申请日2010.03.18
公开(公告)日2010.07.28
IPC分类号C02F3/34; C02F103/16; C02F3/12
摘要
交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理方法及其设备，是将焦化废水先进入一级双膨胀颗粒污泥反应器中降解得到一级处理水，一部分进入一级曝气回流柱，一部分直接通入二级反应器中;进入一级曝气回流柱中的处理水经曝气后，一部分与二级处理直接回流水合流回流到一级反应器中，一部分与二级处理曝气水合流通入二级反应器中;进入二级反应器的处理水降解得到二级处理水，一部分直接排放，一部分通入二级曝气回流柱中，曝气后作为二级处理曝气水返回到二级反应器中，一部分作为二级处理直接回流水回流至一级反应器中。本发明的处理方法和装置可以实现焦化废水中COD和氨氮的同时高效去除。
权利要求书
1.交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理方法，是采用两级微氧双膨胀颗粒污泥反应器，以两级微氧双膨胀颗粒污泥反应器的出水交叉回流的方式，利用双膨胀颗粒污泥实现焦化废水中COD和氨氮的同时去除，其处理方法为：
a).将焦化废水由反应器的底部经布水装置进入一级双膨胀颗粒污泥反应器中，焦化废水中的污染物质经过双膨胀颗粒污泥床被降解处理，得到一级处理水;
b).颗粒污泥、一级处理水和处理过程中产生的气体经过位于反应器上部的三相分离装置分离后，气体由气体收集装置收集或直接排放，颗粒污泥与一级处理水分离，颗粒污泥回到反应器中，一级处理水分成两部分，一部分进入一级曝气回流柱，另一部分直接通入二级反应器中;
c).进入一级曝气回流柱中的一级处理水经充分曝气后，其中一部分作为一级处理曝气回流水，与二级处理直接回流水合流回流到一级反应器中，另一部分作为一级处理曝气水，与二级处理曝气水合流通入二级反应器中;
d).进入二级反应器的处理水由二级反应器的底部经布水装置进入二级双膨胀颗粒污泥反应器中，处理水中的污染物质经过双膨胀颗粒污泥床，再次被降解处理，得到二级处理水;
e).颗粒污泥、二级处理水和处理过程中产生的气体经过位于反应器上部的三相分离装置分离后，气体由气体收集装置收集或直接排放，颗粒污泥与二级处理水分离，颗粒污泥回到反应器中，二级处理水则分成以下三部分：
i)一部分直接排放，且在单位时间内直接排放的二级处理水体积与进入一级反应器的焦化废水体积相同;
ii)一部分通入二级曝气回流柱中，曝气后作为二级处理曝气水返回到二级反应器中;
iii)一部分作为二级处理直接回流水直接回流至一级反应器中;
以上过程连续进行。
2.根据权利要求1所述的交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理方法，其特征是以曝气的方式对进入反应器的回流水进行适量供氧，保持反应器内处于微氧状态。
3.根据权利要求2所述的交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理方法，其特征是通过对反应器内氧化还原电位的监测来控制曝气量的大小，实现向反应器内的适量供氧。
4.根据权利要求3所述的交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理方法，其特征是将一级反应器内的氧化还原电位控制在20～40mV，二级反应器内的氧化还原电位控制在40～90mV，以保持反应器内的微氧状态。
5.用于权利要求1所述交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理方法的处理装置，该装置包括：
