CN103449656B - Sfbr-baf生物脱氮除磷技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污水脱氮除磷的生物处理方法，包括除碳、脱氮及除磷脱氮处理过程，即在一个反应周期内连续向一活性污泥反应池内加入污水，并使前置的SFBR反应池的环境依次为好氧状态时段和厌氧状态时段，最后经过静置沉淀时段的固液分离后一次性排出上清液，上清液进入后置的改进型BAF装置依次经过曝气生物滤池的厌氧段和好氧段的处理后排出。本发明解决了微生物生长所需的良好生长环境，以及废水中高浓度盐类对微生物毒害或抑制生长的问题，解决了同时脱氮除磷中微生物的混合培养相互抑制、碳源争夺矛盾，以及高浓度SS造成BAF工艺中生物滤料阻塞的问题，提高了废水生物转化率，增强总体脱氮除磷效果，同时提高氧利用率，降低能耗和生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种城市污水、生活污水脱氮除磷的生物处理方法。
背景技术
污水中的大量氮、磷排入水体，是导致河流、湖泊富营养化的主要原因。我国地表水体以及近海流域由于受到氮磷的污染，大面积频繁地发生水体富营养化，从而导致地表水体发臭、藻类疯长、水生生物濒临灭亡，造成巨大的经济损失。为此，国家采取了积极的措施，制定了严格的废水氮、磷排放标准。如，我国现行的《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB18918—2002)》，对氮、磷排放提出了更高的要求，一级标准规定城镇污水处理厂出水NH+ 4-N＜5 mg／L，PO-3 4-P＜0.5 mg／L ，其重要的目的之一是解决水体富营养化问题。
城市污水经处理后的净化水综合利用是污水处理厂保证正常运行，解决运行成本的重要途径。我国目前水资源短缺已成为国民经济可持续发展的制约因素，开发新的水源已成为我国尤其是北方地区迫在眉睫的任务，然而污水经过处理后可作为农业用水、城市景观用水、工业上用水、生活中用水、城区绿化用水，这已成为水务界公认的解决我国新水源的必由之路。因此目前在污水处理领域开发一种利用生物技术在脱碳的同时，又能有效脱氮除磷，还能直接达到回用水水质指标，而且不需要辅助以化学手段的廉价处理工艺，具有重大意义。
生物脱氮除磷技术由于具有同时脱除碳、氮、磷，且处理成本低等优点而得到广泛应用。根据厌氧、缺氧、好氧等池子的大小、排列、数量增减以及混合液循环和回流方式的变化，目前已经开发出了一系列生物脱氮除磷工艺和技术。比较成熟的生物同时脱氮除磷工艺分为以下几种系列：A2／O系列、SBR系列和氧化沟系列等。
然而，常规生物脱氮除磷工艺流程存在着影响该工艺有效运行的相互影响和制约的因素，主要表现为：（1）微生物的混合培养问题。传统生物同步脱氮除磷工艺中聚磷菌、反硝化菌、硝化菌等共存于同一活性污泥系统中，然而这些生物菌群繁殖生存所需的氧化还原条件不同，对污泥龄的要求也不同，如硝化菌与聚磷菌间的矛盾；（2）活性污泥的沉降性能和污泥膨胀、低溶解氧下同步硝化与反硝化等问题；（3）提高除磷效率往往伴随着脱氮率的下降。此外，不同生物菌群之间对碳源的争夺，生物反应产物之间的相互抑制都使得脱氮除磷过程相互干扰，最终导致系统脱氮除磷总体效率不高。在城市污水二级生物处理系统中，生物处理单元的电耗约占总电耗的70％左右，氧利用率低，一般利用率为15～18％，工艺能耗高，是决定污水处理能耗的关键性因素。
SBR(Sequence Batch Rector)即序批式活性污泥法：一种基于同一反应器不同时间分配的废水处理工艺，在反应阶段，可以采用交替循环的好氧和缺氧过程，使微生物在不同的环境条件下，利用有机底物和氧进行特定的生命活动，最终实现去除有机物和氮磷的目的。在一个反应周期里，采用一次性进水方式 ，经过反应后一次性出水的间歇式操作。
SBR工艺具有它的优点：（１）复合流态的SBR工艺，生化反应传质推动力增大，传质效率高。池内厌氧、好氧处于交替状态，从时间上看，不存在返混现象，净化效果好；（２）工艺系统组成简单，不设二沉池，曝气池兼有二沉池的功能。污水在理想的静止状态下沉淀，污泥沉淀性能好，可有效防止污泥膨胀。（３）处理效果好，可通过控制改变操作状态，如限制曝气和非限制曝气等，从而实现废水的脱氮除磷。
