申请日 2016.12.30
公开(公告)日 2017.05.31
IPC分类号 C02F3/30
摘要
本发明提供了一种污水脱氮除磷系统，包括厌氧池、泥水分离单元、硝化单元、缺氧池、好氧池与二沉池。其中，原水与二沉池的回流污泥1进入厌氧池，厌氧池混合液进入泥水分离单元，泥水分离单元上清液与二沉池回流污泥2进入硝化单元，硝化单元混合液和泥水分离单元污泥进入缺氧池，缺氧池混合液依次进入好氧池与二沉池。本发明可实现城镇污水处理的深度脱氮除磷，既适用于新建污水厂，也易于实现对已建污水处理厂的改造。
权利要求书
1.一种污水脱氮除磷系统，其特征在于：由厌氧池、泥水分离单元、缺氧池、好氧池、二沉池依次连接而成，还设置有硝化单元，其中，厌氧池设置有原水的进口，二沉池回流污泥1进入厌氧池，硝化单元含有硝化池，泥水分离单元分离的上清液与二沉池回流污泥2进入硝化单元，硝化单元流出的混合液与泥水分离单元流出的污泥进入缺氧池，缺氧池流出的混合液进入好氧池，好氧池流出的混合液进入二沉池，二沉池设置有出水口和污泥出口。
2.根据权利要求1所述的一种污水脱氮除磷系统，其特征在于：厌氧池设置有原水和二沉池回流污泥1的进口，原水和二沉池回流污泥1进入厌氧池后，在厌氧池内通过搅拌实现混合、反应，然后流出至泥水分离单元。
3.根据权利要求2所述的一种污水脱氮除磷系统，其特征在于：原水采用分段进水方式进入厌氧池，一部分原水进入厌氧池的起始端，与进入厌氧池的二沉池回流污泥1混合，另一部分原水从起始端之后的位置进入厌氧池。
4.根据权利要求1所述的一种污水脱氮除磷系统，其特征在于：泥水分离单元设置有进口、上清液出口、污泥出口，来自厌氧池的混合液从进口进入泥水分离单元进行泥水分离后，上清液流出至硝化单元，污泥流出至缺氧池。
5.根据权利要求1所述的一种污水脱氮除磷系统，其特征在于：硝化单元仅为硝化池，硝化池内设置曝气，来自泥水分离单元的上清液与来自二沉池的回流污泥2进入硝化池，在硝化池内混合、反应，然后流出至缺氧池;或者硝化单元是混合池与硝化池的组合，来自泥水分离单元的上清液与来自二沉池的回流污泥2进入混合池，在混合池内通过搅拌进行混合、反应，然后进入硝化池，在硝化池内通过曝气进行混合、反应，硝化池混合液流出至缺氧池。
6.根据权利要求1所述的一种污水脱氮除磷系统，其特征在于：来自硝化单元的混合液和来自泥水分离单元的污泥进入缺氧池，在缺氧池内通过搅拌进行混合、反应，然后流出至好氧池。
7.根据权利要求1所述的一种污水脱氮除磷系统，其特征在于：来自缺氧池的混合液进入好氧池，好氧池内通过曝气进行混合、反应，然后流出至二沉池。
8.根据权利要求6或7所述的一种污水脱氮除磷系统，其特征在于：缺氧池和好氧池之间可设置硝化液回流管路，将好氧池内经过反应的混合液通过回流管路输送到缺氧池。
9.根据权利要求1所述的一种污水脱氮除磷系统，其特征在于：二沉池设置有出水口和污泥出口，二沉池将来自好氧池的混合液进行沉淀分离，上清液作为出水流出，沉淀的污泥从污泥出口流出，一部分回流至厌氧池，一部分回流至硝化单元，一部分作为剩余污泥进行排放处理。
10.根据权利要求1所述的一种污水脱氮除磷系统，其特征在于：可设置化学除磷单元，化学除磷单元包括反应池和沉淀池，泥水分离单元上清液的5～30%进入化学除磷单元，先在反应池内投加化学除磷药剂并搅拌、反应，然后进入沉淀池，沉淀后的上清液进入硝化单元，污泥进行排放处理。
说明书
一种污水脱氮除磷系统
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及污水脱氮除磷处理。
技术背景
