CN106032295A

CN106032295A - 复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法

Info

Publication number: CN106032295A
Application number: CN201510100176.9A
Authority: CN
Inventors: 陆鹏; 王陆军; 王尧
Original assignee: This Water Utilities Science And Technology Ltd Of Wald Beijing
Current assignee: This Water Utilities Science And Technology Ltd Of Wald Beijing
Priority date: 2015-03-09
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2016-10-19
Anticipated expiration: 2035-03-09
Also published as: CN106032295B

Abstract

本发明涉及复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法，废水首先进入能量释放区，能量释放区的溢流堰出水分为两路，一路进入严格厌氧区，另一路进入生物选择区；在生物选择区内，从严格厌氧区回流的污泥和进水进行充分混合，随后进入复合微生物反应区；在复合微生物反应区内发生短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、全程自养脱氮、同时硝化反硝化等过程，从而达到脱氮目的；废水经过复合微生物反应区后进入泥水分离区，在泥水分离区分离出的清水进入除磷区进行除磷，最终使废水达到排放标准或回用水的预处理标准。该方法是对原有传统污水处理工艺的一个全新突破，在较低溶解氧的环境下，高污泥浓度、高去除率使得废水处理的能耗大幅下降。

Description

复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法

技术领域

本发明涉及复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法。

背景技术

目前，生活污水和工业废水的种类和排放量日益增多，成分更加复杂，其中含有许多难降解有机物，如染料、酚、苯酚、农药、多氯联苯、多环芳烃、硝基芳烃化合物、烷基苯磺酸及腐殖酸等。这些难降解有机物大部分是人工合成的有机物，且大多为有毒有机污染物，其具有以下特点：难于降解，在环境中有一定的残留水平，具有生物富集性、三致(致突变、致畸变、致癌变)作用和毒性，还有一些物质具有内分泌干扰作用。相对于水体中的天然有机物，它们对人体的健康危害更大。同时，人工合成化合物往往吸附在悬浮颗粒物上和底泥中，成为不可移动的一部分。所以，一旦这种污染物在水体中存在，它们对环境生态的影响和危害是长期的。因此，如何有效地去除废水中的难降解有机物成为目前水处理过程中的一个重要方向。

几种典型的高浓度有机废水，如焦化废水、制药废水、纺织、印染废水、石油/化工废水等，其主要生产工段的出水COD浓度一般均在2000～5000mg/L以上，有的工段出水甚至超过10000mg/L，即使是各工段的混合水，一般也均在2000mg/L左右。利用传统的废水生化处理方法难以达到排放要求，且废水中的抗生素等成分有可能抑制废水中有益微生物的生长，破坏废水生化处理系统的良好运行。目前，对于此类难降解有机废水的处理，仍大都选用以生化法为主的处理技术，因此，须采用其它方法对其进行预处理，以提高废水的可生化性或改善废水的生化特征，使废水二级生化处理更为有效。本课题通过研究氮元素在水体中的存在形式及转移过程，考察在不同pH值、反应时间、不同的污泥浓度下可生化性的影响，旨在探索一种有效且经济的生化处理方法，为工程实践提供参考。

相关技术在国内外的研究现状和发展趋势

随着近代生物学的发展以及人们对生物技术的掌握，污水脱氮除磷技术由以单纯的工艺改革向着以生物学特性研究、促进工艺改革的方向发展，以达到高效低耗。近年来，国内外学者对污水生物脱氮工程实践中暴露的问题和现象进行大量理论和试验研究，力求缩短脱氮的转化过程，并提出了一些突破传统理论的新认识及新发现。在此基础上本工艺提出了氮短程硝化反硝化(ScND)、厌氧氨氧化、全程自养脱氮、同时硝化反硝化(StND)。

短程硝化反硝化(ScND)

