申请日2019.06.26
公开(公告)日2019.09.20
IPC分类号C02F9/14; C02F11/02; C02F101/10; C02F101/38
摘要
本发明属于水环境保护领域，具体提供了一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷系统及方法，该方法是针对传统SBR工艺的改进：(1)采用在系统内增加粉末状吸附剂，可促进污泥和吸附剂对氨氮的吸附，同时促进污泥的沉降;(2)额外增加一个厌氧池;(3)改变原SBR的具体运行程序。污水经过厌氧池后进入SBR反应池，SBR反应池的循环程序为进水→缺氧→沉淀兼排水→曝气。本方法SBR运行程序部分与传统SBR最重要的差别一是增加前置的厌氧池，二是缺氧程序后立即进行沉淀出水，而曝气是对沉淀排水后的污泥进行。本方法适用于低碳氮比的城镇污水，且脱氮除磷效率较高，工艺简单，能耗低。
权利要求书
1.一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷系统，其特征在于，按照水流方向，包括厌氧池和SBR反应池，所述SBR反应池和/或厌氧池内中投加有具有氨氮吸附能力且密度大的吸附剂，吸附剂与污泥形成MSS混合物，实现对氨氮的吸附，所述SBR反应池的运行程序包括缺氧、沉淀和好氧，待处理水在SBR反应池中依次经缺氧和沉淀后排出，沉淀的污泥经好氧处理后部分回流至厌氧池，剩余部分滞留在SBR反应池中。
2.根据权利要求1所述的一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷系统，其特征在于，所述低碳源污水指BOD5/TN浓度在2.8-3.2的污水。
3.一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷方法，其特征在于，利用如权利要求1-2任一所述的脱氮除磷系统进行处理，步骤包括：将污水依次通过厌氧池、SBR反应池进行处理，对SBR反应池运行程序进行改良，形成进水→缺氧→沉淀兼顾排水→曝气过程，污水经沉淀处理后直接排出，然后针对滞留在SBR反应池的MSS进行曝气，MSS经曝气后部分回流至前置的厌氧池。
4.根据权利要求3所述的一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷方法，其特征在于，所述吸附剂为密度大、吸附容量高、化学性质稳定的粉末吸附剂，所述的密度大指利用吸附剂增大污泥与水的密度差，所述的吸附容量高指吸附剂对氨氮的吸附容量宜高于6mg/g。
5.根据权利要求3所述的一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷方法，其特征在于，所述吸附剂的投加量满足：以原污水计，若吸附剂的吸附容量>10mg/g，吸附剂投加量20～30mg/L;吸附容量6～10mg/g，吸附剂投加量40～60mg/L;吸附容量<6mg/g，吸附剂投加量>60mg/L;投加吸附剂后同时需要维持MSS的沉降性能，满足在静水中MSS沉淀速度>1.0mm/s。
6.根据权利要求3所述的一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷方法，其特征在于，在缺氧反应程序，SBR反应池内污泥浓度高于12000mg/L。
7.根据权利要求3所述的一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷方法，其特征在于，调节脱氮除磷系统pH值为7.0-8.0。
8.根据权利要求3所述的一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷方法，其特征在于，SBR反应池工艺阶段，缺氧阶段的时间为2.5-3h，沉淀阶段开始后15-30min启动排水程序，好氧阶段的时间为3.0-4.0h。
9.根据权利要求3所述的一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷方法，其特征在于，SBR反应池的充水比为0.4-0.5。
说明书
一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷系统及方法
技术领域
本发明属于水环境保护领域，具体涉及传统SBR生物脱氮除磷工艺的改进，尤其涉及一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷系统及方法。
