申请日2021.02.26
公开（公告）日2021.06.22
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明涉及一种改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置及方法，包括预处理系统、生物反应池、MBR膜池、微曝气生物反应池、清水池、富磷水池、除磷混凝沉淀高密池、污泥处理系统和两套管路系统；在第一套管路中，微曝气生物反应池分别与生物反应池、富磷水池、MBR膜池相连接，MBR膜池与清水池相连接，除磷混凝沉淀高密池分别与MBR膜池、富磷水池、污泥处理系统连接；在第二套管路中，微曝气生物反应池与清水池相连接，MBR膜池分别与生物反应池、微曝气生物反应池、富磷水池相连接，除磷混凝沉淀高密池分别与富磷水池、污泥处理系统、微曝气生物反应池连接。其能够解决颗粒污泥造粒周期长且受生物系统自身絮凝能力影响的问题。
权利要求书
1.一种改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置，其特征在于：该装置包括预处理系统、生物反应池、MBR膜池、微曝气生物反应池、清水池、富磷水池、除磷混凝沉淀高密池、污泥处理系统污和两套管路系统；其中，所述预处理系统与生物反应池相连接；所述两套管路系统包括第一套管路、第二套管路和用于交替切换第一套管路和第二套管路的管路切换组件；在第一套管路中，所述微曝气生物反应池分别与生物反应池、富磷水池、MBR膜池相连接，所述MBR膜池与清水池相连接，所述除磷混凝沉淀高密池分别与所述MBR膜池、富磷水池、污泥处理系统相连接；在第二套管路中，所述微曝气生物反应池与清水池相连接，所述MBR膜池分别与生物反应池、微曝气生物反应池、富磷水池相连接，所述除磷混凝沉淀高密池分别与富磷水池、污泥处理系统、微曝气生物反应池相连接。
2.根据权利要求1所述的一种改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置，其特征在于：所述预处理系统内自左向右依序设置有粗格栅、细格栅、曝气沉砂池、膜格栅，所述粗格栅的栅隙为10-20mm、细格栅的栅隙为2-10mm、膜格栅的栅隙为0.5-2mm。
3.根据权利要求1所述的一种改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置，其特征在于：所述微曝气生物反应池包括池体、布设于池体内的膜负载生物反应器、真空射流器和抽吸泵；所述真空射流器安装在抽吸泵前管路最高点；所述抽吸泵和真空射流器相互配合；微曝气生物反应池利用中空纤维膜的负压抽吸活性污泥快速均匀贴附在膜丝表面；所述膜负载生物反应器包括膜架、安装在膜架上的膜组件、布设于膜架底部的微曝气装置和大气泡曝气装置，大气泡曝气装置安装在膜架底部，微曝气装置安装的膜架下部且位于大气泡曝气装置上部，膜组件的产水口通过承插的方式与膜架连接且位于微曝气装置上部，产水管路焊接在膜架上，与膜组件产水口联通，大气泡曝气装置进气管路焊接在膜架上，并与大气泡曝气装置进气口联通；微曝气装置进气管路焊接在膜架上，并与微曝气装置进气口联通，膜组件包含膜丝。
4.根据权利要求1所述的一种改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置，其特征在于：微曝气生物反应池与MBR膜池结构相同；所述管路切换组件包括生物反应池分别至MBR膜池和微曝气生物反应池的管路上的气动阀、MBR膜池和微曝气生物反应池分别至清水池的管路上的气动阀、MBR膜池和微曝气生物反应池分别至富磷水池管路上的气动阀、除磷混凝沉淀高密池分别至MBR膜池和微曝气生物反应池的管路上的气动阀；所述富磷水池和除磷混凝沉淀高密池之间通过池壁底部管路连接，所述富磷水池用于收集富磷水，均衡水质水量；所述除磷混凝沉淀高密池主用于通过混凝沉淀去除磷酸盐，所述除磷混凝沉淀高密池包括依序连接的混凝搅拌区、絮凝搅拌区、斜管沉淀区。
