一种同步硝化反硝化生活污水处理方法与流程

本发明涉及一种市政污水处理新工艺，针对中小型市政污水处理、村镇污水处理厂、及企、事业单位生活污水处理。

二、

背景技术：

我国水资源短缺，人均水资源占有量仅有世界平均水平的1/4，而水污染日趋严重的局面更加重了水资源的危机。2003年我国主要水系、湖泊和海域污染严重，七大水系407个重点监测断面中，38.1％的断面满足Ⅰ～Ⅲ类水质要求，32.2％的断面属Ⅳ、Ⅴ类水质，29.7％的断面属劣Ⅴ类水质。其中七大水系干流的118个国控断面中，Ⅰ～Ⅲ类水质断面占53.4％，Ⅳ、Ⅴ类水质断面占37.3％，劣Ⅴ类水质断面占9.3％。七大水系主要呈现为有机污染，石油类、生化需氧量、氨氮、高锰酸盐指数、挥发酚等超标严重。

水体中氮磷主要来源于生活污水和农业面源污染。我国2003年7月实施的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918－2002)对城市二级污水处理厂出水中N、P含量做了严格限定，在《污水综合排放标准》(GB8978－1996)基础上首次提出了TN控制要求。按照标准要求对我国新建的城市污水处理厂都需要采取除磷脱氮措施，出于保护水源的需要，一些城市污水处理厂也要采取除磷脱氮工艺或改造为脱氮除磷工艺；常用脱氮除磷工艺有AAO、SBR、氧化沟等多种形式，无论哪一种脱氮除磷工艺都存在污泥回流和混和液回流，两部分能耗较大，一般占污水处理部分总能耗的27％－39％，其中污泥回流部分为14％左右；而且增加了设备投资和日常的维护管理费用。对于中小型污水除磷脱氮工艺，采取上面的回流措施就会造成污水处理设施占地面积加大、初期投资增加和维护管理的复杂化。而且中小型污水水质水量变化大，处理设施往往要求布局紧凑、自动化运转等特点，在利用传统的除磷脱氮工艺方面还有一个稳定性和适应性问题。

因此中小型生活污水的处理应开发简易高效的污水处理成套技术，应实现污水处理装置成套化和控制技术的自动化，减少人力消耗和维护费用，解决目前城市污水处理厂存在高能耗，高占地的问题。

参考文献如下。

[1]Grady C P J L,Daigger G T,Lim H C.废水生物处理[M].张锡辉,刘勇弟译.北京:化学工业出版社,2003:40-75.

[2]李探微，彭永臻，高旭等.一种新的污水处理技术-MSBR法[J].给水排水，1999，25(6)：10-12.

[3]邱文芳，罗志腾，杜仰民等.环境微生物学技术手册.学苑出版社，1990：232-235.

[4]北京水环境技术与设备研究中心.三废处理工程技术手册[M](废水卷).北京：中国化学工业出版社，2000

[5]张自杰,林荣忱,金儒霖.排水工程[M](第四版).北京：中国建筑工业出版社，2000

三、

技术实现要素：

本发明的目的是，提出一种新型市政污水处理新工艺，结合AAO、SBR、氧化沟等工艺的特点，实现一个反应系统在沿时间序列和沿空间序列呈现不同的模式，既有AAO的空间分割，又有SBR的时间分割，形成独特的水力循环。通过此设计，达到同步脱氮除磷的目的。

本发明技术方案是，一种同步硝化反硝化市政污水处理方法，针对生活污水处理，采用特殊的池型结构和独特的水力循环，在去除有机污染物的同时，实现对氮、磷的同步脱除。同步脱氮除磷工艺选择与设计时，控制进入厌氧区的硝态氮是关键，在硝态氮浓度低于100mg/l时，可达到良好的同时去除氮、磷的要求。

