申请日2012.01.30
公开(公告)日2012.07.18
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明涉及活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理工艺及装置。它包括将前处理后的污水由主进水孔通入缺氧区，使污水与生物活性污泥在充分混合状态下，进行缺氧生化处理，然后引入厌氧区，与次进水孔进入厌氧区的污水混合，在污水与生物活性污泥充分混合状态下进行厌氧生化处理，再进入活性污泥与生物膜协同处理区，污水混合液在推流曝气作用下，形成内循环水流，循环往复流过生物膜填料区和活性污泥混合曝气区，在活性污泥和生物膜上微生物的混合与接触双重作用下进行好氧生化处理，达到污水处理工艺要求后排出。其可结合活性污泥的生物多样性和生物膜的双重特性，抗冲击负荷能力强，适应性强，可实现同步脱氮除磷，污水处理效果好。
权利要求书
1.活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理工艺，其特征在于：它包括将前处理后的污水由主进水孔通入缺氧区，使污水与生物活性污泥在充分混合的状态下，进行缺氧生化处理，然后引入厌氧区，与次进水孔进入厌氧区的污水混合，在污水与生物活性污泥充分混合的状态下进行厌氧生化处理，再进入活性污泥与生物膜协同处理区，污水混合液在推流曝气作用下，形成内循环水流，循环往复流过生物膜填料区和活性污泥混合曝气区，同时与活性污泥和生物膜上微生物的混合与接触双重作用下进行好氧生化处理，达到污水处理工艺要求后经好氧区出水孔排出。
2.根据权利要求1所述的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理工艺，其特征在于：所述的缺氧生化处理至少包括兼性反硝化菌在缺氧条件下进行反硝化反应，所述的厌氧生化处理至少包括使聚磷菌在完全厌氧条件下充分释磷，所述的好氧生化处理至少包括将污水中的有机物、氨氮、磷等污染物与活性污泥和生物膜上微生物的混合和接触双重作用下，发生碳氧化、氨氧化及硝化和聚磷等生化反应。
3.根据权利要求1所述的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理工艺，其特征在于：所述的污水生化处理工艺还包括根据工艺需要将后处理得到的污泥回流送入缺氧区。
4.根据权利要求1所述的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理工艺，其特征在于：所述的污水生化处理工艺还包括根据工艺需要将活性污泥与生物膜协同处理区的污水混合液部分回流至缺氧区进行处理。
5.根据权利要求4所述的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理工艺，其特征在于：所述的回流污水混合液的回流比为100%-150%。
6.根据权利要求1所述的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理工艺，其特征在于：所述的污水生化处理工艺还包括根据工艺需要，开启生物膜填料区下方布设的空气分布器曝气，对老化的生物膜进行冲刷处理。
7.活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理装置，其特征在于：它包括集中设置在一个构筑物中相对独立且相互连通的缺氧区、厌氧区和好氧区;
所述缺氧区为完全活性污泥处理区，所述缺氧区设有主进水孔，用于通入污水或回流污泥，缺氧区内设有搅拌器搅拌混合;
所述厌氧区为完全活性污泥处理区，所述厌氧区设有次进水孔，用于通入污水，厌氧区内设置有搅拌器搅拌混合;
所述好氧区为活性污泥与生物膜协同处理区，所述好氧区中间隔布设有多个生物膜填料区和活性污泥混合曝气区，所述的生物膜填料区布设有填料，填料上附着生长经过培养和驯化的生物膜，所述活性污泥混合曝气区底部布设有推流器和空气分布器，使水流循环运动，在好氧区内形成内循环水流，并形成好氧环境，所述好氧区设有出水孔。
