污水仿自然净化系统及方法

　　申请日2019.06.26

　　公开(公告)日2019.10.08

　　IPC分类号C02F9/14; C02F3/30

　　摘要

　　本发明涉及一种城镇污水深度净化系统及方法，尤其涉及C/N比或低温条件下深度脱氮除磷。通过延长生化段HRT到23h‑34h，前置填料复合预酸化区增加小分子挥发酸，曝气段后设置缺氧、好氧强化脱氮，降低沉淀区表面负荷到0.3‑0.8m/h等措施为深度脱氮除磷提供池结构上的优化。在运行方式上，控制好氧区溶解氧在0.1‑0.5mg/L，ORP电位‑10‑20mV，保持生化池出水氨氮2‑4mg/L控制曝气量，提升脱氮除磷效果。通过提高污泥浓度到6‑15g/L，有效池深到7‑9m以减少占地。本发明所述的技术及方法，可在进水COD/TN在3.0‑4.0，温度5‑12℃时，配合无药剂混凝沉淀过滤，保证TN、TP、COD去除率分别在90%、99.5%、93%以上，同时保持曝气能耗低于0.09kW/t，具有出水水质优，运行成本低，管理方便等优势，应用前景广泛。

　　权利要求书

　　1.一种污水仿自然净化系统，其特征在于，包括：

　　一级厌氧区，其上设有一级厌氧区进水口和一级厌氧区出水口;

　　缺氧区，其上设有缺氧区进水口和缺氧区出水口且缺氧区进水口与一级厌氧区出水口连通;

　　主反应区，其上设有主反应区进水口和主反应区出水口且主反应区进水口与缺氧区出水口连通;以及

　　沉淀区，其上与沉淀区进水口和生化出水口，沉淀区进水口与主反应区出水口联通。

　　2.根据权利要求1所述的净化系统，其特征在于，

　　所述净化系统包括用于沉淀无机颗粒的砂水分离区，所述砂水分离区上设有分离区进水口和分离区出水口，分离区出水口与一级厌氧区进水口连接。

　　3.根据权利要求2所述的净化系统，其特征在于，

　　所述的厌氧区和砂水分离区之间设有用于调质进水的预酸化区。

　　4.根据权利要求1所述的净化系统，其特征在于，

　　所述的主反应区包括若干级串联的主反应区好氧段和主反应区厌氧段或所述的主反应区包括主反应池;

　　作为优选，所述主反应区好氧段设有用于提供氧气的供气管路;

　　作为优选，所述缺氧区与主反应区厌氧段之间设有用于硝化液回流至缺氧区的硝化液回流管路;

　　作为进一步优选，所述硝化液回流管路上设有硝化液回流泵和硝化液回流流量计。

　　5.根据权利要求1所述的净化系统，其特征在于，

　　所述沉淀区与一级厌氧区之间设有污泥回流管路;

　　作为优选，所述污泥回流管路上设有污泥回流泵;

　　作为优选，所述沉淀区上设有剩余污泥排出管路，剩余污泥排出管路上设有剩余污泥泵。

　　6.根据权利要求1所述的净化系统，其特征在于，

　　所述净化系统包括过滤池，过滤池的进水口与沉淀区的出水口连接。

　　7.根据权利要求1所述的净化系统，其特征在于，

　　所述净化系统每个区的深度均为7-9m。

　　8.一种采用如权利要求1-7任一项所述净化系统进行污水处理的净化方法，其特征在于，包括如下步骤：

　　(1)待处理水质进入砂水分离区，沉淀后得到水质一;

　　(2)水质一进入预酸化区，进行进水调质后得到水质二;

　　(3)水质二进入一级厌氧区，进行磷的释放和活性污泥絮体的快速增殖后得到水质三;

　　(4)水质三进入缺氧区，进行反应后得到水质四;

　　(5)水质四进入主反应区进行反应后得到水质五;

