CN103304093B

CN103304093B - 一种市政污水深度脱氮除磷的装置及方法

Info

Publication number: CN103304093B
Application number: CN201310193090.6A
Authority: CN
Inventors: 纪树兰; 周明璟; 秦振平
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: ELIONER ECOLOGICAL REMEDIATION CO., LTD.
Priority date: 2013-05-22
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2033-05-22
Also published as: CN103304093A

Abstract

一种市政污水深度脱氮除磷的装置及方法，属于污水处理技术领域。采用SBR与藻类光反应器相耦合，市政污水经过预处理后，进入SBR反应器强化脱氮除磷，随后上清液进入含有藻类的光反应器进一步脱氮除磷，其停留时间与SBR的比例为3:1，藻类反应器的出水经絮凝-超滤-消毒处理即可达到并优于地表水V类标准。该集成工艺系统出水稳定，运行成本低，同时藻类在其生长过程中能够吸收CO₂减低碳排放，并且为生产生物燃料提供原材料，是一种经济环保、可持续循环发展的新型污水处理集成工艺。

Description

一种市政污水深度脱氮除磷的装置及方法

技术领域

本发明涉及污水处理领域，应用SBR（序列间歇式活性污泥法）与藻类反应器耦合系统，深度脱除市政污水中氮磷的一种集成工艺。

背景技术

水资源短缺是我国城市发展过程中普遍遇到的瓶颈问题。城市污水经过处理后的再生利用是解决城市水资源短缺的有效手段。目前再生水已经成为城市的第二大水源,污水的再生利用和资源化具有可观的社会效益、环境效益和经济效益，已经成为世界各国解决水问题的必然选择。

根据国标GB/T18921-2002和《城市污水再生利用技术指南（试行）-2012》中的相关规定，再生水用于景观湖泊补给水时，除了控制水的色度、浊度和总大肠菌群数等常规指标外，还需要严格控制水体中的氮磷含量。由于景观湖泊水体的水力停留时间长，在长时间的光照和水分蒸发等综合条件下，容易引起水体富营养化，即水体中藻类大量繁殖，溶解氧降低，引起鱼类等动物死亡，水质严重恶化。现阶段城市污水制备再生水的主要工艺流程是将城市污水初沉过滤后，应用活性污泥法去除水体中的有机污染物及氮磷等营养物，再经过二次沉淀、介质过滤、超滤膜过滤等工艺达到再生水回用标准。污水处理厂现阶段应用的活性污泥处理工艺主要有氧化沟、A²/O、A/O、SBR、UCT、MUCT、JHB和Bardenpho系列等。但是应用上述工艺处理后的污水氮磷含量往往高于地表水V类标准（氮含量≤2.0mg/L，磷含量≤0.4mg/L），如果应用于景观用水的补给水，还需要进一步的深度处理。一般情况下，水中的氮磷大都以离子形态存在于废水中，目前常用的深度处理工艺是应用反渗透膜去除水体中残余的氮磷，操作和运行成本较高，维护费用大。而应用化学药剂除磷不但成本高，还会造成二次污染，不宜大量使用。

而藻类在光合作用下可以吸收水中的氮磷等无机物，同时固定空气中的CO₂合成自身物质。天然水体中氮磷含量超标，引起藻类自身大量繁殖，容易导致水体富营养化。如果把藻类控制在有限容器内生长，经藻类生长后的水则很难再次发生水华。应用藻类处理废水是一种经济有效的方法，具有很好的应用前景。因此有必要建立一种应用藻类对市政污水进行深度处理的工艺，并优化操作条件和参数，使污水达到相关排放标准。同时藻类在生长过程中吸收CO₂，降低碳排放。收集的藻类菌体还可用于提取生物燃料或者厌氧发酵生产燃气，环境效益及经济效益明显。

发明内容

本发明是针对现有市政污水深度处理工艺投资大，运行费用高等缺点，提供一种应用藻类对市政污水进行深度处理的集成工艺，使出水水质达到并优于地表水V类标准。本工艺运行成本低，在处理污水的同时能够减低碳排放并为生产生物燃料提供原材料，是一种经济环保、可持续发展的新型集成工艺技术。