8.根据权利要求7所述的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理装置，其特征在于：所述好氧区布设于矩形构筑物的一侧，由N(N为偶数)个相互平行的回转型流道构成，所述生物膜填料区和活性污泥混合曝气区间隔布设于好氧区各回转型流道的直通过流区和回转过流区，所述矩形构筑物内设有用于将好氧区和除好氧区之外的缺氧区、厌氧区隔离的半封闭式隔离墙，所述半封闭式隔离墙隔离而成的另一侧分割成两个区域，分别为厌氧区和缺氧区;所述缺氧区和厌氧区之间设有过水孔，使经过缺氧区处理的出水进入厌氧区;所述次进水孔设于缺氧区进入厌氧区的过水孔处;所述半封闭式隔离墙与矩形构筑物侧壁形成过水沟道，使经厌氧区处理后的污水通入好氧区，所述出水孔设于与好氧区的进水处相对的另一侧。
9.根据权利要求8所述的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理装置，其特征在于：所述好氧区中每两相邻回转型流道的回转过流区设有弧形导流墙。
10.根据权利要求8所述的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理装置，其特征在于：所述好氧区最后一个回转型流道回转过流区的外侧下部设置有隔离墙，隔离墙下部设有回流口和推流泵，根据工艺需要实现污水混合液从好氧区到缺氧区、从缺氧区到厌氧区，从厌氧区再到好氧区的水流外循环运动。
11.根据权利要求8所述的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理装置，其特征在于：所述缺氧区内间隔布设有阻隔墙，将缺氧区分割成多个反应区，每相邻两反应区的过流孔呈对角线布置。
12.根据权利要求7或8所述的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理装置，其特征在于：所述生物膜填料区的填料为带状填料。
13.根据权利要求7或8所述的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理装置，其特征在于：所述生物膜填料区的底部布设有空气分布器。
说明书
活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理工艺及装置
技术领域
本发明涉及一种污水处理工艺,具体涉及一种活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理工艺及装置。
背景技术
地球虽然有70.8%的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的仅是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26%，而且分布不均。20世纪50年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大;而另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源，使全球水资源状况迅速恶化，“水危机”日趋严重。
中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城市化、工业化的加速，一方面是水资源的需求缺口日益增大，一方面是随之而来的日益增多的工业废水与生活污水，尤其是越来越多的氮磷营养物排放到天然水体中，加之农田径流等，水体富营养化现象越来越严重，引起严重的水体污染。因此污水的处理尤其是污水中氮磷营养物的去除已成为防治水污染的必要任务。
传统的污水生化处理法作为污水处理的一种重要处理方法，应用十分广泛。目前的污水生化处理法主要有好氧活性污泥法、生物膜法。但单一的好氧活性污泥法存在着：抗水力及浓度冲击负荷能力一般;动力消耗多，系统稳定性欠佳;尤其是适用于脱氮除磷的工艺调控较为复杂，调节难度较大，污泥产生量大等缺点。而单一的生物膜法又有着生物膜培养时间长，生物膜附着生长的填料投资成本较大，填料架挂、曝气装置安装施工及故障维修困难，对氮磷等污染物的去除能力有限，有机污染物去除净化率一般的缺点。
除此，传统污水生物处理工艺在实际应用中，经常出现脱氮和除磷效果不能同时达到最佳的现象，主要体现在以下几方面：
