一种生物化学脱氮除磷污水处理系统及方法与流程

本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种生物化学脱氮除磷污水处理系统及方法。

背景技术：

中国污水排放标准的严格化趋势的日趋明显，2015年11月,环境保护部发布《城镇污水处理厂污染物排放标准》(征求意见稿)，而北京和天津已经率先实施了严格的地方标准。由于中国城镇污水的特点，在不外加碳源的情况下，总氮很难依靠生物的方法达标排放，更不能指望用生物的方法除磷达标排放。

目前采用的生物脱氮除磷技术有AAO、SBR、EH-BFB生物脱氮除磷技术、UCT和VIP法等及其变形。

其中，AAO工艺流程如附图5所示。

《室外排水设计规范》(GB50014)：“当需要同时脱氮除磷时，宜采用厌氧/缺氧/好氧法(AAO法，又称A²O法)”。污水依次流经厌氧段、缺氧段和好氧段，可以达到同时去除有机物和脱氮除磷的目的。

倒置AAO工艺流程如附图6所示。

倒置AAO工艺流程与AAO工艺的主要区别是厌氧区和缺氧区位置发生变化。

UCT工艺流程如附图7所示。

UCT法与AAO法相似，主要由两点不同，回流活性污泥回流至缺氧区，缺氧区混合液回流至厌氧区。UCT变形中增设了一个缺氧区，增设了好氧区向第二缺氧区的回流。

VIP工艺流程如附图8所示。

VIP法与UCT法和AAO法相似，但回流系统用法不同。

EH-BFB生化脱氮除磷技术置工艺流程如附图9所示。

EH-BFB生化脱氮除磷技术置工艺主要特点，采用了压力布水器对水解酸化池进行均匀布水，从而形成膨胀污泥床；好氧单元投加了部分填料，从而形成了好氧流化床；污泥回流系统用法发生了变化。

目前已知的生物脱氮除磷工艺均需要解决三大难以调和的矛盾：1、泥龄长短需求差异较大的问题；2、因回流污泥存在硝酸盐在厌氧区内同时发生反硝化和厌氧释磷的问题；3、释磷和反硝化均以易降解有机物作为碳源，存在着因碳源不足引起的竞争性矛盾。其中，AAO无法解决“1、2、3”，倒置AAO无法解决“1”，UCT和VIP无法解决“1、3”，EH-BFB生化脱氮除磷技术置工艺无法解决“2、3”。EH-BFB生化脱氮除磷技术置工艺采用纯生物法除磷，在含磷浓度较高时，需要补充碳源才能确保出水磷含量达标排放。产生污泥量较大且且需要考虑污泥后续处理过程中释磷的问题。

其他工艺均采用生物处理+化学除磷的方式进行除磷，化学絮凝区总进水量均≥生化单元开始的进水量，化学絮凝区总进水中含磷量≤原水的含磷量，而且需要考虑污泥后续处理过程中释磷的问题，因此整个脱氮除磷过程中除磷药剂投加量大，产生大量剩余污泥。

目前所有脱氮除磷工艺均使好氧产生的污泥直接作为剩余污泥排至污泥处理单元，因此污水中的碳源没能得到充分利用，在碳源不足的情况下，需要投加更多碳源。

因此，研究一种少投加甚至不投加碳源、除磷药剂和其它药剂的脱氮除磷工艺意义重大深远。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种生物化学脱氮除磷污水处理系统，具体采用如下技术方案：