同时SBR工艺也有它的缺陷：（１）一次性进水方式，难以保证微生物生长所需的最佳基质浓度或生长环境，特别是当废水中含有对微生物生长有害或有抑制作用的物质时，如高浓度氨氮和盐，高的起始浓度对微生物生长或生化反应不利，延长了微生物反应的启动时间，降低了对有机物的降解效率。（２）废水特征如基质浓度、COD/N比和PH值 等对微生物的生长速率有重要的影响，高浓度NH4+、NO2－都会抑制硝化菌生长，系统抗冲击能力差，一次性的加料方式难以维持微生物生长所需的最佳环境，废水中的COD/N比及其浓度、微生物浓度对COD、N去除率有明显影响，另外，SBR工艺中进水方式不同直接影响到沉淀性能。
曝气生物滤池(Biological Aerated Filter简称BAF)，是一种污水深度处理的优良技术，但这种工艺直接用于城市污水处理存在的缺点之一是要求原水中的SS低于lOOmg／L，最好是SS低于60mg／L，否则当采用这种工艺直接处理城市污水时会造成生物滤料阻塞而不能正常运行。另一问题是生物虑池填料在经济、生物挂膜、反洗方面也存在问题。
发明内容
本发明的任务是克服现有技术的缺陷，提供一种城市污水、生活污水脱氮除磷的生物处理方法，即SFBR-BAF（Sequence Fed-batch Reactor and Biological Aerated Filter）工艺，包括SFBR和BAF两个主体生物段，解决现有技术中难以保证微生物生长所需的最佳基质浓度或生长环境，以及废水中高浓度盐类和对微生物生长有害的物质，对微生物毒害或抑制生长的问题，解决同时脱氮除磷中微生物的混合培养相互抑制以及碳源矛盾等问题，解决高浓度SS造成BAF工艺中生物滤料阻塞的问题，提高废水生物转化率，增强总体脱氮除磷效果。
本发明进一步的任务是将传统BAF工艺改进后作为后置的生物段，从而提高氧利用率，降低能耗和生产成本。
本发明的技术方案是：
一种污水脱氮除磷的生物处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）除碳脱氮及降低SS浓度：设置一活性污泥反应池，在一个反应周期内连续向反应池内加入污水，并使反应池的环境依次为好氧状态时段和厌氧状态时段，最后经过静置沉淀时段的固液分离后一次性排出上清液，所述活性污泥中的微生物包括硝化菌与反硝化菌；
（2）除磷脱氮：设置一曝气生物滤池，曝气生物滤池依次设置厌氧段和好氧段，步骤1所述上清液依次经过曝气生物滤池的厌氧段和好氧段的处理后排出，所述曝气生物滤池的微生物包括聚磷菌与反硝化菌。
所述步骤1包括：
1）好氧反应：在步骤1的好氧状态时段，反应池内的氧气充足，加入的污水经硝化菌的硝化作用，将水体中的氨盐转化为硝酸盐，同时大部分有机碳物质被好氧微生物降解或分解成二氧化碳和水；
2）厌氧反应：在步骤1的厌氧状态时段，在缺氧或无氧条件下，经反硝化菌的作用，将好氧反应产物的硝酸盐转化为分子氮，同时有机碳物质作为电子供体参与反硝化过程而被除去，实现对污水的除碳脱氮；
3）静置沉淀：在步骤1的静置沉淀时段，采用自由沉降的方式，分离出上清液和活性污泥及其它悬浮固体，降低了上清液中的SS浓度。
所述上清液在曝气生物滤池的厌氧段经反硝化菌的作用继续脱氮，在曝气生物滤池的好氧段经聚磷菌的作用除磷，实现对污水的除磷脱氮。
步骤2所述曝气生物滤池中对好氧段的供氧方式采用无泡供氧方式。
所述无泡供氧是将加压空气或纯氧连续通入曝气生物滤池的曝气管中，曝气管为中空纤维膜管，保持曝气管内气压低于泡点，在膜两侧氧分压差的推动下管腔内的氧透过膜壁或膜壁上的微孔直接扩散进入管外的水体中。
步骤2所述曝气生物滤池所采用的生物挂膜填料为人工处理后的火山岩。
所述人工处理包括对火山岩的酸、碱预处理和人工造粒。
本发明的有益效果是：
本发明的污水脱氮除磷的生物处理方法，包括SFBR和BAF两个主体生物段，SFBR生物段主要是除碳脱氮及降低SS浓度，BAF生物段主要是除磷脱氮，将污水处理中冲突的微生物菌群在空间和时间上均分开，解决同时脱氮除磷中微生物的混合培养相互抑制以及碳源争夺矛盾。