5.根据权利要求1所述的一种改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置，其特征在于：该装置还包括自动控制系统，所述自动控制系统包括可编程PLC控制器，分别与可编程PLC控制器相连接的浓度传感器组件、压力传感器组件、流量传感器组件、液位传感器组件、显示组件、异常报警组件、就地控制组件、现场控制站和中央监控站；所述浓度传感器组件包括：布设于生物反应池的氧化还原电位传感器、溶解氧浓度传感器、污泥浓度传感器；布设于MBR膜池、微曝气生物反应池内的氧化还原电位传感器、溶解氧浓度传感器、污泥浓度传感器，以及布设在预处理进水口和清水池的用于检测总氮浓度的传感器、用于检测总磷浓度的总磷浓度传感器、用于检测COD浓度的COD浓度传感器、用于检测氨氮浓度的氨氮浓度传感器、用于检测SS浓度的SS浓度传感器、和用于检测温度/pH的温度/pH传感器；所述压力传感器组件包括：布设于MBR膜池、微曝气生物反应池系统内的产水泵前管路的真空压力传感器、富磷水泵前管路的真空压力传感器、曝气管路的压力传感器、压缩空气管路的压力传感器，以及布设于生物反应池曝气管路的压力传感器；所述流量传感器组件包括：布设于MBR膜池、微曝气生物反应池系统内的产水泵后流量传感器、富磷水泵后流量传感器、剩余污泥排放管路的污泥流量传感器，以及布设于除磷混凝沉淀高密池回流及排泥管路的流量传感器；所述液位传感器组件包括：布设于预处理格栅前后的液位传感器、布设于生物反应池的液位传感器；布设于MBR膜池、微曝气生物反应池的液位传感器；布设于MBR膜池、微曝气生物反应池系统内的产水泵前管路的真空液位传感器、富磷水泵前管路的真空液位传感器；布设于富磷水池、清水池的液位计；布设于除磷混凝沉淀高密池的液位传感器和泥位传感器；所述可编程PLC控制器通过光纤网络与现场控制站、工控机通信连接，用于将浓度传感器组件、压力传感器组件、流量传感器组件、液位传感器组件检测的结果发送至现场控制站和工控机；所述显示组件包括OLED显示屏，用于显示实时检测的浓度值；所述异常报警组件包括灯管闪烁器或者警报器；所述就地控制组件包括设备的急停按钮、保护和安全连锁装置，所述急停按钮、保护和安全连锁装置均采用硬线连接至电气控制回路；所述现场控制站包括操作终端控制柜，对设备进行手动控制，或调整为由PLC程序自动控制；所述中央监控站包括工控机及与工控机相连接的显示屏。
6.一种根据权利要求1-5中任一项所述的改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置的处理方法，其特征在于：该处理方法包括如下步骤：
1)第一阶段
①预处理：待处理污水在预处理系统中进行预处理；
②生物反应池处理：将上述步骤①中预处理后的污水进入生物反应池；
③微曝气生物反应池处理：将步骤②中生物反应池处理后的水进入微曝气生物反应池进行处理；
④MBR膜池处理：将步骤③中微曝气生物反应池处理后的水进入MBR膜池进行处理；
⑤富磷水池处理：将步骤③中微曝气生物反应池膜透过液排至富磷水池进行处理，富磷水池出水经过除磷混凝沉淀高密池除磷后再汇入MBR膜池；MBR膜组器在产水泵的负压抽吸作用下，清水进入膜丝内部，悬浮物絮体截留在膜丝外部，实现泥水分离，清水通过管路进入清水池，污泥进入污泥处理系统进行处理，并排出；
2)第二阶段
①关闭生物反应池至微曝气生物反应池进水阀门，开启生物反应池至MBR膜池输水管路阀门，MBR膜池转变为微曝气生物反应池；
②微曝气生物反应池膜透过液排至富磷水池，富磷水池出水经过除磷混凝沉淀高密池除磷后汇入原微曝气生物反应池；
③微曝气生物反应池出水进入原微曝气生物反应池，原微曝气生物反应池通过反洗及曝气调整为MBR膜池；MBR膜池内MBR膜组器在产水泵抽吸泵的负压抽吸作用下，清水进入膜丝内部，悬浮物絮体截留在膜丝外部，实现泥水分离，清水进入清水池，污泥进入污泥处理系统进行处理，并排出；
3)第三阶段
将第一阶段、第二阶段交替运行完成所有待处理污水的脱氮除磷。