一个用于贮存焦化废水的废水贮罐(1)，其出水口与一级反应器(5)上的一级反应器进水管(3)连接，用于将焦化废水通入一级反应器(5)中;
两个双膨胀颗粒污泥反应器，分为一级反应器(5)和二级反应器(15)，反应器包括反应区和沉淀区两部分，内部填充有用于降解废水中污染物质的丝状菌适度生长造成适度膨胀的颗粒污泥，这些颗粒污泥形成的颗粒污泥床在液体上升流速的作用下处于膨胀状态;在反应器的底部设置有布水装置(4)，两个布水装置(4)下方分别连接一级反应器进水管(3)和二级反应器进水管(14);三相分离装置(6)设置在两个反应器的上部，用于进行反应器内气液固的分离;
回流管，设置在两个反应器上部三相分离装置(6)的安装位置处，其中，一级反应器回流管(7)与一级曝气回流柱(9)连接，二级反应器回流管(17)分别连接二级曝气回流柱(18)和一级反应器进水管(3);
两个曝气装置：一级曝气回流柱(9)和二级曝气回流柱(18)，其内分别设置有曝气头(10)，用于向流入曝气装置中的废水适度供氧;其中，一级曝气回流柱(9)的出水分别进入一级反应器进水管(3)和二级反应器进水管(14)，二级曝气回流柱(18)的出水管连接二级反应器进水管(14);
一级反应器出水管(21)，设置在一级反应器(5)沉淀区的上部，与二级反应器进水管(14)连接，用于将一部分一级处理水排入二级反应器(5)中;
二级反应器出水管(16)，设置在二级反应器(15)沉淀区的上部，用于排出二级处理水;
气体收集管(19)，连接在两个三相分离装置(6)的上方，用于收集焦化废水处理过程中产生的气体;
以及，
在每条管路上均设置有阀门(20)，用于控制和调节该管路内流水的流量。
说明书
交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理方法及其设备
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理方法及其设备。
背景技术
为了适应我国建设节约型社会和走循环经济道路的经济发展模式，国家2004年就明确了钢铁、印染、造纸等高取水、高排放行业限量排放的标准。强化焦化废水、印染废水、造纸废水等的处理，提高出水水质和循环利用率已成为目前人们关注和研究的重点。
目前，许多焦化厂废水未处理或处理未达标排放;有的焦化厂的处理水依靠大量的生活污水和工业循环水稀释后才能达标，这是不符合污染物总量控制原则的。随着我国对环境管理的加强，出水水质不能达标已成为焦化废水处理的一大难题。针对焦化废水水量大、成分复杂，含有高浓度的氨氮和许多难生物降解有机物，对环境危害较大的特点，研究和开发技术经济上可行，节能、环保、高效的焦化废水回用工艺和设备势在必行。
焦化废水是一种典型的有毒难降解有机废水，虽适于用生物处理系统，但传统的A/O或A2/O工艺出水COD难以达到新的排放标准，脱氮效率也难以提高。这主要是由于A/O或A2/O工艺设计本身的限制：
1)没有考虑到利用新型高速反应器的概念，这样，污泥浓度难以提高，相应也不能培养出足够量的硝化菌、反硝化菌。而且污泥停留时间短，泥龄长的硝化菌、反硝化菌也不能占优势。
2)厌氧、缺氧和好氧过程是顺序进行的，使得许多中间代谢产物不能及时有效降解和有效传递，产生累积，最终影响整个工艺系统的COD和氨氮去除率。
3)脱氮效果取决于混合液回流比，而A2/O工艺的混合液回流比不宜太高(≤200%)，脱氮效果不能满足较高要求。
