连续流污水处理系统实现短程脱氮的方法

摘要

一种连续流污水生物处理系统实现短程脱氮的方法属于污水生物处理领域。短程脱氮是经济高效的污水生物脱氮方法。目前短程脱氮多是在间歇式脱氮处理系统中实现的，而实际应用较多的脱氮除磷连续流处理系统由于运行调控的复杂性难于实现短程脱氮。本发明在处理生活污水的连续流脱氮除磷系统中，在常温和溶解氧浓度为1-2mg/L的运行条件下，通过调控污泥回流比、硝化液回流比和好氧区水力停留时间实现短程脱氮。亚硝酸盐积累率稳定维持在90%，氨氮去除率在95%以上，总磷去除率达到90%以上。本发明解决了以往将短程脱氮应用于连续流的污水生物脱氮除磷系统的难题，拓宽了短程脱氮的应用范围，可用于指导连续流的污水生物脱氮除磷系统实现短程脱氮的运行调控。

权利要求

1.一种连续流污水生物处理系统实现短程脱氮的方法，其特征在于：生物处理反应器顺次划分为预缺氧区、厌氧区、缺氧区和好氧区，预缺氧区、厌氧区、缺氧区和好氧区体积比为1:2:3.5:4；好氧区和缺氧区之间连接硝化液回流管和硝化液回流泵；二沉池底部与预缺氧区之间连接污泥回流管和污泥回流泵，二沉池连接排水管和剩余污泥管；污水箱与厌氧区之间连接进水管和进水蠕动泵；污水箱与预缺氧区之间连接进水管和进水蠕动泵；进水分为两部分，污水水量的2/3进入厌氧区用于厌氧放磷；另外的1/3进入预缺氧区，用于回流污泥中硝态氮和亚硝态氮的反硝化；常温下，通过调控污泥回流比、硝化液回流比、好氧区DO浓度和好氧区水力停留时间实现短程脱氮，整个过程分为以下3个阶段：阶段Ⅰ控制污泥回流比为60％、硝化液回流比为200％、好氧区DO浓度为2mg/L、好氧- -区水力停留时间3.4h，待好氧区NO2-N/NOx-N质量浓度百分比上升至60％～70％进入阶段Ⅱ；

阶段Ⅱ控制污泥回流比为60％、硝化液回流比为200％、好氧区DO浓度为1.5mg/L、好- -氧区水力停留时间3.4h，待好氧区NO2-N/NOx-N质量浓度百分比达到80％～90％进入阶段III；

阶段III控制污泥回流比为60％、硝化液回流比为200％、好氧区DO浓度为1.0mg/L、- -好氧区水力停留时间3.4h，好氧区NO2-N/NOx-N质量浓度百分比达到90％以上。

说明书

连续流污水处理系统实现短程脱氮的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种连续流污水生物处理系统实现短程脱氮的方法，属于污水生物处理领域。

背景技术

[0002] 水体富营养化已成为全球性水环境问题，其主要原因之一是氮、磷营养元素的过量排放。为控制氮、磷营养元素过量排放对自然水体生态平衡的破坏，许多国家都严格限制排入天然水体的氮、磷量。我国制定的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）对氮、磷的排放指标提出了更为严格的要求，其中一级排放标准（A标准）规定氨氮浓度不超过5mg/L，总磷浓度不超过0.5mg/L。因此，污水脱氮除磷新理论、新技术的研究开发即符合我国国情，又是污水处理领域的研究热点和国际前沿。

[0003] 近年来，产生了一系列污水脱氮除磷新理论，如短程硝化-反硝化、同步硝化反硝化、厌氧氨氧化、反硝化除磷等。其中短程脱氮以其高效、经济、节能、易于工程实践等优势受到广泛关注。传统的生物脱氮包括硝化和反硝化2个反应过程。其中硝化部分首先是由+ -氨氧化菌（Ammonia Oxidizing Bacteria，AOB）将NH4-N氧化为NO2-N的氨氧化过程；然后- -
是由亚硝酸盐氧化菌（Nitrite Oxidizing Bacteria，NOB）将NO2-N氧化为NO3-N的亚硝- -
态氮氧化过程。最后通过反硝化细菌的反硝化作用将产生的NO3-N转化为N2。其中NO2-N+
是硝化和反硝化2个过程的中间产物。如果将NH4-N氧化控制在亚硝化阶段，然后通过反- + -
硝化作用将NO2-N还原为N2，经NH4-N→NO2-N→N2这样的途径完成脱氮，即短程脱氮途径。短程脱氮与全程脱氮相比，缩短了反应时间，并可节约25%左右的供氧量，节约40%左右的反硝化所需碳源，减少污泥生成量，直接降低污水处理费用。

