一种污水生物处理强化脱氮的方法及装置

摘要

本发明涉及一种污水生物处理强化脱氮的方法及装置，包括(1)在由厌氧-缺氧-好氧或缺氧-好氧生物处理过程组成的污水处理系统中，从好氧生物处理及沉淀分离后排出的生物污泥经胞外聚合物可溶化处理；(2)经胞外聚合物可溶化处理后的溶解液与未经胞外聚合物溶解的生物污泥进行水解酸化处理；(3)经水解酸化处理后的溶解液和生物污泥返送到污水生物处理的厌氧或缺氧处理单元入口端进行处理。本发明对经可溶化处理的溶解液转化为易生物降解物质，使未经过EPS可溶化处理的生物污泥得到驯化，回流至污水生物处理系统，为缺氧处理单元反硝化增加碳源，因此既增强了污水脱氮的效果，又可对生物污泥进行减量化资源化利用；提高了污泥利用效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种污水生物处理强化脱氮的方法及装置，特别是对污泥经胞外 聚合物溶解后再进行水解酸化处理，把部分未经过胞外聚合物溶解化处理的生物 污泥驯化成适于分解胞外聚合物溶解物，释放的高碳氮比、易生物降解的物质作 为污水脱氮的碳源回流到污水生物脱氮处理系统的方法，属于水处理技术及环保 领域。

背景技术

随着水体富营养化问题的日渐突现，公众环境意识的提高，污水脱氮问题成 为水污染控制中广泛关注的热点。越来越多的国家和地区制定了严格的污水氮排 放标准。典型的生物脱氮技术是通过厌氧、缺氧、好氧等工序，使污水中发生氨 氮的硝化、硝酸盐反硝化，实现出水N含量的降低，反硝化过程需要消耗一定 的碳源。虽然这一方法具有同时脱除C、N、P且处理成本低等优点，但要想达 到出水总氮含量<20mg/L(城镇污水处理厂污水排放二级标准)，根据实践经验 必须保证原水中溶解性生物需氧量与总凯氏氮的比值大于等于4。而目前我国市 政污水中有机物的含量普遍较低，反硝化碳源不足导致整个系统脱氮效率不佳。 一些现有的处理办法存在问题，如向污水中投加乙酸钠等外加碳源的方法在提高 处理效果的同时也大幅增加了运行成本，难于在我国普及推广；设立初沉污泥发 酵池，利用发酵后的上清液来补充反硝化所需碳源的方法不仅耗时过长，也难以 控制反应阶段。另一方面，剩余污泥处理的高成本已成为污水生物处理运行的制 约因素，污泥的源头减量受到了高度关注。对剩余污泥进行胞外聚合物(EPS) 溶解得到高碳氮比的溶解液，回流至污水生物处理系统可以为缺氧处理单元反硝 化提供碳源，也可使污泥减量，但这种方法存在溶解的胞外聚合物多为难生物降 解有机物、回流污泥中缺少适应于分解胞外聚合物溶解液的微生物等问题，严重 地制约了该技术的普及。因此，探索一种高效、低成本的城市污水生物脱氮及生 物污泥减量化新工艺非常必要。

本发明将难生物降解的胞外聚合物溶解液有效地转化为生物可利用的有机 碳源，并使未经过EPS可溶化处理的生物污泥得到驯化，成为适于分解胞外聚 合物溶解物，达到提高回流碳源利用效率的目的，同时可使生物污泥减量化和增 强污水脱氮能力，为解决本领域的技术经济难题提供技术手段。

发明内容

本发明涉及一种生物污泥经EPS溶解后再进行水解酸化处理，释放高碳氮 比、易生物降解的物质作为反硝化脱氮的碳源，同时将生物污泥中未经过EPS 溶解化处理的部分驯化出适于分解EPS溶解物的微生物，水解酸化后的物质回 流至到生物厌氧或缺氧处理阶段，对污水进行脱氮的方法。

