CN103204607B - 一种高效低耗污水处理一体化装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

一种高效低耗污水处理一体化装置及处理方法，属于污水处理领域。包括依次连接的预处理单元、多氧化还原环境耦合生物反应池单元和深度处理单元；多氧化还原环境耦合生物反应池单元采用三级缺氧-好氧交替反应池，内填圆形复合琉璃球多孔微生物载体，深度处理单元包括滤布过滤动态膜生物反应池和一级、二级动态膜，污水依次经过上述装置进行处理。本发明不仅能去除含碳有机物，并具有良好的脱氮除磷能力。

Description

一种高效低耗污水处理一体化装置及处理方法

技术领域

本发明涉及一种污水预处理+生物处理+深度处理的高效低耗污水处理一体化装置和处理方法，属于污水处理领域。

背景技术

当前，伴随经济的快速发展，我国小城镇建设及城市周边新建小区发展迅速，这些地区随着人口的增加，生活污水的总量也不断增加，从而造成城市周边地区、小城镇、农村及边远地区自然水体的较严重污染，特别是近几年来，日益增加的污水未经处理直接排入水体，加重了水环境的严重污染，很大原因是由于污染源分散，污水不能及时进行处理而成的。对于这些地区，污水规模一般每天几千立方米甚至几百立方米，规模比较小。对于小规模的污水处理设施而言，目前普遍存在盲目套用大中城市污水处理的设计、建设及运营经验，造成技术不合理、投资浪费以及运行管理麻烦等问题。因此，针对小规模污水处理而言，设计投资省、运行成本低、方便管理的一体化小型污水处理设施及工艺，显得尤为重要。

目前我国城市污水处理（包括深度处理）普遍采用的工艺流程：粗格栅+提升泵站+细格栅+沉砂池+初沉池+生物处理单元+二沉池+中间提升泵站+混凝+沉淀+过滤+消毒工艺，其中生物处理单元采用A²/O工艺居多，工艺流程长，投资成本高，并且在建设运行过程中，面临污泥产量大、氮磷去除效率不高、处理成本高、管理操作麻烦等问题，不适宜小型污水处理。

目前传统活性污泥法剩余活性污泥的产率约为1.0-1.5kgDS/kgBOD₅，污泥处理及最终处置，需要大量的基建投资和高昂的运行费用。目前有90％以上的污泥得不到及时有效的处理、处置，从而导致污泥的二次污染，污泥减量化技术得到日益重视，污泥减量化是指通过物理、化学、生物等手段使整个污水处理系统向外排放的生物固体量减少到最小。从工艺运行的情况看，污水处理厂总氮的去除效果普遍不佳，尤其是低碳氮比的城市污水，因此从提高污水处理效果和污泥减量技术方面，迫切需要开展城市污水生物脱氮与污泥减量工艺技术研究。

污水深度处理大多采用混凝沉淀过滤消毒工艺及其变形工艺，过滤较多采用石英砂过滤方式，但石英砂过滤存在过滤水头损失大、操作繁琐、占地面积大等缺点，对小型污水处理设施不适用，膜过滤由于膜组件投资及运行费用高而限制了其发展。滤布过滤工艺是一种深度处理或中水回用处理的先进工艺，通常设置于二级生化处理系统之后，用于过滤二沉池出水，对于SS、COD、磷等污染物的进一步去除有很好效果。滤布由天然纤维或合成纤维织成的过滤介质，可以针对不同进出水水质，选择不同滤布规格。这种工艺具有占地面积小、自动反冲洗、操作维护简单、运行灵活、运行费用低等特点，并且水头损失小，池内水头损失一般为0.3m，远小于砂滤池的水头损失(砂滤池水头损失一般为2m)。在污水处理池中滤布取代超滤膜，形成滤布过滤膜生物反应器，具有投资运行费用省、操作简单、负荷高、出水水质好等优点。

针对传统大型的污水处理工艺流程长，投资及运行成本高、操作运行管理麻烦等问题，对于小规模的污水处理设施而言，考虑投资、运行费用及管理水平，污水处理工艺应在水质达标的情况下，尽量简化工艺流程，从而达到降低造价、节省能耗与运行费用、操作管理方便的目的，这已成为我国小规模污水处理的当务之急，具有重要的社会、环境和经济效益。