为了强化A2/O工艺出水水质，现在普遍的做法是在A2/O工艺后加两级曝气生物滤池，但由于A2/O工艺出水COD和氨氮去除效果不稳定，波动较大，后续的曝气生物滤池效果也难以保证。而且，A/O或A2/O工艺还面临着工艺流程复杂、占地面积大、运行费用高、没有做到“节能减排”(需要大量曝气，能耗高;需要排放大量污泥，二次污染严重)等一系列问题。
目前，无论是COD的去除还是N的去除都出现了许多新的理念，与当前全球所面临的能源、资源紧张，环境污染严重，迫切需要发展可持续水处理工艺的形式相适应的有以下几点：1)新型高速厌氧反应器的出现(最有代表性的是EGSB反应器、IC反应器、ASBR反应器等)使得厌氧处理工艺由以前的预处理工艺逐渐上升到了主体处理工艺的位置。2)颗粒污泥的形成真正克服了以前传统工艺所面临的污泥浓度低，处理效率难以提高的困境;也在一定程度上解决了传统工艺污泥受污泥停留时间所限，硝化菌生长繁殖受限的困境。3)颗粒污泥反应器的应用，尤其是具有上升流特点的颗粒污泥反应器的应用，为常温下低浓度污水的高效处理以及高浓度难降解工业废水的高效处理提供了可能。这种上升流颗粒污泥反应器内的高液体上升流速所产生的强化传质作用，高浓度颗粒污泥间的协同代谢作用为其高效处理污水提供了保证，使得它的处理范围更广、占地面积更小、能耗更低。再者，微氧概念的引入为在同一反应器内实现焦化废水中难降解污染物质和氨氮的同时高效去除提供了可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理方法及其设备，以达到同时高效去除焦化废水中COD和氨氮的目的，并尽量减少曝气量，降低污泥排放量。
本发明是针对传统的焦化废水处理工艺——A/O或A2/O工艺出水COD难以达到新的排放标准，脱氮效率也难以提高，还需要大量曝气，单纯的厌氧或好氧工艺又难以满足焦化废水处理要求的不足，而提供的一种结构紧凑、前期投资和运行成本低、处理效果好、规模灵活的能同时去除COD和氨氮的交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理工艺。该工艺是在对焦化废水的处理过程中采用两级微氧双膨胀(即丝状菌适度生长造成的颗粒污泥的膨胀和由反应器内液体上升流速和大量气体释放上升引起的颗粒污泥床的膨胀)颗粒污泥反应器，并适量曝气以维持反应器内的微氧状态，以两级微氧双膨胀颗粒污泥反应器出水交叉回流的方式，为污泥的适当膨胀(由丝状菌引起的污泥适当膨胀)创造条件，同时保持反应器的高回流高混合状态，为污泥床的适当膨胀(由反应器内液体上升流速和大量气体释放上升引起的污泥床膨胀)创造条件，从而利用双膨胀颗粒污泥实现焦化废水中COD和氨氮的同时高效去除。
本发明的交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理方法是：
a).将焦化废水由反应器的底部经布水装置进入一级双膨胀颗粒污泥反应器中，焦化废水中的污染物质经过双膨胀颗粒污泥床被降解处理，得到一级处理水;
b).颗粒污泥、一级处理水和处理过程中产生的气体经过位于反应器上部的三相分离装置分离后，气体由气体收集装置收集或直接排放，颗粒污泥与一级处理水分离，颗粒污泥回到反应器中，一级处理水分成两部分，一部分进入一级曝气回流柱，另一部分直接通入二级反应器中;
c).进入一级曝气回流柱中的一级处理水经充分曝气后，其中一部分作为一级处理曝气回流水，与二级处理直接回流水合流回流到一级反应器中，另一部分作为一级处理曝气水，与二级处理曝气水合流通入二级反应器中;
d).进入二级反应器的处理水由二级反应器的底部经布水装置进入二级双膨胀颗粒污泥反应器中，处理水中的污染物质经过双膨胀颗粒污泥床，再次被降解处理，得到二级处理水;
