同步实现污泥原位减量与脱氮除磷的污水处理装置和工艺的制作方法

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种同步实现污泥原位减量与脱氮除磷的污水处理装置和工艺。

背景技术：

作为目前应用最为广泛的污水处理技术，活性污泥工艺处理了世界上90％以上的城市污水及50％左右的工业废水。随着污水处理率的上升和环保法规的日益严格，剩余污泥的处理处置成为困扰活性污泥法进一步发展的主要因素，其投资和运行费用约占整个污水处理厂的25-65％。而且，无论填埋还是焚烧，均遭遇场址选择和公众支持的难题，同时还存在二次污染问题。因此，如何解决污泥出路问题，已成为我国城市发展过程中亟待解决的重大环境问题，也是当今世界环保产业关注的一个焦点问题。相较于处理处置技术，在污水处理过程中实现污泥原位减量是解决剩余污泥问题的最佳方法。其中，在污泥回流管线中设置厌氧侧流反应器具有运行成本低、对微生物影响小等优点，是最可能在污水处理厂中应用的原位减量工艺之一。该工艺是使一部分污泥在经过侧流反应器单元后保持一定时间的厌氧环境，使其实现较低的污泥产量，同时不影响污泥的沉降性能和出水水质。污泥减量主要是基于四种减量机理：溶胞隐性增长、能量解偶联代谢、微生物捕食和污泥衰减。

在各类污泥减量工艺中，在污泥回流管线上设有侧流反应器(ssr)的osa工艺具有工艺简单、运行成本低和处理规模大等优点，被认为是最可能走向实际应用的工艺。该工艺已被证实能在不影响出水水质的前提下，实现污泥减量并改善污泥沉降性能。然而，ssr有效减量所需反应时间较长，最低水力停留时间(hrt)为6-7h。例如，全厂采用assr-ao的意大利levico污水处理厂，ssr和主流生物处理系统的hrt之比为0.47。过长的hrt将限制assr推广应用，如何通过微生物生理生态调控加速污泥减量、降低占地面积是提高其技术竞争力的关键。

研究表明，ssr插入不会影响甚至改善污泥沉降性能。然而，在污泥产生与减量速率不匹配时，ssr会造成二沉池固液分离能力不足，出现出水悬浮固体(ss)偏高的问题。如在coma等(bioresourcetechnology,2013,129:229-235)进行的osa中试实验中，侧流比为10％、50％和100％的条件下，出水ss浓度分别为105、118和128mg/l。污泥减量工艺除了需要解决出水ss的稳定达标，还需考虑长泥龄运行造成的出水除磷效果恶化。该问题在目前研究报道较多的osa工艺中普遍存在。

为解决上述问题，可在ssr池后插入中间沉淀池，ssr池出水进入沉淀池进行固液分离，以有效缓冲污泥累积造成的浮泥问题。ssr池污泥减量过程中颗粒物水解和微生物溶胞会释放出氨氮，对于低碳氮比生活污水而言，碳源不足易于造成出水氮磷超标。因此，开发双污泥系统污泥减量工艺与脱氮单元的耦合，对于提升污泥减量效率、维持出水水质稳定达标具有非常重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同步实现污泥原位减量与脱氮除磷的污水处理装置和工艺。针对污泥侧流原位减量系统出水悬浮物易于超标、低碳氮比污水脱氮除磷效率不高等问题，通过物化、生化技术的耦合提供了一种全新的污泥减量工艺技术。本发明工艺可在出水水质满足gb18918-2002一级a甚至地表水iv类标准的前提下，实现污泥显著减量。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一在于提出了一种同步实现污泥原位减量与脱氮除磷的污水处理装置，包括沿污水处理方向依次布置的污泥减量池、污泥沉淀池、混凝沉淀池、氨氮吸附组件、曝气池和固液分离单元，所述污泥沉淀池的剩余污泥出口还通过污泥回流管路一连接所述曝气池，所述固液分离单元的剩余污泥出口还通过污泥回流管路二连接所述污泥减量池。

