申请日2017.08.30
公开(公告)日2017.12.19
IPC分类号C02F3/30; C02F101/16
摘要
基于细菌包埋固定化的4A污水处理装置和工艺，属于污、废水处理领域。包括依次连接的厌氧水解酸化装置、硝化装置、反硝化装置、厌氧装置、好氧装置和沉淀池，厌氧水解酸化装置中均匀分布或装填有水解酸化细菌包埋生物活性填料，硝化装置中均匀分布或装填有硝化细菌包埋生物活性填料，反硝化装置均匀分布或装填有反硝化细菌包埋生物活性填料，厌氧装置、好氧装置和沉淀池中均装有活性污泥，沉淀池底部设有沉淀污泥回流管、回流至厌氧装置，沉淀污泥一部分被回送至厌氧装置以实现系统厌氧装置、好氧装置工艺段的活性污泥保留，另一部分作为剩余污泥排除系统。利用这些生物活性填料能够形成更为高效和系统运行稳定的处理系统。
权利要求书
1.基于细菌包埋固定化的4A污水处理装置，其特征在于，包括依次连接的厌氧水解酸化装置(1)、硝化装置(2)、反硝化装置(3)、厌氧装置(4)、好氧装置(5)和沉淀池(6)，厌氧水解酸化装置(1)中均匀分布或装填有水解酸化细菌包埋生物活性填料(15)，硝化装置(2)中均匀分布或装填有硝化细菌包埋生物活性填料(16)，反硝化装置(3)均匀分布或装填有反硝化细菌包埋生物活性填料(17)，厌氧装置(4)、好氧装置(5)和沉淀池(6)中均装有活性污泥(18)，厌氧水解酸化装置(1)、硝化装置(2)、反硝化装置(3)中仅有各自对应的细菌包埋生物活性填料，没有活性污泥，厌氧装置(4)、好氧装置(5)和沉淀池(6)中只有活性污泥，没有细菌包埋生物活性填料;沉淀池(6)底部设有沉淀污泥(14)回流管(12)、回流至厌氧装置(4)，沉淀污泥(14)一部分被回送至厌氧装置(4)以实现系统厌氧装置(4)、好氧装置(5)工艺段的活性污泥(18)保留，另一部分作为剩余污泥(13)排除系统。
2.按照权利要求1所述的基于细菌包埋固定化的4A污水处理装置，其特征在于，活性污泥仅在厌氧装置(4)、好氧装置(5)和沉淀池(6)这三部分过程中循环;水解酸化细菌包埋生物活性填料(15)、硝化细菌包埋生物活性填料(16)、反硝化细菌包埋生物活性填料(17)各自均分布在自己的反应器中不进行循环。
3.按照权利要求1或2所述的基于细菌包埋固定化的4A污水处理装置进行水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：将拟处理的污、废水通过原水进水管路进入厌氧水解酸化装置(1)，污、废水中的长链和大分子有机物进行水解酸化使之转化成小分子有机物，同时完成有机氮转化成无机氨的过程，完成水解酸化后的污、废水，通过硝化池进水管道(7)进入以硝化细菌包埋生物活性填料(16)为核心建立的硝化装置(2)，该装置不存在活性污泥，反应体系中仅存在包埋的硝化细菌，在有充分的溶解氧提供的前提下，对污、废水中的氨氮实施氧化，氧化为亚硝酸氮和硝酸氮;该硝化装置(2)由于核心细菌是硝化菌所以在该氧化过程中污水中的绝大部分有机物将得以保留，这些有机物将随同本装置中氨氮的氧化产物通过反硝化进水管道(8)，一并进入下一个以反硝化细菌包埋生物活性填料(17)为核心建立的反硝化装置(3)，该装置不存在活性污泥，反应体系中仅存在包埋的反硝化细菌，在缺氧状态下反硝化细菌利用硝化装置(2)氧化氨氮所形成的亚硝酸氮和硝酸氮以及厌氧水解酸化装置(1)所形成的有机物作为电子受体进行反硝化，实现污、废水中氮的脱除，同时