CN115340262A - 一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，涉及城镇污水处理技术领域，包括一体化反应池和与之配套的缺氧－好氧－缺氧(AOA)运行模式。本发明一体化反应池可省去高能耗的污泥回流工段及相关设备，省去高能耗的混合液回流工段及相关设备，从而有效降低工艺运行电耗，通过缺氧－好氧－缺氧(AOA)的切换运行模式极大地提升污水中内碳源的利用效率，提升总氮去除能力，减少甚至避免投加补充碳源所产生的药耗，装置内活性污泥和生物膜中的EPS含量同步降低，生物膜死亡率大幅提高，实现污泥减量作用，最终通过降低运行电耗、降低(取消)运行碳源投加和降低剩余污泥处理处置的能耗、药耗，综合地起到减少污水处理过程中碳排放量的目的。

Description

一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺
技术领域
本发明涉及城镇污水处理技术领域，具体涉及一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺。
背景技术
制定控制、减少碳排放的有效方法成为目前各行业工作的重点之一，污水处理行业虽然是国民经济中占比较小的行业，但由于其属于能源密集型行业，耗能巨大，其工艺流程各节点中涉及的碳排放总量在城镇碳排放总量中占比较高，城镇污水处理厂的碳排放分为直接碳排放和间接碳排放两种。其中，直接碳排放主要包括污水处理过程中产生的N2O、CH4温室气体排放和燃烧化石燃料产生的CO2气体排放；间接碳排放主要包括污水、剩余污泥处理过程中产生的电耗、热耗和物耗等。
针对现有技术存在以下问题：
污水处理过程中产生的N2O和CH4温室气体碳排放量的统计计算方法，温室气体的碳排放量主要与污水处理厂进水中总氮(TN)和有机污染物(COD)的去除量相关，与工艺措施的选择无关，即无法通过对污水处理工艺的优化达到减少上述温室气体排放的目的。
发明内容
本发明提供一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，包括一体化反应池和与之配套的缺氧－好氧－缺氧(AOA)运行模式，所述一体化反应池包括反应池池体、进水泵、池底进水管、进水电控阀门、鼓风机、配套曝气盘、池底潜水推流器、池底两侧混合液提升泵、池底排泥管及排泥电控阀门、池体中部出水管及出水电控阀门、池体中部填料框架、生物膜载体填料、池体中部污泥浓度计、池体顶部溢流管、配套管道、管件，所述缺氧－好氧－缺氧(AOA)运行模式是指利用PLC自动控制模块及预设控制程序，对完全混合式反应池体的工艺设备进行自动运行控制，从而循环实施“进水－缺氧－好氧－缺氧－沉淀－排水”的工艺运行模式，所述一种综合降低城镇污水处理碳排放量的污水处理工艺的工作过程包括以下步骤：
进水阶段：进水电控阀门开启完毕后，启动进水泵，将污水处理厂经过一级处理的生活污水泵入完全混合式反应池体直至水位达到其有效水深，完全混合式反应池完成进水后，依次关闭进水泵和进水电控阀门；
缺氧阶段一：同步开启池底潜水推流器、池底两侧混合液提升泵，池体底部活性污泥混合均匀后，由池底两侧混合液提升泵将泥水混合液越过池体中部微生物挂载系统泵送至池体顶部；
好氧阶段：关闭池底潜水推流器、池底两侧混合液提升泵，开启鼓风机进行曝气；
缺氧阶段二：关闭鼓风机，再次开启池底潜水推流器和池底两侧混合液提升泵；
沉淀阶段：再次关闭池底潜水推流器和池底两侧混合液提升泵，使位于池体中部出水口上方的活性污泥沉淀至池底；
排水阶段：开启出水电控阀门，排出处理出水；
重复上述步骤，对城镇污水处理厂的生活污水进行二级生化处理；
当本工艺出水中的悬浮物(SS)值接近10mg/L时，在第5)步骤完成后，开启池体底部排泥电控阀门，排出适量浓缩的泥水混合液；