一种生物化学脱氮除磷污水处理系统，包括升流式水解酸化污泥床，依次与所述升流式水解酸化污泥床的污水出口相连的生物脱氮除 磷装置、泥水分离装置和消毒装置；

所述泥水分离装置上设置有用于将分离得到的污泥回流至所述升流式水解酸化污泥床和/或所述生物脱氮除磷装置的污泥回流管路。

其中，本发明所述的升流式水解酸化污泥床是现有的水解酸化反应器的一种变形，其结构与《水解酸化反应器污水处理工程技术规范》(HJ2047)中的类似，包括床体(形状可以为圆柱形，也可为长方体形)，床体的底部设置有污水入口，床体内具有活性污泥，顶部设置有用于收集出水的堰板和出水槽，本发明的升流式水解酸化污泥床与现有的反应器的区别仅在于床体上设置有用于将回流污泥导入床体内的入口。本发明人为地将所述升流式水解酸化污泥床的内部自下而上分为三部分，分别为下部，中部和上部，各部分的高度约占整个床体高度的1/3。本发明所述的升流式水解酸化污泥床具有界限清晰的功能区：下部和中部区域的主要功能为污水的水解酸化和水解污泥残渣的厌氧消化；距底部的距离占床体总高度约2/3～5/6之间区域的主要功能为回流污泥中硝酸盐和亚硝酸盐的去除；距底部距离占床体总高度约5/6～液面之间区域的主要功能为厌氧释磷。

本发明所述的生物脱氮除磷装置也含有明确的功能区，包括但不仅限于好氧区，缺氧区，厌氧区，膜区等本领域公知的处理单元，本发明对各个功能区的具体布局以及回流方式不做特殊限制，几个功能区的布局和回流方式可以采用本领域公知的，如背景技术中提及的AAO布局方式，倒置AAO布局方式，UTC布局方式，或VIP布局方式等，均可实现基本相同的功能。本发明优选的生物脱氮除磷装置的布局方式为AAO式或MSBR式。

在一种具体的实施方式中，所述生物脱氮除磷装置包括顺次连接的厌氧池、缺氧池和好氧池，所述好氧池上设有用于将好氧池的泥水混合物回流至缺氧池的内回流管路。

在另一种具体的实施方式中，所述生物脱氮除磷装置包括顺次连 接的缺氧池、厌氧池和好氧池，所述好氧池上同样设有用于将好氧池的泥水混合物回流至缺氧池的管道。

在上述任意一种实施方式中，为了确保好氧池反应的顺利进行，生物脱氮除磷装置还包括用于向所述好氧池中通入空气的鼓风曝气装置。鼓风曝气装置为本领域已知的设备，可市购获得。

优选地，该污水处理系统还包括化学除磷池，所述化学除磷池的污水入口与所述升流式水解酸化污泥床的污水出口相连，所述化学除磷池的污水出口与所述生物脱氮除磷装置的污水入口相连。

本发明通过侧流方式对污水进行化学除磷，与现有技术中的纯生物除磷或是在系统前、中、后段进行的化学除磷(易形成除磷与污泥泥龄对立关系)相比，本发明的侧流方式不存在泥龄长短需求差异较大的问题。此外，该除磷工艺的处理量仅占污水处理总量的10-30％，因此投资成本低，占地面积小。

优选地，所述升流式水解酸化污泥床内部距其底部的距离占床体总高度2/3的平面上设置有用于分配回流污泥的回流污泥分布头；和/或，所述升流式水解酸化污泥床底部均布有用于分配待处理污水的污水分布头。

优选地，该系统还包括分别用于分配待处理污水和回流污泥的流体分配器，所述流体分配器可采用本领域公知的器件，如阀门调节分配器、穿孔管布水器、射流布水器、数控旋流分配器、堰槽等。

所述流体分配器的出水口分别与污水分布头和回流污泥分布头通过管道一对一的连接，所述流体分配器能均匀、连续、稳定分配流体即可。

本发明对泥水分离装置的结构不做特殊限定，例如可采用本领域公知的MBR(膜生物反应器)，生物转盘或“二沉池+V型滤池”等具体设备，经过泥水分离装置得到出水，其SS(悬浮性固体含量)能满足出水要求即可。

本发明对消毒装置的结构也不做特殊限定，例如可采用紫外线消毒、次氯酸钠消毒或臭氧消毒，使出水中粪大肠菌群数达标即可。

本发明的第二个目的是提供一种利用上述任意一种污水处理系统进行污水处理的方法，该方法包括如下步骤：

(1)将待处理污水通入所述升流式水解酸化污泥床的底部，污水自下而上运动，在通过污泥区的过程中，其中的污染物与厌氧污泥发生水解酸化反应，然后上升至升流式水解酸化床的上部，经堰板收集出水后，汇集至出水槽进入生物脱氮除磷装置，底部剩余污泥被排入污泥处理装置；