　　(6)水质五进入沉淀区，沉淀区进行泥水分离后得到水质六，即得到净化后的再生水。

　　9.根据权利要求8所述的净化方法，其特征在于，

　　步骤(6)结束后还进行步骤(7)：

　　(7)水质六进入混凝沉淀区和多介质过滤池，进一步去除悬浮物和总磷。

　　作为优选，步骤(7)中所述的水质六在多介质过滤池中的过滤速率为2-5m/h;

　　作为优选，步骤(7)中混凝沉淀区及多介质过滤池中不添加混凝及助凝药剂，通过在过滤过程中截留去除悬浮物及总磷;同时在滤料表面形成生物膜，实现同步硝化反硝化过程。

　　10.根据权利要求8所述的净化的方法，其特征在于，

　　步骤(1)中所述待处理水质在砂水分离区停留的时间为1-2h;

　　作为优选，步骤(1)中所述的砂水分离区底部为倒四棱锥型;

　　作为优选，步骤(2)中预酸化区内设置有用于构建生物膜水解酸化区的复合填料;

　　作为进一步优选，所述复合填料包括聚偏二氯乙烯;

　　作为进一步优选，所述复合填料的填充体积比为70-90%;

　　作为优选，步骤(3)中水质二在所述一级厌氧区内停留的时间为2-4h;

　　作为优选，步骤(3)中在进行磷的释放和活性污泥絮体的快速增殖过程中进行搅拌;

　　作为优选，步骤(4)中所述的反应包括反硝化吸磷反应和厌氧氨氧化反应;

　　作为优选，步骤(4)中水质三在所述缺氧区内停留的时间2-4h;

　　作为优选，步骤(4)在反应过程中搅拌;

　　作为优选，步骤(5)中产生的硝化液回流进入缺氧区，回流比100-400%;

　　作为优选，步骤(5)中所述的反应包括梯级硝化、反硝化反应、多级吸磷反应中的一种或多种反应的组合;

　　作为优选，步骤(5)中所述的主反应区包括主反应区好氧段和主反应区厌氧段或所述的主反应区包括主反应池;

　　作为进一步优选，步骤(5)中水质四在所述主反应区好氧段内停留的时间为3-4h，缺氧段停留的时间为3-4h;

　　作为进一步优选，步骤(5)中同时在所述主反应区好氧段内布设潜水推流器;

　　作为进一步优选，步骤(5)中所述主反应区好氧段段内溶解氧的浓度为0.1-0.5mg/L;

　　作为进一步优选，步骤(5)中所述最后一级主反应区好氧段段内的氧化还原电位电位控制在-10-20mV;

　　作为优选，步骤(5)中反应步骤中产生的氨氮浓度为2-4mg/L;

　　作为优选，步骤(6)中所述的泥水分离步骤中得到的污泥部分回流到第一级厌氧区;

　　作为优选，步骤(6)中产生的污泥回流进入一级厌氧区，回流比为30-100%;

　　作为优选，步骤(6)中所述沉淀区的表面负荷为0.3-0.8m/h;

　　作为优选，步骤(6)中所述沉淀区采用周边进水周边出水向心幅流型沉淀区;

　　作为优选，步骤(6)中在所述沉淀区表面负荷保持0.3-0.8m/h时，步骤(3)-步骤(7)中的污泥浓度均保持在6-15g/L;

　　作为优选，步骤(1)-步骤(5)中水质停留的总时间为23-34h;

　　作为优选，步骤(4)-步骤(6)既可以通过反应器构型上设置缺氧区、厌氧区、好氧区等实现，也可以在一个池体内通过时序上的运行控制实现;

　　作为优选，步骤(4)-步骤(6)通过时序控制上实现时，硝化液回流取消，沉淀池取消，污泥回流起点从沉淀池挪移到主反应区后端;时序上每段运行时间与构型上实现时的水力停留时间的关系为步骤(4)-(6)时序上的运行时间为水力停留时间的20%-30%。

