专利名称：一种高效处理有机废水并减少剩余污泥产量的方法
技术领域：
本发明属于利用生物技术处理污水的领域，特别涉及了一种利用生物捕食净化污水，并同时减少净化过程中剩余污泥产量的方法。
背景技术：
活性污泥法是当今应用最广泛的污水生物处理方法，但同时副产大量的剩余污泥。目前剩余污泥的处理与处置费用占污水处理厂总运行费用的25～40％，随着污水处理设施的普及、处理量的增加、处理标准的提高和处理功能的拓展，剩余污泥的产生量将会大幅度增加。因此，如何合理的解决污泥问题，已是当前亟待解决的环保问题之一。
污泥的处理和处置，就是以适当的技术措施，使污泥得到再利用或以某种不损环境的形式重新返回到自然环境中。目前常用的剩余污泥处理方法是污泥浓缩→污泥厌氧消化→机械脱水；污泥最终处置方式主要有土地利用(如污泥农用、园艺利用等)、卫生填埋、污泥焚烧和投放海洋等。污泥厌氧消化所需构筑物池体庞大，基建投资大，且厌氧消化工艺要求消化池内的温度恒定，操作复杂；上述几种污泥处置方法也存在不足之处，如污泥中重金属的含量通常超过农用污泥重金属最高限量的规定。此外，污泥中还含有病原体、寄生虫卵、呋喃等，如农业利用不当，将对人类的健康造成严重的危害。填埋处置容易对地下水造成污染，同时大量占用土地。焚烧处置可使污泥体积大幅度减小，且可灭菌，但焚烧设备的投资和运行费用都比较大，燃烧产物中的二恶英(dioxin)等大气污染物均对人体造成危害。投放海洋虽然可在短期内避免海岸线及近海受到污染，但其长期危害可能更严重，且污泥运输费用昂贵，已被世界上大多数国家禁用。因此从源头入手，最大程度地减少剩余污泥排放量有着显著的社会效益和经济效益。
可实现污泥减量的污水净化技术就是要在保证污水处理效果的前提下，采取适当的技术措施，尽量降低处理相同量污水时所产生的污泥量。目前的污泥减量化技术可分为四类(1)解偶联技术正常情况下，生物的分解代谢和合成代谢是由ATP(三磷酸腺苷)和ADP(二磷酸腺苷)之间的转化而联系在一起的，即分解一定的底物，将有一定比例的生物体合成。但在污水处理系统中存在解偶联剂的情况下，底物被氧化的同时ATP不大量合成或合成以后迅速由其他途径释放，总体上使得细菌的分解代谢和合成代谢不再由ATP的合成与分解反应偶联在一起。这样细菌在保持正常分解底物的同时，自身合成速度减慢，表观速率降低，从而达到降低污泥产量的目的，这就是所谓的解偶联。但在实际应用中存在以下问题所投的解偶联剂在较长时间后由于微生物的驯化而被降解，从而失去解偶联作用；加入解偶联剂后，需要更多的氧去氧化未能转化成污泥的有机物，从而使得供氧量增加；投加解偶联剂的费用昂贵，其在污水中需要维持的浓度为4-80mg/l，用量惊人；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，存在环境安全问题。(2)增加生物体自身氧化速率常规活性污泥法中常用氧化沟工艺。该工艺可以延长污泥龄或降低污泥负荷从而减少污泥产量，但氧化沟占地较大，处理效率低。膜法污水处理工艺中的膜生物反应器可以在长污泥龄或完全不排污泥的情况下操作，从而导致极低的污泥产率。但采用该方法会导致严重的膜污染，从而增加膜组件的更换费用，此外，膜生物反应器中的污泥粘度大，脱水性能差，增加了污泥脱水的费用。(3)生物隐性生长技术通过强化细胞的隐性生长也可以达到污泥减量的目的。隐性生长是指细菌利用衰亡细菌所形成的二次基质生长，整个过程包含了溶胞和生长。通常的溶胞作用包括各种化学、物理、生物及其相互联合的作用。化学溶胞法中有报道采有臭氧、酸碱溶胞，但增加了污水处理的投资和能耗；当采用氯气溶胞时，氯气与污泥中的有机物发生反应生成三卤甲烷，危害环境。物理溶胞法中的热处理和机械破碎法同样需要较多的额外能量输入；超声波虽然可以破坏细胞壁，但它的作用受到液体的许多参数(温度、粘度、表面张力等)和超声波发生设备的影响，在短时间内还不可能投入实用。