(2)污水在生物脱氮除磷装置中经过脱氮除磷后，进入泥水分离装置；

(3)进入泥水分离装置的泥水混合物经泥水分离后，污泥经由污泥回流管路回流至升流式水解酸化污泥床污泥区和/或生物脱氮除磷装置，水体部分经消毒装置消毒后进入污水回收装置。

在一种具体的实施方式中，步骤(2)中所述脱氮除磷具体包括如下步骤：

S201：污水进入厌氧池，位于厌氧池内的聚磷菌在厌氧池内充分释磷，经过释磷后的活性污泥与进入其中的污水混合后进入缺氧区；

S202：位于缺氧池内的反硝化菌使污水中的硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气，经过反硝化反应后的污水进入好氧池；

S203：在好氧池内，污水中的污染物经过碳化反应和/或消化反应和/或好氧吸磷反应得到进一步消除，磷被聚磷菌吸收，氨氮转化为硝酸盐和亚硝酸盐；经过好氧池的泥水混合物部分被回流至厌氧池，部分进入泥水分离装置。

优选地，步骤(3)中，分离得到的污泥既可以全部回流至升流式水解酸化污泥床，也可以部分回流至升流式水解酸化污泥床，部分回流至生物脱氮除磷装置(如回流至生物脱氮除磷装置的起始位置— 厌氧池)。由于污水厂的水质水量随季节和时间波动较大，通过向生物脱氮除磷装置回流部分可以，可在达标的前提下，提高污染物的去除率。

本发明优选将分离得到的污泥全部回流至升流式水解酸化污泥床的污泥区。此种情况下，回流污泥与经水解酸化反应后的污水充分混合形成泥水混合物，泥水混合物均匀通过升流式水解酸化污泥床上部的过程中(通过的路程约为距床体底部高度约2/3～5/6之间)，回流污泥中的硝酸盐通过一系列生物反应被除去，回流污泥中的聚磷菌在厌氧环境中释磷；剩余污泥经过水解反应，产生大量易降解碳源，残渣经过升流式水解酸化污泥床的中部和下部的过程中进一步被消解，最终剩余污泥产生大量易降解碳源、磷酸盐和氨等小分子物质，残渣随底部污泥排入污泥处理装置。本发明的回流污泥存在独立的反硝化反应区，因此彻底解决了现有的生物脱氮除磷工艺中，回流污泥中的硝酸盐在厌氧区内同时发生反硝化和厌氧释磷的问题。同时，虽然反硝化和厌氧释磷均以易降解的有机物作为碳源，但由于不存在在厌氧区内同时发生反硝化和厌氧释磷的问题，所以也不存在碳源不足引起的竞争性矛盾，因而，可在碳源不足的情况下，实现少投加甚至不投加碳源。

本发明所有的剩余污泥均经过升流式水解酸化污泥床中部和下部的厌氧消化，理论上，其剩余活性污泥产量低于现有技术。由于升流式水解酸化污泥床连续进水有污泥增长，出水污泥SS变动，不同部位的污泥浓度不相同，且回流污泥和进水中SS是变动的，因此无法直接测量出回流污泥的污泥消减量，但采用如下方法可以推断出回流污泥在升流式水解酸化污泥床作用下的厌氧消解量。所述方法具体为：

(1)取三份水解酸化污泥500mL装入容积1000L的矿泉水瓶子中，样品标记为样品1、样品2和样品3。取两份回流污泥500mL分别装入容积1000L的矿泉水瓶子中(标记为样品4)和样品2中。用瓶盖密封 样品1、样品2、样品3和样品4。

