CN106966506A - 一种包括在线旋流释碳的sbr废水处理方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括在线旋流释碳的SBR废水处理方法，所述方法包括在SBR生化池中进行的进水阶段、曝气阶段、沉淀阶段、滗水阶段和闲置阶段，其中在曝气阶段通过旋流释碳器对SBR生化池中的内回流混合液进行在线旋流释碳，以及其中将经过在线旋流释碳的混合液再次回流到SBR生化池。本发明还涉及用于实施上述包括在线旋流释碳的SBR废水处理方法的装置。本发明的有益效果在于提高生化效能和污泥减量；具有“过程减排”的创新思路，减少污泥处理处置成本；以及旋流释碳器具有能耗低、无二次污染、结构简单、易更换和不影响***稳定运行的特点。

Description

一种包括在线旋流释碳的SBR废水处理方法及装置
技术领域
本发明属于活性污泥法废水处理工艺改造领域，涉及一种包括在线旋流释碳的SBR废水处理方法及装置，具体地，在传统的SBR生化池旁安装旋流释碳装置，在曝气阶段同步引入在线旋流释碳工艺强化缺氧/好氧生物脱氮效能和和实现污泥减量的方法，以及实现该方法的装置。
背景技术
现有较成熟的工业生活废水的净化处理技术包括物理、化学、生物处理法，因自然界存在大量的微生物，具有氧化分解有机物并将其转化为无机物的巨大功能，还可以使某些有毒的有机物如酚、醛、脂等无害化，故生物处理法是污水处理的主体工艺。SBR(Sequencing Batch Activated Sludge Reactor Technology)即序批式活性污泥法与其它工艺不同，它采用时间分割代替空间分割的操作方式，工艺过程包括5个阶段，即进水、曝气、沉淀、滗水、闲置阶段。该工艺构筑物数量少、造价低，不需要二沉地，便于操作和维护管理，避免了传统厌氧反应器处理效率低、占地大的缺点，被全球广泛认同。
现有的工业污水存在大量的毒性和难降解污染物，长期包裹在活性污泥絮体表面无法降解或脱离而造成传质受阻、导致硝化或反硝化细菌不能及时得到营养供应使细菌活性变差。另外，随着人民生活水平的提高，城镇化建设的加快，生活废水中营养元素N、P浓度提高，导致进水C相对浓度降低，影响反硝化脱氮效果。除污泥传质受阻、污泥活性低、脱氮除磷效率等问题外，剩余污泥产量大、有机毒性高、难以资源化处理等问题也是现有污水处理所面临的重大难题。针对以上问题，中国发明专利申请201210067683.3公开了一种在污水处理主要工艺内填充生物载体填料富有供微生物生长的微量元素，生物载体独特的形式能形成DO多变环境，污泥停留时间长，实现污泥减量的目的；中国发明专利申请201210172789.X公开了一种在厌氧池中入固态营养盐进行反硝化等厌氧生化反应，实现污泥减量；中国发明专利申请200910072268.5公开了一种将部分污泥超声破碎、臭氧处理后与城市污水一起进入初沉池进行水解酸化处理，提高污泥活性、强化脱氮除磷效果；中国发明专利申请201410753368.5公开了一种强化型同步脱氮除磷污水处理方法及装置；中国发明专利申请201310392290.4公开一种污水脱氮处理工艺，通过向污水中投加有机物以补充脱氮除磷碳源不足。以上专利主要通过额外添加一些物质或者增加能耗实现污泥减量、强化脱氮除磷，但这些方法存在二次污染、运行不稳定、运行成本高等问题。污泥产量和不稳定性主要在于污泥絮体内富含大量有机质所致，故考虑在生化处理过程中，对污泥絮体进行机械破碎，释放絮体内多糖和蛋白质等有机质，并作为有机碳源在反应池中再利用，以实现过程减排；活性游离菌群可在生物处理过程中再次形成高活性污泥絮体，以强化***生化效能，符合污泥源头减量和实现污泥资源化利用的要求。