重复上述步骤，进行污水二级处理和剩余污泥排放。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述反应池池体，池型优选为矩形，有效水深优选为5～8m，所述池底潜水推流器，布置于矩形池体底部任意一角，面向池体对角方向水平安装，设备安装总高度低于0.8m，设备功率优选为5～ 10w/吨水，所述鼓风机的供气量以气水比计，气水比优选为(2～8)：1。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述的池底两侧混合液提升泵的进水管安装高度优选为距离池底0.4～0.8m处，出水管安装高度优选为完全混合式反应池有效水深以下0.3～0.6m，单台设备扬程优选为完全混合式反应池有效水深+3～5m，单台设备功率优选为5～20w/吨水。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述池体中部出水管的中心线高度为反应池有效水深的50％～60％，所述池体中部污泥浓度计的传感器安装于池体中部出水管和池体中部填料框架顶端之间，测量范围优选为0～20000mg/L。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述池体中部填料框架和生物膜载体填料布置于池底潜水推流器上方、池体中部出水管下方，填充率优选为 30％～40％。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述池体中部填料框架采用 40mm*40mm的Q235热镀锌角钢制作，框架尺寸为1m*1m*1m，其顶部及底部采用焊接方式每10cm焊接一段φ12mm*1m镀锌圆钢，用于捆扎绳型填料，所述生物膜载体填料优选绳型生物膜载体填料，捆扎于镀锌角钢框架的镀锌圆钢之上，绑扎间隔优选为80～120mm。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述缺氧－好氧－缺氧(AOA)运行模式由PLC自动控制模块及预设控制程序执行，所述预设控制程序为：低碳污水处理工艺采用时间顺序控制运行，单批次运行总时长为8h。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述进水阶段持续时间为10～15min，所述缺氧阶段一持续时间为1～1.5h，所述好氧阶段持续时间为1.5～2h，所述缺氧阶段二持续时间为2.5～3h，所述沉淀阶段二持续时间为1～1.5h，所述排水阶段持续时间为10～15min。
由于采用了上述技术方案，本发明相对现有技术来说，取得的技术进步是：
1、本发明提供一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，一体化反应池具备较大的节能潜力，一体化反应池采用序批式运行，进水中的污染物在整个反应池体中均匀分布，一体化反应池可省去能耗很高的混合液回流工段及相关设备，从而有效降低工艺运行电耗，一体化反应池在沉淀阶段可直接作为沉淀池使用，一体化反应池可省去能耗很高的污泥回流工段及相关设备，从而降低工艺运行电耗，由于一体化反应池序批式运行的特性，其进水泵、鼓风机、搅拌系统等耗能设备均为间歇式运行，其实际吨水电耗值较低。
2、本发明提供一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，通过全新的高效搅拌系统，该系统由安装于工艺装置底部的潜水推流器和安装于工艺装置两侧的混合液提升泵组成，在工艺阶段进行到缺氧搅拌工段时，潜水推流器和两台提升泵同时开始工作，将底部混合均匀的活性污泥越过固定载体填料直接送至工艺装置顶部，从而解决了位于工艺装置中部的固定载体填料对泥水混合效果的负面影响，引入搅拌系统后，一体化反应池缺氧阶段的溶解氧(DO) 值可在20min内降至0.5mg/L以下，有效增加了缺氧阶段的反硝化脱氮反应时长。