氮磷的高效去除一直是城镇污水处理的重点和难点，尾水氮磷不达标容易引起水体富营养化等严重水污染问题。2002年颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)对污水处理又提出了更高的排放要求，具体标准为NH4+-N≤5mg/L，TN≤15mg/L，TP≤0.5mg/L(一级A标准)。一些地方政府制订了更严格的排放标准，例如北京市《水污染综合排放标准》(D11/307-2013)。因此，新建污水厂的建设与已建污水厂的升级改造都面临着深度脱氮除磷的迫切要求。
传统的脱氮除磷技术分别依赖于脱氮微生物与除磷微生物各自完成脱氮与除磷过程。生物脱氮是在硝化菌和反硝化菌的参与下将氨氮最终转化为氮气从系统中去除的过程。生物脱氮的机理主要包括三个过程：氨化作用、硝化作用和反硝化作用。首先，在好氧或厌氧的环境下，污水中的含氮有机物在氨化细菌的作用下分解为氨态氮。其次，氨氮(NH4+-N)在硝化菌的作用下转化为硝态氮(NO3--N)，这个过程包括两个反应阶段，第一阶段先是氨氮在亚硝化菌的作用下转化为亚硝态氮(NO2--N)，第二阶段是亚硝态氮在硝化菌的作用下转化为硝态氮。最后，反硝化菌在缺氧条件下以有机碳源作为电子供体，将硝化过程中产生的亚硝态氮或硝态氮还原为氮气。生物除磷原理为聚合磷酸盐累积微生物(PAO)的摄磷/释磷原理，即在厌氧/好氧交替运行的环境下容易富集一类聚磷菌(PAO)微生物，它能超过其生理需求大量的从外部环境中摄取磷酸盐，并以聚合磷酸盐的形式贮存在体内，通过剩余污泥的形式排出系统，实现磷的去除。生物除磷过程包括厌氧释磷和好氧吸磷两个过程。
生物脱氮除磷工艺主要包括厌氧、好氧和缺氧环境，通过在空间或时间上对不同单元的改变来达到去除氮磷的目的。目前污水处理厂应用最广泛的有A2/O工艺、氧化沟工艺等。A2/O和氧化沟工艺作为当前污水处理的主流工艺，存在的脱氮过程与除磷过程碳源竞争、硝化菌与聚磷菌污泥龄矛盾、硝酸盐回流影响厌氧释磷等问题，对城市生活污水中的氮磷去除能力不足。为达到较好的脱氮除磷效果，A2/O和氧化沟工艺对进水碳源浓度要求较高。然而我国很多城市，尤其是南方城市，生活污水中普遍碳源不足(即碳氮比低)，A2/O和氧化沟工艺出水的总氮和总磷更是难以同时达标排放。
随着脱氮除磷理论的不断发展，研究人员发现了缺氧环境下吸磷的现象，提出了反硝化除磷理论。在厌氧环境下，反硝化聚磷菌(DPB)的释磷过程与传统除磷过程中PAO的释磷过程相同，即微生物释放体内的磷至水中，同时从水中摄取有机物以PHA(聚羟基脂肪酸，主要是PHB——聚羟基丁酸)的形式储存到体内;在缺氧环境下，不同于好氧聚磷菌(PAO)以O2为电子受体，DPB以NO3-作为电子受体氧化体内贮存的内碳源PHB，产生的能量能用于过量摄取溶液中的正磷酸盐，并以聚合磷酸盐的形式储存在细胞内。在反硝化除磷过程中碳源通过“一碳两用”的方式实现了同步反硝化脱氮与吸磷作用，节省了对碳源的需求，同时也减少曝气量和污泥产量，对于处理低碳氮比的生活污水极具潜力。
基于反硝化除磷理论开发了各种脱氮除磷工艺。根据反硝化聚磷菌与硝化菌在反硝化除磷系统中的存在形式，反硝化除磷工艺可以分成单污泥法反硝化脱氮处理工艺和双污泥法反硝化除磷工艺。BCFs工艺是典型的单污泥反硝化除磷工艺，是UCT工艺的变型。从工艺流程上看，BCFS工艺在原有A2/O工艺的基础上，在厌氧池后端增加了接触池，在缺氧段之后增加了混合池。混合回流污泥和来自厌氧池的混合液用以吸附剩余有机物，去除回流污泥中的硝态氮。混合池介于缺氧池和好氧池之间，缺氧条件下进行同步硝化反硝化，降低出水总氮，保证出水总氮达标。三条内循环中第一条路线主要是尽可能降低进入厌氧池的硝酸盐浓度，保证厌氧池的厌氧条件;第二条路线辅助回流污泥目的是向缺氧池补充硝酸盐，第三条路线主要是硝化液回流有利于降低出水氨氮。该工艺回流多，运行较复杂，不适合对A2/O工艺的改造。