进一步的，所采用污泥减量池可以根据工况切换为厌氧、缺氧和微氧运行模式，按照厌氧模式运行的不同可进一步切换为全混式厌氧反应器、上流式厌氧污泥床、污泥膨胀床等模式，并对污泥所产甲烷进行回收。其中，全混式厌氧反应器、上流式厌氧污泥床与污泥膨胀床均为本领域的常见结构，具体如下：

全混式厌氧反应器：具体结构为一个密闭罐体和搅拌装置。废水可完全与厌氧污泥混合并厌氧消化产甲烷。待处理污水进入全混式厌氧反应器后，由搅拌装置快速混合全部厌氧污泥，在污泥中的厌氧微生物作用下发生厌氧消化反应，使厌氧污泥浓度始终保持相对较低的状态，最终实现污泥减量。

上流式厌氧污泥床：上流式厌氧污泥床主要由底部的布水系统、下部的厌氧反应区、上部的气液固三相分离器构成。待处理污水进入反应器，在下部厌氧区与厌氧污泥混合，发生厌氧消化和污泥减量等反应，产生的甲烷等气体从三相分离器的人字形挡板底部三角区域排出。混合污泥经过自然沉降和三相分离器的作用，使出水及残留气体、泥从顶部排出，进行下一步生物处理。

污泥膨胀床：污泥膨胀床在结构形式、污泥形态方面与上流式厌氧污泥床有很大的相似之处。但污泥膨胀床增加了处理水循环系统，提高反应器内的液体流速，使反应器内污泥床得到膨胀,能够保证待处理污水与厌氧污泥的充分接触。

进一步的，在污泥沉淀池与混凝沉淀池之间的连接管路上还设有除磷加药箱。更进一步的，除磷加药箱中的除磷药剂可以选择加钙、铝或铁的化合物如石灰、明矾、三氯化铁等。

进一步的，所述氨氮吸附组件包括至少一组氨氮吸附柱，所述氨氮吸附柱的进水口与出水口分别连接所述混凝沉淀池与曝气池。

更进一步的，氨氮吸附柱包括进水口、出水口和填充在两者之间的氨氮吸附材料，可以利用的氨氮吸附材料有分子筛、活性炭、陶粒、沸石、离子交换树脂等。

氨氮吸附柱优选设置两套或更多，这样，单套氨氮吸附柱吸附穿透后转入再生阶段，进水切换至另一套继续运行。

更进一步的，在氨氮吸附柱的进水口处还设有与其通过再生管路连接的再生液箱，在氨氮吸附柱的出水口处还另设一条再生废液排出管路。

进一步的，所述固液分离单元为二沉池，所述二沉池的上层清液通过出水管路排出，底部的剩余污泥则通过所述污泥回流管路二分别返回连接所述污泥减量池与曝气池。

进一步的，所述固液分离单元为置于曝气池中的膜分离组件，在曝气池底部加工有污泥出口作为所述固液分离单元的剩余污泥出口，并设置所述污泥回流管路二分别连接所述污泥出口与污泥减量池。膜分离组件可以采用本领域常用的可实现对污水过滤的膜分离设备。

待处理污水进入污泥减量池内，与回流的剩余污泥混合均匀，保持一定时间的厌氧环境。基于溶胞隐性增长、能量解偶联代谢、微生物捕食和污泥衰减四种减量机理，污泥在污泥减量池内进行减量。同时发生反硝化反应和厌氧释磷等反应。经污泥减量池处理的污水进入污泥沉淀池进行泥水分离。部分污泥回流至好氧池以补充系统内的污泥浓度，另一部分污泥作为剩余污泥排出。由于在污泥减量池内发生厌氧释磷等反应，分离污水含有较高浓度的总磷。污水进入混凝沉淀池内进行混凝沉淀处理，去除大部分的总磷和悬浮物，使进水不至于堵塞氨氮吸附组件。进水在氨氮吸附组件通过离子吸附作用，去除大部分氨氮。低含磷和低氨氮出水进入曝气池内，利于聚磷菌聚糖菌等好氧微生物的共同作用，去除溶解性有机物，最终实现污水处理的达标排放