污水处理厂每日产生大量生物污泥，生物污泥是由微生物和EPS等组成的， EPS约占污泥为50-60％，是生物污泥中有机物的主要组成部分，其中70％～80％ 是由蛋白质和多糖构成，余下的20％～30％来自于腐殖酸、核酸和脂类等，这些 物质的碳与氮的比例大大高于生物细胞，溶解后的溶解液具有很高的碳氮比。 EPS来源一是由细菌细胞新陈代谢分泌的高分子聚合物，二是来自于污废水中的 化合物，即污泥所处的基质环境。有研究表明，污泥EPS是由40％可生物降解 EPS和60％不可生物降解EPS组成，而可生物降解的部分则多为难生物降解物 质，可生化性差。同时常规的生物脱氮处理系统即污水厌氧生物处理装置、污水 缺氧生物处理装置和污水好氧生物处理装置中缺乏能够利用EPS的微生物，限 制了EPS的利用效率。对排出的生物污泥进行EPS溶解可以得到高碳氮比的生 物污泥溶解液；将其作为碳源回流到生物脱氮处理系统，如污水生物处理的厌氧 或缺氧处理单元入口端，可以补充污水原水中的碳源，提高反硝化脱氮效果，同 时对这一部分剩余污泥的消耗实现了生物污泥减量化；为了提高回流溶解液的可 生化降解性并避免处理系统中缺乏相适应的微生物，该发明对生物污泥经过EPS 溶解化处理后，再进行水解酸化处理，可以有效地使难生物降解的有机物进一步 分解，转化为易生物降解物质，并使未经过可溶化的生物污泥得到驯化，驯化后 的微生物更适应于降解EPS溶解后的产物，减少了投资成本。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种污水生物处理强化脱氮的方法，至少由如下过程组成：

(1)在由厌氧‐缺氧‐好氧或缺氧‐好氧生物处理过程组成的污水处理系统中， 从好氧生物处理及沉淀分离后排出的生物污泥经胞外聚合物可溶化处理；

(2)经胞外聚合物可溶化处理后的溶解液与未经胞外聚合物溶解的生物污 泥进行水解酸化处理；

(3)经水解酸化处理后的溶解液和生物污泥返送到污水生物处理的厌氧或 缺氧处理单元入口端进行处理。

所述水解酸化池水力停留时间为24‐28h，污泥停留时间为1.5‐2d，碱度在 700‐750mg/L。

所述水解酸化处理添加的未经胞外聚合物溶解的生物污泥来源于沉淀池的 回流污泥和缺氧池的泥水混合物的一种或多种选择。

本发明的污水处理方法的装置，至少包括污水生物脱氮处理装置、沉淀池、 EPS溶解装置和水解酸化处理装置；沉淀池的污泥出口与EPS溶解装置的污泥入 口连接，EPS溶解装置的污泥出口与水解酸化处理装置污泥入口连接，沉淀池污 泥出口与厌氧生物处理装置或缺氧生物处理装置污泥入口连接。

所述污水生物脱氮处理装置包括串联的污水厌氧生物处理装置、污水缺氧生 物处理装置和污水好氧生物处理装置；或串联的污水缺氧生物处理装置与污水好 氧生物处理装置。

水解酸化处理装置污泥入口包括以下3种连接方式：

水解酸化处理装置未经胞外聚合物溶解的生物污泥来源为沉淀池污泥出口 与水解酸化处理装置污泥入口连接。

水解酸化处理装置未经胞外聚合物溶解的生物污泥来源为污水缺氧生物处 理装置的污水缺氧生物处理后的泥水混合物出口与水解酸化处理装置的污泥入 口连接。

水解酸化处理装置未经胞外聚合物溶解的生物污泥来源为沉淀池污泥出口 和污水缺氧生物处理装置的污水缺氧生物处理后的泥水混合物出口同时与水解 酸化处理装置污泥入口连接。

