CN109250819B - 一种深度脱氮除磷的mbr污水处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种深度脱氮除磷的MBR污水处理系统，依次包括厌氧池、前缺氧池、好氧池、后缺氧池和膜池。膜池中不设置曝气，膜组器通过机械传动装置实现往复运动，有效的解决了膜污染问题，并进一步降低了MBR工艺曝气能耗，还避免了由于污泥过度氧化引起出水总氮升高。通过膜池的改进实现了膜池直接回流至厌氧池，简化了工艺回流形式，同时还避免回流DO和硝氮过高影响生物除磷效果。好氧池通过分区曝气，控制末端DO<0.1mg/L，改善后缺氧池反硝化效果。后缺氧池中段设置回流点和后置加药点可同时实现内源与外源反硝化，节约脱氮成本，外加碳源时，可保证出水总氮小于1mg/L。本发明用于市政污水处理可在不外加碳源时实现地表IV类出水，其中TN<5mg/L，TP<0.2mg/L。

Description

一种深度脱氮除磷的MBR污水处理系统

【技术领域】

本发明涉及一种能够深度脱氮除磷的MBR污水处理系统，以及所述污水处理系统的运行方法。

【背景技术】

水体中高氮磷污染物浓度是引发水体富营养化的主要原因。现有污水处理厂排放标准(TN<15mg/L、TP<0.5mg/L)使得污水排放后仍然对水环境造成较大负担，需要进一步提高污水处理厂出水要求以缓解水环境污染。污水处理厂为达到较高的水质要求通常会投加过量的碳源和除磷药剂，这势必会增加污水处理成本，因而使得传统污水处理厂在保持经济性同时深度脱氮除磷成为技术升级的研究热点和难点。膜-生物反应器(MBR)是一种通过超微滤膜分离技术与活性污泥活相结合污水处理工艺。由于膜的高效分离作用实现了污水处理工艺水力停留时间与污泥龄的完全分离，使得MBR工艺可以保持高污泥浓度运行，因此具有容积负荷高、占地面积省、出水水质稳定、污泥产量少等优点。这些优点为MBR工艺应用于深度脱氮除磷提供了条件。

膜污染是制约MBR工艺稳定运行的重要因素，传统好氧MBR工艺是通过高的曝气强度造成水体湍流，加强膜丝与水体水力剪切作用减缓膜污染。但是好氧MBR曝气能耗高，增加了污水处理成本。另外，高强度的曝气会导致污泥过度氧化而释放总氮，进而引起出水总氮升高现象。往复式MBR可以有效的缓解膜污染，膜池中的膜组器在传动电机牵引作用下往复运动，实现膜丝与水的相对运动，通过膜丝与水体剪切作用达到防止膜污染的目的，其取代了高强度曝气冲刷，节约近50％的能耗，且在不曝气的条件下，无总氮升高问题，还可以发挥缺氧池的作用进一步降低出水总氮。

另外，传统AAO-好氧MBR工艺运行时为了避免膜池高浓度溶解氧的浪费，需将膜池污泥大量回流至好氧池供硝化细菌利用。同时，为了维持各生化单元合理的污泥浓度分布及原污水反硝化的碳氮比，需将好氧池的污泥回流至前缺氧池，而回流污泥中携带的溶解氧一方面会消耗污水中的碳源，另一方面会对反硝化和释磷反应环境造成不利影响。通常解决这些问题，需设置多级回流，增加运行成本。往复式MBR工艺的膜池作为缺氧单元，因此污泥可直接回流至前端厌氧单元，需要的回流流量小、回流形式简单，可以有效维持了各生化单元的污泥浓度并进一步降低运行成本，回流污泥携带的溶解氧对反硝化脱氮和释磷造成的不利影响也相对减弱。目前对往复式MBR的研究多集中于设备的开发与优化，而在污水处理工艺应用中尚未报导。

内源反硝化即微生物内源代谢产出碳源而发生反硝化作用，相比于传统工艺污泥浓度4～5g/L，污泥龄15～30d，MBR工艺污泥浓度较高，膜池污泥浓度可维持在12～15g/L，污泥龄长达60d以上，强化了内源反硝化脱氮效果，进一步去除总氮。另外，城市污水的碳氮比较低(COD_Cr/TN<5)，不利于总氮去除，需要投加外碳源，增加了污水处理成本。因此有必要基于MBR工艺开发结合内源脱氮技术和往复式运动MBR技术的深度脱氮除磷工艺，实现节能降耗和深度脱氮除磷提升水质的目标。

