亚硝酸盐氮与氨氮比例约为1.31，以满足厌氧氨氧化需求。目前，多数亚硝化工艺采用SBR方式，这对于连续流工艺极为不便。恒流搅拌反应器CSTR虽为连续流，但只能实现溶解氧的单一控制，不能形成溶解氧梯度。亚硝化过程中，主要通过不同梯度溶解氧，氧化氨氮为亚硝酸盐氮，抑制其进一步氧化为硝酸盐氮。采用CSTR实现的亚硝化工艺，出水亚硝酸盐氮与氨氮比例仅能达到1左右，达不到1.31，不能满足厌氧氨氧化的需求，且长期运行容易转向全程硝化，失去亚硝化效果。多级完全混合式亚硝化工艺，即将多个CSTR进行串联，继承了CSTR完全混合及连续流的优点，并可实现分级控制溶解氧，形成溶解氧梯度，保持了亚硝化效果的稳定性，出水比例也能达到1.31，满足厌氧氨氧化的需求。

研究表明，在一定COD范围内，反硝化菌群能与厌氧氨氧化菌群共生。反硝化菌消耗水体中有机碳源，为厌氧氨氧化菌提供良好环境，厌氧氨氧化产生的硝酸盐可作为反硝化菌的底物，供其生长。反硝化与厌氧氨氧化耦合，既提高了厌氧氨氧化对于有机物的抵抗能力，又能减少厌氧氨氧化副产物硝酸盐氮的浓度，是理想的处理形式。研究表明，生物滤池可实现反硝化-厌氧氨氧化耦合。因厌氧氨氧化过程产生氮气，为保证气体顺利排除，应采用上向流。

本方法以厌氧-好氧工艺深度除磷除有机物，多级CSTR亚硝化给厌氧氨氧化生物滤池提供合适比例进水以实现自养脱氮的氮磷分步去除，是污水处理的理想选择。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续流城市生活污水再生方法，在14-25℃，通过厌氧-好氧工艺除磷除有机物、多级完全混合式亚硝化工艺将氨氮部分氧化为亚硝酸盐氮、上向流厌氧氨氧化生物滤池脱氮，实现污水的高效、低碳处理及再生，其特征是：

1)生活污水进入厌氧-好氧工艺，控制进水有机负荷为0.8-1.2kgCOD/m³/d，污泥浓度为2.5-3.5g/L，污泥龄为4-6d，水力停留时间为4.2-7.5h，厌氧区与好氧区停留时间比为1:3-1:4，好氧区按体积比1:1:1分三个溶解氧梯度，分别为1.50-1.60、0.70-0.80、0.40-0.50mg/L，沉淀池污泥回流至厌氧区，污泥回流比30-60%；实现总磷去除率大于90%，COD去除率大于80%，总氮去除17-23%，氨氮去除12-16%，亚硝酸盐氮与硝酸盐氮出水小于0.5mg/L，出水悬浮物浓度为10-20mg/L；

2)厌氧-好氧工艺出水进入多级完全混合式亚硝化工艺，控制进水总氮负荷为0.3-0.6kgN/m³/d，污泥浓度为2.2-2.8mg/L，污泥龄为25-30d，水力停留时间为2.5-4.0h，反应器按体积比1:1:1:1分为四个溶解氧梯度，分别为0.50-0.70、0.10-0.20、0.40-0.50、0.15-0.25mg/L，沉淀池污泥回流至第一个溶解氧梯度区，污泥回流比20-35%；实现氨氮氧化率为58-63%，出水亚硝酸盐氮与氨氮物质的量比值为1.28-1.33，亚硝化率即反应生成的亚硝酸盐氮与生成的亚硝酸盐氮与硝酸盐氮之和的比值大于90%，出水硝酸盐氮小于4mg/L，总氮损失3-5mg/L，出水悬浮物浓度为15-25mg/L；

3)多级完全混合式亚硝化工艺出水进入上向流厌氧氨氧化生物滤池，采用火山岩填料，粒径自下而上按体积比1:1:1分别为8-10、6-8、4-6mm，填充比30-50%，控制进水总氮负荷为0.8-2.0kgN/m³/d，水力停留时间为0.2-0.6h，断面滤速0.5-2m/h；，消耗的亚硝酸盐氮与氨氮物质的量比值平均为1.28，生成的硝氮与消耗的氨氮物质的量比值平均为0.21，实现总氮去除率大于88%，出水总氮小于10mg/L，氨氮小于1.0mg/L，亚硝酸盐氮小于2mg/L，硝酸盐氮小于7mg/L，COD小于45mg/L，BOD小于10mg/L，TP小于0.4mg/L，出水悬浮物浓度小于7mg/L，实现一级A标准。