主体是一个被间隔成五个单元的矩形反应池，一条直线排列或两条直线排列，两条直线排列时，第一排为三个矩形反应池中左右两个反应池设有进水口、第二排两个反应池设有进出水口，两排亦构成一个矩形；第二排两个反应池同时兼沉淀和反应池，根据出水需要和除磷脱氮要求而采用不同的组合方式(详见附图1)；两排五个单元的矩形反应池均设有曝气装置，两排五个单元的矩形反应池相邻池壁设有水流通道、能够形成水流的按池序或者逆池序即顺时针或逆时针的水流循环，第二排两个反应池(编号为1#、5#)即第一第五两个池作为边池，交替做为沉淀池，同时也分别作为反应池；第一排为三个矩形反应池即第二至第四反应池(编号为2#、3#、4#)一直做为反应池。

具体流程如下：上半周期四步,1)第一边池作为进水和厌氧池进水，第二、三、四池分别作为缺氧、好氧、好氧反应池，第五池作为沉淀池出水；2)第一池作为好氧、第二、三、四池分别作为缺氧、好氧、好氧反应池，第五池作为沉淀池；3)第一池作为好氧、第二、三、四池分别作为好氧、缺氧、好氧反应池，第五池作为沉淀池；4)第一池作为沉淀、第二、三、四池分别作为好氧、缺氧、好氧反应池，第五池作为沉淀池；其中2)-4)中第五池作为沉淀池均出水；下半周期四步与与上半周期的四步逆时针的反应过程。总之，水的全流程处理均经过进水厌氧－缺氧－好氧-沉淀出水四个处理阶段。

反应器采用多矩形反应池串联结构，构建脱氮除磷所需的厌氧－缺氧－好氧环境(详见附图2)。系统的运行采用可调节方式，通过调节厌氧/缺氧以及好氧组合、各阶段运行时间以适应不同水质、水量的变化。通过PLC可编程序控制器信号控制使系统完全自动运转，通过触摸显示屏可改变各阶段运行时间，随时了解各个池子运行状态；通过控制柜的按钮指示灯可以了解设备的运转情况；通过新的程序信号的输入可以改变运行方式，操作简单直观，运转灵活。

本发明同步硝化反硝化市政污水处理工艺在总停留时间14-18h之间，同步硝化反硝化污水处理新工艺对市政污水的去除效果稳定，出水可满足国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918－2002)一级A要求。

本工艺污水处理效率在保证等同并优于A2/O工艺的同时，可节能10％以上，节省占地15％以上；TN、TP去除率可提高20％。

生物脱氮机理：生物法脱氮是由有机氮氨化、硝化、反硝化及微生物的同化作用来完成。

氨化指当氨基酸和其他含氮有机物被生物降解释放氨的过程。只有当有机氮被转化为氨并释放到介质中，硝化菌才能将氨氮转化为硝酸盐。

硝化由自养型好氧微生物完成。氨氮首先在亚硝酸菌作用下转化为亚硝酸盐，然后，在硝酸菌作用下亚硝酸盐进一步转化为硝酸盐，反应用下式表示，过程中需大量氧。

反硝化由异养兼性微生物完成，可以由下式表示：

在没有分子氧时，反硝化菌以硝态氮为电子受体，有机物作为碳源和电子供体，通过反硝化菌的同化作用(合成代谢)与异化作用(分解代谢)完成。

同化作用是和被还原为氨用以新细胞的合成，氮成为细胞质的成分。异化作用是和被还原为N₂或N₂O、NO等气态物，主要为N₂，异化作用去除的氮约占去除总量的70％～75％。

生物除磷机理，

生物除磷是一个由聚磷菌(phosphorus accumulating organism,PAOs)生长进行的复杂过程，除磷机理如图4所示。PAOs具有在厌氧条件下消耗细胞内的聚磷酸盐储存碳源而在好氧/缺氧条件下消耗碳源储存磷酸盐的独特能力。

