專利名稱：A-A²O連續流污水脫氮除磷系統及短程脫氮方法
技術領域：
本發明涉及一種A-A2O連續流污水生物脫氮除磷系統及實現短程脫氮的方法，屬于污水生物處理領域。
背景技術：
水體富營養化已成為全球性水環境問題，其主要原因之一是氮、磷營養元素的過量排放。為控制氮、磷營養元素過量排放對自然水體生態平衡的破壞，許多國家都嚴格限制排入天然水體的氮、磷量。我國制定的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002) 對氮、磷的排放指標提出了更為嚴格的要求，其中一級排放標準(A標準)規定氨氮濃度不超過5mg/L，總磷濃度不超過0. 5mg/L。因此，污水脫氮除磷新理論、新技術的研究開發即符合我國國情，又是污水處理領域的研究熱點和國際前沿。近年來，產生了一系列污水脫氮除磷新理論，如短程硝化-反硝化、同步硝化反硝化、厭氧氨氧化、反硝化除磷等。其中短程脫氮以其高效、經濟、節能、易于工程實踐等優勢受到廣泛關注。傳統的生物脫氮包括硝化和反硝化2個反應過程。其中硝化部分首先是由氨氧化菌(Ammonia Oxidizing Bacteria, A0B)將NH4+_N氧化為NOf-N的氨氧化過程；然后是由亞硝酸鹽氧化菌(Nitrite Oxidizing Bacteria, NOB)將NO2^N氧化為NOf-N的亞硝態氮氧化過程。最后通過反硝化細菌的反硝化作用將產生的NO3--N轉化為N2。其中NO2--N 是硝化和反硝化2個過程的中間產物。如果將NH/-N氧化控制在亞硝化階段，然后通過反硝化作用將NO2--N還原為N2,經NH4+-N — NO2--N — N2這樣的途徑完成脫氮，即短程脫氮途徑。短程脫氮與全程脫氮相比，縮短了反應時間，并可節約25%左右的供氧量，節約40%左右的反硝化所需碳源，減少污泥生成量，直接降低污水處理費用。實現短程脫氮的關鍵在于抑制NOB的活性或生長速率，造成AOB的數量或者活性在硝化系統中占優勢，使活性污泥系統內的氨氧化速率大于系統內的亞硝態氮氧化速率，從而導致亞硝酸鹽的積累。研究發現游離氨FA (Free Ammonia)、游離亞硝FNA (Free Nitrous Acid)、pH值、溫度、DO濃度以及抑制劑等都能夠影響AOB和NOB的代謝活性和生長速率。本發明在A-AM連續流污水生物脫氮除磷系統中實現了短程脫氮，在技術上不同于現有技術，主要體現在以下四方面(1)工藝的運行方式。污水生物處理工藝主要有兩種運行方式，即間歇式工藝和連續流工藝。目前短程脫氮主要是在間歇式的工藝中實現的，這是由于間歇式工藝運行調控較靈活，尤其是對反應時間的控制簡單易行，便于采取調控措施調整運行狀態。對于大規模城市污水處理廠廣泛采用的連續流工藝難于實現短程脫氮，主要是由于連續流工藝運行調控較復雜，可控變量少，調控手段和措施完全不同于間歇式工藝。本發明主要研究在連續流污水生物脫氮除磷系統中實現短程脫氮的方法。(2)水質條件。較高水溫(30°C 38°C )容易實現短程硝化。游離氨FA的選擇抑制途徑也是實現短程硝化的主要途徑。因此，有限的研究報道主要集中在水溫較高的污泥厭氧消化液和高氨氮含量的垃圾滲濾液的處理。而對于實際城市污水，水溫達不到實現短程脫氮的理想溫度，低氨氮濃度也無法形成游離氨的選擇性抑制。因此，實際城市污水處理系統非常難于實現短程脫氮。本發明主要研究在處理實際城市污水的連續流系統中實現短程脫氮的方法。(3)調控手段。目前關于短程脫氮在工程實踐中應用的調控手段主要有高溫、高游離氨FA抑制、低曝氣量、基于DO、ORP、pH在線監測控制反應時間。