申请日2014.07.10
公开(公告)日2014.10.08
IPC分类号C02F11/06; C02F3/30
摘要
本发明公开了一种同步实现污水脱氮除磷、剩余污泥减量和磷资源回收的方法以及装置。该装置包括A/A/O单元、臭氧处理单元和磷回收单元;臭氧处理单元包括相连接的臭氧反应器和臭氧发生器;磷回收单元包括磷释放池、前沉淀池、磷回收池、后沉淀池和污泥储存池;磷释放池、前沉淀池、磷回收池和后沉淀池依次连通，磷回收池还与加药装置相连接;前沉淀池的底端与后沉淀池的顶端均与污泥储存池相连通;污泥储存池与A/A/O单元中的缺氧池相连通;A/A/O单元中的沉淀池的底端与臭氧反应器的进泥口相连通;磷释放池与臭氧反应器的排泥口和厌氧池相连通。本发明在保持污水脱氮除磷效能的前提下，同步实现了剩余污泥减排和磷资源回收，降低了污泥处理处置的成本。
权利要求书
1.一种同步实现污水脱氮除磷、剩余污泥减量和磷资源回收的装置，其特征在 于：
所述装置包括A/A/O单元、臭氧处理单元和磷回收单元;
所述臭氧处理单元包括相连接的臭氧反应器和臭氧发生器;
所述磷回收单元包括磷释放池、前沉淀池、磷回收池、后沉淀池和污泥储存池; 所述磷释放池、前沉淀池、磷回收池和后沉淀池依次连通，所述磷回收池还与加药装 置相连接;所述前沉淀池的底端与所述后沉淀池的顶端均与所述污泥储存池相连通; 所述污泥储存池与所述A/A/O单元中的缺氧池相连通;
所述A/A/O单元中的沉淀池的底端与所述臭氧反应器的进泥口相连通;
所述磷释放池与所述臭氧反应器的排泥口和所述厌氧池相连通。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述臭氧处理单元还包括制氧机， 所述制氧机与所述臭氧发生器相连通。
3.利用权利要求1或2所述装置同步实现污水脱氮除磷、剩余污泥减量和磷资 源回收的方法，包括如下步骤：
(1)污水流经所述A/A/O单元进行有机物去除和脱氮除磷;在所述沉淀池内进 行泥水分离后得到的污泥，其中一部分污泥回流至所述A/A/O单元中的厌氧池，一部 分污泥作为剩余污泥进行排放，一部分污泥进入所述臭氧处理单元;
(2)经所述臭氧处理单元处理后的污泥与来自所述厌氧池的污泥在所述磷释放 池内混合后于所述前沉淀池内进行泥水分离，产生的上清液Ⅰ进入所述磷回收池中进 行化学磷回收，底部的污泥进入所述污泥储存池;
(3)所述上清液I与磷回收试剂在所述磷回收池内作用，产生的混合液于所述后 沉淀池中进行固液分离，得到硫酸盐沉淀和上清液Ⅱ，所述上清液Ⅱ进入所述污泥储 存池中;
(4)所述污泥储存池中的混合液流入至所述缺氧池中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述污水的平均污 泥浓度为3～4g/L;
所述好氧池内污泥浓度为3-4g/L;
所述A/A/O单元进行脱氮除磷的过程中，硝化液内回流比为100%～200%，污泥 回流比为25%～100%。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述臭氧处理 单元处理过程中，臭氧的投料量为0.1～0.15g O3/g SS，其中SS表示悬浮固体物质。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述磷 回收试剂为石灰、钙盐、铵盐/镁盐、铝盐和铁盐中至少一种。
7.权利要求1或2所述同步实现污水脱氮除磷、剩余污泥减量和磷资源回收的 装置在污水处理中的应用。
说明书
同步实现污水脱氮除磷、剩余污泥减量和磷资源回收的方法以及装置
