专利名称：多级缺氧－好氧污水处理方法
技术领域：
本发明涉及一种生物污水处理方法，具体说是多级缺氧-好氧(下文简称A/O)污水处理方法。该方法是一种用于污水处理特别是对脱氮有特殊要求的污水处理的工艺技术。
生化技术是污水处理特别是城市生活污水处理的主要应用技术。目前污水处理生化技术又以活性污泥法为主要技术，按照供氧量等条件活性污泥法分为好氧技术、厌氧技术和兼氧技术三大类。好氧技术是指在好氧条件(溶解氧大于1～2mg/L)下好氧菌占优势并对水中污染物进行降解的处理技术；厌氧技术是指在厌氧条件(溶解氧为0mg/L)下厌氧菌占优势并对水中污染物进行降解的处理技术；兼氧技术是指在兼氧条件(溶解氧0.5mg/L左右)下兼氧菌占优势并对水中污染物进行降解的处理技术。随着技术的发展，污水处理工艺已将三大技术结合应用，形成了兼氧-好氧(A/O)、厌氧-兼氧-好氧(A2O)等多种复合技术。采用这些复合技术，主要解决高负荷、高浓度、高净化、回用等不同场合污水处理的需求。A/O污水处理技术，主要应用有脱磷脱氮污水处理要求的场合，这是城市污水处理主要发展的技术之一。A/O工艺是缺氧-好氧(Anoxic/Oxic)生物处理系统的简称。A/O工艺通过有益菌群的硝化和反硝化反应去除污水中的氮，同时对COD也具有较高的去除效率。但该工艺针对不同水质的废水A/O比(A段和O段的停留时间之比，相当于A段和O段的容积比)取值不同，这就造成了同一处理构筑物中，在水质水量发生变化时，处理效果下降，抗冲击负荷能力差(《废水生物处理发展与实践》，东北大学出版社，P152“一般认为对于可生化性较好的废水，悬浮生长系统的反硝化速率可达到硝化速率的3～4倍，此时所需的A/O容积比较小。然而对于可生化性较差的如焦化废水，所采用的A/O容积比应较大。……”)；此外，A/O工艺对氮的去除虽然是有效的，但在效率方面还略显不足。
A/O工艺是随着废水深度处理，尤其是脱氮要求的提高而出现的。其所完成的生物脱氮在机制上主要由硝化和反硝化两个生物过程构成。废水在好氧条件下(好氧段)使含氮有机物被细菌分解为氨，然后在好氧自养型亚硝化细菌的作用下进一步转化为亚硝酸盐，再经好氧自养型硝化细菌作用而转化为硝酸盐，至此完成了硝化反应；硝酸盐进入到缺氧条件下(缺氧段)，在兼性异氧细菌的作用下，利用或部分利用废水中原有的有机物碳源为电子供体，以硝酸盐替代分子氧作电子受体，进行无氧呼吸，分解有机质，同时，将硝酸盐中氮还原成气态氮，至此完成了反硝化反应。A/O工艺不但能取得比较满意的脱氮效果，而且通过上述缺氧-好氧循环操作，同样可取得较高的COD(化学需氧量)和BOD(生化需氧量)的去除率。
把一个完整的A/O工艺转化成几段A/O/A/O工艺，在学术界曾经认为是不可能。理由是在同一处理构筑物中，很难实现A段和O段的多次交替的条件，因为A段和O段是相反而且相互影响的，并且在好氧条件下，不可能实现硝化和反硝化反应同时发生(如《污水除磷脱氮技术》P56中阐述当溶解氧浓度增至1mg/L时，反硝化速率为零)。
