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CN104591391A - 无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置及处理方法 - Google Patents

无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置及处理方法 Download PDF

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CN104591391A
CN104591391A CN201510040005.1A CN201510040005A CN104591391A CN 104591391 A CN104591391 A CN 104591391A CN 201510040005 A CN201510040005 A CN 201510040005A CN 104591391 A CN104591391 A CN 104591391A
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sewage
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金云霄
吴长航
冯立
冯传平
丁大虎
袁东
王新文
何建平
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Luoyang Institute of Science and Technology
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Luoyang Institute of Science and Technology
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Abstract

本发明提供一种无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置及处理方法，该装置设有反应器、DO探测仪、DO传感器、曝气盘、流量计、水浴锅、循环泵、上部出水泵、鼓风机和控制系统；该装置生物膜载体成本低，易附着微生物，可缩短启动周期；处理后水通过毛细管作用进入支撑筒内部，生物膜组件具有过滤作用，无需设置沉淀池；智能化控制系统控制鼓风机交替启停，使反应器处于交替的(好氧/缺氧)n环境，实现非传统无厌氧释磷的高效除磷；缺氧状态的反硝化除磷，降低了碳源需要量；智能化控制系统实施的交替(好氧/缺氧)n供氧策略，缩短了曝气时间，减少了动力消耗，节约了能源。

Description

无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置及处理方法
技术领域
    本发明涉及水处理技术的应用领域，具体的说是一种无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置及处理方法。
背景技术
    随着我国废水排放总量的增加及化肥、合成洗涤剂和农药的广泛使用，氮、磷已逐渐上升为水体中的主要污染物。由氮、磷污染物引发的水体富营养化——水华和赤潮等进一步导致了水体质量的恶化，不仅影响了水体的使用功能，也危害了人体健康，同时增加了给水处理的难度。藻类过度生长是水体富营养化的典型特征，虽然氮和磷都有可能成为藻类生长的限制因素，但是从藻类对氮、磷需要的关系看，对磷的需要更为迫切。如果水体缺氮，可由水中固氮微生物如某些固氮细菌和蓝细菌补充。水体中只要有低浓度的磷0.018 mg/L就能刺激藻类大量繁殖。当水体中总磷TP浓度低于0.1 mg/L时，浮游植物的生物量随TP浓度的增加而呈线性增加。在大多数湖泊和水库中，磷是主要的限制性营养元素，控制水体承受的磷负荷已成为控制富营养化的关键。因此，世界各国对磷的排放标准的规定日趋严格，我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB19819—2002规定的磷含量，一级A标准为：TP小于0.5mg/L，一级B标准为：TP小于1mg/L。由此可见，无论是已有污水厂还是新建污水厂都面临着污水深度除磷的问题。