7.根据权利要求6所述的改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置的处理方法，其特征在于：在夏季，第一阶段和第二阶段的交替间隔为10-15天，在冬季，第一阶段和第二阶段的交替间隔为15-20天。
说明书
一种改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置及方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置及方法。
背景技术
在污水处理过程中，脱氮除磷是大多数废水生化处理技术需要考虑的问题。国内外主流脱氮除磷生化处理技术是活性污泥法。污水生化脱氮工艺是在时空上创造出好氧硝化及缺氧反硝化环境，实现水中氮素向氮气的转化；污水生化除磷工艺是将活性污泥交替在厌氧和好氧状态下运行，污泥中积磷菌在厌氧状态下释放磷，在好氧状态下过量地摄取磷，再经过排放富磷剩余污泥，实现水中磷素的排放去除。
随着水处理标准的提高及水处理行业节能减排工作的推进，现有技术需要不断改良，以匹配实际高要求处理需求。好氧颗粒污泥法突破了传统活性污泥时空分区的特点，通过微生物在特殊环境下自凝聚形成生物聚合体，颗粒内部由于溶解氧(DO)传质阻力存在好氧、厌氧和缺氧梯级分区，可实现不同功能菌(硝化细菌、反硝化细菌、厌氧氨氧化菌等)共存，这些功能菌的耦合明显丰富了传统单级系统内的脱氮途径，具有生物密度高、沉降性能良好、耐毒性高、空间分层结构独特等特点，能同时实现有机物降解及同步脱氮除磷。同时节省占地，减少投资费用，亦可降低运行成本。
但其应用上仍有一些缺陷限制了其广泛应用。如下：
1.序批式工艺，占地大
目前绝大多数的好氧颗粒污泥法研究及应用都是在序批式间歇反应器中开展，为间歇出水或交替出水，使得前后串联其他连续处理工艺时需考虑间隔时间缓冲问题，或备用池体设计，占地大，不适合大型污水处理厂使用。
2.颗粒污泥解体，影响出水
当颗粒污泥结构失稳时，颗粒会发生崩解和冲刷，颗粒粒径在短时间内急剧减小，导致反应器出水中悬浮固体浓度高，处理性能恶化。出水悬浮物中携带的COD、BOD、TN、TP等均会导致出水水质超标。
3.污泥成粒慢，造粒工艺复杂，需要经验丰富的人为干预
目前好氧颗粒污泥的形成可分为自絮凝假说和晶核假说，分别代表了以物理絮凝强化微生物增殖自絮凝和以投加人工晶核使微生物附着生长，颗粒污泥培养周期较长，从现有少量的实际工程报道中发现，反应器启动周期长(5个月)且始终都存在一定比例的絮状污泥。
4.应对水质波动差，抗风险低
颗粒污泥法依赖于污泥性状，若进水水质水量波动较大，造成优势菌种比例失衡，带来污泥解体风险。
因此，开发一条完整的、高效的、出水水质有保证的脱氮除磷工艺路线对解决目前生物处理能力与出水水质要求逐步提高的矛盾，综合好氧颗粒污泥的生化优势，解决污泥聚集及结构稳定的问题，对提高废水生物处理技术的处理效果及推广应用至关重要。本发明正是基于上述研究背景而提出，以满足污水处理要求。
发明内容
针对现有技术中脱氮除磷工艺中存在的不足，本发明的目的在于：提供一种改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置及方法，其具有结构设计合理、运行稳定可靠，能够解决颗粒污泥造粒周期长且受生物系统自身絮凝能力影响的问题，能够确保出水水质稳定等优点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置，该装置包括预处理系统、生物反应池、MBR膜池、微曝气生物反应池、清水池、富磷水池、除磷混凝沉淀高密池、污泥处理系统和两套管路系统；其中，所述预处理系统与生物反应池相连接；所述两套管路系统包括第一套管路、第二套管路和用于交替切换第一套管路和第二套管路的管路切换组件；在第一套管路中，所述微曝气生物反应池分别与生物反应池、富磷水池、MBR膜池相连接，所述MBR膜池与清水池相连接，所述除磷混凝沉淀高密池分别与所述MBR膜池、富磷水池、污泥处理系统相连接；在第二套管路中，所述微曝气生物反应池与清水池相连接，所述MBR膜池分别与生物反应池、微曝气生物反应池、富磷水池相连接，所述除磷混凝沉淀高密池分别与富磷水池、污泥处理系统、微曝气生物反应池相连接。