e).颗粒污泥、二级处理水和处理过程中产生的气体经过位于反应器上部的三相分离装置分离后，气体由气体收集装置收集或直接排放，颗粒污泥与二级处理水分离，颗粒污泥回到反应器中，二级处理水则分成以下三部分：
i)一部分直接排放，且在单位时间内直接排放的二级处理水体积与进入一级反应器的焦化废水体积相同;
ii)一部分通入二级曝气回流柱中，曝气后作为二级处理曝气水返回到二级反应器中;
iii)一部分作为二级处理直接回流水直接回流至一级反应器中;
以上过程连续进行。
上述废水处理方法中，反应器始终是在微氧状态下处理废水的，而保持反应器内处于微氧状态的办法是以曝气的方式对进入反应器的回流水进行适量供氧。
本发明是通过对反应器内氧化还原电位的监测控制来控制曝气回流柱内曝气量大小，实现向反应器内的适量供氧的。通过对曝气量大小的适度调节，将一级反应器内的氧化还原电位始终控制在20～40mV，二级反应器内的氧化还原电位始终控制在40～90mV，以保持反应器内的微氧状态，实现焦化废水中COD和氨氮的同时高效去除。
本发明同时还提供了一种适用于上述交叉回流两段双膨胀颗粒污泥焦化废水处理方法的处理装置，该装置包括：
一个用于贮存焦化废水的废水贮罐，该废水贮罐的出水口与一级反应器上的一级反应器进水管连接，用于将焦化废水通入一级反应器中;
两个双膨胀颗粒污泥反应器，分为一级反应器和二级反应器，反应器包括反应区和沉淀区两部分，内部填充有用于降解废水中污染物质的丝状菌适度生长造成适度膨胀的颗粒污泥，这些颗粒污泥形成的颗粒污泥床在液体上升流速的作用下处于膨胀状态;在反应器的底部设置有布水装置，两个布水装置下方分别连接一级反应器进水管和二级反应器进水管;三相分离装置设置在两个反应器的上部，用于进行反应器内气液固的分离;
回流管，设置在两个反应器上部三相分离装置的安装位置处，其中，一级反应器回流管与一级曝气回流柱连接，二级反应器回流管分别连接二级曝气回流柱和一级反应器进水管;
两个曝气装置：一级曝气回流柱和二级曝气回流柱，其内分别设置有曝气头，用于向流入曝气装置中的废水适度供氧;其中，一级曝气回流柱的出水分别连接一级反应器进水管和二级反应器进水管，二级曝气回流柱的出水管连接二级反应器进水管;
一级反应器出水管，设置在一级反应器沉淀区的上部，与二级反应器进水管连接，用于将一部分一级处理水排入二级反应器中;
二级反应器出水管，设置在二级反应器沉淀区的上部，用于排出二级处理水;
气体收集管，连接在两个三相分离装置的上方，用于收集焦化废水处理过程中产生的气体;
以及，
在每条管路上均设置有阀门，用于控制和调节该管路内流水的流量。
本发明的特点之一是采用高效颗粒污泥反应器作为主体工艺来处理焦化废水。
目前的焦化废水处理主体工艺基本上都是复杂的A2/O工艺(甚至后续还要加上两级曝气生物滤池)，而且所选用的反应器内生物作用的主体基本上都是活性污泥，沉降性能差，必须依靠污泥回流来保证反应器内的污泥浓度(污泥浓度最高只能达到8g/L)。而高效颗粒污泥反应器的明显优势是污泥浓度高(可以达到40g/L以上);污泥沉淀性能好，停留时间长，保证了硝化菌、反硝化菌等的生长优势;微生物菌群丰富，菌群排列紧密，协同作用使得污染物质和代谢中间产物都能有效传递;同时反应器的高回流、高液体上升流速又为毒性物质的稀释和泥水间的高效传质提供了保证。
本发明的特点之二是通过给高效颗粒污泥反应器内适量曝气，在反应器内形成厌氧、好氧、缺氧微环境，在同一微氧颗粒污泥反应器内实现COD和氨氮的同时高效去除。
