CN110713258A - 全混式内核反硝化污水处理系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全混式内核反硝化污水处理系统及工艺，其系统包括设置在同一池体内的除磷厌氧区、曝气区和快速澄清区，所述除磷厌氧区出水经过曝气区后进入快速澄清区，所述曝气区内设有曝气装置，曝气区的出水进入快速澄清区进行泥水分离，所述快速澄清区的部分污水回流至除磷厌氧区；曝气区底部的曝气装置形成直径小于1mm的气泡，曝气区溶解氧浓度为0.7‑1.2mg/L。本发明可以实现内核反硝化，将除碳、脱氮、除磷及沉淀过程综合于一体进行，节约碳源，降低氧的消耗。

Description

全混式内核反硝化污水处理系统及工艺

技术领域

本发明涉及污水处理领域，更具体地说，涉及一种全混式内核反硝化污水处理系统及工艺。

背景技术

现代大多污水处理厂处理污水采用的都是传统的活性污泥法进行脱氮除磷，但传统生物脱氮除磷工艺如A/O、A²/O、Bardenpho、UCT、Phoredox都普遍存在一定的局限性，主要体现在以下方面：

一是硝化菌属于自养型好氧菌，繁殖速度慢、世代时间较长，而聚磷菌世代时间较短，磷的去除是通过排除剩余污泥实现的，所以为了保证良好的除磷效果，系统必须短泥龄运行，这就使得系统的运行，在脱氮和除磷的泥龄控制上存在矛盾。

二是碳源是微生物生长所需最大的营养元素，在脱氮除磷过程中，碳源主要消耗在反硝化、释磷和异养菌正常代谢等方面，而反硝化和释磷的反应速率与进水中碳源水解成有机脂肪酸的数量有关，因此两者对碳源存在竞争关系。

三是传统的生物脱氮除磷工艺对于场地面积具有一定要求，大多需要二沉池，且占地面积大；同时，随着现代污水处理厂对出水水质和水量的要求越来越高，常需要针对原处理工艺进行提标改造，如一些旧工业园区，常常用地紧张，限制多，难以开展设计。

四是传统工艺采用的基本是大通量的曝气方式，曝气区内的曝气常常不均匀，导致能耗较高。而曝气方式的选择在很大程度上决定了活性污泥中微生物对氧的利用率，从而影响对污水的处理效率。此外，为了取得较好的脱氮效果，传统的生化法必须通过增加碳源，以及好氧区废水回流到缺氧区等措施来实现，提高了处理成本。

因此，如何解决传统脱氮除磷工艺面临的问题，研制出既能满足污水深度处理的要求，又符合节能减排、低碳、环保理念是当前污水处理领域研究的一大热点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种全混式内核反硝化污水处理系统及工艺，可以实现内核反硝化，将除碳、脱氮、除磷及沉淀过程综合于一体进行，节约碳源，降低氧的消耗。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种全混式内核反硝化污水处理系统，包括设置在同一池体内的除磷厌氧区、曝气区和快速澄清区，所述除磷厌氧区出水经过曝气区后进入快速澄清区，所述曝气区内设有曝气装置，曝气区的出水进入快速澄清区进行泥水分离，所述快速澄清区的部分污水回流至除磷厌氧区；曝气区底部的曝气装置形成直径小于1mm的气泡，曝气区溶解氧浓度为0.7-1.2mg/L。

本发明还提供了一种全混式内核反硝化污水处理工艺，包括以下步骤：

S1、待处理的污水进入除磷厌氧区，释放污水中溶氧，随后与快速澄清区回流的污泥混合均匀，在绝对厌氧条件下，嗜磷菌完成释放磷的反应过程；

S2、除磷厌氧区内的污水进入曝气区内；

S3、曝气区内，污泥与曝气软管产生的气泡发生充分的接触，完成对CODcr、氨氮的降解过程，同时也完成磷的吸收，之后污水经由曝气区出口流至快速澄清区；曝气装置形成直径小于1mm的气泡，曝气区溶解氧浓度控制在0.7-1.2mg/L；曝气区内污泥的菌胶团内部供氧呈梯度分布；

