活性污泥与生物膜协同作用的污水处理方法及处理设备.pdf

本发明公开一种活性污泥与生物膜协同作用的污水处理方法及其处理设备，属环保与节能技术领域。设备由内外两层组成，内层，是完全的活性污泥生物处理区，外层，是生物膜与活性污泥协同作用的生物处理区。处理方法即首先进行活性污泥厌氧处理阶段，在此阶段通过控制回流污泥量并停留一定时间后，将经厌氧处理阶段处理的污水经内层出水管进入外层生物膜与活性污泥的协同处理区，最终达排放要求的污水从设备外层的出水口排出。本发明的处理设备可进行多种处理工艺的组合，运行方式灵活，节省工程的投资，减少占地面积，通过与其它处理设备或构筑物比较，工艺流程短，污泥回流量减少40％～80％，运行费用降低18％～31％。

1、  一种活性污泥与生物膜协同作用的污水处理设备，其特征在于：
设备由内外两圈两大部分组成，内圈、外圈之间通过隔墙隔离，隔墙上设置闸板(8)，可控制内圈厌氧处理后的污水进入外圈生物处理区(3)；在外层出水隔墙或隔板底部设计可控内回流闸板(10)；
(1)内圈部分即设备的内层，是完全的活性污泥生物处理区(3)，有污水进水管(1)和污泥回流管(2)，两根管道分别伸入到设备内层的底部，内层的上部或底部置有出水口(5)直接通入外层；
(2)外圈部分即设备的外层，是生物膜与活性污泥协同作用的生物处理区(4)，外层装填有填料(9)，填料(9)的表面生长着经过培养和驯化后的生物膜，填料(9)的下部或中部装有曝气管道系统(7)，在外圈上部有出水口(6)；
设备的内、外层隔墙及外层的材料采用不锈钢、碳钢或玻璃钢，或采用钢筋混凝土的构筑物替代。

2、  如权利要求1所述的活性污泥与生物膜协同作用的污水处理设备，其特征在于，所述的外层装填填料(9)为固定填料或悬浮填料；
所述的固定填料为软性纤维填料、立式弹性填料或综合填料；
所述的悬浮填料为悬浮球填料或多空泡沫塑料方块填料。

3、  如权利要求1所述的活性污泥与生物膜协同作用的污水处理设备，其特征在于，所述的设备外层池底布置的曝气管道系统(7)，根据其设置的段数及待处理的污水性质的不同对生物处理区(4)进行分区，可分成以下几种形式：
①、厌氧区、缺氧区、好氧区；
②、厌氧区、好氧区；
③、缺氧区、好氧区；
④、好氧区。
以上每种形式的各个分区依次相连，无须隔墙分隔。

4、  一种应用权利要求1所述的活性污泥与生物膜协同的污水生物处理设备进行污水处理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)、活性污泥厌氧处理阶段：
首先进行内层活性污泥培养及外层的填料(9)的表面生物膜的培养和驯化，后将待处理的污水从污水进水管(1)进入处理设备的内层，同时通过污泥回流管道上闸阀控制从污泥回流管(2)进入处理设备的内层的回流污泥量，在内圈活性污泥处理区，进入的污水和回流的污泥迅速的混合，并与池内处于厌氧状态的生物活性污泥混合液混合，混合液沿内层由下而上流动，形成高浓度悬浮活性污泥层，污水经过此污泥悬浮层到达上部的内层出水管(5)后，再流入外层生物膜与活性污泥的协同处理区(4)；污水在内层的停留时间可取1.5～3小时；其中回流污泥量的比例控制20～60％；
(2)、活性污泥与生物膜的协同处理阶段：
经步骤(1)厌氧处理阶段处理的污水经内层出水管(5)进入外层生物膜与活性污泥的协同处理区(4)后，沿填料的空隙螺旋式向前流动，曝气管道系统(7)内的空气则自下而上运动，在气、水流动过程中，分别与填料之间的活性污泥接触，再与生物膜接触，再与活性污泥和生物膜，污水在外层协同处理区的停留时间可以设计为4～8小时后，最终达排放要求的污水一直沿圆周方向流向处理设备外圈的出水口(6)排出。