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，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，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，故反应难以控制;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，提供了一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷方法，以解决现有工艺在碳源不足的情况下总氮去除率低的问题。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
本发明提供了一种基于氨氮吸附的低碳源污水改良SBR生物脱氮除磷系统，包括厌氧池和SBR反应池，按照水流方向，所述SBR反应池前置有一厌氧池(水解酸化池)，一个厌氧池可对应多个SBR反应池，所述SBR反应池的污泥中还投加有颗粒尺寸小、比表面积大、价格低廉而密度较大的吸附剂，形成含有污泥与吸附剂的混合物(以下简称MSS)的改良SBR反应池。
所述吸附剂为颗粒尺寸小、比表面积大、价格低廉、密度大、吸附容量高、化学性质稳定的粉末吸附剂;所述的密度大，指的是吸附剂与污泥形成MSS混合体后总体视密度较大，以活性污泥相对密度为1.002，吸附剂为2.00考虑，1000mg/L的吸附剂与15000mg/L的活性污泥混合后MSS视密度达到1.064，沉降速度是单纯活性污泥的32倍，吸附剂的加重作用极大促进了MSS的沉淀速度，再考虑到在本方法中沉淀的性质属于静态沉淀，其沉淀效率明显高于一般的连续进水式沉淀池，故即使沉淀时间短到30min以下，其沉淀后的MSS浓度与传统工艺相比也可以提高数倍以上，MSS密度也容易达到22-26g/L以上(实验中发现最高达到60g/L以上)。沉淀后高浓度的MSS可以确保在缺氧反应程序的污泥浓度(通常生物污泥占MSS的比例应该在94-96%左右);所述的吸附容量高，指的是吸附容量宜大于6mg/g，优选不低于8mg/g，否则需要投加的吸附剂过多会影响工艺维护。
进一步优选地，根据吸附剂对氨氮的实际吸附容量、吸附剂的密度、污泥的氨氮吸附性能和污泥龄等多种因素综合考虑吸附剂投加量，一般情况下若氨氮吸附容量>10mg/g，吸附剂投加量(以原污水计，下同)20～30mg/L;吸附容量6～10mg/g，吸附剂投加量40～60mg/L;吸附容量<6mg/g，吸附剂投加量>60mg/L。投加吸附剂后同时需要维持MSS的沉降性能，满足在静水中MSS沉淀速度宜>1.0mm/s。如不能满足沉降性能，吸附剂投加量需要适量增加;若MSS对氨氮吸附性能强且沉降性能满足要求，吸附剂投加量可适量减少。进一步优选地，所述吸附剂选自改性超细石英砂粉末或改性河沙。
所述低碳源污水指的是BOD5/TN浓度在2.8-3.2的原水，当碳氮比高于此范围，碳源会多余，导致出水BOD5浓度增加水质变差;当碳氮比低于此范围，碳源不足导致部分硝酸盐不能及时被彻底还原，出水亚硝酸盐浓度增加。
本发明还提供了一种利用上述系统对低碳源污水进行脱氮除磷方法，步骤包括：将污水依次通过厌氧池、SBR反应池中进行厌氧和SBR工艺处理，SBR反应池内污泥的本质是活性污泥与吸附剂的混合物(MSS)，对SBR反应池运行程序进行改良，形成进水→缺氧→沉淀兼顾排水→曝气过程，即本发明SBR工艺运行的好氧曝气程序在排水程序之后，污水经沉淀处理后直接排出，无需曝气，然后针对滞留在SBR反应池的MSS进行曝气，沉淀后的MSS经曝气后少量回流至前置的厌氧池，其余MSS则滞留在SBR反应池;在缺氧程序的末端提供非常短时间的曝气以使得池内DO从缺氧状态达到好氧状态(根据设备参数，如可以将程序设定为1.0～2.0min)，即DO浓度达到2mg/L以上;而传统工艺的曝气(好氧)针对的是污水，且在沉淀之前进行，沉淀处理后，污泥回流至厌氧池。
为了使MSS获得高的吸附氨氮效果，需要维持高的MSS浓度，高的MSS浓度主要依赖于MSS的沉降性能，故需要吸附剂密度大，当密度较大且呈现粉末状态的吸附剂与污泥混合后极大加大了MSS与水密度的差，故容易实现短时间的沉降而达到高的MSS浓度;在缺氧反应程序，池内活性污泥浓度以高于12000mg/L为佳(活性污泥占MSS比例约94～96%)，当缺氧反应时池内的活性污泥浓度为12000mg/L以上时，活性污泥本身能够达到的氨氮吸附总量可达10-14mg/L的程度。