S4、污水进入快速澄清区内进行泥水分离。

上述方法中，在所述步骤S1中，快速澄清区回流的污泥与进入除磷厌氧区待处理的污水之间的比例为10-20：1。

上述方法中，在所述步骤S1中，嗜磷菌以待处理的污水中的BOD5作为碳源。

上述方法中，在所述步骤S2中，除磷厌氧区末端过水廊道的空气扩散器释放出空气，过水廊道内污水与曝气区内污水产生密度差，两个区域之间形成一个水平推动流和上升补偿流，污水不断地被推流进入曝气区内，使污水与污泥充分混合接触。

上述方法中，在所述步骤S4中，快速澄清区内分离后的部分污泥从沉淀器底部经过提升泵再次抽吸回流至曝气区，剩余污泥直接流到污泥储池中；快速澄清区内的清水由上部的集水槽收集后排出。

上述方法中，在所述步骤S3中，曝气区内污泥浓度为6～8g/L。

实施本发明的全混式内核反硝化污水处理系统及工艺，具有以下有益效果：

1、曝气区内的低溶氧使得污水中的NH₃-H⁺在发生硝化反应时，亚硝化反应占据主导位置，同时，由于氧的供应有限，使得污泥菌胶团内部供氧呈梯度分布，在菌胶团—即颗粒污泥内部发生反硝化反应，大部分为亚硝酸盐参与反应，实现了短程硝化，大大降低了反硝化过程碳源的消耗。

2、污泥菌胶团周围富集微小气泡，溶解氧由外至内逐渐呈梯度减小，菌胶团由外至内形成好氧区、缺氧区、厌氧区。在微生物作用下，在好氧区和缺氧区完成生物脱氮作用，在厌氧区完成生物除磷作用。在污泥菌胶团的外表面，溶解氧浓度相对较高，等于反应器内混合液的溶解氧浓度；外表面主要以好氧菌和硝化细菌为主，在此发生硝化反应。进入污泥菌胶团内部，氧传递受阻，并且由于污泥菌胶团外部氧的大量消耗，使得在污泥菌胶团内产生缺氧区，此区内反硝化菌占优势，并进行反硝化反应。因此，曝气区内大量菌胶团形成了大量的好氧区、缺氧区、厌氧环境，完成生物脱氮除磷反应。可在一个池体实现同步硝化反硝化。

3、本发明曝气区采用内核反硝化微生物技术，将硝化控制在亚硝酸盐阶段，能够直接以亚硝态氮为电子受体；整个脱氮过程可以通过短程硝化反硝化过程实现：

NH₄ ⁺+1.5O₂→NO₂ ^-+2H⁺+H₂O

NO₂ ^-+3H(有机电子供体)→1/2N₂+H₂O+OH^-

亚硝酸菌世代周期硝酸菌的世代周期短，污泥龄也短,控制在亚硝酸型阶段可提高微生物浓度和硝化反应速度，缩短硝化反应时间，从而可以减小反应器容积，节省基建投资。另一方面，减小在脱氮和除磷的泥龄控制上存在的矛盾。从亚硝酸菌的生物氧化反应可以看到,控制在亚硝化阶段可节省亚硝酸盐氮到硝酸盐氮的耗氧量。此外，从反硝化角度来看，从亚硝酸盐还原到氮气需要的供氢体更少。因此内核反硝化流程短，节约碳源，更能降低氧的消耗。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明全混式内核反硝化污水处理系统的结构示意图；

图2是不同溶氧条件下培养的污泥菌胶团对比示意图；

图3是中试运行阶段亚硝态氮的积累情况示意图；

图4是污泥菌胶团内反应区的分布和DO浓度的变化示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明全混式内核反硝化污水处理系统的池体包括除磷厌氧区100、曝气区200、快速澄清区300三大区域。其中，除磷厌氧区和快速澄清区并列设置在生化池的一侧，曝气区设置在池体的另一侧，除磷厌氧区出水经过曝气区后进入快速澄清区，整体构成一个循环式污水处理系统。

