CN104386819A - 一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺 - Google Patents

Abstract

一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，1、将污水生物处理过程沉淀池的剩余污泥通过臭氧微纳米气泡处理后得到破壁细胞分解混合液，与原污水均质混合作为污水进水，进入厌氧缺氧后进入好氧生化池；2、将通过臭氧微纳米气泡处理后得到的破壁细胞分解混合液的部分混合液通过生命之光选择培养出活性核质光化微生物得到的混合液，与原污水均质混合进入厌氧缺氧池进行系列生化反应；3、将好氧生化池反应后得到的混合液进行分离得到上清液和浓缩混合液；4、将第3步分离得到上清液排出，浓缩混合液返回执行第1步和第2步；5、将第3步分离得到的上清液净化消毒处理作为出水排出，浓缩混合液池底与厌氧缺氧池剩余污泥、无机粉沙进行干化处置。

Description

一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺

技术领域

本发明属于污泥生物处理工艺技术领域，尤其与一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺有关，特别是一种微纳米臭氧气泡细胞破壁及光化生物消解污泥方法。

背景技术

随着水污染的日益严重，对各种污水进行经济有效的处理势在必行。目前全球范围内已有数以万计的污水处理厂正在运行，且随着环境意识与环保要求的提高必将有更多的污水厂行将建设。污水生物处理以高效低耗的突出优点被广泛用于污水处理，以活性污泥和生物膜为代表的污水生物处理工艺在水污染治理方面已取得了巨大成功。然而，现有的污水生物处理工艺并不完善。在实际运行过程中，多数污水生物处理厂面临以下问题：

(1)进水量不足，主要由超前规划和污水排放系统故障导致，影响污水处理装置的运行；(2)进水水质量不稳定，主要原因是工业废水排入管网以及节假日和季节变化等导致的生活习惯改变等，可造成冲击负荷影响污水处理效果；(3)碳源不足，这是各污水处理厂所共同面临的问题，主要由现代生活习惯所致，可导致生物的营养物失衡影响氮和磷的去除效果。

在面对这些问题时，传统活性污泥法日益暴露出以下缺陷：(1)曝气池中生物浓度低；(2)耐水质、水量冲击负荷能力差，运行不够稳定；(3)易产生污泥膨胀；(4)污泥产量大；(5)基建和运行费用高，占地面积大等。现有污水生物处理工艺最引入注目的问题就是大量剩余污泥的产生。污泥处理的费用异常之高，大约占到污水处理厂建设和运行总费用的50％～60％左右。剩余污泥需要进行必要的处置因而增加了污水处理的运行费用。如图1-6所示，传统常见的污泥减量方法有：厌氧消化和好氧消化、污泥热处理法(例如湿式氧化法)、污泥浓缩法(例如重力浓缩法和气浮浓缩法)、污泥脱水法(例如机械脱水和化学混凝法)、污泥干化法(例如自然干化法和烘干法)，这些污泥减量方法并未完全解决污泥排放处置存在的一些弊端。

中国专利申请(公开号CN101481191A)公开了一种污泥回流消化减量的污水处理方法，其中将剩余污泥返回厌氧沉淀池中在厌氧沉淀池下部的沉淀污泥区长期积累以便将污泥消化减量，污水通过厌氧沉淀池后进行污水处理得到净化水和剩余污泥，未消化的污泥需要定期清掏。

美国专利申请(公开号US2002/0030003A1)也公开了一种活性污泥污水处理系统和方法，其中在接触罐中用污泥处理污水，然后在固液分离器中分离污泥和水，分离的污泥与部分污水在消化罐中混合并曝气以使污泥消化减量，经曝气的泥水混合液部分返回接触罐部分排出。

另外，现有的污水生物处理工艺中对磷的去除效果普遍不佳。磷是造成水体富营养化的主要因子，并且是人类可持续发展的重要元素，因此目前对水体中磷含量的控制日益严格，并且逐渐从单一“去除”转向“回收”。目前的脱磷工艺一般都是基于聚磷菌在厌氧释磷后在好氧状态下由微生物超量摄磷，因此只有排出一定量的剩余污泥来实现除磷，这就导致了难以实现原位污泥最大化的减量。

