CN104150609B - 一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化脱氮除磷的方法 - Google Patents

Abstract

一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化污水厂脱氮除磷的方法，属污水处理领域。本发明针对常规主流脱氮除磷工艺的缺欠，在污泥回流线上设置了两个独立的串联或并联的反应池，S-NDN池和S-HY池，将污泥回流泵房回流过来的污泥，分别分流到S-NDN、S-HY池，其余一部分回流污泥直接回流到主生物池，并将污水厂污泥处理段产生的富氮上清液引入S-NDN池作为硝化过程的氮源，用于原位富集培养硝化细菌，而S-HY池作用是将池内的活性污泥进行厌氧水解并产生可快速降解有机物(SCOD)，经过上述生化过程后的两个反应池的泥水混合液再分别回流到主生物池。本发明可以显著改善脱氮除磷效率，并能实现污泥减量。

Description

一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化脱氮除磷的方法

技术领域

本发明涉及一种污水处理方法，属环保领域，特别是一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化污水厂脱氮除磷的方法。

背景技术

目前，中国环境问题频出，地表水富营养化严重，局部水域水质甚至丧失饮用水水源功能，强化脱氮除磷会成为我国今后相当长时期的重要任务。与此同时，现有的常规处理工艺，如各种活性污泥法的变形工艺，AAO、氧化沟、SBR等，受进水水质影响以及泥龄控制等因素影响，存在脱氮除磷效果不稳定问题，出水氮磷指标很难稳定达标，往往不得不考虑投加化学药剂(商业碳源、混凝剂等)，增加了企业的运行成本，是不可持续的工艺。因此，开发绿色可持续的污水处理工艺，对于改善污水处理系统的运行效果，改善水环境质量，具有重要的现实意义。

影响同步脱氮除磷效果的内因方面，主要受两个因素制约，一是泥龄(SRT)的影响，对于特定水温，硝化菌要求一个理论上的最低SRT_min，活性污泥系统为满足充分的硝化就要求实际运行的SRT≥SRT_min，水温越低，要求SRT越长；而除磷过程则要求SRT越短越好，短的SRT往往意味着排放更多的剩余污泥(WAS)，因此，对于同一个污水处理系统，现有的常规处理工艺，运行实践中往往很难找到一个相对可靠的SRT，既能满足硝化要求，又能高效除磷，兼顾脱氮除磷效果往往处于两难的境地。

国外有类似的侧流污泥生物强化技术，如工艺、AT-3工艺等，主要目的都是强化硝化过程，但是这些工艺运行条件及控制较为繁琐，如工艺运行水温需要控制在25-30℃、且采用间歇运行模式(进水、混合、曝气、沉淀、滗水)，效果难以控制。

与此同时，影响脱氮除磷效果的另一个重要因素是进水水质问题，众所周知，目前中国污水厂面临的主要难题是进水碳源不足、脱氮除磷效果差，这是因为反硝化脱氮和厌氧释磷两种生物过程都需要污水中有充足的溶解性易生物降解有机物(SCOD)，尤其是低分子量的挥发性脂肪酸(VFAs)，为了实现可靠的强化生物除磷(EBPR)，往往需要VFAs/TP≥10，这就意味着对于进水TP＝4mg/L的污水厂，其进水中VFA浓度至少要达到40mg/L才可能实现可靠的EBPR，然而，我国很多污水厂进水VFAs却不足10mg/L。

实际上，污水厂产生活性污泥本身就蕴藏了巨大的能源。为了充分利用活性污泥碳源，近些年开发了一些技术，如超声破解、碱性污泥水解技术等，但这些技术存在能耗高、药耗高、破坏污泥生物活性等缺欠，也不是可持续的绿色工艺，难于在生产实践中大规模应用。因此，污泥自然条件下的水解技术成为理想选择，由于活性污泥总量稳定、活性污泥水解产物能100％被生化过程所利用，因此，如何考虑在不破坏活性污泥生物活性条件下的在线水解，对于提高处理效率、降低对外部商业碳源的依赖，显得至关重要。

发明内容

本发明的主旨是通过硝化菌原位富集培养、原位污泥水解补充碳源方法提高对出水水质的处理效果，具体方式则是通过引入污水厂污泥处理工序排放的高浓度氨氮废水作为底物来富集和提高侧流反应器内的硝化菌数量，并为主生物池进行接种进而提高生物系统总的硝化能力和脱氮能力，同时将小比例的回流活性污泥水解放置于一个独立的侧流反应器进行水解发酵，大大提高和改善了污泥水解效率。