在现有SBR污水处理工程中，为强化污泥絮体周边的剪切效应，保持活性污泥具有高活性、小絮体的结构特性，以及去除包覆在絮体表面难降解胶体物质提高有机污染物到絮体活性区的传质，常通过强化曝气强度以加强池内混合和剪切效果。这样势必造成空气曝气的能耗浪费。为此，在传统SBR工艺曝气阶段增设旋流释碳器，利用废水旋流场中的剪切应力场使大部分污泥絮体破碎和进行絮体周边剪切处理，脱除细菌和絮体表面吸附的胶体物质，暴露酶活性位点、提高污泥活性。再者，在旋流剪切应力和离心力作用下，絮体细胞内或孔隙中的多糖和蛋白质等有机碳源脱离至水体中，用于补充异养菌降解污染物(氨氮等)所需能源。生化***中有机物的消耗避免了其沉积转化为剩余污泥排出，防止湿泥大面积堆放导致的环境污染。在传统的SBR污水处理***旁只需建立旋流释碳器，运行过程中不需要投加药剂，能耗主要为旋流释碳器前潜污泵加压，具有运行成本低，无副产物的优点，而且在生化处理过程中减少剩余污泥产量，减少了污泥处理成本和运输成本，符合国家提倡的“过程减排”环保策略。
发明内容
本发明提供一种包括在线旋流释碳的SBR废水处理方法，在传统SBR污水处理***中增设旋流释碳器管路，以提高活性污泥生物活性、强化污水处理工艺效能和实现污泥减量。用于实施上述方法的装置结构简单、能耗低并能减少湿泥大面积堆积造成的环境污染。
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供下述技术方案：
在第一方面中，本发明提供一种包括在线旋流释碳的SBR废水处理方法，所述方法包括在SBR生化池中进行的进水阶段、曝气阶段、沉淀阶段、滗水阶段和闲置阶段，其中在曝气阶段通过旋流释碳器对SBR生化池中的内回流混合液进行在线旋流释碳，以及其中将经过在线旋流释碳的混合液再次回流到SBR生化池。
在第一方面的一种实施方式中，所述在线旋流释碳构造成(1)利用外加能量场将污泥絮团破散成更小的絮体结构，清理细胞表面杂质并疏通所述絮体结构内部营养物质传递通道，强化所述絮体结构的界面传质性能，使所述絮体结构保持比污泥絮团更高的活性和生化性能；或(2)在旋流剪切场作用下，使完全破解的污泥絮团将有机质释放至水体中，补充微生物进行反硝化反应所需电子供体，强化脱氮效能，所述有机质包括胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，EPS)、胞内多糖和蛋白质等；或(3)使污泥絮体释放至水体中的有机质被微生物降解，阻碍***生物总量的增加和代谢废物的产生，最终削减剩余污泥产量；或(4)提高反应池内流体湍动度，促进细菌反应产物间传递速率，增加微生物与废水污染物的接触概率，强化生化效能；或者(1)-(4)中的任意组合。
在第一方面的另一种实施方式中，所述旋流释碳器在曝气阶段引入，其同步运行时间根据污水水质设定，其中旋流释碳器的剪切作用和离心作用释放包覆在絮体表面和孔隙的堵塞杂质，暴露酶活性位点，提高絮体结构的活性，且其中旋流释碳器入口流速是1-10m/s，优选地1-7m/s。
在第一方面的另一种实施方式中，所述旋流释碳器内部强剪切效应的形成来自于旋流场内液体自身流动形成的速度梯度和压力梯度，所述旋流释碳器包括进料口、圆柱段、锥段、溢流管和底流管，所述旋流释碳器进料口和底流管之间的压降为0.02MPa-0.5MPa，溢流口质量流量为进料口流量的1％-10％，使流场切变速率G>1000s-1。
在第一方面的另一种实施方式中，在在线旋流释碳过程中，部分细菌在旋流剪切作用下死亡，释放出的有机质被异养菌降解，减少了剩余污泥产量。
在第一方面的另一种实施方式中，在SBR污水处理工艺曝气阶段引入旋流释碳器，促进池内流体快速流动，污泥絮体间相互剪切，释放包覆在絮体表面杂质，促进界面传质；同时增加细菌与废水污染物的接触概率，提高污染物的降解速率，强化生化效能。
在第二方面中，本发明提供一种用于实施如权利要求1所述的方法的装置，所述装置可包括通过管线连接的用于污水预处理的沉砂池、用于脱氮除磷的SBR生化池、用于进行在线旋流释碳的旋流释碳器。
在第二方面的一种实施方式中，所述旋流释碳器可包括进料口、圆柱段、锥段、溢流管和底流管，所述旋流释碳器进料口的流量范围为1-100m3/h，根据实际混合液回流量确定旋流释碳器单管的公称直径，或通过并联多根旋流释碳器单管的方式解决大流量混合液处理工况。
在第二方面的另一种实施方式中，所述旋流释碳器可采用单进口或多进口，锥段锥角为4°-20°。
在第二方面的另一种实施方式中，所述旋流释碳器进料口可采用切线进口，进口形状采用圆形或方形。
