一种培养并利用好氧颗粒污泥处理废水的装置及方法

一种培养并利用好氧颗粒污泥处理废水的装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种在有氧条件下采用颗粒污泥处理含有有机污染物和营养类污染物(氮、磷)废水的装置及方法。该装置及方法通过对进水和处理过程中工艺条件的控制，可实现处理系统中颗粒污泥的养成和维系，并利用其优异的性能实现有机和营养类污染物的同时去除。与已有技术相比，本工艺系统构成简单、装置设施所需容积和占地面积减少，运行费用低，易于实现自动化；借助设计的处理装置和颗粒态污泥的优良沉降性能，实现好氧生化降解反应和泥水分离过程在一个反应器中完成，并可使进水和排水同时进行，出水水质好。
【专利说明】—种培养并利用好氧颗粒污泥处理废水的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物废水处理【技术领域】，是一种采用好氧的颗粒态污泥处理含有有机污染物和营养类污染物(氮、磷)废水的装置和方法。
【背景技术】
[0002]废水的好氧处理工艺，按照处理微生物在处理系统中所存在的状态可分为活性污泥法和生物膜法两大类。目前实际工程中采用较多的是活性污泥法。该类工艺中大量的好氧微生物以菌胶团或污泥絮体的形式与废水相混合。通过充氧曝气装置和/或其他推流混合机械装置(如搅拌器、推进器等)的作用，污泥絮体呈悬浮状态生长于废水中，并通过与废水的接触、混合，吸收并利用氧气分解水中的污染物而实现废水的净化。传统的活性污泥法自1912年出现，至今已有百年历史，在世界各地得到了广泛的应用，并发展出各种衍生改良工艺。长期的实践证明了该法的实用性和有效性。
[0003]但是活性污泥工艺也存在着某些不足。在其应用中比较突出的一个问题是:由于活性污泥絮体体量微小，沉淀速度较慢，将污泥絮体与处理后出水分离所需沉淀池的容积很大；同时，受传质过程速率和防止污泥在体系中沉降等诸般因素的限制，活性污泥法的污泥浓度(MLSS)不能过高，其在实际运行中通常控制在3-5g/L的范围内。这些都使得活性污泥法处理系统的容积、占地面积和建设投资居高不下。
[0004]随着近年来对营养类污染物(如含氮、磷物质)排放数量的日益严格，要求废水处理设施必须具备去除废水中营养 类污染物的能力。经过大量的研究和实践，通过采用各种设计和工程手段，在活性污泥法系统中去除营养类污染物已完全可以实现，但其往往导致处理流程的复杂化，并要求处理系统配备更多的设备(如水泵、输送管线、搅拌器等)；或者通过投加化学药剂去除营养类污染物而产生大量的化学污泥。这些都使得废水处理设施的建设和运行费用进一步提闻。
[0005]颗粒污泥因其沉降性能好、污泥浓度高等特点，近年来在废水生物处理领域备受关注。颗粒污泥与目前活性污泥法工艺中常规的污泥絮体不同，虽然也为多种微生物组成的聚集体，但其颗粒粒径较大(一般公认为大于212 μ m)，在水力剪切作用减弱的条件下污泥颗粒之间不会发生粘结，具有极为优异的沉降性能，污泥体积指数SVI5与SVI3tl的值接近或相同。目前在好氧颗粒污泥的研究方面，国内外均有一些相关报道。但基本上只是停留在实验室研究阶段，并采用人工合成的废水进行试验，而没有实际工程应用的实绩。

【发明内容】

[0006]针对以上问题，本发明提供了一种新的培养并采用颗粒污泥对废水进行好氧生物处理的方法和装置，其目的在于:
[0007](I)通过培养颗粒污泥，采用体积较大、结构更为密实的颗粒污泥取代常规活性污泥法中大量的体积较小的污泥絮体，在保证处理效果的同时，利用颗粒污泥沉降速度快的特点，减小沉淀设施所需的容积和/或缩短污泥沉降(从而与水分离)所需的时间，以降低处理系统的容积和建设费用；