[0004] 实现短程脱氮的关键在于抑制NOB的活性或生长速率，造成AOB的数量或者活性在硝化系统中占优势，使活性污泥系统内的氨氧化速率大于系统内的亚硝态氮氧化速率，从而导致亚硝酸盐的积累。研究发现游离氨FA（Free Ammonia）、游离亚硝FNA（Free Nitrous Acid）、pH值、温度、DO浓度以及抑制剂等都能够影响AOB和NOB的代谢活性和生长速率。

[0005] 本发明在一种连续流污水生物脱氮除磷系统中实现了短程脱氮，在技术上不同于现有技术，主要体现在以下四方面：

[0006] （1）工艺的运行方式。污水生物处理工艺主要有两种运行方式，即间歇式工艺和连续流工艺。目前短程脱氮主要是在间歇式的工艺中实现的，这是由于间歇式工艺运行调控较灵活，尤其是对反应时间的控制简单易行，便于采取调控措施调整运行状态。对于大规模城市污水处理厂广泛采用的连续流工艺难于实现短程脱氮，主要是由于连续流工艺运行调控较复杂，可控变量少，调控手段和措施完全不同于间歇式工艺。本发明主要研究在连续流污水生物脱氮除磷系统中实现短程脱氮的方法。

[0007] （2）水质条件。较高水温（30℃～38℃）容易实现短程硝化。游离氨FA的选择抑制途径也是实现短程硝化的主要途径。因此，有限的研究报道主要集中在水温较高的污泥厌氧消化液和高氨氮含量的垃圾渗滤液的处理。而对于实际城市污水，水温达不到实现短程脱氮的理想温度，低氨氮浓度也无法形成游离氨的选择性抑制。因此，实际城市污水处理系统非常难于实现短程脱氮。本发明主要研究在处理实际城市污水的连续流系统中实现短程脱氮的方法。

[0008] （3）调控手段。目前关于短程脱氮在工程实践中应用的调控手段主要有高温、高游离氨FA抑制、低曝气量（或低DO浓度）、基于DO、ORP、pH在线监测控制反应时间。本发明由于是处理实际城市污水的连续流系统，不具备高温和高游离氨FA抑制的水质条件，也无法通过DO、ORP、pH在线监测控制反应时间。已有的连续流系统实现短程脱氮的调控手段有好氧区低DO浓度控制。但应用中发现低DO运行也抑制了AOB的活性，使氨氧化速率和氨氮去除率显著下降；如果将DO提高到1.0mg/L时，短程硝化迅速被破坏。上述现象说明了处理城市污水的连续流工艺实现短程硝化并保证脱氮效果是更加困难的。本发明中的连续流工艺在正常DO浓度（1-2mg/L）的条件下运行快速实现短程脱氮，未见相关报道。

[0009] （4）处理的目标污染物。目前关于短程脱氮的研究报道都是在单纯的污水生物脱氮系统中实现的。本发明是关于在污水生物脱氮除磷系统中如何实现短程脱氮，由于系统兼具除磷功能，运行调控更为复杂，更难于实现短程脱氮。正是由于实际的污水处理厂往往都具有同时脱氮除磷的功能，因此本发明对实际工程中的短程脱氮应用具有更强的指导意义。为提高磷的去除效果，本发明连续流系统前增设了预缺氧区，用于将来自二沉池回流污泥中的硝态氮和亚硝态氮反硝化，消除对厌氧释磷的不利影响。原污水1/3进入预缺氧区，2/3进入厌氧区。进水分流可以充分利用原污水中的有机碳源，保证预缺氧区反硝化和厌氧区放磷的碳源需求。

发明内容

[0010] 本发明的目的在于提供一种处理实际污水的连续流生物脱氮除磷系统及实现短程脱氮的方法，以期在处理实际污水的连续流系统中启动并维持短程脱氮，解决以往将短程脱氮应用于处理实际污水的连续流系统中碰到的技术难题，拓展短程脱氮的应用范围。