双污泥工艺是基于双污泥反硝化除磷理论的典型工艺。原水与回流污泥在厌氧池混合，反硝化聚磷菌将污水中的COD转化为PHB储存在体内，同时释放磷;之后混合液进入中间沉淀池进行泥水分离，上清液进入硝化池，污泥则直接进入缺氧池进行反硝化吸磷，之后进入后曝气将未去除的磷去除以及吹脱氮气，防止污泥上浮。该工艺在厌氧池中COD用于厌氧释磷并合成PHB，而在混合池中PHB被用于实现系统的同步脱氮与除磷，达到了节省碳源的目的，适合低碳氮比的污水处理。另外，由于工艺设置为双污泥系统，将聚磷菌和硝化菌分别置于不同的反应器中，保证了硝化菌的生长周期，进而增加了硝化菌量提高了硝化效率，同时很好了解决了传统工艺中SRT的矛盾，使得聚磷菌和硝化菌都在各自最佳的环境中生长，使得系统稳定高效运行。但双污泥工艺需要两套污泥系统，增加了建设成本。
常规的A2/O工艺、氧化沟工艺为厌氧-缺氧-好氧运行，本身具有反硝化除磷的条件，然而实际运行中工艺内反硝化除磷能力却非常弱。经过改造后的UCT只能部分实现反硝化除磷;BCFS虽然反硝化除磷程度较高，但是回流多、工艺较复杂，不适用于A2/O、氧化沟工艺改造;双污泥工艺需要两套污泥系统，建设成本高。因此，利用反硝化除磷原理，开发一种适用于已建污水厂改造的新型单污泥工艺具有重要意义。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型的具有反硝化除磷功能的污水深度脱氮除磷处理工艺，脱氮除磷效果明显，出水中总氮和总磷含量降低，可有效解决污水处理达标困难的问题。本发明适用于有脱氮除磷要求的城镇污水厂的新建和改造，也适用于对可生化性较好的工业废水的脱氮除磷处理。
本发明所述污水脱氮除磷系统包括：由厌氧池、泥水分离单元、缺氧池、好氧池、二沉池依次连接而成，还设置有硝化单元，其中，厌氧池设置有原水的进口，二沉池回流污泥1进入厌氧池，硝化单元含有硝化池，泥水分离单元分离的上清液与二沉池回流污泥2进入硝化单元，硝化单元流出的混合液与泥水分离单元流出的污泥进入缺氧池，缺氧池流出的混合液进入好氧池，好氧池流出的混合液进入二沉池，二沉池设置有出水口和污泥出口。
本发明所述的厌氧池包括：厌氧池设置有原水和二沉池回流污泥1的进口。所述原水可以是进入污水厂的污水，或者进入污水厂后经过预处理(例如格栅、沉砂、初沉等处理)的污水。厌氧池进行搅拌，使污水和污泥充分混合、反应。搅拌通常采用机械或水力搅拌方式，不采用空气搅拌以避免引入溶解氧。厌氧池内的反应是指微生物(即活性污泥)在低溶解氧、低硝态氮浓度的环境下的生物过程，即释放体内的磷，摄取水中的有机物至体内形成PHB。通常情况下，厌氧池内要求溶解氧<0.2mg/L、硝态氮浓度<0.5mg/L，过高的溶解氧和硝态氮浓度将抑制微生物的厌氧反应。厌氧池可以设置成多格池子串联方式，也可以采用循环方式，或者组合方式。厌氧池的水力停留时间根据污泥浓度、污染物浓度、水温、出水要求等因素来设计，一般为1.0～4.0小时。
作为本发明的进一步改进，原水可以采用分段进水方式进入厌氧池，一部分原水进入厌氧池的起始端，与进入厌氧池的二沉池回流污泥1混合，另一部分原水从起始端之后的位置进入厌氧池。来自二沉池的回流污泥含有硝态氮，因此进入厌氧池后有可能影响厌氧池的厌氧过程(释磷和摄取有机物)，将一部分原水(原水1，通常为原水总量的10～30%)先与二沉池回流污泥1混合，其余部分的原水(原水2)从厌氧池起始端之后进水，实现在厌氧池的前段(即原水2进入之前)去除回流污泥1中的硝态氮的目的，从而避免硝态氮对厌氧池后段(即原水2进入之后)的影响，厌氧池前段的水力停留时间一般取20～60分钟。
