一种强化生物脱氮化学除磷的污水处理装置及工艺方法与流程

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种强化生物脱氮化学除磷的污水处理装置及方法，适用于城市生活污水处理及低碳氮比污水、高浓度氮磷工业废水和农村生活污水处理。

背景技术：

我国城市污水具有低碳氮比的特点，常规同步脱氮除磷工艺，如a2o工艺等，在处理该废水时存在碳源竞争、污泥龄等矛盾与问题，且也会出现剩余污泥产量大及脱水困难等不足。因此，研发新的高效同步脱氮除磷技术与工艺来解决碳源矛盾、泥龄矛盾与硝酸盐问题等是当今污水处理领域的研究热点之一；磷为不可再生资源，为了使其能够持续循环利用，国内外相关学者已将研究视角从污水中去除磷向去除和回收磷的转变。

高铁酸钾等强氧化剂具有吸附、絮凝、沉淀、消毒、脱色与除臭等功能。近年来，高铁酸钾主要是用于消毒和污泥减量化；诱导结晶工艺可实现废水中磷酸根和氨氮等营养物质回收再利用；但是目前结合生物脱氮除磷、强氧化和诱导结晶等三种技术的优点来处理低碳氮比污水未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种将a2o同步脱氮除磷技术与高铁酸钾强氧化特性、诱导结晶技术三者有机地耦合组成的具有强化生物脱氮化学除磷的污水处理装置。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案来实现的：该强化生物脱氮化学除磷的污水处理装置，它包括从进水口端开始依次连接的生物处理系统、剩余污泥氧化分解系统、诱导结晶除磷及回收系统，以及它们的辅助系统；所述生物处理系统包括首尾相连的厌氧池、缺氧池、好氧池、二沉池，所述剩余污泥氧化分解系统包括sbr池，所述诱导结晶除磷及回收系统包括诱导结晶除磷反应器；所述辅助系统包括搅拌器、进水口、污泥回流装置、硝化液回流装置、结晶液回流装置、出水口、剩余污泥排放装置；所述诱导结晶除磷反应器通过结晶液回流装置分别与生物处理系统中厌氧池和缺氧池的进水口端管道连接，并分别设有阀门；所述生物处理系统中二沉池通过硝化液回流装置与缺氧池的进水口端管道连接；所述生物处理系统中二沉池通过污泥回流装置与厌氧池的进水口管端管道连接。

具体的，所述生物处理系统中，厌氧池的首端与进水口连接，二沉池的末端与出水口连接；二沉池的底端通过与污泥回流装置与厌氧池的进水口端管道连接，二沉池的顶部通过硝化液回流装置与缺氧池的进水口端管道连接；厌氧池和缺氧池内设有搅拌器，好氧池的底部与曝气系统连接。

具体的，所述剩余污泥氧化分解系统中，sbr池上部分别与二沉池底部和高铁酸钾投加系统连通，sbr池底部设有剩余污泥排放装置，sbr池上部一侧与中间水池连通，sbr池中设有搅拌器。

具体的，所述诱导结晶除磷及回收系统中，诱导结晶除磷反应器的上部通过结晶液回流装置分别与生物处理系统中厌氧池和缺氧池的进水口端管道连接，并分别设有阀门；诱导结晶除磷反应器的底部与中间水池连通，诱导结晶除磷反应器的底部分别与含磷晶体回收装置、曝气系统和结晶药剂投加系统连接。

本发明将a2o同步脱氮除磷技术与高铁酸钾强氧化特性、诱导结晶技术三者有机地耦合。首先，通过高铁酸钾的强氧化作用将a2o反应器产生的剩余污泥分解氧化(溶胞)，短时间内实现剩余污泥的cod、磷和氨氮的释放；其次，通过沉淀分离作用将剩余污泥与溶解性磷、scod和氨氮等物质分离；再次，通过诱导结晶反应器去除并回收正磷和部分氨氮；最后，将含有高浓度scod的诱导结晶反应器出水回流至a2o反应器的缺氧池或厌氧池，进而强化缺氧池反硝化脱氮或者强化厌氧释磷。本发明能够使生物脱氮与生物除磷的矛盾得到缓解，通过生物脱氮和化学除磷耦合作用获得氮和磷的效率的高效去除，且系统的产泥量少，污泥易于脱水，控制简单，易用生产实施，具有潜在广阔的应用前景。