(1) 除磷与脱氮之间的污泥龄矛盾。传统除磷方式是通过排除富磷剩余污泥来去除污水中的磷酸盐，污泥龄越短越利于除磷;而在脱氮方面，由于硝化细菌增殖速度慢，系统必须维持较长的污泥龄才能取得良好的氮去除效果。因此，传统工艺往往处理不好脱氮与除磷之间的污泥龄矛盾，导致脱氮除磷不能兼顾。
(2)硝化过程的产物硝酸盐对厌氧释磷过程有抑制作用。厌氧段存在硝酸盐时，反硝化菌会与磷酸菌竞争吸附污水中有机质，并以聚磷菌作为电子受体进行反硝化，从而影响聚磷菌对有机物的发酵产酸作用，结果使聚磷菌无法得到足够的挥发性脂肪酸(VFAs)，进而抑制聚磷菌厌氧释磷及PHB(聚D羟基丁酸盐)的合成能力，影响好氧段聚磷菌的吸磷能力，导致除磷效果不佳。
(3)现有工艺微生物平均停留时间不长，导致增殖较慢的微生物有可能还没来得及增殖就已流失，如世代时间长的硝化菌较难增殖。此外，当污水水量水质波动大时，系统抗水力及浓度的冲击负荷能力低，也会不宜于生物量的增加和高级别微生物的生长繁殖，从而导致脱氮除磷效果不稳定。
另外随着产业结构调整和制造业产业的转移，如大量建有经济开发区、工业园区的小城镇产生的污水，污水排放不规律性大，水质水量变化波动较大，有些还有特殊的工业废水进入。因此，以好氧活性污泥法、生物膜法为主的传统污水生化处理方法，难以适应当前我国污水处理。研究开发抗水质水量冲击负荷能力强，经济可行的脱氮除磷污水处理工艺技术的意义十分重大。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种以生物膜为主，活性污泥为辅的活性污泥与生物膜复合循环流处理污水生化处理工艺及装置。该工艺可结合活性污泥的生物多样性和生物膜的双重特性，抗冲击负荷能力强，适应性强，可实现同步脱氮除磷，污水处理效果好。
活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理工艺，其特征在于：它包括将前处理后的污水由主进水孔通入缺氧区，使污水与生物活性污泥在充分混合的状态下，进行缺氧生化处理，然后引入厌氧区，与次进水孔进入厌氧区的污水混合，在污水与生物活性污泥充分混合的状态下进行厌氧生化处理，再进入活性污泥与生物膜协同处理区，污水混合液在推流曝气作用下，形成内循环水流，循环往复流过生物膜填料区和活性污泥混合曝气区，同时与活性污泥和生物膜上微生物的混合与接触双重作用下进行好氧生化处理，达到污水处理工艺要求后经好氧区出水孔排出。
按上述方案，所述的缺氧生化处理至少包括兼性反硝化菌在缺氧条件下进行反硝化反应，所述的厌氧生化处理至少包括使聚磷菌在完全厌氧条件下充分释磷，所述的好氧生化处理至少包括将污水中的有机物、氨氮、磷等污染物与活性污泥和生物膜上微生物的混合和接触双重作用下，发生碳氧化、氨氧化及硝化和聚磷等生化反应。
按上述方案，所述的污水生化处理工艺还包括根据工艺需要将后处理得到的污泥回流送入缺氧区。
按上述方案，所述的污水生化处理工艺还包括根据工艺需要将活性污泥与生物膜协同处理区的污水混合液部分回流至缺氧区进行处理。
按上述方案，所述的回流污水混合液的回流比即好氧区的污水回流量与缺氧区进水量的体积比为100%-150%。
按上述方案，所述的污水生化处理工艺还包括根据工艺需要，开启生物膜填料区下方布设的空气分布器曝气，对老化的生物膜进行冲刷处理。
活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理装置，它包括集中设置在一个构筑物中相对独立且相互连通的缺氧区、厌氧区和好氧区;
所述缺氧区为完全活性污泥处理区，所述缺氧区设有主进水孔，用于通入污水或回流污泥，缺氧区内设有搅拌器搅拌混合;
所述厌氧区为完全活性污泥处理区，所述厌氧区设有次进水孔，用于通入污水，厌氧区内设置有搅拌器搅拌混合;
所述好氧区为活性污泥与生物膜协同处理区，所述好氧区中间隔布设有多个生物膜填料区和活性污泥混合曝气区，所述的生物膜填料区布设有填料，填料上附着生长经过培养和驯化的生物膜，所述活性污泥混合曝气区底部布设有推流器和空气分布器，使水流循环运动，在好氧区内形成内循环水流，并形成好氧环境，所述好氧区设有出水孔。
