申请日2010.11.26
公开(公告)日2012.11.28
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明公开了一种采用FBR(Filter bio-reactor)微孔过滤生物反应器处理城市污水的方法，属于资源与环境技术领域。该方法采用将好氧反硝化和双层微孔过滤池相结合的方式进行城市污水处理，能大幅度的有效去除城市污水中的NH3-N、TN、COD、SS、TP等污染物，处理后的排放水可以达到国家地表Ⅳ类水标准，其中CODCr≤30mg/l，NH3-N≤1.5mg/l，总氮(湖、库，以N计)≤1.5mg/l，总磷(以磷计)≤0.3mg/l，高锰酸钾指数≤10;能直接排入地表河道，减少环境污染，满足日益提高的城市污水排放标准要求。该发明可以应用于城市污水处理厂的建设和现有污水处理厂提质改造。
权利要求书
1.一种用微孔过滤生物反应器一FBR处理城市污水的方法，其特征在于包括以 下内容：
1)采用好氧反硝化与双层微孔过滤池相结合而成，能有效的去除城市污水 中的NH3-N、TN、COD、SS、TP;
2)典型的城市污水经过格栅将大体积的漂浮物去除，进入好氧反硝化曝气 池中进行好氧生化处理;
3)曝气池底部装有曝气装置，曝气池混合液流进双层微孔过滤池中进行泥 水分离，污泥沉降到池底，部分污泥回流到好氧曝气池中，回流比R=0.5-2.0; 双层微孔过滤池是由一个微孔过滤池和一个沉淀池组合而成，具体为微孔过滤池 浸没在沉淀池中成为一体式过滤池，具有沉淀和过滤双重功能;是一种装有浸没 式重力出水过滤池的多斗或平、坡底的沉淀池;微孔过滤池中装有微孔颗粒型滤 料;平、坡底的沉淀池设有机械刮泥设备，污泥采用泵或重力方式排泥与回流;
4)微孔过滤池截留活性污泥混合液中微生物絮体和较大分子有机物，使之 停留在反应器内，保持曝气池内高的活性污泥浓度，延长它的停留时间，提高了 微生物的反硝化效率;
5)微孔过滤池的反冲洗水流入双层微孔过滤池中的沉淀池，再次过滤实现 重复利用;微孔过滤池截留的污物与水在沉淀池中分离，上清液经过双层微孔过 滤池利用位差自流重力过滤出水;
6)运行控制条件进水CODCr=200～800mg/l，NH3-N=20～100mg/l，TN=20～ 100mg/l，C/N：2～10，N/P：4～12，DO：2～8mg/l，含复合菌群污泥浓度3～ 15g/l，曝气池pH值6.5-9，曝气池的水力停留时间HRT=4～8小时，出水指标 达到国家地表IV类水标准，其中CODCr≤30mg/l，NH3-N≤1.5mg/l，湖、库水 以N计总氮≤1.5mg/l，以磷计总磷≤0.3mg/l，高锰酸钾指数≤10。
2.根据权利要求1所述的用微孔过滤生物反应器-FBR处理城市污水的方法， 其特征在于：所述好氧反硝化过程中已利用筛选并驯化的好氧反硝化菌。
3.根据权利要求1所述的用微孔过滤生物反应器-FBR处理城市污水的方法， 其特征在于：微孔过滤池中填充了微孔颗粒滤料，全部为均质颗粒，蜂窝状表面 可起到很好的吸附作用，同时采用了长路径，深层吸附过滤原理，因此，进水最 高浊度达到300NTU，过滤后出水浊度达到10NTU以下;微孔过滤池连接气水 联合反冲洗系统，可以将堵塞的过滤层清洗干净，恢复微孔过滤池的初始产水能 力。
4.根据权利要求1所述的用微孔过滤生物反应器-FBR处理城市污水的方法， 其特征在于：曝气池为好氧生化池，空气中的氧气通过充氧设备扩散到曝气池中。
说明书
一种用FBR微孔过滤生物反应器处理城市污水的方法
技术领域
本发明涉及一种资源与环境技术领域的城市污水处理方法。采用好氧反硝化和双层微 孔过滤池相结合的微孔过滤生物反应器-FBR(Filter bio-reactor)进行城市污水处理，可 以大幅度的去除城市污水中的NH3-N、TN、COD、SS、TP等污染物，处理后的出水 可以达到国家地表Ⅳ类水标准，能直接排入地表河道，减少环境污染，满足日益提高的城 市污水排放标准要求。可以应用于城市污水及其他近似城市污水水质的水源处理。
背景技术