除磷厌氧区100顶部设置有进水渠道，原水通过进水渠道首先进入配水槽101，在此预反应区释放污水中溶氧，减小进水中溶氧对厌氧区溶氧影响，随后在全混式推流器102作用下与快速澄清区300回流的污水均匀配水，调节均化，稀释进水；进一步的，除磷厌氧区100设置顶盖，严格密封，使污水在此区域内完成释磷的过程。除磷厌氧区100末端设计有过水廊道，污水经过除磷厌氧区100后，采用过水廊道内空气扩散器103对流体进行提升进入曝气区200，不仅可以保证污水的上升推动，还能大大节约运行能耗；同时，在过水廊道安装空气扩散器103，能有效减小扩散出的空气对除磷厌氧区100溶氧环境的影响。

曝气区200底部设置有曝气装置201进行曝气，同时曝气区200内设置有风机-溶解氧自控系统202。在曝气区200内，控制曝气通量使得气泡上升速度慢且分散，为微生物、水中污染有机物以及气泡创造了一个微混合的环境。

污水经曝气区200完成除碳、脱氮、除磷反应过程后推流至快速澄清区300，快速澄清区300顶部设置有出水集水系统，用于澄清后的出水流出系统。快速澄清区300和除磷厌氧区100底部相连通。

进一步的，快速澄清区300中部设置有朝向除磷厌氧区倾斜60°的斜板(管)301。

进一步的，快速澄清区300底有刮吸泥设备302。

快速澄清区300混合液在推流和污泥的重力共同作用下，完成泥水分离过程。清水通过上部集水槽收集后连接出水管出水，而污泥属于动态平衡状态，性质稳定的污泥经斜板(管)301沉淀后，部分污泥会回流至曝气区200。回流的是快速澄清区300底部泥水混合物，通过气提及推流器泥水在池体内整体循环流动，循环量大于新进水量。剩余污泥在自重作用下进入污泥储蓄池，后经提升泵提升至脱水机房进行脱水处理。

为使全混式内核反硝化污水处理系统高效的运行，需要设定如下参数：

常规市政污水，除磷厌氧区的污水停留时间设定为2h。曝气区的污水停留时间为6h，快速澄清区表面负荷为1.3m³/m²·s，除磷厌氧区溶解氧DO设定为0～0.1mg/L，曝气区溶解氧设定为0.7～1.2mg/L，曝气区污泥浓度为6～8g/L，快速澄清区底部污泥浓度在8～10g/L，混合回流比采用10-20倍，调节池体内整体pH在7.5～8.5范围内。本工艺作为核心生化处理单元，出水指标可达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅳ类标准(见表1)。可通过组合工艺，使得其中TN＜5mg/L。

表1水质标准

本发明原理如下：

曝气区内，采用曝气装置形成缓慢上升的小气泡，污泥与产生的小气泡发生充分的接触，快速完成对CODcr、氨氮的降解过程，同时也完成磷的吸收过程，之后经由曝气区出口，流至快速澄清区。

如图2所示，本工艺在全程低溶氧控制条件下，曝气装置形成的稳定微小气泡直径小于1mm，所培养的菌胶团保持了与有机物及溶氧和气泡的持续吸附及接触，因此曝气区溶解氧浓度始只需控制在0.7-1.2mg/L。曝气装置形成的微小气泡能有效减少水体流动阻力，有利于减下小工艺内循环动力。

生态环境中亚硝酸菌和硝酸菌的存在是紧密的互生关系，所以获得完全的亚硝化是不可能的，因此短程硝化是用亚硝酸盐氮的积累来定量描述，确定为当亚硝态氮与总硝态氮之比大于50％时形成短程硝化。低溶氧使得污水中的NH₃-H⁺在发生硝化反应时，亚硝化反应占据主导位置，同时，由于氧的供应有限，使得污泥菌胶团内部供氧呈梯度分布，在菌胶团—即颗粒污泥内部发生反硝化反应，大部分为亚硝酸盐参与反应，实现了短程硝化，大大降低了反硝化过程碳源的消耗，这一过程可称之为内核反硝化。