【发明内容】

本发明的目的是克服传统好氧MBR运行能耗高和总氮释放的不足，提供一种强化内源反硝化和往复式MBR工艺深度脱氮除磷污水处理系统，以提高对原污水中的碳源高效利用率和出水品质。

为了实现上述目的，本发明提供一种深度脱氮除磷的MBR污水处理系统，所述系统包括通过管道顺序连接的厌氧池1、前缺氧池2、好氧池3、后缺氧池4和膜池5，在厌氧池1、前缺氧池2和后缺氧池4内分别设置搅拌装置6，在好氧池3内设置曝气装置7，在膜池5中设置膜组器8；

所述膜池5中不设置曝气装置，所述膜组器8通过机械装置实现水平方向往复运动；

膜池5与厌氧池1设置1#污泥混合液回流管10，所述1#污泥混合液回流管10的管路上设置1#回流泵12；

好氧池3内通过曝气装置构造分区曝气，好氧池3前中端为曝气区域，好氧池3末端为非曝气区域，所述曝气区域DO浓度为0.4～0.6mg/L，所述非曝气区域DO<0.1mg/L，在所述非曝气区域内设置推进器实现水力混合；

后缺氧池4与前缺氧池2之间设置2#污泥混合液回流管11，回流口设置于后缺氧池中部，所述2#污泥混合液回流管11的管路上设置2#回流泵13。

在本发明中，厌氧池1的进水管路上设置进水泵14。

作为本领域的一种常规选择，在厌氧池1、前缺氧池2和后缺氧池4内设置潜水推进器以实现搅拌装置6的功能。

在本发明中，膜组器8通过传动电机9带动实现水平往复运动，运动频率为0.3～0.5Hz，振幅为5～10cm。

优选地，好氧池末端流入后缺氧池污泥的DO<0.1mg/L，所述后缺氧池不设置消氧装置，通过污泥内源呼吸维持后缺氧池DO<0.1mg/L，污泥分解自身释放有机质促进内源反硝化，同时避免了污泥回流携带溶解氧对前缺氧池反硝化造成不利影响。

本发明中，在后缺氧池4内对应2#污泥混合液回流管11的回流口的下游设置外碳源加药管路，所述加药管路上设置加药泵16，用于投加外碳源，以进一步去除混合液中剩余的硝氮，可以进一步提高出水品质，从而保证出水总氮TN<1mg/L的水质目标。

作为一种优选的实施方式，所述膜组器8分别连接膜传动电机9和产水泵15。

在本发明中，区别于现有的污水处理系统，在膜池中没有设置曝气装置。通常，为了解决膜池中的膜污染问题，现有技术需要在膜池中设置曝气装置。然而，曝气装置的使用会导致总氮的持续释放，提高出水TN值，因此，如果在膜池中设置曝气装置不利于实现出水TN<5mg/L。

本发明为了解决膜污染问题，需通过机械传动装置实现膜组器的往复运动，通过膜丝与水的相对运动产生剪切力，减缓膜污染，取代在膜池中设置曝气装置，实现膜池低溶解氧浓度，实现DO<0.1mg/L。

膜池低溶解氧浓度的意义在于，由于较高的溶解氧和硝氮浓度不利于厌氧池的生物释磷作用，因此，若膜池回流的污泥含有较高浓度的溶解氧和硝氮时，膜池中的污泥必须通过多级回流方式回流到厌氧池，通过逐级降低回流中的溶解氧和硝氮浓度才能供厌氧池正常反应并达到预期的出水品质，这种多级回流模式常见于现有技术的其他处理系统。而本发明中，由于膜池中的DO浓度低、硝氮浓度低，且回流流量小，因此可允许通过一级回流方式，直接从膜池回流至厌氧池，简化了工艺流程，而无需采用多级回流的连接方式即可实现生物除磷，且实现出水TP<0.2mg/L。

在本发明中，膜池5内不设置曝气装置因而作为缺氧单元，同时也作为系统的出水单元，污水中的TN经过外碳源和内源反硝化作用已基本去除，从而实现TN<5mg/L，TP<0.2mg/L的低总氮、低总磷出水水质。通过加药泵16投加碳源时，可进一步降低出水总氮，实现TN<1mg/L，TP<0.2mg/L的出水水质。