3、本发明提供一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，采用的缺氧－好氧－缺氧(AOA)切换运行模式，在其缺氧阶段一期间，反应装置内的污水内碳源最为充足，十分有利于快速和充分地通过反硝化作用去除上一批次余水中残存的硝态氮，在缺氧阶段二期间，微生物则利用反应装置中剩余的碳源以及储存于细胞内部的碳源将好氧阶段中由氨氮和有机氮转化而来的硝态氮去除，相较于传统序批式活性污泥法工艺“进水－曝气－沉淀－排水－待机”的处理工艺，缺氧－好氧－缺氧(AOA)的切换运行模式能够极大地提升污水中内碳源的利用效率，提升了本发明工艺的总氮去除能力，进而节省甚至避免了投加补充碳源所产生的药耗。
4、本发明提供一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，采用的胞外聚合物(EPS)是活性污泥絮体和生物膜整体结构的重要组成部分，占到活性污泥干重的80％左右，对污水处理系统的剩余污泥排放量具有重大影响，通过“非必要不排泥”的运行模式，仅在工艺出水中的悬浮物(SS)值接近10mg/L时，排出适量浓缩的泥水混合液，极大地增加了工艺装置中活性污泥的泥龄(SRT)，随着泥龄的增加，装置内活性污泥和生物膜中的EPS含量将同步降低，进而起到减少剩余污泥排放量的良好效果。
5、本发明提供一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，通过池体内微生物挂载系统，利用了绳型生物膜载体填料对污水处理微生物的固定作用，附着于其上的微生物无法随排泥和出水离开系统，导致生物膜泥龄(SRT)的无限延长，在此条件下，活性污泥生存状态良好(死亡率仅8.25％)的情况下，内部绳型生物膜载体上挂载的生物膜微生物的死亡比例高达34.97％，实现了基于隐性生长机理的剩余污泥减量作用，进而起到减少剩余污泥排放量的良好效果。
附图说明
图1为本发明一体化反应池的结构示意图；
图2为本发明污水处理工艺的流程示意图。
图中：1、反应池池体；2、池底进水管；3、配套曝气盘；4、池底潜水推流器；5、池底两侧混合液提升泵；6、池体中部填料框架。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1
如图1-2所示，本发明提供了一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，包括一体化反应池和与之配套的缺氧－好氧－缺氧AOA运行模式，一体化反应池包括反应池池体1、进水泵、池底进水管2、进水电控阀门、鼓风机、配套曝气盘3、池底潜水推流器4、池底两侧混合液提升泵5、池底排泥管及排泥电控阀门、池体中部出水管及出水电控阀门、池体中部填料框架6、生物膜载体填料、池体中部污泥浓度计、池体顶部溢流管、配套管道、管件，反应池池体1，池型优选为矩形，有效水深优选为5～8m，池底潜水推流器，布置于矩形池体底部任意一角，面向池体对角方向水平安装，设备安装总高度低于0.8m，设备功率优选为5～10w/吨水，鼓风机的供气量以气水比计，气水比优选为2～8：1，的池底两侧混合液提升泵5的进水管安装高度优选为距离池底0.4～0.8m处，出水管安装高度优选为完全混合式反应池有效水深以下 0.3～0.6m，单台设备扬程优选为完全混合式反应池有效水深+3～5m，单台设备功率优选为5～20w/吨水，池体中部出水管的中心线高度为反应池有效水深的50％～60％，池体中部污泥浓度计的传感器安装于池体中部出水管和池体中部填料框架6顶端之间，测量范围优选为0～20000mg/L，池体中部填料框架和生物膜载体填料布置于池底潜水推流器上方、池体中部出水管下方，填充率优选为30％～40％，池体中部填料框架6采用40mm*40mm的Q235热镀锌角钢制作，框架尺寸为1m*1m*1m，其顶部及底部采用焊接方式每10cm焊接一段φ 12mm*1m镀锌圆钢，用于捆扎绳型填料，生物膜载体填料优选绳型生物膜载体填料，捆扎于镀锌角钢框架的镀锌圆钢之上，绑扎间隔优选为80～120mm。