本发明克服当前常规主流脱氮除磷工艺的技术缺欠，对常规活性污泥工艺(A/O、AAO、氧化沟等)的“生物池-二沉池”的“主流”模式进行了改进，采用了“主流-侧流”模式，具体讲，就是对常规工艺的污泥外回流环节进行了变革，常规工艺(AAO、氧化沟)的外回流是将经过二沉池浓缩的活性污泥通过污泥回流泵直接泵送到主生物池前端的技术路线，而本发明的具体方法则是在污泥回流线上设置了两个独立生化反应池，即污泥硝化反硝化池(S-NDN池)和污泥水解池(S-HY池)，这两个池子采用并联或串联形式中的一种：

两池串联情况下：回流污泥共分两路，一部分回流污泥相继被引入到S-NDN池，再进入S-HY池，在上述两个不同的反应器内相继完成各自的生化过程后再回流到主生物池；另一部分回流污泥则与常规回流方式相同即直接回流到主生物池；多余的剩余污泥进入污泥处理单元(污泥消化、污泥浓缩脱水等)。

并联情况下：污泥则分并行三路，一部分引入S-NDN池，另一部分进入S-HY池，剩余部分回流污泥则直接回流到主生物池；多余的剩余污泥进入污泥处理单元。极限情况，第三部分“外回流”污泥为零，即回流污泥只分两路进入S-NDN池和S-HY池。

经过上述生化过程后的两个反应池的泥水混合液再分别回流到主生物池的厌氧释磷或反硝化脱氮区域。

与此同时，无论是并联还是串联情况，污水厂污泥处理段产生的富氮上清液(厌氧消化过程产生的或者污泥脱水过程产生的高浓度氨氮废水，rejectwater)可以全部或部分、连续或间歇性被引入S-NDN池作为硝化过程的氮源，用作硝化菌的培养基质，这部分高氨氮废水为S-NDN池提供了自养硝化菌繁殖的底物，反应器氨氮浓度越高，硝化菌增殖速率则越大，经过S-NDN池原位富集培养后的硝化细菌再补充到主生物池；

另一方面，由于这部分高氨氮废水在侧路反应池内反应器采用“好氧/缺氧”交替模式(空间交替或者时间交替)运行或“好氧-缺氧”顺序过程对污泥混合液进行处理，进行了硝化反硝化，这样就降低了主生物池的进水TN负荷，减少了对主生物池池容的需求。S-HY池采用厌氧过程或缺氧过程进行污泥水解产生碳源同时并刺激聚磷菌(PAOs)生物活性。两种反应器可以采用推流式或完全混合式反应器、或者2-6个单个完全混合器串联而成的总体上呈推流式的组合反应器构型。采用完全混合反应器时，曝气过程为间歇过程；采用推流式反应器时，前端曝气，后端不曝气，只进行混合推流。

上述不同回流方式(串联、并联)的各自回流比受工艺条件影响，根据工艺计算采用不同的回流比。除了基本构型的差别外，具体的工艺运行控制参数也有区别，具体如下：

采用串联方式时：污泥总的外回流量Q_RAS为(33％-50％)Q(Q为污水厂进水量，Q_RAS为总的外回流污泥量)；其中回流到侧路S-NDN池、S-HY池的污泥量占Q_RAS的比例为2％～18％；剩余(82％～98％)Q_RAS的回流污泥则通过回流泵房直接回流到生物池始端。

采用并联方式时：污泥总的外回流量Q_RAS为(33％-50％)Q(Q为污水厂进水量)；其中回流到侧路S-NDN池的污泥占Q_RAS的2％～18％；回流到侧路S-HY池的比例占Q_RAS的1％～8％；其余(74％～97％)Q_RAS的回流污泥则通过回流泵房直接回流到生物池始端。

污泥在S-NDN池内的停留反应时间为10-40h；

污泥在S-HY池内的停留反应时间为20-96h，水温低的季节采用较高的停留时间，否则相反；

主生物池的活性污泥浓度控制为2.5～5.0g/L；

侧路生物池的活性污泥浓度为7.5～18.0g/L，侧路生物池污泥浓度受回流比及主生物池污泥浓度的影响，三者关系如下：

侧流反应器污泥浓度越高，则系统所持留的有效活性微生物总量越大，生化过程的效率越高(硝化或反硝化效率及水解效率)。

对于串联系统，由于侧流污泥顺序经过了第一级S-NDN反应器的好氧/缺氧及第二级S-HY的缺氧或厌氧过程，工艺控制的关键点在于上述过程的严格工艺控制，要避免S-NDN池过度曝气；S-HY则保持缺氧或厌氧状态，串联模式更侧重于强化硝化反硝化生物脱氮；

