一种节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法
【专利摘要】本发明公开一种节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法，其特征在于，采用序批式反应器处理生活污水，并包括以下步骤：(1)将生活污水输入序批式反应器中，并在厌氧条件下机械搅拌2～3小时；(2)序批式反应器低气量曝气，并控制序批式反应器内溶解氧浓度为0.8～1.0mg/L，持续反应2.5～3.5小时，并控制反应结束后反应器内硝态氮浓度与磷酸盐浓度(以磷计)的比值为1.9～2.2；(3)对序批式反应器停止曝气，机械搅拌，持续反应3～4个小时；(4)序批式反应器开始曝气，并控制序批式反应器内溶解氧的浓度为3～4mg/L，持续反应1～2小时；(5)对序批式反应器停止曝气，静置沉淀，将处理后的生活污水经过排水管排出，并通过排泥管排出剩余污泥等步骤。
【专利说明】一种节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种实现同步硝化反硝化与反硝化除磷耦合的节能型生活污水高效脱氮除磷方法，属于环境污水处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002]目前我国城镇生活污水中有机物浓度普遍较低，COD通常只有100~200mg/L，使得城镇生活污水中的C/N值通常较低，而基于传统脱氮除磷理论的生活污水处理工艺，如A2/0 (Anaerobic/Anoxic/Oxic, A2/0)、氧化沟和各种 SBR(Sequencing Batch Reactor, SBR)工艺等，存在多方面的不利因素:硝化菌与聚磷菌间的泥龄矛盾、缺氧反硝化与厌氧释磷对碳源的竞争、污泥中的硝酸盐对聚磷菌释磷的影响等，因此在实际应用中除磷脱氮效果不稳定。当污水的C/N值偏低时，不能同时满足反硝化和生物除磷对碳源的需求，出水总氮和总磷浓度总是难以同时低于15mg/L和0.5mg/L的限值。另一方面，城市污水处理是高能耗行业之一，其中曝气能耗占污水处理能耗的40%以上，不利于污水处理的可持续发展。
[0003]同步硝化反硝化(SimultaneousNitrification and Denitrification, SND)通过限制曝气，使氨氧化(硝化)与反硝化同时进行，与传统生物脱氮技术相比，SND有以下优点:(1)对DO浓度需求小，节省曝气能耗；(2)硝化反应消耗碱度，反硝化反应产生碱度，这就使得反应过程中的PH变化幅度小，有利于维持反应器内的反应环境。反硝化除磷是通过反硝化聚磷菌以相同的基质同时脱氮和除磷，缓解了传统生物除磷脱氮工艺中反硝化菌与聚磷菌对于碳源的竞争以及硝化菌与聚磷菌最佳污泥龄差异的矛盾，能节省约50%的有机物和30 %的耗氧量，相应减少约50 %的剩余污泥量，对于低碳源生活污水的脱氮除磷处理具有重要意义。
【发明内容】
[0004]发明目的:本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种适宜处理低C/N值生活污水的同步硝化反硝化与反硝化除磷耦合的高效脱氮除磷工艺，且降低能耗、减少污
泥产生量。
[0005]技术方案:本发明所述的节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法，采用序批式反应器处理生活污水，按照“进水厌氧搅拌一低氧曝气一缺氧搅拌一好氧曝气一沉淀、排水、排泥”5个过程，周期运行。具体包括以下步骤:
[0006](I)将生活污水输入序批式反应器中，并在厌氧条件下机械搅拌2~3小时，通过机械搅拌使进水与反应器中静置的污泥和水充分混合，反硝化聚磷菌吸收低分子有机物在体内合成PHA，进行厌氧释磷反应；
[0007] (2)序批式反应器低气量曝气，并控制序批式反应器内溶解氧浓度为0.8~
1.0mg/L,持续反应2.5~3.5小时，进行硝化及部分同步硝化反硝化反应，氨氮转化为硝态氮并实现部分脱氮，并控制反应结束后反应器内硝态氮浓度与磷酸盐浓度(以磷计)的比值为1.9~2.2 ;[0008](3)对序批式反应器停止曝气，机械搅拌，反应器处于缺氧状态，反硝化聚磷菌利用步骤B)中未消耗的硝态氮作为电子受体、以厌氧搅拌段储存在体内的“内碳源” 一 PHA作为电子供体进行反硝化聚磷反应，实现同步脱氮除磷，持续反应3~4个小时；