按上述方案，所述好氧区布设于矩形构筑物的一侧，由N(N为偶数)个相互平行的回转型流道构成，所述生物膜填料区和活性污泥混合曝气区间隔布设于好氧区各回转型流道的直通过流区和回转过流区，所述矩形构筑物内设有用于将好氧区和除好氧区之外的缺氧区、厌氧区隔离的半封闭式隔离墙，所述半封闭式隔离墙隔离而成的另一侧分割成两个区域，分别为厌氧区和缺氧区;所述缺氧区和厌氧区之间设有过水孔，使经过缺氧区处理的出水进入厌氧区;所述次进水孔设于缺氧区进入厌氧区的过水孔处;所述半封闭式隔离墙与矩形构筑物侧壁形成过水沟道，使经厌氧区处理后的污水通入好氧区，所述出水孔设于与好氧区的进水处相对的另一侧。
按上述方案，所述好氧区中每两相邻回转型流道的回转过流区设有弧形导流墙。所述的弧形导流墙有利于使污水由前一回转型流道流到后一回转型流道。
按上述方案，所述好氧区最后一个回转型流道回转过流区的外侧下部设置有隔离墙，隔离墙下部设有回流口和推流泵，根据工艺需要实现污水混合液从好氧区到缺氧区、从缺氧区到厌氧区，从厌氧区再到好氧区的水流外循环运动。
按上述方案，所述缺氧区内间隔布设有阻隔墙，将缺氧区分割成多个反应区，每相邻两反应区的过流孔呈对角线布置。
按上述方案，所述生物膜填料区的填料为带状填料。
按上述方案，所述生物膜填料区的底部布设有空气分布器。所述的空气分布器为微孔曝气管、曝气盘或可变孔曝气管等。
本发明的污水生化处理工艺为：通过调控进水量，回流量和曝气量，使活性污泥与生物膜复合循环流污水处理装置中形成缺氧区、厌氧区和好氧区三个生化处理区域，并使待处理污水及混合液在装置中依次经过缺氧区，厌氧区和好氧区的外循环，和在好氧区中依次经过活性污泥混合曝气区和生物膜填料区的内循环两种不同循环方式进行生化处理，必要时进行循环往复，达到降解净化污水中污染物的目的。具体的污水处理过程为：
经过前处理后的大部分污水由主进水孔通入缺氧区中，有需要时，和含有溶解氧和硝态氮的回流污泥或泥水混合液混合进入缺氧区，在碳源得到充足保证、低溶氧的条件下，促进兼性反硝化细菌的生长繁殖，完成硝态氮反硝化脱氮反应。同时还可根据工艺需求，将好氧区的污水混合液持续回流至缺氧区，优选回流比为l00%～150%，强化污水处理系统的脱氮功能。
经过反硝化处理，污水混合液和次进水孔直接进入厌氧区的少部分污水混合，在厌氧区污水混合液中溶解氧和硝态氮进一步消耗殆尽，有效保证了严格厌氧条件。在没有溶解氧和硝态氮存在的条件下，兼性细菌会将溶解性BOD转化成低分子发酵产物，聚磷菌将优先吸附这些低分子发酵物，并将其运送到细胞内、同化成细胞内碳源存储物，所需能量来源于聚磷菌及细胞内糖的水解，从而完成磷酸盐的释放，为在好氧区吸收磷做好准备，而提高该系统的除磷能力;聚磷菌经过厌氧释磷后，随泥水混合液进入好氧区。
由厌氧区进入好氧区的泥水混合液，与好氧区中的内循环回流混合液混合，在推流曝气作用下形成流动水流，在整个流道中循环流动，依次多次经历从活性污泥混合曝气区到生物膜填料区，再进入到活性污泥混合曝气区的过程，如此形成水流内循环运动。所述好氧区通过控制曝气量可使流道沿程有明显的从高到低，从低到高，再从高到低的溶解氧梯度。从而使好氧区污水混合液中的有机物、氨氮、磷等污染物在活性污泥和生物膜上多种微生物的双重作用下，发生吸附、氧化分解，硝化甚至反硝化等分解代谢生化反应，使污水混合液中的有机物、氨氮等被消耗降解，而经过释磷的聚磷菌在好氧状态下具有很强的吸磷能力，吸收、存储超出生长需求的磷量，并合成新的聚磷菌细胞、产生富磷污泥，最终通过剩余污泥的排放将磷从系统中除去;同时微生物本身也发生合成代谢增殖，由此随着有机物的氧化和微生物细胞物质的合成，实现污水中有机物的高效降解和脱氮除磷。
经生化污水处理装置处理后的污水可通过出水口进入后处理单元，经沉淀分离污泥和消毒后即可排放。
本发明提供的活性污泥与生物膜复合循环流生化污水处理装置具有如下特点：
(1)缺氧区、厌氧区和好氧区相对独立且相互连通。缺氧区和厌氧区相对独立不仅有利于溶解氧(D0)的控制，可一定程度上缓解厌氧释磷和反硝化菌反硝化作用对碳源的竞争，而缓解对厌氧释磷过程的抑制作用。厌氧段存在硝酸盐时，反硝化菌会与磷酸菌竞争吸附污水中有机质，并以聚磷菌作为电子受体进行反硝化，从而影响聚磷菌对有机物的发酵产酸作用，结果使聚磷菌无法得到足够的挥发性脂肪酸(VFAs)，进而抑制聚磷菌厌氧释磷及PHB(聚D羟基丁酸盐)的合成能力，影响好氧段聚磷菌的吸磷能力，导致除磷效果不佳。该污水处理装置中的厌氧区回流液来自缺氧区经反硝化脱氮后的混合液，硝酸盐含量很少，如此可缓解硝酸盐对厌氧释磷的抑制作用。另外由此进水孔进入厌氧区的新鲜污水也可一定程度上保证聚磷菌释磷所需的碳源供应。
