申请日2009.07.01
公开(公告)日2009.11.18
IPC分类号C02F9/14; C02F3/28; C02F3/30; C02F3/12
摘要
本发明涉及一种厌氧产甲烷去除有机物与自养生物脱氮的城市污水处理装置和方法，设有原水箱、厌氧反应器、除磷反应器、中沉池、半短程硝化反应器、二沉池、中间水池、厌氧氨氧化反应器;厌氧反应器为填装海绵填料的厌氧生物滤池;除磷反应器第1格室为厌氧区，其余的4个格室为好氧区;半短程硝化反应器设有1个缺氧区和4个好氧区;厌氧氨氧化反应器设有柱状反应体和水浴套。利用该装置的方法：1)将从污水处理厂取得的活性污泥投加到除磷反应器和短程硝化反应器;2)城市污水首先泵入到厌氧反应器中;3)厌氧反应器出水进入到除磷反应器，4)除磷反应器的出水通过中沉池进入到半短程硝化反应器。本发明适用于城市污水处理，结构完善，工艺先进，效率高。
权利要求书
1、一种厌氧产甲烷去除有机物与自养生物脱氮的城市污水处理装置，其特征在于： 设有原水箱(1)、厌氧反应器(2)、除磷反应器(3)、中沉池(4)、半短程硝化反应器 (5)、二沉池(6)、中间水池(7)、厌氧氨氧化反应器(8);厌氧反应器为填装海绵填 料(2.1)的厌氧生物滤池，上部设有三相分离器(2.3)，原水箱通过出水泵(2.8)和水 管与厌氧反应器的底部连通，厌氧反应器通过出水管(2.9)与除磷反应器的厌氧区(3.7) 的底部连通，厌氧反应器还设有下进上出，进行水循环的水管和循环泵(2.5);
除磷反应器在长度方向上平均分为5个格室，第1格室为厌氧区(3.7)，设有调速搅 拌器(3.1)，其余的4个格室为好氧区，按照水流方向上下交错设置孔径为15mm的过 流孔;气泵(3.9)通过气体流量计(3.8)、气量调节阀(3.2)与设在反应器底部的曝气 头(3.6)连接，除磷反应器通过出水管(3.4)连接中沉池的中心管(4.1)，中沉池通过 除磷反应器的污泥回流泵(3.5)与除磷反应器的厌氧区相连接;中沉池的出水管(4.2) 与半短程硝化反应器(5)的缺氧区(5.9)相连接;
半短程硝化反应器在长度方向上平均分为5个格室，每个格室装填海绵填料(5.3)， 填充率为空间的30%，第1格室为缺氧区，设有调速搅拌器(5.2)，其余的4个格室为 好氧区，按照水流方向上下交错设置孔径为15mm的过流孔;气泵(5.10)通过气体流 量计(5.1)、气量调节阀(5.5)与设在反应器底部的穿孔曝气管(5.6)连接，半短程硝 化反应器通过出水管(5.7)连接二沉池(6)的中心管(6.1)，二沉池通过半短程硝化反 应器的污泥回流泵(5.8)与半短程硝化反应器的缺氧区相连接;二沉池的出水管(6.2) 与中间水池(7)相连接;
厌氧氨氧化反应器(8)中间设有柱状反应体(8.1)，该反应体上端设有三相分离器 (8.6)，分离器顶部设有用于排水的出水管(8.8)，分离器上部通过出水回流泵(8.14) 与反应体底部连通，反应体外围设有水浴套(8.10)，水浴套上设有进行水循环的水浴循 环泵(8.11)和穿孔吸水管(8.9)，水浴套内还设有电加热器(8.4)和温度控制器(8.5); 反应体上的取样阀(8.7)设置在水浴套外壁上;中间水池通过厌氧氨氧化反应器的进水 泵(8.15)与厌氧氨氧化反应器的反应体底部连通。
2、一种利用权利要求1所述的装置进行厌氧去除有机物与自养生物脱氮处理城市污 水的方法，其特征包括以下步骤：
1)将从城市污水处理厂取得的具有脱氮除磷功能的活性污泥投加到除磷反应器和短 程硝化反应器，接种后的污泥浓度MLSS分别为3000mg/l与4000mg/l左右;将从城市 污水厂污泥厌氧消化池取得的消化污泥投加到厌氧反应器中，投加后的污泥浓度MLSS 为8000mg/l左右;将活性良好的厌氧氨氧化污泥投加到厌氧氨氧化反应器，投加后的污 泥浓度MLSS为6000mg/l;同时将海绵填料投加到厌氧反应器和半短程硝化反应器中， 填充率分别为70%与30%;
2)城市污水首先泵入到厌氧反应器中，运行温度维持在20～30℃，厌氧反应器的水 力停留时间HRT为2～4小时，通过在上述范围内调整水力停留时间，保证厌氧反应器的 出水的COD与总磷TP的比值为15～20/1，当COD/TP<15时，适当缩短水力停留时间， 当COD/TP>20时，适当延长水力停留时间;
