在活性污泥污水处理系统中控制剩余污泥减量的方法及反应器的制作方法

专利名称：：在活性污泥污水处理系统中控制剩余污泥减量的方法及反应器的制作方法
技术领域：
：本发明属于水污染控制剩余污泥减量
技术领域：
，具体涉及一种污水处理系统污泥回流旁路的污泥减量反应器。
背景技术：
：活性污泥法是目前世界上应用最为广泛的污水生物处理技术，该法以活性污泥主体，通过微生物对污染物质的生化降解使污水得到净化。活性污泥系统在污水处理过程将产生大量的剩余污泥，约占污水总量的0.5%~1%(含水率约97%)，污泥处理的投资和运行费用约占整个污水厂总投资和运行费用的30%50%。剩余污泥中不仅含有相当数量有毒有害物质如病原微生物、有机物、重金属离子等，而且稳定性差，对环境存在直接和潜在的长期的、累积性风险。针对污水处理厂剩余污泥难以处理处置的现实问题，污水生物处理同步污泥减量技术在20世纪90年代应运而生。该技术与传统的污泥浓縮、消化、干化等末端处理、处置技术有本质的差异，其侧重于污水处理过程中剩余污泥产量(系统生物污泥的产率系数)的降低，是一种具有污染物源头减量技术特征的污水处理过程同步技术。关于在污水处理工艺过程中同步降低污泥产生量的技术原理，目前国内外研究成果较为一致地认为主要为如下微生物代谢和生化动力学途径①降低细菌等微生物细胞的净合成量；②加快生物体的自身氧化速率；③强化微型动物对细菌的捕食作用。相应的污泥减量技术主要有解偶联(投加解偶联剂、设置厌氧解偶联池)、溶胞以及强化后生动物捕食减量等。在污水生物处理过程中，基质脱下的氢经呼吸链氧化生成水，所释放出的能量用于ADP磷酸化生成ATP，这两个过程同时进行，即氧化时偶联磷酸化。生成的ATP主要用于提供生物合成时所需的能量、机体活动所需的能量。所谓解偶联即是只指通过投加解偶联剂或通过改变工艺条件使得微生物对基质的氧化和ADP磷酸化生成ATP进行细胞增殖两个过程不再偶联在一起，从而达到降低污泥产率的目的。投加解偶联剂的最大优势是污水处理系统中只需增设投药装置，但在实际应用中存在以下问题①长时间接触后，微生物的驯化作用使解偶联剂失效；②解偶联剂的投加量通常很大，导致污水处理运行费用增加；③解偶联剂通常是较难生物降解或对生物有较大毒性的化合物，在水处理过程中存在潜在的环境安全性问题。通过改变工艺条件进行解偶联工艺主要为OSA技术，4即在活性污泥工艺中的污泥回流旁路设置特定的厌氧池，使好氧段获得的ATP在厌氧段作为维持细胞生命活动的能量被消耗，实现代谢解偶联，抑制细胞合成，实现污泥减量。但该法存在着污泥在厌氧段中停留时间长，污泥减量容积效率较低、易降低系统微生物群体活性和多样性，以及对进水有机物浓度要求较高等不足。所谓溶胞就是指细菌迅速死亡并分解成为基质供其他细菌利用，并减低污泥产率。目前，国内外研究的通过溶胞原理实现污泥减量的技术主要有臭氧、氯气溶胞技术、调整污水处理工艺参数以及加热、加压、超声波等物理方法与生物溶胞技术。但其普遍存在着耗氧量大、运行管理复杂、处理费用高昂，以及物理溶胞过程易对微生物生长代谢造成破坏，进而对污水处理系统的活性污泥微生物造成显著的不利影响等问题。后生动物捕食减量工艺是通过强化食物链，使能量从低营养级(细菌)向高营养级(原生动物和后生动物)的传递中发生损失而进行污泥减量，安全性较高，但后生动物生长不易控制，运行管理难度大，污水处理系统的污泥减量效果也较难稳定操控。