作为上述方案的进一步优化，所述预处理系统内自左向右依序设置有粗格栅、细格栅、曝气沉砂池、膜格栅，所述粗格栅的栅隙为10-20mm、细格栅的栅隙为2-10mm、膜格栅的栅隙为0.5-2mm。预处理系统在预处理时是对待处理污水进入生化系统前的处理工艺。以去除对生物系统及膜系统产生危害的漂浮物、油及大颗粒悬浮物为目的。若污水为市政污水，预处理包含粗格栅、细格栅、曝气沉砂池、膜格栅；若污水为工业污水，根据水质及污染物特点，针对性的选择预处理，以达到去除对生物系统及膜系统产生危害的漂浮物、油及大颗粒悬浮物的目的。
作为上述方案的进一步优化，所述生物反应池包括池体、布设于池体内的曝气装置、推流器、搅拌器；生物反应池根据水质情况可设置为厌氧-缺氧-好氧组合池、缺氧-好氧组合池、氧化沟、好氧池等。
作为上述方案的进一步优化，所述微曝气生物反应池包括池体、布设于池体内的膜负载生物反应器、真空射流器和抽吸泵；所述真空射流器安装在抽吸泵前管路最高点；所述抽吸泵和真空射流器相互配合；微曝气生物反应池利用中空纤维膜的负压抽吸活性污泥快速均匀贴附在膜丝表面；所述膜负载生物反应器包括膜架、安装在膜架上的膜组件、布设于膜架底部的微曝气装置和大气泡曝气装置，大气泡曝气装置安装在膜架底部，微曝气装置安装的膜架下部且位于大气泡曝气装置上部，膜组件的产水口通过承插的方式与膜架连接且位于微曝气装置上部，产水管路焊接在膜架上，与膜组件产水口联通，大气泡曝气装置进气管路焊接在膜架上，并与大气泡曝气装置进气口联通；微曝气装置进气管路焊接在膜架上，并与微曝气装置进气口联通，膜组件包含膜丝。
作为上述方案的进一步优化，微曝气生物反应池与MBR膜池结构相同；所述管路切换组件包括生物反应池分别至MBR膜池和微曝气生物反应池的管路上的气动阀、MBR膜池和微曝气生物反应池分别至清水池的管路上的气动阀、MBR膜池和微曝气生物反应池分别至富磷水池管路上的气动阀、除磷混凝沉淀高密池分别至MBR膜池和微曝气生物反应池的管路上的气动阀；所述富磷水池和除磷混凝沉淀高密池之间通过池壁底部管路连接，所述富磷水池用于收集富磷水，均衡水质水量；所述除磷混凝沉淀高密池主用于通过混凝沉淀去除磷酸盐，所述除磷混凝沉淀高密池包括依序连接的混凝搅拌区、絮凝搅拌区、斜管沉淀区。
作为上述方案的进一步优化，该装置还包括自动控制系统，所述自动控制系统包括可编程PLC控制器，分别与可编程PLC控制器相连接的浓度传感器组件、压力传感器组件、流量传感器组件、液位传感器组件、显示组件、异常报警组件、就地控制组件、现场控制站和中央监控站；所述浓度传感器组件包括：布设于生物反应池的氧化还原电位传感器、溶解氧浓度传感器、污泥浓度传感器；布设于MBR膜池、微曝气生物反应池内的氧化还原电位传感器、溶解氧浓度传感器、污泥浓度传感器，以及布设在预处理进水口和清水池的用于检测总氮浓度的总氮浓度传感器、用于检测总磷浓度的总磷浓度传感器、用于检测COD浓度的COD浓度传感器、用于检测氨氮浓度的氨氮浓度传感器、用于检测SS浓度的SS浓度传感器、和用于检测温度/pH的温度/pH传感器；所述压力传感器组件包括：布设于MBR膜池、微曝气生物反应池系统内的产水泵前管路的真空压力传感器、富磷水泵前管路的真空压力传感器、曝气管路的压力传感器、压缩空气管路的压力传感器，以及布设于生物反应池曝气管路的压力传感器；所述流量传感器组件包括：布设于MBR膜池、微曝气生物反应池系统内的产水泵后流量传感器、富磷水泵后流量传感器、剩余污泥排放管路的污泥流量传感器，以及布设于除磷混凝沉淀高密池回流及排泥管路的流量传感器；所述液位传感器组件包括：布设于预处理格栅前后的液位传感器、布设于生物反应池的液位传感器；布设于MBR膜池、微曝气生物反应池的液位传感器；布设于MBR膜池、微曝气生物反应池系统内的产水泵前管路的真空液位传感器、富磷水泵前管路的真空液位传感器；布设于富磷水池、清水池的液位传感器；布设于除磷混凝沉淀高密池的液位传感器和泥位传感器；所述可编程PLC控制器通过光纤网络与现场控制站、工控机通信连接，用于将浓度传感器组件、压力传感器组件、流量传感器组件、液位传感器组件检测的结果发送至现场控制站和工控机；所述显示组件包括OLED显示屏，用于显示实时检测的浓度值；所述异常报警组件包括灯管闪烁器或者警报器；所述就地控制组件包括设备的急停按钮、保护和安全连锁装置，所述急停按钮、保护和安全连锁装置均采用硬线连接至电气控制回路；所述现场控制站包括操作终端控制柜，对设备进行手动控制，或调整为由PLC程序自动控制；所述中央监控站包括工控机及与工控机相连接的显示屏。