[0011] 一种连续流污水生物脱氮除磷系统，由合建式反应器和二沉池组成，合建式反应器顺次划分为预缺氧区、厌氧区、缺氧区和好氧区；其特征在于：预缺氧区、厌氧区、缺氧区和好氧区体积比为1:2:3.5:4；预缺氧区、厌氧区、缺氧区和好氧区通过溢流堰相通；好氧区和缺氧区之间连接硝化液回流管和硝化液回流泵；二沉池底部与预缺氧区之间连接污泥回流管和污泥回流泵，二沉池连接排水管和剩余污泥管；污水箱与厌氧区之间连接进水管和进水蠕动泵；污水箱与预缺氧区之间连接进水管和进水蠕动泵；预缺氧区、厌氧区和缺氧区安装搅拌器；好氧区内设有DO测定仪，底部安装曝气头；空气泵和曝气头之间连接空气流量计。

[0012] 应用所述一种连续流污水生物脱氮除磷系统实现短程脱氮的方法，其特征在于：污水水量的1/3进入预缺氧区，2/3进入厌氧区；常温下，通过调控污泥回流比、硝化液回流比、好氧区DO浓度和好氧区水力停留时间实现短程脱氮，整个过程分为以下3个阶段：

[0013] 阶段Ⅰ控制污泥回流比为60%、硝化液回流比为200%、好氧区DO浓度为2mg/L、好- -氧区水力停留时间3.4h，待好氧区出水NO2-N/NOx-N质量浓度百分比上升至60%～70%进入阶段Ⅱ。

[0014] 阶段Ⅱ控制污泥回流比为60%、硝化液回流比为200%、好氧区DO浓度为1.5mg/L、- -好氧区水力停留时间3.4h，待好氧区出水NO2-N/NOx-N质量浓度百分比达到80%～90%进入阶段III。

[0015] 阶段III控制污泥回流比为60%、硝化液回流比为200%、好氧区DO浓度为1.0mg/- -L、好氧区水力停留时间3.4h，好氧区出水NO2-N/NOx-N质量浓度百分比达到90%以上。

[0016] 本发明中在处理实际污水的连续流脱氮除磷系统中启动并维持短程脱氮的工作原理为：

[0017] （1）好氧水力停留时间。有研究表明，即使是稳定的短程硝化系统，过量曝气也会造成短程硝化效果的逐步破坏。这表明严格控制曝气时间是实现短程硝化极为重要的因素。在本系统短程硝化启动阶段降低好氧HRT可以防止系统过曝气，有效限制NOB的增长、促进系统对NOB的淘洗和AOB的富集。通过增大进水流量，虽然系统的氨氮去除率降低，却提高了系统的氨氮负荷，有利于AOB的优势生长。

[0018] （2）硝化液回流比和污泥回流比。单独控制好氧HRT和系统SRT并不能在本系统中启动短程脱氮。通过控制较大的硝化液回流比（200%）和污泥回流比（60%）缩短好氧区实际水力停留时间是本发明实现短程脱氮的关键。较大的硝化液回流比和污泥回流比加快了-泥水混合物在好氧和缺氧区的交替。在好氧区生成的NO2-N可以在缺氧区通过反硝化作用-
被及时的去除；防止在较长的好氧实际水力停留时间情况下，NO2-N在好氧区被NOB进一步-
氧化成NO3-N。而由于NOB不能有效的得到底物进行生长繁殖，代谢活性逐渐受到抑制，生长速率大幅降低，最终被淘洗出系统。

[0019] 此外，NOB的好氧呼吸酶合成滞后性也是造成在较短好氧水力停留时间下NO2--N积累的另一个主要原因。当NOB从缺氧或者厌氧状态进入好氧状态后，氧对NOB细胞将会有毒害作用，会抑制NOB细胞的生长。这可能与NOB体内过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶的合成滞后有关。在呼吸过程中，氧被转化成过氧化物、超氧化物和羟基自由基等短暂的中间产物。NOB具有合成过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶的能力，能够使得上述毒性物质分解，但从缺氧或者厌氧状态进入好氧状态后，NOB需要一定时间来重新合成这些解毒酶。通过缩短好氧水力停留时间，加快了NOB在缺氧区和好氧区的循环，阻碍NOB对上述三种酶的合成，有毒的氧化产物对NOB的生长和活性产生了抑制。