在第二方面的另一种实施方式中，所述旋流释碳器可采用串联方式以增加污泥絮体在旋流场中的停留时间，以适应不同工况下所要求的污泥絮团破碎率。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于利用旋流释碳器的旋流剪切和离心作用破碎活性污泥，释放污泥中的多糖和蛋白质等有机碳源至水体中，补充微生物进行反硝化反应所需碳源降解污染物，提高生化效能和污泥减量。与其它污泥破解技术相比，此技术处理对象并不是对已经产生的剩余污泥进行破解，而是在生化处理过程中阻止了生物量的大量增加和代谢产物产生，具有“过程减排”的创新思路，减少污泥处理处置成本。另一方面，存活微生物在剪切场作用下仍保持着高活性，用于污水高效处理。再者，旋流释碳器具有能耗低、无二次污染、结构简单、易更换和不影响***稳定运行的特点。
附图说明：
根据结合附图进行的如下详细说明，本发明的目的和特征将变得更加明显，附图中：
图1是根据本发明的一个实施方式的一种活性污泥旋流释碳在线强化SBR废水处理的工艺流程图；
图2是根据本发明的实施例的旋流释碳器的半剖结构示意图；以及
图3是根据本发明的实施例的旋流释碳器的正视结构示意图。
具体实施方式
本申请的发明人在经过广泛而深入的研究之后发现，随着人民生活水平的提高，废水中氮、磷等元素含量增加，碳源不足，从而导致在生物法净化废水过程中反硝化细菌脱氮效果差，而且产生了大量的剩余污泥，严重污染环境。通过外加甲醇、葡萄糖和碳酸钠等碳源虽然可以提高微生物脱氮除磷的生化效能和降低剩余污泥产量，但增加了大量能耗和资源成本。本发明提出通过旋流释碳器中的特殊流场破解污泥絮体释放EPS和胞内的糖类、蛋白质等有机质以补充微生物降解污染物所需碳源，此方式不但提高了SBR生化池的生化性能和实现剩余污泥过程减排，还降低了剩余污泥处理处置成本、实现污泥资源化和稳定化利用。基于以上发现，本发明得以完成。
在本发明的第一方面，提供一种在SBR生化处理***短程硝化反硝化过程控制中引入旋流释碳工艺以强化***生化性能和污泥减量的改进工艺，它包括以下流程：
在污水处理厂目前采用的SBR污水处理曝气阶段引入旋流释碳器，利用剪切力场、离心力场等外加能量场把大污泥絮团破散成小絮体结构，清理长期覆盖在细胞表面的难降解污染物杂质并疏通絮体内部营养物质传递通道，强化絮体界面传质性能，使小絮体结构保持高活性和高生化性能；
在强剪切流场中，部分污泥絮体完全破碎释放胞外聚合物(EPS)、胞内多糖和蛋白质等有机质至水体中，用于补充SBR生化池中微生物反硝化反应所需碳源，强化***脱氮除磷效能；与此同时，***中有机质的降解，阻碍了***生物量的增加和代谢产物的产生，防止其沉积成为污泥排出，最终削减了***剩余污泥产量；
另外，反应池混合液经旋流释碳器作用后提高了反应池内(特别是死角区域)流体流动速度，促进了微生物反应产物间传递速率，增加了微生物与废水污染物的接触概率，强化生化效能。
较佳地，SBR污水处理工艺是序列间歇式活性污泥法,包括进水、曝气、沉淀、滗水、闲置共5个阶段，本发明在曝气阶段引入旋流释碳器，其同步运行时间根据污水水质设定；旋流释碳器入口流速控制在1-10m/s，例如优选地1-7m/s，调节其溢流口流量以体积计为进口流量的1％-15％，例如优选地为1％-10％，进出口压降大于0.02MPa，例如进出口压降为0.02MPa-0.5MPa，优选地为0.05-0.1MPa，使流场切变速率G>1000s-1，例如2000s-1、4000s-1，即可利用内部剪切力和离心力作用清理包覆在絮体表面和堵塞孔隙的杂质以暴露蛋白酶活性位点，提高小絮体结构的活性。
较佳地，大量污泥絮体经过旋流释碳器破解后释放出的EPS和胞内多糖、蛋白质等有机物用于补充微生物反硝化反应所需碳源，解决了外加碳源所带来的成本高和二次污染等问题。
较佳地，本发明是在生化处理过程中对活性污泥进行破解，相比于对已经产生的剩余污泥进行破解，既减少了污泥运输成本，又减少了剩余污泥产量，具有过程减排的创新思路。