综上所述，急需研发新的污水生物处理方法并在污水处理过程中同步完成有机污泥的全部消解处理，才是真正完善的污水生物处理工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，本发明解决了现有活性污水处理工艺存在的大量剩余污泥产生、现有污水生物处理工艺存在的上述各项不足及污水生物处理工艺存在的去磷效果普遍不佳的问题。

为此，本发明采用以下技术方案：一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，其特征是，所述的污水处理工艺如下：

第1步、将污水生物处理过程沉淀池的剩余污泥通过臭氧微纳米气泡处理后得到破壁细胞分解混合液，与原污水均质混合作为污水进水，进入厌氧缺氧后进入好氧生化池；

第2步、将通过臭氧微纳米气泡处理后得到的破壁细胞分解混合液的部分混合液通过生命之光选择培养出活性核质光化微生物得到的混合液，与原污水均质混合进入厌氧缺氧池(也可直接进入好氧生化池)进行系列生化反应；

第3步、将好氧生化池反应后得到的混合液进行分离得到上清液和浓缩混合液；

第4步、将第3步分离得到的上清液排出，浓缩混合液返回执行第1步和第2步；

第5步、将第3步分离得到的上清液净化消毒处理作为出水排出，浓缩混合液池底与厌氧缺氧池剩余污泥、无机粉沙进行干化处置。

按上述步骤依次循环处理的活性污泥法污水处理工艺，可以实现污泥污水原位同步长期稳定运行而无需排出有机污泥，同时能保障污水处理达标排放。

使用本发明可以达到以下有益效果：本发明以方便地与各种合适的污水生物处理方法结合而形成新的污水污泥同步生物处理方法。污水生物处理方法产生的剩余污泥可以由本发明的污泥消解处理方法处理而无需排泥。此外，由本发明的污泥处理方法产生的出水通常呈中性，即pH值在6～8之间，因此无需调节pH值即可进一步通过污水深度处理达到符合排放标准的出水。与传统污水生物处理方法相比，新的污水污泥生物同步处理方法能够显著减少甚至完全消除污泥排放，抗冲击负荷能力和运行稳定性较高，具有良好的污水处理效果和出水水质，设备占地面积小、建设成本和运行成本低。本发明的污泥污水同步生物处理方法特别适合用于改造各种现有的污水生物处理装置，实现显著减少甚至完全消除有机污泥排放。

附图说明

图1为现有活性污泥法的一种工艺示意图。

图2为现有活性污泥法的一种工艺示意图。

图3为现有活性污泥法的一种工艺示意图。

图4为现有活性污泥法的一种工艺示意图。

图5为现有活性污泥法的一种工艺示意图。

图6为现有活性污泥法的一种工艺示意图。

图7为本发明的工艺示意图。

图8为本发明试验数据图。

图9为本发明试验数据图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

实施例：如图7所示，生物调控原位消解污泥的污水处理工艺如下：

第1步、将污水生物处理过程沉淀池的剩余污泥通过臭氧微纳米气泡处理后得到破壁细胞分解混合液，与原污水均质混合作为污水进水，进入厌氧缺氧后进入好氧生化池。其操作步骤中，混合液的污泥浓度控制为20000～30000mg/L。微纳米臭氧气泡破壁细胞脱水处理时间为0.5～2小时，其混合液的溶解氧浓度控制为3～4mg/L；

第2步、将通过臭氧微纳米气泡处理后得到的破壁细胞分解混合液的部分混合液通过生命之光选择培养出活性核质光化微生物得到的混合液，与原污水均质混合进入厌氧缺氧池(也可直接进入好氧生化池)进行系列生化反应。其操作步骤中光源采用远红外线波长2.5--15微米的碳纤维发热线或发热片，溶解氧浓度控制为2～3mg/L；污泥浓度控制在12000--16000mg/L，光化微生物光化培养时间为12～18小时。