随着目前我国水环境形势的严峻，城市污水处理面临标准逐步提高的的局面。北京城 市污水处理排水标准已提至国家地表Ⅳ类，中心城区9座污水处理厂全部升级改造，新建 21座再生水厂，出厂水质将全部提高至地表水Ⅳ类标准。江苏环太湖地区从2008年1月 1日起城镇污水处理厂已开始执行一级A标准。更低的CODCr、氨氮、总氮、总磷处理标 准，是困扰环保水处理工作者的技术难题;然而面对现实中突出的矛盾，能用上的技术手 段几乎都是已有五十年～上百年历史的传统工艺，目前国内大多采用国外引进的延时曝气 的氧化沟、SBR、A2/O、曝气生物滤池、MBR(膜生物反应器)等工艺。
统计分析2008年已建成的城市污水处理厂项目的处理工艺发现，有22%的项目采取 的是A2/O处理工艺、18%的项目采取的处理工艺是传统活性污泥法、16%的项目采取的 是SBR处理工艺、10%的项目采用的是A/O处理工艺，剩下34%的项目采用的其它工 艺。当前新建和已建污水处理厂工艺数据分析可得出，传统活性污泥法、A2/O工艺、氧 化沟、SBR为四种主要的处理工艺方法，占绝大部分64%。当前污水处理厂的工艺基本 上能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918-2002)》中规定的一级B标准， 但达不到一级A标准或更严格的国家地表Ⅳ类水水质标准。
要达到一级A标准或者更严格的国家地表水Ⅳ类水水质标准，其难点是总氮的脱除。传 统的生物脱氮工艺经改进和优化后在目前脱氮工艺中占有较大比重，包括A/O工艺(厌氧- 好氧法)、A2/O工艺(厌氧-缺氧-好氧法)、SBR工艺(序批式反应器)、曝气生物滤池等工 艺，在理论上说其氨氮去除效率可达80%～90%，总氮去除效率可达70%～90%但还是不 能达到一级A标准。下表是几种主要的城市污水处理传统脱氮工艺技术参数的对表。
城市污水传统脱氮工艺技术参数对比
传统生物脱氮工艺普遍存在如下问题：自养硝化菌在大量有机物存在的条件下，对氧 气和营养物的竞争能力不如脱碳好氧异养菌强，从而导致异养菌占优势;反硝化需要提供 适当的电子供体，通常为有机物;硝化反应与反硝化反应对DO的质量浓度需求差别很大。 因此传统生物脱氮工艺中硝化菌和反硝化菌的不同要求导致了硝化和反硝化两个过程在 时间上和空间上难以统一。
硝化菌群增殖速度慢，且难以维持较高的生物浓度，特别是在低温冬季。因此造成系 统总水力停留时间较长，有机负荷较低，增加了基建投资和运行费用;
为维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回流和硝化混合液回 流，增加了动力消耗及运行费用;
硝化过程中产生的酸度需要投加碱中和，增加了处理费用，而且还可能造成二次污染。
反硝化过程要求尽量在绝氧的环境中，一般要求DO<0.5mg/L。事实上由于工艺本身的 原因往往从混合液或污泥的回流中将好氧曝气池中的溶解氧带到缺氧池中，或是由于进水 溶解氧过高，都难以维持缺氧池中低浓度溶解氧DO来满足反硝化的需要。另外生活污水中 的C/N比偏低，也满足不了反硝化对高C/N比的要求，因此反硝化效果也不理想。
国家发改委价格司官员表示，2009年底按照中国多数污水处理厂的处理标准一级B 计算，三十六个大中城市的污水处理厂的平均成本约为每吨水1.1元人民币。
要达到一级A标准或更严格的国家地表Ⅳ类水水质标准。按目前能实现这个要求的 技术是土地法(人工湿地)和MBR(膜生物反应器)。而土地法需要大量的宝贵土地资 源，不适合我国普遍推广采用。
MBR是将膜技术与传统废水生物反应器相互有机地组合形成的一种新型、高效的污水 处理系统。现在使用的膜生物反应器由于节能等原因大多数为一体式MBR，其工艺流程见 图1。具有脱氮功能的MBR由一好氧硝化池和一前置缺氧反硝化池组成，膜组件直接浸没 在反应器好氧池内，通过抽吸泵抽吸得到出水滤液。前置生物反应池作为缺氧池，达到硝 化-反硝化的目的。经过预处理的污水先进入缺氧池，后进入好氧池中进行好氧硝化，将氨 氮转化为硝态氮，好氧池中污泥和硝化混合液回流到缺氧池中，在缺氧状态下以原水中有 机物为碳源，反硝化好氧池回流带来的硝态氮，转化成N2，溢出水体，从而实现污水脱氮的 目的。