运行时，待处理的污水与通过1#污泥混合液管10回流的来自膜池5的混合污泥分别经进水泵14和1#回流泵12送入厌氧池1，在厌氧搅拌的条件下停留反应1～2h。厌氧池1的混合液在推流下进入前缺氧池2并与2#污泥混合液回流管11回流的后缺氧池4污泥混合，在搅拌的条件下停留反应3～4h。然后，前缺氧池2的污泥混合液在推流下进入好氧池3，在曝气冲氧的条件下停留反应4～5h。随后，好氧池3的污泥混合液在推流下进入后缺氧池4，在搅拌的条件下停留反应3～4h。然后，后缺氧池4的污泥混合液在推流作用下进入膜池5，在膜池中停留约1h，通过产水泵15抽吸产生负压，并在膜组器8的膜丝中过滤后出水，污泥的停留时间大于60d。

所述1#污泥混合液管由膜池5送入厌氧池1的污泥混合液的回流量为进水流量的50％～150％；所述2#污泥混合液回流管由后缺氧池4送入前缺氧池2的污泥混合液的回流量为进水流量的300％～400％。

本发明具备以下技术效果：

1、通过膜池的设置以及前序单元的多级处理，实现膜池TN<5mg/L，投加碳源时进一步TN<1mg/L、TP<0.2mg/L的高品质出水。

2、本发明中的后缺氧池为一个独立单元，活性污泥进行内源代谢维持DO<0.1mg/L，避免回流污泥携带溶解氧影响前缺氧池污泥反硝化，并强化污泥释放有机质促进内源反硝化去除TN；回流口下游设置外碳源投加点，去除剩余的TN，可实现出水TN<1mg/L。

3.、本发明中的膜池作为一个独立缺氧和出水单元，膜池中的膜组器经传动电机牵引在导轨进行往复运动，在没有设置曝气装置的前提下通过膜组器自身的往复运动有效缓解缓膜污染。本发明的膜池相比常规的好氧MBR工艺约节省能耗50％，并避免膜池高曝气强度造成过度氧化引起出水TN升高。

4、通过膜池的改进实现膜池污泥直接回流至厌氧池而无需经过多级回流，污泥中低DO和硝氮浓度不会影响释磷环境，实现高效生物除磷，节省回流运行成本，且提高了原污水碳源的利用效率。

【附图说明】

图1为本发明实施例的运行流程示意图；

图中：1-厌氧池；2-前缺氧池；3-好氧池；4-后缺氧池；5-膜池；6-搅拌装置；7-曝气装置；8-膜组器；9-传动电机；10-1#回流管路；11-2#回流管路；12-1#回流泵；13-2#回流泵；14-进水泵；15-产水泵；16-加药泵。

【具体实施方式】

以下实施例用于非限制性的解释本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示的系统，包括顺序连接的厌氧池1、前缺氧池2、好氧池3、后缺氧池4和膜池5，在厌氧池1、前缺氧池2和后缺氧池4内分别设置搅拌装置6，在好氧池3内设置曝气装置7，在膜池5中设置膜组器8。

膜组器8通过设置与膜组器相连的拉杆和电机9实现水平方向往复运动，通过膜组器的往复运动缓解膜污染，避免在膜池5内设置曝气装置，从而降低膜池内的溶解氧浓度。

膜池5与厌氧池1设置1#污泥混合液回流管10，所述1#污泥混合液回流管10的管路上设置1#回流泵12；

后缺氧池4与前缺氧池2之间设置2#污泥混合液回流管11并设置2#回流泵13。在相对于2#污泥混合液回流管11的回流口的下游位置设置加药管路和加药泵16，用于投放外碳源以进一步去除剩余的硝氮。

运行时，污水经进水泵14提升进入厌氧池1，与膜池5回流污泥混合，此时厌氧池1中的溶解氧和硝氮含量基本为零，聚磷菌水解体内的糖原和多聚磷酸盐产生能量，吸收污水中的VFA(挥发性脂肪酸)并合成PHA(聚羟基脂肪酸酯)，同时释放磷酸盐，因此厌氧池1出水表现为有机物浓度降低，磷酸盐浓度升高。

随后，污泥混合液流入前缺氧池2，并与后缺氧池携带大量硝氮的污泥混合，反硝化细菌利用硝氮和流入的剩余有机物进行反硝化。另外，反硝化聚磷菌可以利用体内合成的PHB(聚-β-羟丁酸)，并以硝氮为电子受体进行反硝化作用去除混合液中的硝氮，同时吸收混合液中的磷酸盐。前缺氧池2出水表现为有机物、硝氮和磷酸盐浓度降低。

