CN107973406B

CN107973406B - 一种实现污水中有机物和氨氮分离的装置和方法

Info

Publication number: CN107973406B
Application number: CN201711314364.7A
Authority: CN
Inventors: 刘军; 李光辉; 徐兰; 李媛; 潘冠言; 张志航
Original assignee: Guangzhou Yuntai Electric Power Complete Equipment Co ltd
Current assignee: Guangzhou Yuntai Electric Power Complete Equipment Co ltd
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2023-10-03
Anticipated expiration: 2037-12-12
Also published as: CN107973406A

Abstract

本发明公开了一种实现污水中有机物和氨氮分离的装置和方法。这种装置包括生物吸附池、沉淀池和污泥再生池。同时公开了使用该装置处理污水的方法，包括以下步骤：1)将污水与短世代污泥在生物吸附池内混合，得到泥水混合物；2)生物吸附池的泥水混合物自流进入沉淀池反应，反应后得到的上清液送至硝化反应池处理，富含进水碳源的沉积物则分别送至污泥再生池和缺氧反硝化池处理；3)沉积物在污泥再生池进行曝气处理，所得的混合物回流至生物吸附池循环利用。本发明提供一种生物吸附‑沉淀的污水处理方法，其工艺简单，能实现污水中有机物和氨氮分离，可显著提高污水碳源利用效率，强化生物脱氮除磷，且投资少，能够降低污水处理厂运行费用。

Description

一种实现污水中有机物和氨氮分离的装置和方法

技术领域

本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种实现污水中有机物和氨氮分离的装置和方法。

背景技术

N、P等营养盐是湖泊、河道、水库等地表水富营养化重要因素，随着国家对水污染治理力度加强，污水处理厂出水总氮、总磷的控制将日趋严格。

在污水处理厂二级生化处理工艺中，TN、TP除去能力与碳源关系密切，提高碳源利用效率是污水脱氮除磷的关键。在城镇污水中，有机物和氨氮是二类共存的主要污染物，城镇污水处理系统经过生物氧化、硝化、反硝化、释磷聚磷等过程，实现脱氮、除磷和除去COD。生物氧化和硝化过程在好氧池发生，往往优先进行生物氧化，使污水BOD降至25mg/L以下后，而后进行硝化反应，将氨氮转化为硝态氮，好氧池消耗了大部分碳源；反硝化过程是在硝化过程完成后进行的，需要优质碳源，在常规的A/O、A²/O等工艺，主要通过硝化液回流实现的，在进水氨氮含量高的情况下，只能通过提高回流比来实现较高的TN除去率，回流比则增加往往稀释了缺氧池碳源浓度，降低反硝化反应时间，进一步降低碳源利用效率；常规的A/O、A²/O等工艺中生物氧化、硝化、反硝化、释磷聚磷等过程共用一套污泥系统，而这四种功能微生物菌群所需要泥龄不同，特别是硝化菌和聚磷菌泥龄相差甚远，使脱氮和除磷存在一定矛盾。

如果采用适当方法将污水中有机物和氨氮进行分离，COD含量低的氨氮污水，可通过高效硝化反应器进行硝化，而COD含量高的污水可作为碳源进入反硝化池进行高效反硝化，提高碳源利用效率；这一过程中COD主要通过反硝化除去，降低了生物氧化除COD比例，节省曝气量；二级生化系统污泥主要源于COD生物氧化过程，生物氧化率降低有利于减少污水处理厂污泥产率，降低运营成本。

因此，实现污水中有机物和氨氮分离，对提高污水处理厂碳源利用效率，实现高效脱氮除磷，降低运营成本具有十分重要意义。

发明内容

本发明目的在于克服现有污水处理厂提高碳源利用效率方法的不足，生物脱氮除磷效率低的问题，从而提供一种实现污水中有机物和氨氮分离的装置和方法。该装置和方法既可应用于新建小型污水处理设施，提供一种高度集成化污水处理模块；也可利用现有污水处理厂初沉池或厌氧池，进行提标扩容改造。

