一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方法及其反應器的製作方法

2023-04-24 21:45:31 5

專利名稱：一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方法及其反應器的製作方法
技術領域：
本發明涉及汙水生物化學處理及汙水資源化利用領域,特別是指一種複合生物膜活性 汙泥反硝化除磷脫氮方法及其反應器。
技術背景現有汙水除磷脫氮的技術可分為物理法、化學法和生物法。相對而言，生物除磷脫氮 技術投資少、運行操作簡單、無二次汙染而被廣泛應用。 汙水生物除磷脫氮的基本原理生物脫氮過程通過氨化、硝化和反硝化三步驟完成。硝化和反硝化反應可用下式表示 硝化反應包括兩個步驟(1) NH;+1.502 — N02— +2H4 +H20 +亞硝酸菌 (亞硝化反應)(2) N(V +0. 502 — N(V +硝酸菌 (硝化反應) 反硝化反應過程簡單的表示如下(3) N03— +3H —0.5N2 + H20 +0H—(4) N02— +6H —0. 5N2 + H20 +0H— 生物除磷是利用除磷菌能夠在厭氧條件下釋放磷，好氧條件下攝取磷，並將磷以聚合磷的形態儲藏在菌體內的特性，形成富磷汙泥，以排除富磷汙泥而達到從汙水中除磷的目 的。目前已經開發出來的生物除磷脫氮工藝主要有以下幾種AVO工藝系列、SBR工藝系 列和氧化溝工藝系列等，其中最典型的代表就是AVO工藝，其他工藝多是從該工藝發展而 來。傳統的脫氮除磷理論認為硝化和反硝化只能分別在好氧和缺氧條件下進行，而除磷工 藝則必須有好氧/厭氧的交替環境才能富集除磷菌，達到除磷的目的。而近年來一些研究 己經表明不僅硝化和反硝化可以在一個反應器內同時發生,而且在厭氧/缺氧交替環境下， 聚磷菌(PAOs)能夠在缺氧環境下完成反硝化，使強化除磷與同時硝化反硝化過程得以 同時實現，甚至有些反硝化聚磷菌(DPB)不需經歷好氧/厭氧或厭氧/缺氧的交替環境，在缺氧反應器內實現N、 P的同時去除，說明一些PA0s和DPB在不同的環境條件下具有不 同的除磷效果，也可能存在著不同的除磷機理，厭氧/好氧或厭氧/缺氧交替過程並不是唯 一的生物除磷途徑。反硝化除磷脫氮理論的提出，能夠解決傳統除磷脫氮工藝自身無法解 決的矛盾，節省碳源和能源，提高汙水處理系統除磷脫氮能力。同時減少汙泥產量和運行 費用，使汙水處理朝著可持續戰略方向發展。儘管關於反硝化除磷機理還存在很多爭議，一些利用反硝化除磷現象開發而來的工藝 已經取得了很大進展。尤其複合工藝中泥-膜共存，更易於實現反硝化同時除磷脫氮(劉 晉旭等，2003)。任南琪等在中國專利號200610009602中提到，通過硝化液回流代替A20 中的混合液回流，培養富集反硝化聚磷菌，開發了複合式活性汙泥生物膜同步脫氮除磷系 統，取得穩定的運行效果，出水達到城鎮汙水處理廠汙染物排放標準中的一級B標準要求， 但沿用傳統的厭氧-缺氧-好氧工藝，生物填料的加入主要是為了提高系統硝化效果，流程 相對比較複雜，基建投資高，操作管理困難。其實，複合反應器中沿著液體到載體的方向， 構成了一個懸浮好氧型、附著好氧型、附著兼氧型、附著厭氧型的多種不同運動能力、呼 吸類型、營養類型的微生物系統，為硝化菌、反硝化菌以及除磷菌提供適宜的生存條件， 控制適當的運行條件，利用生物膜富集反硝化聚磷菌,使脫氮除磷在同一個反應器內完成。 由於生物膜同時具有好氧區、缺氧區和厭氧區，其內部的反硝化菌在有磷存在時，利用生 物膜在硝化過程中產生的硝酸根作電子受體，可以實現反硝化除磷脫氮，且脫氮過程和除 磷過程可以相互促進。