[0009](4)序批式反应器开始曝气，并控制序批式反应器内溶解氧的浓度为3~4mg/L，持续反应I~2小时；
[0010](5)对序批式反应器停止曝气，静置沉淀，然后将处理后的生活污水经过排水管排出，并通过排泥管排出剩余污泥；
[0011](6)依次重复步骤(1)~(5)。
[0012]进一步地，所述的序批式反应器设置有pH传感器(2)、氧化还原电位传感器(3)、溶解氧传感器(4)、pH/氧化还原电位检测仪(6)、溶解氧检测仪(7)、PLC控制器(16)、进水泵(11)、进水电动阀门、排水电动阀门(9)、风机(14)和搅拌器(10);其中的pH传感器
(2)和氧化还原电位传感器(3)将信号传送至pH/氧化还原电位检测仪(6);溶解氧传感器(4)将信号传送至溶解氧检测仪(7) ;PLC控制器(16)接收自pH/氧化还原电位检测仪
(6)和溶解氧检测仪(7)发来的信号；PLC控制器(16)根据自身时钟的时间和接收到的信号发出控制信号并传送至进水泵(11)、进水电动阀门、排水电动阀门(9)、风机(14)和搅拌器(10)。
[0013]优选地，在步骤(1)中，序批式反应器内的ORP与pH均随厌氧释磷反应的进行而下降，当反应结束时，ORP不再下降，pH转为上升，因此当反应进行到dORP/dt和dpH/dt均已经由负值变为O或正值时，在实践中，该条件出现所需的步骤(1)运行时间为2~3小时，结束步骤(1)，进入步骤(2)。
[0014]优选地，在步骤(2)中，序批式反应器内的pH随反应的进行而下降，当反应结束时，pH转为上升，因此当反应进行到dpH/dt由负值变为O或正值时，在实践中，该条件出现所需的步骤(2)运行时间为2.5~3.5小时，结束步骤(2)，进入步骤(3)。
[0015]优选地，在步骤(3)中，序批式反应器内的pH随反应的进行而上升，当反应结束时，PH转为下降，因此当反应进行到dpH/dt由正值变为O或负值时，在实践中，该条件出现所需的步骤(3)运行时间为3~4小时，结束步骤(3)，进入步骤(4)。
[0016] 优选地，在步骤(4)中，序批式反应器内的ORP随反应的进行而上升，当反应结束时，ORP维持稳定，因此当反应进行到dORP/dt由正值变为O时，在实践中，该条件出现所需的步骤⑷运行时间为I~2小时，结束步骤(4)，进入步骤(5)。
[0017]优选地，在步骤(5)中，静置沉淀后，排水管排出反应器内总水量质量分数62~68%的处理后的生活污水，排泥管排除反应器内污泥量质量分数5~6.7%的污泥。
[0018]优选在保证低氧曝气阶段结束时反应器内硝态氮浓度与磷酸盐浓度(以磷计)的比值为1.9~2.2的前提下，尽量提高低氧曝气阶段的同步硝化反硝化率，实现氮的高效去除。
[0019]本发明与现有技术相比，其有益效果是:1、通过低氧曝气实现同步硝化反硝化作用除氮，降低了曝气能耗，同时减少了反应时间；2、采用反硝化除磷技术，避免了反硝化与生物除磷对碳源的竞争，为低C/N值生活污水的处理提供了技术方案；3、磷主要通过缺氧搅拌阶段的反硝化除磷过程去除，减少了传统好氧吸磷过程所需的曝气能耗。【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明一种节能型序批式生活污水氮磷去除方法的步骤框图；
[0021]图2为本发明实施例中使用的一种序批式反应器。
【具体实施方式】
[0022]下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0023]以下实施例当中，ORP代表Oxidation-reduction Potential即氧化还原电位。DO代表Dissolved Oxygen即溶解氧。
[0024]如图2所示，以下实施例采用的序批式反应器I设有电动搅拌器10将泥水均匀混合，底部设有曝气头13，通过气管与风机14相连，对系统进行曝气，进气流量由转子流量计12控制；该反应器设有排水口，排水口上设有电动阀门9，由排水管5连接，系统的一个周期反应结束后开启电动阀门9进行排水；进水口与进水泵11相连，开启进水泵11可从水箱8向序批式反应器I中进水，进水流量由转子流量计12控制；设有pH传感器2、ORP传感器3与pH/ORP检测仪6相连和DO传感器4与DO检测仪7相连，对系统整个过程的氧化还原电位(ORP)、pH值和DO等状态参数进行在线实时监测；定期通过排泥管15排放一定量的剩余污泥。采用PLC控制器16对的进水泵11、搅拌器10、风机14和电动阀门9进行启闭控制，同时PLC控制器16连接pH/ORP检测仪6、D0检测仪7，利用所得状态参数对系统运行情况进行控制。