[0020] 本发明的有益效果：

[0021] 通过污水生物脱氮除磷处理降低排放到天然地表水体中的氮、磷浓度是减轻水体富营养化的根本措施。短程脱氮由于将硝化反应控制在亚硝化，然后直接进入反硝化阶段而大大缩短了生化反应过程，是一种经济、高效、节能的脱氮方法。本发明提供了一种在连续流污水生物脱氮除磷系统中实现短程脱氮的方法。通过控制连续流系统好氧区DO浓度为1.0～2.0mg/L、增大系统进水流量、增大污泥回流比和硝化液回流比以降低好氧区水力停留时间，成功启动并维持了短程硝化反硝化。调控方法简单易行，系统亚硝酸盐积累率稳定维持在90%左右，氨氮去除率在95%以上，总氮去除率在75%以上，总磷去除率达到96%。本发明缩短了生化反应时间，并可节约20%左右的供氧量，节约30%左右的反硝化所需碳源，减少污泥生成量，直接降低污水处理费用。

[0022] 本发明针对城市污水脱氮除磷处理，在传统厌氧-缺氧-好氧处理工艺前增设了预缺氧区，用于将来自二沉池回流污泥中的硝态氮和亚硝态氮反硝化，消除对厌氧释磷的不利影响，保证生物除磷效果，使出水磷浓度低于0.5mg/L。由于本发明提供的短程脱氮的实施方法适用于城市污水常温下的连续流脱氮除磷处理，更加符合污水处理厂的实际运行，对在实际工程中的短程脱氮应用具有很强的指导意义。

[0023] 本发明的创新点：

[0024] （1）本发明在常温下，通过调控污泥回流比、硝化液回流比、好氧区DO浓度和好氧区水力停留时间，在连续流污水生物脱氮除磷系统中实现了短程脱氮，调控方法便于实施，为全程脱氮连续流系统实现短程脱氮提供了技术支持。

[0025] （2）本发明原污水水量的1/3进入预缺氧区用于二沉池回流污泥中的硝态氮的反硝化，可以消除二沉池回流污泥中的硝态氮对厌氧释磷的不利影响，保证生物除磷效果。另外2/3水量进入厌氧区用于厌氧放磷。进水分流可以充分利用原污水中的有机碳源，保证预缺氧区反硝化和厌氧区放磷的碳源需求。

[0026] （3）本发明提供的短程脱氮的实施方法适用于城市污水常温下的连续流脱氮除磷处理，在实现短程脱氮的同时保证系统的脱氮除磷效果，可直接应用于城市污水处理厂的运行。

附图说明

[0027] 图1连续流系统工艺流程图

[0028] 图2亚硝酸盐积累率变化情况

[0029] 图3氨氮与总氮的去除

[0030] 1-污水箱、2-蠕动泵、3-进水管、4-蠕动泵、5-进水管、6-预缺氧区、7-厌氧区、8-缺氧区、9-好氧区、10-二沉池、11-污泥回流泵、12-污泥回流管、13-硝化液回流泵、
14-硝化液回流管、15-溢流堰、16-搅拌器、17-曝气头、18-空气泵、19-流量计、20-DO测定仪、21-排水管、22-剩余污泥管

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

[0032] 本发明中的连续流污水生物脱氮除磷系统工艺流程如图1所示。该装置由合建式的预缺氧区-厌氧区-缺氧区-好氧区反应器和二沉池组成，其中合建式反应器有效容积71L。预缺氧区、厌氧区、缺氧区和好氧区体积比为1:2:3.5:4。

[0033] 污水箱1中的1/3水量由蠕动泵2控制经进水管3进入厌氧区7，在此完成厌氧放磷；污水箱1中的另外2/3水量由蠕动泵4控制经进水管5进入预缺氧区6，与此同时，二沉池10底部的沉淀污泥由污泥回流泵11控制经污泥回流管12进入预缺氧区6，在此回流污泥中携带的硝态氮和亚硝态氮利用原水中的碳源被反硝化为氮气，然后通过溢流堰15进入厌氧区7，与流入的原污水混和。厌氧区7的出水经溢流堰15进入缺氧区8。好氧区9的硝化液由硝化液回流泵13控制经硝化液回流管14进入缺氧区8。在缺氧区8完成回流硝化液的反硝化和缺氧吸磷。缺氧区8出水经溢流堰15进入好氧区9，在好氧区9完成有机物降解、硝化反应和好氧吸磷。好氧区9出水进入二沉池10，经沉淀处理后的上清液由排水管21排放。二沉池底部的剩余污泥由剩余污泥管22排放。二沉池有效容积为24L。预缺氧区6、厌氧区7和缺氧区8均安装搅拌器16以提供充分的泥水混合。好氧区9通过固定在反应器底端的曝气头17供氧，空气由空气泵18经空气流量计19计量后输送到曝气头17。好氧区的DO浓度由DO测定仪20在线测量。