在SFBR生物段，将SBR的一次性进水方式改为连续进水，整个过程分为两个阶段，前后期顺序分别控制系统好氧和厌氧，采用连续进水，反应结束，间歇排水，以达到去除废水中COD、氨氮和硝态氨的目的，连续进水和间歇出水方式，具有序半连续反应器的特点，贯穿于反应期的连续进水方式可以降低初始阶段有机物浓度的积累，通过稀释作用和前期好氧阶段的通氧曝气对污染物进行降解，防止高浓度的有毒有害物质对微生物生长的抑制作用，有利于提高反应器运行的稳定性；在反应期内，连续的进水方式可以实现微生物生长所需的最佳营养物质环境，按需补料，维持微生物生长始终处于稳定生长的最佳环境，加强了反应阶段的处理效果和反应速度；而在沉淀阶段停止进水，反应器处于理想的静止沉淀阶段，因此沉淀效果好，能很好地实现泥水分离；与传统的SBR工艺另一个不同之处在于有氧、厌氧顺序上的相反，这一改进虽然除碳率没有什么差别，但有利于硝化反应和反硝化反应，使总氮的脱除率高；由于贯穿于整个反应期的进水，厌氧后期反应结束时，反应器内的底物浓度不会太低，而且溶解氧浓度低，可以抵制丝状菌的生长，防止污泥膨胀。
在BAF生物段，由于前置的SFBR生物段有效地降低了进水的SS浓度，很好地符合了后置的BAF生物段对进水的SS低浓度的要求，解决了高浓度SS造成BAF生物段中生物滤料容易阻塞的问题；采用人工处理后的火山岩作为生物填料，易于生物挂膜，传质效果好，能改善反应器水力条件，使得反应器内生物量大，处理负荷高，出水水质稳定，品质优良；采用无泡供氧方式，提高氧浓度和氧利用率、降低过程能耗。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
一种污水脱氮除磷的生物处理方法，包括SFBR和BAF两个主体生物段：
在SFBR生物段，设置一活性污泥反应池，活性污泥中的微生物包括硝化菌与反硝化菌，在一个反应周期内连续（线性或非线性）向反应池内加入污水，反应周期包括依次进行的好氧状态时段和厌氧状态时段，在好氧状态时段，向反应池内曝气进行好氧反应，加入的污水经硝化菌的硝化作用，将水体中的氨盐转化为硝酸盐，同时大部分有机碳物质被好氧微生物降解或分解成二氧化碳和水；在厌氧状态时段，停止向反应池内曝气进行厌氧反应，在缺氧或无氧条件下，经反硝化菌的作用，将好氧反应产物的硝酸盐转化为分子氮，同时有机碳物质作为电子供体参与反硝化过程而被除去，实现对污水的除碳脱氮；反应结束后进入静置沉淀时段，停止向反应池内加入污水，采用自由沉降的方式，分离出上清液和活性污泥及其它悬浮固体，降低上清液中的SS浓度。
在BAF生物段，设置一曝气生物滤池，曝气生物滤池的微生物包括聚磷菌与反硝化菌，曝气生物滤池依次设置厌氧段和好氧段，经SFBR生物段处理后排出的上清液，依次经过曝气生物滤池的厌氧段和好氧段处理，在厌氧段经反硝化菌的作用继续脱氮，在好氧段经聚磷菌的作用除磷，实现对污水的除磷脱氮，与传统BAF工艺不同的是：1、加了一个前置的SFBR生物段进行污水的预处理，降低了进水中的SS浓度；2、对好氧段的供氧方式采用无泡供氧方式，即将加压空气或纯氧连续通入曝气生物滤池的曝气管中，曝气管为中空纤维膜管，保持曝气管内气压低于泡点，在膜两侧氧分压差的推动下管腔内的氧透过膜壁或膜壁上的微孔直接扩散进入管外的水体中，提高了氧浓度和氧利用率并降低过程能耗；3、采用的生物挂膜填料为经过酸、碱预处理和人工造粒等人工处理后的火山岩，易于生物挂膜，传质效果好，能改善反应器水力条件，使得反应器内生物量大，处理负荷高，出水水质稳定，品质优良。
以某大学公寓区排放的实际生活污水作为实验对象，实验结果显示，其中生物转化率SS≥95%，NH4-N≥85%，T-N≥90%，T-P≥88%；氧利用率高达50％以上；每公斤BOD除去成本降低30％以上。相比传统处理方法，使废水生物转化率提高10～20％，能耗降低30～50％，生产成本降低20～30％，高效的氧利用率。常规曝气去除1公斤BOD5耗电量约1.5～1.8度，采用无泡供氧方式，去除1公斤BOD5的耗电量不高于0.4度，无泡供氧技术节能的优越性十分明显。根据本发明设计的水处理系统具有占地省特点，大大节省污水处理池的占地面积。