選擇合理的強化除磷運行方式，可以實現生物膜內部適宜反硝化聚 磷菌(DPAOs)生長的微生態，從而把以硝酸根作為最終電子受體的DPAOs馴化培養成優 勢菌種，以促進反硝化除磷脫氮(D印hanox)過程的進行，克服傳統除磷脫氮過程中聚磷 菌(PAOs)與反硝化菌對碳源的競爭，實現對進水中碳源的有效利用。 發明內容本發明的主要目的在於克服現有技術的缺點,提供一種複合生物膜活性汙泥反硝化除 磷脫氮方法及其反應器。本發明主要針對現有工藝的缺陷及目前反硝化除磷脫氮理論的研究進展，旨在開發一 種一體化的複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方法及其反應器,該反應器能夠合理利用複合生物膜-活性汙泥複合工藝的特點，尤其是利用生物膜的特殊結構有效富集反硝化聚 磷菌，使脫氮除磷在一個反應器內完成，減少反應池的數量；僅使循環汙泥進入厭氧池， 有效減少厭氧池容積，通過排出剩餘汙泥和厭氧池上清液的方式除磷，克服傳統工藝脫氮 和除磷碳源矛盾的同時，減弱了汙泥齡對除磷效果的影響；在生物膜內完成反硝化除磷， 脫氮和除磷過程可以相互促進，實現脫氮除磷均佳的狀況。此外，由於設備可以採用一體 化設計，從而有效節省佔地面積，降低運行費用和工程投資。 本發明採用如下技術方案
一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方法，其特徵在於包括如下步驟
(1) 厭氧釋磷沉澱池底泥進入汙泥厭氧池，在汙泥厭氧池中聚磷菌和反硝化聚磷 菌吸收大量的簡單低分子有機物以聚-e-羥基烷酸酯的形式儲存在體內，同時釋放磷；
(2) 反硝化除磷好氧池中含有硝酸根的混合液以及厭氧池中經過厭氧釋磷的汙泥 匯同進水一起進入安裝有辮簾式軟性填料的缺氧池，在攪拌的作用下，反硝化聚磷菌在反 硝化的同時吸收磷；
(3) 好氧硝化與反硝化聚磷缺氧池出水進入安裝有辮簾式軟性填料的好氧池，生 物膜完成硝化的同時其上的聚磷菌完成吸磷，同時，由於生物膜的特殊結構，溶液中的一 部分磷滲透到生物膜內部，生物膜內部的反硝化菌利用硝化所產生的硝酸根，完成反硝化 的同時進一步吸收磷，達到反硝化除磷的目的；
(4) 固液分離充分完成硝化、反硝化、聚磷的混合液進入沉澱池，完成固液分離， 上清液排放，沉澱底泥進入汙泥厭氧池，並進一步回流至缺氧池，加入下一次的循環，剩 餘汙泥在沉澱後排放，並在厭氧池收集富磷水。
進一步地，所述好氧池中混合液回流比為100-200%,厭氧池中汙泥回流比為50-100%。 進一步地，各反應池中的水溫為20-30'C, pH為7-9。
進一步地，所述好氧池內的活性汙泥濃度為3-5g/1，汙泥厭氧池內的活性汙泥濃度 為5-10g/1。
一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器，該反應器為一體式結構，由三個隔 板依次隔開為缺氧池、好氧池、沉澱池和汙泥厭氧池，缺氧池上設有汙水進口、混合液回流入口和汙泥回流入口，好氧池上設有混合液回流出口，沉澱池上設有上清液排放出口和 底泥排出口，汙泥厭氧池內設有汙泥回流出口、富磷水出口和剩餘汙泥排放出口；並且， 在汙泥厭氧池的中間部位設有由馬達驅動、轉速可調的攪拌器，在混合液回流出口和混合 液回流入口之間設有驅動馬達，在汙泥回流出口和汙泥回流入口之間設有驅動馬達，在好 氧池和缺氧池的底部設有曝氣器，在曝氣器之上安裝有辮簾式軟性填料，其裝填比為 50%-70%。
進一步地，所述汙水進口設於缺氧池前部的上端，所述混合液回流出口設於好氧池的 底部，所述上清液排放出口和底泥排出口分別設於沉澱池的上部和底部，所述富磷水出口 設於汙泥厭氧池後部的上端。
