CN104628136B - 难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法，采用缺氧池、好氧池交替布置、连续排列并连通的装置进行污水生物强化脱氮，污水原水分流进入到各缺氧池内，末端好氧池的出水通过回流管路分别回流至各缺氧池内，在回流管路上设有管式污泥破碎器，使污泥絮体所含的有机质暴露释放，随回流液补充缺氧池的有机碳源，提高反硝化脱氮效能。与现有技术相比，本发明通过加入管式污泥破碎器，既完成了污泥源头减量，也强化了污泥絮体对难降解有机物的降解能力。通过优化二级缺氧‑好氧工艺的原水进水比和分点回流比，并于二级好氧池末端加入生物膜组件，有效地改善了好氧工段的硝化效能，使得出水的COD值、氨氮含量和总氮水平均较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种对污水进行生物脱氮的方法，尤其是涉及一种难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法。
背景技术
随着有机化工行业的迅速发展，有机废水的种类和数量正在迅猛增加，如果处理不当会对周边环境造成极大污染，甚至造成不可挽回的结果，严重威胁了人们的健康和安全。由于有机废水的成分复杂，有些还有毒性，其处理较高。高浓度有机废水主要具有以下特点：一是有机物浓度高，COD一般在2000mg/L以上，有的甚至高达几万乃至几十万mg/L，相对而言，BOD较低，很多废水BOD与COD的比值小于0.3；二是成分复杂，含有毒性物质废水中有机物以芳香族化合物和杂环化合物居多，还多含有硫化物、氮化物、重金属和有毒有机物。目前对于此类废水处理方法较多，但大都不太理想。相对而言，缺氧-好氧工艺以其运行稳定、操作维护简单、可有效脱氮等优势一直在此类污水处理中占有重要地位。
由于高浓度有机废水中大量毒性、难降解有机污染物的存在，势必在生物处理过程中产生大量有机毒性显著的剩余污泥，而其处理、处置过程中，不仅耗费巨大，且易对环境造成二次污染。针对高浓度有机废水生物处理剩余生物污泥产量大、有机毒性高，难以资源化利用的问题，目前常作为危废处理，或进行焚烧处理。这两种处理、处置方式都存在能耗浪费且对环境带来显著风险的问题。因此，通过A/O过程的优化改进，实现污泥源头减量和毒性源头消减，是解决高浓度有机废水剩余污泥问题的首要选择。目前，常用的污泥源头减量方法是通过在系统中投加解偶联剂或臭氧氧化、超声波法等手段将剩余污泥破解后回流到曝气池内被微生物降解，从而达到源头上减少剩余污泥产量的目的，但这些方法存在二次污染、难以控制、运行成本高等问题。污泥量和污泥的不稳定性主要在于污泥絮体内富含大量有机质所致，故考虑在源头污泥减量过程中，对污泥絮体机械破碎，释放絮体内多糖和蛋白质等有机质，并作为有机碳源在A池再利用，活性游离菌群可在A池到O池的生物处理过程中再次形成高活性污泥絮体，以强化系统生化效能，符合污泥源头减量和促进系统生化效能的要求。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法，采用缺氧池、好氧池交替布置、连续排列并连通的装置进行污水生物强化脱氮，污水原水分流进入到各缺氧池内，末端好氧池的出水通过回流管路分别回流至各缺氧池内，在回流管路上设有管式污泥破碎器，使污泥絮体所含的多糖和蛋白质等有机质暴露释放，随回流液补充缺氧池的有机碳源，提高反硝化脱氮效能，削减污泥产量。
采用两级缺氧池、好氧池交替布置的装置进行污水生物脱氮，第一级缺氧池与第二级缺氧池的进水分流比按5:5或7:3操作；当污水原水COD/TN低于3时，污水经过第一级缺氧-好氧工段后有机碳源不足，通过增大原水向二级缺氧池的进水比例有效解决了该问题，第一级缺氧池与第二级缺氧池的进水分流比按5:5操作；当污水原水COD/TN大于3时，污水经过第一级缺氧-好氧工段后有机碳源相对充足，此时第一级缺氧池与第二级缺氧池的进水分流比按7:3操作。