本发明的技术方案之二在于提出了一种同步实现污泥原位减量与脱氮除磷的污水处理工艺，包括以下步骤：

(1)待处理污水被送入污泥减量池内处理后，所得处理后污水排入污泥沉淀池中进行一次沉淀，所得上层清液加入除磷药剂后进入混凝沉淀池沉淀处理，所得剩余污泥则部分直接送入步骤(2)中的曝气池中；

(2)混凝沉淀池内经混凝沉淀后所得的除磷污水再进入氨氮吸附组件中，经氨氮吸附处理后，接着送入曝气池中曝气处理；

(3)在曝气池中曝气处理后的污水再经固液分离单元处理，所得清液作为出水排出，所得剩余污泥则分别返回至曝气池和污泥减量池。

进一步的，步骤(1)中，待处理污水在污泥减量池中的处理过程具体为：在污泥减量池内设置搅拌设备，将待处理污水和回流污泥混合均匀，污泥浓度在4～10gss/l，氧浓度约为0.2mg/l，水力停留时间为4～10h。在污泥减量池中，经过回流污泥反硝化、污泥厌氧释磷和污泥减量等反应，污水进入沉淀池时，氨氮和总磷等污染物浓度可能会高于待处理污水，而化学需氧量等污染物浓度会低于待处理污水。

进一步的，步骤(1)中，所述除磷药剂为钙、铝或铁的化合物，其添加量为5～1500mg/gss，并根据实际情况进行调节。过低的投加量可能会导致出水总磷浓度过高，过高的投加量可能会导致污泥活性降低，在一定程度上抑制硝化速率；

步骤(2)中，氨氮吸附处理的时间为0.2～4h，并根据实际情况进行调节。吸附时间过低可能会导致出水总氮过高，过长会使成本升高；

步骤(3)中，曝气处理的时间为0.5～10h，曝气量满足曝气池水体中氧浓度为0.8～8mg/l，并根据实际情况进行调节。较低的曝气量可能会导致出水污染物浓度无法达标。

进一步的，氨氮吸附组件运行设定时间后，通过从其进水口通入再生液浸泡处理后，实现再生。再生液中的盐可选择为钙盐、钾盐、镁盐、锌盐、铁盐、铝盐、钠盐，其浓度为4～90g/l，并根据实际情况进行调节。较低的浓度可能会导致吸附组件再生不完全，较高则会破坏吸附材料，降低脱氮效率，并使成本升高。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)高效物化脱氮除磷技术与生物处理技术的耦合，大大缩短反应时间，减少占地。传统脱氮除磷工艺由于缺氧、厌氧、好氧单元的设置，需要长达20h的水力停留时间才能实现一级a达标，在本发明中由于化学除磷和氨氮吸附速率均可快速完成，反应器总水力停留时间可控制低于8小时，大幅度降低了工艺系统的占地面积。

(2)高效污染物去除与污泥减量工艺的结合，在污水达标处理的同时实现污泥产量大幅度降低，仅为传统工艺的10～20％。

(3)该工艺设计灵活，有助于物质资源化利用。污泥减量池可切换为厌氧模式运行，可在污泥减量的同时将污水中的有机物转化为甲烷回收利用；由于污泥减量池的固液预分离，混凝沉淀池除磷可得到磷含量较高的沉淀物，有利于磷资源回收利用。

附图说明

图1为同步实现高效污泥原位减量与脱氮除磷的一个工艺流程示意图；

图2为同步实现高效污泥原位减量与脱氮除磷的另一个工艺流程示意图；

图中标记说明：

1为进水泵；2为污泥减量池；3为污泥沉淀池；4为混凝沉淀池；5为氨氮吸附柱；6为曝气池；7为二沉池；8为出水泵；9为第二污泥回流泵；10为第一排泥泵；11为第二排泥泵；12为第一氨氮吸附柱进水泵；13为第二氨氮吸附柱进水泵；14为第一氨氮吸附柱出水泵；15为第二氨氮吸附柱出水泵；16为再生液泵；17为再生废液排出泵；18为第一污泥回流泵；19为除磷加药泵；20为第三污泥回流泵；21为膜分离组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明的技术方案之一在于提出了一种同步实现污泥原位减量与脱氮除磷的污水处理装置，包括沿污水处理方向依次布置的污泥减量池2、污泥沉淀池3、混凝沉淀池4、氨氮吸附组件、曝气池6和固液分离单元，所述污泥沉淀池3的剩余污泥出口还通过污泥回流管路一(其上面可以设置第一污泥回流泵18)连接所述曝气池6，所述固液分离单元的剩余污泥出口还通过污泥回流管路二连接所述污泥减量池2。

