申请日2019.06.26
公开(公告)日2019.09.20
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明属于水环境保护领域，具体提供了一种采用推流式缺氧池的低碳源城镇污水生物脱氮系统及方法，属于活性污泥与生物膜工艺的集成。该方法是针对传统基于缺氧‑好氧生物脱氮工艺的重要改进，将缺氧池改造为推流式反应池，并且分隔为三～四段，在缺氧反应器内投加弹性填料以维持高的污泥浓度，且缺氧池采用较长的水力停留时间。缺氧池实际上是将三～四个完全混合反应器串联构成的推流反应方式。本方法适用于对传统生物脱氮工艺的改进(脱氮原理是基于缺氧反硝化‑好氧硝化联用)，对污水碳氮比的需求可以低至3.0～3.2而能够维持传统工艺的脱氮速率，且脱氮率略有提高。本方法与传统生物脱氮工艺相比，仅需对缺氧池进行改造，适用于现有工艺的升级改造。本方法曝气能耗降低，节省乃至取消了补充碳源，故运行成本较低，具有较好的经济性。
权利要求书
1.一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮系统，其特征在于，包括推流式缺氧池、好氧池，所述推流式缺氧池为由多个相互分隔的缺氧反应段串联组成，且从进水到出水，第一缺氧反应段容积大，往后的缺氧反应段容积依次减小。
2.根据权利要求1所述的一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮系统，其特征在于，所述推流式缺氧池分隔为3～4段缺氧反应段，按照水流方向，从进水到出水每段的容积比为5：2.5～3：1.5～2：0～1。
3.一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1).准备：
采用由多个相互分隔的完全混合式反应池组成的推流式缺氧池代替传统工艺中的缺氧池，构建低碳源污水生物脱氮系统，在推流式缺氧池内投加弹性填料，提高推流式缺氧池内污泥浓度;
(2).处理：
将待处理污水输送至如权利要求1-2任一所述的推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮系统中进行处理，处理过程中，延长污水在推流式缺氧池内的水力停留时间为3.0～5.0h。
4.根据权利要求3所述的一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮方法，其特征在于，所述步骤(1)中，通过在缺氧池内填充弹性填料，维持缺氧池内的污泥浓度总和>8.0g/L，附着污泥浓度>7.0g/L。
5.根据权利要求3所述的一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮方法，其特征在于，所述步骤(1)的准备阶段，还包括在好氧池中投加弹性填料。
6.根据权利要求3所述的一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮方法，其特征在于，所述步骤(2)的处理阶段，对第二段及以后各段的完全混合式反应池内进行微量供氧，以满足反硝化反应的正常进行。
7.根据权利要求3所述的一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮方法，其特征在于，还包括步骤(3)的回流阶段，包括将推流式缺氧池处理后的部分污水回流至前置的厌氧池。
说明书
一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮系统及方法
技术领域
本发明属于水环境保护领域，具体涉及一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮系统及方法。
背景技术
城镇污水处理过程中，去除总氮和总磷分别需要满足一定的有机物量，由于当前城镇污水厂进水有机物浓度普遍偏低，导致城镇污水氮磷去除困难。城镇污水厂通常侧重于将总氮去除，而总磷的去除一定程度上可以通过加药来完成，对于低碳氮比的污水如何提高总氮去除率是当前城镇污水处理的关键问题。
