除磷脱氮、污泥减量和磷回收一体化的污水处理装置及方法

摘要

本发明提出一种除磷脱氮、污泥减量与磷回收一体化的污水处理装置及方法，其采用水解酸化、多级串联接触曝气、连续流的除磷脱氮A2/O工艺，利用水解酸化单元处理原污水与少量厌氧释磷污泥实现VFA的转化，水解后富含VFA的清液为后续除磷脱氮A2/O单元提供富足碳源，强化同步除磷脱氮；利用聚磷菌的超量吸磷能力将污水中低浓度磷富集在厌氧释磷污水中，然后排除少部分富磷污水进行化学固磷，这种除磷方式能显著减少化学除磷污水量，提高除磷药剂利用率，减少药剂用量，且所得化学污泥含磷量高，实现城市污水中低浓度磷以非剩余污泥的形式、在低成本条件下的回收。通过多级串联接触曝气池的生物相分离及微生物逐级捕食作用实现污泥减量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物技术处理污水的装置与方法，特别涉及一种集除磷脱氮、污泥减量和磷富集回收于一体的污水处理技术。

背景技术

随着城市污水产生量的增长和处理率的提高，作为污水处理副产物剩余污泥的数量也同步快速增加。面对源源不断产生的污泥，传统的污泥末端处理处置方式无论是在技术、经济、还是在环境安全方面都受到质疑，正是在这种背景下污泥源头减量化技术应运而生。但是迄今为止，国内外开发的各种污泥减量技术都存在缺点，其中最棘手的表现为污泥减量效果好、产生的剩余污泥量就少、进入污泥中的氮磷量也随之减少，从而导致氮、磷去除效果差，尤其是磷。而随着水体富营养化趋势的加剧，氮磷等营养物质的去除已成为城市污水处理的重要任务，因此，如何在确保污水处理效果尤其是除磷脱氮效果的前提下实施污泥减量，是污水厂污泥减量技术研究中必须面对的技术难题。

值得注意的是，地球上有限的、不可再生的磷资源的可持续利用问题也正急迫地摆在世人面前。而随着城市污水排放流失的磷不仅导致陆地磷资源的浪费、而且还加剧水体富营养化进程，在这种情况下，城市污水中磷的回收和再循环利用就变得尤为重要。所谓磷回收就是将污水中的磷以能被磷酸盐工业或肥料工业利用的形式回收的过程，而不是将磷转移到污泥中。因此，如何实现城市污水中磷以非剩余污泥的形式被富集回收，也是一个亟待解决的技术难题。

目前，国内外对具有良好减量效果的污泥减量技术的开发研究较多，且在近几年有些研究者也逐渐开始注重污泥减量带来的最主要的负面问题——氮、磷去除效果不理想，但研究开发的技术主要是针对提高氮的去除效果，对于污泥减量与生物除磷之间的不可协调矛盾仍被含糊其辞、尚未得到很好的解决，且也尚未见对于在实施污泥减量技术的同时实现城市污水中低浓度磷以非剩余污泥形式被富集回收的研究报道。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种除磷脱氮、污泥减量与磷回收一体化的污水处理装置及方法，其生物处理单元是采用水解酸化、多级串联接触曝气、连续流的除磷脱氮A²/O工艺，即利用水解酸化单元处理原污水与少量厌氧释磷污泥以实现VFA的转化及污泥量的减少，水解后富含VFA的清液为后续除磷脱氮A²/O单元提供富足的有效碳源，缓解了除磷脱氮对碳源的竞争，实现有效同步除磷脱氮；利用聚磷菌的超量吸磷能力将污水中低浓度磷酸盐富集在厌氧释磷污水中，然后排除少部分厌氧富磷污水进行化学固磷处理，这种除磷方式与常规的城市污水末端化学除磷技术相比，能显著减少化学除磷污水量，显著提高化学除磷药剂的利用率，减少化学药剂用量、降低成本，且所得化学污泥含磷量高(接近纯含磷化合物的含磷量)，具有显著的回收利用价值，从而实现了城市污水中低浓度磷以非剩余污泥的形式、在低成本条件下的回收；另外，本发明专利技术还将后续传统活性污泥法中采用的完全混合式曝气池改为多级串联接触曝气池，该池利用有机物浓度梯度、水利停留时间和溶解氧浓度及生物填料填充比等因子控制范围的不同提高了系统高等微型动物的生长密度、延长了食物链，通过生物相分离及微型动物的逐级捕食作用实现污泥的减量化。