进一步，污泥混合液流入好氧池3，好氧池中设置曝气充氧设备，在好氧条件下硝化细菌会利用溶解氧进行硝化作用，将污水中的氨氮氧化为硝氮，当溶解氧较低时，同步硝化反硝化细菌会氧化氨氮为硝氮并反硝化为氮气，实现总氮的去除。聚磷菌利用氧气氧化体内储存的PHA产生能量，一部分用于生长代谢、合成糖原，一部分用于吸收混合液中的磷酸盐，合成多聚磷酸盐储存体内，另外，污水中剩余的有机物会被好氧微生物摄取利用。好氧池3出水表现为有机物基本降解完全，氨氮完全被氧化为硝氮，磷酸盐也完全被吸收。

然后，含高浓度硝氮的污泥混合液流入后缺氧池4。在后缺氧单元，由于污泥浓度高且可利用的营养物非常贫乏，因此会刺激污泥本身发生内源代谢消耗自身细胞物质，释放一些有机质，可被反硝化细菌利用去除硝氮，一部分会被2#回流泵抽吸送入前缺氧池利用原污水反硝化去除，并在后缺氧池的回流口下游设置外碳源加药泵16，通过补充外碳源，使剩余硝氮被反硝化细菌去除。本领域技术人员可根据在线检测获得的硝氮的浓度调整碳源的投加量，从而保证出水水质目标。

经过生化单元处理后，污水中的有机物、氮和磷已经被处理完全，随后污泥混合液流入膜池5。膜池5中由于没有曝气装置，因此其主要为缺氧和分离单元。膜组器8在电机9的牵引下往复运动，并在抽吸泵15的抽吸负压下出水，混合液中的污泥，悬浮颗粒物、细菌和胶体等物质被截留，从而进一步保障了出水水质，实现总氮小于5mg/L，启动加药泵时，可进一步提高出水水质，实现总氮小于1mg/L。由于硝氮浓度低，因此膜池中的污泥通过被回流泵12抽吸可直接送入厌氧池而无需经过逐级回流，维持各生化单元的污泥浓度。

因此，本发明的MBR工艺系统能耗小，出水水质高。

实施例2

运行时，进水COD浓度为150～200mg/L，TN浓度为30～35mg/L，TP浓度为3～5mg/L，氨氮的浓度为30mg/L左右，厌氧池释磷后TP浓度达到10mg/L，膜池回流的少量硝氮也被反硝化去除。前缺氧池作为主要的反硝化脱氮单元，原污水中的碳源与后缺氧池回流的硝氮在反硝化细菌的作用下被去除，可通过控制回流量确保前缺氧池的硝氮充足，保证对原污水碳源充分利用。随后混合液进入好氧单元，好氧池的溶解氧浓度可达到0.5mg/L，硝化细菌利用氧气将原污水的氨氮彻底氧化为硝氮，可控制曝气量的大小保证完全硝化反应，同时聚磷菌利用氧气消耗体贮存的PHA过量吸收磷酸盐，实现出水氨氮浓度低于0.5mg/L，TP浓度低于0.2mg/L。随后污泥携带硝氮进入后缺氧池，后缺氧营养物质匮乏，刺激污泥内源代谢和反硝化去除部分硝氮，膜池作为缺氧和出水单元，由于膜池与后缺氧池环境条件相似，且膜池污泥浓度更高，同样可以发挥内源反硝化作用去除部分硝氮，COD在厌氧和好氧微生物的利用下已降解完全，膜池出水COD浓度低于30mg/L。而厌氧池、前缺氧池、好氧池、后缺氧池和膜池TN去除浓度分别为2～3、16～18、0、6～8、2～3mg/L，ΔTN的去除量为27～30mg/L，TN去除负荷分别可达到0～15、30～35、0、10～15、0～15mgN/gVSS·d，出水TN<5mg/L。

