一种低碳源城镇污水改良a2/o-mbr组合工艺及其装置
阅读说明：本技术 一种低碳源城镇污水改良a2/o-mbr组合工艺及其装置 (Low-carbon-source urban sewage improvement A2O-MBR (membrane bioreactor) combined process and device thereof ) 是由 周少奇 何春求 郑可 于 2021-06-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低碳源城镇污水改良A～(2)/O-MBR组合工艺及其装置。该组合工艺为污水依次通过厌氧池、第一缺氧池、第二缺氧池、好氧池、膜池处理后出水；所述第二缺氧池的污水回流至厌氧池,所述好氧池的污水回流至第一缺氧池,所述膜池中的污泥回流至厌氧池。本发明针对常规A～(2)/O工艺在处理低碳氮比城镇污水时脱氮除磷效率较低且存在基质竞争的问题,将缺氧池一分为二,增加缺氧混合液回流,脱氮效率提高了11.5％,除磷效率提高了12.2％；该工艺对COD、氨氮、总氮、总磷和SS的平均去除率分别为91.7％、98.5％、47.5％、84.2％和98.9％；在不投加碳源的情况下,可大幅提高脱氮除磷效果。(The invention discloses a low-carbon source town sewage improvement A 2 an/O-MBR combined process and a device thereof. The combined process is that sewage is treated by an anaerobic tank, a first anoxic tank, a second anoxic tank, an aerobic tank and a membrane tank in turn and then is discharged; and sewage in the second anoxic tank flows back to the anaerobic tank, sewage in the aerobic tank flows back to the first anoxic tank, and sludge in the membrane tank flows back to the anaerobic tank. The present invention is directed to conventional A 2 the/O process has the advantages that when the town sewage with low carbon-nitrogen ratio is treated, the nitrogen and phosphorus removal efficiency is low, and the problem of substrate competition exists, the anoxic tank is divided into two parts, the backflow of anoxic mixed liquid is increased, the nitrogen removal efficiency is improved by 11.5%, and the phosphorus removal efficiency is improved by 12.2%; the average removal rate of COD, ammonia nitrogen, total phosphorus and SS by the process is 91.7%, 98.5%, 47.5%, 84.2% and 98.9% respectively; the nitrogen and phosphorus removal effect can be greatly improved under the condition of not adding carbon sources.)
技术领域
本发明属于城市污水处理领域，具体涉及一种低碳源城镇污水改良A2/O-MBR组合工艺及其装置。
背景技术
