申请日2015.12.01
公开(公告)日2016.03.09
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明公开一种兼具深度脱氮除磷和泥水重力分离的污水处理方法与装置，其包括搅拌一池、搅拌二池、曝气/搅拌交替池、充氧池和泥水重力分离装置。其完成深度脱氮除磷的步骤如下：污水首先进入搅拌一池，完成水解与释磷过程;接着进入搅拌二池，完成反硝化脱氮;再进入曝气/搅拌交替区，完成硝化反应和吸附去磷;最后进入充氧池和泥水重力分离装置，进一步去除BOD、氨氮和总磷，并完成泥水重力分离。该污水深度脱氮除磷方法与装置，创造了双重厌氧-缺氧-好氧循环，既发挥了传统脱氮除磷工艺的优势，又彻底了解决了传统工艺消化液回流不完全和对有机质利用不充分的瓶颈，可将污水中的氮磷去除效率由50-70%提高到90%或以上，处理常规市政污水时，出水总氮总磷可分别降低到3毫克/升和0.4毫克/升。
摘要附图
权利要求书
1.一种兼具深度脱氮除磷和泥水重力分离的污水处理装置，其特征在于，由依次连通的搅拌一池(1)、搅拌二池(2)、曝气/搅拌交替池(3)、充氧池(4)和泥水重力分离装置组成，所述搅拌一池(1)和搅拌二池(2)的底部连通，所述搅拌二池(2)通过设于池体上部的第二过水通道(26)与曝气/搅拌交替池(3)连通，所述搅拌一池(1)、搅拌二池(2)和曝气/搅拌交替池(3)均设有搅拌装置(9)，所述曝气/搅拌交替池(3)还设有第一曝气装置(10)和使曝气/搅拌交替池(3)中的部分泥水回流至搅拌二池(2)的泥水内循环装置(8)，所述曝气/搅拌交替池(3)通过设于池体上部的第三过水通道(27)与充氧池(4)连通，所述充氧池(4)包括第二曝气装置(20);泥水重力分离装置与充氧池(4)连通，所述泥水重力分离装置内设有使污泥回流至搅拌一池(1)的污泥回流装置(7)。
2.根据权利要求1所述兼具深度脱氮除磷和泥水重力分离的污水处理装置，其特征在于，所述泥水重力分离装置包括重力沉淀池(35)，所述重力沉淀池(35)设于充氧池(4)的外部。
3.根据权利要求1所述兼具深度脱氮除磷和泥水重力分离的污水处理装置，其特征在于，所述泥水重力分离装置包括膜组件(11)、清水池(5)和反冲洗装置;所述膜组件(11)置于充氧池(4)内;清水池(5)和反冲洗装置设于充氧池(4)外;所述膜组件(11)由一个以上的膜元件(12)组成，所述膜元件(12)包括设于所述膜元件(12)外表面的外粗孔微滤膜层(31)，所述膜元件(12)通过集水通道(13)与所述清水池(5)相连通。
4.如权利要求3所述的污水处理装置，其特征在于：所述反冲洗装置包括设置于所述充氧池(4)的液位监测器(16)、反冲洗泵(19)和控制器(18)，所述反冲洗泵(19)位于所述集水通道上，所述控制器(18)与所述液位监测器(16)和所述反冲洗泵(19)相连接。
5.如权利要求3所述的污水处理装置，其特征在于：所述反冲洗装置包括设置于所述充氧池(4)的液位监测器(16)、反冲洗泵(19)和控制器(18)，所述控制器(18)与所述液位监测器(16)和所述反冲洗泵(19)相连接;所述集水通道包括相互连通的集水管(13)、设有控制阀的滤液出水管(28)和设有所述反冲洗泵(19)的反冲洗吸水管(24);所述膜元件(12)与所述集水管(13)相连通，滤液出水管(28)与所述清水池(5)相连通，所述反冲洗吸水管(24)与所述清水池(5)相连通。
6.如权利要求3所述的污水深度处理装置，其特征在于：所述膜元件(12)为管状膜元件，所述管状膜元件与所述充氧池(4)池底垂直，所述第二曝气装置(20)包括曝气头。