本发明的目的之二在于提供基于上述强化生物脱氮化学除磷的污水处理装置的工艺方法，它包括如下步骤：

(1)待处理污水通过进水口进入生物处理系统，经过厌氧、缺氧、好氧、沉淀反应处理后通过出水口排出，而剩余污泥或是通过污泥回流装置回流入厌氧池的进水口端，或是进入剩余污泥氧化分解系统；

(2)进入剩余污泥氧化分解系统的剩余污泥，在sbr池采用进泥和投药、反应、沉淀、排水、排泥、闲置工序运行，进泥和投药及反应时间控制在120～300min之间，沉淀时间为120min，排水时间为60min，排泥时间为60min，闲置时间为0～60min，反应周期为8～12h；

(3)生物处理系统产生的剩余污泥采用间歇式的方式排入sbr池，与污泥氧化分解药剂即高铁酸钾和/或臭氧强化药剂混合反应使其破壁分解即溶胞，进而产生高浓度溶解性有机物即scod、溶解性正磷和氨氮；沉淀工序使剩余污泥与scod、溶解性正磷和氨氮实现分离；排水工序使富含有机物即cod和溶解性正磷上清液进入诱导结晶除磷及回收系统中的诱导结晶除磷反应器中；排泥工序使高浓度污泥通过剩余污泥排放装置进入污泥脱水车间；

(4)剩余污泥经过sbr池中高铁酸钾和/或臭氧氧化破壁以后，污泥脱水性能得到显著改善，进而有利于污泥减容减量；中间水池中排水工序产生的高浓度有机物即cod和正磷上清液经过诱导结晶除磷反应器中结晶药剂处理后，污水中的磷得到去除，同时回收得到磷酸氨镁结晶；

(5)从诱导结晶除磷反应器的上部通过结晶液回流装置流出的含有高浓度scod结晶回流液根据处理要求进行回流；当系统强化生物脱氮时该回流液回流至生物处理系统的缺氧池；当系统强化生物除磷时该回流液应回流至生物处理系统的厌氧池；

(6)当高浓度scod结晶回流液回流至缺氧池时，含氮磷污水经过厌氧、强化缺氧、好氧、沉淀反应处理后排出，含有高浓度scod结晶回流液为异养反硝化菌提供了足够的碳源，进而增加了反硝化脱氮反应速率，实现强化生物脱氮；当高浓度scod结晶回流液回流至厌氧池时，含氮磷污水经过强化厌氧、缺氧、好氧、沉淀反应处理后排出，含有高浓度scod结晶回流液为聚磷菌提供了足够可利用碳源，进而提高聚磷菌释磷速率和糖原合成速率，为聚磷菌好氧吸磷奠定良好的基础。

具体的，步骤(3)中，污泥氧化分解药剂为高铁酸钾与臭氧中的一种或两种的组合；其中，当高铁酸钾单独投加时其投加到污水中的浓度为20～300mg/l，当臭氧单独投加时其投加到污水中的浓度为5～120mg/l，当高铁酸钾和臭氧联合投加时，高铁酸钾投加到污水中的浓度为10～120mg/l，臭氧投加到污水中的浓度为3～60mg/l。

具体的，步骤(4)中，诱导结晶除磷反应器中的结晶药剂为cacl2或mgcl2或两者的混合溶液，仅为cacl2药剂时ca/p摩尔比控制在1.2～3.0，仅为mgcl2药剂时mg/p摩尔比控制在1.0～2.0，为两者的混合溶液时，ca/p摩尔比控制在0.8～2.0，mg/p摩尔比控制在0.4～1.0。

具体的，步骤(4)的诱导结晶除磷反应器中，诱导结晶晶种由钢渣和电解锰渣组成，钢渣与电解锰渣的质量比在0.1～0.2，投加量控制在5～50g/l。

相比现有技术，本发明的有益效果体现如下：

(1)本发明的工艺在缺氧池或厌氧池前增加了结晶回流液，该回流液中含有高浓度的cod，为缺氧反硝化或厌氧释磷提供了额外的碳源，强化了反硝化脱氮过程，进而提高系统脱氮效率或除磷效率。