各种污水处理污泥源头减量技术都具有不同程度的剩余污泥减量效果，但这些技术仍然存在以下几个尤为突出且具有共性的问题需氧量(能耗)的增加、费用高昂，营养物质的去除能力较低，污泥中无机物在系统中循环积累，微生物的活性和沉降性能降低等。因此，在确保污水处理出水水质的前提下，降低污水处理系统污泥产率的关键在于既能通过控制反应器内微生物适宜的代谢环境，维持活性污泥活性和沉淀性能，又能维持系统中较低的污泥产率实现污泥源头减量。同时，活性污泥中部分惰性无机物或无机砂也是直接影响污水处理系统污泥同步减量过程的制约因素，如何在污泥减量旁路系统中有效分离无机物质也直接关系到剩余污泥减量的实效性和系统长期运行的可靠性。
发明内容本发明主要针对现有污泥回流旁路系统剩余污泥源头减量技术的不足，从反应器技术的角度，基于工艺条件改变对微生物在不同生长环境中的代谢特征，进行反应器构型设计和污水回流污泥减量反应器工艺参数的优化，提出一种在活性污泥污水处理系统中控制剩余污泥减量的方法，同时提出实现该方法的设计在污泥回流旁路上的弧形导流墙厌氧/限氧半循环污泥减量反应器。本发明的提出的在活性污泥污水处理系统中控制剩余污泥减量的方法是在活性污泥污水处理系统的污泥回路上设置厌氧/限氧半循环污泥减量反应器，在污泥减量反应器中从进泥口到出口泥之间分设依次相连的厌氧区、循环区和限氧区三个区，污泥先从上部的进泥口进入厌氧区，通过搅拌进行均匀混合，然后向下流向循环区，污泥在循环区内由水下推流器的作用进行循环流动，再向上进入限氧区，最后从限氧区上部的出泥口排出。整个反应器内的停留时间为6h，限氧区的溶解氧浓度控制在0.55l.lmg/L内，反应器内厌氧/限氧实际停留时间的比值约为1.10~1.25:1，循环区流速0.15~0.22111/8。本发明提出的反应器设置在污水处理系统污泥回流旁路，反应器整体呈倒拱门型，反应器上部被隔板纵向分隔为厌氧区和限氧区，通过下部的循环区相连并形成循环；厌氧区上部设置有进泥口，限氧区上部设置有排泥口；循环区的上方中间设有弧形导流墙，连在所述隔板的下端位置，以使循环区形成半圆柱体形，循环区的中部设有竖隔墙，与所述隔板的方向一致；在所述厌氧区中设置有搅拌器；循环区中设有水下推流器。回流污泥混合液从厌氧区上部进入减量反应器，产生下向流首先通过厌氧区，污泥混合液出泥口设置在限氧区上部。污泥在厌氧区搅拌器、循环区水下推流器以及限氧区曝气的共同作用下，在反应器内形成混合液厌氧/限氧交替循环，不同反应区产生水解、解偶联和溶胞作用机制，促进系统污泥产率的有效降低，实现剩余污泥排放量的减少。鉴于活性污泥中污泥絮体和无机物的比重差异，基于反应器特定构型，控制适当的循环流速条件下，减量反应器中的少量无机砂能够从活性污泥中分离，并在反应器循环区底部沉积，通过设置的排砂管，可定期排出累积的惰性无机物，有利于确保系统持续、稳定的污泥减量效果。进一步，在限氧区出泥口处设有和边壁夹角呈61。66。的挡流板，促进限氧区的污泥混合液的循环流动，并确保出流的均匀；弧形导流墙曝气侧和挡流板上均开设数个小孔，维持反应器内气体压力平衡，稳定混合液内循环。基于上述反应器的特定构型、供氧条件和流型特性等运行条件，通过污泥在各区的循环和生活环境的交替，可综合利用能量解偶联、水解溶胞等污泥减量机制，在确保整个污水处理系统出水水质和微生物活性的同时，实现污水处理系统剩余污泥的源头减量。