進一步地，在所述上清液排放出口和富磷水出口的上方分別設有溢流槽。 進一步地，在所述缺氧池、好氧池和沉澱池的前端均安裝有一導流板，該導流板為一 平板，其上端與池頂相平，下端距離池底一定距離，該距離大小依據過流水量計算確定。 進一步地，該反應器為一體式矩形容器。 進一步地，所述曝氣器沿好氧池和缺氧池的池壁單側布置。 由上述對本發明的描述可知，和現有技術相比，本發明具有如下優點
1、 本發明的反應器結構緊湊，構造簡潔，運行操作與維護十分簡單，人工要求少， 易於實現自動化控制。
2、 本發明在一個反應器內形成獨立的缺氧池、好氧池、沉澱池和汙泥厭氧池，並能
實現固液分離和富磷水的收集，有效節省了佔地面積。
3、 本發明的反應器在缺氧池和好氧池內同時存在生物膜和活性汙泥，因而可以大大 提髙生物量，進而提高汙水除磷脫氮效果，降低工程投資和運行費用。同時由於複合工藝 中生物膜自身的結構特點以及氧擴散的限制，複合反應器中沿著液體到載體的方向，構成 了一個懸浮好氧型、附著好氧型、附著兼氧型、附著厭氧型的多種不同運動能力、呼吸類 型、營養類型的微生物系統，為硝化菌、反硝化菌以及除磷菌提供適宜的生存條件，控制 適當的運行條件，利用生物膜富集反硝化聚磷菌，使脫氮除磷在同一個反應器內完成。由 於生物膜同時具有好氧區、缺氧區和厭氧區，其內部的反硝化菌在有磷存在時，利用生物
7膜在硝化過程中產生的硝酸根作電子受體，可以實現反硝化除磷脫氮，且脫氮過程和除磷 過程可以相互促進。同時生物膜的脫落可以使部分厭氧區的微生物進入活性汙泥的好氧環 境，生物膜的附著過程也可以使一部分好氧環境中的微生物進入缺氧/厭氧環境。由此可 見，複合工藝中特有的微生物附著-脫落過程及生物膜的特殊結構，為各種與除磷脫氮有 關的微生物菌群提供了合適的生存環境，促使同時除磷脫氮成為可能。選擇合理的強化除 磷運行方式，控制處理過程的溶解氧、進水營養比等因素，可以實現生物膜內部缺氧和厭 氧區域的變遷，可以實現生物膜內部適宜反硝化聚磷菌(DPAOs)生長的微生態，從而把 以硝豫根作為最終電子受體的DPA0s馴化培養成優勢菌種，以促進反硝化除磷脫氮 (D印hanox)過程的進行，克服傳統除磷脫氮過程中聚磷菌(PA0s)與反硝化菌對碳源的 競爭，實現對進水中碳源的有效利用。
4、 本發明與同是利用反硝化除磷原理開發的工藝相比，充分利用了生物膜的特殊結 構富集反硝化聚磷菌，流程相對簡單，易於控制，同時能保證較好的出水水質。現有基於 反硝化除磷原理開發的工藝，大都屬於對傳統除磷脫氮工藝的改進，因此在很大程度上都 沿襲了厭氧-好氧的除磷模式和缺氧反硝化的脫氮模式，只是在部分反應器中或反應器的 部分部位利用了反硝化聚磷菌的同步除磷脫氮作用。和傳統除磷脫氮工藝比較，這些工藝 在流程上並不精簡相反，為了刻意的體現反硝化聚磷菌的功能而設置了硝態氮上清液分 離裝置，或多條內回流措施，使流程和操作變得更複雜。生物膜活性汙泥複合反硝化除磷 工藝中，只在好氧區添加生物膜填料，其目的主要是提高硝化效果，其工藝流程依然沿用 了傳統的好氧-缺氧-厭氧工藝，且增加了接觸池和硝化液回流，使流程變得複雜。本發明 主要是利用生物膜的特殊結構富集反硝化聚磷菌，通過混合液回流強化缺氧池的反硝化除 磷功能，並通過厭氧釋磷汙泥的回流增加缺氧池反硝化聚磷菌的數量，同時，僅使沉澱汙 泥進入厭氧池，可以節省厭氧池的容積，大大降低工程投資和運行費用。
5、 通過混合液回流，強化缺氧池的反硝化除磷功能。
6、 通過厭氧釋磷汙泥的回流增加缺氧池聚磷菌的數量。
7、 僅將沉澱汙泥進入厭氧池，大大縮小厭氧池容積，利於富磷水的收集。
8、 通過缺氧、厭氧和好氧的循環，可有效提高汙泥沉降和脫水性能。9、本發明的除磷是同時通過釋磷和排除高含磷水實現，因此不受汙泥齡的影響，高 含磷水易於通過化學法回收磷。