近年来，随着污染物排放要求越来越严格，许多污水厂面临提标改造。A2/O-MBR组合工艺因占地面积小、污染物去除效率高、出水水质好、剩余污泥产率低等优点被广泛运用于污水处理厂的提标改造工程中，然而该工艺自身存在两大问题：一是硝化菌和聚磷菌之间关于污泥龄的矛盾，硝化菌属于自养型专性好氧菌，其特点是繁殖速度慢，世代时间长，为了提高系统的硝化性能，需要保持较长的污泥龄；聚磷菌属于异氧菌，增值速率快，磷的去除主要依靠剩余污泥的排放，为了保证系统生物除磷效果需要维持较短的污泥龄。二是脱氮除磷效率难以进一步提高，反硝化菌和聚磷菌都属于异养型功能菌，对碳源需求较高，然而我国城镇污水中有机物含量普遍偏低，进水中的有机物优先被厌氧池中的聚磷菌等异养菌利用，导致缺氧池的反硝化菌难以获得足够的碳源，进而影响系统的脱氮效果。因此，需要对该工艺进行改良与优化，使其能够满足低碳源城镇污水的处理。
针对A2/O-MBR组合工艺在处理低碳源城镇污水时存在的问题，王盈盈等(王盈盈,于海琴,赵刚,等.倒置A2/O-MBR工艺处理低碳源污水脱氮除磷效果研究[J].水处理技术,2013,39(6):77-79.)采用倒置A2/O-MBR工艺对北方某城镇生活污水进行脱氮除磷试验研究，结果表明，工艺对氮磷的去除效果仍不理想，出水总氮浓度高达25mg·L-1，出水总磷浓度高达2.2mg·L-1，造成这种结果的主要原因是进水碳源不足，为了提高脱氮除磷效果，常常向装置内投加了碳源，造成运行成本的增加。
发明内容
针对A2/O工艺在处理低碳源城镇污水时脱氮除磷效率较低，本发明研发了一种改良A2/O-MBR同步脱氮除磷组合工艺及其装置，目的在于提高工艺在处理低碳源城镇污水时的脱氮除磷效率。
本发明对传统A2/O-MBR工艺进行了大胆创新：把缺氧池分为第一缺氧池和第二缺氧池，好氧池硝化液通过硝化液回流泵回流到第一缺氧池进行反硝化，第二缺氧池中的混合液通过缺氧混合液回流泵回流到前端的厌氧池，以增加混合液在缺氧池和厌氧池之间的循环。混合液在缺氧和厌氧交替运行的环境中，容易富集反硝化菌。将缺氧池一分为二，既高效的利用了污水中本身较为缺乏的碳源，提高了脱氮效果，又在很大的程度上降低了硝酸盐对厌氧池的干扰，从而提高了除磷效果。对于处理一些低碳源的城镇污水，在不投加碳源的情况下，为了提高脱氮除磷效果，此法是一种较优的选择。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种低碳源城镇污水改良A2/O-MBR组合工艺，污水依次通过厌氧池、第一缺氧池、第二缺氧池、好氧池、膜池处理后出水；所述第二缺氧池的污水回流至厌氧池，所述好氧池的污水回流至第一缺氧池，所述膜池中的污泥回流至厌氧池。
优选的，所述第二缺氧池的污水回流至厌氧池的回流比为140％～160％；
优选的，所述好氧池的污水回流至第一缺氧池的回流比为200％～250％。
优选的，所述膜池中的污泥回流至厌氧池的回流比在50％～70％。
优选的，所述厌氧池中加入接种污泥；
进一步优选的，所述接种污泥为污水处理厂浓缩池污泥，污泥浓度为18 000～22000mg·L-1，污泥沉降性能良好。
优选的，所述厌氧池、第一缺氧池和第二缺氧池中搅拌使污泥处于悬浮状态；
优选的，所述好氧池和膜池曝气处理；
进一步优选的，所述好氧池的曝气量为气水比4～6:1；所述好氧池的污水DO为2～4mg·L-1；
进一步优选的，所述膜池的曝气量为气水比8～12:1，所述膜池的污水DO为4～6mg·L-1。
优选的，所述膜池中的污水采用负压抽吸的形式过滤，抽吸压力在0.01～0.05MPa范围内。
优选的，所述膜池的MLSS浓度为5 000～8 000mg·L-1。
一种实现上述低碳源城镇污水改良A2/O-MBR组合工艺的改良A2/O-MBR处理装置，包括依次连接的厌氧池、第一缺氧池、第二缺氧池、好氧池和膜池；所述厌氧池设有污水进水口；所述厌氧池、第一缺氧池和第二缺氧池底部有搅拌机；所述好氧池底部布设曝气头；所述膜池包括膜组件，所述膜组件下方设有穿孔曝气管；所述装置包括空气压缩机，用于好氧池和膜池曝气；所述第二缺氧池和厌氧池连接，所述好氧池和第一缺氧池连接，所述膜池和厌氧池连接；所述膜池设有污泥排放口和污泥回流口。
优选的，所述第二缺氧池和厌氧池通过缺氧混合液回流泵连接；
优选的，所述好氧池和第一缺氧池通过硝化液回流泵连接；
优选的，所述膜池和厌氧池通过污泥回流泵连接。
优选的，所述污水进水口、缺氧混合液回流、硝化液回流、污泥回流设有电磁流量计，用于控制流量；
优选的，所述膜组件为浸没式聚偏氟乙烯中空纤维膜组件，包含28片13m2的膜片，膜丝内径为0.9mm，外径为2.2mm，设计通量为6～10L·m-2·h-1；
优选的，所述好氧池和膜池设有气体流量计，用于控制曝气量。
更具体实现步骤如下：