在本发明的一个具体的实施方式中，所采用污泥减量池2可以根据实际工况的不同选择为厌氧、缺氧和微氧运行模式，按照厌氧模式运行时可进一步选择全混式厌氧反应器、上流式厌氧污泥床、污泥膨胀床等运行模式，并对污泥所产甲烷进行回收。其中，全混式厌氧反应器：具体结构为一个密闭罐体和搅拌装置。废水可完全与厌氧污泥混合并厌氧消化产甲烷。待处理污水进入反应器后，由搅拌装置快速混合全部厌氧污泥，在污泥中的厌氧微生物作用下发生厌氧消化反应，使厌氧污泥浓度始终保持相对较低的状态，最终实现污泥减量。

上流式厌氧污泥床：上流式厌氧污泥床主要由底部的布水系统、下部的厌氧反应区、上部的气液固三相分离器构成。待处理污水进入反应器，在下部厌氧区与厌氧污泥混合，发生厌氧消化和污泥减量等反应，产生的甲烷等气体从三相分离器的人字形挡板底部三角区域排出。混合污泥经过自然沉降和三相分离器的作用，使出水及残留气体、泥从顶部排出，进行下一步生物处理。

污泥膨胀床：污泥膨胀床在结构形式、污泥形态方面与上流式厌氧污泥床有很大的相似之处。但污泥膨胀床增加了处理水循环系统，提高反应器内的液体流速，使反应器内污泥床得到膨胀,能够保证待处理污水与厌氧污泥的充分接触。

在本发明的一个具体的实施方式中，在污泥沉淀池3与混凝沉淀池4之间的连接管路上还设有除磷加药箱。更进一步的，除磷加药箱中的除磷药剂可以选择加钙、铝或铁的化合物如石灰、明矾、三氯化铁等。除磷加药箱可以通过带有除磷加药泵19的管路接入此连接管路中。

在本发明的一个具体的实施方式中，所述氨氮吸附组件包括至少一组氨氮吸附柱5，所述氨氮吸附柱5的进水口(可以设置氨氮吸附柱5进水泵)与出水口(可以设置氨氮吸附柱5出水泵)分别连接所述混凝沉淀池4与曝气池6。

更进一步的，氨氮吸附柱5包括进水口、出水口和填充在两者之间的氨氮吸附材料，可以利用的氨氮吸附材料有分子筛、活性炭、陶粒、沸石、离子交换树脂等。

氨氮吸附柱5优选设置两套或更多，这样，单套氨氮吸附柱5吸附穿透后转入再生阶段，进水切换至另一套继续运行。

更进一步的，在氨氮吸附柱5的进水口处还设有与其通过再生管路连接的再生液箱，在氨氮吸附柱5的出水口处还另设一条再生废液排出管路，再生废液排出管路上可以设置再生废液排出泵。

在本发明的一个具体的实施方式中，所述固液分离单元为二沉池7，所述二沉池7的上层清液通过出水管路排出，底部的剩余污泥则通过所述污泥回流管路二分别返回连接所述污泥减量池2与曝气池6。更具体的，污泥回流管路二分叉，其一通过第三污泥回流泵20返回曝气池6。另一叉口通过第二污泥回流泵9返回污泥减量池2。

在本发明的一个具体的实施方式中，所述固液分离单元为置于曝气池6中的膜分离组件21，在曝气池6底部加工有污泥出口作为所述固液分离单元的剩余污泥出口，并设置所述污泥回流管路二分别连接所述污泥出口与污泥减量池2。膜分离组件21可以采用本领域常用的可实现对污水过滤的膜分离设备。