本發明由于是處理實際城市污水的連續流系統，不具備高溫和高游離氨FA抑制的水質條件，也無法通過DO、ORP、 PH在線監測控制反應時間。本發明通過調控好氧區DO濃度、好氧區名義水力停留時間、好氧區實際水力停留時間實現短程脫氮，未見相關報道。(4)處理的目標污染物。目前關于短程脫氮的研究報道都是在單純的污水生物脫氮系統中實現的。本發明是關于在污水生物脫氮除磷系統中如何實現短程脫氮，由于系統兼具除磷功能，運行調控更為復雜，更難于實現短程脫氮。正是由于實際的污水處理廠往往都具有同時脫氮除磷的功能，因此本發明對實際工程中的短程脫氮應用具有更強的指導意義。為提高磷的去除效果，々-乂0連續流系統前增設了預缺氧區，用于將來自二沉池回流污泥中的硝態氮和亞硝態氮反硝化，消除對厭氧釋磷的不利影響。

發明內容
本發明的目的在于提供一種處理實際城市污水的A-A2O連續流生物脫氮除磷系統及實現短程脫氮的方法，以期在處理實際生活污水的連續流系統中啟動并維持短程脫氮，解決以往將短程脫氮應用于處理實際城市污水的連續流系統中碰到的技術難題，拓展短程脫氮的應用范圍。 一種A-A2O連續流污水生物脫氮除磷系統，由合建式反應器和二沉池組成，合建式反應器順次劃分為預缺氧區、厭氧區、缺氧區和好氧區；其特征在于缺氧區分成缺氧1區和缺氧2區，通過底部連通管相通；好氧區分成好氧1區和好氧2區，通過底部連通管相通； 預缺氧區、厭氧區和缺氧1區通過溢流堰相通，缺氧2區和好氧1區通過上部連通管相通； 好氧2區和缺氧1區之間連接內回流管和內回流泵；二沉池底部與預缺氧區之間連接污泥回流管和污泥回流泵，二沉池連接出水管和剩余污泥管；原水箱與厭氧區之間連接蠕動泵； 合建式反應器各分區安裝攪拌器；好氧區內設有DO測定儀，底部安裝曝氣頭；空氣泵和曝氣頭之間連接空氣流量計。應用所述一種A-A2O連續流污水生物脫氮除磷系統實現短程脫氮的方法，其特征在于常溫下，通過調控好氧區DO濃度、好氧區名義水力停留時間、好氧區實際水力停留時間實現短程脫氮，整個過程分為以下五個階段階段I控制好氧區DO濃度為0. 3 0. 5mg/L、好氧區名義水力停留時間4. 8 5.池、好氧區實際水力停留時間0. 95 1. 05h，待好氧區出水Ν02--Ν/Ν0χ--Ν質量濃度百分比上升至20%進入階段II。階段II控制好氧區DO濃度為0. 3 0. 5mg/L、好氧區名義水力停留時間4. 8 5.池、好氧區實際水力停留時間0. 8 0. 9h，待好氧區出水Ν02--Ν/Ν0χ--Ν質量濃度百分比上升至80%進入階段III。階段III控制好氧區DO濃度為0. 3 0. 5mg/L、好氧區名義水力停留時間4. 8 5.2h、好氧區實際水力停留時間0. 95 1. 05h，待系統氨氮平均去除率達到60%，總氮平均去除率達到50%，好氧區出水Ν02--Ν/Ν0χ--Ν質量濃度百分比維持在80 90%進入階段 IV。階段IV控制好氧區DO濃度為0. 3 0. 5mg/L、好氧區名義水力停留時間6
6.4h、好氧區實際水力停留時間0. 95 1. 05h，待系統氨氮平均去除率達到90%，總氮平均去除率達到70%，好氧區出水Ν02_-Ν/Ν0χ_-Ν質量濃度百分比維持在90%以上進入階段V。階段V控制好氧區DO濃度為0. 3 0. 5mg/L、好氧區名義水力停留時間7. 3