生物溶胞中的投加酶制剂或抗菌素法在经费上不太现实。(4)生物捕食主要是利用微型动物(如原/后生动物)对细菌的捕食作用。从生态学角度，当系统中食物链越长，能量损失越多，可用于合成生物体的能量就越少，最终形成的总的生物量也就越少。因此，延长食物链或强化食物链中微型动物的捕食作用均能达到减少剩余污泥产量的目的。常规活性污泥法中，微型动物与细菌共存于曝气池，而曝气池的运行条件主要是利于细菌等微生物吞食有机物，并不完全适合于具有捕食细菌作用的高等微型动物的生长，从而导致污泥减量化效果不明显。同其它三类污泥减量技术相比，生物捕食法具有经济和环境友好等显著优点，发展前景良好。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分别适合于细菌、微型动物生长的污水处理工艺，提高污水处理效率，节约污水处理厂的基建投资，并在保证污水净化效果的前提下最大限度地降低剩余污泥产量，以减少污泥处理费用。具体工艺过程如下污水处理工艺原污水经过一级物化处理后进入细菌分散生长池，控制水力停留时间为1～2小时，污水中的有机物在细菌分散池中被细菌降解；b、细菌分散生长池出水依次经过原生动物生长池、后生动物生长池和大型微型动物生长池，其中总水力停留时间为4～5小时，原生动物生长池的水力停留时间为1～1.5小时，后生动物生长池中的水力停留时间为1小时，大型微型动物生长池中的水力停留时间为1～1.5小时；c、大型微型动物生长池的泥水混合液经二沉池进行泥水分离后，上清液排放，污泥回流至缺氧池经腐败后再进入原生动物生长池，少量的剩余污泥外排。
本发明的利用生物捕食减少剩余污泥量的方法可分别为不同类型的微型动物提供稳定的生长环境，使它们各自相对独立的成为优势种群，减少了种间竞争，从而有效提高污水净化效果，并因对细菌的捕食作用减少污泥产量。因此本工艺可以降低污水处理厂的污水处理成本和污泥处理处置费用。
本发明所述的污水处理工艺包括了一级物化处理、好氧段的二级生化处理和二沉池的泥水分离。好氧段依据食物链的营养级别，从低级到高级分为四部分细菌分散生长池、原生动物生长池、后生动物生长池和大型微型动物生长池。细菌、原生动物、后生动物、大型微型动物分别在以上四个工序段中成为优势种群，减少了种间竞争，前者完成降解有机物的功能，后三者主要完成减少生物污泥产量的作用，辅以降解有机物。本发明的生物捕食污泥减量化工艺可应用于城市污水处理厂和工业污水处理厂的污水处理和污泥减量处理。具有如下优点1、工艺简单，运行稳定可靠，操作管理方便，可完全实现自动化控制。
2、生物捕食污泥减量化工艺可分别为原/后生动物和大型微型动物提供稳定的生长环境，使它们各自相对独立的成为优势种群，减少种间竞争，可有效提高污水净化效果，并因对细菌的捕食作用减少污泥产量，从而降低污水处理厂的污水处理成本和污泥处理处置费用。
3、生物捕食污泥减量化工艺可使系统不仅具有去除有机物和污泥减量的功能，而且还可以有效去除污水中的总氮，并有助于磷的去除。
4、系统中的原/后生动物不仅可以捕食细菌而且也可以直接吞食污泥颗粒和污水中的有机残渣，因此系统中大量的原/后生动物有助于提高污水净化效果。
5、由于微型动物的捕食作用，工艺可有效提高二沉池内污泥的沉降和脱水性能，且无结团现象。
图1为本发明的利用生物捕食减少剩余污泥量的方法在净化污水的同时减少剩余污泥产量的流程图；图2为生物捕食法对污水中有机物(COD)的去除效果统计图；图3为不同COD容积负荷(或HRT)时的剩余污泥产率统计图；图4为各段中的微型动物密度统计图；图5为各段中原生动物密度与后生动物密度比值统计图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图1，本实施方式按照如下方法利用生物捕食减少剩余污泥量1、首先原污水经提升泵站提升到一定高度，满足后续工段依靠重力流运行时所需的水头。