在本实施例中，一体化反应池具备较大的节能潜力，一体化反应池采用序批式运行，进水中的污染物在整个反应池体中均匀分布，一体化反应池可省去能耗很高的混合液回流工段及相关设备，从而有效降低工艺运行电耗，一体化反应池在沉淀阶段可直接作为沉淀池使用，一体化反应池可省去能耗很高的污泥回流工段及相关设备，从而降低工艺运行电耗，由于一体化反应池序批式运行的特性，其进水泵、鼓风机、搅拌系统等耗能设备均为间歇式运行，其实际吨水电耗值较低,通过降低污水处理时使用的能耗，降低用电量，从而降低污水处理的碳排放。
实施例2
如图1-2所示，在实施例1的基础上，本发明提供一种技术方案：优选的，缺氧－好氧－缺氧AOA运行模式是指利用PLC自动控制模块及预设控制程序，对完全混合式反应池体的工艺设备进行自动运行控制，从而循环实施“进水－缺氧－好氧－缺氧－沉淀－排水”的工艺运行模式，缺氧－好氧－缺氧AOA运行模式由PLC自动控制模块及预设控制程序执行，预设控制程序为：低碳污水处理工艺采用时间顺序控制运行，单批次运行总时长为8h。
在本实施例中，为了达到稳定的工艺脱氮效果，污水处理厂常常在缺氧段中投加碳源，导致污水处理过程中摇号增加，进而导致碳排放增加，本发明采用的AOA运行模式，采用的缺氧－好氧－缺氧(AOA)切换运行模式，在其缺氧阶段一期间，反应装置内的污水内碳源最为充足，十分有利于快速和充分地通过反硝化作用去除上一批次余水中残存的硝态氮，在缺氧阶段二期间，微生物则利用反应装置中剩余的碳源以及储存于细胞内部的碳源将好氧阶段中由氨氮和有机氮转化而来的硝态氮去除，相较于传统序批式活性污泥法工艺“进水－曝气－沉淀－排水－待机”的处理工艺，缺氧－好氧－缺氧 (AOA)的切换运行模式能够极大地提升污水中内碳源的利用效率，进而在保证优质出水水质的前提下，减少或取消碳源投加，从而降低污水处理时的碳排放。
实施例3
如图1-2所示，在实施例1的基础上，本发明提供一种技术方案：优选的，一种综合降低城镇污水处理碳排放量的污水处理工艺的工作过程包括以下步骤：
进水阶段：进水电控阀门开启完毕后，启动进水泵，将污水处理厂经过一级处理的生活污水泵入完全混合式反应池体直至水位达到其有效水深，完全混合式反应池完成进水后，依次关闭进水泵和进水电控阀门；
缺氧阶段一：同步开启池底潜水推流器4、池底两侧混合液提升泵5，池体底部活性污泥混合均匀后，由池底两侧混合液提升泵5将泥水混合液越过池体中部微生物挂载系统泵送至池体顶部；
好氧阶段：关闭池底潜水推流器4、池底两侧混合液提升泵5，开启鼓风机进行曝气；
缺氧阶段二：关闭鼓风机，再次开启池底潜水推流器4和池底两侧混合液提升泵5；
沉淀阶段：再次关闭池底潜水推流器4和池底两侧混合液提升泵5，使位于池体中部出水口上方的活性污泥沉淀至池底；
排水阶段：开启出水电控阀门，排出处理出水；
重复上述步骤，对城镇污水处理厂的生活污水进行二级生化处理；
当本工艺出水中的悬浮物SS值接近10mg/L时，在第5步骤完成后，开启池体底部排泥电控阀门，排出适量浓缩的泥水混合液；
重复上述步骤，进行污水二级处理和剩余污泥排放，
进水阶段持续时间为10～15min，缺氧阶段一持续时间为1～1.5h，好氧阶段持续时间为1.5～2h，缺氧阶段二持续时间为2.5～3h，沉淀阶段二持续时间为1～1.5h，排水阶段持续时间为10～15min。
在本实施例中，通过全新的高效搅拌系统，该系统由安装于工艺装置底部的潜水推流器和安装于工艺装置两侧的混合液提升泵组成，在工艺阶段进行到缺氧搅拌工段时，潜水推流器和两台提升泵同时开始工作，将底部混合均匀的活性污泥越过固定载体填料直接送至工艺装置顶部，从而解决了位于工艺装置中部的固定载体填料对泥水混合效果的负面影响，引入搅拌系统后，一体化反应池缺氧阶段的溶解氧(DO)值可在20min内降至0.5mg/L以下，有效增加了缺氧阶段的反硝化脱氮反应时长。