7.7h、好氧區實際水力停留時間0. 95 1. 05h。本發明中在處理實際城市污水的A-AM連續流脫氮除磷系統中啟動并維持短程脫氮的工作原理為(1)低DO濃度控制。以往研究得出AOB的氧飽和常數為0. 3 0. 5mg/L,N0B的氧飽和常數為0. 7 1. 8mg/L。這說明AOB相對于NOB對溶解氧具有更強的親和力，低DO濃度下AOB的生長速率大于NOB的生長速率。本發明長時間維持好氧區低DO水平，導致NOB 的生長和代謝活性受到抑制，并通過排泥逐漸被淘洗掉；而AOB卻得到富集，最終導致系統內AOB的活性或數量遠遠大于NOB，AOB成為優勢菌種。此時系統的氨氧化速率大于硝化速率，從而造成NO2--N的積累。(2)好氧水力停留時間(好氧HRT)。有研究表明，即使是穩定的短程硝化系統，過量曝氣也會造成短程硝化效果的逐步破壞。這表明嚴格控制曝氣時間是實現短程硝化極為重要的因素。在A-AM系統短程硝化啟動階段降低好氧HRT可以防止系統過曝氣，有效限制 NOB的增長、促進系統對NOB的淘洗和AOB的富集。通過增大進水流量，雖然系統的氨氮去除率降低，卻提高了系統的氨氮負荷，有利于AOB的優勢生長。當亞硝積累穩定在80%后， 逐漸降低系統負荷延長好氧HRT，不僅提高了系統對氨氮的去除率，也可以使硝化菌群逐漸適應延長的好氧HRT，避免NOB的增長。(3)好氧實際水力停留時間(好氧AHRT)。單獨控制低DO、好氧HRT和系統SRT并不能在A-A2O系統中啟動短程脫氮。控制較短的好氧AHRT是在A-A2O工藝中實現短程脫氮的關鍵。隨著內回流比的增大，好氧AHRT的縮短，加快了泥水混合物在好氧和缺氧區的交替。在好氧區生成的Ν02_-Ν可以在缺氧區通過反硝化作用被及時的去除；防止在較長的好氧AHRT情況下，NO2--N在好氧區被NOB進一步氧化成Ν03__Ν。而由于NOB不能有效的得到底物進行生長繁殖，同時在低DO的作用下，代謝活性逐漸受到抑制，生長速率大幅降低，最終被淘洗出A-YO系統。此外，NOB的好氧呼吸酶合成滯后性也是造成在較短好氧AHRT下NO2--N積累的另一個主要原因。當NOB從缺氧或者厭氧狀態進入好氧狀態后，氧對NOB細胞將會有毒害作用，會抑制NOB細胞的生長。這可能與NOB體內過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶的合成滯后有關。在呼吸過程中，氧被轉化成過氧化物、超氧化物和羥基自由基等短暫的中間產物。NOB具有合成過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶的能力，能夠使得上述毒性物質分解，但從缺氧或者厭氧狀態進入好氧狀態后，NOB需要一定時間來重新合成這些解毒酶。通過縮短好氧AHRT，加快了 NOB在缺氧區和好氧區的循環，阻礙NOB對上述三種酶的合成，有毒的氧化產物對NOB的生長和活性產生了抑制。本發明的有益效果
通過污水生物脫氮除磷處理降低排放到天然地表水體中的氮、磷濃度是減輕水體富營養化的根本措施。短程脫氮由于將硝化反應控制在亞硝化，然后直接進入反硝化階段而大大縮短了生化反應過程，是一種經濟、高效、節能的脫氮方法。本發明提供了一種在 A-A2O連續流污水生物脫氮除磷系統中實現短程脫氮的方法。通過控制A-A2O連續流系統好氧區DO濃度為0. 3 0. 5mg/L,以及增大系統進水流量和內回流比以降低好氧區名義水力停留時間和實際水力停留時間，成功啟動并維持了短程硝化反硝化。調控方法簡單易行， 系統亞硝酸鹽積累率穩定維持在90%左右，氨氮去除率在95%以上，總氮去除率在75%以上，總磷去除率達到96%。雖然系統在低溶解氧下運行，但沒有發生污泥膨脹現象，污泥沉淀性能良好，平均污泥體積指數在100 150mL/g。本發明縮短了生化反應時間，并可節約 20%左右的供氧量，節約30%左右的反硝化所需碳源，減少污泥生成量，直接降低污水處理費用。