对于焦化废水中的大量难降解毒性污染物质，有许多是在单纯厌氧或好氧条件下难以彻底降解(或矿化)的，目前普遍采用的是顺序厌氧-好氧生物处理技术，其中厌氧段主要是水解酸化，提高BOD5/COD的作用。但由于焦化废水中这些毒性、难降解污染物质的厌氧转化常常是不完全的，仅仅能被转化为一些中间产物，在某些情况下，这些中间产物甚至比原来的物质更具有毒性，更难降解，必须通过厌氧、好氧的交替作用才能完全降解。但在顺序厌氧-好氧系统中，这些中间代谢产物是不能及时传递给好氧系统的，会产生积累对产甲烷菌产生抑制，从而造成厌氧处理效率的降低，以致增加后续好氧处理系统的负荷，最终使整个顺序厌氧-好氧系统处理效率降低。
在本发明的高效颗粒污泥反应器内，颗粒污泥的存在，并通过微量氧的介入，形成了许多厌氧、好氧、缺氧的微环境，而且，颗粒污泥内的微生物排列紧密，微生物种类丰富，各种菌群间传质快，协同作用，能够快速实现毒性难降解污染物的高效传递、降解和矿化。
本发明微氧颗粒污泥反应器内COD和氨氮的同时高效去除有以下几种生物作用：
1)短程同步硝化反硝化。基于颗粒污泥反应器基础上的微氧产甲烷技术可以在一个反应器(微氧颗粒污泥反应器)内实现短程同步硝化反硝化。而且，微氧颗粒污泥反应器内无数厌氧-缺氧-好氧的微环境相当于无数个或多级短时好氧-缺氧-厌氧重复操作过程，保证了COD和N的高效去除，可以称为是一种新型的短程同步硝化反硝化脱氮除磷工艺。
2)硝化细菌和反硝化细菌生态学优势。在微氧颗粒污泥反应器内高污泥浓度和低COD浓度的优势能够促进形成硝化细菌、反硝化细菌和除磷菌的生态学优势。微氧颗粒污泥反应器内高达40gMLSS·L-1以上的污泥浓度给作为弱势菌群的硝化菌和反硝化菌提供了足够的生态学优势。另外微氧颗粒污泥反应器的结构学特点(出水循环)使得反应器内的BOD和NH4+浓度能够保持很低的水平。
3)好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的协同作用。而且更为重要的是虽然颗粒污泥反应器内COD浓度很低，有机碳源相对不足，但好氧氨氧化菌能够利用甲烷作为唯一的有机碳源，氧作为电子受体，将NH4+氧化为NO2-(短程硝化过程)。接下来，厌氧氨氧化菌能够利用NO2-作为电子受体氧化NH4+(厌氧氨氧化)，从而保证了微氧颗粒污泥反应器的高NH3-N去除率。
4)厌氧氨氧化菌与甲烷菌、反硝化菌的协同耦合作用。微氧颗粒污泥反应器将厌氧氨氧化菌与甲烷菌、反硝化菌复合在一个有利的微生态环境中，反硝化菌主要分布于颗粒污泥表层，产甲烷菌主要分布于颗粒污泥中间层，厌氧氨氧化菌则集中在颗粒污泥中心部位，这些功能微生物都具有各自有利的微生态环境，能充分发挥它们之间的协同作用，从而保证了低能耗条件下的高COD和高N的去除。
本发明的特点之三是采用两级微氧颗粒污泥反应器，通过在一级和二级反应器内所形成的不同优势菌群来去除COD和氨氮。
焦化废水的特点是进水COD和氨氮浓度高，而且，废水中含有大量难降解的毒性污染物质，单级反应器处理要达到较好的出水效果必须延长HRT，而且在某种程度上单级反应器很难达到难降解COD和氨氮的同时高效去除。为此，考虑采用两级反应器，反应器内不同菌群占优势，以保证在较短HRT条件下获得良好的去除效果。一级反应器以COD去除为主(反应器内COD浓度高，本身抑制硝化反硝化反应的进行。由于污泥浓度高，而且含有大量的污染物质，适当曝气主要用于氧化一些毒性难降解的有机污染物)。二级反应器以氨氮去除为主(反应器内COD浓度低，污泥浓度高，能够形成硝化菌、反硝化菌等的优势)。
本发明的特点之四是双膨胀。
膨胀之一是污泥床膨胀：通过液体上升流速提高和大量气体的释放来使得整个污泥床由基本静止的状态过度到适度膨胀的状态，以此来强化泥水间以及不同微生物菌群间的传质效果，提高处理效果。传统生物反应器处理效果差的一个关键问题是污泥传质效果差。