较佳地，混合液经过旋流释碳器作用后回到SBR生化池中增强了流体湍动度，导致污泥絮体间相互剪切，强化微生物反应产物和溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)传质，提高了存活微生物生化活性，可节省曝气能耗20％左右。
本发明的第二方面，提供旋流强化活性污泥脱氮性能和污泥减量的SBR污水处理改进工艺所需要的主要装置:用于污水预处理的沉砂池、用于脱氮除磷的SBR生化池、用于优化处理工艺的旋流释碳器。
较佳地，用于优化处理工艺的旋流释碳器流量范围为1-100m3/h，根据实际混合液流量选择旋流释碳器单管的公称直径。
较佳地，对于大流量的污泥破解，采用多个小直径旋流释碳器进行并联工作，以保证污泥絮体破碎效率。
较佳地，旋流释碳器可采用单进口或多进口，锥段锥角为4°-20°，实现污泥高破解率。
较佳地，旋流释碳器进口采用切线进口，进口形状采用圆形或方形。
较佳地，旋流释碳器采用串联方式来增加污泥絮体在旋流场中的停留时间，以适应不同工况下所要求的污泥破碎率。
较佳地，旋流释碳器可采用竖向、横向和斜向的安装方式。
以下根据附图详细说明本发明的方法。
图1是根据本发明的一个实施方式的SBR污水处理***改进工艺流程图。如图1所示，生活或工业废水进入沉砂池1进行过滤分离，预处理后得到的废水进入SBR生化池2，废水中有机污染物在SBR生化池2中通过微生物硝化反硝化反应被降解，从而达到净化污水的目的。旋流释碳器旁路主要用于强化废水处理工艺。其主要步骤如下：在曝气阶段，SBR生化池混合液被泵入旋流释碳器4，旋流场中液体自身流动形成的速度梯度场、压力梯度场和离心场将污泥絮体破碎成小絮体结构，污泥絮体中EPS多糖和蛋白质释放至水体中，破碎后的混合液又回到SBR生化池2，补充SBR生化池2中反硝化所需有机碳源，以强化脱氮及污泥减量。
图2是本发明的实施例的一个旋流释碳器的半剖结构示意图。图3是根据本发明的实施例的旋流释碳器的正视结构示意图。旋流释碳器包括进料口21、圆柱段22、锥段23、溢流管24和底流管25，进口采用切线方形进口，锥度为14°。
实施例
下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
1、实施流程
本实施例应用于某生活污水处理厂SBR污水处理***，进水水质如表1所示。工艺流程示意图如图1所示，废水首先进入沉砂池1去除浮渣，减轻后续工序处理负担，在曝气阶段开启曝气装置，旋流释碳器4支路上泵开关自动打开，污泥絮团被泵入旋流释碳器4，流体自身形成的速度梯度和压力梯度场对污泥絮团剪切破碎，污泥絮团破解成更小的絮体结构，促进污泥絮团中EPS、多糖、蛋白质等释放，破碎后的混合液返回至SBR生化池2，补充微生物反硝化反应所需碳源，以强化微生物脱氮及污泥减量。而且引入旋流释碳器后，增加了污水的流动和混合程度，增加活性污泥与污水的界面传质和接触面积，缩短微生物短程硝化反硝化时间。曝气时间为2h，曝气后经过3小时沉淀后滗水，排放剩余污泥，此为一个周期。旋流释碳器流速为5m/s，其结构示意图如图2和图3所示。
表1某生活污水厂进水水质
2、运行结果
该污水处理厂的污泥絮体浓度为3000～4000mg/L，SV30为45％左右，操作温度为常温。进水COD为328mg/L，氨氮为38mg/L左右。SBR生化池中活性污泥经过旋流释碳器作用一次平均需要间隔1.5h，实现了35％-80％的污泥絮体被破碎为小絮体结构，释放出絮体内多糖、蛋白质等有机质至水体中被利用，利用本发明提高污水处理***生化效能和污泥减量。运行过程中，出水COD≤50mg/L，NH4 +-N≤5mg/L，NO3-N≤15mg/L，TP<2mg/L，SS<20mg/L，可实现污泥减量40％左右。
能耗方面，相比于传统工艺，本发明所增加的能耗主要是用于支持旋流释碳器作用的泵所提耗能量，所述旋流释碳器的压力损失(即旋流释碳器的进口和底流口之间的损失)在0.15Mpa以下，相对于其它污泥释碳技术来说，极大地降低了能耗成本。
操作范围和稳定性方面，旋流释碳器装置和操作简单，对不同粒径的污泥絮体都有效，而且从实验结果来看，经过旋流释碳器作用的混合液沉降性有微小的提升作用，不影响***稳定运行。
