一种强化污水中氮磷去除的污泥减量工艺.pdf

本发明提供了一种强化污水中氮磷去除及应对污泥沉降性不良的污泥减量工艺，所述工艺主要由厌氧水解、膜生物反应、生物-化学除磷和污泥溶胞4个操作单元组成，并设计有污泥和污水两个流动相；所述污泥流动相包括两个内循环，内循环1存在于膜生物反应和生物-化学除磷操作单元之间，内循环2存在于厌氧水解、膜生物反应、生物-化学除磷和污泥溶胞4个操作单元之间；所述污水流动相分为两条支路，支路1穿越厌氧水解和膜生物反应操作单元，支路2穿越生物-化学除磷操作单元，分别处理后出水汇合排出。本发明适用于生活污水、城镇污水及经过预处理后工业有机废水的脱氮除磷和污泥减量，可实现污水和污泥的一体化处理。

1.  一种强化污水中氮磷去除的污泥减量工艺，所述工艺主要由厌氧水解、膜生物反应、生物-化学除磷和污泥溶胞4个操作单元组成，并设计有污泥和污水两个流动相；所述污泥流动相包括两个内循环，内循环1存在于膜生物反应和生物-化学除磷操作单元之间，内循环2存在于厌氧水解、膜生物反应、生物-化学除磷和污泥溶胞4个操作单元之间；所述污水流动相分为两条支路，支路1穿越厌氧水解和膜生物反应操作单元，支路2穿越生物-化学除磷操作单元，分别处理后出水汇合排出。

2.  如权利要求1所述的工艺，其特征在于：设定污水总流量为Q，则支路1的污水流量为aQ，支路2的污水流量为(1-a)Q，0.6≤a≤0.9；由膜生物反应单元流入生物-化学除磷单元的污泥流量为bQ，0.1≤b≤0.4，由生物-化学除磷单元回流至膜生物反应单元的污泥流量为dQ，0.05≤d≤0.15，由生物-化学除磷单元流入污泥溶胞单元、由污泥溶胞单元流入厌氧水解单元的的污泥流量为cQ，0.005≤c≤0.015。

3.  如权利要求2所述的工艺，其特征在于所述工艺如下：总流量为Q的污水按a:(1-a)比例分别进入厌氧水解单元和生物-化学除磷单元；经厌氧水解单元水解预处理后的污水流入膜生物反应单元；部分来自膜生物反应器中的流量为bQ的污泥与流量为(1-a)Q的污水共同汇入生物-化学除磷单元进行反应，经泥水分离后，浓缩污泥分两路分别被引入到污泥溶胞单元和膜生物反应单元，进入污泥溶胞单元的污泥流量为cQ、进入膜生物反应单元的污泥流量为dQ，流量为(1+b-a-c-d)Q的上清液则在经过化学除磷后与流量为(a+c+d-b)Q的膜过滤出水混合并被排出系统；流量为cQ的污泥在经污泥溶胞单元处理后，再经过厌氧水解单元的消解，被用作膜生物反应器的二次底物。

4.  如权利要求1～3之一所述的工艺，其特征在于工艺参数如下：待处理污水pH＝6～8，COD/TN＝5.1～8.9，COD/TP＝29～70；厌氧水解、膜生物反应、生物-化学除磷单元的水力停留时间分别为2h～5h、5h～8h、4h～6h，溶解氧分别为<0.3mg/L、0.5～1.0mg/L、<0.1mg/L；膜生物反应器内污泥浓度控制在4000～8000mg/L；污泥溶胞单元采用臭氧接触反应形式，以鼓泡传质形式控制臭氧投量为0.04～0.18g·O₃/g·MLSS。

一种强化污水中氮磷去除的污泥减量工艺
(一)技术领域
本发明涉及一种强化污水中氮磷去除的污泥减量工艺，属于环境工程水污染控制技术领域。
(二)背景技术
当前，活性污泥法因其经济高效及碳氮磷同时去除的优点，被广泛地应用于生活污水、城镇污水及工业有机废水的处理；但该法同时也会产生大量的含有毒有害物质的剩余污泥，而处理和处置这些生物固体的费用可占到整个污水厂的40％～60％，给企业和社会带来了沉重的经济负担和环境风险。这促使了环境工作者对污泥减量技术的研究，即在保证污水处理效果的前提下，采取适当的措施使处理相同污水所产生的污泥数量降低，以实现从源头上解决污泥问题。