第3步、将好氧生化池反应后得到的混合液进行分离得到上清液和浓缩混合液。其操作步骤中厌氧缺氧处理时间为0.8～4小时；厌氧缺氧处理以沉淀方式实现，污泥浓度控制在3500--30000mg/L；好氧生化池反应时间2-6小时，好氧处理以微纳米空气氧气泡方式实现，污泥浓度控制在4200--8500mg/L。

第4步、将第3步分离得到的上清液排出，浓缩混合液返回执行第1步和第2步步骤。其操作步骤中回流污泥返回第1步的浓缩混合液的污泥量是剩余污泥总量的90-95％，返回第2步的浓缩混合液的污泥量是剩余污泥总量的5-10％。

第5步、将第3步分离得到的上清液净化消毒处理作为出水排出，浓缩混合液池底与厌氧缺氧池剩余污泥、无机粉沙进行干化处置。其操作步骤中分离得到的上清液消毒时间15-30分钟后作为净化出水排出，以微纳米臭氧气泡实现；浓缩混合液池底与厌氧缺氧池剩余污泥、无机粉沙进行处置，以低温热干化装置实现。

按上述依次循环处理污泥污水，可以实现污泥污水原位同步长期稳定运行而无需排除有机污泥，同时保障污水处理达标排放。

本发明的完全生物调控消解污泥及其装置可独立进行污泥处理，也可镶嵌于以下的污水生物处理工艺，实现污泥污水原位同步处理：A/O工艺、A2/0工艺、倒置A2/0工艺、、SBR工艺、MSBR工艺、UCT工艺、MUCT工艺、VIP工艺、OWASA工艺、JHB工艺、BCFS工艺、AB工艺、氧化沟工艺、生物膜工艺、流动床工艺或其组合的污水生物处理等工艺。

污水处理工艺的装置包括臭氧微纳米气泡氧化装置、核质光化装置、缺氧厌氧池、好氧生化池、沉淀池、清水消毒池和电器自动控制柜；剩余污泥池污泥回流管分别与臭氧微纳米气泡氧化装置和缺氧厌氧池连接，臭氧微纳米气泡氧化装置分别与核质光化装置和常规污水处理装置污水的进口管连接，核质光化装置与缺氧厌氧池进口管连接，缺氧厌氧池出口管与好氧生化池进口管连接，好氧生化池的上清液出口管与沉淀池的进口管连接，所述好氧生化池的底泥回流管与缺氧厌氧池连接，所述缺氧厌氧池底泥回流管与臭氧微纳米气泡氧化装置连接，所述沉淀池的上清液分别与清水消毒池和污水进水池连接，每个部件通过电器自动控制柜控制自动工作；沉淀池的污泥通过污泥处置装置处理。臭氧微纳米气泡氧化装置：将剩余污泥进行微纳米臭氧气泡细胞破壁处理的设备；核质光化装置：将部分污泥和部分细胞破壁混合液进行生命之光选择培养活性核质光化微生物的设备；缺氧厌氧池：能够进行缺氧厌氧处理的设备；好氧生化池：能够进行好氧生化反应的设备；沉淀池：能够分离得到上清液和浓缩混合液的设备；清水消毒池：能够将上清液消毒后排出净化水的设备；污泥处置装置：能够将剩余无机污泥(含少量有机污泥)进行干化处理的设备；电器自动控制柜：能够控制污水污泥自动循环的PLC系统装置。

本发明的设计原理：1、强化微生物：天然系统存在的微生物并非全是最有效的微生物。污泥消解微生物是经过筛选的头领微生物集团军，其能保持自身强壮又能激活天然菌株的活性，优化和控制微生物种群的平衡，增加扩大系统中光生EM细菌(有益菌)的种类、浓度和代谢活性，而且能抑制PM菌(有害菌)的生长。

2、酶的作用：通过选择培养的优势光化微生物生成大量的胞外酶，酶的作用是促进污水中大分子的有机物包括死亡的微生物(污泥)被分解成小分子有机物，并释放出结合氧。这些简单的小分子有机物进而被多种微生物作为底物利用，从而达到减少剩余污泥量的目的。