由于该部分属于缺氧状态并且在完成了反硝化脱氮之后该部分的化合态氧也很少，为下一步创造厌氧状态提供了很好的条件，经过反硝化处理后的污、废水通过厌氧池进水管道(9)进入以活性污泥(18)为核心建立的厌氧装置(4)，在该装置中，活性污泥中的摄磷菌在厌氧状态下过度释放细胞体内的磷，吸收积累小分子有机物作为能量储存，以备在下一个好氧过程中过度的摄取磷，该厌氧过程完全是为了生物除磷而设置的，完成该过程后活性污泥和处理的污、废水混合物一并进入好氧装置(5)，在该装置中，在有充分溶解氧存在的条件下，实现两个作用，首先是有机物降解，污、废水经过前面各个工艺过程后剩余的有机物在此将被氧化，完成整个污、废水处理的有机物排放控制;其次是生物除磷，也即完成好氧状态下摄磷菌对磷的过度吸收过程，实现生物除磷过程，完成该过程后，活性污泥和处理的污、废水混合物通过沉淀池进水管道(10)一并进入沉淀池(6)，在该部分实现活性污泥同水分离，实现处理的最终出水(11)和形成沉淀污泥(14)，沉淀污泥(14)一部分被回送至厌氧装置4以实现厌氧装置(4)、好氧装置(5)工艺段的活性污泥(18)的保留，另一部分作为剩余污泥(13)排除系统。
说明书
基于细菌包埋固定化的4A污水处理装置和工艺
技术领域：
本发明属于污、废水处理领域，特别涉及一种基于细菌包埋固定化生物活性填料而形成的新的污水处理工艺技术。
背景技术：
目前在污、废水处理领域所使用的工艺技术多为活性污泥法，该类方法的核心物质是处理系统中的生物活性污泥，其中的细菌按性能可以粗略分为有机物降解细菌、硝化细菌、反硝化细菌、除磷细菌四大类。在现状运行的活性污泥处理中执行的是单泥系统，上面所述及的各类细菌在活性污泥中是混合存在的，处理系统运行过程中，活性污泥经过厌氧、缺氧、好氧三个主要处理工艺过程，分别完成三大类污染物质(C、N、P)的去除，最后经过沉淀池进行泥水分离实现细菌的收集和水中排放，然后通过回流的方式活性污泥再次进入污水处理系统的前端，从而实现活性污泥在系统中的保留和系统中一定污泥量的维持。
这样的活性污泥运行方式，直接导致由不同生理特性和世代周期的四大类细菌所组成的活性污泥在同一个程序过程中进行工作，很难更好地发挥各自的特性，致使已经诞生100多年的活性污泥法，到目前为止处理能力的提高十分有限，而且由于运行工况调节手段的制约，导致运行中经常出现各种各样的问题(如：夏季和低温季节的污泥膨胀、低温季节的硝化效率低下;反硝化过程中，由于污、废水中大部分有效有机物在好氧池硝化之前被氧化，致使对于城市污水和低C/N废水原本就缺乏的反硝化有机物供给更加缺乏，系统运行中为了追求稳定的脱氮效果不得不人为大量头家有机碳源;另外，单污泥系统由于要考虑硝化细菌世代周期长的问题，必须实施长污泥龄运行，从而导致生物除磷效果不稳定等)，这些问题的出现均是由单一污泥体系所决定的。
就具体问题分析：
1.针对硝化性能问题：硝化细菌的世代周期较活性污泥中其他细菌都长，在工艺设计中为了保障硝化细菌的生长繁殖，污泥龄一般最少考虑为3天，尽管如此，硝化细菌数量在整个污泥系统中存在的比例仍然很小(目前城市污水处理厂氨氮的氧化效率仅为15-20mg/L)，为了保障出水氨氮指标，城市污水处理厂好氧处理时间最少要保持在6小时以上，其他废水有的甚至要达到几天时间。这种工况条件下，污水处理有机物负荷和氨氮负荷都很低，在好氧处理工艺段原污水中的有机物大量被氧化之后才能够实现较好的氨氮氧化(因为有机物降解菌和硝化细菌同时存在，好氧异养菌具有较强的溶解氧争夺能力)。好氧工艺段过低的负荷导致夏季高温和低温季节的污泥膨胀，污泥膨胀导致污泥上浮和沉淀池中大量的污泥流失、出水水质恶化，同时由于好氧池有机物的大量消耗，导致本来反硝化有机物(反硝化电子受体)缺乏的城市污水，在脱氮过程中要投入大量的外加反硝化碳源。