由于停留时间相对较短和特定的半循环方式，反应器具有减量效率高、能耗低、污泥活性维持良好，且能同步分离无机颗粒等优点。首先，在减量反应器的限氧区，好氧微生物氧化呼吸作用释放的能量储存于ATP中。根据微生物生化代谢原理，ATP分子一旦形成，其远端的y-磷酸基团将迅速水解成为无机磷酸分子，通过自发放能反应，ATP转变为ADP并放能。但由于减量反应器具有特殊的半循环方式，活性污泥微生物在限氧/厌氧的交替环境中，好氧菌在厌氧状态会立即处于自我保护的休眠状态，ATP转变为ADP释放的大量能量，不能被微生物有效利用合成新细胞，而是在厌氧段作为维持细胞生命活动的能量被消耗。根据热力学第一定律，未被利用的能量不会凭空消失，将以热量的形式散失，因此，本发明能够良好实现能量解偶联而减少了污泥产量。由于在微生物体内绝大多数生物化学过程都是在压力近似不变的条件下发生的，所以这一过程中，体系所释放出的热量就是该体系的焓变。发明污泥减量器限氧/厌氧环境的交替，一来可以促进污泥减量反应器中能量解偶联作用，以及活性污泥系统焓变值与热量散失的增加，在相同停留时间条件下，其污泥减量效果较OSA工艺优势明显。再则，限氧/厌氧环境的交替避免了OSA工艺较长厌氧停留时间对在整个回流污泥中微生物活性的不利影响，对于维持整个污水处理系统微生物降解污染物能力和保持良好的污泥沉降性能具有重要作用。此外，限氧/厌氧的环境条件下即可达到良好的污泥减量果，能耗相对较低。另一方面，相对OSA工艺，本发明反应器中设计了特定停留时间的限氧区，通过曝气量和半循环方式控制运行。由于这一特定比例限氧区的存在，进入反应器厌氧区中的处于营养物质匮乏状态的剩余污泥水解产生的溶解有机物，半循环至限氧区后，在有氧条件下可被好氧微生物降解。因此，与OSA工艺相比，由于厌氧区水解产物降解速度的增加，对整个水解反应过程的限制程度大大降低，反应器在厌氧区的水解作用被加速促进，也为后续的解偶联过程创造了条件，这是本发明反应器具有良好污泥减量效果的关键原因之一。本发明污泥减量反应器由于厌氧/限氧半循环运行方式，可以产生良好的生物溶胞作用的污泥减量机制，避免了物理溶胞减量方式普遍存在的耗氧量大、行管理复杂、处理费用高昂，以及易对微生物生长代谢造成破坏等不利影响。厌氧/限氧半循环可以加速部分细菌的死亡和溶化分解过程，从而有效减少剩余污泥的产量。基于相同污水处理效果，本发明与OSA剩余污泥减量技术的比较见表1。表1本新型污泥减量反应器与OSA工艺的比较<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>本发明的优点(1)在本发明中，污泥减量反应器设置一定比例的限氧区，通过厌氧/限氧的交替循环，使污泥解偶联作用得以强化。同时，限氧区的存在可加速有机底物的消耗，促进污泥细胞的溶胞现象。限氧区造成的缺氧环境还能在一定程度上促进反应器内污泥的水解效应。因此，和其它旁路解偶联污泥减量反应器相比，水力停留时间缩短，提高了减量反应效率，可减少占地和建设投资。(2)本发明利用活性污泥中有机质与无机物的比重差异，通过合理的设备配置，创造适宜的循环流速，能有效地在减量反应器内将无机物从混合液中分离出来，并通过反应器底部的排砂管定期排除，从而消除无机惰性物质在工艺循环过程中对污泥减量效果产生的不利影响，以确保污泥减量反应器持续、稳定的减量效果。(3)减量反应器能够维持良好的微生物活性。