本发明所采取的技术方案是：

一种实现污水中有机物和氨氮分离的装置，包括生物吸附池、沉淀池和污泥再生池；生物吸附池设有污水入口和出水口，沉淀池设有进水口、出水堰和沉积物出口，污泥再生池设有进料口和出料口；生物吸附池的出水口通过管道与沉淀池的进水口相连接；沉淀池的沉积物出口通过管道与污泥再生池的进料口相连接，污泥再生池的出料口通过管道与生物吸附池的污水入口相连接；生物吸附池通过管道与短世代污泥投加装置相连接；污泥再生池的底部设有曝气装置。

装置中，生物吸附池内设有搅拌机。

装置中，出水堰位于沉淀池的顶部，出水堰通过管道与硝化反应池相连接。

装置中，沉淀池的沉积物出口通过管道与缺氧反硝化池相连接。

装置中，污泥再生池的曝气装置通过管道与风机相连接。

一种实现污水中有机物和氨氮分离的方法，是使用上述的装置进行污水处理，包括以下步骤：

1)将污水与短世代污泥在生物吸附池内混合，得到泥水混合物；

2)生物吸附池的泥水混合物自流进入沉淀池反应，反应后得到的上清液送至硝化反应池处理，富含进水碳源的沉积物则分别送至污泥再生池和缺氧反硝化池处理；

3)沉积物在污泥再生池进行曝气处理，所得的混合物回流至生物吸附池循环利用。

步骤1)中，生物吸附池内混合物的MLSS≥3000mg/L，生物吸附池的停留时间为30min～60min。

步骤1)中，短世代污泥的泥龄为0.3天～0.8天。

步骤2)中，沉淀池的表面负荷为1.8m/h～2.2m/h。

步骤3)中，污泥再生池的溶解氧为3mg/L～4mg/L，污泥再生池的停留时间为10min～20min。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种生物吸附—沉淀的污水处理方法，其工艺简单，能实现污水中有机物和氨氮分离，可以显著提高污水碳源利用效率，强化生物脱氮除磷，且投资少，能够降低污水处理厂运行费用。

具体如下：

1、本发明装置通过短世代特种污泥的生物吸附作用，将污水中60％以上有机物吸附、絮凝，富集于沉积物中，并进行水解、酸化，提高有机物利用效率，取消初沉池，使悬浮有机物也得以充分利用。

2、经过本发明装置处理，60％以上有机物富集于沉积物中，而90％氨氮则位于上清液中，实现了污水中有机物和氨氮分离，由于上清液COD含量低，使得硝化反应效率大大提高。

3、本发明装置污水中有机物主要通过反硝化脱氮除去，减少污水处理系统中相较于生物氧化过程所需曝气量，节省运行费用。

4、二级生化系统污泥主要源于COD生物氧化过程，有机物经本发明装置被富集后，通过缺氧池反硝化过程被消耗，而这一过程污泥产率低，使污水COD生物氧化率降低，有利于减少污水处理厂污泥产率，降低运营成本。

5、本发明生物吸附特种污泥世代短，经过厌氧-好氧选择后，微生物具有PAO功能，进入缺氧池能过量摄磷，实现反硝化除磷，一碳二用，进一步节省碳源。

附图说明

图1是本发明装置的示意图；

图2是本发明验证污水脱氮除磷效果的装置示意图。

具体实施方式

优选的，装置中，生物吸附池内设有搅拌机。

优选的，装置中，出水堰位于沉淀池的顶部，出水堰通过管道与硝化反应池相连接。

优选的，装置中，沉淀池的沉积物出口通过管道与缺氧反硝化池相连接。

优选的，装置中，污泥再生池的曝气装置通过管道与风机相连接。

优选的，步骤1)中，生物吸附池内混合物的MLSS≥3000mg/L，生物吸附池的停留时间为30min～60min。

优选的，步骤1)中，短世代污泥的泥龄为0.3天～0.8天。

优选的，步骤2)中，沉淀池的表面负荷为1.8m/h～2.2m/h。

进一步的，步骤2)中，泥水混合物在沉淀池中进行水解、酸化、絮凝、沉淀反应。

优选的，步骤3)中，污泥再生池的溶解氧为3mg/L～4mg/L，污泥再生池的停留时间为10min～20min。

下面对本发明的技术方案作进一步说明。

污水中有机物主要包括可溶性有机物、胶体有机物和悬浮有机物，其中胶体有机物和悬浮有机物约占污水总有机物含量60％以上，通过生物吸附，可将这部分有机物富集在沉积物中，而吸附过程的水解、酸化作用，将大大提高这部分有机物可生化性。