由湖北加徳科技股份有限公司设计并制造一套全混式内核反硝化污水处理工艺的中试装置，并进行试验数据的研究分析，现关于生化反应阶段NO₂ ^-积累情况分析取30天数据进行分析，该阶段已具有代表性，NO₃ ^-基本在1-2mg/L，而NO₂ ^-从趋势线可已看出均值在3mg/L左右，从图3中可以看出每天亚硝态氮占硝态氮(指NO₃ ^-和NO₂ ^-之和)的比值。分析得出：亚硝态氮在硝态氮中累积量均值为70.43％。内核反硝化工艺亚硝态氮累积情况良好，内核反硝化比较明显。

曝气区的污泥菌胶团周围富集上述微小气泡，如图4所示，溶解氧由外至内逐渐呈梯度减小，菌胶团由外至内形成好氧区、缺氧区、厌氧区。在微生物作用下，在好氧区和缺氧区完成生物脱氮作用，在厌氧区完成生物除磷作用。

在污泥菌胶团的外表面，溶解氧浓度相对较高，等于反应器内混合液的溶解氧浓度；外表面主要以好氧菌和硝化细菌为主，在此发生硝化反应。进入污泥菌胶团内部，氧传递受阻，并且由于污泥菌胶团外部氧的大量消耗，使得在污泥菌胶团内产生缺氧区，此区内反硝化菌占优势，并进行反硝化反应。

因此曝气区内大量菌胶团形成了大量的好氧区、缺氧区、厌氧环境，完成生物脱氮除磷反应。可在一个池体实现同步硝化反硝化。

本发明曝气区采用内核反硝化微生物技术，将硝化控制在亚硝酸盐阶段，能够直接以亚硝态氮为电子受体；整个脱氮过程可以通过短程硝化反硝化过程实现：

NH₄ ⁺+1.5O₂→NO₂ ^-+2H⁺+H₂O

NO₂ ^-+3H(有机电子供体)→1/2N₂+H₂O+OH^-

亚硝酸菌世代周期硝酸菌的世代周期短，污泥龄也短,控制在亚硝酸型阶段可提高微生物浓度和硝化反应速度，缩短硝化反应时间，从而可以减小反应器容积，节省基建投资。另一方面，减小在脱氮和除磷的泥龄控制上存在的矛盾。

从亚硝酸菌的生物氧化反应可以看到，控制在亚硝化阶段可节省亚硝酸盐氮到硝酸盐氮的耗氧量。此外，从反硝化角度来看，从亚硝酸盐还原到氮气需要的供氢体更少。因此内核反硝化流程短，节约碳源，更能降低氧的消耗。

全混式推流器推动池体内流体进行循环，将经过快速澄清区的污水大比例回流至除磷厌氧区，保证生化池中泥水混合物逐步流经各个处理单元，构成整体循环。

全混式内核反硝化工艺原水首先进入除磷厌氧区的配水槽，释放污水中溶氧，减小进水中溶氧对厌氧区溶氧环境的影响，随后在全混式推流器作用下与快速澄清区回流的污水混合均匀，回流比为10-20倍。在绝对厌氧条件(厌氧区密封)下，嗜磷菌利用进水BOD₅作为碳源，充分完成释放磷的反应过程，为进入曝气区吸收磷做好准备；由于大比例回流混合进水，使得进入系统污水被充分均质，大大提高了系统的抗冲击负荷，并实现污染物的快速吸附，增加污水中污染物生物停留时间。

除磷厌氧区末端过水廊道的空气扩散器释放空气出来，导致过水廊道内污水与曝气区内污水产生密度差，这时两个区域之间会形成一个水平推动流和上升补偿流，在推流和提升的共同作用下，污水会不断地被推流进入曝气区内，达到混合效果，使污水与污泥充分混合接触，提高污水去除效率。因此也降低硝化反应与反硝化反应在碳源存在竞争关系。

除磷厌氧区出水经过曝气区后进入快速澄清区，除磷厌氧区前端设有配水槽，曝气区底部设有曝气装置，曝气区的出水进入快速澄清区进行泥水分离；除磷厌氧区中设有推动池体内流体进行循环的全混式推流器，全混式推流器将快速澄清区的部分污水回流至除磷厌氧区；除磷厌氧区的末端设有过水廊道，过水廊道内设空气扩散器，空气扩散器进行空气扩散使污水形成密度差，推动除磷厌氧区中的污水流至曝气区。

