CN109912026A - 一种对低碳氮比城市污水进行高效脱氮除磷的工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对低碳氮比城市污水进行高效脱氮除磷的工艺及装置。该工艺包括除磷菌超量吸磷过程、氨氮亚硝化过程、厌氧氨氧化过程，各个过程依次同步进行，实现连续进水，连续出水。该装置包括依次连接的调节池、厌氧池、好氧池、中沉池、短程硝化反应器、厌氧氨氧化反应器和终沉池。本发明的工艺具有流程简单、总的水力停留时间短、曝气量少、能耗低、生物浓度高、占地面积小、出水水质好、操作管理方便等优点，对低碳氮比城市污水处理新工艺的开发和现有处理工艺的升级改造具有重要指导意义。

Description

一种对低碳氮比城市污水进行高效脱氮除磷的工艺及装置

技术领域

本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种对低碳氮比城市污水进行高效脱氮除磷的工艺及装置。

背景技术

我国大部分水体富营养化问题日趋严重，其中氮、磷元素的超标是导致该问题严重的主要因素，这与污水厂氮、磷超标排放有一定关系。但据调查统计，有高达65%以上的污水处理厂存在碳源不足的现象，污水中碳源很难满足微生物脱氮除磷的需求。研究表明，只有碳氮比大于4时才可给反硝化细菌提供适量的碳源，使得生物脱氮正常进行，达到总氮达标排放。对于低碳氮比的城市污水，水中原有的碳源很难满足反硝化细菌对脱氮的要求，致使总氮不能得较好地去除。而污水排放标准在逐渐提高，这就给污水处理厂的运行，尤其是总氮和总磷的达标增加了难度。

生活污水中的磷主要来源于人体排泄物、食物残屑、洗涤剂中的增强剂等，其存在的形式取决于污水的类型，最常见的有磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷。在接近中性的pH值条件下，主要以HPO₄ ^2-的形式存在。污水生物除磷的本质是通过除磷菌过量摄取水中的磷，以聚磷酸盐的形式积累于细胞内，然后作为剩余污泥排出。

生活污水中含氮化合物存在的主要形式有有机氮（如蛋白质、氨基酸、尿素、胺类化合物、硝基化合物等等）和氨态氮（NH₃和 NH₄ ⁺）两种。污水生物脱氮实质是氮素在微生物作用下，相继发生下列反应：（1）氨化反应：有机氮在氨化菌的作用下，分解、转化成氨氮；（2）硝化作用：在供氧充足的条件下，水中的氨氮首先在亚硝酸菌的作用下被氧化成亚硝酸盐，然后再在硝酸菌的作用下进一步氧化成硝酸盐；（3）反硝化作用：在缺氧或厌氧的条件下，硝化产生的亚硝酸盐和硝酸盐在反硝化细菌的作用下被还原成氮气。另外，还有一部分氮（有机氮、氨氮）被微生物通过同化作用转化为细胞成分。

由于生物脱氮和除磷是由两类完全不同的细菌来执行的，生化过程也是完全不同的，它们对环境因素的要求各异，使得同步提高脱氮除磷效率难以协调。主要存在下面几个影响条件。

①污泥龄。生物脱氮必须经历硝化过程，硝化菌的世代周期较长，要求较长的污泥龄（一般建议大于 11d）；而生物除磷是靠排放剩余污泥来达到目的的，为了提高除磷效果必须加大排泥量，这就会缩短系统的污泥龄。20℃时除磷菌的增殖速率约为2d^-1，约为硝化菌的2倍，意味着除磷菌需要的污泥停留时间（SRT）约为硝化所需时间的一半。显然，较长污泥龄对脱氮有利，而较短污泥龄对除磷有利。

②硝酸盐。硝化反应产生的 NO₃ ^-随回流污泥进入厌氧区，会被反硝化菌利用从而干扰除磷菌厌氧释磷，最终影响除磷效果。由于硝酸盐的存在，厌氧状态变成了缺氧状态，如同好氧一样，除磷菌可从NO_x ^-获取氧来进行缺氧吸磷，因此在缺氧区进行反硝化的同时，仍可继续吸磷，只是缺氧吸磷速率较好氧慢。