7.如权利要求6所述的污水处理装置，其特征在于：所述膜元件(12)包括设于所述膜元件(12)外表面的外粗孔微滤膜层(31)以及设于所述膜元件(12)内的内粗孔微滤膜层(33)，所述外粗孔微滤膜层与内粗孔微滤膜层之间存在导流层(32)。
8.如权利要求3所述的污水处理装置，其特征在于：所述膜元件(12)为平板膜元件，所述第二曝气装置(20)包括曝气管，所述曝气管与所述平板膜元件平行;所述平板膜元件与所述充氧池(4)池底所成角度为50~70°。
9.一种污水深度处理的方法，其特征在于，采用如权利要求1~8任意一项所述的污水处理装置进行，包括如下步骤：
S1、搅拌一池：污水与回流污泥通过连续流的方式进入搅拌一池，该池始终处于厌氧状态;使得污水中部分大分子有机质，经过厌氧发酵，变成小分子有机质;回流污泥中的聚磷菌将体内的有机磷转化为无机磷并加以释放，并储存小分子有机质;
S2、搅拌二池：搅拌二池中的污水与内循环的泥水混合;内循环的泥水中含有大量硝酸盐，反硝化菌利用污水中的有机质作为电子供体，将硝酸盐和亚硝酸还原成氮气，去除部分总氮;部分聚磷菌，利用硝酸盐作为电子的受体，氧化内存储有机质，产生能量吸收污水中的磷;
S3、曝气/搅拌交替池：曝气/搅拌交替池中交替进行曝气和搅拌，当交替池处于曝气阶段时，交替池处于好氧状态，氨氮被氧化成硝酸盐，BOD被氧化，聚磷菌吸收游离性磷酸盐，实现对氨氮、有机质、总磷的去除;当交替区处于搅拌阶段时，交替池一开始处于缺氧状态，反硝化菌以BOD作为电子供体，还原未回流的硝酸盐，去除总氮;当硝酸盐耗尽后，该池处于厌氧状态，聚磷菌吸收并储存小分子有机质;
S4、充氧池：该池始终处于好氧状态，使得少量在曝气/搅拌交替池中累积的BOD、氨氮以及释放的磷在充氧池中去除。
10.根据权利要求9所述的污水深度处理方法，其特征在于，所述搅拌一池的工作参数：水力停留时间在1±0.5小时，污泥回流比在0.5~1.0;
所述搅拌二池的工作参数：水力停留时间在2±0.5小时，泥水内循环比在1.5~3.0;
所述曝气/搅拌交替池的工作参数：水力停留时间在6~8小时，曝气与搅拌交替进行，每次进行曝气或搅拌的时间为0.5~2小时;当交替池处于曝气阶段时，溶解氧控制在1.0~2.0毫克/升;
所述充氧池的工作参数：水力停留时间控制在1±0.2小时，溶解氧控制在1.0~2.0毫克/升。
说明书
一种兼具深度脱氮除磷和泥水重力分离的污水处理方法与装置
技术领域
本发明涉及一种污水处理方法与装置，更具体地，涉及一种兼具深度脱氮除磷和泥水重力分离的污水处理方法与装置。
背景技术
氮和磷是导致水体富营养化的关键性污染物质，相对COD和TSS的去除，要难很多。依据我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标准，出水氨氮、总氮和总磷应分别小于5、15和0.5毫克/升。而我国《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)规定，第V类水环境中氨氮、总氮和总磷应分别小于2.0，2.0和0.4毫克/升。这意味着，即使城市污水处理厂的达标出水，仍会严重污染环境容量已接近饱和的接纳水体。
然而，污水厂的提标改造正面临着两个难题：(1)缺乏经济且高效的深度脱氮除磷工艺技术;(2)依靠现有工艺，外加辅助设施，即使能满足新的排放要求，但改造成本和处理成本将大量上升。传统经典的生物脱氮除磷工艺，例如A2O、UCT等工艺，由于消化液回流不完全和对原水中有机质利用不充分，大约能去除70%左右的氮和磷，出水总氮和总磷分别在15毫克/升和1毫克/升左右。