Comeau和Wentzel等人分别提出解释PAOs功能的模式，称为Comeau－Wentzel模式^[i]。废水经过下水道的发酵作用，大多有机物以乙酸和短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFA)的形式存在，当废水进入生物反应器厌氧区时，兼性异养微生物进行发酵产生额外的脂肪酸。PAOs分解胞内储存的聚磷酸盐提供ATP合成所需的能量，将乙酸储存为PHB。多聚磷酸盐水解形成ATP时会增加胞内无机磷酸盐(P_i)的浓度，P_i与阳离子一起被释放到主体溶液中。

当废水进入好氧区时，废水中的溶解性有机物减少，但PAOs含有大量PHB储存物。废水中无机磷酸盐丰富，而PAOs的聚磷酸盐含量低。PAOs为了生长，以储存的PHB作为碳源和能源，进行好氧代谢，吸收在厌氧区释放的全部磷酸盐和废水中含有的初始磷酸盐。

PAOs通过厌氧与好氧环境的交替循环去除废水中的磷。多数除磷系统都采用好氧区生成多聚磷酸储存物，也有一部分PAOs在缺氧条件下利用硝酸盐与亚硝酸盐作为电子受体，形成反硝化除磷系统。

近二十年来，污水处理领域脱氮除磷工艺不断得到研究，由于活性污泥法工艺成熟、运行灵活、出水水质好，目前国内外绝大部分污水厂采用活性污泥工艺。随着生物处理机理研究的深入，同步脱氮除磷技术得到很大发展。脱氮除磷工艺将厌氧区、缺氧区、好氧区和混合液回流(mixing liquid return,MLR)结合起来，同步脱氮除磷工艺选择与设计时，控制进入厌氧区的硝态氮是关键，以达到良好的氮、磷去除效果。

有益效果：本发明工艺在总停留时间14-18h之间时，同步硝化反硝化污水处理新工艺对市政污水的去除效果稳定，出水可满足国家《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918－2002)一级A要求。本发明工艺污水处理效率在保证等同并优于A2/O工艺的同时，可节能10％以上，节省占地15％以上；TN、TP去除率可提高20％。本发明多矩形反应池的池型为独创的特殊结构，集约性提高。其水力循环为独创的、无动力的循环，节省污泥循环泵和硝化液回流泵的设置。其池型为省去了二次沉淀池的设置，节约了系统占地。其池型设计各多矩形反应池中，均设置搅拌机及曝气器。出水采用恒水位滗水器，无动力消耗。通过水流循环实现污泥和混合液的回流，不设置污泥循环泵及混合液回流泵。其适用于500——10000m³/d规模的生活污水处理。

四、附图说明

图1是本发明的流程示意图。

图2是本发明的布置示意图。

图3：工艺运行周期图。

图4为生物除磷机理，左、右图分别指厌氧和好氧状态。

五、具体实施方式

同步硝化反硝化污水处理新工艺的主体是一个被间隔成五个单元的矩形反应池，根据出水需要和除磷脱氮要求而采用不同的组合方式(详见附图1)。反应器采用多池串联结构，构建脱氮除磷所需的缺氧－厌氧－好氧环境(详见附图2)。系统的运行采用可调节方式，通过调节厌氧/缺氧以及好氧组合、各阶段运行时间以适应不同水质、水量的变化。通过PLC可编程序控制器信号控制使系统完全自动运转，通过触摸显示屏可改变各阶段运行时间，随时了解各个池子运行状态；通过控制柜的按钮指示灯可以了解设备的运转情况；通过新的程序信号的输入可以改变运行方式，操作简单直观，运转灵活。

同步硝化反硝化市政污水处理新工艺的主体反应器为分隔成五个单元的矩形池体，相邻池间共用池壁，水力相通。如图2中所示，编号为1#、5#的是两个边池，交替做为沉淀池；编号为2#、3#、4#的一直做为反应池。