目前，污水中除磷的处理技术主要分为物理吸附法、化学沉淀法和生物法。物理吸附法除磷是利用某些多孔或大比表面积的固体物质对水中磷酸根离子的亲和力来实现除磷的过程，吸附法除磷在吸附剂抗干扰、溶解损失和再生等方面还存在诸多问题，因此，吸附法通常用作辅助除磷手段，难以作为主要除磷手段而广泛应用。化学沉淀法除磷的基本原理是通过投加金属盐化学药剂形成不溶性磷酸盐沉淀物，然后通过固液分离将其从污水中去除，其主要问题是药剂昂贵、运行费用较高、化学污泥产量较大、污泥处置较难等，在实际运用中受到一定的限制。强化生物除磷工艺是目前应用最广泛的污水中除磷技术，工艺的研究与应用始于二十世纪五十年代末期，随着研究的深入和应用的普及，工艺类型不断增加。总体而言，强化生物除磷处理成本较低，特别是对磷浓度较低的废水有较好的处理效果。常用的强化除磷工艺有A/O 工艺、A2/O 工艺、氧化沟工艺、UCT工艺等。但这些工艺存在着工艺流程复杂、操作参数难以控制、剩余污泥难处置等缺点。
SBBR工艺兼具序批式工艺和生物膜法的优点，通过厌氧、缺氧、好氧等不同工序的控制，在一个反应器内完成脱氮除磷的过程，实现污水处理一体化。其主要优点有，占地面积小，处理效率高，处理能力大且运行稳定，剩余污泥量少等。但是，SBBR的填料选择和运行模式控制是影响系统处理性能和日常运行成本的关键。填料是生物膜反应器的关键组成部分，直接影响生物膜反应器的性能和处理效率。目前在SBBR中主要应用的填料有流动式活性炭、聚丙烯悬浮球等、固定式陶粒、铁屑、软纤维、聚乙烯等。如国内专利CN1709810选用铁屑作为填料，具有不堵塞，抗冲击能力强等优点，但填料层不具有过滤作用。专利CN101168461以不锈钢或滤布滤网平均孔径为10～200μm作为滤网的生物膜过滤器替代传统的二沉池进行泥水分离，形成的生物膜具有过滤性能，但是载体滤网孔径易堵塞，生物膜更新缓慢，需要定期反冲洗，日常运行的维护管理较为复杂。在专利CN101863590A中，以一种组合式缺氧/好氧生物强化活性炭动态膜除磷，处理后的生活污水，经生物强化活性炭预涂的动态膜过滤出水，该工艺初期投资高，日常运行操作难度大。虽然生物强化活性炭动态膜通量大、水力停留时间短，但工艺设计复杂。SBBR的运行模式决定着该系统对碳源和动力消耗的需要量，常规的厌氧/好氧SBBR、和厌氧/缺氧/好氧SBBR对碳源的需要量高，动力消耗高，仍然不能改变污水处理“以能耗能”这一事实。对于成功的生物除磷来说，厌氧/好氧交替环境并不是必需的。因此，对于经典的除磷理论——厌氧释磷、好氧过量摄取磷提出了质疑，从而，需要开发低碳耗、低能耗的SBBR除磷新工艺。
综上所述，在SBBR中，填料的选择上存在着生物膜更新慢，不具有过滤性能，或虽具有过滤性能，但是易堵塞，需要反冲洗等。而且，在污水生物法除磷工艺中，也存在工艺设计复杂，维护管理难度大，碳源需要量大，能耗高等问题，影响了生物法除磷的实际应用。
发明内容
针对上述现有污水中除磷处理技术存在的生物膜更新慢，不具有过滤性能，或虽具有过滤性能，但是易堵塞，需要反冲洗等缺陷，本发明提供一种无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置及处理方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置，该装置设有反应器、DO探测仪、DO传感器、曝气盘、流量计、水浴锅、循环泵、上部出水泵、鼓风机和控制系统；
所述反应器包括反应槽和挂设在反应槽内的生物膜组件，反应槽侧壁的上部连接有相对设置的进水管和循环出水管，侧壁的底部连接有相对设置的循环进水管和底部出水管，且进水管与底部出水管、循环进水管与循环出水管均相对设置在反应槽的两侧，循环进水管与循环出水管于反应器外经导管连通，水浴锅和循环泵设置在循环进水管与循环出水管之间的管路上，所述曝气盘设置在反应槽内的底部，且经导管与反应器外的鼓风机连接，鼓风机与控制系统连接，所述流量计设置在曝气盘与鼓风机之间的管路上，所述DO探测仪的一端设置在反应槽内，另一端与DO传感器连接，DO传感器与控制系统连接；