本发明的生物吸附反应器由生物吸附池、沉淀池和污泥再生池组成的。污水经过粗格栅、沉砂池、细格栅除渣后，进入生物吸附池，生物吸附池停留时间为0.5-1h，设置搅拌装置，生物吸附池在极高有机负荷和厌氧环境下运行，其污泥泥龄0.3-0.8d，在这种情况下，较高级的真核生物难以生存，只有某些世代短的微生物才能适应环境并得以繁殖，这些污泥经过高DO曝气再生处理后，具有很强的吸附性能和絮凝性能，而污水中含有大量适应污水水质特点微生物，这些微生物也具有自发絮凝性，污水和再生池的回流污泥混合，在生物吸附池进行充分传质混合，污水中60％以上有机物被吸附、絮凝，进入沉淀池，经过沉淀后，大部分碳源被富集在沉积物中，并进行水解、酸化，将大大提高这部分有机物的可生化性的同时，这部分沉积物也可直接作为碳源，进入厌氧池或缺氧池，作为反硝化脱氮除磷的碳源。此外，生物吸附反应器沉淀池上的清液富集了污水中约30％碳源和90％以上氨氮，由于COD含量低，硝化反应效率大大提高，直接进入好氧池进行硝化处理。沉淀池部分污泥进入再生池进行曝气再生，再生池DO为3-4mg/L，停留时间为10-20min，污泥经曝气再生后，回流至生物吸附池。

本发明生物吸附和絮凝沉淀方法不同于两段活性污泥法(AB法)。AB法高效吸附污泥主要依靠污水管道输送过程中繁殖的微生物进行补充，而本方法主要依靠再生池，通过高效曝气实现污泥再生；低世代活性污泥经过不断厌氧-好氧环境进行选择，筛选出具有较强聚磷功能微生物菌群(PAO)，而AB法没有营造厌氧-好氧环境，难以筛选出PAO功能菌；本发明目标是实现污水中有机物和氨氮分离，分离后的产物分别进入缺氧池和好氧池，实现高效反硝化和硝化；而AB法的主要目的则是除去污水中的COD，沉淀池中有机物作为剩余污泥排除。

对本发明所述生物吸附反应器装置的原理进一步说明如下：

城镇污水主要源于化粪池上清液，含有约5％-10％的肠道微生物，这些污水经过漫长的污水管道，驯化和诱导出活性很强的微生物群落，大多吸附在污水中悬浮物上，这些微生物具有自发絮凝性，在生物吸附反应器菌胶团诱导下，很快形成与菌胶团相似的絮体。生物吸附反应器不设初沉池，污水中微生物相和生物吸附池回流污泥生物相基本相同，使吸附池微生物得到补充并不断更新，形成一个开放的，由原污水中微生物和再生池回流污泥不断补充的动态的生物系统。生物吸附池通过控制溶氧、停留时间、高有机负荷和短泥龄，选择出世代短、吸附能力强的微生物菌群。生物吸附池沉淀的污泥，经过高效曝气进行再生，通过生物吸附反应器和再生池营造的交替厌氧-好氧环境选择出来的部分聚磷菌群，在吸附沉淀池中进行大量释磷反应，积累PHB，有利用后续生物除磷。