(2)好氧区中设置的生物膜填料区中填料的加入，可使微生物生存环境由原来的气、液两相转变成气、液、固三相，同时防止增长速率慢的微生物被淘洗出系统，也可使微生物在生物膜上固着生长，为微生物创造了更有利的生存条件，便于微生物的生产繁殖，特别是营养层次较高的或者污泥龄较长的微生物，强化大量自养菌(如世代时间长，生长速率慢的硝化菌)的富集和固定，解决了传统长泥龄和短泥龄微生物生长之间的矛盾，并增加了好氧区内参与污水净化反应的生物量和生物种类，同时生物膜填料区中填料的巨大表面积，可增加整个推流曝气区的微生物活性污泥浓度，最大限度地发挥多种微生物的处理功能，增强污水处理系统对水质、水量变动大的污水较强的适应性。具体地，其可借助活性污泥的生物多样性生长繁殖形成异养菌(如丝状菌、球状菌)为主的优势菌胶团，以及鞭毛虫、肉毛虫、纤毛虫和吸管虫等多种原生动物，而生物膜可强化富集和固定大量的自养菌(如世代时间长，生长速率慢的硝化菌)，以及占优势的固着型纤毛虫、钟虫等原生动物，和轮虫、线虫等后生动物微生物菌群，增强生物硝化脱氨氮的能力，强化对多种有机物降解和脱氮除磷的处理效果，增强污水处理系统对水质、水量变动大的污水较强的适应性。
并且，由于大量的微生物生长在生物膜填料区填料的内部和表面，使微生物不易流失，因此可节省该污水处理系统因长时间停止不用而再启动使用的恢复时间;典型地，可使硝化菌在生物膜上固着生长，由此给生长速率缓慢的硝化菌创造一个稳定的生活环境，使硝化菌始终处于好氧环境中，增加系统中的硝化菌量，提高硝化率，而且也可防止不利条件下的硝化细菌流失。同时因聚磷菌主要生长在悬浮活性污泥中，因此可根据工艺需要调控活性污泥的泥龄，实现短泥龄聚磷菌的生长，解决了传统硝化菌等长泥龄微生物和聚磷菌等短泥龄微生物的生长矛盾，更有利于系统的稳定运行。
(3)好氧区中各回转式流道中均依次间隔布设有多个相对独立的生物膜填料区和活性污泥混合曝气区，因而污水混合液在好氧区内流动过程中，存在从高向低，由低到高，由高到底的溶解氧梯度变化，由此可使每一反应区培养驯化得到与该区环境条件相适应的微生物种群，形成良好的种群配合和沿程分布，而避免了不同种群间生态幅的过多重复，从而保证相应的微生物相拥有最佳的工作活性。且溶解氧梯度的存在也可为反硝化菌利用硝化产物直接进行反硝化，促使在好氧区中发生同时硝化反硝化脱氮提供有利条件。
(4)好氧区以生物膜接触氧化法为主，活性污泥法为辅，因此好氧区的主生化反应属于接触氧化类型，本身就耐水量的冲击负荷。且整个污水处理系统的流态为推流式，而污水处理系统内每个反应区之间为完全混合式，如此推流和混合流相结合的流态不仅有利于提高污水处理装置的容积利用率，也使污水处理装置中循环流动的混合液对新鲜污水以较高的回流比形成稀释作用，进一步增加了污水处理装置的抗冲击负荷能力，对水温、水量和水质的变动有较强的适应性。
(5)优选采用附着生产微生物膜效果好的带状填料，无需持续搅拌即可使生物带上的微生物与处理污水充分接触，一定程度上降低搅拌所需电耗能。而一般动力消耗费用占了污水处理总运行费用(包括动力消耗费、设备维护费、人工费、污泥处置费、药剂费等)的60%～90%，而其中电费占到了动力消耗费用的80～90%;
另外该污水处理装置好氧区中由于明显的溶解氧梯度的存在，氧利用率高，能进一步降低和减少运行费用，也可促进同时发生硝化反硝化作用，显著减少混合液回流量，有利于节约能耗。对污泥处理的要求低，由于产生的剩余污泥极少，仅相当活性污泥的10～20%，预计节省了处理剩余污泥的电费和药剂费用60～80%。
本发明的有益效果：
本发明提供的活性污泥与生物膜复合循环流污水生化处理工艺兼有活性污泥法和生物膜法的双重特性，具有工艺流程短、同步除磷脱氮，处理效果好，抗冲击负荷能力、适应性强，污泥产生量少、能耗及运行费用低，并易于调控管理等优点。所述的污水生化处理装置紧凑，设计合理，易于调控管理，使用方便。