3、生物合成氧化：活性污泥法是利用天然微生物种群对有机碳的新陈代谢而将有机物氧化为可利用的小分子有机物、CO2和水。活性污泥中细菌生长阶段可以减少40％的有机物，同时生物体内的有机碳也可以作为微生物的底物进行新陈代谢，因此，就会减少污泥的产量。例如，污水系统中1000g的营养物中用来合成微生物约消耗600g有机物、同时有约400g有机物被氧化为CO2和H2O。增加和新生的强化生物菌产生的大量水解胞外酶只针对死亡或衰老的细胞起作用、不会对活性高的细胞产生影响，这也是剩余污泥减量而不影响出水水质的原因之一。

4、提高活性光化微生物浓度、延长污泥龄：在新增光化微生物后，提高了活性微生物的浓度，降低了污泥负荷，而部分微生物通过内源呼吸消耗有机物，污泥产生量也自然相应减少。由污泥产量减少自然会使剩余污泥量相应减少而延长了污泥龄，由于污泥龄的延长是通过水解死亡或衰老的细胞来实现的，因此不会影响污泥活性，相反能提高污泥中活性光化微生物的比例。

5、生物捕食作用：由于低效的生物转换，能量从低营养级向高营养级的传递过程中会发生损失，因此，最大化消耗是能量损失量最大和生物产生量最少。根据这个原理，加长食物链，促进捕食细菌的生物生长，有利于增加能量损失，减少合成生物体的数量。原生动物和后生动物是活性污泥中的捕食者，这类生物的生长周期远远大于微生物的生长周期。传统的活性污泥系统中，由于污泥龄太短，它们的量就会非常少，捕食作用就小。增加微生物后延长了活性污泥龄，也就增强了原生动物和后生动物对死亡和衰老的生物捕食性，从而也减少了剩余污泥量。

6、核质生物光化技术：“核质生物光化”是集原核光合生物、酶、微量元素、水和电子、有机物高能氧化为一体的复合技术。其原理是利用远红外线波长2.5--15微米碳纤维发热线或发热片的能量、在水和电子下激活原核光合微生物，通过生育之光选择培养出活性核质光化微生物，近而驯化成兼氧性中间型极限光合微生物，利用中间微生物类群在分解有机物的过程中产生多种高级酸、酶，促进水中其它科属种的微生物再生活化，形成活性平衡生物絮体，利用中间型极限微生物的高活性、稳定性和龄期长的特点，通过在缺氧好氧条件下依次连锁循环持续有效降解水中的有机污染物质，剩余污泥(包括死泥)。

7、臭氧微细气泡降解污泥技术原理：臭氧具有氧化降解不稳定有机物、穿透生物活性细胞的功能，能够实现污泥脱水解体。传统工艺臭氧在水中溶解效率极低，不能满足氧化降解污泥的需求。使用微细气泡手段可以提高臭氧在水中的溶解度，使水中臭氧浓度达到传统值的6倍以上，并且臭氧微细气泡在水中停留时间很长，能够满足氧化降解污泥的需求。微细气泡由液体高速旋转压缩产生，具有高能量，能直接打破细胞、高分子、胶体等物资的组织结构，破解结构水。

在传统的各种污水生物处理方法中，由于生物的增殖，无论二沉池的污泥是否回流返回工艺的上游，都有剩余污泥排出。就整个工艺而言，由于通常只有污水原水的进入而没有污泥的回流再处理，因此排出的污泥量总是大于产生的污泥量。此外，由于二沉池出水中溶解性有机物浓度必须处于很低的水平以便满足出水排放要求，曝气池必须有足够的高曝气量和较长的曝气时间才能降低水中溶解性有机物的浓度。然而，在好氧条件下，低有机物浓度通常有利于丝状菌的增殖而导致污泥膨胀。同时，高曝气量和长曝气时间也进一步增加了含较高浓度污泥的混合液发生污泥膨胀的可能性。因此说明，在传统的各种活性污泥工艺中，曝气池中的污泥浓度通常难以达到较高水平，无法实现生物类群的消长平衡状态。另外，由于生物对恶劣环境(例如较低的营养物浓度)的适应性，污泥好氧处理方法和污泥厌氧处理方法通常仅能消解最大60％的污泥，因此传统的工艺仍然需要排出一定量的剩余污泥。