城镇污水中60％-80％的COD源于悬浮状和胶体状有机物，污水进入生物吸附反应池后，污水中悬浮微生物在回流活性污泥诱导下，可作为一种“自然絮凝剂”，污水中SS可作为絮体核心，对进水中悬浮和胶体状有机物进行絮凝反应，形成絮体沉淀。生物吸附池微生物包括再生池回流污泥和不断补充的污水中悬浮微生物，在特殊选择条件下形成独有活性强、世代短、吸附能力强的微生物菌群，由于反应器溶氧低，这种高活性微生物为了满足其自身代谢需求，被迫对难以降解的大分子有机物进行水解，将其转化成易降解的有机物，这样，污水中60％以上有机物通过吸附、沉降，富集在生物吸附反应器的沉淀池中，而污水中90％氨氮和部分小分子有机物，则富集于沉淀池的上清液中，实现了有机物和氨氮分离。低COD、高氨氮的上清液进入硝化池，可通过同步硝化反硝化工艺，利用上清液优质碳源进行硝化和部分生物脱氮。沉积物作为碳源进入缺氧池，和硝化后的污水混合，进行反硝化反应，同时通过生物吸附反应器交替厌氧-好氧环境选择出来的部分聚磷菌群，在缺氧池和后续的好氧池进行过量摄磷，实现高效脱氮除磷。

以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。

实施例1：

附图1是本发明装置的示意图。图1中，1-生物吸附池，2-生物吸附池污水入口，3-生物吸附池出水口，4-搅拌机，5-短世代污泥投加装置，6-沉淀池进水口，7-沉淀池，8-沉淀池出水堰，9-沉淀池沉积物出口，10-污泥再生池进料口，11-污泥再生池，12-污泥再生池出料口，13-曝气装置，14-硝化反应池，15-缺氧反硝化池，16-风机。

下面结合附图1对本发明所述的一种实现污水中有机物和氨氮分离的装置作进一步的说明。本发明的装置是一生物吸附反应器装置，该装置包括生物吸附池(1)、沉淀池(7)和污泥再生池(11)；生物吸附池(1)设有污水入口(2)和出水口(3)，沉淀池(7)设有进水口(6)、出水堰(8)和沉积物出口(9)，污泥再生池(11)设有进料口(10)和出料口(12)；生物吸附池的出水口(3)通过管道与沉淀池的进水口(6)相连接；沉淀池的沉积物出口(9)通过管道与污泥再生池的进料口(10)相连接，污泥再生池的出料口(12)通过管道与生物吸附池的污水入口(2)相连接；生物吸附池(1)通过管道与短世代污泥投加装置(5)相连接；污泥再生池(11)的底部设有曝气装置(13)。装置中，生物吸附池(1)内设有搅拌机(4)；出水堰(8)位于沉淀池(7)的顶部，出水堰(8)通过管道与硝化反应池(14)相连接；沉淀池的沉积物出口(9)通过管道与缺氧反硝化池(15)相连接；污泥再生池的曝气装置(13)通过管道与风机(16)相连接。

制作生物吸附池(1)，总容积为20L，设置搅拌机(2)，系统启动时，在生物吸附池(1)通过短世代污泥投加装置(5)投加特种活性污泥(龄期0.3-0.8天)，使MLSS达到3000mg/L以上；当污水进入生物吸附池(1)，与污泥再生池(11)中回流污泥混合，在搅拌机(2)搅拌作用下，充分传质混合，生物吸附池(1)停留时间30min，污泥浓度始终保持在3000mg/L以上；经充分传质混合、吸附、絮凝的污水和污泥混合物，自流进入沉淀池(7)，沉淀池(7)设计表面负荷2m/h，经过沉淀池水解、酸化、絮凝、沉淀，大部分有机物被吸附于沉积物中，上清液通过出水堰(8)收集，氨氮主要存在于上清液中，进入高效硝化反应系统，沉积物作为碳源泵送至缺氧反硝化系统；部分沉积物被泵送至污泥再生池(11)，污泥再生池(11)设置微孔曝气系统(13)，通过风机(16)进行曝气，使污泥再生池(11)溶氧达到3-4mg/L，污泥再生池(11)停留时间20min，经过污泥再生池(11)曝气处理的污泥和污水混合，再进入生物吸附池(1)，污泥再生池(11)回流污泥量以保持生物吸附池(1)污泥浓度达到3000mg/L为准。

本发明装置的基本运行参数：

污泥泥龄：0.3-0.8d；

生物吸附池HRT：30min；

污泥再生池HRT：10-20min；

BOD负荷2kg/kg.d以上。

系统稳定后，连续运行10天，每天取一次样，测进水、出水COD、氨氮、TN，TP等值，取平均值，测试数据如表1所示。

表1实施例1的检测结果

指标	进水(mg/L)	上清液(mg/L)
			COD	231.7	83.6
BOD	142.9	56.3
			NH₄-N	35.4	32.8
TN	41.3	34.6
			TP	6.2	7.1