3、技术效果
该技术是在传统的SBR污水处理工艺上进行改造，结构简单，操作简单，能耗低，在生化处理过程中无二次污染，不影响***稳定运行，在提高净化水出水水质的同时实现过程污泥减量，从而减少污泥处置成本40％左右。且污泥产量的减少防止了污水处理厂的湿泥大面积堆积造成的场地压力和环境污染，给企业带来经济和环保效益。
综上所述仅为发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims (10)

1.一种包括在线旋流释碳的SBR废水处理方法，所述方法包括在SBR生化池中进行的进水阶段、曝气阶段、沉淀阶段、滗水阶段和闲置阶段，其中在曝气阶段通过旋流释碳器对SBR生化池中的内回流混合液进行在线旋流释碳，以及其中将经过在线旋流释碳的混合液再次回流到SBR生化池。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在线旋流释碳构造成(1)利用外加能量场将污泥絮团破散成更小的絮体结构，清理细胞表面杂质并疏通所述絮体结构内部营养物质传递通道，强化所述絮体结构的界面传质性能，使所述絮体结构保持比污泥絮团更高的活性和生化性能；或(2)在旋流剪切场作用下，使完全破解的污泥絮团将有机质释放至水体中，补充微生物进行反硝化反应所需电子供体，强化脱氮效能，所述有机质包括胞外聚合物EPS、胞内多糖和蛋白质等；或(3)使污泥絮体释放至水体中的有机质被微生物降解，阻碍***生物总量的增加和代谢废物的产生，最终削减剩余污泥产量；或(4)提高反应池内流体湍动度，促进细菌反应产物间传递速率，增加微生物与废水污染物的接触概率，强化生化效能；或者(1)-(4)中的任意组合。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋流释碳器在曝气阶段引入，其同步运行时间根据污水水质设定，其中旋流释碳器的剪切作用和离心作用释放包覆在絮体表面和孔隙的堵塞杂质，暴露酶活性位点，提高絮体结构的活性，且其中旋流释碳器入口流速是1-10m/s，优选地1-7m/s。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述旋流释碳器内部强剪切效应的形成来自于旋流场内液体自身流动形成的速度梯度和压力梯度，所述旋流释碳器包括进料口、圆柱段、锥段、溢流管和底流管，所述旋流释碳器进料口和底流管之间的压降为0.02MPa-0.5MPa，溢流口质量流量为进料口流量的1％-10％，使流场切变速率G>1000s-1。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在在线旋流释碳过程中，部分细菌在旋流剪切作用下死亡，释放出的有机质被异养菌降解，减少了剩余污泥产量。
6.一种用于实施如权利要求1所述的方法的装置，所述装置包括通过管线连接的用于污水预处理的沉砂池、用于脱氮除磷的SBR生化池、用于进行在线旋流释碳的旋流释碳器。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述旋流释碳器包括进料口、圆柱段、锥段、溢流管和底流管，所述旋流释碳器进料口的流量范围为1-100m3/h，根据实际混合液回流量确定旋流释碳器单管的公称直径，或通过并联多根旋流释碳器单管的方式解决大流量混合液处理工况。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述旋流释碳器采用单进口或多进口，锥段锥角为4°-20°。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述旋流释碳器进料口采用切线进口，进口形状采用圆形或方形。
10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述旋流释碳器采用串联方式以增加污泥絮体在旋流场中的停留时间，以适应不同工况下所要求的污泥絮团破碎率。
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