總之，本發明的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方法及其反應器將有機物去 除與生物反硝化除磷脫氮有機結合，利用生物膜的獨特結構實現反硝化除磷脫氮，具有獨 特的構築物和操作運行方式，有效克服傳統工藝中脫氮和除磷關於泥齡和碳源競爭的矛 盾，使脫氮和除磷的效果同時達到最佳，尤其適用於低碳氮比的城市汙水處理，除磷效果 極佳，並有利於實現磷的回收利用。本發明的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方 法及其反應器，既可單獨用於城市汙水的處理達到國家綜合排放標準；也可與過濾、反滲 透等其它技術組合使用，實現城市汙水的再利用不僅適於新建汙水處理廠，尤其利於現 有活性汙泥工藝的改造。


圖l為本發明一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器的剖視示意圖； 圖2為本發明一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方法的流程圖。
具體實施例方式
本發明的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器，參照圖1，該反應器為一 體式矩形容器，由三個隔板5、 8、 15依次隔開為缺氧池a、好氧池b、沉澱池c和汙泥厭 氧池d,缺氧池a上設有汙水進口 1、混合液回流入口 3和汙泥回流入口 26,好氧池b上 設有混合液回流出口7，沉澱池c上設有上清液排放出口 17和底泥排出口 11、 12,汙泥 厭氧池d內設有汙泥回流出口 28、富磷水出口 19和剩餘汙泥排放出口 25;並且，在汙泥 厭氧池d的中間部位設有由馬達18驅動、轉速可調的攪拌器22,在混合液回流出口 7和 混合液回流入口 3之間設有驅動馬達,在汙泥回流出口 28和汙泥回流入口 26之間設有驅 動馬達，在好氧池和缺氧池的底部設有曝氣器29，在曝氣器29之上安裝有辮簾式軟性填 料30,其裝填比為50%-70%。曝氣器29沿好氧池b和缺氧池a的池壁單側布置，在上清 液排放出口 17和富磷水出口 19的上方分別設有溢流槽16、 20。在缺氧池a、好氧池b 和沉澱池c的前端分別安裝有導流板4、 6、 27,在沉澱池c的底部分別設有隔板9、 10、 13、 14，在厭氧池d的底部設有隔板23、 24，便於汙泥的分流。同時參照圖2，採用上述的反應器，本發明的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫 氮操作方法如下 實施例l:
利用進水泵，通過汙水進口，將汙水輸送至缺氧池a,然後汙水進入好氧池b;好氧 池b設有混合液回流裝置，將一部分混合液回流至缺氧池a,剩餘的混合液進入沉澱池c
進行固液分離，上清液排出，底泥進入厭氧池d, —部分汙泥以剩餘汙泥的形式排出，一
部分汙泥回流至缺氧池a,與進水混合，並在厭氧池d進行富磷水收集。富磷水收集後可 經化學處理後與進水混合，重新進入反應器。
整個運行過程中，保持本發明的複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器中的水溫 為20-30'C， pH為7-9,其中好氧池b內的活性汙泥濃度為3-5 g/1，厭氧池d內的活性 汙泥濃度為5-10 g/1。依據一定的汙泥負荷和除磷脫氮效果，採取一定量的進水流量和 汙泥回流比。
通過布設在好氧池b和缺氧池a底部的曝氣器向好氧池b和缺氧池a供氧,經過好氧、 缺氧和厭氧的不斷循環，達到去除有機物和除磷脫氮的目的。
