申请日2006.03.22
公开(公告)日2006.09.13
IPC分类号C02F9/14; C02F3/10; C02F3/30; C02F3/12
摘要
本发明公开了一种城市污水同步脱氮除磷工艺，旨在提供一种反应流程短，能节约碳源，无需污泥回流，动力消耗低，且占地省，设备投资少，基建投资与运行费用分别为传统污水处理工艺的50%、30%左右，并具有耐冲击负荷能力强、运行稳定、处理效果好，还可以采用程序控制，控制点少，控制简单，运行管理方便的城市污水同步脱氮除磷工艺，它是在序批式复合生物反应器中形成活性污泥和生物膜的复合悬浮生物体系;反应器按厌氧、好氧、缺氧工序运行，达到污水中氮、磷及有机物的同步去除。
权利要求书
1、一种城市污水同步脱氮除磷工艺，其特征在于：序批式复合生物反应器中形成活 性污泥和生物膜的复合悬浮生物体系;反应器按厌氧、好氧、缺氧工序运行，达到污水 中氮、磷及有机物的同步去除。
2、如权利要求1所述的城市污水同步脱氮除磷工艺，其特征在于：反应器中投加活 性污泥和悬浮生物膜载体，经两阶段法培养驯化后，形成活性污泥和生物膜的复合悬浮 生物体系，实现多种群、多功能的微生物共存，第一阶段在厌氧/好氧条件下处理含磷城 市污水，初步形成了一定数量的生物膜;第二阶段在厌氧/好氧/缺氧条件下处理含磷城市 污水，提高以硝酸盐氮作为电子受体的反硝化聚磷菌的数量，且形成均匀致密的生物膜， 达到理想的脱氮除磷的效果;经培养、驯化后在反应器中形成活性污泥和生物膜的复合 悬浮微生物体系，实现多种群、多功能、不同世代周期的微生物共存。
3、如权利要求1或2所述的城市污水同步脱氮除磷工艺，其特征在于其具体工艺步 骤为：①.活性污泥与生物膜载体的投加：在序批式复合生物反应器中投加活性污泥和作 为生物膜载体的塑料多面空心球，其中活性污泥取自城市污水处理厂二沉池，活性污泥 的浓度为3000～5000mg/L，塑料多面空心球载体可从市场购买，载体主要特征为：载体 材质为聚氯乙稀塑料，直径为20～100mm，当载体上生物膜培养成功后在污水中可以形 成悬浮状态;投加载体的堆积体积占序批式复合生物反应器有效容积的25～40%;
②.活性污泥与生物膜的培养与驯化：活性污泥与生物膜的培养与驯化分为两阶段： 第一阶段，序批式复合生物反应器在厌氧/好氧条件下运行，处理城市污水，污水水质为： 化学需氧量，150～600mg/L;悬浮固体，100～300mg/L;总氮，20～80mg/L;氨氮， 20～50mg/L;总磷，4～15mg/L;序批式复合生物反应器运行周期为8h，其时间分配 为：进水30min，厌氧搅拌150min，好氧曝气并搅拌240min，沉淀30min，排水、排 泥15min，闲置15min，pH为6.5～8.2，厌氧阶段溶解氧≤0.2mg/L、好氧阶段溶解氧 约2.0mg/L，序批式复合生物反应器的充水比为4∶5，即周期末排出的上清液体积为序 批式复合生物反应器有效容积的0.8，搅拌电机转速为60～100r/min共需运行30d，90 个周期;在本阶段的每个周期，通过排泥控制序批式复合生物反应器中活性污泥浓度为 2200～3000mg/L，活性污泥的污泥停留时间为10d;第二阶段，序批式复合生物反应器 在厌氧/好氧/缺氧条件下运行，处理含磷城市污水，污水水质同第一阶段，序批式复合生 物反应器运行周期为8h，其时间分配为：进水30min，厌氧搅拌90min，好氧曝气并搅 拌210min，缺氧搅拌90min，沉淀30min，排水、排泥15min，闲置15min，pH为6.5～ 