所述生物膜组件包括支撑板、上部出水管、集水筒和软性纤维，所述支撑板挂设在反应槽侧壁的顶端，集水筒两端密封，且其上部设置的密封盖与支撑板固定连接，上部出水管经集水筒上部的密封盖插设在集水筒内并延伸至集水筒底部，上部出水管的顶端与上部出水泵连接，集水筒侧壁的底部设有出水口，出水口通过导管与底部出水管连通，集水筒的侧壁上开设有若干过滤小孔，软性纤维的一端设置在过滤小孔内，另一端向集水筒外自由延伸；
所述软性纤维采用混纺棉线或合成纤维，其直径为0.5mm~2mm；
所述集水筒为有机玻璃或聚丙烯、聚乙烯塑料圆筒，壁厚3~8mm；
所述过滤小孔直径为4~6mm，过滤小孔中心间距为20~30mm；
所述过反应槽为方形或圆形，生物膜组件的体积占水槽有效体积的1/5；
所述出水口与集水筒底部的距离为1mm；
一种利用上述反应装置去除污水中磷酸盐的方法，控制系统通过DO探测仪和DO传感器连续测定反应槽内的DO值，当DO值小于设定的低限DO值时启动曝气盘进行曝气，直至DO值大于设定的低限DO值后停止曝气盘，同时启动循环泵使水通过循环进水管与循环出水管在反应槽内循环，当DO值小于设定的低限DO值时停止循环泵，同时再次启动曝气盘进行曝气，使反应槽内形成交替的好氧及缺氧环境，从而通过聚磷菌好氧吸磷和反硝化聚磷菌缺氧摄取磷，实现污水中高效除磷。
本发明的有益效果：
本发明提供的无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置及处理方法，生物膜载体成本低，易附着微生物，可缩短启动周期；处理后水通过毛细管作用进入支撑筒内部，生物膜组件具有过滤作用，无需设置沉淀池；智能化控制系统控制鼓风机交替启停，使反应器处于交替的(好氧/缺氧)n环境，实现非传统无厌氧释磷的高效除磷；缺氧状态的反硝化除磷，降低了碳源需要量；智能化控制系统实施的交替(好氧/缺氧)n供氧策略，缩短了曝气时间，减少了动力消耗，节约了能源；水力停留时间短，减小了反应器体积和占地面积，可降低初期投资；用于实施本发明污水中除磷方法的智能化控制反应器制作简单、操作方便，自动化控制；本发明减少了污水中除磷的动力消耗和碳源需要量，降低了初期投资，提高了处理效率，从而提高了无厌氧释磷非传统高效污水中除磷的实用性。
附图说明
图1 本发明反应装置结构示意图；
图2 本发明反应器结构平面图；
图3本发明反应器结构A-A剖视图；
图4本发明反应器结构B-B剖视图；
图5 本发明生物膜组件结构示意图；
附图标记：1、反应槽，2、生物膜组件，3、DO探测仪，4、进水管，5、DO传感器，6、循环出水管，7、循环进水管，8、曝气盘，9、底部出水管，10、放空管，11、流量计，12、水浴锅，13、循环泵，14、上部出水泵，15、鼓风机，16、控制系统，2-1、支撑板，2-2、上部出水管，2-3、集水筒，2-4、过滤小孔，2-5、软性纤维，2-6、出水口。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的阐述。
如图所示：无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置，其该装置设有反应器、DO探测仪3、DO传感器4、曝气盘8、流量计11、水浴锅12、循环泵13、上部出水泵14、鼓风机15和控制系统16；
所述反应器包括方形反应槽1和挂设在反应槽1内的生物膜组件2，其中生物膜组件2的体积占水槽有效体积的1/5，反应槽1侧壁的上部连接有相对设置的进水管4和循环出水管6，侧壁的底部连接有相对设置的循环进水管7和底部出水管9，且进水管4与底部出水管9、循环进水管7与循环出水管6均相对设置在反应槽1的两侧，循环进水管7与循环出水管6于反应器外经导管连通，水浴锅12和循环泵13设置在循环进水管7与循环出水管6之间的管路上，所述曝气盘8设置在反应槽1内的底部，且经导管与反应器外的鼓风机15连接，鼓风机15与控制系统16连接，所述流量计11设置在曝气盘8与鼓风机15之间的管路上，所述DO探测仪3的一端设置在反应槽1内，另一端与DO传感器4连接，DO传感器4与控制系统16连接；