(2)本发明的工艺中具有高铁酸钾或臭氧等强氧化过程，使大量的磷从细胞内释放到细胞外，有利于诱导结晶化学除磷及其磷资源化回收利用。

(3)本发明的工艺中具有高铁酸钾或臭氧等强氧化过程，使污泥中的结合水得到释放，有利于剩余污泥脱水及其污泥减量化处置。

(4)本发明的高铁酸钾/诱导结晶耦合强化生物脱氮与化学除磷的污水处理方法，所需设备简单、操作简单、控制简单，有利于生产实施。

附图说明

图1是本发明实施例装置的原理结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

参见图1，本实施例的强化生物脱氮化学除磷的污水处理装置，包括从进水口12一端开始依次连接的生物处理系统、剩余污泥氧化分解系统、诱导结晶除磷及回收系统，以及它们的辅助系统；辅助系统包括搅拌器11、进水口12、污泥回流装置13、硝化液回流装置14、结晶液回流装置15、出水口16、剩余污泥排放装置17。从图1中可见，生物处理系统包括首尾相连的厌氧池1、缺氧池2、好氧池3、二沉池4；厌氧池1的首端与进水口12连接，二沉池4的末端与出水口16连接；二沉池4的底端通过与污泥回流装置13(污泥回流装置13为现有技术，主要包括污泥回流泵、控制开关、流量计和管道等，在此不再赘述)与厌氧池1的进水口端管道连接，二沉池4的顶部通过硝化液回流装置14(硝化液回流装置14为现有技术，主要包括硝化液回流泵、控制开关、流量计和管道等，在此不再赘述)与缺氧池2的进水口端管道连接；厌氧池1和缺氧池2内设有搅拌器11，好氧池3的底部与曝气系统8连接。剩余污泥氧化分解系统包括sbr池5，sbr池5上部分别与二沉池4的底部和高铁酸钾投加系统9连通，sbr池5底部设有剩余污泥排放装置17，sbr池5上部右侧与中间水池6连通，sbr池5中设有搅拌器11。诱导结晶除磷及回收系统包括诱导结晶除磷反应器7，诱导结晶除磷反应器7的上部通过结晶液回流装置15(结晶液回流装置15为现有技术，主要由折板混合区、反应区、沉淀区、出水区等组成，在此不再赘述)分别与厌氧池1和缺氧池2的进水口端管道连接，并分别设有阀门；诱导结晶除磷反应器7的底部与中间水池6连通，诱导结晶除磷反应器7的底部分别与含磷晶体回收装置18(含磷晶体回收装置18为现有技术，主要由砂水分离器等组成，在此不再赘述)、曝气系统8和结晶药剂投加系统10连接。

下面是本发明基于上述污水处理装置的污水处理工艺方法的具体应用实例。

实施例1：

某城市污水厂进水水质如下：codc为268mg/l，nh⁺4-n为30.1mg/l，no3^--n为1.1mg/l，tn为35.5mg/l，tp为4.52mg/l。采用本发明工艺方法进行生物脱氮与化学除磷，具体实施方式如下：

(1)本发明生物处理系统的主要参数如下：厌氧、缺氧及好氧停留时间分别为1.5h、2.0h和4.0h；好氧池溶解氧浓度为2mg/l；好氧池污泥浓度为2800mg/l；污泥回流比为0.8，硝化液回流比为2.0；诱导结晶液回流至缺氧池；污泥龄为14d，采用间歇式排泥，一天排泥两次，每次排泥时间为0.5h。

(2)本发明的剩余污泥氧化分解系统控制参数如下：进泥(投药)和反应时间共240min，沉淀时间为120min，沉淀时间为120min，排水时间60min，排泥时间为60min，闲置时间为120min，反应周期为12h。