阶段一、二、三、四构成上半周期，阶段一为主体阶段，阶段二、三为过渡阶段，阶段四为沉淀阶段。阶段五、六、七、八构成下半周期，与上半周期反向对称，通过阶段转换完成同一反应池的好氧/缺氧状态的转换，自动完成混合液回流，同时通过半周期性进水方向的改变自动完成污泥回流。市政污水的厌氧、缺氧、好氧、沉淀的时间比例为1.5:1.5:12:3。通过水流循环实现污泥和混合液的回流，不设置污泥循环泵及混合液回流泵。

阶段一是A/A/O/O过程。从1#池进水，该池在上个半周期一直处于沉淀出水状态，积累了大量经过再生，具有较高吸附活性的污泥。溶解氧低，随着原水的进入，池内污染物浓度升高，活性污泥的吸附与降解能力增强。上阶段作为出水池残存的NO₃^--N利用进水中丰富的碳源经过反硝化作用迅速降低，达到厌氧状态。1#池内同时酸化水解进水中的高分子有机物为低分子有机物，构建良好的厌氧释磷环境。污水随之进入2#池，该池经过相邻上阶段的好氧状态，硝酸盐丰富，从1#池推流而来的污水中有易生物降解有机物，进行反硝化脱氮。然后进入3#、4#好氧池，进行有机物好氧降解、NH₄⁺-N的硝化以及好氧吸磷过程。5#池作为出水池，排出上清液。

阶段二从2#池进水，2#池经过上一阶段的缺氧反硝化过程，硝氮含量低，容易构建厌氧环境，再经过3#、4#池两级好氧，完成硝化、有机物降解与吸磷过程，从5#池排出。1#池在上半周期的阶段二、三中，控制为好氧状态，经过阶段一的厌氧释磷，聚磷菌(PAOs)利用储存的PHB作为碳源和能源生长代谢，完成吸磷过程。

阶段三从2#池进水，2#池由厌氧转入好氧状态，降解有机物、硝化并吸磷。3#池经上两阶段的好氧状态，硝氮含量大，本阶段转入缺氧状态完成反硝化过程。4#池好氧，吹脱氮气，进一步降解有机物并吸磷。

阶段四为沉淀阶段，1#池停止曝气，转入静止沉淀状态，为下半周期作为出水池作准备，其余各反应池的状态与阶段三时相同。

具体流程如下：上半周期四步,1)第一边池作为进水和厌氧池进水，第二、三、四池分别作为缺氧、好氧、好氧反应池，第五池作为沉淀池出水；2)第一池作为好氧、第二、三、四池分别作为缺氧、好氧、好氧反应池，第五池作为沉淀池；3)第一池作为好氧、第二、三、四池分别作为好氧、缺氧、好氧反应池，第五池作为沉淀池；4)第一池作为沉淀、第二、三、四池分别作为好氧、缺氧、好氧反应池，第五池作为沉淀池；其中2)-4)中第五池作为沉淀池均出水；下半周期四步与上半周期的四步逆时针的反应过程：5)第五边池作为进水和厌氧池进水，第四、三、二池分别作为缺氧、好氧、好氧反应池，第一池作为沉淀池出水；6)第五池作为好氧、第四、三、二池分别作为缺氧、好氧、好氧反应池，第一池作为沉淀池；7)第五池作为好氧、第四、三、二池分别作为好氧、缺氧、好氧反应池，第一池作为沉淀池；8)第五池作为沉淀、第四、三、二池分别作为好氧、缺氧、好氧反应池，第一池作为沉淀池；其中6)-8)中第一池作为沉淀池均出水。

下半周期反向进水，工艺与上半周期反向对称，五箱一体化活性污泥工艺采用多池串联结构，并通过阶段转换在空间与时间上构建脱氮除磷所需的缺氧、厌氧、好氧环境。目前整个装置系统由PLC可编程序控制器控制。