5、  如权利要求4所述的活性污泥与生物膜协同作用的污水处理设备进行污水处理的方法，其特征在于通过所用设备的外层与内层结合，形成的活性污泥与生物膜协同作用的污水生物处理运行方式有以下几种：
(1)内层厌氧处理、外层厌氧、缺氧、好氧三分区结合的方式；
(2)内层厌氧处理、外层厌氧、好氧两分区结合的方式；
(3)内层厌氧处理、外层缺氧、好氧两分区结合的方式；
(4)内层厌氧处理、外层好氧的结合方式。

活性污泥与生物膜协同作用的污水处理方法及处理设备
技术领域
本发明属环保与节能技术领域，涉及一种污水生物处理方法及其处理设备，具体涉及一种厌氧与好氧的生物活性污泥与生物膜协同(HBSM，Hybrid Bio-Activated Sludge and Membrane)的污水处理方法及处理设备。
背景技术
高浓度废水，尤其是高浓度并含有难以生物降解的化工、纤维等生产工艺行业的污废水，采用常规污水好氧处理工艺难以达到排放标准，并且处理效率低，耗能高，使很多类型企业或类似污废水的处理工程感到污水处理的难度，以及较难承受的处理成本。
污水处理工艺或技术基本上分为两大部分。一是污水的物化处理技术和方法，可分为物理处理技术、物理化学处理技术、化学处理技术等，对于高浓度难降解污水的处理多数采用了投加药剂进行处理，包括混凝沉淀或混凝气浮等处理工艺，是污水中的污染物质降低到一定程度，再进行生化处理等，从而达到排放的标准，但在此过程中，由于投加了药剂等，使处理的成本或费用比较高，企业难以承受；二是污水的生化处理技术，包括厌氧处理技术和好氧处理技术，厌氧技术近年来发展比较快，在污水处理的应用中也得到了很好的推广，获得了较高的节能降耗的效果，同时作为一种技术也稍微简化了污水处理的工艺。
城市污水处理的技术不断的发展，带动了整个行业的不断进步，使污水处理的技术和设施不断改进，并在投资和运行费用方面也不同程度的得到了改善。为了保证排入水体的水质达到一定标准，保证水体不被二次污染，有机污染物和氮磷的去除率必须提高，但要考虑投资和运行成本等费用，生物处理是首选的处理技术和方法。生物处理要达到脱氮除磷目的就必须在反应器的空间或时间上创造厌氧、缺氧、好氧等区域，以实现不同形式的厌氧-好氧除磷、好氧-缺氧脱氮，所需的水力停留时间较长，有些工艺达到12小时以上，基建费用和运行费用均较高。目前国际上普遍使用生物脱氮除磷工艺，常用的有：常规的厌氧/缺氧/好氧工艺(A/A/O工艺)、Bardenpho、UCT、VIP、SBR、ICEAS、CASS、UNITANK及各种氧化沟工艺。目前随着处理技术的研究和发展，相继出现和正在应用的还有倒置A/A/O工艺、水解-厌氧-微氧联合工艺、高负荷活性污泥工艺、生物曝气滤池、高效复合污水生物处理系统、MBR、MBBR等处理工艺。
目前，对于石化工业的生产工艺排出的污水，采用的处理工艺多数为活性污泥法、生物膜法、混凝沉淀或气浮等，并在实际设计中多数是单独的采用以上方法的串联处理工艺，即采用的处理工艺基本是：首先污水进入活性污泥处理单元，经处理后的污水再依次进入生物膜处理单元、和或混凝沉淀或气浮处理单元，最终经处理后的水达标排放。