对于并联系统，由于污泥分别单独的经过各个侧流反应器，污泥不进行混合，因此生化过程更容易控制，且互不影响，因此效率相对优于串联模式，并联模式更适于同步强化生物脱氮除磷，并侧重于强化生物除磷过程；

串联和并联两种方式除了反应器构型不同、两种模式下的对应的每个侧路反应器对应的侧流污泥回流比也不同。

进一步，S-NDN池设置DO/ORP、pH、NH₃-N、PO₄-P等在线仪表控制硝化反硝化过程。

本发明的原位富集硝化菌耦合污泥水解强化脱氮除磷的方法应用于要求稳定或深度脱氮除磷的污水厂的新建或提标改造。

本发明的有益效果是：

1)由于系统内增设了S-NDN池作为硝化菌扩增培养反应器，该反应器在SRT控制上是独立于主生物池的，由侧流S-NDN池为主生物池提供部分硝化菌种，这样就使得主生物池实际运行SRT不再受SRT_min的限制，即“嫁接”S-NDN池的活性污泥工艺可以在“短泥龄”条件下运行，S-NDN池向主生物池内硝化菌补充速率越高，则主生物池总的泥龄也越低，甚至不受为满足消化过程的最低SRT要求的约束；采用同样的SRT情况下，本发明工艺比常规处理工艺节省20-40％的生物池容；或者采用同样的池容，本发明比常规处理工艺可以提高20-40％的污染物去除负荷。

2)由于将污泥处理段的富氮上清液作为S-NDN池的反应基质，这部分高浓度废水氨氮浓度在500-1000mg/L、负荷可占全厂TN负荷的10-20％，不再像传统工艺进入进水泵房而是进入S-NDN，因此，降低了生物池的TN负荷，降低对主生物池池容的需求。

3)由于采用了强化污泥硝化反硝化反应器，该反应器内MLSS浓度是主反应池MLSS浓度的3～4倍，活性污泥吸附污染物后一部分降解过程是在S-NDN池完成的，这样可以允许主反应池低MLSS浓度运行而不会降低系统总MLSS数量进而影响处理效果，因此，同样水力负荷条件下可以降低二沉池固体负荷；或者在保持二沉池固体负荷不变的情况下，大幅提高污水厂的进水水力负荷；

4)本发明将一小部分回流污泥引入S-HY池，通过水解作用产生SCOD、VFAs，富含SCOD、VFAs的泥水混合液再进入主生物池的厌氧区(或缺氧区)补充进水碳源不足进而实现强化脱氮除磷，可降低或取消外部商业碳源的投加，降低运行费用。

5)本发明可以降低污水厂活性污泥产率，实现了污泥的就地原位减量，并能显著提高污水厂的脱氮除磷效率并提高运行稳定性；同时，降低了污水厂对反硝化碳源的需求。

6)本发明由于采用侧路生物池作为主生物池硝化菌的富集补充，因此，主生物池可以较低的MLSS浓度运行，侧路S-NDN池采用“好氧/缺氧”模式运行，总体上降低了污水厂曝气的总能耗。

附图说明

图1为本发明第一种实施方式流程图。

图2为本发明第二种实施方式流程图。

图中：1为预处理设施(沉砂池/初沉池等)；2为主生物池；3为二沉池；4为污泥回流泵；5为污泥硝化反硝化池，6为污泥水解池；7为污泥处理工艺单元(污泥脱水机或污泥消化、脱水系统)

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。本发明“水线”主要包含由预处理设施1、主生物池2、二沉池3组成，三者通过管道依次相连，污水顺次经过预处理设施1、主生物池2、二沉池3，二沉池出水排放到后续深度处理或外排；“泥线”包含污泥回流泵房4、污泥硝化反硝化池5、污泥水解池6和污泥处理单元7，从二沉池3回流来的污泥进入污泥回流泵房4，从污泥回流泵房4出来的污泥有以下可选的两种方式：

如图1所示，分三路，一路回流到主生物池2；另外两路分别回流到污泥硝化反硝化池5和污泥水解池6，最终污泥硝化反硝化池5和污泥水解池6的出泥回流到主生物池；

如图2所示，分两路，一路回流到主生物池2，另一路回流到污泥硝化反硝化池5然后再进入水解池6；最终水解池6的污泥再回流到主生物池2。

下面结合具体实施案例，说明本发明方案。

实施例1

某污水厂原设计处理能力6万m3/d，设计出水水质标准GB18918-2002一级B，运行四年后，该厂进水水质已经超原设计标准，拟对该厂进行行一级A标准的改造，根据实际运行情况显示，该厂主要是硝化能力不足，出水NH₃-N、TN、TP无法稳定达标。但现场的实际情况是，该厂地处老城区，扩建场地受限，不允许扩建新的生物池容。为此，采用本发明方案进行工艺设计。