2、格栅用以截留大的悬浮物或漂浮物，如塑料制品、纤维碎皮、毛发、木屑、果皮、蔬菜等，以便减清后续处理构筑物的负荷，使之正常运行。
3、沉砂池去除污水中密度较大的砂石颗粒，如泥沙、煤渣等，以减轻初沉池的负荷，改善污泥处理构筑物的处理条件，沉砂池可以曝气沉砂池初步去除颗粒上附着的有机物。
4、初沉池进一步沉淀，去除污水中不溶性且比重较大的颗粒，初步去除BOD(生化需氧量)和SS(悬浮物)。该构筑物可以减轻曝气池和二沉池的负荷，并降低了整个工艺外排污泥的含水率。
5、细菌分散生长池去除原水中的大部分有机物，净化污水。作为有机物去除功能主要承担者的细菌及部分真菌在此构筑物中分散生长，利于其在后续构筑物中被原/后生动物所捕食。污水在该池中的水力停留时间可控制在1～2小时，池中的污泥龄小于水力停留时间。混合液中的溶解氧不低于0.5mg/l，水温为20～25℃，pH值为6～9，池中悬浮污泥浓度为5.0～6.0g/l。
细菌分散生长池中无污泥回流且水力停留时间相对短(1～2小时)。该池主要是利用丰富的有机食料刺激繁殖迅速的细菌生长，该池中细菌呈分散而不是菌胶团状态。分散生长的细菌没有了菌胶团的保护，在后续构筑物中更易被高等微生物所捕食。细菌分散生长还可以增大其与有机底物及水中溶解氧的接触面积，加速传质过程，缩短污水处理的时间，减小构筑物的占地面积。所述细菌为好氧菌。
6、原生动物生长池减少剩余污泥产量，净化污水。利用原生动物对细菌的捕食作用减少污泥产量，并降解有机物。污水在该池中的水力停留时间控制在1～1.5小时，混合液中的溶解氧不低于0.5mg/l，水温为20～25℃，pH值为6～9，池中悬浮污泥浓度为4.0～5.0g/l，生物膜后度为2～2.5mm。该池中填料的填充比为20％～50％。
原生动物生长池中的原生动物对细菌和真菌具有捕食作用，可减少细菌分散生长池所引入的过量生物污泥(细菌活体或死亡菌体)，从而减少系统污泥产量。原生动物生长池中底物浓度及供氧条件仅适合于原生动物类的生长，并使其成为池中的优势种群。
7、后生动物生长池利用后生动物的捕食作用减少剩余污泥产量，并吞食大的有机颗粒，降解有机物。污水在该池中的水力停留时间控制在1小时左右，混合液中的溶解氧不低于1.0mg/l，水温为20～25℃，pH值为6～9，池中悬浮污泥浓度为4.0～5.0g/l，生物膜后度为1～1.5mm。池中填料的填充比为10％～30％。
后生动物生长池主要是利用后生动物对原生动物、细菌的捕食作用减少剩余污泥产量。该池中的有机底物浓度已经大大减少，不适于世代时间较短的原生动物、尤其是细菌的生长，后生动物成为了池中的优势种群。
8、大型微型动物生长池减少剩余污泥量，进一步净化污水。大型微型动物通过吞食细菌、原/后生动物减少污泥产量。该池是整个工艺污泥减量功能的主要承担者。污水在该池中的水力停留时间控制在1～1.5小时，混合液中的溶解氧不低于2.0mg/l，水温为20～25℃，pH值为6～9，池中悬浮污泥浓度为3.0～4.0g/l，生物膜后度为0.5～1.0mm。池中填料的填充比为20％～50％。
大型微型动物生长池中大型微型动物的数量明显增多，它们对生物污泥的的捕食能力更强，对污泥减量的贡献率也最大。另外由于该池的混合液直接进入到二沉池中进行泥水分离，也是系统出水水质的保障单元。因此该池的曝气量应既能满足大型微型动物的新陈代谢需要也不宜过高，防止过量污泥进入二沉池。
9、二沉池大型微型动物生长池的泥水混合液在此进行固液分离，沉淀后的污泥经污泥泵提升回流至缺氧池，回流比为100％。二沉池有少量的剩余污泥排出污水处理系统进入污泥脱水机。二沉池的上清液作为出水消毒后排入受纳水体或是进一步深度处理后作为中水回用。
10、缺氧池污泥在缺氧池发生腐败，进一步减少污泥量，缺氧池内的氧化还原电位控制在-200mV～-100mV。并且缺氧池内可发生反硝化作用可去除部分总氮。污泥经缺氧池后再流至原生动物生长池。