本发明无需排泥的原因如下：首先，由于排出的污泥量小于产生的污泥量，混合液中的污泥量本应持续增长，然而在稳定运行中混合液的污泥浓度尽管很高但并未持续增加而是在高水平下保持稳定，因此可以认为混合液中的生物类群处于消长平衡的状态，即新增的污泥量和死亡并消解的污泥量达到了动态平衡，因而没有污泥量的净增长。

在本发明的污水污泥处理方法，其生化池中溶解性有机物的浓度处于较高水平，因此有利地限制了丝状菌的增殖，降低了需氧量，从而减小了好氧处理时发生污泥的膨胀性。此外，较高水平的溶解性有机物为生物体提供了足够的营养，形成了有利于生物的代谢、繁殖和生命周期死亡的环境，使得污泥中的生物体在大量繁殖的同时也大量地自身衰竭灭亡。

本发明的污泥处理方法中，污泥交替、反复地经好氧和缺氧耦合处理，有利于菌胶团的形成，污泥的沉降速度得到提高。因此，本发明的污泥处理方法可以实现高污泥浓度而不发生污泥膨胀。

另外，由于浓缩混合液大量甚至全部回流返回使得污泥龄相对较长，使得繁殖速率较慢的微生物得以正常生长，增强了污泥的降解作用。同时在高污泥浓度条件下，经好氧和缺氧耦合处理，混合液中的可生物降解物和难生物降解物(包括死亡生物体)都得到了快速有效的消解，使得含碳、氮、磷等的化合物成为溶解性有机物随上清液排出或成为挥发性物质而逸出。

本发明的污泥处理方法中，混合液中的污泥具有优异的沉降性能和较低的需氧量，并且能够降解各种有机物质使之成为水溶性物质或气态物质，因此混合液可以具有相当高的污泥浓度使生物类群处于消长平衡状态而不发生污泥膨胀，从而实现长期稳定地减少甚至完全无剩余污泥的产生。

综上所述：本发明的污泥处理方法是一种污水生物处理过程中利用强化生物外源呼吸和内源呼吸降解有机物而减少剩余污泥的污泥处理方法。即：本发明的污泥处理方法完全是通过调节生物生理，利用外源呼吸和内源呼吸将以回流形式中的污泥再通过强化型中间光化微生物类群消解，而实现几乎无剩余污泥产生。

本发明经几年的试验实施中证明：在长期运行时，尽管存在改性污泥量的大量回流入，混合液中的污泥量仍然保持在相对稳定的水平而不会无限制地增长，该水平受回流污泥的成分和流量以及其他操作条件的影响，例如在污水进水时，也受进水污水的流量的影响，然而尽管回流改性污泥具有较高含量的碳、氮和磷，但在排放的上清液中碳、氮和磷的含量也能保持在较低水平，这说明本发明的污泥污水同步处理方法具有显著的去除碳、氮和磷的效果，能保障出水达标排放。

实验数据证明：如图8所示以看出，应用本设计提供的污水污泥同步处理污水处理系统，排放水中的COD和氨氮均达到了GB18918-2002一级B标准。

如图9所示可以看出，从微纳米臭氧气泡池污泥消解装置排出的上清液中的COD、氨氮和总磷显著地比混合液水相的相应值低。因此，污水和污泥回流所带来的生物体和固体物除了部分转化为可随上清液排出的形式外，其余部分都在污泥消解装置中得到了消解，可以得出消解的生物体和固体物在污泥消解装置中转化为气体形式而逸出，实现了剩余污泥的消解减量。就整个污泥污水处理装置而言，污水中的污染物质(主要COD、氨氮和总磷)在污水污泥处理装置中转化为气态物质而逸出，因此在得到净化出水的同时没有污泥和其它固体或液体物质排出。使得整个污水处理系统产生的剩余污泥减量甚至达到污泥零排放。