[0025]PLC控制器16依次执行以下步骤:
[0026]步骤I通过如下动作实现:开启进水泵11，将生活污水导入到序批式反应器I中，进水5~10分钟后，关闭进水泵11，启动搅拌器10，进水与反应器中上周期剩余泥水充分混合，反硝化聚磷菌吸收低分子有机物在体内合成PHA，发生厌氧释磷作用。此阶段为厌氧搅拌段，进行厌氧搅拌2~3小时；
[0027]步骤2通过如下动作实现:开启风机14，对序批式反应器I进行低气量曝气，DO浓度维持在0.8~1.0mg/L，进行硝化及部分同步硝化反硝化反应，氨氮转化为硝态氮并实现部分脱氮，控制反应结束后反应器内硝态氮浓度与磷酸盐浓度(以磷计)的比值为1.9~
2.2。此阶段为低氧曝气段，曝气持续2.5~3.5小时后，关闭风机14 ；
[0028]步骤3通过如下动作实现:关闭风机14后，搅拌器仍为工作状态，继续搅拌，反应器处于缺氧状态，反硝化聚磷菌利用步骤B中未消耗的硝态氮作为电子受体、以步骤A中储存在体内的PHA作为电子供体进行反硝化聚磷反应。此阶段为缺氧搅拌段，反应持续3~4小时；
[0029]步骤4通过如下动作实现:开启风机14，对序批式反应器I进行曝气，DO浓度维持在3~4mg/L，聚磷菌进行好氧吸磷。此阶段为好氧曝气段，反应进行I~2小时；
[0030] 步骤5通过如下步骤实现:关闭风机14和搅拌器10，静置沉淀，然后通过开启电动阀门9开启排水管5，将处理后水(上清液)排出，待一定比例的上清液排出后关闭电动阀门9 ;开启排泥管15上的阀门，排出一定量的剩余污泥；
[0031]各步骤中均采用PLC控制器16对进水泵11、搅拌器10、风机14和电动阀门9进行启闭控制，系统依次重复上述5个步骤，在线实时监测氧化还原电位0RP、pH值和DO等状态参数，pH/ORP检测仪6和DO检测仪7与PLC控制器16相连，根据进水水质或反应器状态自动调节序批式反应器I各阶段反应时间。整个系统交替经历厌氧、低氧、缺氧、好氧状态，间歇进水和出水，并通过排泥管15定期排放一定量的剩余污泥。
[0032]若进水COD增加，可适当延长厌氧段时间，dORP/dt和dpH/dt均由负转为O或者正时可作为厌氧段时间控制的状态参数；若进水氨氮浓度增加，可将低氧曝气段时间适当延长，当dpH/dt由负变为O或正时，可作为反应器内硝化作用结束的标志；若进水磷增加，可将缺氧段时间适当延长，dpH/dt的值由正转为O或负时可作为缺氧段反硝化吸磷过程结束的标志；dORP/dt的值由正转为O时，说明反应器内硝化反应和好氧吸磷过程结束。
[0033]当缺氧段水中的N/P值为1.9~2.2时，获得较好的反硝化除磷效果。
[0034]若需要进一步降低出水氮磷浓度，提高氮磷去除率，可以考虑在低氧曝气段适当进水，利用水中碳源提高反硝化菌的反硝化作用，同时抑制普通聚磷菌和反硝化聚磷菌对体内PHA的消耗,使反硝化聚磷菌在缺氧段有足够的PHA来进行反硝化吸磷作用，从而提高氣憐去除效果。
[0035]以下通过具体实施例进一步说明本发明:
[0036]实施例1
[0037]25~28°C时，反应器内混合液悬浮固体浓度(mixed liquid suspended solids)MLSS为3100mg/L~3300mg/L，污泥龄为20d，充水比为62 %，当生活污水进水COD为150mg/L、C0D/TN/TP为25:5:1时，耦合-SBR系统厌氧段(步骤I)、低氧曝气段(步骤2)、缺氧段(步骤3)、好氧段(步骤4)和沉淀段(步骤5)的运行时间分别设置为2h、3h、3.5h、lh、1.5h，其中在步骤5中，排水管排出反应器内总水量质量分数62%的处理后的生活污水，排泥管排除反应器内中污泥量质量分数5%的污泥，其中步骤2低氧曝气段的溶解氧浓度保持为0.95mg/L，其中步骤4好氧段的溶解氧浓度保持为3.5mg/L,出水C0D、NH4+_N、TN和TP浓度分别为 18.56mg/L、0.03mg/L、9.65mg/L 和 0.51mg/L。TN 与 TP 去除率分别为 67.8%和91.5%，其中通过SND和反硝化除磷过程去除的TN分别为11.2%和56.6%，厌氧释磷后通过缺氧反硝化吸磷和好氧吸磷去除的TP分别为78.7%和12.8%。