待处理污水进入污泥减量池内，与回流的剩余污泥混合均匀，保持一定时间的厌氧环境。基于溶胞隐性增长、能量解偶联代谢、微生物捕食和污泥衰减四种减量机理，污泥在污泥减量池内进行减量。同时发生反硝化反应和厌氧释磷等反应。经污泥减量池处理的污水进入污泥沉淀池进行泥水分离。部分污泥回流至好氧池以补充系统内的污泥浓度，另一部分污泥作为剩余污泥排出。由于在污泥减量池内发生厌氧释磷等反应，分离污水含有较高浓度的总磷。污水进入混凝沉淀池内进行混凝沉淀处理，去除大部分的总磷和悬浮物，使进水不至于堵塞氨氮吸附组件。进水在氨氮吸附组件通过离子吸附作用，去除大部分氨氮。低含磷和低氨氮出水进入曝气池内，通过聚磷菌聚糖菌等好氧微生物的共同作用，去除溶解性有机物，最终实现污水处理的达标排放。

本发明的技术方案之二在于提出了一种同步实现污泥原位减量与脱氮除磷的污水处理工艺，包括以下步骤：

(1)待处理污水被送入污泥减量池2内处理后，所得处理后污水排入污泥沉淀池3中进行一次沉淀，所得上层清液加入除磷药剂后进入混凝沉淀池4沉淀处理，所得剩余污泥则部分直接送入步骤(2)中的曝气池6中；

(2)混凝沉淀池4内经混凝沉淀后所得的除磷污水再进入氨氮吸附组件中，经氨氮吸附处理后，接着送入曝气池6中曝气处理；

(3)在曝气池6中曝气处理后的污水再经固液分离单元处理，所得清液作为出水排出，所得剩余污泥则分别返回至曝气池6和污泥减量池2。

在本发明的一个具体的实施方式中，步骤(1)中，待处理污水在污泥减量池2中的处理过程具体为：在污泥减量池内设置搅拌器，将待处理污水和回流污泥混合均匀，污泥浓度在4～10gss/l，氧浓度为约0.2mg/l，水力停留时间为4～10h。在污泥减量池中，经过回流污泥反硝化、污泥厌氧释磷和污泥减量等反应，污水进入沉淀池时，氨氮和总磷等污染物浓度可能会高于待处理污水，而化学需氧量等污染物浓度会低于待处理污水。

在本发明的一个具体的实施方式中，步骤(1)中，所述除磷药剂为钙、铝或铁的化合物，其添加量为5～1500mg/gss。

在本发明的一个具体的实施方式中，步骤(2)中，氨氮吸附处理的时间为(0.2～4h，并根据实际情况进行调节。

在本发明的一个具体的实施方式中，步骤(3)中，曝气处理的时间为0.5～10h，曝气量满足曝气池6水体中氧浓度为0.8～8mg/l，并根据实际情况进行调节。

在本发明的一个具体的实施方式中，氨氮吸附组件运行设定时间后，通过从其进水口通入再生液浸泡处理后，实现再生。

以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多组合实施。

以下结合具体的实施例来对上述实施方式进行更进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，本实施例的一种同步实现高效污泥原位减量与脱氮除磷的污水处理工艺，经格栅进水经进水泵1进入污泥减量池2(厌氧模式，)，与第二污泥回流泵9回流100％剩余污泥反应6.7h后，进入污泥沉淀池3沉降污泥3h后，上清液经除磷加药泵19加三氯化铁除磷后进入混凝沉淀池4沉淀，混凝沉淀池4的污泥排泥周期为3h。除磷污水经第一氨氮吸附柱进水泵12和第二氨氮吸附柱进水泵13被泵入氨氮吸附柱4中，被吸附氨氮15min，从氨氮吸附柱4中通过第一氨氮吸附柱出水泵14和第二氨氮吸附柱出水泵15出水后，进入曝气池6生物处理6h，曝气池6接收第一污泥回流泵18来自污泥沉淀池3的100％的污泥，与事先加入的活性污泥进行生物处理，进入二沉池7沉降1h，出水经出水泵8排出。