(3)本发明的剩余污泥氧化分解系统投加的强氧化剂为高铁酸钾，投加方式为与进泥同步投加，其污水中的投加浓度为120mg/l。

(4)本发明的诱导结晶除磷及回收系统的药剂为cacl2溶液，其中cacl2的投加量为180mg/l，ca/p摩尔比控制在1.5。

(5)在上述工况下连续稳定运行60d，剩余污泥氧化分解系统反应沉淀后，其上清液的中cod浓度为2087mg/l，氨氮浓度为50mg/l；tp浓度为35mg/l；剩余污泥的sv值为25％，说明污泥透水性能良好。

(6)在上述工况下连续稳定运行60d，诱导结晶除磷及回收系统出水中cod浓度为2010mg/l，氨氮浓度为45mg/l；诱导结晶除磷及回收系统出水中tp浓度为0.25mg/l，其回流液对系统磷的冲击影响很小。

(7)在上述工况下连续稳定运行60d，缺氧工序平均反硝化速率为4.5gno3-n/(kgvss·h)，高于相关的文献值1.25～3.3gno3-n/(kgvss·h)。

(8)在上述工况下各污染平均出水浓度及去除效果如下：出水cod为16.8mg/l，cod去除率为93.7％；出水氨氮为0.45mg/l，氨氮去除率为98.5％；出水tn为8.5mg/l，tn去除率为76.0％；出水tp为0.35mg/l，tp去除率为92.2％，系统污泥表观产率yobs为0.19gss/gcod，产泥系数低。

实施例2：

某城市污水厂雨季进水水质如下：codc为158mg/l，nh⁺4-n为20.5mg/l，no3^--n为0.9mg/l，tn为25.9mg/l，tp为4.8mg/l。采用本发明工艺方法进行强化生物除磷，具体实施方式为：

(1)本发明生物处理系统的主要参数如下：厌氧、缺氧及好氧停留时间分别为1.5h、2.0h和4.0h；好氧池溶解氧浓度为1.5mg/l；好氧池污泥浓度为2100mg/l；污泥回流比为0.8，硝化液回流比为1.5；诱导结晶液回流至厌氧池；污泥龄为12d，采用间歇式排泥，一天排泥两次，每次排泥时间为0.5h。

(2)本发明的剩余污泥氧化分解系统控制参数如下：进泥(投药)和反应时间共180min，沉淀时间为90min，沉淀时间为90min，排水时间60min，排泥时间为60min，闲置时间为0min，反应周期为8h。

(3)本发明的剩余污泥氧化分解系统投加的强氧化剂为高铁酸钾，投加方式为与进泥同步投加，投加到污水中的浓度80mg/l。

(4)本发明的诱导结晶除磷及回收系统的药剂为cacl2溶液，其中cacl2的投加量为150mg/l，ca/p摩尔比控制在1.8。

(5)在上述工况下连续稳定运行48d，剩余污泥氧化分解系统反应沉淀后，其上清液的中cod浓度为1280mg/l，氨氮浓度为35mg/l；tp浓度为27mg/l；剩余污泥的sv值为21％，说明污泥透水性能良好。

(6)在上述工况下连续稳定运行48d，诱导结晶除磷及回收系统出水中cod浓度为1206mg/l，氨氮浓度为45mg/l；诱导结晶除磷及回收系统出水中tp浓度为0.25mg/l，其回流液对系统磷的冲击影响很小。

(7)在上述工况下连续稳定运行48d，厌氧池释磷浓度高达30～40mg/l，高于相关的文献值10～20mg/l。

(8)在上述工况下各污染平均出水浓度及去除效果如下：出水cod为15.2mg/l，cod去除率为90.4％；出水氨氮为0.50mg/l，氨氮去除率为97.5％；出水tn为7.5mg/l，tn去除率为71.0％；出水tp为0.32mg/l，tp去除率为93.3％，系统污泥表观产率yobs为0.15gss/gcod，产泥系数低。

实施例3：

某城市污水厂进水中含有部分工业废水，其进水水质如下：codc为358.8mg/l，nh⁺4-n为45.0mg/l，no3^--n为1.5mg/l，tn为62.0mg/l，tp为5.5mg/l。采用本发明工艺方法强化生物脱氮与化学除磷，具体实施方式为：