发明内容

本发明针对现有污水处理工艺存在的污水处理流程长、污泥产量大、氮磷去除效率不高、处理成本高、管理操作麻烦等问题，设计了一种集污水预处理、同步硝化反硝化脱氮（简称SND作用）、污泥原位减量、化学辅助除磷、滤布生物膜过滤等一体污水处理工艺，该工艺具有污泥产量小、脱氮除磷效果好、处理流程简单、运行费用低、投资省、管理方便等优点。该工艺包括预处理单元、生物处理单元（多氧化还原环境耦合生物反应池）和深度处理单元（滤布过滤动态膜生物反应池）。

一种高效低耗污水处理一体化装置，其特征在于，包括依次连接的预处理单元、多氧化还原环境耦合生物反应池单元和深度处理单元；

预处理单元包括格栅和沉砂池，充分利用空间，将格栅置于沉砂池之上，一体化设置，其中格栅采用旋转式格栅，优选栅间隙5mm，截留栅渣并输送出池体，污水中密度较大的泥沙经沉砂池重力沉砂后排出。

多氧化还原环境耦合生物反应池单元采用三级缺氧-好氧交替反应池，内填圆形复合琉璃球多孔微生物载体，构建了污水脱氮与剩余污泥减量相结合的多氧化还原环境原位污泥减量耦合生物反应池，三级缺氧-好氧交替反应池在水流空间上实现交替的缺氧、好氧环境，构成多级氧化还原反应，其中一级缺氧区：一级好氧区：二级缺氧区：二级好氧区：三级缺氧区：三级好氧区的体积比依次为1：1.5：1：2.0：1：2.5，缺氧区与好氧区内圆形复合琉璃球多孔微生物载体的装填体积百分比分别为90%和40%。

圆形复合琉璃球多孔微生物载体，球壳为高分子聚合物注塑而成，球面呈网状，直径8cm，球内填软性纤维束填料，孔隙率大于0.90。本发明的圆形复合琉璃球多孔微生物载体直径由最初的10cm调整为8cm，填料由立方体海绵载体变为软性纤维束，琉璃球在挂膜后，不易沉底，与水体密度更加接近，适量曝气状态下，悬浮于水体中，呈流化状态，达到了填料与水体充分接触。

深度处理单元包括滤布过滤动态膜生物反应池和一级、二级动态膜，动态膜是以滤布材料作为过滤支撑体，污水过滤一段时间后在滤布表面形成的污染层—动态膜。

各缺氧区、好氧区内设置挡板，分隔的两部分底部水力相通，缺氧区与好氧区通过进出水孔洞水力相连。滤布过滤动态膜生物反应池由混凝剂投药管、搅拌桨和两级滤布组成；滤池底设沉泥斗，将沉淀污泥排出。

本发明优选采用两级并联的方式。

在好氧区，填充的球形复合流离球多孔微生物载体由外至内形成了悬浮好氧型、附着好氧型、附着兼氧型、附着厌氧型的微生物系统，构成了复杂的厌氧缺氧好氧多氧化还原微环境，具有良好的SND效果，从而进一步脱氮。因此无论在水流空间，还是在载体微环境中，污水都经历了多氧化还原环境的反复耦合，污染物经载体的有效分离与积累、厌氧分解、低分子化，达到污泥原位消减，同时释放的碳源成为缺氧脱氮的碳源，从而在污泥减量的同时促进生物脱氮。多氧化还原环境耦合生物反应池采用底部微孔管曝气。

深度处理单元采用滤布过滤动态膜生物反应池，替代传统生物处理技术末端二沉池和深度处理的砂滤单元，过滤组件选择廉价的滤布材料来替代膜材料，滤布选用涤纶长丝工业滤布，滤布材料只是作为过滤支撑体，真正起到过滤作用的，是过滤一段时间后在膜表面形成的污染层—动态膜，动态膜是在多孔滤布材料过滤含有无机水合氧化物或高分子物质的液体过程中，由进水中的物质及其污泥混合液在多孔材料表面形成的一层膜，使该单元不仅具有膜生物反应器的功能，而且滤布组件较超滤膜更加经济适用。该单元具有较传统系统基建运行费用低、动态膜膜污染清洗简单、污泥负荷高、占地面积减小、耐负荷冲击能力强等优点。另外，根据不同出水水质要求，选择不同的滤布规格，分离效果远优于传统沉淀池及砂滤等处理单元，出水水质良好稳定，悬浮物和浊度低，出水经消毒处理后，可达到一级A标准或再生水标准，实现污水的就地处理，就地回用。