污泥在污泥减量池2进行厌氧反应和污泥减量，被氨氮吸附柱5去除大部分的氨氮污水，剩余低氨氮废水进入曝气池6中发生硝化反应等去除有机物，100％进水流量的污泥回流至污泥减量池1。氨氮吸附柱5运行24h吸附饱和后，从再生液箱中经再生液泵16泵入再生液再生4h，再生废液排出泵17泵出再生废液。再生一定次数后，可对再生液进行除钙处理，处理后的再生液可重复利用。

按以上工艺方式连续运行100天。进水中溶解性cod、氨氮、总氮和总磷平均浓度为280.5、60.2、75.1和15.4mg/l。经本发明提出的上述工艺处理后，反应器ph为6.5～7.5，出水cod、氨氮、总氮和总磷平均浓度分别为15.2、0.5、3.4和0.3mg/l。污泥产量较去年同期减少75％。

本实施例的氨氮吸附柱采用沸石柱。

实施例2

某污水厂经格栅截留较粗大漂浮物和悬浮物的高氨氮废水通过进水泵1进入hrt为6h的污泥减量池2，与回流污泥充分混合接触。随后进入hrt为2h的污泥沉淀池3以进行泥水分离。分离上清液除磷后进入hrt为0.5h的氨氮吸附柱4去除大部分氨氮，当单根氨氮吸附柱4连续运行12h穿透后转入再生阶段，进水切换至另一根吸附柱继续运行。氨氮吸附柱4再生时，再生液泵16泵入再生液至氨氮吸附柱中，对吸附材料进行解吸再生，并将解吸的氨氮转化为氮气。其中复合再生液浓度为40g/l，再生浸泡时间为4h。随后进入hrt为6.5h的曝气池5。此时进水氨氮较低，硝态氮在污泥减量池2利用进水碳源进行反硝化。由于大部分的氨氮在氨氮吸附柱4时被吸附，因此系统内的碳源可以被聚磷菌充分利用，使出水总磷达标。最后出水经膜组件排出。

经过该模式的连续6个月的运行，进水中溶解性cod、氨氮、总氮和总磷平均浓度为180.5、100.2、150.3和10.0mg/l。经本发明提出的上述工艺处理后，反应器ph为6.5～7.5，出水cod、氨氮、总氮和总磷平均浓度分别为10.1、5.0、7.0和0.8mg/l。污泥产量较去年同期减少70％。

对比例1

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中移除了氨氮吸附组件。此时，将图1的氨氮吸附组件移除后，经格栅进水经进水泵1进入污泥减量池2(厌氧模式)，与第二污泥回流泵9回流100％进水流量的剩余污泥反应6.7h后，进入污泥沉淀池3沉降污泥3h后，上清液经除磷加药泵19加三氯化铁除磷后进入混凝沉淀池4沉淀，混凝沉淀池4的污泥排泥周期为3h。除磷污水进入曝气池6生物处理6h，曝气池6接收第一污泥回流泵18来自污泥沉淀池3的100％的污泥，与事先加入的活性污泥进行生物处理，进入二沉池7沉降1h，出水经出水泵8排出。

污泥在污泥减量池2进行厌氧反应和污泥减量，在污泥减量池内，污泥溶胞等污泥减量作用会释放大量氨氮和溶解性有机物，随后污水进入曝气池6中发生硝化反应等去除有机物，100％进水流量的污泥回流至污泥减量池1。由于硝化过程会产生大量硝酸盐，反硝化过程中微生物对碳源的利用优先于生物除磷，造成出水总磷无法达标处理。

按以上工艺方式连续运行100天。进水中溶解性cod、氨氮、总氮和总磷平均浓度为260.4、40.5、60.3和20.1mg/l。经上述提出的上述工艺处理后，反应器ph为6.5～7.5，出水cod、氨氮、总氮和总磷平均浓度分别为19.6、8.5、14.6和0.7mg/l。污泥产量较去年同期减少25％。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。