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
本发明公开了一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O生物脱氮除磷系统及方法，涉及水环境保护领域，该方法是针对传统A/A/O工艺的改进，重要的改进有四点：(1)采用在系统内增加粉末状吸附剂，促进污泥和吸附剂对氨氮的吸附，同时促进污泥的沉降。(2)缺氧池后立即沉淀出水，仅仅对回流的污泥进行好氧处理。(3)缩短沉淀时间。(4)延长污泥龄。当原水碳氮比满足一定要求时，在缺氧池内硝酸盐几乎彻底被消耗，有机碳源大部分被消耗，而残留的主要污染指标即氨氮。因为氨氮被大部分吸附在污泥与吸附剂上，在回流过程设置好氧曝气，氨氮被好氧硝化。磷在化学沉淀、生物除磷和吸附的共同作用下被去除。
权利要求书
1.一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O生物脱氮除磷系统，其特征在于，包括厌氧池，及由缺氧池、好氧池和沉淀池组成的A/A/O系统，所述生物脱氮除磷系统的污泥中投加有具有氨氮吸附能力的吸附剂，吸附剂与污泥形成MSS混合物，按照水流方向，污水经厌氧池、缺氧池和沉淀池处理后出水，沉淀池的污泥经好氧池处理后回流至缺氧池和/或厌氧池。
2.根据权利要求1所述的一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O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.根据权利要求1所述的一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O生物脱氮除磷系统，其特征在于，所述缺氧池为一种推流式缺氧池。
4.一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O生物脱氮除磷方法，其特征在于，步骤包括：在好氧池中投加具有氨氮吸附能力的吸附剂，将污水依次通过厌氧池、缺氧池和沉淀池处理后出水排出，沉淀池的污泥经好氧池处理后，回流至缺氧池和/或厌氧池。
5.根据权利要求4所述的一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O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氨氮吸附容量宜不低于6mg/g。
6.根据权利要求4所述的一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O生物脱氮除磷方法，其特征在于，各反应池MSS或活性污泥浓度宜满足：好氧池MSS>20000mg/L，缺氧池活性污泥>12000mg/L，厌氧池活性污泥>5000mg/L，当MSS浓度维持困难时在反应池内投加填料，活性污泥占MSS质量的94～96%。
7.根据权利要求4所述的一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O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，若吸附剂的氨氮吸附容量>10mg/g，则吸附剂投加量20～30mg/L;若吸附剂的氨氮吸附容量6～10mg/g，则吸附剂投加量40～60mg/L;若吸附剂的氨氮吸附容量<6mg/g，则吸附剂投加量>60mg/L;投加吸附剂后同时维持MSS的沉降性能，满足在静水中MSS沉淀速度>1.0mm/s。
8.根据权利要求4所述的一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O生物脱氮除磷方法，其特征在于，各反应池的pH值为7.0-8.0。
9.根据权利要求4所述的一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O生物脱氮除磷方法，其特征在于，各反应池内的污泥龄为25d以上，MSS沉降比为45-55%，MSS的回流比为120-150%，沉淀时间小于0.75h。
10.根据权利要求4所述的一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O生物脱氮除磷方法，其特征在于，在缺氧池通往沉淀池的管道内补充空气，在管道内完成气水混合，且达到混合后的DO浓度不低于2mg/L。
说明书
基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O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技术领域，为传统A/A/O生物脱氮除磷工艺的改进，具体涉及一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O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，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