所述生物膜组件2包括支撑板2-1、上部出水管2-2、壁厚为3~8mm的有机玻璃集水筒2-3和直径为0.5mm~2mm的混纺棉线软性纤维2-5，所述支撑板2-1挂设在反应槽1侧壁的顶端，集水筒2-3两端密封，且其上部设置的密封盖与支撑板2-1固定连接，上部出水管2-2经集水筒2-3上部的密封盖插设在集水筒2-3内并延伸至集水筒2-3底部，上部出水管2-2的顶端与上部出水泵14连接，集水筒2-3距离底部1mm的侧壁上设有出水口2-6，出水口2-6通过导管与底部出水管9连通，集水筒2-3的侧壁上开设有若干直径为5mm、中心间距为25mm的过滤小孔2-4，软性纤维2-5的一端设置在过滤小孔2-4内，另一端向集水筒2-3外自由延伸。
一种利用如上所述的反应装置去除污水中磷酸盐的方法，控制系统通过DO探测仪3和DO传感器4连续测定反应槽1内的DO值，当DO值小于设定的低限DO值时启动曝气盘8进行曝气，直至DO值大于设定的低限DO值后停止曝气盘8，同时启动循环泵13使水通过循环进水管7与循环出水管6在反应槽1内循环，当DO值小于设定的低限DO值时停止循环泵13，同时再次启动曝气盘8进行曝气，使反应槽1内形成交替的好氧及缺氧环境，从而通过聚磷菌好氧吸磷和反硝化聚磷菌缺氧摄取磷，实现污水中高效除磷；
上述DO探测仪即水质溶解氧测定仪，DO传感器即水质溶解氧传感器。
本发明依据的方法属于生物膜处理方法，应用聚磷菌好氧吸磷，缺氧反硝化摄取磷，实现污水中除磷，其除磷具体理论依据为：
在好氧阶段，聚磷菌以氧为电子受体，分解体内储存的聚-β-羟丁酸PHB和肝糖原以提供能量供细胞生长、繁殖，同时一部分能量可供聚磷菌主动吸收磷酸盐，并以聚磷酸盐的形式贮积在体内以用于生长需要，这就是聚磷菌的好氧吸磷现象。
好氧段吸磷反应方程式如下：
 （1）
在缺氧阶段，反应器内富集的兼性聚磷菌以NO3-和氧作为电子受体，以体内合成的肝糖原为能源物质，以聚磷酸盐的形式贮积污水中的磷酸盐在体内，实现污水中除磷。
缺氧段反硝化除磷反应方程式如下：
         （2）
因此，利用智能化控制系统，创造一个交替运行的好氧/缺氧环境，在反应器内富集好氧聚磷菌及兼性聚磷菌，实现非传统无厌氧释磷的污水中除磷；缺氧阶段反硝化除磷，不需要外碳源，降低了碳源需要量，(好氧/缺氧)n交替运行，间歇曝气，减少了动力消耗，节省了能源。
智能化控制系统的控制机理为：在不同温度条件下，根据反应器内溶解氧升降斜率来确定当前温度条件下的硝化反硝化反应的时间，对硝化菌和反硝化菌完成脱氮过程的硝化和反硝化及除磷菌吸释磷的时间进行控制，进而控制系统的DO值，达到脱氮除磷的目的；智能化控制系统的控制方法：连续测定反应器内的DO值→计算微生物的呼吸速度→计算下一反应周期微生物呼吸所需要的氧量→控制曝气时间。
智能化控制SBBR启动后，系统进入计算阶段，该阶段包括曝气阶段和缺氧阶段，曝气阶段曝气装置曝气30min后，若DO≥低限DO值，停止曝气若DO≤低限DO值时，曝气装置继续运行10 min后，再次与低限DO值进行比较，直到符合DO≥低限DO值，启动回流装置，缺氧回流30min后若DO≥低限DO值时，回流装置继续运行10min后，再次与低限DO值进行比较，直到符合DO≤低限DO值，在此计算过程内，软件根据反应器内DO升降斜率来确定此温度条件下硝化反硝化和除磷菌吸释磷反应进行的时间，即反应阶段的好氧缺氧时间，计算所得的硝化反硝化时间各减去计算阶段的曝气和缺氧回流时间，即为反应阶段内的曝气时间T1和缺氧时间T2；反应阶段以2h为1个反应周期，即曝气时间T1和缺氧时间T2之和为120min，而且，不同的周期，T1、T2的值不同，T1、T2值随反应器中的水温和DO浓度而变化；本发明中，设置低限DO为0.5mg/L，所以，即使在停止曝气阶段，反应器中DO最小值为0.5mg/L，处于缺氧状态，因此，反应器在运行过程中无厌氧状态存在。
待处理水从反应器侧壁上部的进水管4流入，控制交替的(好氧/缺氧)n环境，生物膜上微生物污泥龄保持在25d左右，水力停留时间为4-6h，处理后水通过毛细管作用进入集水筒2-3内部，出水通过上部出水泵14从集水筒2-3内的上部出水管2-2抽出，或靠重力从集水筒2-3底部侧壁上的出水口2-6流出，图1中箭头方向即为水流方向。
本发明适宜处理城市污水、生活污水、食品废水，或水质与此类似的化工废水。