传统的生物脱氮除磷方法为AN/O工艺，该工艺一方面其总氮去除率难以提高，另外其对碳源的需求也较高，一般需要满足碳氮比不小于4.0。该工艺的流程如下：AN/O工艺污水首先进入缺氧池(A池)，进水的有机物与回流(含污水内回流和污泥回流)的硝酸盐进行反硝化反应，该工艺的脱氮率取决于回流比，若污水内回流和污泥回流合计为350%，则理论上总氮去除率可以达到(350÷450)×100%=77.8%。若需要进一步提高脱氮率，则只有进一步加大回流比，但是回流比过大一方面反应器容积增加、动力消耗增加，另一方面也造成缺氧和好氧的界限已经分不清，缺氧池与好氧池两个反应器从整体上看更接近于是一个完全混合流态的反应器，脱氮率根本无法进一步提高，该工艺实际运行时总氮去除率一般只能达到70%左右。此外，各个反应器为完全混合形式，为了维持缺氧反应(反硝化)对氮的去除，在缺氧反应池内的有机物浓度不能太低，而这部分有机物必然会在好氧池被氧化去除。对于脱氮来说这部分属于无效碳源，这部分碳源大体上占污水进水有机物的1/3以上(具体数值与参数有关，回流比低则脱氮率低，有机物浪费多;反之亦然)，导致基于传统生物脱氮理论(缺氧-好氧)的脱氮工艺对碳氮比的需求显著高于理论值。该工艺对碳氮比的需求较大，若碳氮比低于4.0其常常需要补充碳源方能维持脱氮效率。我国目前相关规范规定，脱氮除磷时，污水的碳氮比和碳磷比分别不低于4和17;同时去除氮磷时，需要同时满足上述碳氮比和碳磷比的要求。
实际上对于单纯脱氮工艺，在传统的氨化、亚硝化、硝化、反硝化过程中，反硝化反应器前置，反硝化的碳源至少需要同时满足如下条件：NO3-还原，细胞增殖和有氧呼吸过程所需的有机物。在理论上，1molNO3-(14g)还原为N2气，N从+5价降低为0价，需要1.25mol O2对应的有机物(即40g的ThOD)，若按照40g BODL计算，即相当于BOD5为27.4g(耗氧速率常数k1取0.1d-1，即BOD5=0.684BODL，以BODL代替理论需氧量)，则反硝化的氧当量系数在碳源完全被反硝化利用的情况下仅为1.96gBOD5/gNO3-N。但是考虑到整个过程会形成0.45g细胞(折算氧为0.64g，细胞氧当量系数1.42)，反硝化的氧当量系数为2.60gBOD5/gNO3-N左右(沈耀良，《废水生物处理新技术》，中国环境科学出版社;任南琪，《水污染控制原理与技术》，清华大学出版社;蒋展鹏，《环境工程学》，高等教育出版社)。进一步考虑到在缺氧过程中仍需要少量氧分子的存在，有氧呼吸并非完全停止，这部分氧也会消耗有机物，则额外约需要0.1-0.4gBOD5/gNO3-N。考虑上述所有方面，则反硝化的氧当量系数实际为2.7-3.0gBOD5/gNO3-N左右(按照普通生活污水考虑，则近似为3.7-4.1gCOD/gNO3-N)，明显低于传统脱氮工艺工程中实际需要的约为4.0g BOD5/gNO3-N。造成实际工艺中需要有机物量增加的原因是工艺中有相当一部分的有机物并不是被反硝化利用而是被异养微生物利用，直接转化为CO2和H2O，这一部分有机物实际上被“浪费”了。目前传统的工艺，如AN/O工艺、A/A/O工艺(倒置A/A/O工艺)、SBR工艺及其各种变形工艺、UCT工艺等(这些工艺除AN/O外，一般兼顾除磷)，由于缺氧反应器性质主体上属于完全混合，所以不同程度存在有机物被异养微生物消耗的现象。上述传统的工艺流程无论怎么优化设计，碳氮比的需求通常也需要4.0，明显高于反硝化的实际需要的氧当量系数。此外，上述工艺总氮的理论去除率一般也很难超过75%(若回流比过大理论上总氮去除率可以提高，但是容易造成基建投资过大，运行能耗大等缺点)，在实际工程中总氮去除率甚至常常会低于70%。
基于目前城镇污水处理厂进水普遍碳源不足，碳氮比很少能够满足不低于4的要求，当进水的碳氮比不能满足要求时，总氮去除率显著下降，很容易导致出水不能达标。故寻求适用于低碳源的高效低成本脱氮技术非常迫切。目前采取的主要应对措施有改变进水策略、厌氧氨氧化、短程硝化反硝化、内源反硝化、氢自养型反硝化等多种方法，在没有好的应对措施的情况下常常还会选择外加碳源物质。外加碳源最简单，但成本高昂，污水厂难以承受，且投加的碳源需要精准，过多或过少都不合适，故还存在反应难以控制的问题;改变进水策略目前常常采用分步进水(多点进水)等措施，但工艺流程较复杂，构筑物多，运行成本显著增加;厌氧氨氧化技术可以从根本上解决碳源不足的问题，但是厌氧氨氧化需要的条件非常苛刻，一般适用于高氨氮的工业废水，很难应用于城镇污水处理领域，目前基于厌氧氨氧化方法开发的脱氮工艺应用于城镇污水处理的尚没有成熟工艺;多级AO串联工艺与分步进水类似，将多个缺氧池和好氧池串联，进水分为多路，在每个缺氧池处进水，该工艺具有较好的脱氮效果，但是该工艺脱氮的去除率依赖于AO的串联级数，串联级数越多脱氮效果越好，级数过多必然造成工艺构筑物非常多，运行费用显著增加。