MBR工艺能克服传统污水处理工艺中的缺点，该系统利用超滤膜、微滤膜截留活性污 泥混合液中微生物絮体和较大分子有机物，使之停留在反应器内，而保持反应器内高的活 性污泥浓度，并延长它的停留时间，极大地提高了微生物的生化效率。这样处理后的出水 水质可以满足达到一级A标准要求或者更高要求的国家地表Ⅳ类水标准。
MBR运行能耗为0.6-2.0KW·h/m3(初始运行阻力低，随着膜污染增加，跨膜压差逐 渐提高，抽吸泵为变频控制，随着膜阻力提高，运行功率也在增加)。能耗高于活性污泥 0.3～0.4KW·h/m3。原因是MBR泥水分离过程必须保持一定的膜驱动压力克服膜阻力，其 次是MBR池中MLSS浓度非常高，要保持足够的传氧速率，必须加大曝气强度，同时为了 加大膜通量、减轻膜污染，也必须加大流速，冲刷膜表面，因此造成MBR的能耗要比传统 的生物处理工艺高。
根据污水水量、水质及处理难易程度的不同，MBR处理生活污水处理的一次性投资通常 在0.3～0.4万元/m3。高投资的主要原因是膜及膜组件价格昂贵，进口膜价格更是远远高于 国产膜，膜组件的费用占投资的25%左右，以十年计的设备折旧成本(土建与设备材料费用， 不含膜组件)为0.7～0.8元/m3，膜的更换费用(以两年计)为0.5元/m3，运行电费费等为0.8～ 1.5元/m3，其总运行费为2.0～2.6元/m3。高运行成本主要来自于动力能耗费和膜的更换费。
MBR工艺能满足出水水质高标准是以高投入、高运行费为代价的。这个特点是由MBR 的工艺特性决定的。MBR在工艺中利用了膜组件作为固液分离器，就决定了这种技术的高 投入、高成本，原因在于MBR膜本身用的材料和制作成本都高，另外膜的结构是很致密的， 膜孔径在0.1～0.4μm之间，MBR工艺就是利用膜孔径小的这个特性进行固液分离的。这就 造成了两个问题，一是处理水的通量受限制，需要更多的膜组件来完成水的处理，投资必 然高;二是水要透过膜就必需克服膜的阻力，造成了较高的耗能;同时由于孔径小容易堵， 就必需用大空气流量来进行曝气，使得混合液随气流向上流动，在膜表面产生剪切力，胶 体颗粒在这种剪切力的作用下被迫离开膜表面，才能延缓了膜的堵塞，增加了动力消耗， 也导致膜的使用寿命短的问题，一般来说膜的平均使用时间为2～3年，清洗和维护成本非 常高。
发明内容
根据以上对现有的城市污水处理技术存在的问题分析，本发明提出一种采用好氧反硝 化和双层微孔过滤池相结合的微孔过滤生物反应器-FBR(Filter bio-reactor)进行城市污 水处理的新方法。
采用本发明FBR工艺进行城市污水处理可以大幅度的去除城市污水中的NH3-N、 TN、COD、SS、TP等污染物，处理后的排放水可以达到国家地表Ⅳ类水标准，能直接 排入地表河道，减少环境污染，满足日益提高的城市污水排放标准要求。同时该发明能有 效降低城市污水处理的投资、减少能耗、降低运行成本。
最早提出好氧反硝化(aerobic denitrifieation)的是Robertson和Kuenen，他们在实验室 中观察到在氧气存在的条件下发生了反硝化现象。生物学解释突破了传统生物脱氮理论的 认识。近年来，好氧反硝化菌的发现，打破了传统理论认为硝化反应只能由自养菌完成和 反硝化反应只能在厌氧条件下进行的认识。对于好氧反硝化、异养硝化和自养反硝化等现 象，好氧反硝化菌和好氧反硝化酶系的发现，给出了比较令人满意的答案。
好氧反硝化，为生物脱氮提供了全新的途径，也奠定了好氧反硝化生物脱氮新技术的 理论基础。在本发明过程中也实现了在好氧情况下同一反应器中进行硝化和反硝化。
好氧反硝化脱氮的优点在于：
1)传统工艺中硝化和反硝化过程是分开的两个独立单元，因此往往造成系统复杂，能 耗较大，且运行管理不便。由于好氧反硝化可以和硝化在同一个反应器中发生，简化了工 艺流程，因而大大减少了系统空间和工程造价，从而节省投资，提高处理效率。
2)好氧反硝化释放出碱度可以提供硝化对碱度的需要，不需要更多的酸碱量对pH值 进行调节，可以节约成本。
3)好氧反硝化菌在处理运行中更容易被控制，不需要对不同构筑物中溶氧、C/N进行 协调控制。