人工合成城市污水成分为：COD300 mg/L、TN30 mg/L，TP5 mg/L，C/N为10.0，C/P为60.0，pH为6.8-7.2，HRT待处理污水在反应器内的平均停留时间为6小时，温度控制在25±1℃，采用本发明的无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐反应装置，曝气系统由智能化控制系统控制曝气，智能化控制系统实施控制反应器运行，创造交替(好氧/缺氧)n环境，出水TP浓度0.02 mg/L，低于《城市污水处理厂污染物排放标准》GB89198-2002的一级A标准。

Claims (7)

1. 无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置，其特征在于：该装置设有反应器、DO探测仪（3）、DO传感器（4）、曝气盘（8）、流量计（11）、水浴锅（12）、循环泵（13）、上部出水泵（14）、鼓风机（15）和控制系统（16）；
所述反应器包括反应槽（1）和挂设在反应槽（1）内的生物膜组件（2），反应槽（1）侧壁的上部连接有相对设置的进水管（4）和循环出水管（6），侧壁的底部连接有相对设置的循环进水管（7）和底部出水管（9），且进水管（4）与底部出水管（9）、循环进水管（7）与循环出水管（6）均相对设置在反应槽（1）的两侧，循环进水管（7）与循环出水管（6）于反应器外经导管连通，水浴锅（12）和循环泵（13）设置在循环进水管（7）与循环出水管（6）之间的管路上，所述曝气盘（8）设置在反应槽（1）内的底部，且经导管与反应器外的鼓风机（15）连接，鼓风机（15）与控制系统（16）连接，所述流量计（11）设置在曝气盘（8）与鼓风机（15）之间的管路上，所述DO探测仪（3）的一端设置在反应槽（1）内，另一端与DO传感器（4）连接，DO传感器（4）与控制系统（16）连接；
所述生物膜组件（2）包括支撑板（2-1）、上部出水管（2-2）、集水筒（2-3）和软性纤维（2-5），所述支撑板（2-1）挂设在反应槽（1）侧壁的顶端，集水筒（2-3）两端密封，且其上部设置的密封盖与支撑板（2-1）固定连接，上部出水管（2-2）经集水筒上部的密封盖插设在集水筒（2-3）内并延伸至集水筒（2-3）底部，上部出水管（2-2）的顶端与上部出水泵（14）连接，集水筒（2-3）侧壁的底部设有出水口（2-6），出水口（2-6）通过导管与底部出水管（9）连通，集水筒（2-3）的侧壁上开设有若干过滤小孔（2-4），软性纤维（2-5）的一端设置在过滤小孔（2-4）内，另一端向集水筒（2-3）外自由延伸。
2. 如权利要求1所述的无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置，其特征在于：所述软性纤维（2-5）采用混纺棉线或合成纤维，其直径为0.5mm~2mm。
3. 如权利要求1所述的无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置，其特征在于：所述集水筒（2-3）为有机玻璃或聚丙烯、聚乙烯塑料圆筒，壁厚3~8mm。
4. 如权利要求1所述的无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置，其特征在于：所述过滤小孔（2-4）直径为4~6mm，过滤小孔（2-4）中心间距为20~30mm。
5. 如权利要求1所述的无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置，其特征在于：所述过反应槽（1）为方形或圆形，生物膜组件（2）的体积占水槽有效体积的1/5。
6. 如权利要求1所述的无厌氧释磷高效去除污水中磷酸盐的反应装置，其特征在于：所述出水口（2-6）与集水筒（2-3）底部的距离为1mm。
7. 一种利用如权利要求1所述的反应装置去除污水中磷酸盐的方法，其特征在于：控制系统通过DO探测仪（3）和DO传感器（4）连续测定反应槽（1）内的DO值，当DO值小于设定的低限DO值时启动曝气盘（8）进行曝气，直至DO值大于设定的低限DO值后停止曝气盘（8），同时启动循环泵（13）使水通过循环进水管（7）与循环出水管（6）在反应槽（1）内循环，当DO值小于设定的低限DO值时停止循环泵（13），同时再次启动曝气盘（8）进行曝气，使反应槽（1）内形成交替的好氧及缺氧环境，从而通过聚磷菌好氧吸磷和反硝化聚磷菌缺氧摄取磷，实现污水中高效除磷。
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