　　说明书

　　污水仿自然净化系统及方法

　　技术领域

　　本发明属于污水处理领域，尤其涉及一种污水仿自然净化系统及方法。

　　背景技术

　　道法自然，生活污水处理系统可以被理解为一种以有机物及特定营养元素去除为目的人工强化的微生物生态系统。生活污水进入自然生态系统(以河流为例)中，自然循环系统的自净功能并不区分低碳氮比，高碳氮比污水，低温条件下，高温条件下均可实现自净(主要为有机物与氮磷的去除)，在河流水体向地下水的补给过程中，这个过程中也并不必须要通过化学药剂的投加才能够实现SS(悬浮物)磷的去除。这对于我们重新考虑污水处理厂的设计，有很好的借鉴意义。从这个角度出发，在反应器设计时更多的考虑微生物生态系统的运行规律及运行过程，有望减少化学药剂投加，强化对低温，低碳氮比污水水质的应对，减少运行能耗，实现更为优异的处理效能。

　　河流被污染的原因可以被理解为排入河流的污染物的量超过了河流生态系统的自净能力，污水处理系统中的生化反应大多被理解为一级动力学过程，而现有污水处理系统设计中，为了减小占地，降低投资成本，往往采用较高的负荷，从反应动力学的角度出发，这种参数的选用可以使反应过程维持在一个较高反应速率上，但较高的反应速率也就意味着反应的不完全，从而带来了COD(化学需氧量)去除，脱氮或除磷效果的不完全。

　　与工业废水不同，生活污水的绝大部分被定义为有机污染或无机污染物的成分(除腐殖酸，腐殖质等成分外)都可以被微生物良好的利用或转化，从水体中脱除出去。从这个角度出发在生活污水处理过程中强化微生物的代谢过程，努力发挥出微生物生态系统的效能实现污水深度净化是可行的，在运行费用上也将是经济的。

　　目前，随着我国经济社会的发展，人为排放的污染物的量迅速增加，同时由于对生态用水，湿地，土地等的大量利用，客观上造成了自然生态系统自净能力的下降，为了维持生态系统在相对适宜人类居住的水平，国家出台了越来越严格的污水处理标准。然而，现有的追求高效率、低投资成本的污水处理反应器在实际运行过程中往往不能达到这些排放标准，这使得现有的污水处理过程中不得不采用反硝化滤池，投加碳源等形式进一步脱氮;采用混凝沉淀过滤等过程进一步除磷;采用混凝沉淀，膜过滤等技术进一步去除COD。这些措施可以起到深度处理的效果，但也带来了药剂费用高，处理过程中碳排放量高等问题，从整个生态系统的保护来讲，这些物化处理措施的代价(资源消耗，化学品生产碳排放)及效益(水质净化，减少对自然生态系统影响)是否是正向的有待进一步深入核算及评价。

　　从污水处理系统的发展历史看，不论是活性污泥法，还是SBR(序批式活性污泥法)等污水处理工艺，其创制之初均为COD，氨氮为主，并非为脱氮，除磷为主，后续的缺氧区或缺氧搅拌及厌氧区的加入使其具备了脱氮除磷的功能，但却并没有从深度脱氮除磷的需求出发，设计反应器，从而保证高效的脱氮除磷效果。