2.针对生物除磷：生物除磷过程中摄磷菌经过厌氧和好氧工艺段后，摄磷菌体内摄取了过量的磷，此时尽快排除系统才能够保障系统较好除磷效果，但是，单污泥系统中为了保障硝化细菌较长的污泥龄要求，导致摄磷菌在沉淀池中停留时间过长，污泥在沉底池中形成缺氧状态，许多摄磷菌细胞体内的磷会有释放，从而导致生物除磷效果变差。
3.针对有机物降解：按照传统硝化、反硝化理论，污水处理过程中有机物降解分为两部分一部分是厌氧和好氧过程中单纯的有机物降解，另一部分是反硝化过程中作为电子受体的有机物去除。在现有的活性污泥处理体系中，由于是单泥系统，有机物好氧氧化和氨氮的硝化在一个好氧反应体系中，在该体系中由于异养菌较硝化菌具有较强的溶解氧摄取能力，致使若想完成氨氮氧化，反应体系中必须首先完成大部分有机物的氧化，然后再实施氨氮的氧化，在此过程中有机物大量被氧化消耗掉。而城市污水脱氮处理中有机物针对反硝化脱氮是极其缺乏的，所以好氧段有机物的消耗加剧了有机物脱氮缺乏和好氧段过度有机物消耗的矛盾。
那么以活性污泥为核心的反应体系中，单一污泥体系若想提高某一类细菌的浓度强化单项反应，只有通过提高整体污泥浓度，整体提高所有种类细菌菌量的方法才能实现，或者通过有限的工艺运行条件的改变，尽量适合某一类细菌的生长特性，从而使这类细菌在整个污泥系统中的优势得以一定的体现。
而整体提高污泥浓度，从活性污泥法各工艺段来看，厌氧、缺氧区域适应高污泥浓度没有问题;在好氧区针对高污泥浓度就存在着高溶解氧消耗、高能力供气设备的配套、甚至是纯氧曝气的需求;在沉淀区会需要高固体通量沉淀池的配套和高污泥回流量的需求，这些仅仅是高污泥浓度引起的工艺运行问题。在另一方面，高污泥浓度会导致紧缺的反硝化有机碳源，在反硝化进行前就被大量消耗。在系统稳定性方面，高污泥浓度还极易引起低温季节的污泥膨胀，导致系统大量污泥流失，出水水质恶化。
针对处理系统中的有机物降解、氨氮氧化、反硝化、除磷等四大类细菌，如果能够通过一定的技术手段实现细菌类群独立存在于反应体系中，实现各个细菌类群不相互干扰和制约，就能够极大地提高处理系统效能和系统运行的稳定性，这也是解决现有活性污泥法固有存在问题的唯一技术途径。
发明内容：
针对上述存在的问题，我们依照细菌生态稳定性原理，从细菌菌群分离培养入手，经过7年的时间，先后实现了硝化细菌菌群、反硝化细菌菌群、水解酸化细菌菌群的分离，完成了以上述菌群为核心，以细菌包埋为技术方法的高效生物活性填料的制作。制作出的硝化生物活性填料氨氧化速率达到120mg/L.h、反硝化生物活性填料硝态氮脱除速率达到300mg/L.h和水解酸化生物活性填料BOD转化速率达到150mg/L.h。这些生物活性填料使污水处理系统中各类细菌菌群分离成为可能，利用这些生物活性填料能够形成更为高效和系统运行稳定的处理系统。