减量反应器中厌氧/限氧环境的交替循环，避免了OSA工艺中由于长时间处于厌氧环境下，活性污泥微生物活性的降低，进而可在最大程度上避免减量反应器中污泥回流至污水处理系统后，对之产生的不利影响。(5)采用倒拱门型的竖向构型有利于各反应区交替循环过程中容积利用率的提高，并具有节省占地的优势。(6)应用范围较OSA广。由于解偶联需要厌氧、好氧环境交替，OSA工艺的解偶联池只能外接在传统活性污泥工艺上，而该弧形导流板厌氧/限氧半循环污泥减量反应器可外接入多种活性污泥工艺。图1为污泥减量反应器在污水处理工艺流程中的位置图；图2为污泥减量反应器的立体构型图；图3为污泥减量反应器的运行特征图；图4为污泥减量反应器的侧视图。具体实施例方式参见图1，本发明提出的污泥减量反应器设置于活性污泥污水处理系统回流污泥旁路上，沉淀池的污泥在回流至污水处理主体构筑物前，首先进入污泥减量反应器，通过水解、解偶联、溶胞等作用实现污泥减量，使系统仅产生少量剩余污泥外排后续构筑物处理处置。参见图2、图3，本反应器整体构型呈倒置拱形门型，反应器内的上部设置竖向隔板2，中下部设置弧形导流墙9(弧形导流墙，连在所述隔板的下端位置)，将反应器分为左右两侧的厌氧区A(厌氧区A上部是密封的)、限氧区B，以及下部的半圆柱体形污泥循环区C。循环区C的中部设有竖隔墙IO，与所述隔板2的方向一致。在厌氧区A内竖向设置搅拌器l，实现污泥的提升循环，并防止污泥沉积。在循环区C的靠限氧区侧设有水下推流器4，并在所述循环区C底部靠限氧区侧设有曝气装置5，限氧区B通过曝气装置供氧，并协同循环区安装的调速水下推进器4，实现厌氧/限氧两区污泥的循环和交换。限氧区B上部的出泥口处设置有向下的挡流板ll，挡流板向下和反应器边壁夹角呈61°~66。，以稳定限氧区的混合液循环。污泥中少量无机物(砂)通过反应器底部设置的排砂管7排出。所述弧形导流墙曝气侧和挡流板上开设数个维持压力平衡的小孔3。参见图3，为污泥回流旁路减量反应器污泥混合液流型特征。回流污泥混合液从厌氧区A上部的进泥口进入减量反应器，产生下向流首先通过厌氧区，污泥混合液出泥口设置在限氧区B上部。厌氧区A和限氧区B通过反应器中下部的循环区C相连，使得两区部分混合液交替处于厌氧/限氧环境。反应器的运行参数如下1、减量反应器停留时间HRT=6h,几何关系上有2gt[2(H—丄,+;rRLf(l6+l7r)R;2、反应器总长为L1=2r1;反应器有效高度h-4r"反应器总宽L2=|r1;弧形导流墙半径R产lRn弧度为120。；下部竖隔墙高度1产|议1;限氧区出水口挡流板长度l2=^Rl，与边壁夹角a=61°~66°;在处理城市污水的常规活性污泥系统的污泥回流旁路设置本发明污泥减量反应器，能长期稳定、可靠运行，对于原水总磷浓度小于3mg/L城市污水，处理出水水质可达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)—级B标准。且经过污泥减量反应器作用，系统表观污泥产率为0.19~0.25kgMLSS/kgCODer，较普通活性污泥法低50%以上。权利要求1、一种在活性污泥污水处理系统中控制剩余污泥减量的方法，其特征在于在污水处理活性污泥系统的污泥回路上设置污泥减量反应器，在污泥减量反应器中从进泥口到出泥口之间分设依次相连的厌氧区、循环区和限氧区三个区，污泥先从上部的进泥口进入厌氧区，通过搅拌进行均匀混合，然后向下流向循环区，污泥在循环区内由水下推流器的作用进行循环流动，再向上进入限氧区，最后从限氧区上部的出泥口排出；所述污泥在整个反应器内的停留时间为6h，限氧区的溶解氧浓度控制在0.55～1.1mg/L内，反应器内厌氧/限氧实际停留时间的比值为1.10～1.25∶1，循环区流速0.15～0.22m/s。