(2)测得样品3的污泥浓度为12g/L，回流污泥浓度7g/L。

(3)每天摇晃一次样品1和样品2，摇晃时间1min/L，静止1h松动瓶盖使瓶内与环境压力相等后继续拧紧瓶盖。

(4)20d后测量样品1和样品2的污泥浓度分别为10g/L，7g/L。

(5)计算：

由以上可知回流污泥经厌氧消化20d，污泥量减少至少40％。因此本发明的剩余活性污泥产量比其他工艺减少40％以上。

经泥水分离装置分离得到的污泥经由管道回流至升流式水解酸化污泥床，使得污泥在床体内的停留时间延长了0.5-1.5h，且从升流式水解酸化污泥床上部的污水出口流出的为泥水混合物(其浓度约为回流污泥浓度的50％)，因此，系统中整体污泥浓度相对均匀，平均污泥浓度比一般水解酸化工艺的浓度高10％以上。

优选地，所述处理方法还包括将步骤(1)中经酸化水解处理后的污水中的10-30％(体积百分数)导入化学除磷池进行化学除磷，然后将除磷后的污水导入厌氧池的步骤。进一步优选地，所述化学除磷使用硫酸亚铁除磷剂，其添加量为1-3mg/L。

现有技术中，其他工艺化学除磷单元的进水量≥总进水，除磷药剂投加量和除磷摩尔比一般为2～10:1，一般情况下投加量为20mg/L×总进水。本发明化学除磷单元进水量约为总进水的10～30％，除磷药剂投加量和除磷摩尔比一般为1:1，一般情况下投加量为10mg/L×总进水×(10～30％)，即约为1～3mg/L×总进水。所以化学产泥量是其他工艺的1/20～1/50，具有污泥产生量少的优势。

优选地，污水的上升流速为0.5-2m/h，污水在升流式水解酸化污泥床的上部流速为1.5-3m/h。

优选地，污水在升流式水解酸化污泥床的停留时间为4-6h，

优选地，污水在生物脱氮除磷装置中的停留时间为10-15h，其中，在厌氧池、缺氧池和好氧池的停留时间比为1:(1-3):(4-8)。

在一种具体的实施方式中，控制污水在生物脱氮除磷装置中的停留时间为10h，其中，在厌氧池、缺氧池和好氧池的停留时间分别为1h，2h和7h。

进一步优选地，采用鼓风曝气装置向好氧池中鼓入空气，其气水比为(6-8)：1。

采用本发明所述的系统和方法，可实现出水连续稳定达标排放，且在污水处理过程中，能够减少碳源、除磷药剂和其他药剂的投加甚至不投加，能够减少生物污泥产量和化学污泥产量，可完全有效解决生物脱氮除磷过程中出现的三大难以调和的矛盾，提高脱氮除磷的效率、可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明所述污水处理系统的示意图；

图2为生物脱氮除磷装置的一种具体形式；

图3为生物脱氮除磷装置的另一种具体形式；

图4为升流式水解酸化污泥床的结构示意图；

图5为AAO工艺流程图；

图6为倒置AAO工艺流程图；

图7为UCT工艺流程图；

图8为VIP工艺流程图；

图9为EH-BFB生化脱氮除磷技术工艺流程图。

1、升流式水解酸化污泥床；101、活性污泥区；102、回流污泥管；103、进水管；104、出水管；105、排污管；2、生物脱氮除磷装置；3、泥水分离装置；4、消毒装置；5、鼓风曝气装置；6、化学除磷装置；7、污泥处理装置；8、污水回收装置；9、污泥回流管路；10、内回流管路；201、厌氧池；202、缺氧池；203、好氧池。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

一种污水处理系统，如图1所述，该污水处理系统包括升流式水解酸化污泥床1，升流式水解酸化污泥床1的结构具体见图4，床体内填充有活性污泥区101，回流污泥管102位于池体2/3处，进水管103位于床体底部，出水管104位于上部，排污管105位于下部。