进一步的，所述曝气区配有风机和溶氧仪，通过溶氧仪的反馈信号调整鼓风机的风量，控制整个曝气区在低氧环境中。

进一步的，所述快速澄清区设置有朝除磷厌氧区倾斜的多层澄清斜管和斜板。

进一步的，所述快速澄清区中设置有行车式刮吸泥机，刮吸泥机集成排泥、反冲洗功能。污泥经污泥槽外排或回流。

进一步的，所述快速澄清区上部设置有集水槽，上清液通过集水槽收集排放进入后续处理单元。

进一步的，为能够获得非常严格的厌氧环境，所述除磷厌氧区顶部设置有密封顶盖，严格密封。

进一步的，所述除磷厌氧区内部设置有潜水推流器进行搅拌，且为了提高污水处理效率，可在本系统进水前置水解酸化池。

污水进入快速澄清区内进行泥水分离，部分污泥从沉淀器底部经过提升泵再次抽吸回流至曝气区，剩余污泥直接流到污泥储池中；快速澄清区内的清水由上部的集水槽收集后排出。由于大比例循环作用，使得出水水质更加稳定，不会因来水波动发生较大的变化。

本发明根据污水生化处理的反应机理，通过模拟自然界的方式，将微生物混合共生，形成一个循环往复的平衡整体。以低氧并适应低碳生化处理技术为研发重点，通过利用新型微生物技术、低通量曝气技术、全混式推流循环技术以及一体化结构设计，实现内核反硝化，将除碳、脱氮、除磷及沉淀过程综合于一体进行。

本发明的全混式内核反硝化污水处理系统及工艺，具有以下优点：

(1)本发明曝气区采用内核反硝化微生物技术，将硝化控制在亚硝酸盐阶段，能够直接以亚硝态氮为电子受体；内核反硝化流程短，节约碳源，更能降低氧的消耗，占地较常规工艺节省约35％，工程投资较常规工艺节省20～30％，运行成本较常规工艺节省约50％。

(2)本发明采用低能耗密度流提升技术，除磷厌氧区内，为造成上升补偿流内设空气扩散器进行空气扩散，使污水形成密度差，造成污水的流动，这样形成的流动称为密度流。采用空气扩散器推动池内流体进行循环所需能耗远远小于提升泵。

(3)本发明采用风机-溶氧仪自控系统，通过溶氧仪反馈信号调整鼓风机的风量，控制整个曝气区的溶解氧维持在0.7mg/L左右，若池中溶解氧浓度低于0.3mg/L，则溶氧仪送来4～20mA信号经PLC运算后，输出到变频器，提高控制变频器的运行频率，从而使风机电动机频率升高，对应供风量增大，直到池中溶解氧浓度正常处于0.7～1.2mg/L之间，可达到节能降耗的目的。

(4)本发明工艺整体水头损失小于0.3米，对于提标改造高程限制地区有优势，且池体高度可根据不同水量及占地要求能在4-8米灵活调整。

(5)本发明除磷厌氧区、曝气区和快速澄清区为一体化结构，不需要单独的二沉池。

(6)本发明的全混式内核反硝化污水处理系统的抗冲击负荷能力强，出水效果稳定。

(7)本发明的全混式内核反硝化污水处理系统适用范围广，对工业废水及市政污水均有良好的处理效果。

本发明还提供了以下两个具体实施例：

实施例1：

本实例选取某污水处理厂调节池出水，废水进水水质如表所示，采用本发明全混式低碳内核反硝化污水处理工艺进行处理，进水水量：3m³/h。

全混式生化池尺寸为长度12m，宽度2.3m，高度2.4m。用便携式溶氧仪测定各个区域溶氧值，除磷厌氧区溶氧为0.1mg/L，曝气区溶氧在0.7-1.2mg/L，曝气区尾端溶氧为0.3mg/L。污泥浓度6000-8000mg/L。