本发明的技术方案如下：

一种除磷脱氮、污泥减量、磷回收一体化的污水处理装置，其包括顺序串联的进水管、水解酸化池、厌氧池、缺氧池、多级串联接触曝气池、二沉池和出水管；另外，与所述厌氧池共壁设置有侧流沉淀池，侧流沉淀池出水端通过污水管连接有化学除磷池，化学除磷池出水端与多级串联接触曝气池进水端之间由污水管连接；所述厌氧池底部与水解酸化池底部之间由回流污泥管连接；化学除磷池底部通过污泥管排除富磷污泥；缺氧池出水端与厌氧池进水端由回流污泥管连接；二沉池底部与缺氧池进水端之间由回流污泥管连接。

所述多级串联接触曝气池顺序分为三格，第一格为细菌生长区、第二格原生动物生长区、第三格后生动物生长区，其中第二、三格内填充有组合填料；第三格后生动物生长区出水端与缺氧池进水端之间由硝化液回流管连接。

利用上述装置进行污水处理的方法步骤如下：

(1)水解酸化处理：让污水与来自厌氧池的厌氧释磷污泥一并进入水解酸化池，控制水解酸化池的平均污泥浓度15-20g/L，水力停留时间2.5-3h，使污水与厌氧污泥混合液中的有机物和微生物细胞在水解产酸菌的作用下转化为溶解性有机物和VFA；

(2)将水解酸化池处理后的上清液送入厌氧池，水力停留时间1～2h，先与缺氧池经反硝化脱氮后的回流反硝化液混合，在搅拌下进行厌氧释磷，使厌氧池达到50mg/L以上的厌氧释磷浓度；

(3)将厌氧池中约为装置总进水流量的10％左右的释磷混合液送入侧流沉淀池，进行沉淀泥水分离后，将富磷清液导入化学除磷池，停留时间30min进行磷的化学固定，同时将化学除磷池的出水控制在5mg/L，产生含磷酸盐量73％-83％的富磷化学污泥，并将富磷化学污泥排除、回收利用；

(4)将厌氧池释磷后剩余的90％的混合液与多级串联接触曝气池回流的硝化液、以及二沉池的回流污泥一起混合送入缺氧池，搅拌并通过反硝化菌的作用完成氮的反硝化脱除，同时去除部分有机物；

(5)将缺氧池的出水与来自化学除磷池经除磷后的约为装置总进水流量10％的除磷上清液一起送入多级串联接触曝气池，在硝化菌作用下将氨氮转化为硝态氮、在聚磷菌作用下完成磷的好氧吸收并降解转化残余有机物；

(6)将多级串联接触曝气池生物反应后的混合液最后送入二沉池，水力停留1h，排出上清液，同时将厌氧池中的增殖污泥量又回流至水解酸化池与污水一并进行水解酸化处理，进行下一个循环。

本发明优点

(1)采用水解酸化步骤处理污水与厌氧释磷污泥产生的VFA作为补充氮、磷去除所需基质，提高系统同步脱氮除磷能力，减少厌氧、缺氧反应时间，从而减少池容、降低处理能耗

低浓度有机物的城市污水限制了氮磷的同时高效脱除，本发明技术通过将原污水和少部分厌氧释磷污泥进行水解酸化处理，将其中的非溶解态有机物转变为溶解态有机物、将难生物降解大分子有机物转变易生物降解的小分子有机物(VFA)，为系统除磷脱氮提供了富足的有效碳源，缓解了生物除磷、脱氮过程中竞争碳源的矛盾，从而强化了系统生物除磷脱氮效果，同时也减少了后续厌氧、缺氧反应时间，从而减少池容、降低处理能耗。