技术领域
本发明涉及一种同步实现污水脱氮除磷、剩余污泥减量和磷资源回收的方法以及 装置，属于污水处理技术领域。
背景技术
大量剩余污泥的产生已经成为生物处理工艺面临的一个重要问题。剩余污泥不经 有效处理处置将会直接或者间接威胁环境安全和公众健康，使污水处理的环境效益大 大降低，甚至引发社会公众事件。现行的污泥处理技术主要包括：消化和发酵。污泥 处置可分为资源化处置和非资源化处置，前者包括土地利用、污泥农用、焚烧发电以 及建筑材料利用等，后者是指卫生填埋。剩余污泥的处理和处置在污水处理厂的运行 费用中占有很大的比例，并且随着人们对于污泥处理处置带来的各种环境污染问题的 敏感度不断上升，污泥处理的要求越来越高，污泥处置也受到严格的限制，污泥处理 处置的成本将不断升高，其在污水处理成本中所占比重也将不断增大。由于剩余污泥 具有量大和成分复杂等特点，使其在处理和处置过程中易产生二次污染。因此，污泥 减量技术受到关注，研究者们从不同的角度对其进行了研究。
现有的污泥减量方法可以分为三类：物理法、化学法和生物法。物理法主要包括 机械作用、热处理、微波、超声波、辐射等，但由于其能耗很大成本很高，在大规模 污水处理中使用很不经济。化学法主要包括酸碱处理、Fenton试剂氧化、超临界水氧 化、化学制剂解偶联等，但需要长期投加大量的化学药品，维持一定的反应条件，对 反应器的要求高，而且存在产生二次污染的危险，因此在大规模的污水处理中推广使 用较难。生物法主要包括生物捕食、生物酶、多功能微生物制剂等，但该方法的影响 因素较多，而且规模越大越难以控制。因此，将污泥减量方法与污水生物处理工艺相 结合的污泥源头减量技术对于解决剩余污泥问题具有重要的意义。
其中，污泥臭氧处理与活性污泥工艺相结合的污泥臭氧减量技术已经被证明是一 项技术可行性较好的污泥减量技术。污泥经臭氧处理后胞内物质溶出，将其回流至生 物处理系统后，系统内微生物可利用这部分物质进行隐性生长，从而实现污泥减量。 该技术具有效率高、操作简单、无二次污染等优点。但是，该技术也存在一些不足， 例如臭氧处理后的污泥回流至生物系统可能会导致出水水质恶化，污水处理效能下降， 尤其是对于磷的去除。
水体富营养化主要是由氮、磷等营养元素向水体中过量排放引起的，因此脱氮除 磷成为污水处理的基本要求之一。A/A/O工艺在我国被广泛用于二级或三级污水处理 以及中水回用中，具有良好的脱氮除磷效果。生物脱氮是依靠好氧硝化和缺氧反硝化 实现的，在实际应用中往往存在反硝化碳源不足的问题，需要添加外加碳源，从而导 致污水处理成本的升高。污泥臭氧处理过程中释放到上清液中的有机物可以作为反硝 化的碳源。因此，A/A/O工艺与污泥臭氧处理结合可以减少甚至避免外加碳源的添加。 生物除磷是利用聚磷菌一类的微生物厌氧释磷和好氧吸磷的特性，将污水中的磷转移 到活性污泥中，再通过适量的排泥将磷排出生物处理系统，从而达到污水除磷的效果。 但是，随着污水处理规模的增大、处理标准的提高和处理功能的扩展，富磷污泥的产 量大幅增加，而且传统的富磷污泥处理处置手段会导致磷元素的大量流失和排放。 A/A/O工艺和污泥臭氧处理结合可以大幅降低剩余污泥排放，但是污泥减排会导致磷 在生物系统内累积，使得出水中的磷逐渐升高，导致生物系统除磷效能的下降甚至丧 失。而且，生物除磷效能难以较大程度的提升，难以满足越来越严格的污水处理标准。