污泥截留与泥水分离，是污水处理中最关键的过程之一。依靠重力沉淀来实现泥水分离是目前最常用的方式。这种方式虽然成本低，但占地面积大，而且难以提高反应器水力负荷和污染物负荷。利用膜分离技术对污水进行处理，可以打破传统重力沉淀的局限性，其优点是反应器体积小。常用的膜材料为细孔微滤膜(0.01-0.5微米)和超滤膜(0.005-0.2微米)，这两种膜材料几乎能完全去除污水中的悬浮物和浊度，以及大部分细菌和部分病毒。但由于细孔微滤膜和超滤膜膜孔径小，易污染，用于泥水分离中还需频繁的反冲洗和定期的化学冲洗。这使得膜分离装置的运行能耗、管理难度和工作量都会增加。
基于上述的原因，急需一种低成本、高效率的深度脱氮除磷工艺与重力流膜分离装置，在完成深度脱氮除磷的同时，既能发挥膜生物反应器在占地面积小、负荷高、污泥产量少等优势，又能克服膜易污染、操作复杂和能耗高等缺点。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供了一种兼具深度脱氮除磷和泥水重力分离的污水处理方法与装置，它显著提高了氮磷去除效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种兼具深度脱氮除磷和泥水重力分离的污水处理装置，由依次连通的搅拌一池、搅拌二池、曝气/搅拌交替池、充氧池和泥水重力分离装置组成，所述搅拌一池和搅拌二池的底部连通，所述搅拌二池通过设于池体上部的第二过水通道与曝气/搅拌交替池连通，所述搅拌一池、搅拌二池和曝气/搅拌交替池均设有搅拌装置，所述曝气/搅拌交替池还设有第一曝气装置和使曝气/搅拌交替池中的部分泥水回流至搅拌二池的泥水内循环装置，所述曝气/搅拌交替池通过设于池体上部的第三过水通道与充氧池连通，所述充氧池包括第二曝气装置;泥水重力分离装置与充氧池连通，所述泥水重力分离装置内设有使污泥回流至搅拌一池的污泥回流装置。
搅拌一池和搅拌二池中的搅拌器，处于连续工作状态。在搅拌一池中，回流的污泥与进水混合，由于没有曝气且回流污泥中硝酸盐含量低，该池始终处于厌氧状态，起到水解酸化和聚磷菌释磷的作用。搅拌二池始终处于缺氧状态，泥水内循环带回的硝酸盐和亚硝酸盐，被还原成氮气，从而去除总氮。
利用控制裝置控制所述曝气/搅拌交替池中的搅拌装置和曝气装置交替运行，能够创造好氧-缺氧-厌氧的交替环境，继续强化硝化和反硝化，去除BOD和氨氮的同时，继续去除未能回流的硝酸盐。交替好氧-缺氧-厌氧的环境，也继续强化了聚磷菌的生长，更利于聚磷菌的富集和总磷的去除。所述曝气/搅拌交替池，打破了传统工艺，如A2O工艺，硝化液回流受限和对有机碳利用不充分的问题，强化了对氮磷的去除。
所述充氧池中的第二曝气装置，一直处于运行状态，进一步降低出水中的BOD、氨氮和总磷。
所述泥水重力分离装置，完成污泥截留与泥水分离。
作为一种可选方案，所述泥水重力分离装置，包括重力沉淀池。所述重力沉淀池设于充氧池的外部。所述重力沉淀池的上部设有供清水流出的出水口。
作为另一种可选方案，所述泥水重力分离装置包括膜组件、清水池和反冲洗装置;所述膜组件置于充氧池内;清水池和反冲洗装置设于充氧池外;所述膜组件由一个以上的膜元件组成，所述膜元件包括设于所述膜元件外表面的外粗孔微滤膜层，所述膜元件通过集水通道与所述清水池相连通。
优选地，所述膜组件使用粗孔微滤膜污泥截留和泥水分离的材料，该膜材料通量大，且不易污染。