進入本發明的複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氣反應器的汙水中COD為 120-480mg/L, TN (出水總氮)濃度為47~108 mg/1, NH3-N (出水氨氮)濃度為42-95 mg/1, TP(出水總磷)濃度為2-18 mg/1,處理後的汙水中COD為5-18mg/L, TN濃度為15~25 mg/1, NH3-N濃度為0-7 mg/1, TP濃度為1-4 mg/l，平均去除率分別達到了 92%, 67%， 92%和64%, 除磷脫氮效果顯著。 實施例2
利用進水泵，通過汙水進口，將汙水輸送至缺氧池a,然後汙水進入好氧池b:好氧 池b設有混合液回流裝置，將一部分混合液回流至缺氧池a，剩餘的混合液進入沉澱池c 進行固液分離，上清液排出，底泥進入厭氧池d, —部分汙泥以剩餘汙泥的形式排出，一 部分汙泥回流至缺氧池a,與進水混合，並在厭氧池d進行富磷水收集。富磷水收集後可 經化學處理後與進水混合，重新進入反應器。
整個運行過程中，保持本發明的複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器中的水溫為20-30t:， pH為7-9，其中好氧池b內的活性汙泥濃度為3-5 g/l，厭氧池d內的活 性汙泥濃度為5-10 g/l。依據一定的汙泥負荷和除磷脫氮效果，採取一定量的進水流量 和汙泥回流比。
通過布設在好氧池b和缺氧池a底部的曝氣器向好氧池b和缺氧池a供氧,經過好氧、 缺氧和厭氧的不斷循環，達到去除有機物和除磷脫氮的目的。
進入本發明的複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器的汙水中COD為 110-580mg/L, TN濃度為45 118 mg/1, NH3-N濃度為38-96 mg/1, TP濃度為2-20 mg/1, 處理後的汙水中COD為5-20mg/L, TN濃度為20 30 mg/1, NH3-N濃度為0-8 mg/1, TP濃 度為1-5 mg/l，平均去除率分別達到了 95%, 68%, 90%和63%,除磷脫氮效果顯著。後接石英 砂過濾器，出水中COD為3-15mg/L, TN濃度為15~240mg/l, NH3-N濃度為0-5 mg/1, TP 濃度為0.5-3 mg/l。
上述僅為本發明的一個具體實施方式
，但本發明的設計構思並不局限於此，比如，可 將汙水同時送入缺氧池a和厭氧池b，其他步驟同上，總之，凡利用此構思對本發明進行 非實質性的改動，均應屬於侵犯本發明保護範圍的行為。
1權利要求
1、一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方法，其特徵在於包括如下步驟(1)厭氧釋磷沉澱池底泥進入汙泥厭氧池，在汙泥厭氧池中聚磷菌和反硝化聚磷菌吸收大量的簡單低分子有機物以聚-β-羥基烷酸酯的形式儲存在體內，同時釋放磷；(2)反硝化除磷好氧池中含有硝酸根的混合液以及厭氧池中經過厭氧釋磷的汙泥匯同進水一起進入安裝有辮簾式軟性填料的缺氧池，在攪拌的作用下，反硝化聚磷菌在反硝化的同時吸收磷；(3)好氧硝化與反硝化聚磷缺氧池出水進入安裝有辮簾式軟性填料的好氧池，生物膜完成硝化的同時其上的聚磷菌完成吸磷，同時，由於生物膜的特殊結構，溶液中的一部分磷滲透到生物膜內部，生物膜內部的反硝化菌利用硝化所產生的硝酸根，完成反硝化的同時進一步吸收磷，達到反硝化除磷的目的；(4)固液分離充分完成硝化、反硝化、聚磷的混合液進入沉澱池，完成固液分離，上清液排放，沉澱底泥進入汙泥厭氧池，並進一步回流至缺氧池，加入下一次的循環，剩餘汙泥在沉澱後排放，並在厭氧池收集富磷水。