所述的‘厌氧释磷污泥进行水解酸化’较其他研究者开发研究的剩余污泥(好氧污泥)水解酸化有其独特优势：原污水与剩余污泥混合液的水解酸化虽也能提高污水可生化性并降解污泥，但由于水解酸化池中的优势菌以兼性和厌氧菌为主，要取得良好的水解产酸效果必然要保证其优势菌群不被破坏，而剩余污泥乃来自反应工艺末端好氧段经沉淀后的污泥(即好氧污泥)，以好氧菌为优势菌，将其回流入水解池必定一定程度地影响其微生物种群结构及优势菌属，从而减弱水解酸化能力。而厌氧池污泥主要含厌氧菌，与水解池优势菌相容性很强，将其回流至水解池不但不会破坏其优势菌，甚至能强化水解产酸菌的降解能力，提高污泥细胞的降解率。加之，由于污水处理系统中活性污泥量仅占混合液比例的1％左右，因此，回流污泥(约含99％的水)中的含磷量近似于污水中的含磷量。故厌氧释磷污泥比剩余污泥(好氧吸磷污泥)中的含磷量要高得多，所以，厌氧释磷污泥代替剩余污泥的回流水解产酸方法减弱了对水解池磷的稀释程度，继而间接减弱了对后续厌氧池磷的稀释程度，相对来说，有助于减少富磷污水的化学处理量和化学除磷药剂的用量，从而降低污水处理成本。

(2)将传统活性污泥法中的完全混合曝气池改为多级串联接触曝气池能实现污泥减量并降低能耗，同时水解酸化处理厌氧释磷污泥也起到污泥减量作用

本发明将后续传统活性污泥法中的完全混合曝气池改为多级串联接触曝气池，分为相互独立的三格：第一格水利停留时间较短，利用系统较多的残余有机食料刺激繁殖迅速的细菌的生长，但不形成菌胶团；第二格原生动物吞噬细菌并进一步降解未降解完的有机物；第三格原生动物又被后生动物吞食。显然，多级串联接触曝气池较传统完全混合曝气池而言，能够通过生物相分离及微生物逐级捕食作用减少系统污泥产量。同时，通过将该池每一格溶解氧控制在较低浓度，能使污水在好氧单元以较少的能耗下得到处理，节约了耗氧量。另外，水解酸化单元通过水解和产酸细菌的作用将厌氧释磷污泥中的细菌细胞分解转化为VFA，也能起到一定程度的污泥减量作用。

(3)外排厌氧富磷污水并进行化学固定的除磷方式解决了污泥减量技术中除磷与污泥减量效果不能兼优的矛盾，同时实现了城市污水中低浓度磷以非剩余污泥的形式、在低成本条件下的回收

在化学除磷过程中，污水中的磷和化学固磷剂(石灰)反应主要生成羟基磷灰石(Ca₅(PO₄)₃OH)、磷酸氢钙(CaHPO₄)、磷酸钙(Ca₃(PO₄)₂)沉淀，同时伴生碳酸钙(CaCO₃)。固磷剂投加量取决于污水中磷酸盐和碳酸盐浓度(在城市污水中以污水碱度的形式表示)。对城市污水(低磷污水)进行化学除磷时，通常认为固磷剂的投加量取决于污水碱度而不是磷酸盐浓度，药剂的有效利用率低、费用高，从而阻碍了化学除磷系统在实际工程中的应用。本发明提供的这种外排厌氧富磷污水进行化学固定的除磷方式和常规的城市污水(全部污水)末端化学除磷技术相比较，通过对厌氧释磷过程的强化，只需对部分厌氧释磷污水(约相当于污水总量的10-15％)实施化学固磷，显著减少了化学除磷污水量，而且这部分污水固磷后尚需进入污水处理系统参与生化反应过程，因此可以将固磷后溶液中磷浓度控制在5mg/l(不是0.5mg/l)左右，这样还可以减少固定单位磷需要的化学药剂量。且与低磷城市污水相比较，在厌氧富磷污水中投加低剂量固磷剂(石灰)就可以产生明显的含磷化学沉淀物，能显著提高化学除磷药剂的利用率、减少化学药剂用量(为城市污水后置化学除磷系统的10％左右)、降低成本，且所得化学污泥磷酸盐含量高达73％-83％(以P计为16-18％，)，与纯含磷化合物的含磷率非常接近(羟基磷灰石、磷酸氢钙、磷酸钙的含磷率分别为18.5％、22.8％、20％)。具有显著的回收利用价值，这种污泥可以作为复混肥添加剂使用或者直接输送至磷肥厂替代磷矿石资源，实现了城市污水中低浓度磷以非剩余污泥的形式、在低成本条件下的回收。同时，本发明这种排富磷污水代替排剩余污泥的除磷方式解决了污泥减量技术中最棘手的难题——“污泥减量效果好、产生的剩余污泥量就少、通过排泥去除的磷量少、系统除磷效果差”，能同步取得良好的污泥减量和除磷效果。