[0038]实施例2
[0039]当水温为20°C左右，污泥龄为 15d，MLSS 为 3497±63mg/L，SVI 为 87±1.6mL/g，充水比为66%，进水pH = 7.50±0.23，生活污水进水COD为250mg/L，NH4+_N、TN和TP浓度分别为44mg/L、50mg/L、8.2mg/L时，耦合-SBR系统厌氧段(步骤I)、低氧曝气段(步骤2)、缺氧段(步骤3)、好氧段(步骤4)和沉淀段(步骤5)的运行时间分别为2h、3h、3.5h、lh、
1.5h， 其中在步骤5中，排水管排出反应器内总水量质量分数66%的处理后的生活污水，排泥管排除反应器内中污泥量质量分数6.7%的污泥，其中步骤2低氧曝气段的溶解氧浓度保持为1.0mg/L，其中步骤4好氧段的溶解氧浓度保持为4mg/L，得到出水COD、NH4+_N、TN、TP浓度分别为30.42mg/L、2.82mg/L、9.71mg/L、0.87mg/L,系统污泥整体性能较好，氨氮、TN和TP去除率分别为93.6%、80.6%和89.4%。
[0040]实施例3
[0041]当水温为18°C左右，污泥龄为18山厘1^为3412±581^/1，充水比为68%，进水？!1=7.40左右，生活污水进水COD为180mg/L，NH4+_N、TN和TP浓度分别为34mg/L、42mg/L、7mg/L时，耦合-SBR系统厌氧段(步骤I)、低氧曝气段(步骤2)、缺氧段(步骤3)、好氧段(步骤4)和沉淀段(步骤5)停止运行的时刻分别为在步骤(1)中当序批式反应器内的dORP/dt和dpH/dt均已经由负值变为O或正值时、步骤(2)中当序批式反应器内的dpH/dt由负值变为O或正值时、步骤(3)中当序批式反应器内的dpH/dt由正值变为O或负值时、步骤(4)中当序批式反应器内的dORP/dt由正值变为O时、沉淀过程满2小时时，其中在步骤5中，排水管排出反应器内总水量质量分数68%的处理后的生活污水，排泥管排除反应器内中污泥量质量分数5.6%的污泥，其中步骤2低氧曝气段的溶解氧浓度保持为0.Smg/L，其中步骤4好氧段的溶解氧浓度保持为3mg/L，得到出水COD、NH4+_N、TN、TP浓度分别为17.8mg/L、l.73mg/L、9.88mg/L、0.65mg/L, TN 和 TP 去除率分别为 76.5%和 90.7%0
[0042]实施例4
[0043]当水温为22°C左右，污泥龄为15(1，]\0^5为3300±7011^/1，充水比为66%，进水？!1=7.35左右，生活污水进水COD为210mg/L，NH4+_N、TN和TP浓度分别为38mg/L、44mg/L、6mg/L时，耦合-SBR系统厌氧段(步骤I)、低氧曝气段(步骤2)、缺氧段(步骤3)、好氧段(步骤4)和沉淀段(步骤5)的运行时间分别为3h、2.5h、3h、2h、lh，其中在步骤5中，排水管排出反应器内总水量质量分数66%的处理后的生活污水，排泥管排除反应器内中污泥量质量分数6.7%的污泥，其中步骤2低氧曝气段的溶解氧浓度保持为0.9mg/L，其中步骤4好氧段的溶解氧浓度保持为3.5mg/L，得到出水COD、NH4+_N、TN、TP浓度分别为22.6mg/L、
1.75mg/L、9.50mg/L、0.57mg/L, TN 和 TP 去除率分别为 78.4%和 90.5%0
[0044]实施例5
[0045] 采用传统厌氧/缺氧/好氧工艺(A2/0工艺)处理生活污水。当水温为20°C左右，污泥龄为 15d，MLSS 为 3300mg/L 左右，进水流量 Q = 4.22L/h，进水 COD 为 185mg/L，NH4+_N、TN和TP浓度分别为35mg/L、45mg/L、5mg/L时，传统A2/0工艺厌氧段、缺氧段、好氧段的运行时间分别为2.5h、3h、8h，其中好氧曝气段的溶解氧浓度保持为3.5mg/L，混合液内回流量为8.6L/h，污泥回流量为2.2L/h，得到出水COD、NH4+_N、TN、TP浓度分别为17.56mg/L、