从表1的试验数据可以看出，污水经过本发明的装置处理后，污水中60％左右COD和BOD通过吸附、絮凝、沉淀除去，COD和BOD除去率分别为63.9％和60.6％，而氨氮、TN除去率分别为7.3％和16.2％，TP略有上升，表明在吸附池存在一定厌氧释磷现象，可以说，通过本发明的装置处理后，污水中有机物除去了60％以上，而氨氮和TN基本保留，在上清液相对富集了污水中的氨氮。

分析生物吸附池的沉积污泥MLVSS/MLSS，将其和经过曝气再生池污泥进行比较，沉积污泥MLVSS/MLSS高达0.96，而再生池污泥MLVSS/MLSS为0.52，表明沉淀池沉积污泥吸附大量有机物，污水中COD被主要富集在沉积物中。

通过本发明的装置，污水中有机物成分通过吸附、絮凝沉淀、水解等过程，主要富集于沉淀池沉积物中，而污水中90％以上氨氮和40％以下COD则位于上清液中，实现了COD和氨氮的分离，有利于污水碳源的充分利用，提高污水处理系统脱氮除磷效率。

实施例2：

取C/N比适中的城市污水，利用本发明的装置，将污水中COD和氨氮实现分离，将上清液和沉积污泥收集起来，进入SBR反应器(见附图2)，以验证其脱氮除磷效果。

附图2为一SBR反应器的装置示意图，用于验证本发明的污水除磷效果。图2中，17-SBR反应器，18-搅拌机，19-微孔曝气系统，20-风机。SBR反应器(17)有效容积为10L，设置搅拌机(18)、微孔曝气系统(19)，通过风机(20)进行曝气，其运行过程为曝气硝化4h；缺氧反硝化2h；二次曝气0.5h。曝气硝化时，将生物吸附池收集的上清液泵入SBR池，开风机(20)，使反应器溶解氧2mg/L以上；缺氧反硝化时，将生物吸附池收集的沉积物作为碳源泵入SBR池，开动搅拌机(18)；二次曝气时，开风机(20)，使反应器溶解氧2mg/L以上，上清液和沉积物按实施例1处理的出水和出泥的比例投加。

系统稳定后，连续运行10天，每天取一次样，测进水、出水COD、氨氮、TN，TP等值，取平均值，测试数据如表2所示。

表2实施例2的检测结果

指标	进水(mg/L)	生物吸附上清液(mg/L)	出水(mg/L)
				COD	233.2	85.2	32.7
BOD	141.7	54.6	16.1
				NH₄-N	34.9	33.5	0.56
TN	40.2	40.7	8.1
				TP	6.0	7.4	0.42

从表2的试验数据可以看出，污水经过生物吸附反应器实现COD和氨氮的分离后，处理效率大大提高，由于生物吸附池的碳氮分离，上清液中BOD低，硝化效率大大提高，只需要4h，氨氮即可降至1mg/L以下；在反硝化阶段，沉积污泥作为碳源补充后，反硝化效率高，只需要2h，即可将TN降至10mg/L以下，由于生物吸附池富集大量PAO，随沉积污泥进入缺氧和二次曝气池后，通过反硝化吸磷和好氧吸磷，大量吸附污水中磷酸盐，使出水TP达到0.42mg/L，分析SBR池沉淀污泥TP含量，高达8.7％，表明生物吸附反应器能富集较多PAO，有利于污水系统生物除磷。

实施例3：

取C/N低的城市污水进行处理验证，其与实施例2的步骤和参数相同。

系统稳定后，连续运行10天，每天取一次样，测进水、出水COD、氨氮、TN，TP等值，取平均值，测试数据如表3所示。

表3实施例3的检测结果

指标	原水(mg/L)	生物吸附上清液(mg/L)	出水(mg/L)
				COD	120.3	47.8	26.4
BOD	57.3	23.4	14.3
				NH₄-N	25.3	23.1	0.63
TN	30.1	28.6	18.7
				TP	5.9	6.3	0.63