技术原理：针对污、废水中的三大类污染物质(C、N、P)按照流程先后顺序，首先，利用水解酸化生物活性填料建立厌氧反应工艺过程，使原污、废水中的大分子有机物进行水解过程，使长链、大分子物质分解成小分子有机物，并且在此过程中尽可能地释放有机氮，为后续流程氨氮氧化及去除提供较好的氨氮氧化条件和尽可能多的小分子有机物电子受体;第二，利用硝化生物活性填料建立好氧硝化反应工艺过程。该反应过程由于是由硝化生物活性填料组成，该工艺段中没有其他活性污泥存在，所以该部分生物过程只能进行氨氮的氧化;第三，利用反硝化生物活性填料建立缺氧反硝化工艺过程，在该反硝化过程中，生化反应的核心主体是反硝化包埋填料中的反硝化细菌，反应底物是上一个硝化过程的产物亚硝酸盐和硝酸盐，以及原水经过水解酸化过程产生的小分子有机物作为电子受体参与反硝化过程;第四和第五部分，是针对污、废水中的磷和出水有机物控制而设置的活性污泥系统部分，第四部分为厌氧反应过程，该过程核心是创造厌氧过程，该过程由于承接在缺氧反硝化过程之后，水中化合态氧已经很少，溶解态氧几乎没有，该过程厌氧状态很容易实现，加之有反硝化出水中剩余有机物配合，从而能够实现摄磷菌菌体中磷较彻底的释放，该部分之后接第五好氧部分，该部分负责好氧状态下摄磷菌磷对磷的过度吸收和最终出水之前的有机物控制。运行过程中第四、第五部分和最终沉淀池联合进行运行，使用的是活性污泥系统，该部分系统的活性污泥，仅在第四、第五和沉淀池部分回流循环，工况条件控制中不需要为了考虑硝化细菌的长世代周期而进行长污泥龄控制，从而使剩余污泥排放更加及时，使系统生物除磷效率更有保障，另外该部分活性污泥由于硝化细菌在较短污泥龄条件下不能够大量繁殖，活性污泥中仅具有有机物降解和生物除磷作用，所以该部分工艺段(第四、第五)可以实施较高的有机物负荷运行方式，这样也就很好的避免了活性污泥由于低负荷引起的各种膨胀问题的出现。
本发明的基于细菌包埋固定化的4A污水处理装置，包括依次连接的厌氧水解酸化装置(1)、硝化装置(2)、反硝化装置(3)、厌氧装置(4)、好氧装置(5)和沉淀池(6)。厌氧水解酸化装置(1)中均匀分布或装填有水解酸化细菌包埋生物活性填料(15)，硝化装置(2)中均匀分布或装填有硝化细菌包埋生物活性填料(16)，反硝化装置(3)均匀分布或装填有反硝化细菌包埋生物活性填料(17)，厌氧装置(4)、好氧装置(5)和沉淀池(6)中均装有活性污泥(18)，水解酸化装置(1)、硝化装置(2)、反硝化装置(3)中仅有各自对应的细菌包埋生物活性填料，没有活性污泥，厌氧装置(4)、好氧装置(5)和沉淀池(6)中只有活性污泥，没有细菌包埋生物活性填料;沉淀池(6)底部设有沉淀污泥回流管(12)回流至厌氧装置(4)，沉淀污泥(14)一部分被回送至厌氧装置(4)以实现系统厌氧装置(4)、好氧装置(5)工艺段的活性污泥(18)保留，另一部分作为剩余污泥(13)排除系统。
活性污泥仅在厌氧装置(4)、好氧装置(5)和沉淀池(6)这三部分过程中循环;水解酸化细菌包埋生物活性填料(15)、硝化细菌包埋生物活性填料(16)、反硝化细菌包埋生物活性填料(17)各自均分布在自己的反应器中不进行循环。
本次发明的主要部分为：
厌氧水解酸化装置(1)：该部分的核心材料为水解酸化细菌包埋生物活性填料(15)，该装置不存在活性污泥。在污水处理过程中，该装置借助水解酸化细菌包埋生物活性填料(15)对污、废水中的长链和大分子有机物进行水解酸化使之转化成小分子有机物以备为反硝化过程提供更多的有效电子受体，同时在有机物得到降解的前提下释放了有机氮，从而使整个系统对氮的去除更加有效彻底。