生物硝化反硝化是应用最广泛的脱氮方式，是去除水中氨氮的一种较为经济的方法，其原理就是模拟自然生态环境中氮的循环，利用硝化菌和反硝化菌的联合作用，将水中氨氮转化为氮气以达到脱氮目的。由于氨氮氧化过程中需要大量的氧气，曝气费用成为这种脱氮方式的主要开支。短程硝化反硝化是将氨氮氧化控制在亚硝化阶段，然后进行反硝化，省去了传统生物脱氮中由亚硝酸盐氧化成硝酸盐，再还原成亚硝酸盐两个环节(即将氨氮氧化至亚硝酸盐氮即进行反硝化)。该技术具有很大的优势：①节省空气供应量，降低能耗；②减少额外碳源的投加，在C/N较低的情况下实现反硝化脱氮；③缩短反应历程，节省容积；④降低污泥产量。实现短程硝化反硝化生物脱氮技术的关键就是将硝化控制在亚硝酸阶段，阻止亚硝酸盐的进一步氧化。

厌氧氨氧化

厌氧氨氧化是指在厌氧条件下氨氮以亚硝酸盐为电子受体直接被氧化成氮气的过程。厌氧氨氧化(Anaerobicammoniaoxidation，简称ANAMMOX)是指在厌氧条件下，以Planctomycetalessp为代表的微生物直接以NH₄ ⁺为电子供体，以NO₂ ^-或NO₃ ^-为电子受体，将NH₄ ⁺、NO₂ ^-或NO₃ ^-转变成N₂的生物氧化过程。该过程利用独特的生物机体以硝酸盐作为电子供体把氨氮转化为N₂，最大限度的实现了氮的循环厌氧硝化，这种耦合的过程对于从厌氧硝化的废水中脱氮具有很好的前景，对于高氨氮低COD的污水由于硝酸盐的部分氧化，大大节省了能源。目前推测厌氧氨氧化有多种途径。其中一种是羟氨和亚硝酸盐生成N₂O的反应，而N₂O可以进一步转化为氮气，氨被氧化为羟氨。另一种是氨和羟氨反应生成联氨，联氨被转化成氮气并生成4个还原性[H]，还原性[H]被传递到亚硝酸还原系统形成羟氨。第三种是：一方面亚硝酸被还原为NO，NO被还原为N₂O，N₂O再被还原成N₂；另一方面，NH₄ ⁺被氧化为NH₂OH，NH₂OH经N₂H₄，N₂H₂被转化为N₂。厌氧氨氧化工艺的优点：可以大幅度地降低硝化反应的充氧能耗；免去反硝化反应的外源电子供体；可节省传统硝化反硝化反应过程中所需的中和试剂；产生的污泥量极少。

全程自养脱氮(CANON)

全程自养脱氮的全过程实在一个反应器中完成。Hippen等人发现在限制溶解氧(DO浓度为0.8-1.0mg/l)和不加有机碳源的情况下，有超过60％的氨氮转化成N₂而得以去除。同时Helmer等通过实验证明在低DO浓度下，细菌以亚硝酸根离子为电子受体，以铵根离子为电子供体，最终产物为氮气。有实验用荧光原位杂交技术监测全程自养脱氮反应器中的微生物，发现在反应器处于稳定阶段时即使在限制曝气的情况下，反应器中任然存在有活性的厌氧氨氧化菌，不存在硝化菌。有85％的氨氮转化为氮气。鉴于以上理论，全程自养脱氮可能包括两步，第一步是将部分氨氮氧化为亚硝酸盐，第二步是厌氧氨氧化。

同时硝化/反硝化(StND)

基本概念与原理：当好氧环境与缺氧环境在一个反应器中同时存在，硝化和反硝化在同一反应器中同时进行时则称为同时硝化/反硝化(StND)。同时硝化/反硝化不仅可以发生在生物膜反应器中，如流化床、曝气生物滤池、生物转盘；也可以发生在活性污泥系统中，如曝气池、氧化沟。但目前对StND现象的机理还没有一致的解释，一般认为三个主要机理是：①混合形态。由于充氧装置的充氧不均和反应器的构造原因，造成生物反应器形态不均，在反应器内形成缺氧/厌氧段。此种情况称为生物反应的大环境，即宏观环境。②菌胶团或生物膜。缺氧/厌氧段可在活性污泥菌胶团或生物膜内部形成，即微观环境。③生物化学作用。在过去几年中，许多新的氮生物化学菌族被鉴定出来，其中包括部分菌种以组团形式对StND起作用，包括起反硝化作用的自养硝化菌及起硝化作用的异养菌。