实施例4
污水处理厂采用现有工艺和采用本发明工艺的碳排放量案例分析：
1.污水处理厂运行常规A2/O污水处理工艺的碳排放量分析:污水处理厂采用A2/O工艺，设计日处理能力为10万吨，实际日均处理水量为9.5万吨。具体工艺流程为：
进入污水处理厂的污水首先经提升泵房内污水泵提升进入细格栅，以拦截较大悬浮物或漂浮物；污水接着先后进入曝气沉砂池和精细格栅，将污水中的无机砂粒和较小的悬浮物进一步分离拦截出来；污水再经分配井流入A2/O 工艺生化池，池内活性污泥的微生物利用创造的厌氧、缺氧、好氧条件，去除污水中BOD5、CODCr、N、P等污染物，好氧区末端的硝化液以250％的回流比重新回流至缺氧池前端进行反硝化脱氮；经生化处理的污水与活性污泥混合液流入二沉池，进行泥水分离，污泥沉淀后部分返回生化池补充池内活性污泥，部分则排至污泥处理系统作后续离心浓缩脱水处理；最后二沉池处理出水流入接触池紫外消毒灭菌后排放。
根据该污水处理厂2021年全年实际运营情况以及《污水处理厂低碳运行评价技术规范》(T/CAEPI 49-2022)中碳排放的计算方法，核算该厂间接碳排放总量如下：
Figure BDA0003804813550000091
由上表可知，该污水处理厂2021年全年来自污水处理电耗、投加碳源药耗，以及剩余污泥脱水电耗的碳排放总量为10156.66t CO2。
2.污水处理厂运行本发明工艺的碳排放量分析:污水处理厂采用本发明工艺，设计日处理能力为10万吨。具体工艺流程为：进入污水处理厂的污水首先经提升泵房内污水泵提升进入细格栅，以拦截较大悬浮物或漂浮物；污水接着先后进入曝气沉砂池和精细格栅，将污水中的无机砂粒和较小的悬浮物进一步分离拦截出来；污水再经分配井流入完全混合式生化反应池，池内活性污泥的微生物利用反应池中依次切换的缺氧、好氧、缺氧条件，去除污水中BOD5、CODCr、N、P等污染物；经生化处理的污水直接在完全混合式生化反应池内进行泥水分离，污泥沉淀后大部分留在完全混合式生化反应池内进行下一批次污水处理，小部分则排至污泥处理系统作后续离心浓缩脱水处理；处理出水流入接触池紫外消毒灭菌后排放。
根据本发明污水处理工艺的污水处理节电情况、污水内碳源利用情况和剩余污泥减量情况，以及《污水处理厂低碳运行评价技术规范》(T/CAEPI 49-2022)中碳排放的计算方法，核算该厂间接碳排放总量如下：
Figure BDA0003804813550000101
由上表可知，污水处理厂采用本发明工艺后，其全年间接碳排放总量为4493.258t CO2，对比采用常规污水处理工艺的水厂可减少55.76％的间接碳排放量。
上文一般性的对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对于技术领域的一般技术人员是显而易见的。因此，在不脱离本发明思想精神的修改或改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，其特征在于：包括一体化反应池和与之配套的缺氧－好氧－缺氧(AOA)运行模式，所述一体化反应池包括反应池池体(1)、进水泵、池底进水管(2)、进水电控阀门、鼓风机、配套曝气盘(3)、池底潜水推流器(4)、池底两侧混合液提升泵(5)、池底排泥管及排泥电控阀门、池体中部出水管及出水电控阀门、池体中部填料框架(6)、生物膜载体填料、池体中部污泥浓度计、池体顶部溢流管、配套管道、管件，所述缺氧－好氧－缺氧(AOA)运行模式是指利用PLC自动控制模块及预设控制程序，对完全混合式反应池体的工艺设备进行自动运行控制，从而循环实施“进水－缺氧－好氧－缺氧－沉淀－排水”的工艺运行模式，所述一种综合降低城镇污水处理碳排放量的污水处理工艺的工作过程包括以下步骤：
进水阶段：进水电控阀门开启完毕后，启动进水泵，将污水处理厂经过一级处理的生活污水泵入完全混合式反应池体直至水位达到其有效水深，完全混合式反应池完成进水后，依次关闭进水泵和进水电控阀门；