于2018年1月29日9点至1月30日6点进行了24h连续监测，现对数据进行分析，经全混式内核反硝化污水处理工艺的平均进出水水质如表2：

表2进出水水质

结合表中数据的分析，可得出以下结论：本工艺对市政污水脱氮除磷有较好效果，同时能够去除大部分COD和SS，出水指标主要指标可达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)类Ⅳ类标准。

本工艺可与深度处理单元组合使污水排放达到更高要求，使TN小于5mg/L。

实施例2：

本实例处理的污水来源于某县城市政管网排放的生活污水及某开发区内排放的部分工业废水，废水进水水质如下：化学需氧量COD为350mg/L，生物需氧量BOD为100-200mg/L，氨氮NH₃-N为100mg/L，总氮TN为20mg/L左右，SS为100-200mg/L，总磷TP为3mg/L左右，处理水量为15000m³/d。

采用全混式内核反硝化污水处理工艺，对原池进行改造后处理污水。生化池在进入污水之前，需要先驯化污泥，完成后，将污水用水泵泵入本发明污水处理生化池，保持除磷厌氧区溶解氧浓度＜0.1mg/L，曝气区溶解氧为0.7mg/L左右，污泥浓度6000-8000mg/L，容积负荷1.43KgCOD/m³·d；对出水进行连续监测。

采用国标测试方法对出水水质测定：出水COD为27.8mg/L，BOD为5.2mg/L，氨氮NH3-N为1.5mg/L，TN为6mg/L，SS为10mg/L，TP为0.3mg/L；出水主要指标可达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)类Ⅳ类标准。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种全混式内核反硝化污水处理系统，其特征在于，包括设置在同一池体内的除磷厌氧区、曝气区和快速澄清区，所述除磷厌氧区出水经过曝气区后进入快速澄清区，所述曝气区内设有曝气装置，曝气区的出水进入快速澄清区进行泥水分离，所述快速澄清区的部分污水回流至除磷厌氧区；曝气区底部的曝气装置形成直径小于1mm的气泡，曝气区溶解氧浓度为0.7-1.2mg/L。

2.一种全混式内核反硝化污水处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：

S1、待处理的污水进入除磷厌氧区，释放污水中溶氧，随后与快速澄清区回流的污泥混合均匀，在绝对厌氧条件下，嗜磷菌完成释放磷的反应过程；

S2、除磷厌氧区内的污水进入曝气区内；

S3、曝气区内，污泥与曝气软管产生的气泡发生充分的接触，完成对CODcr、氨氮的降解过程，同时也完成磷的吸收，之后污水经由曝气区出口流至快速澄清区；曝气装置形成直径小于1mm的气泡，曝气区溶解氧浓度控制在0.7-1.2mg/L；曝气区内污泥的菌胶团内部供氧呈梯度分布；

S4、污水进入快速澄清区内进行泥水分离。

3.根据权利要求2所述的全混式内核反硝化污水处理工艺，其特征在于，在所述步骤S1中，快速澄清区回流的污泥与进入除磷厌氧区待处理的污水之间的比例为10-20：1。

4.根据权利要求2所述的全混式内核反硝化污水处理工艺，其特征在于，在所述步骤S1中，嗜磷菌以待处理的污水中的BOD5作为碳源。

5.根据权利要求2所述的全混式内核反硝化污水处理工艺，其特征在于，在所述步骤S2中，除磷厌氧区末端过水廊道的空气扩散器释放出空气，过水廊道内污水与曝气区内污水产生密度差，两个区域之间形成一个水平推动流和上升补偿流，污水不断地被推流进入曝气区内，使污水与污泥充分混合接触。

6.根据权利要求2所述的全混式内核反硝化污水处理工艺，其特征在于，在所述步骤S4中，快速澄清区内分离后的部分污泥从沉淀器底部经过提升泵再次抽吸回流至曝气区，剩余污泥直接流到污泥储池中；快速澄清区内的清水由上部的集水槽收集后排出。

7.根据权利要求2所述的全混式内核反硝化污水处理工艺，其特征在于，在所述步骤S3中，曝气区内污泥浓度为6～8g/L。

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