附图说明

图1为本发明集除磷脱氮、污泥减量、磷回收于一体的污水处理装置的结构示意图。

具体实施方式

参见图1，该装置由进水管1、水解酸化池2、厌氧池3、缺氧池4、多级串联接触曝气池5、二沉池6、出水管7顺序串联组成。厌氧池3与侧流沉淀池8共壁；侧流沉淀池8出水端与化学除磷池9进水端之间由一号污水管10连接；化学除磷池9出水端与多级串联接触曝气池5进水端之间由二号污水管11连接；厌氧池3底部与水解酸化池2底部之间由一号回流污泥管12连接；化学除磷池9底部通过污泥管13排除富磷污泥；缺氧池4出水端与厌氧池3进水端由二号回流污泥管14连接；二沉池6底部与缺氧池4进水端之间由三号回流污泥管15连接。所述的多级串联接触曝气池5分为三格，第一格细菌生长区16、第二格原生动物生长区17、第三格后生动物生长区18，其中第二、三格内填充有组合填料19；第三格后生动物生长区18出水端与缺氧池4进水端之间由硝化液回流管20连接。

该装置具体进行污水处理的过程如下：

(1)污水由进水管1与来自厌氧池3的厌氧释磷污泥一并从装置底部进入水解酸化池2，该池平均污泥浓度15-20g/L，水力停留时间2.5-3h。污水与厌氧污泥混合液中的有机物和微生物细胞在水解产酸菌的作用下转化为溶解性有机物和VFA。水解酸化作用还能促进来自厌氧池污泥细胞中磷的进一步释放，提高厌氧池磷浓度、增强除磷效果。

(2)经上述水解酸化池2处理后富含VFA的上清液进入厌氧池3(水力停留时间1～2h)，首先与缺氧池4经反硝化脱氮后的回流反硝化液(反硝化液回流量为进水流量的100％～150％，低于此值会导致厌氧池污泥量的减少，高于此值则会因回流液带入的较多量硝酸盐而影响释磷效果)混合，较高VFA浓度的水解酸化液为强化聚磷菌释磷提供有效碳源，在搅拌器21搅动下进行厌氧释磷，同时去除部分有机物，厌氧池3达到50mg/L以上的厌氧释磷浓度。

(3)上述厌氧池3中约为装置总进水流量10％左右的释磷混合液进入共壁的侧流沉淀池8，经1h水力停留时间进行沉淀泥水分离后，富磷清液通过一号污水管10导入化学除磷池9(停留时间30min左右)进行磷的化学固定，以5mg/L作为化学除磷池9出水控制目标，产生含磷酸盐量高达73％-83％(以P计为16-18％，以P₂O₅计为36-40％)的富磷化学污泥，通过底部污泥管13排除，并进行回收利用于复混肥添加剂或送至磷肥厂替代磷矿石资源。

(4)厌氧池3释磷后剩余的90％的混合液与多级串联接触曝气池5出水端硝化液(通过硝化液回流管20)以及二沉池6的回流污泥(通过三号回流污泥管15)一起混合进入缺氧池4，在搅拌器21搅动下通过反硝化菌的作用完成氮的反硝化脱除，同时去除部分有机物。其中，硝化液回流比为150-200％(低于此取值范围，系统总氮去除率较低；高于此取值范围，缺氧池4会因溶解氧浓度过高而使得反硝化脱氮效率降低)，剩余污泥回流比为30-50％，以维持缺氧池的污泥浓度和反硝化脱氮效率。