本实施方式中的微型动物(包括原生动物、后生动物和大型微型动物如昆虫幼虫等)生长池除进一步发挥分散细菌去除有机物的能力外，大量原生动物对细菌、后生动物对原生动物和细菌的捕食可减少污泥量，此外，微型动物可直接吞食有机颗粒，降解有机物。
本实施方式中微型动物生长池中有污泥回流，总水力停留时间为4～5小时，其中原生动物生长池为1～1.5小时，后生动物生长池为1小时，大型微型动物生长池为1～1.5小时。
本实施方式中所述好氧段中的曝气方式可采用单侧循环曝气或池底全面曝气，细菌分散生长池、原生动物生长池、后生动物生长池和大型微型动物生长池的池容比为2～2.5∶1.5～2∶1～1.5∶1.5～2。
本实施方式中所述的填料为螺旋体状生物载体，其材质为塑料，填料仅填充在原生动物生长池、后生动物生长池和大型微型动物生长池中。螺旋体状生物载体可以增加微型动物的栖息场所，提高构筑物的池容利用率。此外，反硝化菌还可以在填料内部生长，发挥反硝化作用，有利于总氮的去除。
本实施方式中所述的原/后生动物可分为在混合液(曝气池中的泥水混合物)中自由游动生长的游离型和在填料上附着生长的附着型。均为好氧型微生物。原生动物主要有纤毛虫、鞭毛虫、肉足虫等；后生动物主要有轮虫、线虫；大型微型动物主要有水熊、水蚤以及寡毛纲中的颤蚓、红斑顠体虫、仙女虫等。
具体实施方式
二以原水为餐厅污水为例，进水有机物(以COD计)浓度为600～1200mg/L。
如图2，生物捕食法处理餐厅污水时，为达到污泥减量和降解有机物这两个目的，合理的HRT为6小时。此条件下的COD去除率平均值为90％，出水COD值均小于100mg/L，符合一级排放标准(GB28978-2002)。
由表1可以看出，原水中的有机物主要在细菌分散池中被去除，其去除率超过了40％，而原生、后生及大型微型动物生长池的去除率则均低于20％，且依次降低。系统总的COD去除率为90％左右。
表1 不同段的COD去除率比较
由图3可以看出，随着有机负荷的增加或水力停留时间(HRT)的缩短，系统的污泥产率逐渐升高。当COD容积负荷低于4.80kg/(m3·d)、系统总水力停留时间不小于6h时，系统的污泥产率均低于0.1kgTSS/kgCOD去除；但当HRT缩短至4h，系统的污泥产率急剧增加到了0.85kgTSS/kgCOD去除。分析其原因可能是当有机负荷较低时，大部分有机物在R1段被降解，后几段中(尤其是R4段中)底物浓度较低，因此繁殖速度较快的细菌类在这些段中对底物的竞争优势不明显，其密度较R1段大大降低，而世代时间相对较长的高等微型动物由于摄食范围较广，可以吞食菌体及污泥颗粒，而不是像细菌一样只能降解可溶性有机物，从而降低了污泥产率；当有机负荷较高时，如超过4.8kg/(m3·d)，四段中有机物的浓度差别变小，细菌等低等微生物在各段中的浓度差也相应缩小，其在R4段中的数量大大增加，并且繁殖速率超过了高等微型动物对细菌的捕食速率，从而使污泥产率有所升高。
图4反映了污泥产率为0.1kgSS/kgCOD去除时，污水反应器中常出现的几种微型动物在各段中的密度变化情况。由图4可知，纤毛虫和鞭毛虫的种群密度均为先升高后降低，在R2段达到最大值，在R3、R4段又分别降低。肉足虫在R1段内的密度最大，在随后几段内依次降低。后生动物的演替规律则与原生动物不同，如轮虫在R1段内极少出现，在R2段中数量开始增多，R3段中其密度达到最大值；而红斑顠体虫则在R1、R2段中很难发现，R4段中其密度达到最大值。由于R3、R4段中有机物浓度很低，而高等微型动物可摄食的底物类型较广，可以低等微生物、食物残渣和絮体颗粒为食，其对底物的竞争能力超过了纤毛虫等原生动物和细菌，使得其密度有所升高，正因如此，R4段中的污泥量大为减少。观察发现(图5)，原生动物密度与后生动物密度的比值由R1至R4段逐渐缩小，由此可见，系统内形成了明显的由低级到高级的食物链。