作为上述技术方案的改进，所述反冲洗装置包括设置于所述充氧池的液位监测器、反冲洗泵和控制器，所述反冲洗泵位于所述集水通道上，所述控制器与所述液位监测器和所述反冲洗泵相连接。当充氧池中液位高度到达液位监测器时，控制器自动启动反冲洗泵，实现自动反冲洗，反冲洗后，膜通量增大，出水量大于进水量，液位将下降，实现液位调控。
作为上述技术方案的改进，充氧池设有低液位线和高液位线，集水通道为一条与低液位线处于同一水平高度的集水管，液位监测器位于高液位线上。
作为上述技术方案的改进，所述反冲洗装置包括设置于所述充氧池的液位监测器、反冲洗泵和控制器，所述控制器与所述液位监测器和所述反冲洗泵相连接;所述集水通道包括相互连通的集水管、设有控制阀的滤液出水管和设有所述反冲洗泵的反冲洗吸水管;所述膜元件与所述集水管相连通，所述滤液出水管与所述清水池相连通，所述反冲洗吸水管与所述清水池相连通。
作为上述技术方案的改进，充氧池设有低液位线和高液位线，滤液出水管与低液位线处于同一水平高度，液位监测器位于高液位线上。
作为上述技术方案的改进，所述第二曝气装置设置于所述充氧池底部，所述膜组件位于所述第二曝气装置的正上方。所述膜组件安装在第二曝气装置正上方，曝气时可缓解膜污染速率，并依靠水的扰动，提高单位膜通量。
作为上述技术方案的改进，所述膜元件为管状膜元件，所述管状膜元件与所述充氧池池底垂直，所述第二曝气装置包括曝气头。将粗孔微滤膜制作成管状膜组件，可以增加单位体积内的膜面积大小，与管状膜组件配合使用的为曝气头且管状膜元件垂直池底时，曝气时产生的气泡会通过管状膜元件，气泡形成的剪切力可以清洗膜表面。
作为上述技术方案的进一步改进，所述膜元件包括设于所述膜元件外表面的外粗孔微滤膜层以及设于所述膜元件内的内粗孔微滤膜层，所述外粗孔微滤膜层与内粗孔微滤膜层之间存在导流层。
作为上述技术方案的改进，所述膜元件为平板膜元件，所述第二曝气装置包括曝气管，所述曝气管与所述平板膜元件平行。与平板膜组件配合使用的为曝气管，且曝气管与平板膜元件平行时，曝气时产生的气泡会贴着膜表面快速上升，缓解膜污染和提高单位膜通量。
作为上述技术方案的改进，所述平板膜元件与所述充氧池池底所成角度为50~70°。
作为上述技术方案的改进，所述外粗孔微滤膜层膜孔孔径为1~50μm。
一种用于污水深度脱氮除磷的方法，采用所述兼具深度脱氮除磷和泥水重力分离的污水处理装置进行，污水首先进入搅拌一池和搅拌二池，接着进入曝气/搅拌交替池，最后进入充氧池和泥水重力分离装置，完成对有机质、氨氮、总氮、总磷等污染物的有效去除以及污泥截留，具体包括如下步骤：
S1、搅拌一池(厌氧发酵和聚磷菌释磷)：污水与回流污泥通过连续流的方式首先进入搅拌一池，由于没有曝气，回流比低，硝酸盐浓度也低，该池始终处于厌氧状态;污水中部分大分子有机质，经过厌氧发酵，变成小分子有机质，如乙酸;回流污泥中的聚磷菌将体内的有机磷转化为无机磷并加以释放，并利用此过程产生的能量吸收污水中乙酸等易降解有机质以合成PHB，贮存在体内作为碳源(称作释磷过程)。
S2、搅拌二池(反硝化反应、脱氮)：污水经过搅拌一池后，进入搅拌二池，与泥水内循环装置带回的内循环的泥水混合;泥水内循环带回大量的硝酸盐，反硝化菌利用污水中的有机质作为电子供体，把硝酸盐和亚硝酸还原成氮气，去除部分总氮;部分聚磷菌，可利用硝酸盐作为电子的受体，氧化内存储有机质，产生能量吸收污水中的磷。