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的缺点，提供一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮系统及方法，以解决现有生物脱氮系统对碳源的依赖和需求，达到降低碳源需求的目的。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮系统，包括推流式缺氧池、好氧池，所述推流式缺氧池为由多个相互分隔的缺氧反应段串联组成，且从进水到出水，第一缺氧反应段容积大，往后的缺氧反应段容积依次减小;由于在每段的内部水的流态仍属于完全混合性质，因此，每个缺氧反应段本质仍属于完全混合式反应池，即多个完全混合式反应池串联形成推流式缺氧池。
进一步优选地，所述推流式缺氧池分隔为3～4段，按照水流方向，从进水到出水每段的容积比为5：2.5～3：1.5～2：0～1，这样当污水流入缺氧池第一段的时候，BOD5的浓度和硝酸盐氮的浓度与传统工艺缺氧反应器接近，缺氧池第一段可以实现大部分碳源与硝酸盐的反硝化反应;当污水进入缺氧池第二段的时候，BOD5的浓度和硝酸盐氮的浓度已经显著降低，在第二段被进一步去除;进一步的，污水进入缺氧池第三段(乃至第四段)以彻底去除BOD5和硝酸盐氮，可以使得缺氧池出水能够同时维持较低的BOD5和硝酸盐氮浓度(为了达到彻底去除硝酸盐的目的，BOD5浓度不为零)。
一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮方法，适用于对各种包括缺氧-好氧反应器的传统生物脱氮(或生物脱氮除磷)工艺进行改进，包括但不限于如下工艺：A/A/O工艺，A/O工艺，Bardenpho，UCT等，包括以下步骤：
(1).准备：
采用由多个相互分隔的完全混合式反应池组成的推流式缺氧池代替传统工艺中的缺氧池，在推流式缺氧池内投加弹性填料，提高推流式缺氧池内污泥浓度;填料表面可以形成生物膜，当大量生物膜形成以后，反应池内生物膜污泥和悬浮的活性污泥浓度总和可以达到10000mg/L以上，极大地改善了缺氧反应池的反应状态;采用填料，缺氧微生物能够相对稳定滞留在缺氧池内，这对于维持缺氧池具有较高的反应效率也是非常重要的;
(2).处理：
将原污水(若包含除磷，则为经过厌氧处理的污水)和回流的含硝酸根的硝化液输送至推流式缺氧池中进行处理，处理过程中，延长污水在推流式缺氧池的水力停留时间为3.0-5.0h，确保在缺氧反应后出水维持较低的BOD5的浓度和硝酸盐氮的浓度，且总回流比越大，水力停留时间取值越高。当污水流入推流式缺氧池第一段的时候，硝酸盐氮的浓度与传统工艺缺氧反应器接近，BOD5浓度略低于传统工艺。在缺氧池第一段可以实现大部分碳源与硝酸盐的反硝化反应。当污水进入缺氧池第二段的时候，BOD5的浓度和硝酸盐氮的浓度已经显著降低，在第二段被进一步去除。进一步的，污水进入缺氧池第三段(乃至第四段)以彻底去除硝酸盐氮，并进一步降低BOD5浓度，可以使得缺氧池出水能够同时维持极低硝酸盐氮浓度较低和较低的BOD5浓度。当污水进入缺氧池第二段及其后各段的时候，由于BOD5的浓度和硝酸盐氮的浓度均已经较低，若按照传统工艺的条件，反应进行会较为困难，而在反应器内加入填料以及增加水力停留时间可确保反应的效果。
进一步优选地，通过在缺氧池内填充弹性填料，维持缺氧池内的污泥浓度总和(包括生物膜和活性污泥)>8.0g/L，附着污泥(生物膜)浓度>7.0g/L。
进一步优选地，所述步骤(1)的准备阶段，还包括在好氧池中也投加弹性填料，以维持高的微生物浓度，同时避免形成过高的悬浮活性污泥浓度;当好氧池采用弹性填料，其微生物主要是硝化菌，由于硝化菌是参与循环的，所以悬浮污泥(活性污泥)能够在缺氧池与好氧池之间循环，若循环的硝化液中活性污泥浓度过大，则容易在缺氧池消耗有机物，故工艺系统中采用较低的悬浮污泥浓度，可以控制在2.5g/L以下。
进一步优选地，所述步骤(2)的处理阶段，对第二段及以后各段的完全混合式反应池内进行微量供氧，以满足反硝化反应的正常进行;缺氧池的第一段由于回流的硝化液含有溶解氧，故第一段无需补充氧。但是到了第二段及以后各段，由于溶解氧被消耗，而缺氧反应池不宜在完全无氧的状态下运行，故需要微量供氧，以满足反硝化反应的正常运行。尽管反硝化反应自身无需氧的参与，但是反硝化菌的某些酶需要有氧方可正常代谢，故需要适量补充氧，这点与普通的完全混合式缺氧池有显著的不同。