符号说明COD-化学需氧量(Chemical Oxygen Demand)；HRT-水力停留时间(Hydraulic Retention Time)；R1-细菌分散生长池；R2-原生动物生长池；R3-后生动物生长池；R4-大型微型动物生长池。
权利要求
1.一种高效处理有机废水并减少剩余污泥产量的方法，其特征在于所述方法为a、原污水经过一级物化处理后进入细菌分散生长池，控制水力停留时间为1～2小时，污水中的有机物在细菌分散池中被细菌降解；b、细菌分散生长池出水依次经过原生动物生长池、后生动物生长池和大型微型动物生长池，其中总水力停留时间为4～5小时，原生动物生长池的水力停留时间为1～1.5小时，后生动物生长池中的水力停留时间为1小时，大型微型动物生长池中的水力停留时间为1～1.5小时；c、大型微型动物生长池的泥水混合液经二沉池进行泥水分离后，上清液排放，污泥回流至缺氧池经腐败后再进入原生动物生长池，少量的剩余污泥外排。
2.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水并减少剩余污泥产量的方法，其特征在于所述细菌分散生长池中混合液的溶解氧不低于0.5mg/l。
3.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水并减少剩余污泥产量的方法，其特征在于所述原生动物生长池中混合液的溶解氧不低于0.5mg/l。
4.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水并减少剩余污泥产量的方法，其特征在于所述后生动物生长池中混合液的溶解氧不低于1.0mg/l。
5.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水并减少剩余污泥产量的方法，其特征在于所述大型微型动物生长池中混合液的溶解氧不低于2.0mg/l。
6.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水并减少剩余污泥产量的方法，其特征在于所述二沉池的污泥先回流至缺氧池再流入原生动物生长池，回流比为100％，缺氧池中的氧化还原电位为-200～-100mV。
7.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水并减少剩余污泥产量的方法，其特征在于所述原生动物生长池、后生动物生长池和大型微型动物生长池内填加有填料，所述填料为螺旋体状生物载体。
8.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水并减少剩余污泥产量的方法，其特征在于所述好氧段中的曝气方式采用单侧循环曝气或池底全面曝气。
9.根据权利要求1所述的一种高效处理有机废水并减少剩余污泥产量的方法，其特征在于所述细菌分散生长池、原生动物生长池、后生动物生长池和大型微型动物生长池的池容比为2～2.5∶1.5～2∶1～1.5∶1.5～2。
全文摘要
一种高效处理有机废水并减少剩余污泥产量的方法，属于利用生物技术处理污水的领域。为了减少污泥处理费用，本发明所述的污水处理工艺包括了一级物化处理、好氧段的二级生化处理和二沉池的泥水分离。好氧段依据食物链的营养级别，从低级到高级分为四部分细菌分散生长池、原生动物生长池、后生动物生长池和大型微型动物生长池。细菌、原生动物、后生动物、大型微型动物分别在以上四个工序段中成为优势种群，减少了种间竞争，前者完成降解有机物的功能，后三者主要完成减少生物污泥产量的作用，辅以降解有机物。本发明的生物捕食污泥减量化工艺可应用于城市污水处理厂和工业污水处理厂的污水处理和污泥减量处理。
文档编号C02F3/32GK1884127SQ20061001026
公开日2006年12月27日 申请日期2006年7月7日 优先权日2006年7月7日
发明者汪群慧, 艾恒雨, 石原和美, 菊池隆重, 谢维民 申请人:汪群慧, 菊池隆重, 石原和美