本发明方法的工艺路线是：市政污水经过格栅-沉砂池-调节池的预处理后，进入SBR反应器经活性污泥处理，随后上清液进入培养有藻类的光反应器，停留特定时间后，再经絮凝-超滤-消毒处理即可达标排放。

本发明市政污水深度脱氮除磷的装置，其特征在于，SBR与藻类反应器耦合，包括格栅、沉砂池、调节池、SBR单元、光反应器单元和膜过滤单元，沉砂池（2）依次和调节池（3）、SBR单元（4）连接，SBR单元（4）通过第一沉淀池（5a）和泵与光反应器单元（6）连接，光反应器单元（6）通过第一管道混合器（8a）与第二沉淀池（5b）连接，第二沉淀池（5b）通过泵与膜过滤单元（9）连接，第一管道混合器（8a）还与絮凝剂池（7）连接；光反应器的材料为可透光材料，内置荧光灯或发光二极管（12）作为补充光源，光照强度为4000～8000lx；光反应器采用上进水、下出水的运行方式，光反应器的底部设有曝气装置，可以使用空气或者电厂废气（二氧化碳含量1～30%）进行曝光；光反应器内含有土生藻类；第二沉淀池（5b）的下端与光反应器连接。

光反应器直径为15～20cm，高150～200cm，多个光反应器以阵列式排列，即多个光反应器采用串联、并联或混联的方式组合进行水处理。

采用上述装置进行污水处理的方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）污水经过格栅（图1中1）-沉砂池（图1中2）-调节池（图1中3）的预处理后，进入SBR处理，SBR应用的是强化除磷SBR工艺，按流程分别包括进水、厌氧搅拌（80～100min）、好氧曝气（4～5h）、沉降（10～20min）、排水和闲置六步骤，其中厌氧搅拌80～100min、好氧曝气4～5h、沉降10～20min，经SBR排出的水经过第一沉降池沉淀，上清液进入光反应器进一步处理；

（2）第一沉降池上清液进入光反应器处理进一步处理之前，将藻类菌种投放到光反应器中，持续光照曝气15天，使藻类富集并成功在光反应器内表面挂膜；挂膜后即可进入连续处理阶段，光反应器进水后持续光照或者交替光照，同时曝气进行处理，处理水的停留时间为14～18h；处理后污水从光反应器下部出口排放，同时经过管道混合器（8a）与絮凝剂混合絮凝后进入第二沉淀池（5b）沉降，第二沉淀池（5b）上清液进入膜过滤单元（9）去除悬浮物，经第二沉淀池（5b）絮凝的藻类菌体部分返回光反应器（6）增加藻类菌体量，一部分进入过滤设备脱除水分，进行厌氧发酵生产甲烷燃气或者生产生物柴油；

（3）经膜过滤的出水经消毒后即可达标排放。

应用SBR对市政污水进行处理的工艺比较成熟，其自动化控制程度高，本发明市政出水水质参数平均值如表1所示，处理过程能够稳定运行。

表1SBR出水水质特征

膜过滤单元采用批式过滤工艺，用超滤膜去除水体中的悬浮物，其处理工艺较为成熟。本发明中所用膜优选截留分子量为50,000道尔顿，材质为PES（聚醚砜），工作压力为0.3～0.5MPa。同时包含反洗和除垢系统。经膜过滤的出水经消毒后即可达标排放。过滤间歇期间对膜单元进行反洗，反洗时间为过滤时间的1/10～1/15，结合处理量，每月对膜进行化学清洗。

沉降池的作用是沉降水体中的固体悬浮物。根据活性污泥与藻类各自的比生长速率，确定SBR系统的水力停留时间与光反应器的水力停留时间之比为1:3，以达到较优化的处理效果。

SBR为自动化控制，为智能SBR控制器，活性污泥为经过SBR系统运行1～3个月驯化成熟的活性污泥，污泥的SVI₃₀为30～40mL/g，MLSS为4.0～4.5g/L，好氧曝气阶段控制溶氧在3～5mg/L。