设备的操作级别分为三级，即就地操作、现场控制站操作和在中央监控站操作，优先等级依次递减。就地操作是通过设备的就地按钮进行设备控制；现场控制站操作是通过操作员通过终端控制柜对设备进行手动控制，或调整由PLC程序自动控制。中央监控站操作是指通过工控机配套鼠标或键盘对现场设备进行操作。
受控设备上设有“自动/手动/停止”方式选择开关，开关在“自动”位置时，设备由PLC的输出控制(即现场控制站操作方式)。开关在“手动”位置时，设备由就地按钮控制(即就地操作方式)，设备的急停按钮、保护和安全连锁装置采用硬线连接至电气控制回路，不受方式选择开关的限制。开关在“停止”位置时，设备为离线方式，不能对设备进行任何控制。
现场控制站具有“人工/自动”方式选择功能，在“人工”方式下，由操作员终端上的功能键或在触摸屏上对设备进行人工控制，在“自动”方式下，由PLC按预编程序控制。
所有的控制利用控制命令的反馈来实现，当控制命令与反馈信息不一致时，进行报警，并执行故障处理程序。
本发明上述改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置的处理方法包括如下步骤：
1)第一阶段
①预处理：待处理污水在预处理系统中进行预处理；
②生物反应池处理：将上述步骤①中预处理后的污水进入生物反应池；
③微曝气生物反应池处理：将步骤②中生物反应池处理后的水进入微曝气生物反应池进行处理；
④MBR膜池处理：将步骤③中微曝气生物反应池处理后的水进入MBR膜池进行处理；
⑤富磷水池处理：将步骤③中微曝气生物反应池膜透过液排至富磷水池进行处理，富磷水池出水经过除磷混凝沉淀高密池除磷后再汇入MBR膜池；MBR膜组器在产水泵的负压抽吸作用下，清水进入膜丝内部，悬浮物絮体截留在膜丝外部，实现泥水分离，清水通过管路进入清水池，污泥进入污泥处理系统进行处理，并排出；
2)第二阶段
①关闭生物反应池至微曝气生物反应池进水阀门，开启生物反应池至MBR膜池输水管路阀门，MBR膜池转变为微曝气生物反应池；
②微曝气生物反应池膜透过液排至富磷水池，富磷水池出水经过除磷混凝沉淀高密池除磷后汇入原微曝气生物反应池；
③微曝气生物反应池出水进入原微曝气生物反应池，原微曝气生物反应池通过反洗及曝气调整为MBR膜池；MBR膜池内MBR膜组器在产水泵抽吸泵的负压抽吸作用下，清水进入膜丝内部，悬浮物絮体截留在膜丝外部，实现泥水分离，清水进入清水池，污泥进入污泥处理系统进行处理，并排出；
3)第三阶段
将第一阶段、第二阶段交替运行完成所有待处理污水的脱氮除磷。
作为上述方案的进一步优化，在夏季，第一阶段和第二阶段的交替间隔为10-15天，在冬季，第一阶段和第二阶段的交替间隔为15-20天。
采用本发明的改良式脱氮除磷生物膜法污水处理装置及方法具有如下有益效果：
1)利用膜负压抽吸作用，人为提供污泥富集动力，加快生物反应分区形成，解决颗粒污泥造粒周期长，且受限于生物系统自身絮凝能力的问题；提供污泥解体阻力，解决颗粒污泥解体的问题。
2)双膜系统转换，利用膜负载生物反应器，去除COD，脱氮，通过反洗及大气泡搅拌实现污泥脱附，将膜负载生物反应器转换为MBR膜反应器，利用膜过滤保证出水水质稳定。
3)膜负载生物反应器的厌氧区贴附膜表面，厌氧释磷产生的磷酸盐集中收集，结合化学除磷方法，突破生物除磷能力限制，通过调整除磷药剂加药量，实现出水总磷不同指标要求，出水总磷含量可控。
4)工艺路线兼顾脱氮除磷，流程完整、连续，解决了好氧颗粒污泥法序批式间歇反应的问题。
（发明人：朱晓楠;单昕;王文利）