本發明針對城市污水脫氮除磷處理，在傳統厭氧-缺氧-好氧處理工藝前增設了預缺氧區，用于將來自二沉池回流污泥中的硝態氮和亞硝態氮反硝化，消除對厭氧釋磷的不利影響，保證生物除磷效果，使出水磷濃度低于0.5mg/L。由于本發明提供的短程脫氮的實施方法適用于城市污水常溫下的連續流脫氮除磷處理，更加符合污水處理廠的實際運行，對在實際工程中的短程脫氮應用具有很強的指導意義。本發明的創新點(1)本發明在常溫下，通過調控好氧區DO濃度、好氧區名義水力停留時間和好氧區實際水力停留時間在A-AM連續流污水生物脫氮除磷系統中實現了短程脫氮，調控方法便于實施，為全程脫氮連續流系統實現短程脫氮提供了技術支持。(2)本發明提出的々-￥0連續流污水生物脫氮除磷系統增設了預缺氧區，消除了二沉池回流污泥中的硝態氮和亞硝態氮對厭氧釋磷的不利影響，保證生物除磷效果。(3)本發明提供的短程脫氮的實施方法適用于城市污水常溫下的連續流脫氮除磷處理，在實現短程脫氮的同時保證系統的脫氮除磷效果，可直接應用于城市污水處理廠的運行。


圖1處理實際城市污水的A-A2O連續流系統工藝流程2運行階段好氧區水力停留時間的控制模式圖3A-A20連續流系統內亞硝態氮積累率變化情況圖4A-A20連續流系統內氨氮與總氮去除率圖5A-A20連續流系統短程脫氮穩定運行時水質參數的沿程變化1-原水箱、2-蠕動泵、3-預缺氧區、4-厭氧區、5-缺氧1區、6_缺氧2區、7_好氧1 區、8-好氧2區、9-二沉池、10-污泥回流泵、11-污泥回流管、12-溢流堰、13-連通管、14-內回流泵、15-內回流管、16-出水管、17-剩余污泥管、18-攪拌器、19-曝氣頭、20-D0測定儀、 21-空氣泵、22-流量計
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。
本發明中的々-￥0連續流污水生物脫氮除磷系統工藝流程如圖1所示。該裝置由合建式的預缺氧區-厭氧區-缺氧區-好氧區反應器和二沉池組成，其中合建式反應器有效容積80L。合建式反應器內部各個反應區之間通過活動隔板間隔，可以通過活動隔板的設置靈活調整內部各個格室的容積和分布。本實施例將合建式反應器分為6個格室， 其中第1格室為預缺氧區，第2格室為厭氧區，第3、4格室分別為缺氧1區和缺氧2區， 剩下的兩個格室為好氧1區和好氧2區。預缺氧區、厭氧區、缺氧區和好氧區的容積比為 1:2:3: 6，在預缺氧區容積確定后，另外3個區的容積也可以根據實際情況調整，在 1:2: (3-4) (6-8)，例如各區容積比 1 :2:4:8 或 1:2:4: 7。城市生活污水由原水箱1經蠕動泵2控制進入厭氧區4，在此完成厭氧放磷；與此同時，二沉池9底部的沉淀污泥由污泥回流泵10控制經污泥回流管11進入預缺氧區3，在此回流污泥中攜帶的硝態氮和亞硝態氮被反硝化為氮氣，然后通過溢流堰12進入厭氧區 4，與流入的原污水混和。厭氧區4的出水經溢流堰12進入缺氧1區5，再經底部連通管13 進入缺氧2區6。好氧2區8的硝化液由內回流泵14控制經內回流管15進入缺氧1區5。 在缺氧1區5和缺氧2區6完成回流硝化液的反硝化和缺氧吸磷。缺氧2區6出水經頂部連通管13進入好氧1區7，再經底部連通管13進入好氧2區8。在好氧1區7和好氧2區 8完成有機物降解、硝化反應和好氧吸磷。好氧2區8出水進入二沉池9，經沉淀處理后的上清液由出水管16排放。二沉池底部的剩余污泥由剩余污泥管17排放。二沉池有效容積為ML。合建式反應器的6個格室均安裝攪拌器18以提供充分的泥水混合。好氧區通過固定在反應器底端的曝氣頭19供氧，空氣由空氣泵21經空氣流量計22計量后輸送到曝氣頭 19。好氧區的DO濃度由DO測定儀20在線測量。A-A2O連續流系統運行劃分為5個階段，每個階段的好氧名義水力停留時間(好氧 HRT)和好氧實際水力停留時間(好氧AHRT)的控制模式如圖2所示，其中好氧HRT和好氧 AHRT按公式⑴和公式⑵計算。