[0008](2)活性污泥法系统为了实现去除营养类污染物，往往采用将工艺系统划分为不同构筑物单元或区段的方式，延长了流程，增加了系统复杂性和操控难度；而本工艺实现了有机污染物(C0D/B0D)和营养类污染物(氮、磷)的同时去除，使得原本在活性污泥法系统中需在不同构筑物/区段中进行的过程集中在一处完成，从而简化流程，并省去了活性污泥工艺中各区段间的连接管线和流体输送设备；
[0009](3)鉴于本发明培养和维系颗粒态污泥所需的条件，其运行方式与序批式活性污泥法工艺(SBR, Sequencing Batch Reactor)有某些相似之处。但由于采用颗粒污泥可将处理系统的污泥浓度提高至常规SBR工艺的I~3倍，使反应器容积比现有SBR工艺大为减少；此外，由于颗粒污泥所具有的优异的沉降性能，通过设计，可实现处理系统进水和出水同时进行，将现有SBR工艺运行周期中的四个基本步骤缩减为三个(如附图2)，在降低复杂性和操作难度的同时，使得工艺设置的灵活性更强；
[0010](4)在上述工艺原理的基础上，通过构建处理装置，实现对实际废水进行处理，将其应用于全规模的实际工程项目。
[0011]本发明提供了一种培养并利用好氧颗粒污泥处理废水的装置，该装置由反应池主体、进水装置、曝气装置、排泥装置、回流装置和排水装置组成，其特征在于:
[0012]1.反应池底部设有进水装置和曝气装置，进水装置包括进水管道、进水控制阀和布水器，曝气装置包括曝气空气管道、曝气控制阀和曝气头；
[0013]2.反应池中部设有排泥装置，包括排泥管道及排泥控制阀；
[0014]3.反应池上 部设有回流装置和排水装置，回流装置包括回流管道、回流控制阀和回流泵，回流液通过进水装置实现回流；排水装置采用不引起进水短流和出水返混的排水设备。
[0015]根据上述所述的装置，其特征在于反应池为圆筒形或立方体形，高径比或高长比为5/1~1/5，优选3/1~1/3，更优选1/1~1/3，进一步优选1/2~1/3。
[0016]根据上述所述的装置，其特征在于排水装置为滗水器。
[0017]本发明还提供一种根据上述所述的装置培养好氧颗粒污泥的方法，其特征在于包括以下步骤:在反应池内投入接种污泥，注入池容1/3~2/3的处理废水放置24~48小时，然后采取序批式运行方式，
[0018]第I步:向反应池内进废水，进水量为装置设计池容的1/3~2/3 ；
[0019]第2步:停止进废水，进行曝气，曝气量维持在使反应池内溶解氧浓度不大于5mg/L，曝气时间为2~6小时；
[0020]第3步:曝气结束后，进行静置沉淀，并将沉降性能不好的污泥及处理后的污水分别排出；静置沉淀时间在第一个月内为60分钟，随着过程的进行，逐步降低静置沉淀时间，第2~6个月时静置沉淀时间降至30分钟；优选2~4个月时静置沉淀时间降至30分钟，时间进一步优选静置沉降15分钟；
[0021]上述I~3步为一个运行周期，重复其即以序批的方式在反应池下部培养出好氧颗粒污泥。
[0022]根据上述所述的方法，其特征在于接种污泥为活性污泥法污水处理装置的剩余污泥或者已有的颗粒态污泥，或者两者的混合物。[0023]根据上述所述的方法，其特征在于接种污泥可100%由已有废水处理设施中的絮状活性污泥组成；或者100%由已有废水处理设施中产生的好氧颗粒污泥组成；或者可以由上述污泥按任意比例组成，例如絮状活性污泥占70~90%、已有颗粒污泥占10%~30%，或絮状活性污泥占50~70%、已有颗粒污泥占30%~50%，或絮状活性污泥占30~50 %、已有颗粒污泥占50 %~70 %，或絮状活性污泥占10 %~30 %、已有颗粒污泥占70%~90%。
[0024]根据上述所述的方法，其特征在于接种污泥为下述污泥的混合物:40%为市政污水处理厂的生物除磷污泥，20 %为已有废水处理设施中产生的好氧颗粒污泥，40 %为其它工业废水处理设施中产生的沉降性能好的絮状活性污泥。