(5)上述缺氧池4出水与来自化学除磷池9经除磷后的约为装置总进水流量10％的除磷上清液(通过二号污水管11)一起进入多级串联接触曝气池5，在硝化菌作用下将氨氮转化为硝态氮、在聚磷菌作用下完成磷的好氧吸收并降解转化残余有机物。同时，多级串联接触曝气池5通过分成相对独立的三格，利用有机物浓度梯度、水利停留时间、溶解氧浓度以及生物填料填充比等因素控制范围的不同来提高高等微生物的生长密度，延长食物链(细菌—原生动物—后生动物)，利用微生物的逐级捕食作用实现污泥减量。多级串联接触曝气池5第一格细菌分散生长区16的水力停留时间控制在30-45min，DO控制在0.5-1.0mg/L，该池主要利用系统经脱氮除磷后残余的溶解性COD培养繁殖较多量的分散而非菌胶团状态的细菌，失去菌胶团保护的细菌在后续第二格原生动物生长区17和第三格后生动物生长区18中被高级别的原、后生微生动物捕食，减少了剩余污泥产量，且该两格内高级别的微型动物还通过吞食较大有机颗粒进一步降解有机污染物，其水力停留时间分别为1.5-2h和2-2.5h、DO浓度分别为0.5-1.0mg/L和1.0-1.5mg/L，生物填料填充比均为30-40％。多级串联接触曝气池5控制较低DO浓度使得污水在好氧单元以较少的能耗下得到处理，节约了耗氧量。

(6)经多级串联接触曝气池5生物反应后的混合液最后进入二沉池6(水力停留1h)，沉淀上清液从出水管7排出，系统增殖的污泥量通过一号回流污泥管12将厌氧池3中的污泥回流至水解酸化池2进行水解酸化处理，提高污水的可生化性、增加易被微生物吸收的小分子有机物量，同时起到污泥减量作用。回流至水解池2的厌氧污泥量为进水量的2-4％，低于此取值范围则导致水解酸化污泥减量效果不佳，且水解产生的VFA量无法满足后续厌氧释磷和缺氧反硝化所需的足够碳源；高于此取值范围则导致系统活性微生物量的减少，影响系统污水处理效果。

具体应用实例1：以重庆某大学校园排放的生活污水为处理对象，装置进水流量为20L/h，进水COD 225-344mg/L，NH₃-N 31-45mg/L，TN 37-56mg/L，TP 7-9mg/L，pH值7-8，试验温度为20-24℃。试验结果表明：当厌氧池混合液回流水解酸化量为进水流量的2％时，厌氧释磷浓度达到55mg/L左右，外排进行化学固磷的厌氧富磷污水量为处理水量的10％，所得化学污泥磷酸盐含量为73％(以P计为16％)。系统出水COD浓度检测不出，近百分百去除；系统出水TP浓度小于0.5mg/L，平均去除率超过93％；系统出水NH₃-N浓度在1mg/L以下，平均去出率大于97％；系统出水TN浓度小于15mg/L，平均去除率超过68％；系统污泥表观产率系数为0.1，为传统脱氮除磷工艺污泥产率(约0.3)的1/3。

具体应用实例2：以重庆某大学校园排放的生活污水为处理对象，通过投NH₄CI和K₂HPO₄调节NH₃-N、TN和TP浓度。装置进水流量为20L/h，进水COD、NH₃-N、TN、TP浓度分别为225-344mg/L，NH₃-N 65-85mg/L，TN 65-85mg/L，TP 13-15mg/L，pH值7-8，试验温度为20-24℃。试验结果表明：当厌氧池混合液回流水解酸化量为进水流量的4％时，水解后VFA浓度在350mg/L以上，厌氧释磷浓度在60mg/L以上，外排进行化学固磷的厌氧富磷污水量为处理水量的15％，所得化学污泥磷酸盐含量为83％(以P计为18％)。系统出水COD浓度检测不出，近百分百去除；系统出水TP浓度小于0.5mg/L，平均去除率超过96％；出水NH₃-N浓度在2mg/L以下，平均去除率大于97％；出水TN浓度小于15mg/L，平均去除率超过80％；系统污泥表观产率系数为0.14，远小于传统脱氮除磷工艺污泥产率(约0.3)。