權利要求
1.一種A-Yo連續流污水脫氮除磷系統，由合建式反應器和二沉池組成，合建式反應器順次劃分為預缺氧區、厭氧區、缺氧區和好氧區；其特征在于缺氧區分成缺氧1區和缺氧2 區，通過底部連通管相通；好氧區分成好氧1區和好氧2區，通過底部連通管相通；預缺氧區、厭氧區和缺氧1區通過溢流堰相通，缺氧2區和好氧1區通過上部連通管相通；好氧2 區和缺氧1區之間連接內回流管和內回流泵；二沉池底部與預缺氧區之間連接污泥回流管和污泥回流泵，二沉池連接出水管和剩余污泥管；原水箱與厭氧區之間連接蠕動泵；合建式反應器各分區安裝攪拌器；好氧區內設有DO測定儀，底部安裝曝氣頭；空氣泵和曝氣頭之間連接空氣流量計。
2.應用權利要求1所述的一種A-A2O連續流污水脫氮除磷系統短程脫氮的方法，其特征在于常溫下，通過調控好氧區DO濃度、好氧區名義水力停留時間、好氧區實際水力停留時間實現短程脫氮，整個過程分為以下5個階段階段I控制好氧區DO濃度為0. 3 0. 5mg/L、好氧區名義水力停留時間4. 8 5. 2h、 好氧區實際水力停留時間0. 95 1. 05h，待好氧區出水Ν02_-Ν/Ν0χ_-Ν質量濃度百分比上升至20%進入階段II ；階段II控制好氧區DO濃度為0. 3 0. 5mg/L、好氧區名義水力停留時間4. 8 5. 2h、 好氧區實際水力停留時間0. 8 0. 9h，待好氧區出水Ν02--Ν/Ν0χ--Ν質量濃度百分比上升至 80%進入階段III ；階段III控制好氧區DO濃度為0. 3 0. 5mg/L、好氧區名義水力停留時間4. 8 5. 2h、 好氧區實際水力停留時間0. 95 1. 05h，待系統氨氮平均去除率達到60%，總氮平均去除率達到50%，好氧區出水Ν02_-Ν/Ν0χ_-Ν質量濃度百分比維持在80 90%進入階段IV ；階段IV控制好氧區DO濃度為0. 3 0. 5mg/L、好氧區名義水力停留時間6 6. 4h、好氧區實際水力停留時間0. 95 1. 05h，待系統氨氮平均去除率達到90%，總氮平均去除率達到70%，好氧區出水Ν02_-Ν/Ν0χ_-Ν質量濃度百分比維持在90%以上進入階段V ；階段V控制好氧區DO濃度為0. 3 0. 5mg/L、好氧區名義水力停留時間7. 3 7. 7h、 好氧區實際水力停留時間0. 95 1. 05h。
全文摘要
一種A-A2O連續流污水脫氮除磷系統及短程脫氮方法屬于污水生物處理領域。短程脫氮是一種經濟高效的污水生物脫氮方法。目前短程脫氮多是在間歇式脫氮處理系統中實現的，而實際應用較多的脫氮除磷連續流處理系統由于運行調控的復雜性難于實現短程脫氮。本發明在處理生活污水的A-A2O連續流脫氮除磷系統中，通過調控好氧區DO濃度、好氧區名義水力停留時間、好氧區實際水力停留時間實現短程脫氮。亞硝酸鹽積累率穩定維持在90％，氨氮去除率在95％以上，總磷去除率達到90％以上。本發明解決了以往將短程脫氮應用于連續流的污水生物脫氮除磷系統中碰到的技術難題，拓寬了短程脫氮的應用范圍，可用于指導連續流的污水生物脫氮除磷系統實現短程脫氮的運行調控。
文檔編號C02F3/02GK102432106SQ20111036276
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月16日 優先權日2011年11月16日
發明者張立東, 彭永臻, 曾薇, 李磊, 王向東 申請人:北京工業大學