滤布过滤动态膜生物反应池内投加铝盐或铁盐等混凝剂，经搅拌微絮凝后，经过一级、二级滤布过滤，对于污水中SS、COD、磷等污染物进一步去除。滤布采用槽式安装，提起进行清洗，方便简洁，并且在其中一块滤布清洗时，另一滤布还能起到水质保障作用。

污水处理方法如下：污水经过预处理的格栅过滤，而后进入沉砂池，经沉砂后，进入多氧化还原环境耦合生物反应池单元，缺氧区和好氧区之间依靠池壁孔洞保持水力相连，而后污水进入滤布过滤动态膜生物反应池，投加混凝剂，经搅拌微絮凝后，经一级和二级动态膜过滤后出水。

技术特点

本工艺集污水预处理、生物处理、化学处理与深度处理于一体，对不同浓度污水具有较好的处理效果，不仅能去除含碳有机物，并具有良好的脱氮除磷能力，多氧化还原环境耦合生物反应池实现了同步硝化反硝化（SND），并且通过球形复合流离球多孔微生物载体，高效脱氮与污泥原位减量进行有机耦合，污泥减量效果显著。滤布过滤代替沉淀池和砂滤池，同时具有MBR工艺的优点，但较微滤膜更加经济适用。

该工艺技术优点归纳如下：

1）良好的污水生物脱氮与污泥减量效果。原水先流入缺氧区，由于流离和生物粘附作用，废水中的悬浮物等进入到球形复合式多孔微生物载体内，并被载体内海绵载体捕获，并在载体内累积、发酵，使污泥液化和低分子化，从而使污泥分解、减量，促使污泥原位消减，而分解产生的低分子化有机物，提供了生物脱氮所需的碳源，因而具有良好的脱氮效果；在好氧区，球形复合式多孔微生物载体有外至内形成了复杂微生物系统，有利于世代时间较长的硝化菌的培养和生长。因此多氧化还原环境耦合生物反应池在水流空间和载体微环境中，构成了反复耦合的复杂多氧化还原微环境，实现污水生物脱氮与污泥原位减量。

耦合生物反应池各区依次顺序由原先的好氧、缺氧调整为缺氧、好氧，由于污水首先进入缺氧区，避免了有机碳源的过量消耗，同时将缺氧区与好氧区的体积比依次为1：1.5：1：2.0：1：2.5，在生物处理流程上更加合理的分配碳源，末端的好氧区体积大，则相应的水力停留时间也长，曝气时间也长，使硝化和有机物降解更加充分。通过上述工艺调整，达到了更好的脱氮效果。试验表明，耦合生物反应池ρ(TN)出水小于15mg/L，去除率达到约86%，去除率较工艺调整前（出水ρ(TN)为22.2mg/L，去除率为78.9%）提高了7.1%。

2）型复合流离球多孔微生物载体，球面呈网状，球内立方体块状海绵载体。多孔微生物载体独特内部结构影响了氧的传质，致使载体内部与表面、生物膜内外表面产生ρ(DO)梯度差，在ρ(DO)较高的载体及生物膜表面，硝化菌、好氧菌成为优势菌种，而在填料内部，氧无法到达，形成缺氧环境，形成了以反硝化菌为主的微生物菌种。因此，新型复合流离载体的独特结构为多样的微生物生长提供了适宜的氧化还原微环境。流离球直径由10cm调整为8cm，填料由立方体海绵载体变为软性纤维束，克服了挂膜后载体易沉底的弊端，达到了填料与水体充分接触。

3）环境多样性和生物多样性。多氧化还原环境耦合生物反应池中污水呈推流式，所以浓度是不断地在变化，而且微氧、缺氧和好氧状态的出现，导致生物相变化，形成高度的生物多样性和多样的微生物生态系。在纵向，微生物构成了一个由细菌、真菌、藻类、原生动物、后生动物、微型动物等多个营养级组成的复合生态系统；在横向，沿着液体到载体的方向，构成了一个悬浮好氧型、附着好氧型、附着兼氧型和附着厌氧型的多种不同活动能力、呼吸类型、营养类型的微生物系统。

4）污泥停留时间和污水停留时间可分离。多氧化还原环境耦合生物反应池采用多级缺氧、好氧单元，由于多孔载体的挂膜截留，污水在所定的停留时间内流出，而污泥却被捕获在多孔载体内，污泥停留时间很长，固体物质很容易被液化、低分子化而分解。在滤布动态膜生物反应池过滤单元，滤布的高效截留作用,使微生物完全截留在生物反应器内,实现反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离，运行控制灵活稳定。