具体说明如下：

污水生物脱氮处理系统所排出的泥水混合物在沉淀池中分离后，将生物污泥 进行EPS溶解处理。由于生物污泥是由微生物和EPS等组成的，约占污泥为 50-60％的EPS成分主要包括高碳氮比的多糖、蛋白质及少量的腐殖质，这些物 质的碳与氮的比例大大高于生物细胞，溶解后的溶解液具有很高的碳氮比，但污 泥EPS是由40％可生物降解EPS和60％不可生物降解EPS组成，而可生物降 解的部分则多为难生物降解物质，可生化性差。且常规的生物脱氮处理系统即污 水厌氧生物处理装置、污水缺氧生物处理装置和污水好氧生物处理装置中缺乏能 够利用EPS的微生物，EPS的利用效率低。将经EPS溶解的生物污泥进一步进 行水解酸化处理，可以有效地使难生物降解的有机物进一步分解，转化为易生物 降解物质，提高可生化性，并使未经过EPS可溶化处理的生物污泥得到驯化， 驯化后的微生物更适应于降解EPS溶解后的产物，将溶解液回流至生物处理单 元的厌氧或缺氧处理单元入口端随污水进行处理，可以为缺氧段反硝化过程生物 反应补充碳源和已驯化的微生物，同时达到污泥减量化的目的。

所发明的溶解EPS、驯化污泥以促进污水脱氮的方法的具体流程为：经过预 处理的污水进入污水生物脱氮处理装置，经脱氮过程的泥水混合物进入沉淀池分 离，上清液达标排放，产生的污泥部分回流至生物脱氮系统以维持生物处理系统 的微生物总量平衡，部分污泥进入EPS溶解装置进行可溶化处理，产生高碳比 溶解液，经处理的溶解液以及来自沉淀池的污泥或污泥缺氧生物处理装置的泥水 混合物进入水解酸化装置，进一步分解后的高碳氮比的溶解液连同驯化的生物污 泥进入生物脱氮处理系统的厌氧或缺氧段，为反硝化生物反应补充碳源和已驯化 微生物。剩余污泥外排处理。EPS溶解的方法可以采用超声波、臭氧氧化、离心 或加入碱性试剂如碳酸氢钠、碳酸钠、石灰、氢氧化钠等。

所述水解酸化装置的污泥来源有三种。来源一：当沉淀池排出的生物污泥量 较多时，即足够维持污水处理系统的总生物量平衡并有剩余污泥产生时，部分生 物污泥直接排入水解酸化装置以提供未经过EPS可溶化处理的生物污泥；来源 二：当沉淀池排出的生物污泥量较少时，即没有剩余污泥或剩余污泥较少时，从 污水缺氧生物处理装置排出的部分泥水混合物排入水解酸化处理装置以提供可 被驯化的微生物；来源三：当沉淀池排出的生物污泥量适中时，水解酸化装置的 污泥一部分来自于沉淀池排出的生物污泥，一部分来自于污水缺氧生物处理装置 排出的泥水混合物。

所述的生物脱氮处理装置分为两种。一种包括污水厌氧生物处理装置、污水 缺氧生物处理装置和污水好氧生物处理装置，另一种包括污水缺氧生物处理装置 和污水好氧生物处理装置。两种装置均能强化脱氮，根据进水水质的不同以及投 资、操作运行费用的不同选择相应的装置。

本发明的有益效果是，对污水处理工艺产生的生物污泥进行EPS溶解，溶 解液进一步水解酸化并回流对污水进行脱氮的方法；对经可溶化处理的溶解液进 一步水解酸化处理可以使难生物降解的有机物进一步分解，转化为易生物降解物 质，提高可生化性，并使未经过EPS可溶化处理的生物污泥得到驯化，更适应 于降解EPS溶解后的产物，回流至污水生物处理系统，可为缺氧处理单元反硝 化增加碳源，因此既增强了污水脱氮的效果，又可对生物污泥进行减量化资源化 利用；提高了污泥利用效率，相比其他工艺，也减少了投资成本。

附图说明

图1：实施例1装置流程图

图2：实施例2装置流程图

图3：实施例3装置流程图

图4：实施例4装置流程图

图5：实施例5装置流程图

图6：实施例6装置流程图

其中：1-原水；2-污水厌氧生物处理装置；3-污水厌氧生物处理后的泥水混 合物；4-回流混合液；5-污水缺氧生物处理装置；6-污水缺氧生物处理后的泥水 混合物；7-污水好氧生物处理装置；8-污水好氧生物处理后的泥水混合物；9-沉 淀池；10-达标污水；11-回流污泥；12-剩余污泥；13-EPS溶解装置；14-溶解液； 15-水解酸化处理装置；16-回流混合液；17-空气。