在生产规模的生物反应器中，完全均匀的混合状态并不存在。菌胶团内部的溶解氧梯度目前也已被广泛认同，使实现StND的缺氧/厌氧环境可在菌胶团内部形成。由于生物化学作用而产生的StND更具实质意义，它能使异养硝化和好氧反硝化同时进行，从而实现低碳源条件下的高效脱氮。同时硝化/反硝化的活性污泥系统为今后简化生物脱氮技术并降低投资提供了可能性。

传统硝化反硝化脱氮技术，硝化和反硝化仍然是在两个独立的或分隔的具有不同DO浓度的反应器中进行，或者是在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行，一个过程分成两个系统，条件控制复杂，两者难以在时间和空间上统一，脱氮效果差，设备庞大，投资高。显然，如果两个过程能够在同一个反应器中同时进行，则可节省更多的占地面积，还可避免NO^2-氧化成NO^3-及NO^3-再还原成NO^2-这两个多余的反应，从而可节省约25％的O₂和40％以上的有机碳；另外，微生物硝化过程中耗氧、耗碱度、无需COD，而反硝化过程则与之相反，厌氧及缺氧产生碱度、需消耗大量的COD。所以，如能在同一个反应器中实现同时硝化反硝化并达到两个过程的动力学平衡，将大大简化生物法脱氮的上艺流程，提高生物脱氮的效率，并节省投资。这正是近年来国内外为了克服传统物脱氮工艺的缺点而正在积极研究开发的同步硝化反硝化(StND)生物脱氮新技术。

发明内容

本发明提出复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法，该方法是对原有传统污水处理工艺的一个全新突破，在较低溶解氧的环境下，高污泥浓度、高去除率的前提下，使废水处理的能耗大幅下降。

本发明的技术方案是这样实现的：

复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法，包括能量释放区、生物选择区、复合微生物反应区、泥水分离区、严格厌氧区和除磷区；废水首先进入能量释放区，能量释放区的溢流堰出水分为两路，一路进入严格厌氧区，为释磷提供碳源，另一路进入生物选择区，为脱氮生化提供碳源；在生物选择区，从严格厌氧区回流的污泥和能量释放区的进水充分混合后进入复合微生物反应区；在复合微生物反应区内进行生物脱氮，在低溶解氧的情况下发生短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、全程自养脱氮、同时硝化反硝化等过程以达到脱氮目的，上述反应都在复合微生物反应区内进行，复合微生物反应区的折流段溶解氧的浓度较低，通常低于0.2mg/L，但溶解氧沿着池长递增，在复合微生物反应区的末端为0.3-0.9mg/L；废水经过复合微生物反应区后进入泥水分离区，在泥水分离区分离出的清水进入除磷区，泥水分离区的污泥进入严格厌氧区与能量释放区的部分出水混合；清水进入除磷区通过快速澄清池进行化学生化结合反应达到除磷的目的，最终使废水达到排放标准或回用水的预处理标准。

所述生物选择区、所述复合微生物反应区、所述泥水分离区和所述严格厌氧区组成循环环流。

所述严格厌氧区内设置空气搅拌以防止污泥沉降；泥水分离区的污泥进入严格厌氧区与能量释放区的部分出水混合后，严格厌氧区的泥水混合物在回流泵的作用下进入生物选择区和能量释放区出来的另一部分废水混合之后再进入下一个循环。