最近国际上一些学者提出的非稳态理论认为，非稳态条件对生物处理系统的影响应归结到对系统中微生物的影响，包括微生物活性、适应外界环境(不断变化)的能力、具有特殊功能的微生物的形成等方面，而系统的处理效果很大程度上取决于这些因素。如Stefan提出，几小时的“饥饿”状态并不会导致微生物活性的降低，反而会刺激微生物产生更多的与基质摄取相关的酶，从而在“饱食”状态下吸收也即从水中去除数量更多、范围更广的污染物；荷兰学者Loosdrecht的研究也证明，微生物体内贮存多聚物是一种普遍现象，只不过条件不同其作用显示程度不同，它是微生物固有的能力，“饥饿-饱食”状态是激发并强化这一能力的重要影响因素，揭示和利用其中的规律就有可能优化现有生物处理技术或设计出新的工艺。非稳态理论虽然已被提出，但仅仅停留在微生物学的概念上，未与实际相联系。但在理论上支持了多级A/O工艺是可能的。而且在SBR工艺(批序式反应器-Sequencing BatchReactor简称SBR)的研究过程中，一些专家也验证了在有氧条件下硝化反应与反硝化反应共存的可能性，这也从另一个侧面为多级A/O工艺提供了理论基础。
本发明的目的是提供一项新的污水处理方法，它包括多级A/O工艺。该方法可以提高污水处理的净化效率，提高去除氮和BOD、COD的能力，使污水处理过程稳定、提高抗冲击负荷。配合传统曝气装置或专用设备-悬浮式微孔曝气装置(ZL98 2 04611.1)，可实现节能和降低工程投资，利用自然水系实现污水处理，对流域污染的治理提供一种新方法。
我国的水资源极为紧张，人均占有量居世界第88位。全国有三分之二的城市处于缺水状态，供人们饮用取水的江河湖泊也因污水的大量排入，造成富营养化。由于河流的严重污染，直接影响到国民经济的持续发展。国家不仅把污水处理列为环境污染治理的重中之重，而且将还清大江大河的区域治理作为政府目标，如1998年将彻底改变太湖流域面貌。我国每年有大批的污水限期治理项目，每年城市兴建的污水处理厂也在迅速增加。从这些方面不难看出我国污水处理业蓬勃发展的势头，更能反映出这一市场的巨大潜在能力。
目前污水处理厂使用普通A/O工艺，作为二级强化生化处理工艺的核心部分，也是整个工艺中耗能最大的部分，这个环节的耗能占整个处理厂能耗的70％，占污水处理厂运行费用的50％。因此，在这个环节中采用多级A/O工艺代替传统A/O工艺，实现高效节能，其意义是不能低估的。
多级A/O工艺是用于污水处理、流域污染治理的一项污水处理工艺技术，利用活性污泥同时存在好氧、兼氧和厌氧生物菌群的特点，在一个处理系统中形成多段A和多段O的生物环境，A段和O段按工艺要求进行交替组合。具体讲它是在活性污泥处理构筑物中通过人为控制来强制实现，若干由A段(缺氧段)和O段(好氧段)所组成的A/O周期，最终使污水得到净化的工艺技术。我们把多级A/O理论分为广义多级A/O理论和狭义多级A/O理论。所谓狭义多级A/O理论就是严格按照A/O理论，保证严格的A/O周期，也就是多次硝化反应与反硝化反应的叠加。所谓广义多级A/O理论就是简单造成的缺氧-好氧-缺氧-……-好氧条件，无需严格的A/O周期，主要的理论基础是非稳态理论与硝化-反硝化反应机理。我们这里所说的多级A/O理论的主要是指广义多级A/O理论。
在一个系统中，可以交替实现硝化-反硝化反应，形成多级A/O工艺。废水在曝气区处于好氧条件下，好氧菌团(硝化细菌、亚硝化细菌等)占优势，使含氮有机物被细菌分解为氨，然后在亚硝化细菌的作用下进一步转化为亚硝酸盐，再经硝化细菌作用转化为硝酸盐；硝酸盐进入到停气区，好氧条件逐渐转化到缺氧条件，兼性菌团也随之逐渐占优势，在兼性异氧细菌的作用下，利用或部分利用废水中原有的有机物碳源为电子供体，以硝酸盐替代分子氧作电子受体，分解有机质，同时，将硝酸盐中氮还原为气态氮(N,NO2等)；再进入到曝气区时，好氧菌团又一次占优势而且能力增强；同理进入到停气区时，兼性菌团又一次占优势而且能力增强；……周而复始。