8.2，厌氧阶段溶解氧≤0.2mg/L、好氧阶段溶解氧约2.0mg/L、缺氧阶段溶解氧≤0.5 mg/L，序批式复合生物反应器的充水比为4∶5，搅拌电机转速为60～100r/min，共需运 行30d，90个周期，在本阶段的每个周期，通过排泥控制序批式复合生物反应器中活性 污泥浓度和生物膜上的生物量约各占50%，其中活性污泥浓度为2200～3000mg/L，活性 污泥的污泥停留时间为10d，经本法培养、驯化后在序批式复合生物反应器中形成活性 污泥和生物膜的复合悬浮微生物体系，实现多种群、多功能、不同世代周期的微生物共 存，处理后的出水达到或接近《污水综合排放标准》GB8978-1996的一级标准，工艺开 始正式运行;
③.工艺的正式运行：正式运行的工艺流程为：首先污水经格栅和沉砂池截留污水中 较大的悬浮物与颗粒物，同时沉砂池兼作调节池，对污水的水量和水质进行调节;调节 后污水由泵提升至序批式复合生物反应器中，反应器先后经厌氧搅拌、好氧曝气并搅拌、 缺氧搅拌、静置、排水排泥、闲置阶段，序批式复合生物反应器的运行周期为8h，其时 间分配为：进水30min，厌氧搅拌90min，好氧210min，缺氧搅拌90min，沉淀30min， 排水、排泥15min，闲置15min，厌氧搅拌段溶解氧≤0.2mg/L，本阶段聚磷菌去除污 水中有机物的同时释放磷;好氧段启动曝气风机，通过微孔曝气头向反应器内充入空气， 通过调节曝气量控制溶解氧为2.0mg/L左右，同时通过搅拌强化湍流，实现部分磷的吸 收、氨氮的完全硝化和部分总氮通过同步硝化和反硝化反应而去除，并进一步降解污水 中剩余的难降解有机物;缺氧搅拌段关闭曝气风机，溶解氧≤0.5mg/L，在无碳源条件下 反硝化聚磷菌利用硝酸盐氮作为电子受体进行反硝化吸磷，实现氮、磷的同步去除;复 合反应器最后静置30min后排出上清液，并同时排泥，排出反应器中多余的活性污泥和 脱落的生物膜，排水、排泥时间共15min，通过排泥控制反应器中活性污泥浓度为2200～ 3000mg/L，保持生物膜与活性污泥中的生物量各为50%;排水和排泥结束后反应器进入 闲置阶段，闲置共15min，闲置结束后开始下一个反应周期，经复合生物反应器处理后 排出的上清液进入消毒池消毒，达标后排入区域水体;富含磷的剩余污泥与脱落的生物 膜不回流，直接排入污泥处理系统，污水的消毒和污泥处理系统均采用常规方法，工艺 在常温下运行，序批式复合生物反应器的充水比为4∶5，搅拌电机转速为80r/min，pH 为6.5～8.2。
4、如权利要求3所述所述的城市污水同步脱氮除磷工艺，其特征在于：生物膜载体 的密度与水的密度相近，载体上生物膜形成后，载体比水略重，静置时下沉，搅拌或曝 气时正好形成悬浮状态;载体材料为聚氯乙稀，形状为球形、圆柱形或其它形状，疏松 多孔结构，表面积大。
5、如权利要求4所述的城市污水同步脱氮除磷工艺，其特征在于：运行控制可以采 用程序控制或自动运行或为手动操作。
6、如权利要求5所述的城市污水同步脱氮除磷工艺，其特征在于：所述的曝气采用 空气压缩机和曝气头联合曝气，也可以为其它曝气方式，实现厌氧阶段溶解氧≤0.2mg/L、 好氧阶段溶解氧约2.0mg/L、缺氧阶段溶解氧≤0.5mg/L。
说明书
城市污水同步脱氮除磷工艺
技术领域
本发明涉及一种城市污水同步脱氮除磷工艺。
背景技术