目前，污泥减量技术主要有溶胞-隐性生长技术、解偶联技术和微型动物捕食技术等。溶胞-隐性生长技术通过破碎污泥细胞并以其作为二次生长底物，达到微生物代谢的能量耗散和降低产率的目的，但这会引起系统污泥沉降性变差及出水中氮磷含量升高等问题；解偶联技术凭借增加在分解代谢和合成代谢的能量(ATP)差异，使供给微生物合成代谢的能量有限而减少污泥的产量，但作为异型生物质的解偶联剂的长期使用会导致生物适应性和环境安全等后果；微型动物捕食技术则利用污水处理中的原生动物与后生动物捕食细菌的特性，达到食物链延长、能量损失增加和生物产量降低的效果，但该技术存在耗氧量增加、蠕虫释放营养物质等弊端。总的来说，现有的污泥减量技术都会不同程度给污水处理系统带来污泥沉降性变差、氮磷等营养物的去除效果减弱等主要问题。
(三)发明内容
针对现有技术不足，本发明提出一种强化污水中氮磷去除及应对污泥沉降性不良的污泥减量工艺。
本发明采用的技术方案是：
一种强化污水中氮磷去除的污泥减量工艺，所述工艺主要由厌氧水解、膜生物反应、生物-化学除磷和污泥溶胞4个操作单元组成，并设计有污泥和污水两个流动相；所述污泥流动相包括两个内循环，内循环1存在于膜生物反应和生物-化学除磷操作单元之间，内循环2存在于厌氧水解、膜生物反应、生物-化学除磷和污泥溶胞4个操作单元之间；所述污水流动相分为两条支路，支路1穿越厌氧水解和膜生物反应操作单元，支路2穿越生物-化学除磷操作单元，分别处理后出水汇合排出。厌氧水解单元接收大部分污水和经溶胞后的污泥混合液，其作用是通过兼性菌的水解酸化作用截留和消解进水和溶胞污泥中的颗粒物及大分子有机物，提高进入膜生物反应器污水的可生化性；膜生物反应器通过超滤/微滤膜组件代替传统二沉池使水力停留时间和污泥停留时间分离，具有污泥浓度高、污泥产率低、抗污泥沉降性不良等优点，其作用在于通过控制单元内溶解氧的水平实现脱氮菌的同步硝化-反硝化及聚磷菌的好氧摄磷，降低膜出水中悬浮物、有机物、氮磷等污染物浓度；生物-化学除磷单元接收部分污水和膜生物反应器高浓度污泥，主要进行聚磷菌的厌氧释磷及泥水分离后富含磷的上清液的化学除磷，沉淀后的释磷污泥分两路分别进入膜生物反应器和污泥溶胞单元；污泥溶胞单元利用物理(机械、超声波等)、化学(臭氧、氯气等)、生物(溶菌酶等)等手段破碎剩余污泥细胞释放胞内有机物，溶胞后混合液经厌氧水解后可作为额外有机底物提高膜生物反应器反硝化脱氮的效果。
设定污水总流量为Q，则支路1的污水流量为aQ，支路2的污水流量为(1-a)Q，0.6≤a≤0.9；由膜生物反应单元流入生物-化学除磷单元的污泥流量为bQ，0.1≤b≤0.4，由生物-化学除磷单元回流至膜生物反应单元的污泥流量为dQ，0.05≤d≤0.15，由生物-化学除磷单元流入污泥溶胞单元、由污泥溶胞单元流入厌氧水解单元的的污泥流量为cQ，0.005≤c≤0.015。
具体的，所述工艺流程如下：总流量为Q的污水按a：(1-a)比例分别进入厌氧水解单元和生物-化学除磷单元；在厌氧水解单元，污水中的悬浮物和胶体颗粒被被吸附截留，并被水解转化为液态污染物，而大分子有机物通过酸化作用变成易生物降解的小分子物质，经厌氧水解单元水解预处理后的污水流入膜生物反应单元；其中的碳氮磷污染物在异养菌、硝化菌、反硝化菌、聚磷菌等代谢作用下被同步去除，同时产生剩余污泥；部分来自膜生物反应器中的流量为bQ的污泥与流量为(1-a)Q的污水共同汇入生物-化学除磷单元进行反应，其中聚磷菌在厌氧条件下吸收进水有机物并释放大量磷酸盐，经泥水分离后，浓缩污泥分两路分别被引入到污泥溶胞单元和膜生物反应单元，进入污泥溶胞单元的污泥流量为cQ、进入膜生物反应单元的污泥流量为dQ，流量为(1+b-a-c-d)Q的上清液则在经过化学除磷后与流量为(a+c+d-b)Q的膜出水混合并被排出系统；流量为cQ的污泥在经污泥溶胞单元处理后可产生可生化性较好的有机底物和惰性物质，这些混合物被引入至厌氧水解单元，再经过厌氧水解单元的消解，以进一步削减生物固体含量并提高其可生化性，被用作膜生物反应器的二次底物，经预处理后的溶胞污泥将改善系统反硝化脱氮及基于隐性生长的污泥减量效果。