本发明的污水脱氮除磷的生物处理方法，包括SFBR和BAF两个主体生物段，SFBR生物段主要是除碳脱氮及降低SS浓度，BAF生物段主要是除磷脱氮，将污水处理中冲突的微生物菌群在空间和时间上均分开，解决同时脱氮除磷中微生物的混合培养相互抑制以及碳源争夺矛盾。
在SFBR生物段，将SBR的一次性进水方式改为连续进水，整个过程分为两个阶段，前后期顺序分别控制系统好氧和厌氧，采用连续进水，反应结束，间歇排水，以达到去除废水中COD、氨氮和硝态氨的目的，连续进水和间歇出水方式，具有序半连续反应器的特点，贯穿于反应期的连续进水方式可以降低初始阶段有机物浓度的积累，通过稀释作用和前期好氧阶段的通氧曝气对污染物进行降解，防止高浓度的有毒有害物质对微生物生长的抑制作用，有利于提高反应器运行的稳定性；在反应期内，连续的进水方式可以实现微生物生长所需的最佳营养物质环境，按需补料，维持微生物生长始终处于稳定生长的最佳环境，加强了反应阶段的处理效果和反应速度；而在沉淀阶段停止进水，反应器处于理想的静止沉淀阶段，因此沉淀效果好，能很好地实现泥水分离；与传统的SBR工艺另一个不同之处在于有氧、厌氧顺序上的相反，这一改进虽然除碳率没有什么差别，但有利于硝化反应和反硝化反应，使总氮的脱除率高；由于贯穿于整个反应期的进水，厌氧后期反应结束时，反应器内的底物浓度不会太低，而且溶解氧浓度低，可以抵制丝状菌的生长，防止污泥膨胀。
在BAF生物段，由于前置的SFBR生物段有效地降低了进水的SS浓度，很好地符合了后置的BAF生物段对进水的SS低浓度的要求，解决了高浓度SS造成BAF生物段中生物滤料容易阻塞的问题；采用人工处理后的火山岩作为生物填料，易于生物挂膜，传质效果好，能改善反应器水力条件，使得反应器内生物量大，处理负荷高，出水水质稳定，品质优良；采用无泡供氧方式，提高氧浓度和氧利用率、降低过程能耗。
Claims (7)
1.一种污水脱氮除磷的生物处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）除碳脱氮及降低SS浓度：设置一前置的活性污泥反应池，在一个反应周期内连续向反应池内加入污水，并使反应池的环境依次为好氧状态时段和厌氧状态时段，最后经过静置沉淀时段的固液分离后一次性排出上清液，所述活性污泥中的微生物包括硝化菌与反硝化菌；
（2）除磷脱氮：设置一后置的曝气生物滤池，曝气生物滤池依次设置厌氧段和好氧段，步骤1所述上清液依次经过曝气生物滤池的厌氧段和好氧段的处理后排出，所述曝气生物滤池的微生物包括聚磷菌与反硝化菌。
2.根据权利要求1所述的生物处理方法，其特征在于所述步骤1包括：
1）好氧反应：在步骤1的好氧状态时段，反应池内的氧气充足，加入的污水经硝化菌的硝化作用，将水体中的氨盐转化为硝酸盐，同时大部分有机碳物质被好氧微生物降解或分解成二氧化碳和水；
2）厌氧反应：在步骤1的厌氧状态时段，在缺氧或无氧条件下，经反硝化菌的作用，将好氧反应产物的硝酸盐转化为分子氮，同时有机碳物质作为电子供体参与反硝化过程而被除去，实现对污水的除碳脱氮；
3）静置沉淀：在步骤1的静置沉淀时段，采用自由沉降的方式，分离出上清液和活性污泥及其它悬浮固体，降低了上清液中的SS浓度。
3.根据权利要求1所述的生物处理方法，其特征在于：所述上清液在曝气生物滤池的厌氧段经反硝化菌的作用继续脱氮，在曝气生物滤池的好氧段经聚磷菌的作用除磷，实现对污水的除磷脱氮。
4.根据权利要求1所述的生物处理方法，其特征在于：步骤2所述曝气生物滤池中对好氧段的供氧方式采用无泡供氧方式。
5.根据权利要求4所述的生物处理方法，其特征在于：所述无泡供氧是将加压空气或纯氧连续通入曝气生物滤池的曝气管中，曝气管为中空纤维膜管，保持曝气管内气压低于泡点，在膜两侧氧分压差的推动下管腔内的氧透过膜壁或膜壁上的微孔直接扩散进入管外的水体中。
6.根据权利要求1所述的生物处理方法，其特征在于：步骤2所述曝气生物滤池所采用的生物挂膜填料为人工处理后的火山岩。
7.根据权利要求6所述的生物处理方法，其特征在于：所述人工处理包括对火山岩的酸、碱预处理和人工造粒。
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