光反应器的材料为有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯）等可透光材料，反应器直径为15～20cm，高150～200cm；内置荧光灯或发光二极管作为补充光源，光照强度为4000～8000lx，波长范围为400～500nm或者600～700nm。

光反应器中的土生藻类包括但不限于绿藻（如颤藻、小球藻等）或者硅藻中的两种或者三种及以上的组合，也可是河道中常见的其它藻类。

絮凝剂指聚合氯化铁、聚合硫酸铁、聚合磷酸铁、聚合硫酸铝、聚合氯化铝、聚合磷酸铝之一；絮凝剂添加量为10-30mg/L。优选铁盐类的絮凝剂，可为藻类提供生长必需的铁元素。

膜过滤单元中的过滤膜为中空纤维膜，依照膜材料、截留分子量和处理负荷可以通过国内一般膜公司加工订购。膜过滤单元还包括反洗系统，反洗剂主要指次氯酸盐；

消毒所用消毒剂主要指次氯酸盐、次氯酸、氯、双氧水或臭氧。

通过以上方法，逐级降低水中的污染物，特别是对氮磷元素有很好的去除。SBR单元能够去除84.21%的COD、95%的氨氮及75%的磷元素；光反应器能够去除5.26%的COD、5%的氨氮及22%的磷元素；膜单元能够去除10.53%的COD和1%的磷元素。系统出水COD均值达到15mg/L以下，总磷含量低于0.1mg/L，氨氮去除率接近100%，总磷去除率达到97%。氮磷含量远远低于地表水V类标准（氮含量≤2.0mg/L，磷含量≤0.4mg/L），排放后极大的减低了水体富营养化的可能性，是一种经济环保、易于放大的水处理方法。

附图说明

图1为SBR与藻类耦合处理市政污水工艺流程图。其中1格栅，2沉砂池，3中和池，4SBR，5a-b沉淀池，6光反应器，7絮凝剂池，8a-b-c管道混合器，9超滤膜，10产水池，11a-b搅拌器，12辅助日光灯系统：荧光灯或发光二极管。

具体实施方式

下面结合实例进一步说明本发明的具体实施方式，但本发明保护不限于下述实施方式及其组合。

深度脱氮除磷的装置，包括格栅1、沉砂池2、调节池3、SBR单元4、光反应器单元6和膜过滤单元9，沉砂池依次和调节池、SBR单元连接，SBR单元通过第一沉淀池5a和泵与光反应器单元连接，光反应器单元通过第一管道混合器8a与第二沉淀池5b连接，第二沉淀池5b通过泵与膜过滤单元连接，第一管道混合器8a还与絮凝剂池7连接；光反应器的材料为可透光材料，反应器直径为15～20cm，高150～200cm，内置荧光灯或发光二极管12作为补充光源，光照强度为4000～8000lx；光反应器采用上进水、下出水的运行方式，光反应器的底部设有曝气装置，可以使用空气或者电厂废气（二氧化碳含量1～30%）进行曝光；光反应器内含有土生藻类。在SBR单元4和絮凝剂池7中还设有搅拌器11a和11b，膜过滤单元的出水进入产水池10，在产水池和第二沉淀池水出口之间还有第二管道混合器8b，在产水池与第三管道混合器8c连接，第二管道混合器8b与第三管道混合器8c均可以投加消毒剂，膜过滤单元的部分水返回到第二沉淀池。实施实例1

（1）以每日100吨的生活污水处理量计算处理工艺，按本SBR的流程时间，则SBR的有效容积为25m³，与之相匹配的微藻光反应器总有效容积为75m³。按每支反应器直径20cm，高200cm计算，需要光反应器1200支，其总空气流量为200m³/h。

（2）市政污水经过格栅-沉砂池-调节池的预处理后，进入SBR反应器，每流程周期包括进水、厌氧搅拌（90min）、好氧曝气（240min）、沉降（10min）、排水和闲置（共6h）。控制反应器中的水体pH为6.0～7.5，温度为15～25℃，好氧阶段的溶氧为3mg/L，污泥的SVI₃₀为38mL/g，MLSS为4.2g/L。经SBR排出的二级出水经过沉淀，上清液进入光反应器进一步处理。