3)厌氧反应器出水进入到除磷反应器，除磷反应器的厌氧区与好氧区的水力停留时 间HRT分别为1～2小时与2～3小时，好氧区的溶解氧DO浓度控制在2～3mg/L，除磷反 应器出水TP<1mg/L;
4)除磷反应器的出水通过中沉池进入到半短程硝化反应器，半短程硝化反应器的缺 氧区和好氧区的HRT分别为1～2小时与3～5小时，好氧区的溶解氧DO通过调整曝气量 维持在0.3～0.6mg/L，污泥回流比维持在25%～75%，通过调整进水流量使得好氧区的硝 化率维持在50%左右，同时反应器中混合液温度维持在20℃以上，通过上述HRT、DO 浓度、硝化率、温度的联合控制，实现90%左右亚硝态氮NO2--N累积率的半短程硝化反 应;
5)半短程硝化反应器出水通过中间水池进入到厌氧氨氧化反应器，反应器的运行温 度为25～30℃，水力停留时间HRT为2～4小时。
说明书
城市污水厌氧去除有机物与自养生物脱氮的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种生化法污水生物处理技术，具体是通过厌氧产甲烷去除有机物与自养生物脱氮 的城市污水处理装置和方法，适用于城市污水二级处理及再生回用。
背景技术
我国的水污染不断加剧，而水资源短缺已经制约经济社会的发展，从而，不断提高城市污水厂的 排放标准，污水的再生回用成为大势所趋。传统的污水生物处理工艺的有机物(COD)氧化及氨氮硝化 因需要曝气而消耗能量，在氧化COD的过程中损失了大量的化学能，并导致大量CO2释放到大气。 同时，反硝化和生物除磷对COD的需求矛盾与剩余污泥的大量产生也是传统工艺无法回避的难题。
面对日益严格的出水排放标准，如果仍以传统工艺应对问题，污水处理厂将会消耗更多的能量和 有机碳源，同时排放更多的CO2，并产生大量的剩余污泥。面对日趋严重的水污染和温室效应对人类 社会造成的影响，污水处理的问题必须以一种兼顾整个环境，高效低耗的方式加以解决，水的可持续 发展是未来的发展方向。
污水和污泥的厌氧产甲烷反应在去除有机物COD的同时，回收了甲烷气体。甲烷的回收利用因 节省矿石燃料而减少了CO2排放。而厌氧产甲烷反应过程中产生的剩余污泥仅为好养活性污泥法的 10%左右。
厌氧氨氧化细菌在氮循环中可以产生“短程”现象，它们以亚硝酸盐氮(NO2-)为电子受体直接将 氨氮(NH4+)氧化为氮气，即自养生物脱氮，从而彻底改变了传统氮循环中NH4+只有通过硝化-反硝 化途径才能被转变为N2的过程，同时彻底改变过去需要通过投加电子供体(碳源)才能脱氮的传统途 径，使能量节省达65%以上，也可以使剩余污泥产量降至最低，从而节省大量的污泥处置费用，CO2 排放量也大幅度降低。
针对城市污水处理的现状和厌氧产甲烷、自养生物脱氮的特点，如果能够通过厌氧产甲烷反应去 除城市污水有机物，而后通过自养生物脱氮去除污水中的氮素，就可以实现城市污水高效低耗的处理， 同时大幅度减少剩余污泥和CO2排放，迄今为止，在世界范围内仍然没有能实现上述目标的城市污水 生物处理技术。
发明内容
本发明的目的是提出一种通过厌氧产甲烷去除有机物与自养生物脱氮的城市污水处理装置和方 法。
厌氧产甲烷去除有机物与自养生物脱氮的城市污水处理装置，其特征在于：设有原水箱、厌氧反 应器、除磷反应器、中沉池、半短程硝化反应器、二沉池、中间水池、厌氧氨氧化反应器;厌氧反应 器为填装海绵填料的厌氧生物滤池，上部设有三相分离器，原水箱通过出水泵和水管与厌氧反应器的 底部连通，厌氧反应器通过出水管与除磷反应器的厌氧区的底部连通，厌氧反应器还设有下进上出， 进行水循环的水管和循环泵;
除磷反应器在长度方向上平均分为5个格室，第1格室为厌氧区，设有调速搅拌器，其余的4个 格室为好氧区，按照水流方向上下交错设置孔径为15mm的过流孔;气泵通过气体流量计、气量调节 阀与设在反应器底部的曝气头连接，除磷反应器通过出水管连接中沉池的中心管，中沉池通过除磷反 应器的污泥回流泵与除磷反应器的厌氧区相连接;中沉池的出水管与半短程硝化反应器的缺氧区相连 接。