5）滤布过滤经济、简洁、高效。滤布过滤动态膜生物反应池替代传统生物处理技术末端二沉池和深度处理的砂滤单元，基建费用低，运行费用省。该单元同时具有膜生物反应器的功能，滤布较微滤膜更加经济适用。该单元具有较传统系统简单、污泥负荷高、占地面积减小、耐负荷冲击能力强等优点，并且根据不同出水水质的要求，选择不同的滤布规格，分离效果远优于传统沉淀池及砂滤等处理单元，出水水质良好稳定，悬浮物和浊度低，能实现就地处理、就地回用，节约水资源。

6）滤布高效过滤截留，利于硝化细菌的截留和繁殖,系统硝化效率高。通过运行方式的改变亦可有脱氨和除磷功能。由于泥龄可以非常长,从而大大提高难降解有机物的降解效率，进一步提高了污泥减量效果。

7）滤布过滤动态膜生物反应池除具有传统MBR的主要优点外，还具有以下优势：①基建费用低：滤布材料的价格远远低于昂贵的膜材料，膜通量较传统的微滤或超滤膜要大，所需膜面积小；②运行费用低:滤布的过滤阻力小，使反应器在较小的水位差下就可以出水；③动态膜膜污染容易去除:当动态膜生长过厚时，可通过反冲洗等简单手段加以去除，减少膜堵塞。

8）该工艺设备具有设置灵活、管理费用低、投资小、处理效果好、适应性广、结构紧凑、运输安装方便、操作简便、性能稳定可靠的特点。

附图说明

图1是本工艺的剖面图。

图2是本发明两级并联的平面图。

图中：1、预处理池，2、缺氧区，3、好氧区，4、缺氧区，5、好氧区，6、缺氧区，7、好氧区，8、滤布过滤动态膜生物反应池，9，滤布（双级），10、格栅，11、排泥沙管，12、球形复合式琉璃球多孔微生物载体，13、微孔曝气头，14、污泥回流管，15、空气泵，16、搅拌桨，17、混凝药剂投加泵，18、沉砂池，19、混凝剂投药管。

具体实施方式

如图1、图2所示，本工艺发明由依次连接在一起的预处理池1、多氧化还原环境耦合生物反应池（2，3，4，5，6，7）、滤布过滤动态膜生物反应池8组成，各部分连接为一个整体。预处理池包括格栅10和沉砂池18组成，两部分一体化设置，沉砂池下部设置沉砂斗，泥砂通过泥砂排水管11排出。多氧化还原环境耦合生物反应池包括缺氧区2、好氧区3、缺氧区4、好氧区6、缺氧区6、好氧区7，缺氧区与好氧区的体积比依次为1：1.5：1：2.0：1：2.5，缺氧区、曝气区填料装填比分别为40%、90%。内填复合式琉璃球多孔微生物载体12，球壳为高分子聚合物注塑而成，球面呈网状，直径8cm，球内填软性纤维束填料，孔隙率大于0.90。各缺氧区、好氧区内设置挡板，分隔的两部分底部水力相通，缺氧区与好氧区通过进出水孔洞水力相连。滤布过滤动态膜生物反应池8由混凝剂投药管19、搅拌桨16和两级滤布9组成。滤池底设沉泥斗，将沉淀污泥排出。

本工艺发明的运行过程如下：

污水有进水管进入预处理池进行预处理，格栅10将污水中较大的悬浮物截留，并输送出工艺装置，密度较大的泥砂等颗粒通过沉砂池18沉淀，沉淀的泥砂通过沉砂斗及泥砂排出管11排出。预处理后的污水同污泥回流管14回流的污泥一起进入多氧化还原环境耦合生物反应池（2，3，4，5，6，7），进行有机物、氮磷去除，池内填充球形复合式琉璃球多孔微生物载体12，在反应池内水流空间以及每个填料载体的微观单元构成了复杂的多氧化还原环境，进行同步硝化反硝化脱氮反应（SND），多孔载体捕获的污泥分解、减量，同时释放的低分子有机物，提供了生物脱氮所需的碳源，因而构成了生物脱氮与污泥减量相耦合的生物反应池。曝气区采用底部的微孔曝气头13进行曝气，使复合式琉璃球多孔微生物载处于硫化状态，具有生物膜和活性污泥的特征。各缺氧区、好氧区中间设置挡板，水流通过挡板底部水力相连，防止出现短流。缺氧区与好氧区之间通过进水孔洞相连，减少水头损失。多氧化还原环境耦合生物反应池（2，3，4，5，6，7）出水通过隔墙孔洞进入滤布过滤动态膜生物反应池8，进行SS、COD以及磷的去除，滤池起端即投加混凝药剂，之后经过搅拌桨16混合反应后，形成的微絮凝絮体进行滤布的一级、二级过滤，滤布实行槽式安装，直接提升进行清洗，简洁方便，清洗时，一级、二级滤布起到出水水质保障作用。滤布过滤动态膜生物反应池具有膜生物反应的优点，同时滤布较微滤膜更加经济适用，滤布过滤后，出水水质良好稳定。污泥通过底部泥斗沉淀后，大部分回流至多氧化还原环境耦合生物反应池前端，剩余污泥排放。