2、根据权利要求1所述的在活性污泥污水处理系统中控制剩余污泥减量的方法，其特征在于在减量反应器限氧区上部的出泥口处设置向下的挡流板，强化限氧区的污泥混合液循环。3、实现权利要求1或2所述的方法的弧形导流板厌氧/限氧半循环污泥减量反应器，所述反应器设置在污水处理系统污泥回流旁路，其特征在于所述反应器整体呈倒拱门型；反应器上部被隔板纵向分隔为厌氧区和限氧区，通过下部的循环区相连并形成循环；厌氧区上部设置有进泥口，限氧区上部设置有排泥口；循环区的上方中间设有弧形导流墙，连在所述隔板的下端位置，循环区的中部设有竖隔墙，与所述隔板的方向一致；在所述厌氧区中设置有搅拌器；循环区中设有水下推流器。4、根据权利要求3所述的弧形导流板厌氧/限氧半循环污泥减量反应器，其特征在于在所述循环区底部靠限氧区侧设有曝气装置。5、根据权利要求3所述的方法的弧形导流板厌氧/限氧半循环污泥减量反应器，其特征在于所述水下推流器也设置在循环区中靠限氧区侧。6、根据权利要求3所述的弧形导流板厌氧/限氧半循环污泥减量反应器，其特征在于所述限氧区的出泥口处设有挡流板。7、根据权利要求6所述的弧形导流板厌氧/限氧半循环污泥减量反应器，其特征在于所述挡流板向下和反应器边壁夹角呈61°~66°。8、根据权利要求6所述的弧形导流板厌氧/限氧半循环污泥减量反应器，其特征在于:所述弧形导流墙曝气侧和挡流板上开设数个维持压力平衡的小孔。9、根据权利要求4-7之任一项所述的弧形导流板厌氧/限氧半循环污泥减量反应器，其特征在于，反应器的几何参数满足以下关系-2^[2(H—RDLrHrR]1^2=(16+土兀)R卩；g——反应器混合液入流量，m3/s，Z^停留时间，s。Ri为反应器循环区半径几何尺寸；反应器总长为L1=2R1;反应器有效高度反应器总宽1^=*111;弧形导流墙半径Rf丄R"弧度为120。；竖隔墙高度/尸2R，，离底部高度h-丄R1;限氧区出泥口挡流板长度/f!Ru与边壁夹角《=61°~66°。全文摘要本发明提出在活性污泥污水处理系统中控制剩余污泥减量的方法，所述方法是在污泥减量反应器中从进泥口到出泥口之间分设依次相连的厌氧区、循环区和限氧区三个区，污泥先从上部的进泥口进入厌氧区，通过搅拌进行均匀混合，然后向下流向循环区，污泥在循环区内由水下推流器的作用进行循环流动，再向上进入限氧区，最后从限氧区上部的出泥口排出。本发明进一步提出了实现该方法的弧形导流板厌氧/限氧半循环污泥减量反应器，整个反应器停留时间为6h，限氧区溶解氧浓度为0.5～1.1mg/L，反应器内厌氧/限氧实际停留时间的比值为1.10～1.25∶1.0。反应器循环区半径R₁＝0.5L₁，反应器有效高H＝4R₁。本方法具有活性污泥减量效果好、耗能低、占地省、且能有效分离活性污泥中无机颗粒，确保污水处理系统出水效果、良好改善活性污泥沉降性能等优点。文档编号C02F3/30GK101602548SQ200910104248公开日2009年12月16日申请日期2009年7月3日优先权日2009年7月3日发明者罗固源,许晓毅,恩谢申请人:重庆大学