本发明所述的泥水分离单元将厌氧池流出的混合液进行泥水分离。泥水分离单元设置有进口、上清液出口、污泥出口。来自厌氧池的混合液从进口进入泥水分离单元进行泥水分离后，上清液流出至硝化单元，底部的污泥流出至缺氧池。这里所述混合液是指污水和固体物的混合物;在泥水分离单元下部得到的比厌氧池混合液含固率(固体含量)更高的浓缩液，称为污泥;在泥水分离单元上部得到的含固率低的水，称为上清液。泥水分离单元的水力停留时间根据污泥浓度、分离效率等因素来设计，一般为0.5～3.0小时。
本发明所述的硝化单元含有硝化池，二沉池设置有污泥回流进入硝化单元，二沉池回流污泥2与来自泥水分离单元的上清液在硝化单元中完成硝化反应，然后流出至缺氧池。硝化池的水力停留时间根据污泥浓度、污染物浓度、水温、出水要求等因素来设计，一般为2.0～8.0小时。
作为本发明的进一步改进，硝化单元可以仅为硝化池，进水来自泥水分离单元上清液与二沉池回流污泥2，池内通过曝气实现充氧与混合，微生物在有氧的环境下，氧化水中的氨氮，生成硝态氮。硝化池的硝化效率高，原因在于：一是二沉池回流污泥在回流之前流经了好氧池、二沉池，在好氧池内经过了充分的好氧生物反应，有机物已经被消耗掉，避免了有机物对硝化过程的影响;二是泥水分离单元的上清液经过厌氧池的厌氧过程，有机物大部分已经转移到了微生物体内，也避免了有机物对硝化过程的影响。为强化硝化反应，也可在硝化池内加装生物填料。
作为本发明的进一步改进，硝化单元可以为混合池与硝化池的组合，泥水分离单元上清液与二沉池回流污泥2进入混合池，然后再进入硝化池。混合池内通过机械、水力等搅拌的方式使泥水完全混合，不曝气、不充氧;硝化池内曝气。由于二沉池回流污泥含有硝态氮，泥水分离单元上清液仍含有有机物(原水中COD越高，则上清液中COD也越高)，混合池的设置有利于充分利用泥水分离单元上清液中的有机物来去除回流污泥2中的硝态氮，有助于更加高效地利用原水中的碳源，提高脱氮效果。另一方面，混合池的设置可以进一步降低进入硝化池的有机物浓度，有利于提高硝化池的硝化效果。混合池的停留时间一般为20～120分钟，硝化池的停留时间一般为2.0～8.0小时。
本发明所述的缺氧池的进水(泥)包括来自硝化单元的混合液和来自泥水分离单元的污泥，缺氧池内通过机械、水力等搅拌进行混合、反应。缺氧池内的反应是指微生物利用有机物与硝态氮进行反硝化，将有机物氧化的同时，将硝态氮还原成氮气。在本发明所述的缺氧池内，有机物主要以PHB形式储存于微生物体内，在反硝化的同时，可实现同步除磷，尤其对于低碳氮污水，实现了一碳两用，可大幅度提高污水的脱氮除磷效果。缺氧池内不曝气、不充氧，溶解氧要求尽量低，通常不应超过0.5mg/L，以利于微生物的缺氧反硝化过程。缺氧池的设计水力停留时间根据污泥浓度、污染物浓度、水温、出水要求等因素来选择，一般为1.5～5.0小时。
本发明所述的好氧池的进水来自缺氧池，好氧池采用曝气进行搅拌和充氧。微生物在有氧条件下，进一步去除水中的有机物、氨氮，同时通过好氧吸磷进一步降低水中磷的浓度。与传统A2/O工艺相比，在本发明所述的系统中，有机物、氨氮、磷大部分已经在好氧池之前的单元被去除，好氧池的作用是更彻底地去除水中污染物。当原水水质较好、污染物含量较低时，可以减少好氧池的停留时间，或在运行过程中降低好氧池的曝气量，好氧池的主要作用是吹脱缺氧池中反硝化所产生的氮气，避免污泥含细小气泡导致在二沉池无法正常沉淀。好氧池的设计水力停留时间根据污泥浓度、污染物浓度、水温、出水要求等因素来选择，一般为0.5～5.0小时。