本发明的目的就在于为了解决现有技术的缺点，提供了一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O生物脱氮除磷系统及方法，以解决现有工艺对碳氮比需求较高的问题。
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缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O生物脱氮除磷系统，包括厌氧池，及由缺氧池、好氧池和沉淀池组成的A/A/O系统，所述生物脱氮除磷系统的污泥中投加有具有氨氮吸附能力的吸附剂，吸附剂与污泥形成MSS混合物，按照水流方向，污水经厌氧池、缺氧池和沉淀池处理后出水，沉淀池的污泥经好氧池处理后回流至缺氧池和/或厌氧池。
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，碳源不足可能导致部分硝酸盐不能及时被彻底还原，出水亚硝酸盐浓度会增加。
进一步优选地，所述缺氧池为一种推流式缺氧池，所述推流式缺氧池为狭长型，进水与回流MSS均从缺氧池的前端流入，出水从末端流出。
本发明还提供了一种基于缺氧池氨氮吸附的低碳源污水A/A/O生物脱氮除磷方法，步骤包括：在好氧池中投加具有氨氮吸附能力的吸附剂，好氧池内的污泥与吸附剂的混合物共同形成MSS，将污水依次通过厌氧池、缺氧池和沉淀池处理后出水排出，沉淀池的污泥经好氧池处理后，回流至缺氧池和/或厌氧池。
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、且粒度小的粉末吸附剂;所述的密度大，指的是吸附剂与污泥形成MSS混合体后能够提高整体的总体视密度，如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的污泥混合后MSS视密度达到1.064，沉降速度是单纯有机污泥的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，其沉淀效率高于一般的连续进水式沉淀池，故即使沉淀时间短到30min，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。若按照污泥吸附氨氮的容量在低平衡浓度下为0.8-1.2mg/g考虑，若缺氧池内MSS中活性污泥自身的浓度为12000mg/L，则由于污泥本身能够达到的氨氮吸附总量也达到10-14mg/L的程度。吸附剂对氨氮的吸附容量要高，通常不宜低于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的维护。
进一步优选地，控制系统各反应池MSS或活性污泥的浓度，以尽可能满足如下要求：好氧池MSS>20000mg/L(即回流MSS浓度宜大于20000mg/L)，缺氧池活性污泥>12000mg/L，厌氧池活性污泥>5000mg/L。当厌氧池MSS浓度维持困难时还可以采用投加填料的方法。
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。
进一步优选地，为了使污泥获得高的吸附氨氮效果，需要维持高的污泥浓度，高的污泥浓度主要依赖于MSS的沉降性能和MSS泥龄，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污泥浓度。缺氧池污泥浓度(即MSS中的污泥部分)以高于12000mg/L为佳，实际可以控制在10000-15000mg/L。MSS泥龄(实质上是污泥龄)应该采用较高值，以25d以上为佳，取值可以在25～50d左右，实际运行可以根据进水水质情况决定最佳值。
进一步优选地，调节系统pH值为中性-弱碱性，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。当将系统pH值设为中性-弱碱性时，系统对氨氮的吸附是非常有利的，若按照污泥吸附氨氮的容量为0.8-1.2mg/g考虑，若缺氧池内的污泥浓度为12000mg/L以上，则由于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。由于吸附有氨氮的MSS进入好氧池进行硝化反应，硝化反应会有酸释放，故需要投加一定量的碱性物质维持其弱碱性的pH值(需要根据水质通过计算确定，参考生物脱氮理论需要的碱度计算方法)。经过硝化反应后，吸附的氨氮被转化为亚硝酸盐和硝酸盐(主要是硝酸盐)，MSS绝大部分回流进入到缺氧池(可以少部分进入厌氧池以促进除磷，具体分配比例可以根据水质和除磷要求确定)，在缺氧池内亚硝酸盐和硝酸盐被反硝化去除。