具体实施方式

本发明适用于对污水处理厂产生的剩余污泥进行污泥EPS溶解后水解酸化 进一步分解，回流至生物缺氧单元为反硝化脱氮过程补充碳源和已驯化的微生 物，增加脱氮效果，实现污泥减量化，提高生物污泥利用效率。该方法不仅为生 物处理单元提供必不可少的易降解的碳源和已驯化微生物，也实现了对污泥减量 化资源化的利用，在满足处理目标的前提下显著减少成本。

本发明的污水处理方法的装置至少包括：污水生物脱氮处理装置、EPS溶解 装置13、水解酸化处理装置15和沉淀池9；污水生物脱氮处理装置包括污水厌 氧生物处理装置2、污水缺氧生物处理装置5、污水好氧生物处理装置7或污水 缺氧生物处理装置5、污水好氧生物处理装置7；沉淀池9的污泥出口与EPS溶 解装置13的污泥入口连接，EPS溶解装置13的污泥出口与水解酸化处理装置 15污泥入口连接，沉淀池9污泥出口与厌氧生物处理装置3或缺氧生物处理装 置5污泥入口连接。

污水生物脱氮处理装置包括污水厌氧生物处理装置2、污水缺氧生物处理装 置5、污水好氧生物处理装置7或污水缺氧生物处理装置5、污水好氧生物处理 装置7。

水解酸化处理装置15未经胞外聚合物溶解的生物污泥来源有三种选择：来 源一：沉淀池9污泥出口与水解酸化处理装置15污泥入口连接；来源二：污水 缺氧生物处理装置5的污水缺氧生物处理后的泥水混合物6出口与水解酸化处理 装置15的污泥入口连接；来源三：沉淀池9污泥出口和污水缺氧生物处理装置 5的污水缺氧生物处理后的泥水混合物6出口同时与水解酸化处理装置15污泥 入口连接。

实施例1

本实施例以某污水处理厂的处理工艺改进为例，如图1所示，该污水处理 厂采用A²O(厌氧-缺氧-好氧)工艺进行同步脱氮除磷。原水1流入污水厌氧生物 处理装置2，污水厌氧生物处理后的泥水混合物3流入污水缺氧生物处理装置5， 污水缺氧生物处理后的泥水混合物6流入污水好氧生物处理装置7，持续向污水 好氧生物处理装置7曝气(通入空气17)，回流混合液4回流至缺氧生物处理装 置5，污水好氧生物处理后的泥水混合物8流入沉淀池9，最后达标污水10排 放，从沉淀池9排出的部分回流污泥11回流至污水厌氧生物处理装置2，部分 回流污泥11进入EPS溶解装置13采用超声波法进行可溶化处理，加入碳酸氢 钠调节pH值为9，超声波密度为15W/cm²，处理时间为30分钟。溶解液14、 部分回流污泥11和从污水缺氧生物处理装置5排出的部分泥水混合物6进入水 解酸化处理装置15进一步分解转化为易生物降解物质，并使未经过可溶化的生 物污泥得到驯化，从水解酸化处理装置15排出的回流混合液16回流至污水厌氧 生物处理装置2为反硝化提供易降解碳源和已驯化微生物，剩余污泥12外排。 经过对回流碳源中的碳氮比和出水中总氮的监测，回流碳源中碳氮比高于20， 出水中总氮含量低于15mg/L(一级A标准)。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，如图2所示，不同之处在于，当沉淀池排出 的生物污泥量较少时，省略部分回流污泥11直接进入水解酸化处理装置15段。

具体流程如下：原水1流入污水厌氧生物处理装置2，污水厌氧生物处理后 的泥水混合物3流入污水缺氧生物处理装置5，污水缺氧生物处理后的泥水混合 物6流入污水好氧生物处理装置7，持续向污水好氧生物处理装置7曝气(通入 空气17)，回流混合液4回流至缺氧生物处理装置5，污水好氧生物处理后的泥 水混合物8流入沉淀池9，最后达标污水10排放，从沉淀池9排出的部分回流 污泥11回流至污水厌氧生物处理装置2，部分回流污泥11进入EPS溶解装置 13采用超声波法进行可溶化处理，加入碳酸氢钠调节pH值为10，超声波密度 为10W/cm²，处理时间为30分钟。溶解液14和从污水缺氧生物处理装置5排出 的部分泥水混合物6进入水解酸化处理装置15进一步分解转化为易生物降解物 质，并使未经过可溶化的生物污泥得到驯化，从水解酸化处理装置15排出的回 流混合液16回流至污水厌氧生物处理装置2为反硝化提供易降解碳源和已驯化 微生物，剩余污泥12外排。经过对回流碳源中的碳氮比和出水中总氮的监测， 回流碳源中碳氮比高于20，出水中总氮含量低于15mg/L(一级A标准)。