优选的，流量分配系数a＝0.8，b＝0.2，c＝0.01，d＝0.06。
优选的，本发明工艺参数如下：待处理污水pH＝6～8，COD/TN(碳氮比)＝5.1～8.9，COD/TP(碳磷比)＝29～70；厌氧水解、膜生物反应、生物-化学除磷单元的水力停留时间分别为2h～5h、5h～8h、4h～6h，溶解氧分别为<0.3mg/L、0.5～1.0mg/L、<0.1mg/L；膜生物反应器内污泥浓度控制在4000～8000mg/L；污泥溶胞单元采用臭氧接触反应形式，以鼓泡传质形式控制臭氧投量为0.04～0.18g·O₃/g·MLSS。
与现有污泥减量技术相比，本发明的有益效果主要体现在：通过引入水解、膜分离、除磷、溶胞等过程单元，有机整合了物化、生化等方法的多种作用原理，实现了污水和污泥的一体化处理，重点解决了现有污泥减量工艺存在的氮磷等营养物的去除效果和污泥沉降性减弱等弊端。本发明适用于生活污水、城镇污水及经过预处理后工业有机废水的脱氮除磷和污泥减量，污泥产率可至少下降60％以上，COD、TN和TP的去除率分别在90％、80％、85％以上。
(四)附图说明
图1为本发明一种强化污水中氮磷去除的污泥减量工艺示意图，图中1为厌氧水解单元，2为膜生物反应单元，3为生物-化学除磷单元，4为污泥溶胞单元，5为超滤/微滤膜组件，6为搅拌设备；
图2为具体实施例的COD、TN、TP去除率及污泥产率的变化图，图中■为COD去除率，◆为TN去除率，▲为TP去除率，●为污泥产率。
(五)具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：
实施例1：
某小区生活污水的水质如下：COD＝238±26mg/L，NH₄⁺-N(以NH₄⁺和NH₃形式存在的氮含量)＝24±6mg/L，TN(总氮含量)＝33±7mg/L，TP(总磷含量)＝5.7±0.3mg/L，pH＝6.8±0.7。为实现对该污水的深度处理并获得污泥减量效果，建立了一套可同时处理污水和污泥的试验装置，如图1所示，主要包括厌氧水解单元1、膜生物反应器2、生物-化学除磷单元3、污泥溶胞单元4等四个操作工段。
反应器均采用聚氯乙烯塑料制成；采用ACO-002型气泵进行鼓风曝气，采用BOWNIB2800型水泵进行流量控制，采用DJIC型增力电动搅拌器实现膜生物反应器中微氧活性污泥的完全混合；水路和气路通过硅胶管连通并由电磁阀控制其通断，水泵、气泵及电磁阀的启闭由KG316T型微型电脑时控开关控制。
工艺的主要技术参数如下：进水流量Q＝65L/d，COD/TN＝7.2，COD/TP＝42；流量分配系数a＝0.8，b＝0.2，c＝0.01，d＝0.06；厌氧水解、膜生物反应器、生物-化学除磷单元的水力停留时间分别为3h、6h、4h，溶解氧分别为<0.3、0.5～1.0、<0.1mg/L，膜生物反应器内污泥浓度控制在6000mg/L左右；污泥溶胞单元采用臭氧接触反应技术，臭氧浓度为1.2mg/L，以鼓泡传质形式控制臭氧投量为0.16g·O₃/g·MLSS。
厌氧水解单元的有效体积为8.1L，高径分别为340、170mm，内置聚丙烯弹性填料(型号Φ120×0.35，比表面积为380m²/m³，具有挂膜快、耐负荷冲击、不堵塞、使用寿命长等优点)，其容积填充率设计为40％，以增强对颗粒物及大分子有机物的截留及消解效果。
膜生物反应器2的有效体积为16.2L，高径分别为340、240mm，内置聚丙烯中空纤维超滤膜组件5(膜面积1.5m²、平均孔径0.05μm，由静压水头驱动出水)，通过自身浮力浸没于活性污泥混合液；反应器底部安装有普通养鱼用砂芯，通过气泵向活性污泥进行充氧，溶解氧通过Multiline P3 pH/Oxio2仪器控制在微氧的水平。
生物-化学除磷单元3的有效体积为10.8L，高径分别为340、200mm，被一组竖向挡板均分成相互连通的两个区，即厌氧释磷区(内置搅拌设备6)和泥水分离区；挡板一组共两块，呈竖直方向紧挨排列于反应器中央(间距20mm)，其作用是保证完成厌氧释磷后的污泥由下部缓慢流入泥水分离区，利于实现污泥的竖向沉淀并减少对上清液的水力扰动。