在此处理工艺中活性污泥处理单元需要回流大量的污泥，才能保持其处理过程需要的微生物的量，而生物膜处理单元不需要回流污泥，微生物的量靠填料上生长的生物膜保持，在整个的处理工艺中需要较大的能量进行回流污泥，不仅增加了处理费用，也不能与后续的生物膜处理系统的微生物达到完全的协调生存，并保持较高的活性，从而达到较高的处理效果，降低处理费用。为解决此方法存在的问题，需要开发新的技术和方法，设计新型的污水处理工艺和设备，处理此类高浓度、难降解的污废水，降低运行费用，节省投资，真正实现节能降耗，适应范围广的污水处理工艺。
发明内容
本发明目的在于提出一种高效节能的厌氧和好氧结合的活性污泥法与生物膜法协同作用的污水生物处理方法及处理设备。
本发明的技术原理
活性污泥法与生物膜法协同作用的污水生物处理方法，即在一个池体内同时共生生物活性污泥和生物膜菌群。活性污泥的存在是污水能在最短的时间内和以最小的流程与池内的活性污泥接触，具有较大的耐冲击负荷的能力；生物膜的存在则提高了池内的生物量，使污泥更加稳定。两者协同作用，较大程度的提高了污水的处理效率和污泥沉降性能，稳定了处理效果，运行可靠，运行成本低。
本发明的技术方案
生物活性污泥与生物膜协同的污水处理方法，通过相应的污水处理设备实现。
一、生物活性污泥与生物膜协同的污水处理设备：
生物活性污泥与生物膜协同作用(HBSM，Hybrid Bio-ActivatedSludge and Membrane)的污水生物处理设备主要由内外两圈两大部分组成，内圈、外圈之间通过隔墙隔离，隔墙上设置闸板，可控制内圈污水进入外圈污水量的大小，以及培养和驯化污泥阶段的分区控制；在外层出水隔墙或隔板底部设计可控内回流闸板；
内圈部分即设备的内层，是完全的活性污泥生物处理区，有污水进水管1和污泥回流管，两根管道分别伸入到设备内层的底部，内层的上部或底部置有出水口直接通入外层；
外圈部分即设备的外层，是生物膜与活性污泥协同作用的生物处理区，外层装填有填料，填料的表面生长着生物膜，填料的下部或中部装有曝气管道系统，外层的上部位有出水口。
设备外层装填的填料可以根据污水的性质和要求的处理程度进行选择确定，即根据不同性质的污水，可以选择的安装不同型式的填料。其中所装的填料可以分为固定填料或悬浮填料。
其中固定填料为软性纤维填料、立式弹性填料或综合填料等；悬浮填料为悬浮球填料或多空泡沫塑料方块填料等。
在安装填料时，对于固定填料需要留出比正常安装间距大30％～50％的空隙或空间，以便活性污泥的流动，真正形成活性污泥和生物膜的共生共存的协同处理效果；
在设备的外层池底布置的曝气管道系统，根据其设置的段数及待处理的污水性质的不同对生物处理区进行分区，可分成以下几种形式：
①、厌氧区、缺氧区、好氧区；
②、厌氧区、好氧区；
③、缺氧区、好氧区；
④、好氧区。
以上每种形式的各个分区依次相连，无须隔墙分隔。
本发明的设备的内、外层隔墙及外层的材料采用不锈钢、碳钢或玻璃钢，或采用价格低廉的钢筋混凝土的构筑物替代。
二、生物活性污泥与生物膜协同(HBSM，Hybrid Bio-ActivatedSludge and Membrane)的污水生物处理工艺包括如下两个步骤：
(1)、活性污泥厌氧处理阶段：
首先进行内层活性污泥培养及外层的填料的表面生物膜的培养和驯化，后待处理的污水从污水进水管进入处理设备的内层，同时通过污泥回流管道上闸阀控制从污泥回流管进入处理设备的内层的回流污泥量，在内圈活性污泥处理区，进入的污水和回流的污泥迅速的混合，并与池内处于厌氧状态的生物活性污泥混合液混合，混合液沿内层由下而上流动，形成高浓度悬浮活性污泥层，污水经过此污泥悬浮层到达上部的内层出水管后，再流入外层生物膜与活性污泥的协同处理区；污水在内层的停留时间可取1.5～3小时；其中回流污泥量的比例控制20～60％；
(2)、活性污泥与生物膜的协同处理阶段：