[0025]根据上述所述的方法，其特征在于所述培养出的好氧颗粒污泥具有外层好氧区与内核缺氧厌氧区同时存在的分层结构，颗粒粒径大于212 μ m,污泥体积指数SVI5与SVI3tl的值接近或相同，且SVI3tl的值不大于70mL/g，沉降速度为5-40m/h，优选沉降速度为5_20m/h，进一步优选为10-20m/h。其中，污泥体积指数SVI5指曝气池混合液经5min静沉后，相应的Ig干污泥所占的容积(以mL计)，单位mL/g ;SVI3(I指曝气池混合液经30min静沉后，相应的Ig干污泥所占的容积。
[0026]根据上述所述的方法，其特征在于所述好氧颗粒污泥的外层好氧区厚度为整个颗粒污泥半径的1/5-1/3，优选1/5~1/4。
[0027]根据上述所述的装置和方法培养出的好氧颗粒污泥处理废水的方法，其特征在于包含步骤:
[0028](a)在无氧气供给的条件下，从反应池下部的颗粒污泥床底以一定流速和流量注入废水，同时将上一周期中经过处理的废水从反应池上部排出；
[0029](b)停止进水，以一定流量向反应池内引入含氧气体,使污泥成流化状态,废水中的有机污染物及营养类污染物氮、磷同时去除；
[0030](C)停止曝气，静置一定时间，使颗粒污泥沉降，在反应池下部形成颗粒污泥床，剩余污泥依据污泥产生量周期性经排泥装置排出。
[0031]根据上述所述的方法，其特征在于:在(b)步骤期间进行废水的回流，回流时停止曝气。
[0032]根据上述所述的方法，其特征在于注入废水的流速和流量控制在由于注入废水所引起的污泥床的湍动和混合区域的高度小于总床层高度的50%，优选小于总床层高度的25%，更优选小于总床层高度的15%。
[0033]根据上述所述的方法，其特征在于:注入废水的持续时间不少于30分钟，优选不少于60分钟，更优选不少于120分钟，且不超过360分钟，优选不超过240分钟，更优选不超过180分钟。
[0034]根据上述所述的方法，其特征在于:控制曝气量，使反应池内的氧气浓度不大于5mg/L，优选不大于3mg/L，更优选不大于2mg/L，其中氧气浓度值可以在上述数值间调整，例如氧气浓度为2~3mg/L,3~5mg/L,2~5mg/L, 0_2mg/L。
[0035]根据上述所述的方法，其特征在于静置时间设置为不多于30分钟。
[0036]根据上述所述的方法，其特征在于:系统的污泥浓度为常规SBR工艺的I~3倍。
[0037]根据上述所述的任一项方法，其特征在于将多个反应池并排设置，实现废水的无间歇处理。
[0038]本发明实现有机物去除及脱氮除磷的同步高效进行
[0039]本发明的一个重要特征是在颗粒污泥体内同时发生好氧、缺氧和厌氧生物过程，可获得高效的同步生物去除有机物及脱氮除磷效果。这一特征主要得益于好氧颗粒污泥的分层结构，如附图3。
[0040]借助显微镜，可观察到颗粒污泥的内部结构。由于外部氧气的渗透，颗粒污泥外表层为好氧区。在此区域内，在进水阶段贮存在微生物体内的有机质在好氧条件下发生降解。同时，好氧条件还引发生物硝化过程，使污水中的含氮污染物氧化为硝酸盐。由于氧的传质及动力学过程所限，其无法渗透到更深处，使得颗粒污泥的内核部分处于缺氧/厌氧环境；而水中碳源基质则可以渗透到此区域内，使得区域内的微生物通过反硝化作用利用碳源将硝酸盐还原为氮气，从而有效降低污水中的氮含量。此外，厌氧区为聚磷菌提供了存活和增殖环境，实现了对磷的去除。上述各生化反应的有关详细理论，在此不再赘述。
[0041]颗粒污泥的这种分层结构，能够实现在同一系统内同时去除有机物及脱氮除磷，大大简化了工艺流程，节省了废水处理设施的占地面积及建设投资。
[0042]本发明培养并维持颗粒态污泥
[0043]利用本发明培养并维持颗粒态污泥时，需先在好氧处理系统内接种常规的絮体状活性污泥(当然也可采用絮状污泥和取自已有装置的颗粒态污泥的混合物进行接种，以加快颗粒态污泥的培养过程)。系统运行步骤基本按照前面所述的步骤，不同之处是由于还未形成颗粒污泥，系统的出水和进水步骤需要分开进行，即上述本发明方法的四个基本步骤。