污泥溶胞单元4的有效体积为0.1L，高径分别为80、40mm；配备有DHX-SS-1G型空气气源臭氧发生装置，进气量控制为200L/h，臭氧浓度为1.2mg/L；臭氧混合空气通过反应器底部的养鱼砂芯扩散进入反应器，使污泥细胞溶解并释放出胞内有机物质，这不仅大大降低了系统污泥产量，而且有利于提高生活污水的COD/TN比。
流量为aQ的污水和流量为cQ污泥的经溶胞后的污泥混合液在定量水泵的作用下由底部进入厌氧水解单元1，通过其中兼性生物膜的水解酸化作用截留和消解颗粒物及大分子有机物，提高进入后续膜生物反应器2污水的可生化性；由于超滤膜组件5的介入，膜生物反应器2可有效克服污泥沉降性不良的问题，并实现高浓度污泥及低溶解氧环境，其中主要包括好氧硝化、缺氧反硝化、好氧摄磷、矿化、膜过滤等多种生化和物化反应过程；流量为bQ的污泥于膜生物反应器2和生物-化学除磷单元3之间进行循环，通过往厌氧的生物-化学除磷单元3内引入流量为(1-a)Q的污水，可有效实现聚磷菌体内“好氧摄磷-厌氧释磷”的磷循环代谢过程；经过生物-化学除磷单元3的泥水分离后，部分流量为dQ的经厌氧释磷的浓缩污泥重新返回入膜生物反应器2内进行后续好氧摄磷，而部分流量为cQ的经厌氧释磷的浓缩污泥则进入污泥溶胞单元4被破碎溶解，同时剩余流量为(1+b-a-c-d)Q的富含磷的上清液在经过化学除磷后与流量为(a+c+d-b)Q的膜出水混合，最终被排出系统；污泥溶胞单元4采用臭氧接触反应技术破碎流量为cQ的污泥细胞，并产生可生化性较好的有机底物和惰性物质，这些混合物被引入至厌氧水解单元1，以进一步削减生物固体含量并提高其可生化性，作为膜生物反应器2中微生物生长利用的二次底物，经预处理后的溶胞污泥将改善系统反硝化脱氮及基于隐性生长的污泥减量效果。
在现场进行试验来验证本发明的效果，由图2可见，COD、TN、TP去除率的去除率分别高达90％～98％、82％～91％、85％～93％，平均污泥产率仅为0.05g·MLSS/g·COD。
与以往类似专利相比，本专利实现了污水和污泥的一体化处理，重点解决了现有污泥减量工艺存在的氮磷等营养物的去除效果和污泥沉降性减弱等弊端。具体的，专利“折流式寡毛类蠕虫污泥减量反应器(200410009847.2)”、“利用两段式生物反应器实现污泥减量化的工艺(200510044557.6)”、“利用生物捕食减少剩余污泥产量的装置(200610010265.5)”和“MBR联合蠕虫附着型生物床对城市污水污泥减量的设备(200710144318.7)”提出了一种利用原生、后生动物捕食细菌的污泥减量方法，不仅污泥减量的原理不同，而且还存在工艺条件控制苛刻，出水营养物(特别是磷酸盐)含量升高的风险；专利“污泥减量的污水处理系统(200720120032.0)”发明了一种联合微生物捕食、鱼类滤食、厌氧水解等作用的污水和污泥处理工艺，但存在流程复杂、占地面积大、费用高等缺点；专利“污水生物脱氮与污泥减量耦合生物反应器及其工艺(200710178684.4)”公开了一种生物脱氮与污泥减量耦合处理污水的新方法，但其主要原理在于通过厌氧水解和生物膜的微氧环境实现泥水一体化处理，而对于污水中磷的去除也未涉及；专利“一种利用臭氧氧化使活性污泥减量的方法及装置(03138936.8)”和“用超声波处理污泥使污泥减量化的方法(200510102944.0)”分别提出了利用臭氧氧化和超声波使活性污泥减量的方法，而对于在污水处理系统中如何有效利用细胞溶解产物的途径未作说明；专利“利用内源反硝化生物脱氮除磷使污泥减量的方法及反应系统(200710144602.4)”利用污泥浓缩厌氧过程中产生的溶解性COD作为聚磷菌厌氧释磷的碳源，实现脱氮除磷，与本专利相比在溶胞方法、脱氮除磷途径及其工艺布置上存在明显不同。