从表3的试验数据可以看出，污水经过生物吸附反应器实现COD和氨氮的分离后，处理效率大大提高，氨氮只需要3h，即可降至1mg/L以下；以沉积污泥作为碳源补充后，低碳氮比的污水中，碳源利用率提高，反硝化3h，在不投加外部碳源情况下，TN可降至20mg/L以下，出水TP达到0.63mg/L。表明通过COD和氨氮的分离工艺，对低碳氮污水碳源利用效率大大提高，在BOD/TN为2：1，不投加碳源条件下，TN除去率仍可达到40％，在进水TN为30.1mg/L情况下，出水TN达到一级B标准。

实施例4：

取C/N高的城市污水进行处理验证，其与实施例2的步骤和参数相同。

系统稳定后，连续运行10天，每天取一次样，测进水、出水COD、氨氮、TN，TP等值，取平均值，测试数据如表4所示。

表4实施例4的检测结果

指标	原水(mg/L)	生物吸附上清液(mg/L)	出水(mg/L)
				COD	298.1	121.3	68.7
BOD	187.2	74.9	18.8
				NH₄-N	35.6	33.4	0.67
TN	42.3	40.5	10.2
				TP	6.8	7.9	0.47

针对高浓度的有机废水，污水经过生物吸附反应器实现COD和氨氮的分离后，大部分有机物被吸附在沉积的污泥中，有利于氨氮的硝化反应，5h左右，氨氮可降至1mg/L以下；沉积污泥和经过硝化反应后的污水进入缺氧池后，由于碳源充足，反硝化效率提高，1h左右即可将TN降至10mg/L左右；由于原水COD过高，而缺氧脱氮后曝气时间过短，出水COD为68.7，只要适当提高二次曝气池停留时间，COD可实现稳定达标；由于系统碳源充足，加上生物吸附池富集大量PAO，随沉积污泥进入缺氧和二次曝气池后，大量吸附污水中磷酸盐，出水TP达到0.47mg/L，达到一级A标准。

Claims

1.一种实现污水中有机物和氨氮分离的方法，其特征在于：使用实现污水中有机物和氨氮分离的装置进行污水处理，包括以下步骤：

3)沉积物在污泥再生池进行曝气处理，所得的混合物回流至生物吸附池循环利用；

所述实现污水中有机物和氨氮分离的装置包括生物吸附池、沉淀池和污泥再生池；生物吸附池设有污水入口和出水口，沉淀池设有进水口、出水堰和沉积物出口，污泥再生池设有进料口和出料口；出水堰位于沉淀池的顶部，出水堰通过管道与硝化反应池相连接；生物吸附池的出水口通过管道与沉淀池的进水口相连接；沉淀池的沉积物出口通过管道与污泥再生池的进料口相连接，沉淀池的沉积物出口还通过管道与缺氧反硝化池相连接；污泥再生池的出料口通过管道与生物吸附池的污水入口相连接；生物吸附池通过管道与短世代污泥投加装置相连接；污泥再生池的底部设有曝气装置；

所述步骤1)中，短世代污泥的泥龄为0.3天～0.8天。

2.根据权利要求1所述的一种实现污水中有机物和氨氮分离的方法，其特征在于：生物吸附池内设有搅拌机。

3.根据权利要求1所述的一种实现污水中有机物和氨氮分离的方法，其特征在于：曝气装置通过管道与风机相连接。

4.根据权利要求1所述的一种实现污水中有机物和氨氮分离的方法，其特征在于：步骤1)中，生物吸附池内混合物的MLSS≥3000mg/L，生物吸附池的停留时间为30min～60min。

5.根据权利要求1所述的一种实现污水中有机物和氨氮分离的方法，其特征在于：步骤2)中，沉淀池的表面负荷为1.8m/h～2.2m/h。

6.根据权利要求1所述的一种实现污水中有机物和氨氮分离的方法，其特征在于：步骤3)中，污泥再生池的溶解氧为3mg/L～4mg/L，污泥再生池的停留时间为10min～20min。