　　由于化粪池的设置，我国生活污水大多呈低碳氮比的状态，而低碳比状况被认为是限制污水脱氮效果的重要因素。从这个前提出发，反硝化滤池的设置也就成为了必然选择。但是，脱氮相关的微生物代谢过程来看，硝化反硝化，短程硝化反硝化，短程反硝化耦合厌氧氨氧化，厌氧氨氧化等过程在自然生态系统中均普遍存在，并在自然氮元素的循环中占据重要地位。其中，从上述硝化反硝化，短程硝化反硝化到厌氧氨氧化，微生物代谢过程中所需的有机物的量也从高到低依次减少，理论上，厌氧氨氧化过程并不需要碳源。得益于自然生态系统对短程硝化短程反硝化，短程反硝化耦合厌氧氨氧化，厌氧氨氧化等过程的利用，在自然生态系统的自净过程中并不存在低碳比影响脱氮过程的问题。从微生物代谢的角度出发，在硝化反硝化，短程硝化反硝化，短程反硝化耦合厌氧氨氧化，厌氧氨氧化的碳源递减的过程中，微生物的速率效能也进一步降低。在现有的污水处理系统中，硝化反硝化的过程普遍存在，并被广泛利用，但短程硝化短程反硝化，厌氧氨氧化过程在污水脱氮除磷系统中却没有起到重要的作用。究其原因，现有的污水处理反应器的设置并没有为短程硝化短程反硝化，厌氧氨氧化过程提供足够有利的条件，无法富集出足够的短程硝化菌，及厌氧氨氧化菌，产生足量的亚硝酸盐。从厌氧氨氧化的代谢需求及生态位看，相对于反硝化菌，其有利的生长条件(生态位)为，低碳氮比，低溶解氧，长污泥龄，长水力停留时间，低负荷或高氨氮等条件，而现有的污水处理系统并没有这些条件。

　　从低温的应对角度出发，低温并不能将微生物杀死，只是对其酶活和代谢过程产生影响，降低其代谢能力，这种情况下，延长停留时间，即可实现对低温期的应对。

　　即使从硝化反硝化的角度出发，生化反应过程中应该保证尽量多的碳源被反硝化过程利用，减少其被好氧处理过程的利用，然而在现有的处理过程中，反硝化区虽然吸收了大部分碳源，但却由于好氧区的高溶解氧与通过硝化液回流带入的溶解氧，使进水的一部分碳源通过曝气过程转化为CO2和水被消耗掉，并没有作为反硝化碳源被利用，这加剧了碳氮比的失衡，而解决此问题的一个途径即为降低溶解氧浓度，使硝化反硝化过程在同一个反应器中尽量同步发生，减少有机物以氧气作为电子受体的直接氧化过程。

　　发明内容

　　有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种污水仿自然净化系统及方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

　　为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种污水仿自然净化系统，包括：

　　一级厌氧区，其上设有一级厌氧区进水口和一级厌氧区出水口;

　　缺氧区，其上设有缺氧区进水口和缺氧区出水口且缺氧区进水口与一级厌氧区出水口连通;

　　主反应区，其上设有主反应区进水口和主反应区出水口且主反应区进水口与缺氧区出水口连通;以及

　　沉淀区，其上与沉淀区进水口和生化出水口，沉淀区进水口与主反应区出水口联通。

　　作为本发明的另一个方面，提供了一种采用如上所述净化系统进行污水处理的净化方法，包括如下步骤：

　　(1)待处理水质进入砂水分离区，沉淀后得到水质一;

　　(2)水质一进入预酸化区，进行进水调质后得到水质二;

　　(3)水质二进入一级厌氧区，进行磷的释放和活性污泥絮体的快速增殖后得到水质三;

　　(4)水质三进入缺氧区，进行反应后得到水质四;

　　(5)水质四进入主反应区进行反应后得到水质五;

　　(6)水质五进入沉淀区，沉淀区进行泥水分离后得到水质六，即得到净化后的再生水。

　　基于上述技术方案可知，本发明的污水仿自然净化系统及方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：

　　1、脱氮除磷效率高，TN(总氮)、TP(总磷)、COD去除率分别在90%、99.5%、93%以上，出水TN、TP、COD浓度可在5mg/L，0.05mg/L，15mg/L以下;

　　2、无药剂投加，曝气能耗低于0.09kW/t，运行成本可在0.3元/t以下，水处理过程中不因加药剂产生额外的碳足迹;

　　3、适用于低碳氮比污水，污水COD/TN比在3-4左右，仍可以保持理想的脱氮除磷效果;

　　4、对于低温期脱氮除磷过程效果优异，在温度为5-15℃仍能保持理想的脱氮除磷效果;

　　5、具有出水水质优，运行成本低，运行管理方便，无需配套加药泵等，运行过程可全部自动化，应用前景广泛。