污水处理中脱氮与除磷之间的关系比较复杂，一般认为，硝化菌、反硝化菌与除磷 菌对氧的需求和世代周期等生理特征存在很大差异，很难在同一反应器中实现氮、磷的 高效同步去除。最新的脱氮除磷工艺都是基于对生物摄/放磷代谢机理重新认识后发现的 “反硝化除磷”新途径而开发的。反硝化聚磷菌将吸磷和脱氮过程的结合，不仅节省了对 碳源的需求，还可节省曝气所需的能源，此外，可以大大降低剩余污泥的产量，符合可 持续发展目标。目前，具有反硝化除磷特征的城市污水同步脱氮除磷工艺主要有厌氧/好 氧(A/O)、厌氧/缺氧/好氧(A/A/O)，以及多级序批式活性污泥法(SBR)等，其共同特 征是：多个反应器串联、并联，实现不同阶段、不同操作条件下不同反应器中优势菌种 的富集，实现对不同污染物的去除。但是，以上工艺都存在流程长、土建投资与运行费 用高、氮和磷的同步去除率低、控制复杂等不足，且无法对已建工程进行简单改造来满 足更严格的排放标准。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有城市污水处理工艺中氮、磷去除率低、流程 长、投资大、管理难等不足，提供一种城市污水高效同步脱氮除磷新工艺，该工艺反应流 程短，该工艺能节约碳源，无需污泥回流，动力消耗低，且占地省，设备投资少，基建 投资与运行费用分别为传统污水处理工艺的50%、30%左右;并具有耐冲击负荷能力强、 运行稳定、处理效果好等优点;本工艺还可以采用程序控制，控制点少，控制简单、运 行管理方便。且容易在污水处理厂已建老工艺的基础上通过简单改造实现对污染物的高 效去除。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
序批式复合生物反应器中形成活性污泥和生物膜的复合悬浮生物体系;反应器按厌 氧、好氧、缺氧工序运行，达到污水中氮、磷及有机物的同步去除。
反应器中投加活性污泥和悬浮生物膜载体，经两阶段法培养驯化后，形成活性污泥 和生物膜的复合悬浮生物体系，实现多种群、多功能的微生物共存，第一阶段在厌氧/好 氧条件下处理含磷城市污水，初步形成了一定数量的生物膜。第二阶段在厌氧/好氧/缺氧 条件下处理含磷城市污水，提高以硝酸盐氮作为电子受体的反硝化聚磷菌的数量，且形 成均匀致密的生物膜，达到理想的脱氮除磷的效果。经培养、驯化后在反应器中形成活 性污泥和生物膜的复合悬浮微生物体系，实现多种群、多功能、不同世代周期的微生物 共存。
本发明的具体工艺步骤为：
1、活性污泥与生物膜载体的投加。在序批式复合生物反应器中投加活性污泥和作为 生物膜载体的塑料多面空心球，其中活性污泥取自城市污水处理厂二沉池，活性污泥的 浓度为3000～5000mg/L，塑料多面空心球载体可从市场购买，载体主要特征为：载体材 质为聚氯乙稀塑料，直径为20～100mm，当载体上生物膜培养成功后在污水中可以形成 悬浮状态。投加载体的堆积体积占序批式复合生物反应器有效容积的25～40%。
2、活性污泥与生物膜的培养与驯化。活性污泥与生物膜的培养与驯化分为两阶段： 第一阶段，序批式复合生物反应器在厌氧/好氧条件下运行，处理城市污水，污水水质为： 化学需氧量(COD)，150～600mg/L;悬浮固体(SS)，100～300mg/L;总氮(TN)， 20～80mg/L;氨氮(NH4 +-N)，20～50mg/L;总磷(TP)，4～15mg/L。序批式复合生 物反应器运行周期为8h，其时间分配为：进水30min，厌氧搅拌150min，好氧曝气并 搅拌240min，沉淀30min，排水、排泥15min，闲置15min，pH为6.5～8.2，厌氧阶 段溶解氧(DO)≤0.2mg/L、好氧阶段溶解氧约2.0mg/L。