2.07mg/L、15.59mg/L、0.92mg/L, TN 和 TP 去除率分别为 65.36%和 81.6%0
[0046]比较各实施例数据可知，本发明的节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法相对于现有技术反应时间快，氮磷去除率高，具备显著的进步。
[0047]如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
【权利要求】
1.一种节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法，其特征在于，采用序批式反应器处理生活污水，并包括以下步骤: (1)将生活污水输入序批式反应器中，并在厌氧条件下机械搅拌2~3小时； (2)序批式反应器低气量曝气，并控制序批式反应器内溶解氧浓度为0.8~1.0mg/L,持续反应2.5~3.5小时，并通过调整溶解氧浓度控制同步硝化反硝化的程度,使反应结束后反应器内硝态氮质量浓度与以磷计的磷酸盐质量浓度的比值为1.9~2.2 ; (3)对序批式反应器停止曝气，机械搅拌，持续反应3~4个小时； (4)序批式反应器开始曝气，并控制序批式反应器内溶解氧的浓度为3~4mg/L，持续反应I~2小时； (5)对序批式反应器停止曝气，静置沉淀，将处理后的生活污水经过排水管排出，并通过排泥管排出剩余污泥； (6)依次重复步骤⑴~(5)。
2.根据权利要求1所述的节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法，其特征在于，所述的序批式反应器设置有PH传感器(2)、氧化还原电位传感器(3)、溶解氧传感器(4)、pH/氧化还原电位检测仪(6)、溶解氧检测仪(7)、PLC控制器(16)、进水泵(11)、进水电动阀门、排水电动阀门(9)、风机(14)和搅拌器(10);其中的pH传感器(2)和氧化还原电位传感器(3)将信号传送至pH/氧化还原电位检测仪(6);溶解氧传感器(4)将信号传送至溶解氧检测仪(7) ;PLC控制器(16)接收自pH/氧化还原电位检测仪(6)和溶解氧检测仪(7)发来的信号；PLC控制器(16)根据自身时钟的时间和接收到的信号发出控制信号并传送至进水泵(11)、进水电动阀门、排水电动阀门(9)、风机(14)和搅拌器(10)。
3.根据权利要求1所述的节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法，其特征在于:在步骤(1)中当序批式反应器内的dORP/dt和dpH/dt均已经由负值变为O或正值时，结束步骤(I)，进入步骤(2)。
4.根据权利要求1所述的节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法，其特征在于:在步骤(2)中当序批式反应器内的dpH/dt由负值变为O或正值时，结束步骤(2)，进入步骤⑶。
5.根据权利要求1所述的节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法，其特征在于:在步骤(3)中当序批式反应器内的dpH/dt由正值变为O或负值时，结束步骤(3)，进入步骤⑷。
6.根据权利要求1所述的节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法，其特征在于:在步骤(4)中当序批式反应器内的dORP/dt由正值变为O时，结束步骤(4)，进入步骤(5)。
7.根据权利要求1所述的节能型序批式生活污水氮磷高效去除方法，其特征在于:在步骤(5)中，排水管排出反应器内总水量质量分数62~68%的处理后的生活污水，排泥管排除反应器内中污泥量质量分数5~6.7%的污泥。
8.根据权利要求1所述的节 能型序批式生活污水氮磷高效去除方法，其特征在于:步骤(2)序批式反应器内的溶解氧溶度为0.8mg/L。
【文档编号】C02F3/30GK103910432SQ201410164005
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月22日 优先权日:2014年4月22日
【发明者】朱光灿, 徐立然, 雷晓芬, 吕锡武 申请人:东南大学