采用多点内回流，解决了单点内回流造成的多级缺氧-好氧反应池内的硝酸盐氮分布不均问题，实现强化反硝化脱氮效果。控制末端好氧池的出水内回流比为2-4；当采用两级缺氧池、好氧池交替布置的装置进行污水生物脱氮时，第一级缺氧池与第二级缺氧池的内回流量之比与第一级缺氧池与第二级缺氧池的污水原水进水量之比相同。
所述的管式污泥破碎器包括管体，在管体的两端设置连接到回流管路上的法兰，在管体的内部间隔设置右旋破碎片与左旋破碎片，在右旋破碎片与左旋破碎片上分布有不锈钢凸起，所述的不锈钢凸起呈正四面体状，通过焊接固定在右旋破碎片或左旋破碎片上，分布间距为管径的10-20％，正四面体边长为分布间距的15-25％。管式污泥破碎器内部强剪切效应形成来自于管式污泥破碎器内液体快速左旋右旋所产生的速度梯度以及管内不规则突起所带来强摩擦力，管内速度梯度G可达1500S-1或更高，雷诺数Re可达10000或更高。通过增大进入管式污泥破碎器的污水流速，可以加强破碎效果。为加强管式污泥破碎器对内回流液中污泥絮体的破碎比率，可通过循环管路设计，实现内回流液多次流经管式污泥破碎器，以控制混合液中污泥絮体破碎程度，再分点回流到缺氧池。管式污泥破碎器可以使未完全破碎的污泥絮体当量粒径从2mm减小到1-0.5mm，粒径的减小使未完全破碎的污泥絮体表面保持高活性的小絮体结构，强化了絮体界面的传质性能，促进了废水中难降解有机物降解和硝化的效能。
作为优选，采用两级缺氧池、好氧池交替布置的装置进行污水生物脱氮时，在第二级好氧池液面下0.2-0.5m处浸没式悬挂厚度为0.3-0.6m的粒状介质生物膜组件，该生物膜组件放置于第二级好氧池末端，长度为好氧池总长的1/4-1/3，宽度为好氧池总宽的7/10-9/10。
本发明所述的生物膜组件为粒状介质生物膜组件，主要考虑性能为防堵塞性与孔隙率，因此选用轻质页岩陶粒或其他不易堵塞的轻质、多孔颗粒作为填料，挂膜后容重为0.95-1.05g/cm3，与污水密度相仿，可以在污水中呈现悬浮状态，适于微生物生长且不易堵塞，填料填充空间占组件总填充空间的70％-85％，优选为80％-85％。填料的粒径为10-20mm、容重0.36-0.8g/cm3、孔隙率≥45％、微孔内径不小于5μm的大或中孔发达的介质材料。
所述的页岩陶粒包裹在网格孔径小于0.8cm的滤网内，整体置于由不易腐蚀的高强度材料所构建的骨架中，再固定在好氧池内壁。
所述的缺氧池内的操作条件为：溶解氧不超过0.5mg/L(如0.2-0.5mg/L)，水力停留时间为2-6h，更优的，水力停留时间为3-5h。
所述的好氧池内的操作条件为：溶解氧为2-4mg/L，水力停留时间为8-16h，更优的，水力停留时间为12-15h。
所述的缺氧池或好氧池内污泥负荷范围0.15-0.5kg COD/(kg污泥·d)，优选为0.2-0.4kgCOD/(kg污泥·d)。
所述的末端好氧池的出水进入到二次沉淀工段进行沉淀处理。二次沉淀工段的具体操作可参照《水污染控制工程》(水污染控制工程，王郁主编，林逢凯副主编，化学工业出版社，2008)一书，优选地，所述二次沉淀工段的条件包括表面负荷率为1-1.5m3/(m2·h)。
缺氧工段和好氧工段依次分布，从流态上来说，污水整体依次经过缺氧-好氧-缺氧-好氧工段，上述发明内容中主要涉及两级工艺，若处理水量较大，处理要求较高，还可根据实际工况增加串联级数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益技术效果：
通过加入管式污泥破碎器，破碎了污泥絮体表面结构，既完成了污泥源头减量，也强化了污泥絮体对难降解有机物的降解能力。通过优化二级缺氧-好氧工艺的原水进水比和分点回流比，有效地改善了好氧工段的硝化效能，使得出水的COD值、氨氮含量和总氮水平均较低，在难降解有机物浓度较高条件下使得出水水质达到一级A标准。
运行过程中不需要投加药剂，能耗稍高于一般的硝化液回流，具有运行成本低，无副产物的优点。混合液回流比在2-4之间，故通过内回流破碎污泥絮体可实现显著的污泥减量。
本发明可实现对较难生物降解、且COD/TN较低(COD/TN≤5)废水的有效处理，使污泥源头减量30-60％，污泥毒性源头削减30-50％，出水COD较普通缺氧-好氧法降低25-35％，氨氮浓度降低25-40％，总氮浓度降低30-50％。