硝化装置(2)：该装置的核心材料是硝化细菌包埋生物活性填料(16)，该装置不存在活性污泥，反应体系中仅存在包埋的硝化细菌，在有充分的溶解氧提供的前提下，对污、废水中的氨氮实施氧化，使之氧化为亚硝酸氮和硝酸氮。该部分由于核心细菌是硝化菌(能够进行有机物氧化降解的异养菌几乎不存在)所以在该氧化过程中污水中的绝大部分有机物将得以保留，这些有机物将随同本部分氨氮的氧化产物一并进入下一个反硝化装置(3)。
反硝化装置(3)：该装置的核心材料反硝化细菌包埋生物活性填料(17)，该装置不存在活性污泥。反应体系中仅存在包埋的反硝化细菌，在缺氧状态下反硝化细菌利用硝化过程氧化氨氮所形成的亚硝酸氮和硝酸氮以及厌氧水解酸化部分所形成的有机物作为电子受体进行反硝化，实现污、废水中氮的脱除。
厌氧装置(4)：该装置是以活性污泥(18)为核心建立的，该部分是一个厌氧过程，活性污泥中的摄磷菌在厌氧状态下过度释放细胞体内的磷，吸收积累小分子有机物作为能量储存，以备在下一个好氧过程中过度的摄取磷，该厌氧过程完全是为了生物除磷而设置的，在整个工艺系统建立中，在该阶段也即缺氧反硝化装置(3)之后设置该段，也是为了更加有效地形成真正的厌氧过程(由于设置在缺氧之后溶解氧影响小，由于在完成了反硝化脱氮之后该部分的化合态氧也很少)。
好氧装置(5)：该装置也是以活性污泥(18)为核心建立的，该装置在有充分溶解氧存在的条件下，将实施两个功能，首先是污、废水经过前面各个工艺过程后剩余的有机物氧化，以便控制整个污、废水处理的有机物排放;其次是生物除磷，也即完成好氧状态下摄磷菌对磷的过度吸收过程。
沉淀池(6)：该部分功能是实现活性污泥(18)和水的分离，通过该部分的沉淀浓缩实现活性污泥同水分离实现处理的最终出水(11)和形成沉淀污泥(14)。沉淀污泥(14)一部分被回送至厌氧装置(4)以实现系统厌氧装置(4)、好氧装置(5)工艺段的活性污泥(18)保留，另一部分作为剩余污泥(13)排除系统。
技术方法装置特征：
本技术方法发明，其特征在于，主要包括：采用以水解酸化细菌包埋生物活性填料为核心建立的厌氧水解酸化部分;以硝化细菌包埋生物活性填料为核心建立的硝化部分;以反硝化细菌包埋生物活性填料为核心建立的反硝化部分;以活性污泥为核心建立的厌氧部分;以活性污泥为核心建立的好氧部分和沉淀池等六部分组成，其中厌氧水解酸化部分、硝化部分和反硝化部分中仅有生物活性填料，没有活性污泥，而厌氧部分、好氧部分和沉淀池三部分没有生物活性填料仅有活性污泥。活性污泥仅在这三部分过程中循环，而厌氧水解酸化部分、硝化部分和反硝化部分三部分不参与活性污泥循环，生物化学作用完全依托各部分的生物活性填料。
采用上述装置进行污、废水处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将拟处理的污、废水通过原水进水管路进入厌氧水解酸化装置(1)，污、废水中的长链和大分子有机物进行水解酸化使之转化成小分子有机物，同时完成有机氮转化成无机氨的过程，完成水解酸化后的污、废水，通过硝化池进水管道(7)进入以硝化细菌包埋生物活性填料(16)为核心建立的硝化装置(2)，该装置不存在活性污泥，反应体系中仅存在包埋的硝化细菌，在有充分的溶解氧提供的前提下，对污、废水中的氨氮实施氧化，氧化为亚硝酸氮和硝酸氮。