[0044]这四步循环进行，不断筛选出沉降速度较大的颗粒态污泥，保留在系统中，而那些沉降速度较慢的污泥则被不断淘汰，随少部分经处理后的废水排出至系统外。如此循环往复，并在此过程中逐步加大沉降选择的压力，即:不断缩短静置沉淀的时间，排除沉降速度较慢的污泥的时点逐渐提前以加大选择压力，经一段时间(几天至几个月)后，系统中保留的是沉降性能极佳的好氧颗粒污泥。
[0045]根据本发明工艺条件所培养形成的颗粒污泥，其沉降速度可达5_40m/h，进一步可以达到5-20m/h，进一步优选可以达到10-20m/h (而污泥絮体沉降速度仅约lm/h)，污泥体积指数小于70mL/g。
[0046]有益效果:1.现有的国内外报道中，或处理的为人工配制的模拟废水，或只在实验室规模下处理实际废水，还没有在工程规模下处理实际废水的实例，本发明实现了对工程规模下实际废水的处理；
[0047]2.本发明实现了有机污染物(C0D/B0D)和营养类污染物(氮、磷)的同时去除，使得原本在活性污泥法系统中需在不同构筑物/区段中进行的过程集中在一处完成，从而简化流程，并省去了活性污泥工艺中各区段间的连接管线和流体输送设备；
[0048]3.利用颗粒污泥沉降速度快的特点，减小沉淀设施所需的容积和/或缩短污泥沉降与水分离所需的时间，以降低处理系统的容积和建设费用；现有报道的实验室装置其高径比一般大于等于10，本发明显著低于10，优选当反应池为圆筒形或立方体形时，高径比或高长比为5/1~1/5，优选3/1~1/3，更优选1/1~1/3，进一步优选1/2~1/3。
[0049]4.由于采用颗粒污泥可将处理系统的污泥浓度提高至常规SBR工艺的I~3倍，使反应器容积比现有SBR工艺大为减少；此外，由于颗粒污泥所具有的优异的沉降性能，通过设计，可实现处理系统进水和出水同时进行，将现有SBR工艺运行周期中的四个基本步骤缩减为三个(如附图2)，在降低复杂性和操作难度的同时，使得工艺设置的灵活性更强。
【专利附图】

【附图说明】
[0050]附图1本发明处理装置示意图
[0051]附图2本发明与常规SBR工艺的反应步骤对比示意图
[0052]附图3好氧颗粒污泥分层结构示意图
[0053]附图4采用本发明使用实际污水培养的颗粒污泥各阶段照片
【具体实施方式】
[0054]在上述本发明的四个或三个基本实施步骤中，本发明通过以下具体操作方式和工艺条件达到上面提到的各个目的:
[0055]若采用三步法，则在上述(a)步的进出水阶段，宜将待处理废水从反应器中的污泥床底部注入，而不是从污泥床顶部注入，同时处理后的废水宜从反应器上部排出，实现进出水的同时进行。从底部进水时，需控制废水注入污泥床的流速和流量，以防止污泥床出现过度流化的状态。具体来说，就是注入废水所引起的污泥床的湍动和混合区域的高度少于总床层高度的50%，优选小于总床层高度的25%，更优选小于总床层高度的15%。因此，进水持续时间较长，不少于30分钟，优选不少于60分钟，更优选不少于120分钟，且不超过360分钟，优选不超过240分钟，更优选不超过180分钟。这种进水方式可以有效地置换并排出存在于污泥颗粒之间的净化后的废水，保证污泥中的微生物能够暴露于较高浓度的有机质中(待处理的新 鲜废水)，有利于快速形成和维持稳定的颗粒态污泥。在此情况下，处理后废水的排放实际上是由向污泥床中注入的待处理废水置换出来的。
[0056]通过上述操作，本发明可实现反应器进出水的同时进行，可以降低系统的建设投资，并进一步降低控制系统的费用(所需监测仪表更少)和运行费用。
[0057]也可以采用先排水、后进水的四步法，对效果无影响，但周期耗时比三步法长。