调节系统pH值为中性-弱碱性：污泥表面带负电荷，氨在中性-弱碱性pH下大部分以NH4+的形态存在(以NH4+形态存在的氮占各种形态氮总和的比例，当氨的摩尔浓度为1mmol/L时，pH低于7时几乎是100%;pH为7.0时，占99.4%;pH为7.5时，占96.9%;pH为8.0时，占94.7%)，因此，当将系统pH值设为中性-弱碱性，系统对氨氮的吸附是非常有利的，若按照活性污泥吸附氨氮的容量为0.8-1.2mg/g考虑，若缺氧反应时池内的活性污泥浓度为12000mg/L以上，则由于活性污泥本身能够达到的氨氮吸附总量也达到10-14mg/L的程度;进一步优选地，考虑到硝化与反硝化对pH值的要求，以pH值控制在7-8为妥，此pH值范围一方面有利于反硝化脱氮，另一方面有利于发挥污泥和吸附剂的吸附能力。在污泥与吸附剂的双重吸附作用下，缺氧反应后氨氮浓度可以达到较低值。若进水总氮在40-50mg/L左右，缺氧后总氮和氨氮都可以控制在5-6mg/L以内(或接近此值)，总氮去除率可以达到甚至超过85%。
对于各阶段的反应时间，优选地，缺氧阶段的时间为2.5-3h，达到强化脱氮目的，沉淀与排水时间越短越好，但排水时间应与进水时间一致，而沉淀时间应长于排水时间15-30min(即沉淀开始15-30min后开始启动排水程序，此时沉淀仍在进行)，好氧阶段的时间为3.0-4.0h，以能够将氨氮彻底氧化为硝酸盐为基本要求。其中进水与缺氧阶段有一部分时间是重叠的，沉淀与排水阶段有一部分时间是重叠的，具体各程序时间分配可根据进水水质情况灵活调节。
进一步优选地，所述SBR工艺的充水比为0.4-0.5，相当于传统AAO工艺的回流比(充水比小则相当于回流比大)，具体取值应当根据运行时水质参数等多方面的因素综合考虑。充水比主要考虑污泥浓度，原水水质等因素，充水比越小，缺氧程序开始时氨氮浓度越低，出水氨氮浓度也越低，工艺效果越好，但处理能力越小(相当于水力负荷低);反之亦然。此外，充水比也不宜过大，充水比过大容易导致反应器内污泥浓度低，也会影响工艺的效果。
本发明的原理为：通过在系统内投加一定量且满足一定特性的吸附剂来实现高效脱氮(可同时兼顾一定的除磷效果)。投加的吸附剂一方面促进污泥沉淀，由于吸附剂密度大与活性污泥混合后可以极大促进MSS的沉降性能，即使只经过短时间的沉淀MSS浓度也可达到22000-26000mg/L以上;另一方面吸附剂本身对氨氮有一定的吸附效果(对磷酸根也具有一定吸附效果，但表面带负电荷，主要侧重吸附氨氮)。污水经过厌氧过程后，有机氮转化为氨氮，有机物大多数转化为小分子的酸和醇等。经过厌氧池后污水进入SBR反应池。进水时SBR反应池内的污水是经过上个循环留在池内的已经经过硝化反应的污水(实际上主要是MSS)，污水的氮以硝酸盐形态存在，进水过程中以及进水完成以后SBR反应池一直维持搅拌的缺氧状态，并微量供氧以维持缺氧反应条件。经过缺氧反硝化过程，池内原来的硝酸盐氮被反硝化去除，进水的碳源被充分利用作为反硝化的还原剂。碳源除少量用于除磷外，几乎全部用于反硝化过程，故碳源利用率高。缺氧反应结束后，由于反应器属于推流反应性质(时间推流，非空间推流)，故硝酸盐和有机物几乎消耗殆尽(若碳氮比偏离要求值过多，会出现碳源过剩或硝酸盐过剩)，氨氮除了被稀释外很少损耗。但是，氨氮在吸附剂与高浓度污泥的共同作用下，可以大部分被吸附在MSS上面，被吸附后水中游离的氨氮浓度可以低至3-5mg/L。
工艺的除磷效果主要来自三个方面：投加铁盐形成的化学沉淀、吸附剂对磷的吸附和生物除磷，故总体上除磷效率也较高。
本发明的有益效果在于：
1)在碳源低的前提下实现脱氮率高，同时也具有较高的除磷率。理论上在碳氮比低至2.8-3.2左右的情况下无需外加碳源。经过估算，运行正常的情况下，总脱氮去除率可以达到85%以上，除磷率可达到90%以上。
2)工艺简单，能耗低。本工艺与传统SBR工艺相比有三个显著不同：一是在系统内增加吸附剂，二是增加了一个厌氧池，三是SBR反应池的运行程序有重要改变(曝气的好氧程序是针对沉淀后的MSS进行)。没有针对有机物的氧化过程，故总需氧量少，需要碳源少，曝气能耗也较低。
3)虽然需要额外使用吸附剂，但节省了碳源药剂的投加，对于低碳源污水综合费用与传统SBR工艺相比基本上不增加。若有成熟的廉价的吸附剂供应，则费用可以低于传统工艺。
4)SBR反应池有效水深提高，由于曝气时SBR反应池有效容积只有全部有效容积的50%-55%(该值取决于充水比)，故曝气时池内水位较低(这点与普通SBR有根本的区别)，而曝气一般对扩散器淹没深度有一定的要求，若扩散器淹没深度取5.5-6.5m，则SBR反应池有效水深取值宜为9-12m左右，此水深值显著高于传统工艺，可以显著降低构筑物的占地面积。