由于矿物磷源的逐渐减少，磷资源耗竭已经成为一个受到人们关注的问题。污水 和污泥中含有大量的磷，可以作为磷源。因此，将化学磷回收工艺与A/A/O工艺和污 泥臭氧处理结合起来，不仅可以为因污泥减量而累积在生物系统内的磷找到一个出口， 而且可以以磷酸盐的形式回收磷元素。磷回收的方式会影响到磷回收效率和污水除磷 效果。例如，从臭氧处理后污泥上清液中回收磷的效率受到污泥臭氧处理中磷释放和 污泥减量率的限制，难以完全补偿由于污泥减量引起的生物系统除磷效能的下降;从 厌氧池上清液中回收磷的效率受到厌氧池污泥释磷能力的影响，而且磷回收比例过大 会导致生物系统内微生物群落的变化，从而影响系统污水处理的效能。
综上所述，寻找一种既能保持污水脱氮除磷效能又可以同步实现剩余污泥减排和 磷资源回收的工艺对于解决剩余污泥和磷资源耗竭问题具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种同步实现污水脱氮除磷、剩余污泥减量和磷资源回收的 方法以及装置，使用本发明提供的装置以及方法进行污水处理时，能够在保持污水脱 氮除磷效能的前提下，同步实现剩余污泥减排和磷资源回收，降低了污泥处理处置的 成本。
本发明所提供的同步实现污水脱氮除磷、剩余污泥减量和磷资源回收的装置，包 括A/A/O单元、臭氧处理单元和磷回收单元;
所述臭氧处理单元包括相连接的臭氧反应器和臭氧发生器;
所述磷回收单元包括磷释放池、前沉淀池、磷回收池、后沉淀池和污泥储存池; 所述磷释放池、前沉淀池、磷回收池和后沉淀池依次连通，所述磷回收池还与加药装 置相连接;所述前沉淀池的底端与所述后沉淀池的顶端均与所述污泥储存池相连通; 所述污泥储存池与所述A/A/O单元中的缺氧池相连通;
所述A/A/O单元中的沉淀池的底端与所述臭氧反应器的进泥口相连通;
所述磷释放池与所述臭氧反应器的排泥口和所述厌氧池相连通。
本发明提供的装置，所述臭氧处理单元还包括制氧机，所述制氧机与所述臭氧发 生器相连通，以提高臭氧产生效率。
本发明提供的装置中，所述A/A/O单元采用现有的脱氮除磷工艺，其中，厌氧池、 缺氧池、好氧池和沉淀池依次连接，厌氧池、缺氧池和好氧池可以合并设置，也可以 单独设置，还可以将厌氧池单独设置、缺氧池和好氧池合并设置。当好氧池与缺氧池 分开设置时，二者之间通过内回流装置连接;当好氧池与缺氧池合并设置时，利用隔 板将二者隔开，同时利用好氧池底部的坡度实现污泥混合液的回流，可以不设内回流 装置。
本发明还进一步提供了利用上述装置同步实现污水脱氮除磷、剩余污泥减量和磷 资源回收的方法，包括如下步骤：
(1)污水流经所述A/A/O单元进行有机物去除和脱氮除磷;在所述沉淀池内进 行泥水分离后得到的污泥，其中一部分污泥回流至所述A/A/O单元中的厌氧池，一部 分污泥作为剩余污泥进行排放，一部分污泥进入所述臭氧处理单元;
(2)经所述臭氧处理单元处理后的污泥与来自所述厌氧池的污泥在所述磷释放 池内混合后于所述前沉淀池内进行泥水分离，产生的上清液Ⅰ进入所述磷回收池中进 行化学磷回收，所述前沉淀池底部的污泥进入所述污泥储存池;
(3)所述上清液I与磷回收试剂在所述磷回收池内作用，产生的混合液于所述后 沉淀池中进行固液分离，得到磷酸盐沉淀和上清液Ⅱ，所述上清液Ⅱ进入所述污泥储 存池中;
(4)所述污泥储存池中的混合液流入至所述缺氧池中。
上述的方法中，所述A/A/O单元产生的污泥在所述臭氧处理单元中与臭氧气体发 生反应，实现污泥减量。用于臭氧处理的污泥量可由MLSS的物料守恒模型确定。在 该模型中，认为污泥减量完全由臭氧处理实现，因此，在臭氧处理中减少的污泥量与 剩余污泥减排量相等。用于臭氧处理的污泥的流量和剩余污泥的流量可以根据下式估 算。