由于污水经历多级氧化还原以及滤布膜的高效截留，本工艺经过试验及工程实践表明，在整个工艺水力停留时间HRT=16h，其中2，3，4，5，6，7的水力停留时间分别为1.28h，1.92h，1.28h，2.56h，1.28h，3.20h，此处的当进水ρ(TN)、ρ(NH₄ ⁺-N)、ρ(COD)分别为80～130mg/L、75～100mg/L、260～400mg/L时，ρ(TN)出水小于15mg/L，ρ(NH₄ ⁺-N)、ρ(COD)出水分别降至2.0mg/L、10mg/L以下，TN、NH₄ ⁺-N、COD平均去除率分别达到约86%、97%、97%。反应器进水ρ(TP)为4.6～6.5mg/L，在反应器末端投加除磷药剂硫酸亚铁（FeSO4），TP去除率为93%，出水ρ(TP)降低为0.45mg/L，出水达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A标准。该工艺的污泥产率仅为0.05kgMLSS/kgCOD，优于其他生物膜工艺，具有良好的污泥减量效果。本发明工艺已应用于小区生活污水处理。

Claims (5)

1.一种高效低耗污水处理一体化装置，其特征在于，包括依次连接的预处理单元、多氧化还原环境耦合生物反应池单元和深度处理单元；

预处理单元包括格栅和沉砂池，充分利用空间，将格栅置于沉砂池之上，一体化设置，其中格栅采用旋转式格栅；

多氧化还原环境耦合生物反应池单元采用三级缺氧-好氧交替反应池，内填圆形复合琉璃球多孔微生物载体，构建了污水脱氮与剩余污泥减量相结合的多氧化还原环境原位污泥减量耦合生物反应池，其中一级缺氧区：一级好氧区：二级缺氧区：二级好氧区：三级缺氧区：三级好氧区的体积比依次为1：1.5：1：2.0：1：2.5，缺氧区和好氧区之间依靠池壁孔洞保持水力相连，缺氧区与好氧区内圆形复合琉璃球多孔微生物载体的装填体积百分比分别为90％和40％；

深度处理单元包括滤布过滤动态膜生物反应池和一级、二级动态膜，动态膜是以滤布材料作为过滤支撑体，污水过滤一段时间后在滤布表面形成的污染层—动态膜。

2.按照权利要求1的一种高效低耗污水处理一体化装置，其特征在于，采用两级并联的方式。

3.按照权利要求1的一种高效低耗污水处理一体化装置，其特征在于，圆形复合琉璃球多孔微生物载体，球壳为高分子聚合物注塑而成，球面呈网状，直径8cm，球内填软性纤维束填料，孔隙率大于0.90。

4.按照权利要求1的一种高效低耗污水处理一体化装置，其特征在于，各缺氧区、好氧区内设置挡板，分隔的两部分底部水力相通，缺氧区与好氧区通过进出水孔洞水力相连；滤布过滤动态膜生物反应池由混凝剂投药管、搅拌桨和两级滤布组成；滤池底设沉泥斗。

5.利用权利要求1-4所述的任一一种高效低耗污水处理一体化装置进行污水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：污水经过预处理的格栅过滤，而后进入沉砂池，经沉砂后，进入多氧化还原环境耦合生物反应池单元，缺氧区和好氧区之间依靠池壁孔洞保持水力相连，而后污水进入滤布过滤动态膜生物反应池，投加混凝剂，经搅拌微絮凝后，经一级和二级动态膜过滤后出水。