附图说明
图1为管式污泥破碎器安装位置与工艺整体流程示意图；
图2为管式污泥破碎器结构示意图。
图中标号：1：第一级缺氧池，2：第一级好氧池，3：第二级缺氧池，4：第二级好氧池，5：生物膜组件，6：二次沉池工段，7：管式污泥破碎器，71：管体，72：左旋破碎片，73：右旋破碎片，74：不锈钢凸起，75：连接法兰。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
在以下实施例中，在未作说明的情况下，使用的术语“溶解氧”是指在生物脱氮的条件下体系(L)中含有的氧气的量(mg)；“水力停留时间”是指待处理污水在反应器内的平均停留时间，也就是污水与反应器内微生物作用的平均反应时间，因此，如果反应器的有效容积为V(m3)，水流速度为Q(m3/h)，则：水力停留时间(HRT)＝V/Q，即水力停留时间等于反应器有效容积与水流速度之比。
以下将通过各实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，使用的活性污泥的污泥负荷为均为0.3kg COD/(kg污泥·d)；COD值的测定方法为重铬酸盐法(GB11914-89)；氨氮含量(NH4 +-N)的测定方法为纳氏试剂分光光度法(HJ535-2009)；硝酸盐氮含量(NO3 --N)的测定方法为紫外分光光度法(HJ 535-2009)；总氮水平(TN)的测定方法为碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法(HJ 636-2012)；SS含量的测定方法为重量法(GB 11901-89)。
实施例1
本实施例中，污水先进行均质(使废水混合均匀)，经过二级缺氧-好氧+生物膜组件反应器后再进行二次沉淀。
本实施例使用的处理系统如图1所示，第一级缺氧池1、第一级好氧池2、第二级缺氧池3及第二级好氧池4顺序连通，在第二级好氧池4液面下0.3米处加入厚度为0.5m的生物膜组件5，覆盖范围为池体总长的1/3，总宽度的9/10，位于池体末端，组件上表面与污水液面的距离为0.3米。第二级好氧池4出水连通二次沉池工段6。第二级好氧池4的出水通过回流管路分别回流至第一级缺氧池1与第二级缺氧池3内，在回流管路上设有管式污泥破碎器7，使污泥絮体所含的多糖和蛋白质等有机质暴露释放，随回流液补充缺氧池的有机碳源，提高反硝化脱氮效能，削减污泥产量。第一级好氧池2与第二级好氧池4内通入空气曝气。
管式污泥破碎器7结构如图2所示，包括管体71，在管体71的两端设置连接到回流管路上的连接法兰75，在管体71的内部间隔设置右旋破碎片73与左旋破碎片72，在右旋破碎片73与左旋破碎片72上设有不锈钢凸起74。管式污泥破碎器内部强剪切效应形成来自于管式污泥破碎器内液体快速左旋右旋所产生的速度梯度以及管内不规则突起所带来强摩擦力，通过增大进入管式污泥破碎器的污水流速，可以加强破碎效果。
某石化厂的一项工艺改造，所处理废水为电脱盐废水，采用两级缺氧-好氧工艺，具体关键步骤如下：首先，混合液在进入第一级缺氧池之前，先在管式污泥破碎器中通过液体自身的快速左旋右旋形成的强剪切力与不均匀摩擦形成的速度梯度将污泥剪切破碎，污泥絮体表面被破坏，其中的有机质比如多糖和蛋白质释放得到释放，破碎后的混合液进入第一级缺氧池与第二级缺氧池，补充缺氧池反硝化所需有机碳源，以强化脱氮、难降解有机物降解及污泥源头减量。表1为某石油化工厂电脱盐A/O工艺原水、混合液的性质及污泥絮体破碎的操作参数。
表1某电脱盐含油污水出水水质对比
混合液通过硝化液回流管道进入缺氧池进行反硝化，破碎污泥絮体作为有机碳源补充缺氧池反硝化所需碳源。
实施效果如下：采用该技术在混合液进缺氧区之前，实现30-50％的污泥絮体被破碎为胶体粒子，利用缺氧区较强的异养降解效能，实现污泥源头减量。系统进水平均流量为2000m3/d，COD平均值为2100mg/L,氨氮为75mg/L、总氮为200mg/L，石油类难降解有机物100mg/L。运行过程中，由于混合液破碎污泥絮体，经过A/O工艺处理后，出水COD较改造前降低28.5％，氨氮降低50％，总氮降低约40％，可实现约40％污泥源头减量，每年可减排80％含水率污泥约120余吨。