2、 如權利要求1所述的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方法，其特徵在於好氧池中混合液回流比為100-200%,厭氧池中汙泥回流比為50-100%。
3、 如權利要求1所述的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方法，其特徵在於各反應池中的水溫為20-30'C， pH為7-9。
4、 如權利要求1所述的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方法，其特徵在於好氧池內的活性汙泥濃度為3-5g/1，汙泥厭氧池內的活性汙泥濃度為5-10g/1。
5、 一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器，其特徵在於該反應器為一體式結構，由三個隔板依次隔開為缺氧池、好氧池、沉澱池和汙泥厭氧池，缺氧池上設有汙水進口、混合液回流入口和汙泥回流入口，好氧池上設有混合液回流出口，沉澱池上設有上清液排放出口和底泥排出口，汙泥厭氧池內設有汙泥回流出口、富磷水出口和剩餘汙泥排放出口；並且，在汙泥厭氧池的中間部位設有由馬達驅動、轉速可調的攪拌器，在混合液回流出口和混合液回流入口之間設有驅動馬達，在汙泥回流出口和汙泥回流入口之間設有驅動馬達,在好氧池和缺氧池的底部設有曝氣器，在曝氣器之上安裝有辮簾式軟性填料,其裝填比為50%-70%。
6、 如權利要求5所述的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器，其特徵在 於所述汙水進口設於缺氧池前部的上端，所述混合液回流出口設於好氧池的底部，所述 上清液排放出口和底泥排出口分別設於沉澱池的上部和底部,所述富磷水出口設於汙泥厭 氧池後部的上端。
7、 如權利要求5或6所述的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器，其特 徵在於在所述上清液排放出口和富磷水出口的上方分別設有溢流槽。
8、 如權利要求5或6所述的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器，其特 徵在於在所述缺氧池、好氧池和沉澱池的前端分別安裝有一導流板，該導流板為一平板， 其上端與池頂相平，下端距離池底一定距離。
9、 如權利要求5所述的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器，其特徵在 於該反應器為一體式矩形容器。
10、 如權利要求5所述的一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮反應器，其特徵在 於-所述曝氣器沿好氧池和缺氧池的池壁單側布置。
全文摘要
本發明涉及汙水生物化學處理及汙水資源化利用領域，特別是指一種複合生物膜活性汙泥反硝化除磷脫氮方法及其反應器，本發明通過在一體化反應器內形成缺氧池、好氧池、沉澱池和汙泥厭氧池四個反應池，分別在缺氧池和好氧池安裝填料，利用生物膜的特殊結構富集反硝化聚磷菌，並在該一體化反應器內經過厭氧釋磷、反硝化除磷、好氧硝化與反硝化聚磷、固液分離步驟，有效克服傳統工藝中脫氮和除磷關於泥齡和碳源競爭的矛盾，使脫氮和除磷的效果同時達到最佳，尤其適用於低碳氮比的城市汙水處理，除磷效果極佳，並有利於實現磷的回收利用。
文檔編號C02F3/30GK101503248SQ20081007193
公開日2009年8月12日 申請日期2008年10月14日 優先權日2008年10月14日
發明者徐貴華, 芳 方, 王淑梅, 石建穩, 羅紅元, 鄔卓穎, 陳少華 申請人:廈門城市環境研究所