该硝化装置(2)由于核心细菌是硝化菌(能够进行有机物氧化降解的异养菌几乎不存在)所以在该氧化过程中污水中的绝大部分有机物将得以保留，这些有机物将随同本装置中氨氮的氧化产物通过反硝化进水管道(8)，一并进入下一个以反硝化细菌包埋生物活性填料(17)为核心建立的反硝化装置(3)，该装置不存在活性污泥，反应体系中仅存在包埋的反硝化细菌，在缺氧状态下反硝化细菌利用硝化装置(2)氧化氨氮所形成的亚硝酸氮和硝酸氮以及厌氧水解酸化装置(1)所形成的有机物作为电子受体进行反硝化，实现污、废水中氮的脱除，同时由于该部分属于缺氧状态并且在完成了反硝化脱氮之后该部分的化合态氧也很少，为下一步创造厌氧状态提供了很好的条件，经过反硝化处理后的污、废水通过厌氧池进水管道(9)进入以活性污泥(18)为核心建立的厌氧装置(4)，在该装置中，活性污泥中的摄磷菌在厌氧状态下过度释放细胞体内的磷，吸收积累小分子有机物作为能量储存，以备在下一个好氧过程中过度的摄取磷，该厌氧过程完全是为了生物除磷而设置的，完成该过程后活性污泥和处理的污、废水混合物一并进入好氧装置(5)，在该装置中，在有充分溶解氧存在的条件下，实现两个作用，首先是有机物降解，污、废水经过前面各个工艺过程后剩余的有机物在此将被氧化，完成整个污、废水处理的有机物排放控制;其次是生物除磷，也即完成好氧状态下摄磷菌对磷的过度吸收过程，实现生物除磷过程，完成该过程后，活性污泥和处理的污、废水混合物通过沉淀池进水管道(10)一并进入沉淀池(6)，在该部分实现活性污泥同水分离，实现处理的最终出水(11)和形成沉淀污泥(14)，沉淀污泥(14)一部分被回送至厌氧装置4以实现厌氧装置(4)、好氧装置(5)工艺段的活性污泥(18)的保留，另一部分作为剩余污泥(13)排除系统。
本发明可以实现：
1.基于硝化生物活性填料实现了污、废水中有机物保持前提下的氨氮的硝化，最大限度地实现了污、废水中有机物充分利用于反硝化脱氮过程，对于城市污水和低C/N废水处理具有重要意义。上述由(1)、(2)和(3)组成的脱氮系统，由于有机物在脱氮之前只有水解过程没有氧化过程(硝化装置(2)中的的氧化由于工艺段中没有异养菌)，所以针对反硝化过程原污、废水中的有机物得到充分的利用。因此，在原污、废水碳源针对反硝化不足的条件下可以节约许多碳源。
前置的水解酸化过程中产生的小分子有机物，在进入好氧装置(5)之前就经过反硝化装置(3)和厌氧装置(4)，虽然经过硝化装置(2)但是该部分对有机物氧化能力很弱甚至没有，从而实现了反硝化过程、厌氧摄磷菌磷释放过程中有机物的最大化利用。
2.工艺技术流程后半部分，也即由(4)、(5)、(6)所组成的活性污泥系统，由于该部分活性污泥不用考虑硝化细菌生长的世代周期长的问题，可以实现短污泥龄运行，泥龄仅控制在几个小时即可，从而使生物除磷功能和效果得到最大程度发挥。另外，该部分活性污泥中仅具有有机物降解和生物除磷作用，所以该部分工艺段(4、5)可以实施较高的有机物负荷运行方式，这样也就很好的避免了活性污泥由于低负荷引起的各种膨胀问题的出现。
3.就是溶解氧，由于有机物得到了高效利用，所以，最后好氧装置(5)出水有机物控制部分消耗的溶解氧相应也会减小(不会出现传统活性污泥法处理中好氧段必须先氧化掉大部分有机物后才能够开始氨氮的硝化过程，从而使原水中的有机物在反硝化是缺乏)，从而整个系统对溶解氧的需求也会更加有效节约。
4.厌氧装置(4)，由于接续在反硝化装置(3)后面，并且又不存在传统好氧工艺段泥水混合液回流问题，所以该工艺段排除了水中溶解氧和化合态氧对厌氧状态形成的干扰问题，使摄磷菌能够更好的释放磷，从而使系统生物除磷效果更佳优异;
5.本系统中的硝化池在冬季低温季节出现硝化效率低下时可以通过硝化生物活性填料投加的方式快速实现硝化池反应效率的提高。