③碳源。在生物脱氮除磷的结合系统中，厌氧释磷、缺氧反硝化、好氧异养菌代谢要消耗碳源。生物脱氮效率一般不超过85%，出水中总会有相当浓度的硝态氮，随回流污泥进入厌氧区。由于反硝化菌的反硝化速率大于除磷菌的释磷速率，反硝化菌以 NO₃ ^-为电子受体，优先消耗碳源进行生长繁殖，使除磷菌缺少碳源而影响释磷。

在传统A²/O（Anaerobic-Anoxic-Oxic）工艺中，如图1所示，厌氧池用于厌氧发酵和释磷，缺氧池反硝化，好氧池降解 COD、硝化、吸磷。由于其流程简单、操作方便，所以得到了广泛应用。但是该工艺不能很好解决脱氮和除磷在机理上的矛盾，脱氮与除磷难以同步提高。因此，合理设计脱氮除磷工艺，提高脱氮除磷效率是每个污水处理厂的必然选择。

发明内容

本发明的目的在于从解决泥龄矛盾、硝酸盐影响以及低碳源的问题的角度出发改进传统的A²/O脱氮除磷工艺，结合活性污泥法和生物膜法，提出一种新的高效同步脱氮除磷效率的工艺，实现稳定高效脱氮。

一种对低碳氮比城市污水进行高效脱氮除磷的工艺，采用连续流的运行方式，低碳氮比城市污水依次经过厌氧释磷步骤、好氧超量吸磷步骤、氨氮亚硝化步骤和厌氧氨氧化步骤，得到达标出水。

进一步地，所述厌氧释磷是在厌氧状态下聚磷菌分解体内的多聚磷酸盐产生ATP，利用ATP以主动运输方式吸收产酸菌提供的酸类基质进入细胞内合成PHB，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出体外。

进一步地，所述好氧超量吸磷步骤是在好氧条件下除磷菌氧化代谢内贮物质过量地从污水中摄取磷酸盐。

进一步地，所述氨氮亚硝化步骤是利用氨氧化细菌将水中的氨氮转化为亚硝酸盐。

进一步地，所述厌氧氨氧化是厌氧氨氧化细菌利用氨氮和亚硝酸盐氮进行厌氧氨氧化反应。

一种对低碳氮比城市污水进行高效脱氮除磷的装置，包括依次连接的调节池、厌氧池、好氧池、中沉池、短程硝化反应器、厌氧氨氧化反应器和终沉池；其中，在中沉池和调节池间设有回流泵和回流管道组成的污泥回流系统，在中沉池和厌氧氨氧化反应器之间设有进水泵和进水管道组成的进水系统。

进一步地，所述短程硝化反应器和厌氧氨氧化反应器内均置有填料。

有益效果：

1、本发明改进了传统A²/O脱氮除磷工艺，将除磷和脱氮过程分置于前后两套步骤中，实现除磷菌、硝化菌、厌氧氨氧化菌的空间分离，一定程度上避免了除磷、脱氮微生物之间的相互影响，保障了微生物在各自的系统中良好生长环境，强化脱氮效果和除磷效果，从而实现高效脱氮除磷效能。

2、除磷系统设置较短污泥龄，以及后续脱氮系统中硝化产生的硝酸盐不进入除磷系统，解决了硝酸盐干扰除磷的问题，保证了系统除磷的高效运行。后置脱氮部分，选用厌氧氨氧化自养脱氮，厌氧氨氧化菌利用无机碳源，以铵盐作为电子供体，以亚硝酸盐或硝酸盐作为电子受体进行脱氮，保证系统在低碳氮比下也能高效运行。

3、生物膜法适合世代时间长的硝化菌及厌氧氨氧化菌生长，在反应器中添加载体，脱氮细菌附着生长其上，始终保持最佳生长状态，且不需要污泥搅拌设备，可保持微生物的高浓度，明显提高脱氮效果，而且短程硝化及厌氧氨氧化组合的脱氮系统解决了投加碳源等污水处理运行能耗问题。

4、中沉池出水分两点加入脱氮系统，有助于更易实现90%亚硝化及满足厌氧氨氧化过程中电子供体（NH⁺-N）的需要。

较传统工艺，本发明的工艺具有流程简单、总的水力停留时间短、曝气量少、能耗低、生物浓度高、占地面积小、出水水质好、操作管理方便等优点，对低碳氮比城市污水处理新工艺的开发和现有处理工艺的升级改造具有重要指导意义。