(1)本发明生物处理系统的主要参数如下：厌氧、缺氧及好氧停留时间分别为2.0h、2.5h和6.0h；好氧池溶解氧浓度为2.5mg/l；好氧池污泥浓度为3500mg/l；污泥回流比为0.8，硝化液回流比为2.0；诱导结晶液回流至缺氧池；污泥龄为15d，采用间歇式排泥，一天排泥两次，每次排泥时间为0.5h。

(2)本发明的剩余污泥氧化分解系统控制参数如下：进泥(投药)和反应时间共240min，沉淀时间为120min，沉淀时间为120min，排水时间60min，排泥时间为60min，闲置时间为120min，反应周期为12h。

(3)本发明的剩余污泥氧化分解系统投加的强氧化剂为高铁酸钾，投加方式为与进泥同步投加，投加到污水中的浓度为150mg/l。

(4)本发明的诱导结晶除磷系统的药剂为cacl2溶液，其中cacl2的投加量为150mg/l中，ca/p摩尔比控制在1.3。

(5)在上述工况下连续稳定运行40d，剩余污泥氧化分解系统反应沉淀后，其上清液的中cod浓度为2519mg/l，氨氮浓度为75mg/l；tp浓度为32mg/l；剩余污泥的sv值为25％，说明污泥透水性能良好。

(6)在上述工况下连续稳定运行40d，诱导结晶除磷及回收系统出水中cod浓度为2485mg/l，氨氮浓度为45mg/l；诱导结晶除磷及回收系统出水中tp浓度为0.5mg/l，其回流液对系统磷的冲击影响很小。

(7)在上述工况下连续稳定运行40d，缺氧工序平均反硝化速率为4.6gno3-n/(kgvss·h)，高于相关的文献值1.25～3.3gno3-n/(kgvss·h)。

(8)在上述工况下各污染平均出水浓度及去除效果如下：出水cod为32.5mg/l，cod去除率为90.9％；出水氨氮为1.8mg/l，氨氮去除率为96.0％；出水tn为11.8mg/l，tn去除率为80.9％；出水tp为0.42mg/l，tp去除率为92.4％，系统污泥表观产率yobs为0.23gss/gcod，产泥系数低。

下表1是上述各实施例的实验结果数据与常规a2o工艺数的数据的对照表。

表1

本发明上述实施例对强化生物脱氮与化学除磷污水处理方法步骤如下：

首先，根据原水中污染物cod、tn和tp的浓度确定工艺是采用强化生物脱氮还是强化生物除磷运行模式，当需要强化生物脱氮时，诱导结晶回流液回流至缺氧池；当需要强化除磷时，诱导结晶回流液回流至厌氧池。

其次，根据剩余污泥的排放量计算出污泥氧化分解药剂的投加量，当高铁酸钾单独投加时其投加到污水中的浓度为20～300mg/l，当臭氧单独投加时其投加到污水中的浓度为5～120mg/l，当高铁酸钾和臭氧联合投加时，高铁酸钾投加到污水中的浓度为10～120mg/l，臭氧投加到污水中的浓度为3～60mg/l。

再次，根据氧化分解剩余污泥中上清液中正磷含量计算出诱导结晶除磷反应器中的结晶药剂的投加量，仅为cacl2药剂时ca/p摩尔比控制在1.2～3，仅为mgcl2药剂时mg/p摩尔比控制在1.0～2.0，为两者的混合溶液时，ca/p摩尔比控制在0.8～2.0，mg/p摩尔比控制在0.4～1.0。

最后，本发明高铁酸钾/诱导结晶耦合强化生物脱氮与化学除磷的工作原理有几点：其一，利用高铁酸钾或臭氧对剩余污泥进行氧化处理，使污泥破壁(溶胞)产生高浓度有机物(cod)，同时将聚磷菌体内的聚磷以正磷的形式释放上清液中，并使剩余污泥的沉降性能和脱水性能得到显著改善；其二，利用诱导结晶原理和流化床方法，使上清液中正磷和氨氮结晶形成磷酸盐化合物并沉积在晶种表面，具有不产生污泥、结晶产物易于分离且纯度较高等优点，为系统除磷奠定了良好的基础；第三，在缺氧池前增加了结晶回流液，该回流液中含有高浓度的cod，为缺氧反硝化提供了额外的碳源，强化了反硝化脱氮过程，为系统脱氮奠定了良好的基础。