所述泥水分离区内设有沉降区，所述泥水分离区为加强泥水分离效果而设置斜板或斜管高效沉降，所述沉降区底部的污泥通过机械设备推流到严格厌氧区。

所述复合微生物反应区内溶解氧浓度在0.3mg/L～0.9mg/L的区间内通过变频风机进行曝气强度控制，使溶解氧浓度在设计值的±0.1mg/L范围内波动。

所述复合微生物反应区进行脱氮处理的污泥浓度为6-9g/L。

在溶解氧的控制上通过溶解氧控制仪的数值传输到PLC控制器，再经过PLC已设置的数值进行风机风量的调整。为了达到一个完美的处理效果，不断地对分点进水水量和溶解氧进行调整。为了达到节能的目的，尽量调低溶解氧的控制点和污泥浓度。在生物脱氮的新理论和工程实践中发现，溶解氧在1.0mg/L的情况下，废水的去除率得以提高而能耗却大幅下降，因此溶解氧的控制不是传统的2.0mg/L，而是在1.0mg/L的条件下对污泥进行驯化，在废水处理达标的情况下，不断减小溶解氧的设定值，实现菌种的优胜劣汰竞争，而不是人为的设置某一个数值，废水处理根据废水的水质不同而达到一个完美的动态平衡。

在本方法中，由于特殊的条件控制和微生物特性，短程-同时硝化反硝化(SSND)也会起到至关重要的作用。

本方法中的硝化和反硝化在同一池体内完成，在溶解氧控制在1.0mg/L的情况下，氮短程硝化反硝化(ScND)、厌氧氨氧化、全程自养脱氮、同时硝化反硝化(StND)等都在池体内有序而平衡的进行。而且污泥浓度不断提高，根据污泥龄进行排泥，保证短程反硝化的菌类成为优势菌种。当污泥浓度高于9mg/L的时候污泥絮体的直径变得更小，出水水质变差。通过提高污泥浓度、减小生化池体的体积及硝化和反硝化在同一个池体内，不仅减少土建投资费用而且减少了工艺步骤、工艺设备和操作工人的工作强度。

本发明的有益效果为：

本发明提供的废水脱氮处理系统通过污泥回流到生物选择区进行污泥选择和交换，最大限度的利用了水中的有机物进行脱氮；且向水体中溶入适量空气，能够把污水中的氨氮部分氧化为亚硝酸盐，并使亚硝酸盐在低氧环境下还原为N₂，从而去除污水中的氨氮，实现了短程硝化反硝化(ScND)，减少了反硝化碳源的需求量，从而对低碳高氮废水的处理能力得到了大幅提升，能够满足施行的总氮的排放控制标准；对于总磷通过外排活性污泥和化学除磷来提升了排水的出水指标，能够满足施行的总磷的排放控制标准。

附图说明

图1为本发明所述的复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例所述的复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法，包括能量释放区、生物选择区、复合微生物反应区、泥水分离区、严格厌氧区和除磷区；废水首先进入能量释放区，能量释放区的溢流堰出水分为两路，一路进入严格厌氧区，为释磷提供碳源，另一路进入生物选择区，为脱氮生化提供碳源；在生物选择区，从严格厌氧区回流的污泥和能量释放区的进水通过曝气管充分混合后进入复合微生物反应区；在复合微生物反应区内进行生物脱氮，在低溶解氧的情况下发生短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、全程自养脱氮、同时硝化反硝化等过程以达到脱氮目的，上述反应都在复合微生物反应区内进行，复合微生物反应区的折流段溶解氧的浓度较低，通常低于0.2mg/L，但溶解氧沿着池长递增，在复合微生物反应区的末端为0.3-0.9mg/L；废水经过复合微生物反应区后进入泥水分离区，在泥水分离区分离的清水进入除磷区，泥水分离区的污泥进入严格厌氧区与能量释放区的部分出水混合后，严格厌氧区的泥水混合物在回流泵的作用下进入生物选择区和能量释放区出来的另一部分废水混合之后再进入下一个循环；清水进入除磷区通过快速澄清池进行化学生化反应结合达到除磷的目的，使废水达到排放标准或回用水的预处理标准。