其中，λ表示用于臭氧处理的污泥流量占进水流量的比例(%)，δ表示剩余污泥 流量占进水流量的比例(%)，Q表示入水流量(L/d)，Xd表示剩余污泥的MLSS浓度 (g/L)，X表示生物反应器内MLSS平均浓度(g/L)，V表示生物反应器的体积(L)， SRT为污泥龄(d)，η表示臭氧处理过程中污泥的溶解率(以MLSS浓度的变化计) (%)，σ表示污泥的减量率(%)。
上述的方法中，用于磷回收的厌氧池污泥量由磷元素守恒模型确定。在该模型中， 认为每天随入水进入系统的磷的量等于随出水、剩余污泥和磷回收而排出系统的磷的 量。用于磷回收的厌氧池污泥流量可以根据下式估算。
其中，ζ表示用于磷回收的厌氧池污泥流量占入水流量的比例(%)，Pin，Pef,，Pan和Poz分别表示入水、出水、厌氧池上清液和臭氧处理后污泥上清液中的磷浓度(g/L)， ηP表示磷回收的效率(%)，θ表示剩余污泥的磷含量(%)。
对于一个稳定运行的系统，Pef根据排放标准的需要来确定，η，Poz和ηP通过污泥 臭氧处理实验和磷回收实验确定，其他参数保持相对稳定，可以根据运行过程中的经 验数据确定。
本发明的方法中，磷回收后的污泥回流至A/A/O单元缺氧池，为反硝化反应提供 碳源。
上述的方法中，步骤(1)中，所述污水的平均污泥浓度可为3～4g/L;
所述好氧池内污泥浓度可为3～4g/L;
所述A/A/O单元进行脱氮除磷过程中，硝化液内回流比(好氧池内混合液向缺氧 池内的回流比例)可为100%～200%，如100%或200%，污泥回流比(为沉淀池内污 泥回流到生物反应器内的比例)可为25%～100%，如33%或100%。
上述的方法中，步骤(2)中，所述臭氧处理单元处理过程中，臭氧的投加量可 为0.1～0.15g O3/gSS，如0.10g O3/gSS或0.15g O3/gSS，其中SS表示悬浮固体物质 (suspended solids)。
上述的方法中，步骤(3)中，所述磷回收试剂可采用石灰(生石灰或熟石灰)、 钙盐、铵盐/镁盐、铝盐和铁盐中至少一种，使用石灰、铵盐/镁盐、钙盐时，具体采用 结晶的方法进行磷的回收，使用铝盐或铁盐时，具体采用沉淀法进行磷的回收;
所述铵盐/镁盐指的是铵盐与镁盐的混合物。
本发明提供的方法由生物处理工艺和化学处理工艺组合而成，其中生物处理工艺 是由厌氧生物处理、缺氧生物处理和好氧生物处理依次组合而成;化学处理工艺是污 泥臭氧处理和化学磷回收。经过臭氧处理后，污泥絮体被分解成大量的分散颗粒;微 生物细胞溶解，胞内物质释放出来，使得污泥液相中的有机物、氮、磷等物质大幅增 加;释放到污泥液相中的部分有机物质被臭氧矿化为CO2和H2O。臭氧处理后的污泥 回流至生物处理系统，微生物利用污泥释放出来的物质进行隐性生长，从而实现污泥 减量。污泥臭氧处理过程中释放出来的有机物可以作为反硝化的碳源，从而减少甚至 避免了外加碳源的添加。臭氧处理过程中磷的释放使得污泥上清液中具有很高的磷浓 度，对磷回收有利。但是，臭氧处理后污泥上清液磷回收的效率受到污泥臭氧处理的 限制，不能完全抵消由于剩余污泥减排导致的生物系统除磷效能的下降。聚磷菌在厌 氧条件下释磷，使得厌氧池污泥上清液中具有较高的磷浓度，通过厌氧池污泥上清液 磷回收可以进一步抵消由于剩余污泥减排导致的生物系统除磷效能的下降。因此，本 发明将二者结合起来，臭氧处理后污泥与一部分厌氧池内污泥混合后，对混合污泥的 上清液进行磷回收，既可以实现富磷污泥磷回收又能调控生物系统除磷效能。生物处 理工艺和化学处理工艺的耦合应用，在保证污水处理效果的前提下，实现了剩余污泥 的减排和磷资源的回收，降低了污泥处理处置的成本。
本发明在保持污水脱氮除磷效能的前提下，同步实现了剩余污泥减排和磷资源回 收，降低了污泥处理处置的成本。