附图说明

图1为传统A²/O工艺流程图。

图2为实施例1采用的处理装置图，其中：1为调节池、2为厌氧池、3为好氧池、4为中沉池、5为短程硝化反应器、6为厌氧氨氧化反应器、7为终沉池、8为回流污泥泵、9为进水泵。

具体实施方式

本发明从解决泥龄矛盾、硝酸盐影响以及低碳源的问题的角度出发改进传统A²/O脱氮除磷工艺，结合活性污泥法和生物膜法，提出一种新的提高效同步脱氮除磷效率的工艺，实现稳定高效脱氮。

具体是：将除磷和脱氮过程分置于前后两套系统中，实现除磷菌、脱氮菌的空间分离，而且脱氮系统中硝化产生的硝酸盐不进入除磷系统，达到同时解决泥龄矛盾和消除硝酸盐干扰除磷过程的目的。后置脱氮部分，选用厌氧氨氧化自养脱氮，厌氧氨氧化菌利用无机碳源，以铵盐作为电子供体，以亚硝酸盐或硝酸盐作为电子受体进行脱氮，成功解决了碳源不足的问题。其中，除磷系统，采用活性污泥法，活性污泥中的除磷菌通过厌氧释磷和好氧吸磷，排除剩余污泥完成除磷过程。脱氮系统，采用生物膜法，在反应器中安装填料，分别固定富集氨氧化细菌和厌氧氨氧化菌，通过短程硝化和厌氧氨氧化完成脱氮过程。最大程度上发挥各自的生化反应优势，使出水达标排放。

处理过程包括：除磷菌超量吸磷过程、氨氮亚硝化过程、厌氧氨氧化过程，各个过程依次同步进行，实现连续进水，连续出水。

所述除磷菌超量吸磷过程，是在厌氧池（A）中除磷菌将其细胞体内的聚磷酸盐水解为磷酸盐并释放到水中，并利用水解产生的能量摄取污水中的溶解性有机基质以合成聚β-羟基丁酸盐（PHB）颗粒；好氧池（O）中，除磷菌将体内PHB颗粒降解以提供其从水中超量摄取磷酸盐所需的能量，完成吸磷过程。

所述氨氮亚硝化过程是将中沉池出水（50%）泵入短程硝化反应器中，反应器中富集的硝化细菌将部分氨氮转化为亚硝酸盐。

所述厌氧氨氧化过程是短程硝化过程的出水以及剩余中沉池出水自流至厌氧氨氧化反应器中，反应器中富集的厌氧氨氧化菌进行厌氧氨氧化脱氮。

另外，还包括排泥、污泥回流等过程。富含磷的活性污泥在中沉池中沉淀下来，经回流泵一部分送回厌氧池（A）进入下一个周期，一部分以剩余污泥外排达到去除磷的目的。

实施例1

如图1所示，本发明短程硝化-厌氧氨氧化高氨氮焦化废水脱氮膜处理装置，采用调节池1、厌氧池2、好氧池3、中沉池4、短程硝化反应器5，厌氧氨氧化反应器6和终沉池7，依次串接形成处理系统。其中短程硝化反应器5和厌氧氨氧化反应器6内分别置有填料，用于富集微生物。

采用连续流的运行方式，低C/N生活污水从调节池1依次通过厌氧池2、好氧池3、中沉池4、短程硝化反应器5、厌氧氨氧化反应器6和终沉池7，并在短程硝化反应器5和厌氧氨氧化反应器6内分别置有填料。整个工艺流程包括进水/厌氧释磷过程、好氧超量吸磷过程、沉淀出水及排泥过程、氨氮亚硝化过程、厌氧氨氧化过程/出水、五个过程。

具体运行过程：

1、进水/厌氧释磷过程：通过进水泵将调节池1内的污水泵入厌氧池 2。在厌氧状态下，兼性菌将大分子有机物分解为可快速降解的基质，聚磷菌则分解体内的多聚磷酸盐产生ATP，利用ATP以主动运输方式吸收产酸菌提供的丁酸、乳酸、琥珀酸等基质进入细胞内合成PHB，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出体外。