实施例2
某煤化工厂煤制气废水，采用原处理技术总氮以及COD均不能稳定达标。采用本技术改造后8，其主要工艺路线如下：首先，污水通过厌氧消化工段，去除大量有机污染物，使得进水COD维持在500mg/L左右，然后以7:3的比例分别进入一级、二级缺氧池，然后泥水混合液以相同比例经管式污泥破碎器后进入各级缺氧池，污泥被强湍流剪切破碎，絮体表面被破坏，释放如多糖、蛋白质等有机质，补充缺氧池反硝化所需有机碳源，以强化脱氮、难降解有机物降解及污泥源头减量。本实施例中所处理某石油化工厂煤制气废水，其主要特点为总氮氨氮含量高，且含有挥发酚类难降解有机污染物，具体水质及处理效果见表2，对难降解有机物处理效果对比见表3：
表2某煤制气废水经不同处理方法出水水质对比
表3本发明与传统A/O对煤制气废水难降解有机污染物降解情况对比
注：有机物浓度通过气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)进行测量
从表3中可以看到除了庚酸，三甲基(2-甲丁基)-硅烷，3-[(三甲基硅)氧]-苯酚和2-[(三甲基硅)氧]-苯酚，其余难降解有机物均在本发明中得到了完整去除，证明污泥絮体经破碎处理后活性提高，强化了对难降解有机物得去除效果。
实施总体效果如下：系统进水平均流量为200m3/d，COD平均值为500mg/L,总氮为150mg/L、难降解有机物85mg/L。运行过程中，由于混合液破碎污泥絮体，经过A/O工艺处理后，出水COD较改造前降低43％，氨氮降低42％，总氮降低约29％，同时实现约50％污泥源头减量，毒性源头削减约35％，每年可减排80％含水率污泥约40余吨。
从上述两例实施例中可以看到，管式污泥破碎器与两级缺氧-好氧工艺连用，可以使得出水水质得到提升，并且破碎后的小絮体的确能有效降低难降解有机物的出水浓度，同时，因污泥絮体外层被剪切掉，污泥中裹夹的毒性有机物可被充分降解。
实施例3
一种难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法，使用的处理系统如图1所示，第一级缺氧池1、第一级好氧池2、第二级缺氧池3及第二级好氧池4顺序连通，在第二级好氧池4液面下0.3米处加入厚度为0.5m的生物膜组件5，覆盖范围为池体总长的1/3，总宽度的9/10，位于池体末端，组件上表面与污水液面的距离为0.3米。第二级好氧池4出水连通二次沉池工段6。第二级好氧池4的出水通过回流管路分别回流至第一级缺氧池1与第二级缺氧池3内，在回流管路上设有管式污泥破碎器7，使污泥絮体所含的多糖和蛋白质等有机质暴露释放，随回流液补充缺氧池的有机碳源，提高反硝化脱氮效能，削减污泥产量。第一级好氧池2与第二级好氧池4内通入空气曝气。
管式污泥破碎器7结构如图2所示，包括管体71，在管体71的两端设置连接到回流管路上的连接法兰75，在管体71的内部间隔设置右旋破碎片73与左旋破碎片72，在右旋破碎片73与左旋破碎片72上设有不锈钢凸起74。管式污泥破碎器内部强剪切效应形成来自于管式污泥破碎器内液体快速左旋右旋所产生的速度梯度以及管内不规则突起所带来强摩擦力，通过增大进入管式污泥破碎器的污水流速，可以加强破碎效果。
本实施例中，污水原水COD/TN为2:1，第一级缺氧池与第二级缺氧池的进水分流比按5:5操作；控制第二级好氧池的出水内回流比为3；且第一级缺氧池与第二级缺氧池的内回流量之比与第一级缺氧池与第二级缺氧池的污水原水进水量之比相同，均为5:5。
在第二级好氧池液面下0.5m处浸没式悬挂厚度为0.6m的粒状介质生物膜组件，该生物膜组件放置于第二级好氧池末端，长度为好氧池总长的1/3，宽度为好氧池总宽的7/10。选用轻质页岩陶粒作为填料，挂膜后容重为1g/cm3，与污水密度相仿，可以在污水中呈现悬浮状态，适于微生物生长且不易堵塞，填料填充空间占组件总填充空间的80％，填料的粒径为15mm、容重0.6g/cm3、孔隙率≥45％。且页岩陶粒包裹在网格孔径小于0.8cm的滤网内，整体置于由不易腐蚀的高强度材料所构建的骨架中，再固定在好氧池内壁。