实例1

某养猪沼气池外排沼液，废水中COD、氨氮浓度较高，原有工艺为A/O/A/O工艺，应用本发明提供的生物处理技术进行改造，控制污泥浓度在8.5g/l，溶解氧浓度控制在0.3～0.5mg/L。改造后工艺流程为：复合微生物反应池+人工湿地+出水，系统运行良好，运行成本比原有工艺降低了一半，各项出水指标如下表1所示：

表1

改造前，养猪场的操作人员为保证缺氧池的溶解氧在0.1——0.5的范围内，由于沼液的早晚等排放的浓度差异较大，每天多次对风机转速变频器进行手动调整；改造后，加入自动控制仪表，设备在设计控制的范围内运行平稳，出水水质稳定，耐冲击负荷能力得到提高。

实例2

印染废水

印染废水是指印染加工过程中各工序所排放的废水混合而成的混合废水。主要包括：预处理阶段(如烧毛、退浆、煮练、漂白、丝光)排放的退浆、煮练、漂白、丝光废水；染色阶段排放的染色废水；印花阶段排放的印花废水和皂洗废水；整理阶段排放的整理废水。具有水量大、有机污染物含量高、碱性大、水质变化大等特点。项目改造前，企业每天都很担心污水超标排放问题；改造后，出水水质得到很大提高，而且运行费用降低40％。各项出水指标如下表2所示：

表2

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法，其特征在于：包括能量释放区、生物选择区、复合微生物反应区、泥水分离区、严格厌氧区和除磷区；废水首先进入能量释放区，能量释放区的溢流堰出水分为两路，一路进入严格厌氧区，为释磷提供碳源，另一路进入生物选择区，为脱氮生化提供碳源；在生物选择区，从严格厌氧区回流的污泥和能量释放区的进水通过曝气管充分混合后进入复合微生物反应区；在复合微生物反应区内进行生物脱氮，在低溶解氧的情况下发生短程硝化反硝化、厌氧氨氧化、全程自养脱氮、同时硝化反硝化等过程来达到脱氮目的，上述反应都在复合微生物反应区内进行，复合微生物反应区的折流段溶解氧的浓度较低，通常低于0.2mg/L，但溶解氧沿着池长递增，在复合微生物反应区的末端为0.3-0.9mg/L；废水经过复合微生物反应区后进入泥水分离区，在泥水分离区分离出的清水进入除磷区，泥水分离区的污泥进入严格厌氧区与能量释放区的部分出水混合；清水进入除磷区通过快速澄清池进行化学生化结合反应达到除磷的目的，最终使废水达到排放标准或回用水的预处理标准。

2.根据权利要求1所述的复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法，其特征在于：所述生物选择区、所述复合微生物反应区、所述泥水分离区和所述严格厌氧区组成循环环流。

3.根据权利要求1所述的复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法，其特征在于：所述严格厌氧区内设置空气搅拌以防止污泥沉降；泥水分离区的污泥进入严格厌氧区与能量释放区的部分出水混合后，严格厌氧区的泥水混合物在回流泵的作用下进入生物选择区与能量释放区出来的另一部分废水混合之后再进入下一个循环。

4.根据权利要求1所述的复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法，其特征在于：所述泥水分离区内设有沉降区，所述泥水分离区为加强泥水分离效果而设置斜板或斜管高效沉降，所述沉降区底部的污泥通过机械设备推流到严格厌氧区。

5.根据权利要求1所述的复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法，其特征在于：所述复合微生物反应区内溶解氧浓度在0.3mg/L～0.9mg/L的区间内通过变频风机进行曝气强度控制，使溶解氧浓度在设计值的±0.1mg/L范围内波动。

6.根据权利要求1所述的复合微生物高效处理高浓度有机废水的强化脱氮除磷方法，其特征在于：所述复合微生物反应区进行脱氮处理的污泥浓度为6-9g/L。