[0058]在上述(a)步进水阶段，不进行氧气供给，系统处于一种氧耗竭状态。在这样的条件下，颗粒污泥从待处理污水中摄取有机营养质，以聚合物的形式贮存于微生物体内，便于在后续步骤中进行分解利用。
[0059]在(b)步曝气阶段，应控制曝气强度，使系统中的氧气浓度小于5mg/L，优选不大于3mg/L，更优选不大于2mg/L，以保证颗粒污泥内部形成好氧区域和缺氧厌氧区域(见附图3)，实现去除有机污染物和脱氮除磷的同时进行。
[0060]在(b)步曝气阶段，为加强脱氮效果，可以选择进行回流，将位于反应器上部的废水通过回流装置从进水口回流至反应器底部。为防止污泥随废水进入回流装置，影响装置的正常运行，在进行回流的过程中，应暂时停止曝气，待回流完成后，再重新启动曝气。
[0061]在(C)步沉淀阶段，静置时间一般设置的较短，此时只有沉降速度较快的颗粒污泥可以沉淀下来，在反应器底部形成颗粒污泥床层，其余沉降速度较慢的絮状污泥则通过排泥装置与少部分经处理后的废水排出反应器。因此通过对静置时间进行控制，可起到筛选污泥的作用。[0062]本发明用于培养好氧颗粒污泥时，初始的接种污泥来源于已有污水处理装置的常规污泥，或者已有的颗粒态污泥，或者两者的混合物。
[0063]实施例1:
[0064]搭建一个本发明所述的反应器，反应器容积3L，高径比1/2。采用人工配制的污水模拟市政污水水质。该模拟污水的组成为:6.3mM乙酸钾、3.6mM氯化铵、0.6mM磷酸钾、
0.37mM硫酸镁、0.48mM氯化钾以及0.9mL/L示踪剂标准溶液。反应器接种污泥取自一座市政污水处理厂。反应器以连续的批次周期的方式运行。由于此实施例旨在于培养颗粒污泥并验证污染物去除效果，故在操作时将进水和出水的步骤分开。每个运行周期约为3小时，具体操作步骤如下:
[0065]I)从反应器底部注入1.5L模拟污水，进水时间为60分钟(进水流量为25mL/分钟)，使污水以柱塞流的形式通过在反应器底部沉淀的颗粒污泥床；
[0066]2)进水结束后以4L/分钟的空气流量曝气110分钟；
[0067]3)曝气结束后静置3分钟，使(颗粒)污泥沉淀；
[0068]4)从反应器高度中间位置的出水口排出处理后的模拟污水。此时出水口上方的所有污泥均与处理后的污水一起排出反应器。
[0069]5)静置I分钟后注入模拟污水。
[0070]通过投加酸或碱维持反应器内的pH在6.5-7.5的范围内，反应器内温度保持在20°C。曝气阶段(第2)步)溶解氧浓度维持在约1.8mg/L，这一方面为污泥颗粒表层进行的好氧反应过程提供足够量的氧，另一方面曝气所需的能耗较小。在此氧气浓度条件下，含氮污物的去除降解效果也非常理想，处理后污水中仅含有微量的硝酸盐。
[0071]通过本处理方法获得的颗粒污泥在上述实验条件下至少能够稳定维持300天(该实验在300天时结束)，证明本发明所述方法可达到可靠的操作运行。根据本发明所培养的颗粒污泥，其沉淀速度非常快(> 10m/h)。
[0072]表1未处理/处理后模拟污水的浓度
[0073]
【权利要求】
1.一种培养并利用好氧颗粒污泥处理废水的装置，该装置由反应池主体、进水装置、曝气装置、排泥装置、回流装置和排水装置组成，其特征在于: (1)反应池底部设有进水装置和曝气装置，进水装置包括进水管道、进水控制阀和布水器，曝气装置包括曝气空气管道、曝气控制阀和曝气头； (2)反应池中部设有排泥装置，包括排泥管道及排泥控制阀； (3)反应池上部设有回流装置和排水装置，回流装置包括回流管道、回流控制阀和回流泵，回流液通过进水装置实现回流；排水装置采用不引起进水短流和出水返混的排水设备。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于反应池为圆筒形或立方体形，高径比或高长比为5/1~1/5。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于排水装置为滗水器。