实施例3

本实施例与实施例1基本相同，如图3所示，不同之处在于，当沉淀池排出 的生物污泥量较多时，省略从污水缺氧生物处理装置排出的部分泥水混合物6 进入水解酸化处理装置15段。

具体流程如下：原水1流入污水厌氧生物处理装置2，污水厌氧生物处理后 的泥水混合物3流入污水缺氧生物处理装置5，污水缺氧生物处理后的泥水混合 物6流入污水好氧生物处理装置7，持续向污水好氧生物处理装置7曝气(通入 空气17)，回流混合液4回流至缺氧生物处理装置5，污水好氧生物处理后的泥 水混合物8流入沉淀池9，最后达标污水10排放，从沉淀池9排出的部分回流 污泥11回流至污水厌氧生物处理装置2，部分回流污泥11进入EPS溶解装置 13采用超声波法进行可溶化处理，加入碳酸氢钠调节pH值为11，超声波密度 为12W/cm²，处理时间为20分钟。溶解液14和部分回流污泥11进入水解酸化 处理装置15进一步分解转化为易生物降解物质，并使未经过可溶化的生物污泥 得到驯化，从水解酸化处理装置15排出的回流混合液16回流至污水厌氧生物处 理装置2为反硝化提供易降解碳源和已驯化微生物，剩余污泥12外排。经过对 回流碳源中的碳氮比和出水中总氮的监测，回流碳源中碳氮比高于20，出水中 总氮含量低于15mg/L(一级A标准)。

实施例4

本实施例与实施例1基本相同，如图4所示，不同之处在于，为了减小投资， 降低操作费用，采用缺氧-好氧工艺，省略污水厌氧生物处理装置2。

具体流程如下：原水1流入污水缺氧生物处理装置5，污水缺氧生物处理后 的泥水混合物6流入污水好氧生物处理装置7，持续向污水好氧生物处理装置7 曝气(通入空气17)，回流混合液4回流至缺氧生物处理装置5，污水好氧生物 处理后的泥水混合物8流入沉淀池9，最后达标污水10排放，从沉淀池9排出 的部分回流污泥回流至污水缺氧生物处理装置5，部分回流污泥11进入EPS溶 解装置13采用超声波法进行可溶化处理，加入碳酸氢钠调节pH值为13，超声 波密度为15W/cm²，处理时间为10分钟。溶解液14、部分回流污泥11和从污 水缺氧生物处理装置5排出的部分泥水混合物6进入水解酸化处理装置15进一 步分解转化为易生物降解物质，并使未经过可溶化的生物污泥得到驯化，从水解 酸化处理装置15排出的回流混合液16回流至污水缺氧生物处理装置5为反硝化 提供易降解碳源和已驯化微生物，剩余污泥12外排。经过对回流碳源中的碳氮 比和出水中总氮的监测，回流碳源中碳氮比高于20，出水中总氮含量低于15 mg/L(一级A标准)。

实施例5

本实施例与实施例4基本相同，如图5所示，不同之处在于，当沉淀池排出 的生物污泥量较少时，省略部分回流污泥11直接进入水解酸化处理装置15段。

实施例6

本实施例与实施例4基本相同，如图6所示，不同之处在于，当沉淀池排出 的生物污泥量较多时，省略从污水缺氧生物处理装置排出的部分泥水混合物6 进入水解酸化处理装置15段。

实施例7

本实施例与实施例1基本相同，如图1所示，不同之处在于采用臭氧氧化法 进行可溶化处理。

实施例8

本实施例与实施例1基本相同，如图1所示，不同之处在于采用离心法进行 可溶化处理。