具体方案是：在保留原有工艺水力流程不变的情况下，保留原生物池池容不变，利用原厂一期废弃的一座生物池，将其改造为S-NDN和S-HY池，不新建二沉池。其中原生物池池容2,6500m³(包含前置厌氧池池容3000m³)，改造后S-NDN/S-HY两池串联，两池合并池容4800m³(其中S-HY池容1500m³)，即采用附图2所示流程。

工艺设计参数确定：主生物池设计MLSS为3500mg/L，改造后外回流回流比R由原来100％降低为为50％，侧路生物池MLSS为10～15g/L；污泥回流分两路，85％Q_RAS通过直接回流到原来厌氧池；另一部分15％Q_RAS则回流到两个串联的侧路反应池S-NDN/S-HY池，并将脱水机房排放的富氮水(rejectwater)引入S-NDN池进行硝化反硝化处理，改造后，污水厂处理水量及水质稳定达标，在主生物池泥龄仅有8d的情况下，即使是冬季，水温10度，出水氨氮均能控制低于2mg/L；同时，全年平均能耗降低了12％。

实施例2

进水污染物浓度标准不变、提高水力负荷实施例：某污水厂原设计处理能力10万m3/d，投运两年以后进水水量已经远超处理能力，但进水浓度满足设计要求，为此，拟进行扩建和提标改造，处理能力要求达到13万m³/d，同时满足原有设计出水标准，但污水厂面临扩建场地受限等因素，不能进行新建生物池池容。为此，采用本发明方案进行工艺设计，采用流程见图1，具体方案是：

在保留原有工艺流程不变的情况下，根据工艺计算，设计参数如下：将原生物池前端25％的池容分格出来，其中20％作为S-NDN池，采用好氧/缺氧交替运行；5％作为S-HY池，厌氧水解，采用并联方式；不再新建生物池池容，不新建二沉池，并把污泥处理段排放的高浓度富氮液体全部引入到S-NDN池，此外，主生物池设计MLSS浓度由原设计3500mg/L降低为3000mg/L，污泥回流比由原来75％降低到50％，侧路生物此后MLSS浓度为9～12g/L，其中回流到侧路S-NDN池的污泥占Q_RAS的15％；回流到S-HY池的比例占Q_RAS的2％；其余83％Q_RAS的回流污泥则通过回流泵房直接回流到生物池始端。

改造后的新系统，由于侧路硝化菌源源不断地补充到主生物池，因此，主生物池可以在较低的污泥龄下运行而不影响污水厂硝化能力，同时，总污泥量比原有的190吨增加到242吨，在保持生物池污泥负荷F/M不变、二沉池固体负荷不变的情况下，通过本发明使改造后的污水厂水力负荷可以提高到13万m³/d，达到了不新建池容提高处理能力的目的；同时，由于采用了侧流污泥水解，补充了碳源不足，提高了脱氮除磷效果。

实施例3

水力负荷不变、污染物浓度提高实施例：某污水厂原设计处理能力10万m3/d，但目前该厂进水水质已经远超原设计标准20-30％，出水不能稳定达标，为此，拟进行扩建和提标改造，要求在处理水量不变的情况下，出水能稳定达标，但污水厂面临扩建场地受限等因素，不能进行新建生物池池容。

为此，采用本发明方案进行工艺设计，采用流程见图2，具体方案是：在保留原有工艺水力流程不变的情况下，保留原生物池池容不变，将原生物池改造，将原生物池前端15％的池容分隔出来，其中10％作为S-NDN池，5％作为S-HY池，剩余85％池容保留厌氧/缺氧/好氧功能，不新建二沉池，并把污泥处理段排放的高浓度富氮液体全部引入到S-NDN池，主要工艺设计参数如下：

主生物池MLSS浓度为4g/L，侧路生物池MLSS运行浓度为12-18g/L，污泥总回流比40％，其中回流到侧路S-NDN池、S-HY池的污泥量占Q_RAS的比例为18％；剩余82％Q_RAS的回流污泥则通过回流泵房直接回流到生物池始端。