（3）光反应器以阵列式排列，将本地水体中的土生藻类，主要包含颤藻、小球藻等绿藻或者硅藻中的两种或者三种及其组合，投放到反应器中，持续光照曝气15天，使藻类富集并成功在反应器表面挂膜。挂膜后采用24h连续照明的方式进行SBR出水的处理。采用空气曝气，反应停留的时间为18h。排出后与聚合氯化铁溶液混合絮凝（添加量为5mg/L），在沉淀池5b中沉淀，沉淀的藻体回流至光反应器（回流比为1:2），一部分排出经板框过滤机脱除水分。上清液进入膜过滤系统。

（4）膜过滤单元

膜过滤单元采用批式过滤工艺，用超滤膜来去除水体中的悬浮物。本案例中所用膜的截留分子量为50,000道尔顿，材质为PES（聚醚砜），工作压力为0.5MPa，其需要的膜面积为1200m²（100m²/支×12支）。每天为一工作周期，工作时间为8小时，包括反洗的时间。经膜过滤的出水经次氯酸钠消毒后即可达标排放。

以上各单元分别在水体流入系统，流出SBR，流出光反应器，流出膜系统时取水样进行测试。通过以上方法，逐级降低水中的污染物，特别是对氮磷元素有很好的去除。系统进水COD为580mg/L，出水COD均值达到15mg/L，总磷进水为6.8mg/L，出水含量为0.06mg/L，氨氮去除率为99%，总磷去除率达到99%。氮磷含量远远低于地表水V类标准（氮含量≤2.0mg/L，磷含量≤0.4mg/L）。SBR单元能够去除81.61%的COD、95%的氨氮及75%的磷元素；光反应器能够去除5.26%的COD、4%的氨氮及23%的磷元素；膜单元能够去除10.53%的COD和1%的磷元素。

实施实例2

（1）以每日500吨的生活污水处理量计算处理工艺，按本SBR的流程时间，则需要SBR的有效容积为125m³，与之相匹配的光反应器的有效容积为375m³。按每支反应器直径20cm，高200cm计算，需要光反应器6000支，其总空气流量为1000m³/h。

（2）市政污水经过格栅-沉砂池-调节池的预处理后，进入SBR反应器，每流程周期包括进水、厌氧搅拌（90min）、好氧曝气（240min）、沉降（10min）、排水和闲置（共6h）。控制反应器中的水体pH为6.0～7.5，温度为15～25℃，好氧阶段的溶氧为5mg/L，污泥的SVI₃₀为45mL/g，MLSS为4.8g/L。经SBR排出的二级出水经过沉淀，上清液进入光反应器进一步处理。

（3）光反应器以阵列式排列，将本地水体中的土生藻类，主要包含颤藻、小球藻等绿藻或者硅藻中的两种或者三种及其组合，投放到反应器中，持续光照曝气15天，使藻类富集并成功在反应器表面挂膜。挂膜后采用12:12h光照/黑暗的方式进行SBR出水的处理。采用含有5%CO₂的烟气废气曝气，反应停留的时间为16h。排出后与聚合氯化铁溶液混合絮凝（添加量为8mg/L），在沉淀池5b中沉淀，沉淀的藻体回流至反应器（回流比为1:4），一部分排出经板框过滤机脱除水分。上清液进入膜过滤系统。

（4）膜过滤单元

膜过滤单元采用批式过滤工艺，用超滤膜来去除水体中的悬浮物。本案例中所用膜的截留分子量为50,000道尔顿，材质为PES（聚醚砜），工作压力为0.6MPa，其需要的膜面积为6000m²（100m²/支×60支）。每天为一工作周期，工作时间为8小时，包括反洗的时间。经膜过滤的出水经次氯酸钠消毒后即可达标排放。