膨胀之二是污泥膨胀：主要是创造条件让丝状菌适度增长，强化出水水质。已有许多研究表明丝状菌适度增长有利于提高出水水质。但过去多年来对于生物处理来讲一直是控制污泥膨胀的。因为对于传统的活性污泥法来说，污泥膨胀是其所面临的主要困难(污泥膨胀导致污泥沉速变慢或密实性变差，不能保证二沉池的出水水质)。而微氧颗粒污泥反应器能够紧密结合颗粒污泥的优势，形成丝状菌适当占优势的颗粒污泥，在充分利用丝状菌膨胀提高出水水质(不仅仅是提高COD和氨氮的去除率，更重要的是强化SS和浊度的去除)的同时保持污泥良好的沉降性能，继续保持微氧颗粒污泥反应器高污泥浓度、高生物固体停留时间的优势。
本发明的特点之五是交叉回流。
单纯的两级微氧颗粒污泥反应器顺序回流处理焦化废水会出现二级颗粒污泥反应器出水亚硝酸盐NO2-大量积累的问题，以致COD去除率很高，出水COD可以降到很低，100mg/L甚至80mg/L以下。但在最终出水COD满足要求的同时，在第二级颗粒污泥反应器内出现了亚硝酸盐的积累，氨氮去除率没有办法进一步提高。为此创新性地提出一点：通过交叉回流来解决二级反应器亚硝酸盐积累和两级反应器氨氮去除率难以提高的问题。所谓的交叉回流是针对顺序回流而言的。顺序回流是各级反应器的出水回流至各级反应器内，即：一级反应器出水回流至一级反应器，二级反应器出水回流至二级反应器。而交叉回流则为两级反应器交叉回流，即：一级反应器出水回流至二级反应器;二级反应器出水回流至一级反应器(注意：此处不经过曝气回流柱，而是直接回流至一级反应器内，否则亚硝酸盐会被氧化为硝酸盐，削弱了好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的协同作用以及厌氧氨氧化菌与甲烷菌、反硝化菌的协同耦合作用。而且许多研究表明，在厌氧氨氧化过程中，NO2-N才是关键的电子受体，而不是NO3-N)。此交叉回流能够解决两方面的问题：一是一级反应器进水中亚硝酸盐浓度过低，而二级反应器内出现亚硝酸盐过量积累的问题;二是二级反应器内碳源不足、氨氮去除率偏低的问题。
本发明废水处理方法中的交叉回流是为了进一步提高氨氮去除率，回流率是与氨氮去除效果紧密联系的。但高速颗粒污泥反应器的出水回流在处理类似焦化废水这样一些难降解毒性污染物时的另外一个重要作用就是稀释和促进传质。所以，本发明在主要考虑交叉回流的同时，还适当保持了原顺序回流方式。通过阀门控制，以调整原顺序回流量的大小，从而保证了反应器内足够的液体上升流速和充分的传质效果。
本发明通过向高速上升流厌氧颗粒污泥反应器内微量曝气，使其处于一种微氧状态，从而提供了一个好氧菌、厌氧菌、兼性菌共存，氧化作用与还原作用共同发生作用的环境，在一个反应器内实现了同时去除COD(产生甲烷)和氨氮。而且通过两级反应器内不同的优势菌群、反应器内污泥的适度膨胀(丝状菌的适度繁殖)、交叉回流等强化作用，整个系统污染物去除效率高、停留时间短。这就意味着反应器具有降解污染物能力强，所需体积小、占地面积小，工程应用中可以大幅减少设备投资等优点。进而，本发明整个废水处理系统的需氧量很少，剩余污泥量很少，而且这些剩余的颗粒污泥不需要处置，相反却可以当作商品来出售，这样能够大幅减少传统好氧污水处理中曝气和剩余污泥处置两项最大的运行费用。
不同于处理一般的容易降解的废水(比如啤酒废水等)，处理焦化废水等难降解毒性污染物的颗粒污泥是比较难以通过单纯接种市政消化污泥等非颗粒污泥来培养的，必须适当接种少量颗粒污泥。
本发明的废水处理方法既可以用于处理焦化废水，也可以用于处理酸性矿山废水、造纸废水等其他工业废水，另外还可以用于处理城市生活污水;既可以在中温下运行，也可以在常低温下高效运行。这样不仅适用于一般地区的废水处理，更适用于一些较冷地区的废水处理。