作为本发明的进一步改进，可设置从好氧池到缺氧池的硝化液回流管路，将好氧池内经过反应的混合液通过硝化液回流管路输送到缺氧池。回流管路可以是好氧池到缺氧池的管道、渠道、穿孔墙等形式。好氧池内的反应是指在微生物在有氧环境下的好氧生物作用，在此作用下，污水中的氨氮被氧化成硝态氮，富含硝态氮的混合液也被称为硝化液。硝化液回流比(指硝化液的流量与原水流量之比)一般为0～200%，在系统实际运行过程中，根据污染物(尤其是总氮)的浓度和出水标准、系统中其它单元的设计参数和运行情况等因素调整回流比，或根据出水总氮达标情况，实时调整回流比。例如，当进水总氮浓度不高(例如<45mg/L)、出水为一级A标准出时，回流比可取0%，即不开启硝化液回流，当进水总氮浓度高(例如>45mg/L)或出水标准高(例如≤10mg/L)时，启动硝化液回流，当利用硝化液回流可强化脱氮效果，提高总氮去除率。传统A2/O和氧化沟工艺中，为实现反硝化，必须设置硝化液回流，为达到较高的脱氮效果，硝化液回流比通常达到100～300%。
本发明所述的二沉池设置有两套污泥回流分别进入厌氧池和硝化单元，二沉池将来自好氧池的混合液进行沉淀分离，上清液作为出水流出，沉淀的污泥一部分回流至厌氧池(回流污泥1)，一部分回流至硝化单元(回流污泥2)，一部分作为剩余污泥进行排放处理。剩余污泥排放后通常进行浓缩、脱水等处理。回流污泥1和回流污泥2可独立设置污泥回流泵或共用污泥回流泵。
作为本发明的进一步改进，可设置化学除磷单元，化学除磷单元包括反应池和沉淀池，泥水分离单元上清液的5～30%进入化学除磷单元，先在反应池内投加化学除磷药剂并搅拌、反应，然后进入沉淀池，沉淀后的上清液进入硝化单元，污泥进行排放处理。由于泥水分离单元上清液磷浓度通常能达到原水磷浓度的2～4倍以上，因此即使5～30%的上清液进行除磷处理，也可大幅度提高系统的除磷能力。
前述系统的工艺具体过程包括：
A.原水进入厌氧池;
B.厌氧池处理后的混合液进入泥水分离单元;
C.泥水分离单元处理后的污泥进入缺氧池，上清液进入硝化单元;
D.硝化单元处理后的混合液进入缺氧池;
作为本发明的进一步改进，硝化单元可以设置不同的形式。
D01：硝化单元仅为硝化池;
D02：硝化单元包括混合池与和硝化池。
E.缺氧池的混合液进入好氧池;
作为本发明的进一步改进，好氧池和缺氧池之间可设置硝化液回流管路，将好氧池内经过反应的混合液通过硝化液回流管路输送到缺氧池。
F.好氧池的混合液进入二沉池;
G.二沉池产生的污泥进行回流和排放，上清液作为出水流出。沉淀产生的一部分污泥回流至厌氧池，一部分污泥回流至硝化单元，其他污泥作为剩余污泥排放。
本发明相对于现有技术的有益效果，包括但不限于：
(1)本发明克服了A2/O、氧化沟工艺存在的脱氮除磷能力不足问题，具有良好的脱氮除磷效果，尤其是对于低碳氮比的污水的处理，可解决反硝化碳源不足问题和出水总氮和总磷达标困难。
(2)本发明所述系统将二沉池的回流污泥引入硝化单元，硝化单元包含硝化池，利用活性污泥进行硝化。相对活性污泥与填料组合的双污泥工艺，减少了一套污泥系统，减少了填料的使用，有效避免了填料安装与更换等工作，减少建设成本，简化了运营维护费用。相对于活性污泥与活性污泥组合的双污泥工艺，避免了硝化池后设置沉淀池，减少占地面积、建设与运行成本。
(3)本发明所述系统中的硝化池的硝化效率高。当系统中有机物(溶解性有机物、活性污泥体内有机物)被充分消耗后，有机物对活性污泥的硝化作用影响很小，活性污泥的硝化速率会得到大幅度提升。常规A2/O、氧化沟等工艺，由于有机物的存在，好氧池内前段的硝化效率低。本发明中，一是二沉池回流污泥在回流之前流经了好氧池、二沉池，在好氧池内经过了充分的好氧生物反应，有机物已经被消耗掉，避免了有机物对硝化过程的影响;二是泥水分离单元的上清液经过厌氧池的厌氧过程，有机物大部分已经转移到了微生物体内，也避免了有机物对硝化过程的影响。
(4)本发明的硝化单元中硝化池前置混合池是本发明的一个重要扩展，其有益效果为两个方面：①可强化系统脱氮效果：可充分利用泥水分离单元上清液中的有机物去除部分来自二沉池回流污泥2中的硝氮;②强化硝化效果：由于混合池的反硝化作用，降低了进入硝化池中的碳源浓度，为硝化菌提供了更加合适的生境，有利于提高硝化效果。