多级A/O反应刚开始处于营养物质多、菌团数量少的状况(我们称之为“供过于求”状态)；随着反应的进行，营养物质减少而菌团数量和质量都在增加，很快达到“供求平衡”状态；之后是“供小于求”状态，营养物质被彻底干净的分解，而且一些难降解的物质也在此时被性能优异的污泥菌团分解。因此我们可以认为多级A/O对各类污染物的去除都是有效的，从统计学角度来看，如果每个A/O周期的污染物去除效率为E，那么n个周期后总的污染物去除效率为En=100％-(100％-E)n(1)式中En-污染物总处理效率E-每个A/O周期污染物处理效率n-A/O工艺周期的个数经我们理论推演和实验得到n的取值应在3～100之间，即3-100个A/O周期。
表1是多级A/O工艺污染物理论处理效率推演过程表。
表1 系统中硝化菌的增殖与硝化菌固有的比增长速率(μ)和所控制的细胞平均停留时间(θ)的关系 μ=1/θ时，系统处于稳态，增殖的硝化菌等于流失的硝化菌；如果，μ＜1/θ系统中增殖的硝化菌小于流失的硝化菌，在此情况下，系统中硝化菌的数量将越来越少，直至完全消失。也就是说，系统中的硝化处于不稳定稳态(但此处的不稳定状态与非稳态理论并非同一概念)，硝化能力越来越差，直至完全丧失。所以，我们必须保证μ＞1/θ或μ=1/θ，才能使A/O工艺顺利实现。多级A/O工艺由于污泥负荷小(0.05～0.2kgBOD/kgMLSS(悬浮固体浓度))，污泥龄长(大于15天)，使得θ足够大，充分满足μ＞1/θ。
基质被去除的氧化动力学公式为
(S0-S)/Xvt=K(S/S0) (3)式中S-基质浓度S0-基质起始浓度Xv-挥发性悬浮固体K-反应速率系数t-时间多级A/O污水处理工艺的氧变化曲线呈连续近似正弦/余弦曲线，每个周期可以根据工艺要求设为等值和不等值，波峰和波谷值随时间为递减。就是污水经过连续多个A/O周期的处理，即多个A/O处理过程的叠加，最终达到氮和COD、BOD的有效去除。我们在研究中发现由于活性污泥的增殖以及性能的优化，在构筑物中各周期耗氧量按照一定规律(根据条件、水深、污泥浓度的变化，规律也不同)依次递增变化。水中溶解氧呈有规律的正弦/余弦曲线分布，见附
图1所示，图中横坐标表示时间，纵坐标表示溶解氧浓度。曲线仅为示意，曲线周期数不定。A/O周期和各A/O周期内的A/O比都可以通过自动控制或人工控制来调节，其中各A/O周期内的A/O比一般是在1∶5-5∶1之间。污水经过曝气区(好氧段)时溶解氧水平逐渐升高，到达波峰后进入停气区(缺氧段)，溶解氧水平逐渐降低，到达波谷后又进入曝气区，……周而复始。此外多级A/O工艺与传统A/O工艺不同之处还在于采用相对低的污泥负荷(0.05～0.2kgBOD/kgMLSS)，抗冲击负荷能力加强，在高且稳定的除氮效率的前提下保证高的COD去除效率。
实现多个A/O周期是依靠整列曝气器在列端阀门的控制下的启闭造成的，构筑物内(包括矩形、圆形、不规则形状的混凝土或土工构筑物)的曝气区域与不曝气区域间隔存在，而在处理构筑物DO(溶解氧)值较低的情况下，造成了好氧区与缺氧区间隔存在，即多组A/O段。构筑物中曝气器列的启停可以设置成多种多样可以间隔一列停一列，可以间隔两列停一列，可以间隔一列停两列，……，依此类推，即形成了不同的A/O比。一般情况下缺氧和好氧区域是不固定的，即同一区域此时是缺氧区，过一段时间，就可能处于好氧区。附图2是多级A/O工艺运行示意图。