序批式复合生物反应器的充 水比为4∶5，即周期末排出的上清液体积为序批式复合生物反应器有效容积的0.8。搅拌 电机转速为60～100r/min。共需运行30d，90个周期。在本阶段的每个周期，通过排泥 控制序批式复合生物反应器中活性污泥浓度(MLSS)为2200～3000mg/L，活性污泥的 污泥停留时间(SRT)为10d。(第一阶段的目的是使序批式复合生物反应器在此条件下 具有高效的除磷性能，活性污泥中聚磷菌成为优势菌种，初步形成了一定数量的生物膜。) 第二阶段，序批式复合生物反应器在厌氧/好氧/缺氧条件下运行，处理含磷城市污水，污 水水质同第一阶段。序批式复合生物反应器运行周期为8h，其时间分配为：进水30min， 厌氧搅拌90min，好氧曝气并搅拌210min，缺氧搅拌90min，沉淀30min，排水、排泥 15min，闲置15min，pH为6.5～8.2，厌氧阶段溶解氧≤0.2mg/L、好氧阶段溶解氧约 2.0mg/L、缺氧阶段溶解氧≤0.5mg/L，序批式复合生物反应器的充水比为4∶5，搅拌电 机转速为60～100r/min。共需运行30d，90个周期。在本阶段的每个周期，通过排泥控 制序批式复合生物反应器中活性污泥浓度和生物膜上的生物量约各占50%，其中活性污 泥浓度为2200～3000mg/L，活性污泥的污泥停留时间为10d。(第二阶段的目的是提高 活性污泥和生物膜中以硝酸盐氮作为电子受体的反硝化聚磷菌的数量，且在载体上形成 均匀致密的生物膜，达到理想的脱氮除磷的效果。)经本法培养、驯化后在序批式复合生 物反应器中形成活性污泥和生物膜的复合悬浮微生物体系，实现多种群、多功能、不同 世代周期的微生物共存，处理后的出水达到或接近《污水综合排放标准》(GB8978-1996) 的一级标准，工艺开始正式运行。
3、工艺的正式运行。正式运行的工艺流程为：首先污水经格栅和沉砂池截留污水中 较大的悬浮物与颗粒物，同时沉砂池兼作调节池，对污水的水量和水质进行调节。调节 后污水由泵提升至序批式复合生物反应器中，反应器先后经厌氧搅拌、好氧(曝气并搅 拌)、缺氧搅拌、静置、排水排泥、闲置等阶段。序批式复合生物反应器的运行周期为8h， 其时间分配为：进水30min，厌氧搅拌90min，好氧210min，缺氧搅拌90min，沉淀 30min，排水、排泥15min，闲置15min。厌氧搅拌段溶解氧≤0.2mg/L，本阶段聚磷菌 去除污水中有机物的同时释放磷;好氧段启动曝气风机，通过微孔曝气头向反应器内充 入空气，通过调节曝气量控制溶解氧为2.0mg/L左右，同时通过搅拌强化湍流，实现部 分磷的吸收、氨氮的完全硝化和部分总氮通过同步硝化和反硝化反应而去除，并进一步 降解污水中剩余的难降解有机物;缺氧搅拌段关闭曝气风机，溶解氧≤0.5mg/L，在无碳 源条件下反硝化聚磷菌利用硝酸盐氮作为电子受体进行反硝化吸磷，实现氮、磷的同步 去除;复合反应器最后静置30min后排出上清液，并同时排泥，排出反应器中多余的活 性污泥和脱落的生物膜，排水、排泥时间共15min，通过排泥控制反应器中活性污泥浓 度为2200～3000mg/L，保持生物膜与活性污泥中的生物量各为50%;排水和排泥结束后 反应器进入闲置阶段，闲置共15min。闲置结束后开始下一个反应周期。经复合生物反 应器处理后排出的上清液进入消毒池消毒，达标后排入区域水体;富含磷的剩余污泥与 脱落的生物膜不回流，直接排入污泥处理系统，污水的消毒和污泥处理系统均采用常规 方法。工艺在常温下运行，序批式复合生物反应器的充水比为4∶5，搅拌电机转速为80 r/min，pH为6.5～8.2。