4.使用权利要求1所述装置培养好氧颗粒污泥的方法，其特征在于包括以下步骤:在反应池内投入接种污泥，注入池容1/3~2/3的处理废水放置24~48小时，然后采取序批式运行方式， 第I步:向反应池内进废水，进水量为装置设计池容的1/3~2/3 ； 第2步:停止进废水，进行曝气，曝气量维持在使反应池内溶解氧浓度小于5mg/L，曝气时间为2~6小时； 第3步:曝气结束后，进行静置沉淀，并将沉降性能不好的污泥及处理后的污水分别排出；静置沉淀时间在第一个月内为60分钟，随着过程的进行，逐步降低静置沉淀时间，第2~6个月时静置沉淀时间降至30分钟； 上述I~3步为一个运行周期，重复其`即以序批的方式在反应池下部培养出好氧颗粒污泥。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于接种污泥为活性污泥法污水处理装置的剩余污泥或者已有的颗粒态污泥，或者两者的混合物。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述培养出的好氧颗粒污泥具有外层好氧区与内核缺氧厌氧区同时存在的分层结构，颗粒粒径大于212 μ m,污泥体积指数SVI5与SVI30的值接近且SVI3tl的值不大于70mL/g，沉降速度为5_40m/h。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述好氧颗粒污泥的外层好氧区厚度为整个颗粒污泥半径的1/5~1/3。
8.使用权利要求1的装置和权利要求4方法培养出的好氧颗粒污泥处理废水的方法，其特征在于包含步骤: (a)在无氧气供给的条件下，从反应池下部的颗粒污泥床底以一定流速和流量注入废水，同时将上一周期中经过处理的废水从反应池上部排出； (b)停止进水，以一定流量向反应池内引入含氧气体，使污泥成流化状态，废水中的有机污染物及营养类污染物氮、磷同时去除； (C)停止曝气，静置一定时间，使颗粒污泥沉降，在反应池下部形成颗粒污泥床，剩余污泥依据污泥产生量周期性经排泥装置排出。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:在(b)步骤期间进行废水的回流，回流时停止曝气。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于注入废水的流速和流量控制在由于注入废水所引起的污泥床的湍动和混合区域的高度小于总床层高度的50%。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:注入废水的持续时间不少于30分钟，且不超过360分钟。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:控制曝气量，使反应池内的氧气浓度不大于5mg/L。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于静置时间设置为不多于30分钟。
14.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:系统的污泥浓度为常规SBR工艺的I~3倍。
15.根据权利要求8-14中任一项所述的方法，其特征在于将多个反应池并排设置，实现废水的无间歇处理。·
【文档编号】C02F3/12GK103848497SQ201310277522
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2013年7月4日 优先权日:2013年7月4日
【发明者】吕斌, 巴特·布鲁恩 申请人:德和威(北京)环境工程有限公司