半短程硝化反应器在长度方向上平均分为5个格室，每个格室装填海绵填料，填充率为池容的 30%，第1格室为缺氧区，设有调速搅拌器，其余的4个格室为好氧区，按照水流方向上下交错设置 孔径为15mm的过流孔;气泵通过气体流量计、气量调节阀与设在反应器底部的穿孔曝气管连接，半 短程硝化反应器通过出水管连接二沉池的中心管，二沉池通过半短程硝化反应器的污泥回流泵与半短 程硝化反应器的缺氧区相连接;二沉池的出水管与中间水池相连接。
厌氧氨氧化反应器中间设有柱状反应体，该反应体上端设有三相分离器，分离器顶部设有用于排 水的出水管，分离器上部通过出水回流泵与反应体底部连通，反应体外围设有水浴套，水浴套上设有 进行水循环的水浴循环泵和穿孔吸水管，水浴套内还设有电加热器和温度控制器;反应体上的取样阀 设置在水浴套外壁上;中间水池通过厌氧氨氧化反应器的进水泵与厌氧氨氧化反应器的反应体底部连 通。
本发明还提供了一种利用上述装置通过厌氧去除有机物与自养生物脱氮处理城市污水的方法，其 特征包括以下步骤：
1)将从城市污水处理厂取得的具有脱氮除磷功能的活性污泥投加到除磷反应器和短程硝化反应 器，接种后的污泥浓度MLSS分别为3000mg/l与4000mg/l左右;将从城市污水厂污泥厌氧消化池取 得的消化污泥投加到厌氧反应器中，投加后的污泥浓度MLSS为8000mg/l左右。将活性良好的厌氧 氨氧化污泥投加到厌氧氨氧化反应器，投加后的污泥浓度MLSS为6000mg/l;同时将海绵填料投加到 厌氧反应器和半短程硝化反应器中，填充率分别为70%与30%;
2)城市污水首先泵入到厌氧反应器中，运行温度维持在20～30℃，厌氧反应器的水力停留时间 HRT为2～4小时，通过在上述范围内调整水力停留时间，保证厌氧反应器的出水的COD与总磷TP 的比值为15～20/1，当COD/TP<15时，适当缩短水力停留时间，当COD/TP>20时，适当延长水力停 留时间;
3)厌氧反应器出水进入到除磷反应器，除磷反应器的厌氧区与好氧区的水力停留时间HRT分别 为1～2小时与2～3小时，好氧区的溶解氧DO浓度控制在2～3mg/l，除磷反应器出水Tp<1mg/l;
4)除磷反应器的出水通过中沉池进入到半短程硝化反应器，半短程硝化反应器的缺氧区和好氧 区的HRT分别为1～2小时与3～5小时，好氧区的溶解氧DO通过调整曝气量维持在0.3～0.6mg/l，污 泥回流比维持在25%～75%，通过调整进水流量使得好氧区的硝化率维持在50%左右，同时反应器中 混合液温度维持在20℃以上，通过上述HRT、DO浓度、硝化率、温度的联合控制，实现90%左右亚 硝态氮NO2--N累积率的半短程硝化反应;
5)半短程硝化反应器出水通过中间水池进入到厌氧氨氧化反应器，反应器的运行温度为 25～30℃，水力停留时间HRT为2～4小时。
技术原理：城市污水首先在厌氧反应器中完成部分有机物的去除，同时回收生物能甲烷，厌氧反 应器出水进入到除磷反应器中，在厌氧与好氧交替的条件下，利用厌氧出水中的有机物完成生物除磷。 完成生物除磷的厌氧反应器出水，可生物降解的有机物含量很低，进入到半短程硝化反应器后完成氨 氮的半短程硝化，半短程硝化反应器出水NH4+-N与NO2--N的比率基本在1∶1左右，进入到反应器后， 完成NH4+-N与NO2--N的厌氧氨氧化反应，实现城市污水的全程自养脱氮。
在上述城市污水生物处理系统中，有机物主要用于产甲烷和生物除磷，回收了能源，减少了CO2 排放，而后在半短程硝化反应器和后续的Anammox反应器中，完成半短程硝化与Anammox反应耦 合的自养生物脱氮，节省了65%以上的曝气量和100%的反硝化碳源，整个系统的剩余污泥产生量减 少60%以上。
本发明涉及的通过厌氧产甲烷去除有机物与自养生物脱氮的城市污水处理方法与现有技术相比， 具有下列优点：
1)通过厌氧反应器去除污水中的大部分有机物，回收甲烷能源，传统工艺通过曝气好氧降解有 机物，“以能耗能”，同时产生大量难于处理的剩余生物污泥，排放大量CO2。
2)由于厌氧反应器出水中剩余的有机物主要用于生物除磷，生物除磷的碳源丰富，可以实现高 效生物除磷，为磷的最终回收创造条件。
3)通过自养生物脱氮，实现了污水中氮素的高效低耗去除，与传统工艺比较，节省了65%以上 的曝气量和100%的反硝化碳源，整个系统的剩余污泥产生量减少60%以上。
4)该技术体现了最少COD氧化、最少CO2排放、最少剩余污泥产生、最大限度回收能源的可 持续的城市污水生物处理理念。