缺氧阶段一：同步开启池底潜水推流器(4)、池底两侧混合液提升泵(5)，池体底部活性污泥混合均匀后，由池底两侧混合液提升泵(5)将泥水混合液越过池体中部微生物挂载系统泵送至池体顶部；
好氧阶段：关闭池底潜水推流器(4)、池底两侧混合液提升泵(5)，开启鼓风机进行曝气；
缺氧阶段二：关闭鼓风机，再次开启池底潜水推流器(4)和池底两侧混合液提升泵(5)；
沉淀阶段：再次关闭池底潜水推流器(4)和池底两侧混合液提升泵(5)，使位于池体中部出水口上方的活性污泥沉淀至池底；
排水阶段：开启出水电控阀门，排出处理出水；
重复上述步骤，对城镇污水处理厂的生活污水进行二级生化处理；
当本工艺出水中的悬浮物(SS)值接近10mg/L时，在第5)步骤完成后，开启池体底部排泥电控阀门，排出适量浓缩的泥水混合液；
重复上述步骤，进行污水二级处理和剩余污泥排放。
2.根据权利要求1所述的一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，其特征在于：所述反应池池体(1)，池型优选为矩形，有效水深优选为5～8m，所述池底潜水推流器，布置于矩形池体底部任意一角，面向池体对角方向水平安装，设备安装总高度低于0.8m，设备功率优选为5～10w/吨水，所述鼓风机的供气量以气水比计，气水比优选为(2～8)：1。
3.根据权利要求1所述的一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，其特征在于：所述的池底两侧混合液提升泵(5)的进水管安装高度优选为距离池底0.4～0.8m处，出水管安装高度优选为完全混合式反应池有效水深以下0.3～0.6m，单台设备扬程优选为完全混合式反应池有效水深+3～5m，单台设备功率优选为5～20w/吨水。
4.根据权利要求1所述的一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，其特征在于：所述池体中部出水管的中心线高度为反应池有效水深的50％～60％，所述池体中部污泥浓度计的传感器安装于池体中部出水管和池体中部填料框架(6)顶端之间，测量范围优选为0～20000mg/L。
5.根据权利要求1所述的一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，其特征在于：所述池体中部填料框架和生物膜载体填料布置于池底潜水推流器上方、池体中部出水管下方，填充率优选为30％～40％。
6.根据权利要求1所述的一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，其特征在于：所述池体中部填料框架(6)采用40mm*40mm的Q235热镀锌角钢制作，框架尺寸为1m*1m*1m，其顶部及底部采用焊接方式每10cm焊接一段φ12mm*1m镀锌圆钢，用于捆扎绳型填料，所述生物膜载体填料优选绳型生物膜载体填料，捆扎于镀锌角钢框架的镀锌圆钢之上，绑扎间隔优选为80～120mm。
7.根据权利要求1所述的一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，其特征在于：所述缺氧－好氧－缺氧(AOA)运行模式由PLC自动控制模块及预设控制程序执行，所述预设控制程序为：低碳污水处理工艺采用时间顺序控制运行，单批次运行总时长为8h。
8.根据权利要求1所述的一种降低碳排放量的低碳污水处理工艺，其特征在于：所述进水阶段持续时间为10～15min，所述缺氧阶段一持续时间为1～1.5h，所述好氧阶段持续时间为1.5～2h，所述缺氧阶段二持续时间为2.5～3h，所述沉淀阶段二持续时间为1～1.5h，所述排水阶段持续时间为10～15min。
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