2、好氧超量吸磷过程：厌氧池2的出水自流至好氧池3。在好氧条件下，除磷菌以分子氧或化合态氧作为电子受体，氧化代谢内贮物质PHB或PHV等，并产生能量，过量地从污水中摄取磷酸盐，能量以高能物质ATP的形式存贮，其中一部分有转化为聚磷，作为能量贮于胞内。

3、沉淀出水及排泥过程：好氧池3中的出水经中沉池4后流向后置脱氮系统，回流污泥通过污泥回流泵8回流至厌氧池1以保证池中污泥浓度，同时通过排放剩余污泥的实现高效生物除磷。

4、氨氮亚硝化过程：中沉池4的部分出水（50%）自流至短程硝化反应器5中，反应器中富集的氨氧化细菌将水中的部分氨氮转化为亚硝酸盐。

5、厌氧氨氧化过程/出水：短程硝化反应器5出水以及中沉池的剩余出水（经进水泵9）流至厌氧氨氧化反应器6，反应器中富集的厌氧氨氧化细菌利用氨氮和亚硝酸盐氮进行厌氧氨氧化反应，出水。

该工艺采用连续流的运行方式，低C/N城市废水首先进入厌氧池2，兼性菌将大分子有机物易降解基质，除磷菌把细胞内聚磷水解为正酸盐，并从中获得能量，吸收污水中的易降解的COD，以聚b-羟基丁酸等有机颗粒的形式贮存于细胞内，同时还将分解聚磷酸盐所产生的磷酸排出体外。厌氧池2的出水自流至好氧池3。此时，除磷菌利用废水中的BOD5或体内贮存的聚b-羟基丁酸的氧化分解所释放的能量来摄取废水中的磷，一部分磷被用来合成ATP，另外绝大部分的磷则被合成为聚磷酸盐而贮存在细胞体内，完成超量吸磷过程。好氧池3中的出水经中沉池4后流向后置脱氮系统，回流污泥通过污泥回流泵8回流至厌氧池1以保证池中污泥浓度，同时通过排放剩余污泥的实现高效生物除磷。中沉池4同时还起到了将脱氮除磷两个系统隔开的作用，后续进入脱氮系统。其中，中沉池4的部分出水（50%）自流至短程硝化反应器5中，反应器中富集的氨氧化细菌将水中的部分氨氮转化为亚硝酸盐。短程硝化反应器5出水以及中沉池的剩余出水自流至厌氧氨氧化反应器6，反应器中富集的厌氧氨氧化细菌利用氨氮和亚硝酸盐氮进行厌氧氨氧化反应，出水。整个运行周期约为10~17h，其中厌氧池0.5~1.0h，好氧池1.0~3.0h，中沉池0.5~1h，短程硝化反应器4~6h，厌氧氨氧化反应器4~6h。

Claims (7)

1.一种对低碳氮比城市污水进行高效脱氮除磷的工艺，其特征在于：采用连续流的运行方式，将低碳氮比城市污水依次经过厌氧释磷步骤、好氧超量吸磷步骤、氨氮亚硝化步骤和厌氧氨氧化步骤，得到达标出水。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述厌氧释磷是在厌氧状态下除磷菌将其细胞体内的聚磷酸盐水解为磷酸盐并释放到污水中，并利用水解产生的能量摄取污水中的溶解性有机基质以合成聚β-羟基丁酸盐颗粒。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述好氧超量吸磷步骤是在好氧条件下除磷菌氧化代谢内贮物质过量地从污水中摄取磷酸盐。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述氨氮亚硝化步骤是利用氨氧化细菌将水中的氨氮转化为亚硝酸盐。

5.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于：所述厌氧氨氧化是厌氧氨氧化细菌利用氨氮和亚硝酸盐氮进行厌氧氨氧化反应。

6.一种对低碳氮比城市污水进行高效脱氮除磷的装置，其特征在于：包括依次连接的调节池、厌氧池、好氧池、中沉池、短程硝化反应器、厌氧氨氧化反应器和终沉池；其中，在中沉池和调节池间设有回流泵和回流管道组成的污泥回流系统，在中沉池和厌氧氨氧化反应器之间设有进水泵和进水管道组成的进水系统。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述短程硝化反应器和厌氧氨氧化反应器内均设置有填料。