与现有生活污水处理工艺相比，具有以下优点：

1)生活污水属于低碳氮比污水，对于脱氮除磷碳源严重不足，本发明通过厌氧-好氧工艺除磷，自养工艺脱氮，解决了传统工艺中反硝化与释磷争夺有机碳源的矛盾；

2)聚磷菌与脱氮细菌泥龄不同，同一反应器内难以兼顾，本发明通过除磷、脱氮分步去除，解决了传统工艺中除磷与脱氮效果难以同时兼顾的矛盾；

3)生活污水碱度对于处理氨氮相对不足，本发明通过半亚硝化工艺，碱度消耗仅为传统工艺的一般，无需外加碱度；

4)生活污水处理中，曝气动力费用占较大比例，本发明通过半亚硝化工艺，曝气量仅为传统工艺的70%，节约动力费用；

5)通过对厌氧-好氧工艺优化，实现了无硝化除磷，解除了传统工艺中硝酸盐对除磷的抑制，实现深度除磷，除磷效率高达90%以上；

6)通过厌氧氨氧化耦合反硝化，进一步降低了出水的COD浓度及厌氧氨氧化过程中产生的硝酸盐，总氮去除率大于88%，且滤池对总磷有0.1mg/L左右去除；

7)通过本发明方法处理的生活污水，出水COD小于45mg/L，BOD小于10mg/L，TP小于0.4mg/L，TN小于10mg/L，可达到国家一级A标准，甚至达到北京市地方标准一级标准；

8)实现了连续流条件下的生活污水高效、低碳再生处理。

附图说明

图1污水再生方法示意图

图2厌氧-好氧除磷工艺示意图

其中，①进水水泵②搅拌机③曝气盘④气体流量计⑤空压机⑥在线溶解氧仪⑦沉淀池⑧污泥回流泵

图3多级完全混合式亚硝化工艺示意图

图4厌氧氨氧化生物滤池示意图

其中，①进水水泵⑨粒径8-10mm火山岩滤料⑩粒径6-8mm火山岩滤料(11)粒径4-6mm火山岩滤料

图5厌氧-好氧除磷处理效果

其中，R表示去除率，inf表示进水，eff表示出水。

图6多级完全混合式亚硝化工艺处理效果

其中，inf表示进水，eff表示出水，AR表示氨氧化率，即反应中消耗的氨氮占进水氨氮百分比，NR表示亚硝化率，即反应中生成的亚硝酸盐氮占生成的亚硝酸盐氮和硝酸盐氮之和的百分比。

图7厌氧氨氧化生物滤池处理效果

其中，R表示去除率，inf表示进水，eff表示出水。

具体实施方式

试验用水采用北京市某小区化粪池出水，水温20-22℃，原水COD为290.0-313.0mg/L，氨氮为54.5-64.2mg/L，总氮为59-72mg/L，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮小于0.2mg/L，TP为5.92-7.81mg/L。

厌氧-好氧工艺反应器长×宽×高为2m×0.6m×1m，有效容积为1.08m³，分为厌氧区和好氧区，两者间以穿孔挡板隔开，容积比为1:3.5，厌氧区设置搅拌机2，好氧区分为三段，采用曝气盘3曝气，空压机5供气，气体流量计4调节曝气量，在线溶解氧仪6测定溶解氧，沉淀池7为竖流式，直径为0.5m，中心管高度为0.95m，有效容积为0.2m³，采用中心进水，周边出水。多级完全混合式亚硝化工艺反应器长×宽×高为1.6m×0.45m×0.7m，有效容积0.5m³，反应器分为四段，各段设置搅拌机2，采用曝气盘3曝气，空压机5供气，气体流量计调节曝气量，在线溶解氧仪6测定溶解氧，沉淀池为竖流式，直径为0.5m，有效容积0.1m³，采用中心进水，周边出水。厌氧氨氧化生物滤池有效容积0.15m³，直径0.25m，高1.0m，采用火山岩填料，填料粒径自下而上按体积比1:1:1分别为8-10、6-8、4-6mm，填充比50%。

生活污水进入厌氧-好氧工艺，控制进水有机负荷为1.2kgCOD/m³/d，污泥浓度为3.0g/L，污泥龄为4-6d，水力停留时间为6h，厌氧区与好氧区停留时间比为1:3.5，好氧区按体积比1:1:1分三个溶解氧梯度，分别为1.50、0.80、0.50mg/L，污泥回流比45-50%；如图5所示，反应器稳定后的60d处理效果，出水总磷平均为0.48mg/L，总磷去除率平均为92.97%，出水COD平均为52.38mg/L，COD去除率平均为82.63%，总氮去除19.5%，氨氮去除13.64%，亚硝酸盐氮与硝酸盐氮出水小于0.45mg/L，出水悬浮物浓度平均为14.3mg/L；