本发明的最终目标是根据上述原理和污泥污水同步处理方法实现长期稳定运行而无需排泥并且无污泥积累。彻底解决污泥排放问题，具有巨大的社会环境和经济意义。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，其特征在于：所述的污水处理工艺如下：

第1步、将污水生物处理过程沉淀池的剩余污泥通过臭氧微纳米气泡处理后得到破壁细胞分解混合液，与原污水均质混合作为污水进水，进入厌氧缺氧后进入好氧生化池；

第2步、将通过臭氧微纳米气泡处理后得到的破壁细胞分解混合液的部分混合液通过生命之光选择培养出活性核质光化微生物得到的混合液，与原污水均质混合进入厌氧缺氧池或者进入好氧生化池，进行系列生化反应；

第3步、将好氧生化池反应后得到的混合液进行分离得到上清液和浓缩混合液；

第4步、将第3步分离得到的上清液排出，浓缩混合液返回执行第1步和第2步；

第5步、将第3步分离得到的上清液净化消毒处理作为出水排出，浓缩混合液池底与厌氧缺氧池剩余污泥、无机粉沙进行干化处置。

2.根据权利要求1所述的一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，其特征在于：所述污水处理工艺的第1步中，所述混合液的污泥浓度控制为20000～30000mg/L；微纳米臭氧气泡破壁细胞脱水处理时间为0.5～2小时，其混合液的溶解氧浓度控制为3～4mg/L。

3.根据权利要求1所述的一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，其特征在于：所述污水处理工艺的第2步中，将污泥混合液部分混合液通过生命之光选择培养出活性核质光化微生物，其光源采用远红外线波长2.5--15微米的碳纤维发热线或片，溶解氧浓度控制为2～3mg/L；污泥浓度控制在12000--16000mg/L，光化微生物光化培养时间为12～18小时。

4.根据权利要求1所述的一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，其特征在于：所述污水处理工艺的第2步中，所述厌氧缺氧处理时间为0.8～4小时；厌氧缺氧处理以沉淀方式实现，污泥浓度控制在3500--30000mg/L；好氧生化池反应时间2-6小时，好氧处理以微纳米空气氧气泡方式实现，污泥浓度控制在4200--8500mg/L，。

5.根据权利要求1所述的一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，其特征在于：所述污水处理工艺的第4步中，回流污泥返回第1步的浓缩混合液的污泥量是剩余污泥总量的90-95％，返回第2步的浓缩混合液的污泥量是剩余污泥总量的5-10％。

6.根据权利要求1所述的一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，其特征在于：所述污水处理工艺的第5步中，分离得到的上清液消毒时间15-30分钟后作为净化出水排出，以微纳米臭氧气泡实现；浓缩混合液池底与厌氧缺氧池剩余污泥、无机粉沙进行处置，以低温热管理装置实现。

7.根据权利要求1所述的一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，其特征在于：所述的生物调控原位消解污泥的污水处理工艺独立进行污泥处理。

8.根据权利要求1所述的一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，其特征在于：所述的生物调控原位消解污泥的污水处理工艺镶嵌于污水生物处理工艺中。

9.根据权利要求8所述的一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，其特征在于：所述的污水生物处理工艺为A/O工艺、A2/0工艺、倒置A2/0工艺、、SBR工艺、MSBR工艺、UCT工艺、MUCT工艺、VIP工艺、OWASA工艺、JHB工艺、BCFS工艺、AB工艺、氧化沟工艺、生物膜工艺、流动床工艺或其组合的污水生物处理等工艺。

10.根据权利要求1所述的一种生物调控原位消解污泥的污水处理工艺，其特征在于：所述的生物调控原位消解污泥的污水处理工艺的装置包括臭氧微纳米气泡氧化装置、核质光化装置、缺氧厌氧池、好氧池、沉淀池、清水消毒池、污泥处置装置和电器自动控制柜。