进一步优选地，系统中污泥龄(按照MSS计算污泥龄)取值在25d以上，优选在25-50d之间;由于污泥龄较长，故当吸附剂投加量为40-60mg/L左右，系统内吸附剂的积累量可以达到1000-1500mg/L以上，粉末吸附剂与污泥形成混合体MSS，当吸附剂对氨氮的吸附容量处于6-10mg/g的范围，被吸附剂吸附的氨氮平均亦可达到≥10mg/L的程度。
进一步优选地，缺氧池的MSS沉降比为45-55%，MSS的回流比为120-150%。在沉淀池内，吸附了氨氮的MSS沉淀下来，MSS进行回流，回流比主要根据MSS沉降性能确定，当MSS沉降比为<50%，回流比只需要考虑MSS浓度即可，但不宜低于100%;若MSS沉降比>55%，回流比取值不低于计算值(122%),且应该考虑增加吸附剂投加量。MSS回流比还要考虑厌氧池和缺氧池需要的污泥浓度，该值主要参考回流MSS浓度以及MSS中的污泥含量(约在94～96%左右)。回流MSS浓度大，则回流比可以采用较小值，厌氧池和缺氧池的污泥浓度大;反之亦然。但是回流比也不宜过小，当回流比为120%的时候，缺氧池进水的氨氮浓度约为进水总氮浓度的45%左右，回流比越小，缺氧池进水的氨氮浓度越高，出水浓度越高，工艺效果越差;反之亦然。故即使MSS沉降性能非常好，也不建议采用过低的回流比。但是，回流比也不宜过大，回流比大容易导致反应器内污泥浓度降低，也会影响工艺的效果;同时回流比过大必然造成各个反应池容积增加，运行能耗增加。故综合各方面因素，一般情况下回流比以在120-150%之间较为合适;当MSS沉淀性能特别优越且进水BOD5浓度也较大时，尚可酌情增加回流比以进一步提高出水水质。
进一步优选地，为了促进MSS对氨氮的吸附效果，需要在厌氧池内投加亚铁盐。
进一步优选地，在缺氧池通往沉淀池的管道内补充空气，在管道内完成气水混合，且达到混合后的DO浓度不低于2mg/L。
本发明的原理为：
本发明是对传统A/A/O工艺的重要改造，利用氨氮吸附容量大且密度较大的粉末吸附剂投加到生物反应系统，形成高浓度污泥与吸附剂混合物(称为混合悬浮固体，MSS)，利用高浓度污泥与吸附剂的共同作用将氨氮吸附。由于高密度吸附剂的加重作用，且MSS较大，缺氧反应后可以直接进行快速沉淀。沉淀后的上清液进入后续的深度处理或排放，而MSS则进行回流，在回流过程中再进行曝气以完成好氧硝化。被吸附的氨氮在好氧硝化过程被转化为亚硝酸盐与硝酸盐，然后回流到缺氧池。与传统生物脱氮工艺系统的不同之处在于，好氧过程不是针对污水与污泥的混合物系统，而是只针对被吸附的氨氮。
本发明的运行过程为：
污水首先进入厌氧池，在厌氧池内有机物水解酸化，含氮有机物分解氨化，氨氮形成。少量回流MSS进入厌氧池，可以维持一定量污泥能够经过完整的厌氧-好氧循环，磷厌氧释放，有促进生物除磷的效果。在厌氧池内COD几乎没有损失(即碳源损失很少)。厌氧池的污泥浓度的维持有2个途径：高浓度的回流MSS和缺氧池回流MSS。经过厌氧处理后，有机物主要转化为低分子量的有机酸和醇等，含氮有机物释放出氨。污水进入缺氧池后，回流MSS带来亚硝酸盐与硝酸盐，在缺氧池进水中的有机物碳源大部分被反硝化利用，硝态氮同时被还原转化为氮气去除，有机物被氧化为CO2和水被去除。进入缺氧池的氨氮几乎没有转化，在缺氧池中被高浓度的MSS吸附。进一步污水流入沉淀池，在污水流往沉淀池的管道内给与一定量的空气曝气，无需专门曝气设备，只需要将空气管接入该管道首端即可，但按照射流方式布置。在沉淀池内，吸附了氨氮的MSS快速的沉淀下来，完成泥水分离。沉淀池出水进行深度处理或排放，出水仅仅含有很少量的有机物、氨氮和悬浮物等，与普通A/A/O工艺相比，氨氮和悬浮物的含量更低，水质优良。沉淀下来的MSS则进入好氧池进行曝气，吸附在污泥和吸附剂上的氨氮被硝化为亚硝酸盐和硝酸盐，MSS主要回流到缺氧池，少量回流到厌氧池。
本发明的有益效果在于：
1)本发明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。理论上在碳氮比即使低至3.0左右的情况下也无需外加碳源。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，除磷率亦可达到90%以上。
2)工艺简单，能耗低。本工艺与传统A/A/O工艺相比，最主要的区别是好氧池仅仅是针对回流的MSS进行，有机物没有经过氧化过程，故总需氧量少，曝气能耗低。在碳氮比满足要求的情况下，构筑物数量没有变化，但因为MSS和污泥浓度都大，故反应器容积显著减小，而污水的处理能力却提高了。
3)虽然需要额外使用吸附剂，但考虑到吸附剂投加量较少，且对于低碳源污水节省了碳源的投加，综合费用与传统A/A/O工艺相比有可能不增加。若有成熟的廉价的吸附剂供应，则费用可以低于传统工艺。