经步骤(1)厌氧处理阶段处理的污水经内层出水管进入外层生物膜与活性污泥的协同处理区后，沿填料的空隙螺旋式向前流动，曝气管道系统内的空气则自下而上运动，在气、水流动过程中，分别与填料之间的活性污泥接触，再与生物膜接触，再活性污泥和生物膜，这样反复进行，污水在外层协同处理区的停留时间可以设计为4～8小时后，达排放要求的污水一直沿圆周方向流向处理设备的出水口排出。
在上述的生物活性污泥与生物膜协同作用的污水处理过程中，空气穿过水膜逐步进入生物膜或活性污泥中，为微生物提供呼吸需要的氧，同时污水中的有机物质也进行迁移进入生物膜系统，被生物膜中的生物降解，或者被活性污泥中微生物降解，分解成较小的无机化合物，使污水得到净化。
经过一段时间的运行，填料上的生物膜量会越来越多，厚度也不断的增加，为了获得较好和稳定的处理效果，可以通过控制曝气量的方式进行控制填料上的生物膜的厚度，进而控制整个生物处理系统的总生物量，也可以通过控制生物膜的量，来控制和协调污泥回流量的大小。同时，通过控制曝气量，也可以控制生物膜是否处理厌氧状态，还是兼氧状态或者好氧状态，从而达到对不同性质污水的处理目的。
本发明的处理设备的外层与内层结合，形成的活性污泥与生物膜协同的污水生物处理运行方式即内层厌氧处理、外层厌氧、缺氧、好氧三分区结合的方式；内层厌氧处理、外层厌氧、好氧两分区结合的方式；内层厌氧处理、外层缺氧、好氧两分区结合的方式；内层厌氧处理、外层好氧的结合方式。具体处理的运行方式可根据污水的性质进行选择。
本发明的有益效果
本发明是生物活性污泥与生物膜系统共生共存的协同作用，根据污水性质的不同，可采用不同的运行处理方式。同时，根据系统的要求必须进行适当的污泥回流，本发明也考虑了内部的自回流系统，以保证有效的活性污泥的效能和处理效果。
由于活性污泥的存在是污水能在最短的时间内和以最小的流程与池内的活性污泥接触，具有较大的耐冲击负荷的能力；生物膜的存在则提高了池内的生物量，使污泥更加稳定。所以，活性污泥法与生物膜法协同的污水处理工艺，较大程度的提高了污水的处理效率，稳定了处理效果，污泥沉降性能有较大的提高，运行更加可靠，运行成本更低。
本发明的污水处理工艺及其相应的处理设备可适应于高浓度或难降解的高浓度和低浓度污水，以及低浓度和高浓度的生产或生活污废水的处理，尽可能大的节省投资，降低运行成本，减少占地。
本发明的处理工艺的处理效果稳定，运行可靠，出水水质可以达到国家排放标准的一级标准；产生的污泥具有较好的沉降性能，易于处理。
通过本发明的方法和设备与其它处理设备或构筑物相比较，工艺流程短，污泥回流量减少40％～80％，运行费用降低18％～31％。对于一般性质的难以降解的污水，通过内层和外层的分级生物处理后，整个设备或工艺的去除率可以达到90％以上。通过处理设备的内外成结合达到多种处理工艺的组合，运行方式灵活，节省工程的投资，减少占地面积。
附图说明
图1、污水生物活性污泥与生物膜协同处理设备的剖面示意图
图2、污水生物活性污泥与生物膜协同处理设备的平面图
具体实施方式
为了对本发明进一步阐述，下面结合附图对本发明进行进一步说明。
一种生物活性污泥与生物膜协同作用(HBSM，Hybrid Bio-ActivatedSludge and Membrane)的污水生物处理设备，如附图1及附图2所示。
设备主要由内外两圈两大部分组成。内圈、外圈之间通过隔墙隔离，隔墙上设置闸板8；在外层出水隔墙或隔板底部设置闸板10。
内圈部分即设备的内层，是完全的活性污泥生物处理区3，有污水进水管1和污泥回流管，两根管道分别伸入到设备内层的底部，内层的上部或底部有出水口5与设备的外层相连。