厌氧-好氧工艺出水进入多级完全混合式亚硝化工艺，控制进水总氮负荷为0.4kgN/m³/d，污泥浓度为2.5mg/L，污泥龄为25-30d，水力停留时间为2.8h，好氧区按体积比1:1:1:1分为四个溶解氧梯度，分别为0.6、0.15、0.45、0.20mg/L，污泥回流比25-30%；如图6所示，反应器稳定后的60d处理效果，氨氮氧化率平均为60.9%，出水亚硝酸盐氮与氨氮比值为1.28-1.32，亚硝化率即反应生成的亚硝酸盐氮与生成的亚硝酸盐氮与硝酸盐氮之和的比值平均为93.3%，出水硝酸盐氮平均为2.04mg/L，总氮损失平均为3.38mg/L，出水悬浮物浓度为15.5mg/L；

多级完全混合式亚硝化工艺出水进入上向流厌氧氨氧化生物滤池，控制进水总氮负荷为1.44kgN/m³/d，水力停留时间为0.8h，断面滤速0.9m/h；如图7所示，反应器稳定后的60d处理效果，消耗的亚硝酸盐氮与氨氮的比值平均为1.28，生成的硝氮与消耗的氨氮比值平均为0.21，总氮去除率平均为90.1%，出水总氮平均为8.6mg/L，氨氮平均为0.91mg/L，亚硝酸盐氮平均为1.66mg/L，硝酸盐氮平均为6.02mg/L，COD平均为41.8mg/L，BOD平均为8.33mg/L，TP平均为0.38mg/L，出水悬浮物浓度平均为5.77mg/L，可达到一级A标准。

Claims

1.一种连续流城市生活污水再生方法，其特征在于：在14-25℃，通过厌氧-好氧工艺除磷除有机物、多级完全混合式亚硝化工艺将氨氮部分氧化为亚硝酸盐氮、上向流厌氧氨氧化生物滤池脱氮；

1)生活污水进入厌氧-好氧工艺，控制进水有机负荷为0.8-1.2kgCOD/（m³·d），污泥浓度为2.5-3.5g/L，污泥龄为4-6d，水力停留时间为4.2-7.5h，厌氧区与好氧区停留时间比为1:3-1:4，好氧区按体积比1:1:1分三个溶解氧梯度，分别为1.50-1.60、0.70-0.80、0.40-0.50mg/L，沉淀池污泥回流至厌氧区，污泥回流比30-60%；实现总磷去除率大于90%，COD去除率大于80%，总氮去除17-23%，氨氮去除12-16%，亚硝酸盐氮与硝酸盐氮出水小于0.5mg/L，出水悬浮物浓度为10-20mg/L；

2)厌氧-好氧工艺出水进入多级完全混合式亚硝化工艺，控制进水总氮负荷为0.3-0.6kgN/（m³·d），污泥浓度为2.2-2.8mg/L，污泥龄为25-30d，水力停留时间为2.5-4.0h，反应器按体积比1:1:1:1分为四个溶解氧梯度，分别为0.50-0.70、0.10-0.20、0.40-0.50、0.15-0.25mg/L，沉淀池污泥回流至第一个溶解氧梯度区，污泥回流比20-35%；实现氨氮氧化率为58-63%，出水亚硝酸盐氮与氨氮比值为1.28-1.33，亚硝化率即反应生成的亚硝酸盐氮与生成的亚硝酸盐氮与硝酸盐氮之和的比值大于90%，出水硝酸盐氮小于4mg/L，总氮损失3-5mg/L，出水悬浮物浓度为15-25mg/L；

3)多级完全混合式亚硝化工艺出水进入上向流厌氧氨氧化生物滤池，采用火山岩填料，粒径自下而上按体积比1:1:1分别为8-10、6-8、4-6mm，填充比40-60%，控制进水总氮负荷为0.8-2.0kgN/（m³·d），水力停留时间为0.2-0.6h，断面滤速0.5-2m/h；消耗的亚硝酸盐氮与氨氮的比值平均为1.28，生成的硝氮与消耗的氨氮比值平均为0.21，实现总氮去除率大于88%，出水总氮小于10mg/L，氨氮小于1.0mg/L，亚硝酸盐氮小于2mg/L，硝酸盐氮小于7mg/L，COD小于45mg/L，BOD小于10mg/L，TP小于0.4mg/L，出水悬浮物浓度小于7mg/L，实现一级A标准。