进一步优选地，还包括步骤(3)的回流阶段，包括将推流式缺氧池处理后的部分污水回流至前置的厌氧池，当进水碳氮比大于3.2时，允许缺氧池出水有部分碳源浪费，可在后期好氧处理阶段获得更高的反应速率。
本发明的原理为：
由于反硝化的生化反应属于一级反应动力学性质，故当碳源不足时反应速率会明显降低，为了确保在缺氧池内有机物和硝酸盐(包括亚硝酸盐)的反硝化反应能够进行的彻底，反应器的构造与参数比较重要。影响反应速率的主要因素是微生物浓度、底物浓度(这里指BOD5和硝酸盐)和温度，在微生物浓度和温度均一定的情况下将取决于底物浓度。也就是说在缺氧反应池内除了需要高的污泥浓度外，还需要有一定量的有机物和硝酸盐，反硝化反应速率才会比较快。
若采用完全混合式反应池且维持较高的BOD5浓度(传统工艺均是如此)，可以很容易满足这点要求且能够达到更低的出水硝酸盐浓度，但不利的是大量有机物会随出水流到好氧反应器，造成大量的碳源浪费。故本发明通过将缺氧反应池改造为推流式反应器，可明显克服此缺陷。当该为推流式反应池后，由于推流的第一段与传统工艺相比基本上相当，而第二段及以后各级效率会逐渐降低，故为了维持总的反应效率，需要通过提高污泥浓度来实现，同时还可以通过增加水力停留时间(即增加了反应器容积)来实现。
本发明将两种方法同时采用：增加污泥浓度和水力停留时间的方式，这样在缺氧反应池内即使没有高的有机物浓度，也可以确保在反应池的末端，硝酸盐氮几乎彻底去除，且能够维持出水较低的BOD5浓度。对于推流式的缺氧反应池可以接受较低碳氮比的污水，在缺氧池内当反硝化完成的时候，有机物浓度已经很低，故碳源主要被反硝化过程(形成剩余污泥和有氧呼吸仍不可避免需要额外消耗碳源)利用。这样当污水流入好氧池的时候因为BOD5浓度已经较低，故在好氧池损耗的碳源非常少，从而降低了系统对碳源的需求。
关于污水碳氮比：由于缺氧池内能够实现对硝酸盐的完全反应，故进入缺氧池污水的总碳氮比最少满足理论值2.7-3.0即可。根据前述分析，理论上反硝化的氧当量系数最低仅为1.96gBOD5/gNO3-N即可，但考虑此过程除磷仍不可避免需要部分碳源(因为必须排出剩余污泥)，并且有氧呼吸也未完全停止，故实际需要量达到2.7-3.0gBOD5/gNO3-N，考虑留有安全余量，需要达到3.0-3.2方可完全保障脱氮效率。另外，从节省碳源考虑，在传统工艺中，有约1/3左右的碳源被“浪费”了，若这部分被“浪费”的碳源比例能够降低到10-15%以下，则相当于最多需要传统工艺80%的碳源即可满足脱氮要求，总碳氮比也是需要满足3.0-3.2即可。若原污水碳氮比低于3.0，当运行的工艺参数非最佳状态本发明的工艺可能仍需要投加碳源;若原污水碳氮比低于2.7，必须额外投加碳源。即使如此，与传统工艺相比，投加的碳源已经明显减少了。
关于水力停留时间：一般情况下，对于生物脱氮(或脱氮除磷)工艺缺氧反应需要的时间在0.5-3.0h范围(这也是规范中AN/O工艺和A/A/O工艺规定的时间)，但考虑到城镇污水以脱氮为主要目标的情况下，传统工艺的缺氧池水力停留时间以取较大值如2.0-3.0h小时为宜。而推流式缺氧池反应时间宜适当增加，本发明建议时间为3.0-5.0h。若按照中间值4.0h计算，比传统工艺约增加50%以上，这基本上可以满足脱氮的需求。
本发明的有益效果在于：本发明涉及的一种采用推流式缺氧池的低碳源污水生物脱氮系统及方法，为传统基于缺氧-好氧过程的生物脱氮(除磷)工艺的改进，将缺氧池改造为推流式反应器，在缺氧池和好氧池内投加弹性填料以维持高的污泥浓度，且缺氧池采用较长的水力停留时间。通过此改进，在碳源低的前提下也能够实现较高的脱氮率，同时也不排除生物除磷功能。理论上在碳氮比低至3.0-3.2左右的情况下也无需外加碳源，显著节省了投加碳源的成本，且与传统工艺相比，脱氮率还有所提高。本发明工艺简单，仅需对缺氧池进行改造，适用于现有工艺的升级改造。本发明气能耗降低，节省乃至取消了补充碳源，故运行成本较低，具有较好的经济性。此外，由于缺氧池容积增大，虽然能耗增加，但是因为有机物消耗的氧显著减少，故曝气的需氧量也减少了，曝气能耗减少。综合上述正反两方面影响，实际运行时的能耗费用几乎不变。但是考虑到显著减少碳源投加，甚至无需投加碳源的情况，药剂成本显著降低了，故与传统工艺相比，运行费用减少。