外圈部分即设备的外层，是生物膜与活性污泥协同作用的生物处理区4，外层装填填料9，填料的表面生长着生物膜，填料的下部或中部装有曝气管道系统7，外层的上部位有出水口6。
设备外层装填的填料可以根据污水的性质和要求的处理程度进行选择确定，即根据不同性质的污水，可以选择的安装固定填料或悬浮填料。其中固定填料为软性纤维填料、立式弹性填料或综合填料等。悬浮填料为悬浮球填料或多空泡沫塑料方块填料等。
在设备的外层池底布置的曝气管道系统，根据其设置的段数及待处理的污水性质的不同对生物处理区4进行分区，可分成以下几种形式：
①、厌氧区、缺氧区、好氧区；
②、厌氧区、好氧区；
③、缺氧区、好氧区；
④、好氧区。
以上每种形式的各个分区依次相连，无须隔墙分隔。
本发明的设备的内、外层隔墙及外层的材料可采用不锈钢、碳钢或玻璃钢，也可采用价格低廉的钢筋混凝土的构筑物替代。
本发明的处理设备的外层与内层结合，形成的活性污泥与生物膜协同的污水生物处理运行方式即内层厌氧处理、外层厌氧、缺氧、好氧三分区结合的方式；内层厌氧处理、外层厌氧、好氧两分区结合的方式；内层厌氧处理、外层缺氧、好氧两分区结合的方式；内层厌氧处理、外层好氧的结合方式。具体处理设备的运行方式可根据待处理的污水的性质进行选择。
下面结合设备对本发明的一种生物活性污泥与生物膜协同作用(HBSM，Hybrid Bio-Activated Sludge and Membrane)的污水生物处理方法进行进一步阐述：
首先进行内层活性污泥培养及外层的填料(9)的表面生物膜的培养和驯化，后将待处理的污水从污水进水管1进入设备或处理工艺的内层，同时回流污泥从污泥回流管2进入设备或处理工艺的内层，两根管道分别伸入到设备内层的底部(当内层出水口设置在上部时)，在此进入的污水和回流的污泥迅速的混合，并与池内处于厌氧状态的生物活性污泥混合液迅速混合均匀，在很短的时间内达到内层一定程度的均值浓度，具有较强的抗冲击负荷的能力。经混合后的混合液沿内层由下而上流动，形成高浓度悬浮活性污泥层，在设计的时间内到达内层上部或底部的内层出水管5，或通过设置在底部的闸板8，再流入外层生物膜与活性污泥的协同处理区；根据进水的难降解污水的性质不同，污水在内层的停留时间可取1.5～3小时。
污泥回流量的大小，通过二沉池污泥回流管上的阀门进行控制，视污水的性质不同，回流量一般可控制在20％～60％，对于难降解的高浓度污水采用高值，反之采用低的污泥回流量。
经内层厌氧处理后的污水进入外层生物膜与活性污泥的协同处理区后，沿外层圆周方向流向设备外层出水口6，部分混合液可通过设置在底部的闸板10回流至外层生物处理区，闸板的开启大小控制混合液的回流量的大小。污水在此区域内停留时间4～8小时后，满足处理后可排放的水质的要求和目的。
实施例1
为了验证本发明的的生物活性污泥与生物膜协同作用的污水处理方法及相应的处理设备，取石化行业污水进行处理应用。
取石化行业污水，综合污水的COD：860mg/L～1200mg/L，BOD：240mg/L～330mg/L，NH₃-N：35mg/L～67mg/L。
根据实验污水的性质，采用了内层厌氧，外层厌氧、缺氧、好氧的三分区结合的运行方式。
通过使用本发明的生物活性污泥与生物膜协同作用的污水处理处理设备及与其相应的生物活性污泥与生物膜协同作用的污水处理方法处理后，出水COD：＜60mg/L，BOD：＜15mg/L，NH₃-N：＜15mg/L，处理效率显著提高，并且出水水质稳定，运行状况良好。