还包括依次与升流式水解酸化污泥床1的出水管104相连的生物脱氮除磷装置2、泥水分离装置3和消毒装置4；

所述泥水分离装置3上设置有用于将分离得到的污泥回流至所述升流式水解酸化污泥床1和/或所述生物脱氮除磷装置2的污泥回流管路9。

其中，所述生物脱氮除磷装置2的结构如图2所示，包括顺次连接的厌氧池201、缺氧池202和好氧池203，且好氧池203上设置有用于将污水混合物回流至厌氧池201的内回流管路10。

从升流式水解酸化污泥床1排出的剩余污泥经排污管105进入污泥处理装置7，消毒后的污水达标排放或者进入污水回收装置8回收利用。

实施例2

一种污水处理系统，该系统与实施例1的区别仅在于：生物脱氮除磷装置结构不同，该实施例生物脱氮除磷装置的具体结构如图3所示，包括顺次连接的缺氧池202、厌氧池201和好氧池203，且好氧池203上设置有用于将污水混合物回流至厌氧池201的内回流管路10。

实施例3

一种污水处理系统，该系统是在实施例1的基础上做出的进一步改进，具体为：还包括化学除磷装置6，化学除磷装置6的污水入口与升流式水解酸化污泥床1的污水出口相连，化学除磷装置6的污水出口 与厌氧池201的污水入口相连。

经过升流式水解酸化污泥床处理后的部分出水进入化学除磷装置除磷后再通入厌氧池201。

实施例4

一种污水处理系统，该系统是在实施例1或2的基础上做出的进一步改进，具体为：升流式水解酸化污泥床1的内部距其底部的距离约占床体总高度2/3的平面上设置有回流污泥分布头，升流式水解酸化污泥床1的底部均匀设置有污水分布头，回流污泥分布头和污水分布头分别经过管道与相应的流体分配器的流体排出管一对一相连。

实施例5

一种污水处理方法，利用实施例4的系统进行，包括如下步骤：

(1)将待处理污水经过流体分配器均匀分配至所述升流式水解酸化污泥床的底部，污水自下而上运动，在通过升流式水解酸化污泥床的底部和中部的过程中，其中的污染物与位于该区域的厌氧污泥发生水解酸化反应，然后上升至升流式水解酸化床的上部，经堰板收集出水，进入出水槽，流入厌氧池，底部剩余污泥被排入污泥处理装置；

(2)位于厌氧池内的聚磷菌在厌氧池内充分释磷，经过释磷后的活性污泥与进入其中的污水混合后进入缺氧区；

(3)位于缺氧池内的反硝化菌使污水中的硝酸盐和亚硝酸盐还原为氮气，经过反硝化反应后的污水进入好氧池；

(4)在好氧池内，污水中的污染物经过碳化反应和/或消化反应和/或好氧吸磷反应得到进一步消除，磷被聚磷菌吸收，氨氮转化为硝酸盐和亚硝酸盐；经过好氧池的泥水混合物部分被回流至厌氧池，部分进入泥水分离装置；

(5)进入泥水分离装置的泥水混合物经泥水分离后，污泥经由污泥回流管路回流至流体分配器，经由流体分配器分配至升流式水解酸化污泥床，水体部分经消毒装置消毒后进入污水回收装置。

该实施例中，污水在升流式水解酸化污泥床底部的上升流速为0.9m/h，上部流速为1.7m/h，污水在床体内的停留时间为5h，在厌氧池停留时间为1h，缺氧池停留时间为2h，好氧池停留时间为7h，泥水分离装置的回流污泥全部回流至升流式水解酸化污泥床上部。进入化学除磷装置的污水量占总量的20％，化学除磷药剂为硫酸亚铁，投放量为10mg/L。(以上各数值均为均值)

检测得到升流式水解酸化污泥床的相关数据如下：底部污泥浓度均值15g/L，中部污泥浓度均值12g/L，上部污泥浓度均值10g/L，出水含磷量均值约为20mg/L。

本实施例所述的污水为城市生活污水，经过上述处理后，城市生活污水的进出水水质标准如表1所示，出水达到一级A标准：

表1城市生活污水进出水水质标准(mg/L)

注：括号外数值为水温＞12℃时的控制指标，括号内数值为水温≤12℃时的控制指标。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。