另外我们通过长期工程实践发现了一种可实现0.1～0.4μm过滤精度的特殊蜂窝状微孔 颗粒滤料过滤池。这种具有高精度的过滤性能，可以实现MBR工艺中微滤、超滤膜的功能。 这种微孔滤料表面粗糙几乎被可见孔洞布满，且多棱角形成宽大的流道，这些棱角及大孔 具有极大的比表面积，极易截留杂质。且微孔滤料表面带有正电，对带有负电的胶体和颗 粒杂质具有吸附作用，这些物质进入流道后被吸附截留在微孔滤料表面，而不是停留在微 孔滤料之间，也不会堵塞过滤流道，因而水流通过要比石英砂多很多有效流道，被水流夹 带的极小胶体粒子最终都会吸附截留在流道侧壁上。
本发明将好氧反硝化和微孔颗粒滤料过滤池结合在一起开发出一种能满足处理城市污 水达到国家地表Ⅳ类水标准的新工艺-FBR微孔过滤生物反应器。FBR是一种分离型生物 反应器，由活性污泥生物曝气池和双层微孔过滤池组成。双层微孔过滤池是将过滤沉淀合 为一体的一套过滤系统，既有过滤作用又有沉淀作用。结构上是将微孔过滤池浸没在沉淀 池中，沉淀池底部有收集污泥的污泥斗，并有刮泥和排泥装置。
FBR工艺说明：
城市污水进入曝气池进行生化处理，出水自流到双层微孔过滤池中，大部分絮体在沉 淀池中沉淀，聚集到池底的污泥斗中，形成积存污泥，最后通过污泥回流泵把污水斗中积 存污泥移除，回流到曝气生化池中，回流比R=0.5-2.0;小部分细小絮体微粒和胶体微 粒悬浮在水中，不易沉淀，依靠重力流入浸没在水中的微孔过滤池，通过微孔过滤池吸附 截留，进一步去除水中细小絮体悬浮和胶体。微孔过滤池运行一段时间后出水量降低到低 限值时，进入反冲洗阶段，采用气水联合反冲洗方式对其进行清洗。过滤池中截留的污物 从过滤池上部冲出，自然沉淀到外层的沉淀区池，适时排出。反冲洗排水流入双层微孔过 滤池，再次过滤得到重复利用，实现废水“零排放”。双层微孔过滤池截留的污物与水在沉 淀池中分离，上清液经过双层微孔过滤池利用位差重力过滤出水。
通过污泥回流，曝气池中污泥浓度显著提高，可达到传统活性池的2-3倍，MLSS 可达3-15g/L，可防止硝化菌的流失，提高硝化反应效果。降低了污泥有机负荷，防止 污泥膨胀，使污泥进入内源消化状态，污泥增长与污泥消化的速度保持平衡，污泥可实现 零增长。好氧反硝化菌株生命力很强，投入传统活性污泥生化处理池中，运行正常活性污 泥系统中不用补充，遇到天气，水质的突变时需要两个月补充一次。说明好氧反硝化菌存 在流失现象，需要视出水水质情况定期补充菌种。
FBR微孔过滤生物反应器工艺图参见图2
FBR工艺特点
1)提高了处理效率。FBR将好氧反硝化技术与微孔过滤生物反应器结合起来，提高 了好氧曝气池的污泥浓度，增强FBR的反硝化能力，可以达到CODCr去除率90～98 %，NH3-N去除率95～99%，总氮去除率90～95%。处理城市污水排水水质可达到 地表Ⅳ类水质标准。
2)节省投资。整个工艺中没有缺氧处理单元，简化了处理工艺流程，减少了投资。 FBR处理通量高，一次性建设投入省。
3)低能耗。由于采用好氧硝化工艺，取消混合液回流泵，双层微孔过滤池重力出水， 大幅度降低了能耗，吨水能耗与传统活性污泥法近似，为0.3～0.4Kwh/m3，远低于 MBR0.6～2Kwh/m3的吨水能耗。
4)利于提质改造。解决了高效率总氮去除的技术难题，利于与现有污水处理工艺结 合，对现有城市污水厂进行提质改造工作。
5)F/M污泥负荷低，污泥产量少，排泥量少，污泥处理费用低。
6)构筑物容积水小，取消缺氧池，好氧池的水力停留时间只有4～8h，减少了投资 与占地面积。
7)操作自动化程度高，工艺环节少，处理过程简单，易于管理。
与MBR详细比较情况见下表
MBR和FBR两种生物反应器的主要优缺点
综上所述，在本发明中将好氧反硝化技术与双层微孔过滤池过滤技术有机结合在一 起，FBR工艺解决了传统生化处理技术中总氮去除效率低的问题，同时也解决了MBR工 艺膜运行过程中存在的一系列问题;采用松散无机颗粒微孔过滤材料代替MBR中的微滤、 超滤膜，一举解决了MBR寿命短、易堵、难清洗、投资高、能耗高、运行费用大等诸多 问题，又保留了MBR所具有的优点，出水水质好、剩余污泥排放少、占地面积小，在城 市污水处理、污水处理厂的提质改造及环境保护领域具有重大的社会效益及经济效益。