本工艺适用处理污水水质为：化学需氧量，150～600mg/L;悬浮固体，50～400mg/L; 总氮，20～80mg/L;氨氮，20～60mg/L;总磷，3～15mg/L。
序批式复合生物反应器同时具备好氧聚磷菌、反硝化聚磷菌、硝化菌和反硝化菌等 不同菌种的生长环境，形成活性污泥和生物膜的复合悬浮微生物体系，实现多种群、多 功能、不同世代周期的微生物共存，生物相种群具有多样化特征，所形成的微生物生态 系统更稳定，抗外界干扰及恢复调节能力强。由于生物膜的层状结构，反应过程中生物 膜表层为好氧层，中层为缺氧层，内层为厌氧层，所以即使在好氧阶段，反应器中也有 适合厌氧和缺氧微生物生长的环境，强化了厌氧-好氧-缺氧运行周期中反应器对氮、 磷的同步去除效果。在同一反应器中可以实现高效的氮、磷去除效果，对总氮、总磷和 有机物的平均去除率分别高于95%、95%和92%。
本工艺表现的较高有机物、氮及磷去除效率是与其所具有的流态和高效传质特性密 不可分的。由于本工艺采用塑料多面空心球作为生物膜载体，生物膜与活性污泥的混合 体系在搅拌时形成整体螺旋上升、局部紊流的复杂流态，产生的水流剪切力可降低液膜 的厚度，减少活性污泥絮体的尺寸和生物膜的厚度，形成致密的生物膜，加速生物膜的 更新，从而减少传质阻力。同时，由于水流的离心惯性效应，可使活性污泥和载体以及 有机物颗粒作径向运动，粒径与质量差异形成的运动速率差异，加速了活性污泥絮体相 对于有机底物的迁移，增加了液膜内外的浓度差，有利于在空间上形成有机污染物浓度 梯度分布，表现出良好的氧气和硝酸盐氮等电子受体和有机底物的传质特性，从而提高 了液膜中有机底物的补充速率。另外，由于塑料多面空心球具有多孔构造，生物膜表面 积大，好氧曝气阶段，能够在载体上吸附一定气泡，从而提高了氧的利用率。为达到同 样的溶解氧浓度，本工艺的曝气量仅为普通活性污泥法的40%左右。反应器中有机物、 氮、磷与生物体的转移速率高，从而提高了系统的处理效率，并可以减少反应器的容积。
通过本发明提供的方法进行活性污泥和生物膜的培养与驯化，在序批式复合生物反 应器中，形成活性污泥和悬浮生物膜的复合生物体系，在同一反应器中实现微生物种群、 数量和生长条件方面的复合，通过序批式厌氧-好氧-缺氧方式运行，实现其它工艺多 个反应器串、并联同样的脱氮除磷功能，耐冲击负荷能力强、运行稳定，并强化了去除 效果。通过微生物好氧吸磷、反硝化除磷和同步硝化反硝化作用，实现同步脱氮除磷效 果，能高效去除城市污水中的有机物、氨氮、磷、悬浮固体，其出水水质各项指标均低 于《污水综合排放标准》(GB8978-1996)的一级标准。反应器中氧气利用率高，其曝气 量仅为普通活性污泥法的40%;尤其是碳源利用率高，在处理低碳源高浓度氮、磷污水 时，不需添加碳源，工艺运行中剩余污泥量少且无需污泥回流，可大大降低运行成本， 运行费用仅为传统城市污水处理工艺的40%。同时序批式复合生物反应器采用周期方式 运行，可以采用程序控制，控制点少，运行管理简单方便。另外本工艺无需多种反应器 组合运行，占地省、投资少，基建投资仅为传统污水处理工艺的60%。已建的序批式活 性污泥反应器经简单改造就可变成序批式复合生物反应器，不需增加任何土建投资，却 可以大幅提高脱氮除磷的效率。