以上各单元分别在水体流入系统，流出SBR，流出光反应器，流出膜系统时取水样进行测试。通过以上方法，逐级降低水中的污染物，特别是对氮磷元素有很好的去除，且交替的黑暗对光反应器没有负面影响。系统进水COD为500mg/L，出水COD均值达到35mg/L，总磷进水为6.2mg/L，出水含量为0.08mg/L，氨氮去除率为98%，总磷去除率达到98.7%。氮磷含量远远低于地表水V类标准（氮含量≤2.0mg/L，磷含量≤0.4mg/L）。SBR单元能够去除80%的COD、95%的氨氮及73%的磷元素；光反应器能够去除3%的COD、3%的氨氮及24.7%的磷元素；膜单元能够去除10%的COD和1%的磷元素。

Claims

1.一种市政污水深度脱氮除磷的装置，其特征在于，SBR与藻类反应器耦合，包括格栅、沉砂池、调节池、SBR单元、光反应器单元和膜过滤单元，沉砂池(2)依次和调节池(3)、SBR单元(4)连接，SBR单元(4)通过第一沉淀池(5a)和泵与光反应器单元(6)连接，光反应器单元(6)通过第一管道混合器(8a)与第二沉淀池(5b)连接，第二沉淀池(5b)通过泵与膜过滤单元(9)连接，第一管道混合器(8a)还与絮凝剂池(7)连接；光反应器的材料为可透光材料，内置荧光灯或发光二极管(12)作为补充光源，光照强度为4000～8000lx；光反应器采用上进水、下出水的运行方式，光反应器的底部设有曝气装置，光反应器内含有土生藻类；第二沉淀池(5b)的下端与光反应器连接。

2.按照权利要求1的装置，其特征在于，光反应器直径为15～20cm，高150～200cm，多个光反应器采用串联、并联或混联的方式组合进行水处理。

3.按照权利要求1的装置进行污水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)污水经过格栅、沉砂池、调节池的预处理后，进入SBR处理，SBR应用的是强化除磷SBR工艺，按流程分别包括进水、厌氧搅拌、好氧曝气、沉降、排水和闲置六步骤，其中厌氧搅拌80～100min、好氧曝气4～5h、沉降10～20min，经SBR排出的水经过第一沉降池沉淀，上清液进入光反应器进一步处理；

(2)第一沉降池上清液进入光反应器处理进一步处理之前，将藻类菌种投放到光反应器中，持续光照曝气15天，使藻类富集并成功在光反应器内表面挂膜；挂膜后即可进入连续处理阶段，光反应器进水后持续光照或者交替光照，同时曝气进行处理，处理水的停留时间为14～18h；处理后污水从光反应器下部出口排放，同时经过管道混合器(8a)与絮凝剂混合絮凝后进入第二沉淀池(5b)沉降，第二沉淀池(5b)上清液进入膜过滤单元(9)去除悬浮物，经第二沉淀池(5b)絮凝的藻类菌体部分返回光反应器(6)增加藻类菌体量，一部分进入过滤设备脱除水分，进行厌氧发酵生产甲烷燃气或者生产生物柴油；

(3)经膜过滤的出水经消毒后即可达标排放。

4.按照权利要求3的方法，其特征在于，SBR系统的水力停留时间与光反应器的水力停留时间之比为1:3。

5.按照权利要求3的方法，其特征在于，SBR中活性污泥为经过SBR系统运行1～3个月驯化成熟的活性污泥，污泥的SVI₃₀为30～40mL/g，MLSS为4.0～4.5g/L，好氧曝气阶段控制溶氧在3～5mg/L。

6.按照权利要求3的方法，其特征在于，内置荧光灯或发光二极管作为补充光源，光照强度为4000～8000lx，波长范围为400～500nm或者600～700nm。

7.按照权利要求3的方法，其特征在于，絮凝剂指聚合氯化铁、聚合硫酸铁、聚合磷酸铁、聚合硫酸铝、聚合氯化铝、聚合磷酸铝之一；絮凝剂添加量为10-30mg/L。

8.按照权利要求3的方法，其特征在于，消毒所用消毒剂指次氯酸盐、次氯酸、氯、双氧水或臭氧。

9.按照权利要求3的方法，其特征在于，膜过滤单元还包括反洗系统，膜清洗剂主要指次氯酸盐；膜过滤单元中的过滤膜为中空纤维膜。