S3、曝气/搅拌交替池(硝化反硝化、脱氮除磷)：污水从搅拌二池进入交替池，由于硝化液回流不完全和对污水中的有机质利用不充分，搅拌一池和搅拌二池，仅能去除部分总氮;当交替池中的曝气启动时，搅拌器停滞工作，该池处于好氧状态，有机物被氧化掉，氨氮被氧化成硝酸盐，聚磷菌利用氧气作为电子受体，氧化在搅拌一池中内储存的有机质产生能量吸收污水中的磷，实现对氨氮、有机质和磷的去除。泥水内循环带至搅拌二池中的硝酸盐虽被还原成了氮气，但未被回流的硝酸盐还存在于交替池中，当交替池中的曝气停滞时，搅拌器将启动，该池一开始处于缺氧状态，将还原好氧阶段未能回流的硝酸盐，提高总氮去除效率。当硝酸盐耗尽后，该池处于厌氧状态，聚磷菌吸收并储存小分子有机质。
S4、充氧池(硝化和继续除磷)：该池始终处于好氧状态，当曝气/搅拌交替池处于搅拌阶段时，由于稀释作用，该池中BOD和氨氮的累积不明显，但少量累积的BOD和氨氮将在充氧池中去除。曝气/交替池在搅拌阶段释放的磷，也在充氧池中再次被吸附去除，保证出水总磷浓度很低。
S5、泥水分离：充氧池的水进入泥水重力分离装置中，进行污泥与清水的分离。所述泥水重力分离装置可以是常规的重力沉淀池，优选为由粗孔微滤膜制成的重力膜分离装置。当利用粗孔微滤膜作为泥水重力分离装置时，污泥被粗孔微滤膜截留，而水通过重力流的方式，穿过粗孔微滤膜进入清水池。粗孔微滤膜对污泥的截留作用，显著提高了整个深度脱氮除磷系统的污泥浓度，显著提高该处理系统的处理能力，且粗孔微滤膜的膜通量大，不易污染，无须泵抽，采用重力流出水，泥水分离能耗低。
如本发明所述的污水主要指生活污水。本发明所述装置适用于大中小新污水处理设施的初步建造或者升级改造，提升氮磷去除效率。
本发明所述搅拌一池的工作参数：水力停留时间在1±0.5小时，污泥回流比(回流污泥量/进水量)在0.5~1.0。
所述搅拌二池的工作参数：水力停留时间在2±0.5小时，泥水内循环比(泥水内循环量/进水量)在1.5~3.0。
交替池的工作参数：所述交替池的水力停留时间在6-8小时左右，曝气与搅拌交替进行，每次进行曝气或搅拌的时间为0.5~2小时。优选地，交替池中，每次曝气时间约长于搅拌时间。当交替池处于曝气阶段时，优选溶解氧控制在1.0-2.0毫克/升。
充氧池的水力停留时间控制在1±0.2小时，溶解氧控制在1.0-2.0毫克/升。
当采用膜组件进行泥水分离时，高液位线和低液位线的垂直高度在0.5~1米。
本发明中，污泥龄一般控制在12天以上，温度降低，则提高污泥龄。
本发明也可用其他含氮含磷有机质废水的处理，但运行参数需要根据进水水质特征和出水要求，重新确立。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明所提供的兼具深度脱氮除磷和泥水重力分离的污水处理方法与装置，通过设置搅拌一池、搅拌二池、曝气/搅拌交替池、充氧池、泥水重力分离装置、污泥回流和泥水内循环，丰富了氮磷的去除途径，为反硝化和聚磷菌的富集创造了双重厌氧-缺氧-好氧环境(前置搅拌一区、搅拌二区与充氧池，曝气/搅拌交替区)，既发挥了传统脱氮除磷工艺的优势，又彻底了解决了传统工艺消化液回流不完全和对有机质利用不充分的瓶颈，可将污水中的氮磷去除效率由50-70%提高到90%或以上，出水总氮可低至2-3毫克/升。由于反硝化更彻底，更多的硝酸盐取代氧气，作为电子受体，需氧量更低。进一步地，采用本发明所述膜分离装置作为重力分离装置，显著提高了所述污水处理系统的处理能力;其膜元件采用粗孔微滤膜作为污泥截留和泥水分离的材料，粗孔微滤膜的膜通量大，能有效截留污泥絮体，同时膜不易污染，反冲洗间隔时间长且无需化学冲洗;巧妙的液位调控设计和反冲洗机制，能实现自动反冲洗，抗水力负荷大，无需像其他膜生物反应器样前置配备水量调节池;无需泵抽，重力流出水，处理成本减少。