宏观上每经过一组停气-曝气区域，也就是经历了一个A/O工艺周期，完成了一次A/O工艺处理，处理效率是依次累加的。对污染物的处理效率见公式(1)。
本发明首次提出多级A/O理论的概念，打破传统A/O理论的束缚，进一步发展了A/O工艺理论，对污水处理理论体系起到加强与完善作用。
机理上的研究首次系统证明了在一个工艺过程中，可以交替实现硝化-反硝化反应，形成多级A/O工艺。这为这种工艺最终的推广和应用提供了坚实的理论基础。
此外，在出水达标的基础上，多级A/O工艺与传统A/O工艺和氧化沟工艺(另一种目前使用比较广泛的带有A/O工艺特性的污水处理工艺)相比，节省投资，节约运行费用。例如在经过专家论证的某市10万吨污水处理厂的可研报告中所做对比数据如下表2所示表2
相应的，在相同条件下(投资和运行费用)，多级A/O工艺较A/O工艺对于COD和氮的去除效率均有所提高。
实施例在实施例中采用间歇曝气池，空气压缩机，PF-10多功能水质分析仪，辅助控制系统(电磁阀、可编程定时器等)等装置。自动控制是由放置在水中的DO(溶解氧)和ORP(氧化还原电位)探头在线控制实现的。
将根据城市污水特性配置的实验原水(CODcr、NH3-N已确定)注入间歇曝气池，并混合进一定量的同时存在好氧、兼氧和厌氧生物菌群的活性污泥菌种(事先培养成熟)；调节定时器程序，设定启闭周期(A/O周期)后开始工作，定时取水样，沉淀后进行水质指标分析并记录结果。
实施例1
实施例2
对比实施例l-2
实验证明多级A/O工艺理论推演与设计情况基本相符，并且该工艺较之传统工艺污染物去除效率高且稳定。
权利要求
1.一种多级缺氧/好氧污水处理方法，其特征在于该方法是通过在同一处理构筑物中停气区和曝气区交替出现，形成3-100个A/O周期，使水中溶解氧浓度呈连续的近似正弦/余弦曲线分布，从而利用构筑物的活性污泥中同时存在的好氧、兼氧和厌氧生物菌群交替实现硝化和反硝化反应来实现的。
2.根据权利要求1的方法，其中所述构筑物包括矩形、圆形、不规则形状的混凝土或土木构筑物。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于该方法包括以下步骤A、将原污水注入间歇曝气池，并混合进一定量的包括好氧、兼氧和厌氧生物菌群的活性污泥菌种；B、设定A/O周期数和时间以及各A/O周期的A/O比，所述A/O周期依靠整列曝气器在列端阀门的控制下的启闭来实现，使构筑物内的曝气区与停气区按规律间隔存在。
4.根据权利要求2的方法，其中曝气器是普通的曝气装置或悬浮式微孔曝气装置。
5.根据权利要求2的方法，其中的A/O周期数是在3-100个之间。
6.根据权利要求2的方法，其中各A/O周期的A/O比是在1∶5-5∶1之间。
全文摘要
本发明公开了一种多级A/O污水处理方法,该方法是通过在同一处理构筑物中停气区和曝气区交替出现,形成3-100个A/O周期,使水中溶解氧浓度呈连续的近似正弦/余弦曲线分布,从而利用活性污泥交替实现硝化和反硝化反应来实现的。该方法可以提高污水处理的净化效率,提高去除氮和BOD、COD的能力,使污水处理过程稳定、提高抗冲击负荷。
文档编号C02F3/30GK1302770SQ01109019
公开日2001年7月11日 申请日期2001年2月27日 优先权日2001年2月27日
发明者楼上游, 李希文, 王涛, 邵彦青, 李云飞, 冯绍初 申请人:机械工业部机械科学研究院环境保护技术与装备研究所