实施例3

进水COD浓度为150～200mg/L，TN浓度为30～35mg/L，TP浓度为3～5mg/L，氨氮的浓度为30mg/L左右，污水经过厌氧、前缺氧和好氧单元作用后，流入后缺氧池的硝氮浓度约5～7mg/L，为实现更高的出水水质目标，开启后缺氧池外碳源加药泵，控制合理的加药量，进一步反硝化作用去除后缺氧池的硝氮，并加大后缺氧池向前缺氧池的回流流量，保证前缺氧池硝氮浓度。各生化单元TN的去除浓度分别为1～2、16～18、0～1、11～13、2～3mg/L，ΔTN的去除量约35mg/L，后缺氧池的TN去除负荷升高至30～35mgN/gVSS·d，实现出水TN<1mg/L。

综上，污水经过各生化单元和膜池处理后，实现出水COD<30mg/L，TN<5mg/L，TP<0.2mg/L，NH₄ ⁺-N<0.5mg/L水质目标，当通过投放外碳源时可进一步降低总氮，实现TN<1mg/L的出水水质。

Claims (8)

1.深度脱氮除磷的MBR污水处理系统，其特征在于所述系统包括通过管道顺序连接的厌氧池（1）、前缺氧池（2）、好氧池（3）、后缺氧池（4）和膜池（5），在厌氧池（1）、前缺氧池（2）和后缺氧池（4）内分别设置搅拌装置（6），在好氧池（3）内设置曝气装置（7），在膜池（5）中设置膜组器（8）；

所述膜池（5）中不设置曝气装置，所述膜组器（8）通过机械装置实现水平方向往复运动，所述水平方向往复运动的频率为0.3~0.5Hz，振幅为5~10cm；

膜池（5）与厌氧池（1）设置1#污泥混合液回流管（10），所述1#污泥混合液回流管（10）的管路上设置1#回流泵（12）；

好氧池（3）内通过曝气装置构造分区曝气，好氧池（3）前中端为曝气区域，好氧池（3）末端为非曝气区域，所述曝气区域DO为0.4~0.6mg/L，所述非曝气区域DO<0.1mg/L，在所述非曝气区域内设置推进器实现水力混合；

后缺氧池（4）与前缺氧池（2）之间设置2#污泥混合液回流管（11），回流口设置于后缺氧池中部，所述2#污泥混合液回流管（11）的管路上设置2#回流泵（13）。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于厌氧池（1）的进水管路上设置进水泵（14）。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于从好氧池（3）流入后缺氧池（4）的污泥DO<0.1mg/L，所述后缺氧池无需设置消氧装置，通过污泥内源呼吸即可保证DO<0.1 mg/L。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述膜组器（8）分别连接膜传动电机（9）和产水泵（15）。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于在后缺氧池（4）内对应2#污泥混合液回流管（11）的回流口的下游设置外碳源加药管路，所述的加药管路上设置加药泵（16）。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于加药泵（16）不投加外碳源时，膜池（5）内DO<0.1mg/L，TN < 5 mg/L，TP<0.2 mg/L。

7.一种利用权利要求1-6中任一项权利要求所述的深度脱氮除磷的MBR污水处理系统的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

1）将待处理的污水和1#污泥混合液管（10）回流的膜池（5）的混合污泥分别经进水泵（14）和1#回流泵（12）送入厌氧池（1），由膜池（5）送入厌氧池（1）的污泥混合液的回流量是进水流量的50%~150%，在厌氧搅拌的条件下共停留1~2 h，厌氧池的MLSS为6~7 g/L；

2）厌氧池（1）的混合液在推流下进入前缺氧池（2）并与2#污泥混合液回流管（11）回流的后缺氧池（4）污泥混合，在搅拌的条件下停留3~4 h，前缺氧池的MLSS为6~7 g/L；

3）前缺氧池（2）的污泥混合液在推流下进入好氧池（3），在曝气冲氧的条件下停留4~5h，好氧池的曝气区域DO浓度为0.4~0.6 mg/L，非曝气区域DO<0.1mg/L，MLSS为6~7 g/L；

4）好氧池（3）的污泥混合液在推流下进入后缺氧池（4），污泥分解自身实现内源反硝化反应，在后缺氧池（4）停留3 ~4h，MLSS为6~7g/L；

5）后缺氧池（4）污泥混合液在推流作用下进入膜池（5），通过产水泵（15）抽吸产生负压，并在膜组器（8）的膜丝中过滤后出水，在膜池共停留1 h，MLSS为12~15 g/L；

6）定期排泥，控制污泥停留时间大于60d。

8.根据权利要求7所述的方法：其特征在于步骤2）中，由后缺氧池（4）送入前缺氧池（2）的污泥混合液的回流量是进水流量的300%~400%。

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