根据工艺计算，由于侧路硝化菌源源不断地补充到主生物池，主生物池SRT可以由原来的15天左右降低到10天而不影响污水厂硝化能力；此外，原工艺系统MLSS总量为189吨(干污泥量)；按本发明方案实施后S-NDN池和改造后的主生物池容纳MLSS总量为218吨，水解池MLLS总量28吨，主生物池和侧流生物池容纳的总MLSS量为246吨，系统污泥总量比原工艺增加污泥量30％，这样在保持原有处理水力负荷不变的情况下，采用本发明的方案，在保持污泥负荷F/M不变的情况下，使原污水厂不新建池容的情况下污染物负荷增加了20-30％。

上述各个实施例中，S-NDN设置有曝气器和搅拌混合装置，S-HY池设有搅拌混合器。在上述各实施例中，S-NDN池内，曝气或搅拌(或推进)设备的“启动/停止”是根据池内在线pH、DO、ORP、NH₃-N、PO₄-P/TP检测信号中的一种或几种组合进行优化控制的，还可以是根据时序进行周期控制的，即通过时序控制实现“曝气/停曝”过程。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域的专业技术人员显然可以比较容易地对这些实施案例进行一些局部修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施案例中，因此，本发明不限于上述列举的实施例，本领域的专业人员根据本发明的揭示的基本原理，在本发明的基础上进行的改进或修改都应该属于在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化污水厂脱氮除磷的方法，其特征在于：所述方法的生化过程涉及的反应器至少含有四个：在主线上包含主生物反应池、二沉池，在污泥回流线上包含污泥硝化反硝化池和污泥水解池，即S-NDN池和S-HY池；S-NDN池中的污泥采用“好氧/缺氧”交替或“好氧-缺氧”顺序过程对污泥混合液进行处理；S-HY池采用厌氧过程或缺氧过程进行污泥水解产生碳源同时并刺激聚磷菌生物活性。

2.根据权利要求1所述的一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化污水厂脱氮除磷的方法，其特征在于：所述污泥硝化反硝化池和污泥水解池采用并联或串联形式中的一种：

串联情况下，回流污泥共分两路，一部分回流污泥相继被引入到S-NDN池，再进入S-HY池，在上述两个不同的反应器内相继完成各自的生化过程后再回流到主生物池；另一部分回流污泥直接回流到主生物池；多余的剩余污泥进入污泥处理单元；

并联情况下，污泥则分并行三路，一部分引入S-NDN池，另一部分进入S-HY池，剩余部分回流污泥则直接回流到主生物池；多余的剩余污泥进入污泥处理单元；极限情况，第三部分“外回流”污泥为零。

3.根据权利要求1或2所述的一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化污水厂脱氮除磷的方法，其特征在于：污水厂污泥处理段产生的富氮上清液全部或部分被引入S-NDN池作为硝化过程的氮源。

4.根据权利要求1所述的一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化污水厂脱氮除磷的方法，其特征在于：S-NDN池和S-HY池采用推流式或完全混合式反应器、或者2-6个单个完全混合器串联而成的总体上呈推流式的组合反应器构型。

5.根据权利要求1所述的一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化污水厂脱氮除磷的方法，其特征在于：

采用串联方式时污泥总的外回流量Q_RAS为(33％-50％)Q，Q为污水厂进水量，Q_RAS为总的外回流污泥量；其中回流到侧路S-NDN池、S-HY池的污泥量占Q_RAS的比例为2％～18％；剩余(82％～98％)Q_RAS的回流污泥则通过回流泵房直接回流到生物池始端；

采用并联方式时污泥总的外回流量Q_RAS为(33％-50％)Q；其中回流到侧路S-NDN池的污泥占Q_RAS的2％～18％；回流到S-HY池的比例占Q_RAS的1％～8％；其余(74％～97％)Q_RAS的回流污泥则通过回流泵房直接回流到生物池始端。

6.根据权利要求1所述的一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化污水厂脱氮除磷的方法，其特征在于：污泥在S-NDN池内的停留反应时间为10-40h；污泥在S-HY池内的停留反应时间为20-96h。

7.根据权利要求1所述的一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化污水厂脱氮除磷的方法，其特征在于：主生物池的活性污泥浓度为2.5-5.0g/L；侧路生物池的活性污泥浓度为7.5-18.0g/L。

8.根据权利要求1所述的一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化污水厂脱氮除磷的方法，其特征在于：S-NDN池设置DO/ORP、pH、NH₃-N、PO₄-P在线仪表控制硝化反硝化过程。

9.一种原位富集硝化菌耦合污泥水解强化污水厂脱氮除磷的方法应用于要求稳定或深度脱氮除磷污水厂的新建或提标改造。