[0034] 连续流系统运行划分为3个阶段，每个阶段的好氧区水力停留时间（好氧HRT）按公式（1）计算。

[0035]

[0036] 式中：V好为好氧区有效容积；Q为进水流量。

[0037] 常温下，通过调控污泥回流比、硝化液回流比、好氧区DO浓度和好氧区水力停留时间实现短程脱氮，3个运行阶段的控制方法如下：

[0038] 阶段Ⅰ如图1所示，通过调节污泥回流泵11控制污泥回流比为60%；调节硝化液回流泵13控制硝化液回流比为200%；调节空气流量计19控制进入好氧区的空气流量，使好氧区DO浓度为2mg/L；通过调节蠕动泵2和蠕动泵4控制进水流量Q，按公式（1）计算使- -好氧区HRT为3.4h。待好氧区出水NO2-N/NOx-N质量浓度百分比上升至60%～70%进入阶段Ⅱ。

[0039] 阶段Ⅱ采用如阶段Ⅰ所述方法控制污泥回流比为60%、硝化液回流比为200%、好- -氧区DO浓度为1.5mg/L、好氧区水力停留时间3.4h，待好氧区出水NO2-N/NOx-N质量浓度百分比达到80%～90%进入阶段III。

[0040] 阶段III采用如阶段Ⅰ所述方法控制污泥回流比为60%、硝化液回流比为200%、好- -氧区DO浓度为1.0mg/L、好氧区水力停留时间3.4h，好氧区出水NO2-N/NOx-N质量浓度百分比达到90%以上。

[0041] 实施例：采用如图1所示的连续流系统处理某生活小区化粪池的实际生活污水。+
其水质指标为：COD浓度85～268mg/L，NH4-N浓度50～103mg/L，pH值7.1～7.4，C/N平均值为2.5。接种污泥取自北京某城市污水处理厂二沉池回流污泥，属全程脱氮污泥。反应器内水温控制在25±1℃。反应器内混和液悬浮固体（MLSS）浓度为（3500±500）mg/L。
按照上述3个阶段的控制方法运行，共运行60d。进水流量为8.10L/h，硝化液回流量和回流比分别为16.20L/h和200%，污泥回流量和回流比分别为4.86L/h和60%，总水力停留时间（HRT）为8.74h，缺氧HRT为2.9h，好氧HRT为3.4h。阶段I-III的DO浓度分别控制为
2.0、1.5、和1.0mg/L。图2出示了运行期间的亚硝酸盐积累率变化情况，图3出示了运行期间的氨氮与总氮去除情况。

[0042] 如图2、图3所示，阶段I为亚硝酸盐积累上升期。最初10d为接种污泥的适应期。之后10-20d内，好氧区亚硝态氮浓度和亚硝酸盐积累率迅速上升，该阶段末期分别超过了
22mg/L和70%。虽然好氧区HRT只有3.4h，但供氧充足（DO2.0mg/L），仍然能保证AOB将氨氮充分氧化为亚硝态氮。如图3所示，阶段I末期，出水氨氮为零，但总氮去除率平均只有
50%。根据阶段I的运行，阶段II的目的是进一步提高亚硝酸盐积累率和总氮去除率。如图
2所示，阶段II的亚硝酸盐积累率升高到82%，这是由于该阶段仍然在较短的好氧区HRT下运行，亚硝酸盐氧化为硝酸盐的过程持续受抑制。短程硝化反硝化和全程硝化反硝化相比，不仅在好氧水力停留时间方面缩短，而且需氧量也能够降低25%，因此在阶段II将DO调低
25%，控制在1.5mg/L左右。虽然DO降低了，但是出水氨氮依然为零（图3）。如图3所示，此阶段TN的去除率稳步上升，达到了70%。这主要是由于：好氧区DO浓度的降低减少了随硝化液回流进入缺氧区的溶解氧的量，保证了较好的缺氧环境；此外，缺氧区短程反硝化的运行减少了碳源需求。阶段III将DO浓度降低到1.0mg/L左右。如图2所示，该阶段亚硝酸盐积累率继续升高，达到了94%，好氧区硝态氮浓度几乎为零，指示了很好的短程硝化效果。
如图3所示，此阶段出水氨氮浓度仍接近于0mg/L，总氮去除率稳定在75%-80%。经检测出水总磷低于0.4mg/L。在处理实际生活污水的连续流脱氮除磷系统中成功实现了短程脱氮。