缺氧池内的操作条件为：溶解氧不超过0.5mg/L，水力停留时间为5h，好氧池内的操作条件为：溶解氧为3mg/L，水力停留时间为12h，缺氧池或好氧池内污泥负荷范围0.3kgCOD/(kg污泥·d)。
第二级好氧池的出水进入到二次沉淀工段进行沉淀处理。二次沉淀工段的具体操作可参照《水污染控制工程》(水污染控制工程，王郁主编，林逢凯副主编，化学工业出版社，2008)一书。
本实施例可实现对较难生物降解、使污泥源头减量40％，污泥毒性源头削减40％，出水COD较普通缺氧-好氧法降低35％，氨氮浓度降低40％，总氮浓度降低35％。
上述的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使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法，其特征在于，采用缺氧池、好氧池交替布置、连续排列并连通的装置进行污水生物强化脱氮，污水原水分流进入到各缺氧池内，末端好氧池的出水通过回流管路分别回流至各缺氧池内，在回流管路上设有管式污泥破碎器，使污泥絮体所含的有机质暴露释放，随回流液补充缺氧池的有机碳源，提高反硝化脱氮效能；
所述的缺氧池内的操作条件为：溶解氧不超过0.5mg/L，水力停留时间为2-6h；
所述的好氧池内的操作条件为：溶解氧为2-4mg/L，水力停留时间为8-16h；
所述的缺氧池或好氧池内污泥负荷范围0.2-0.4kgCOD/(kg污泥·d)；
采用两级缺氧池、好氧池交替布置的装置进行污水生物脱氮时，在第二级好氧池液面下0.2-0.5m处浸没式悬挂厚度为0.3-0.6m的粒状介质生物膜组件，该生物膜组件放置于第二级好氧池末端，长度为好氧池总长的1/4-1/3，宽度为好氧池总宽的7/10-9/10；
控制末端好氧池的出水内回流比为2-4；
当采用两级缺氧池、好氧池交替布置的装置进行污水生物脱氮时，第一级缺氧池与第二级缺氧池的内回流量之比与第一级缺氧池与第二级缺氧池的污水原水进水量之比相同。
2.根据权利要求1所述的一种难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法，其特征在于，采用两级缺氧池、好氧池交替布置的装置进行污水生物脱氮，第一级缺氧池与第二级缺氧池的进水分流比按5:5或7:3操作；
当污水原水COD/TN低于3时，第一级缺氧池与第二级缺氧池的进水分流比按5:5操作；
当污水原水COD/TN大于3时，第一级缺氧池与第二级缺氧池的进水分流比按7:3操作。
3.根据权利要求1所述的一种难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法，其特征在于，所述的管式污泥破碎器包括管体，在管体的两端设置连接到回流管路上的法兰，在管体的内部间隔设置右旋破碎片与左旋破碎片。
4.根据权利要求3所述的一种难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法，其特征在于，在右旋破碎片与左旋破碎片上分布有不锈钢凸起，所述的不锈钢凸起呈正四面体状，通过焊接固定在右旋破碎片或左旋破碎片上，分布间距为管径的10-20％，正四面体边长为分布间距的15-25％。
5.根据权利要求1所述的一种难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法，其特征在于，所述的生物膜组件的填充物质为页岩陶粒或不易堵塞的轻质多孔颗粒，挂膜后容重为0.95-1.05g/cm3，填料填充空间占组件总填充空间的70％-85％，填料的粒径为10-20mm、容重0.36-0.8g/cm3、孔隙率≥45％、微孔内径不小于5μm的大或中孔发达的介质材料。
6.根据权利要求1所述的一种难降解高浓度有机工业废水生物强化脱氮的处理方法，其特征在于，所述的末端好氧池的出水进入到二次沉淀工段进行沉淀处理。
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