1.首先对传统A2/O工艺进行改良：在传统A2/O的基础上，增加一个缺氧池，同时增加一个缺氧池到厌氧池的缺氧混合液回流。将原有的平流式沉淀池改为MBR膜池，三个泥斗各设有一条排泥管，两条用做污泥回流到厌氧池，一条用来排放剩余污泥。把缺氧池一分为二，增加缺氧混合液回流到厌氧池，既高效的利用了污水中本身较为缺乏的碳源，提高了脱氮效果，又在很大的程度上降低了硝酸盐对厌氧池的干扰，从而提高了除磷效果。
2.污泥的接种：接种污泥取自污水厂浓缩池污泥(污泥浓度为18 000～22000mg·L-1)，污泥沉降性能良好，按污泥体积与污水体积比为1∶5将接种污泥投入到试验装置内，然后闷曝24h后，静置一段时间，弃其上清液，接着放入试验进水，再闷曝24h。
3.装置的启动：装置启动阶段，连续通入实验进水，膜池中的污泥回流至厌氧池的回流比控制在50％～70％，好氧池至缺氧池的混合液回流比为200％～250％，缺氧池至厌氧池的混合液回流比为140％～160％。好氧池控制气水比为4～6∶1，使DO维持在2～4mg·L-1；膜池控制气水比为8～12∶1，使DO维持在4～6mg·L-1。反应器运行15d后，出水水质稳定，取样分析测得厌氧池、缺氧池、好氧池和膜池的MLSS平均值为3360、3840、3840和6560mg·L-1，改良A2/O-MBR强化同步脱氮除磷中试工艺启动成功。
4.装置的运行：整个运行过程分为四个阶段，调节进水流量分别为1.72、2.08、2.65和3.65m3·h-1，对应的水力停留时间为17、14、11和8h，考察不同进水流量下装置对污染物的去除效果。
本发明与现有的A2/O工艺处理低碳源城镇污水相比，具有如下优点：
1.在进水碳源严重不足的情况下，具有较高的脱氮效率。通过增加一个缺氧池和缺氧混合液回流，有利于反硝化菌的富集，从而提高脱氮效率。
2.降低了硝酸盐对厌氧池释磷的影响，提高总磷去除效果。缺氧混合液与膜池回流污泥和进水进行混合，使得有一部分反硝化聚磷菌在缺氧池和厌氧池之间交替运行，富集反硝化聚磷菌。硝化液回流至第一缺氧池，反硝化菌高效利用了进水中的有机物进行反硝化脱氮，降低了硝酸盐对厌氧池释磷的影响，从而提高总磷去除效果。
3.有机物去除效率高。由于膜的高效截留作用，使得反应器内可以维持较高的污泥浓度，从而提高有机物的去除效率。
4.改造简单。对于处理一些低碳氮比的城镇污水，在不改变原有结构的同时，为了提高脱氮除磷效果，此法是一种较优的选择。
附图说明
图1是本发明采用的改良A2/O-MBR强化同步脱氮除磷工艺流程示意图；
图2是改良A2/O-MBR组合工艺的装置平面布置图；
图3是改良A2/O-MBR组合工艺对COD的去除效果；
图4是改良A2/O-MBR组合工艺对NH4 +-N的去除效果；
图5是改良A2/O-MBR组合工艺对TN的去除效果；
图6是改良A2/O-MBR组合工艺对TP的去除效果；
图7是改良A2/O-MBR组合工艺对SS的去除效果。
附图中的符号说明：
1-厌氧池、2-第一缺氧池、3-第二缺氧池、4-好氧池、5-膜池、6-装置进水口、7-缺氧混合液回流、8-硝化液回流、9-污泥回流、10-装置排空口、11-剩余污泥排放口、12-溢流口、13-液下搅拌机、14-微孔曝气盘、15-膜组件、16-真空压力表、17-空压机、18-孔洞、19-装置进水、20-装置出水。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方案中所描述的范围。
本发明一种低碳源城镇污水改良A2/O-MBR组合工艺及其装置，其思路为：首先将传统A2/O工艺进行改良，将缺氧池分为第一缺氧池和第二缺氧池，同时将第二缺氧池中的混合液回流到厌氧池，增加缺氧池与厌氧池之间的循环。然后将原有的平流式沉淀池改为MBR膜池，采用浸没式聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维增强型膜组件，需增设一套曝气系统减缓膜的污染，将原有三条排泥管中的两条作为污泥回流，另外一条用作剩余污泥排放。最后在好氧池内填充一定量的纤维填料，以便附着微生物，提高污水的净化效率。
图2为改良A2/O-MBR组合工艺的装置平面布置图，由图可知，该装置由厌氧池、第一缺氧池、第二缺氧池、好氧池和膜池构成。污水厂细格栅出水首先与膜池回流污泥和缺氧混合液一起进入厌氧池，聚磷菌在厌氧条件下释放磷；然后污水进入缺氧池，在第一段缺氧池中，反硝化菌利用进水中的含碳有机物作为碳源，将回流硝化液中的硝酸盐进行反硝化，减少硝酸盐进入厌氧池，影响厌氧释磷；接着污水进入好氧池，在硝化细菌的作用下，将氨氮氧化为硝酸盐氮，同时发生吸磷作用；最后污水进入膜池，进行泥水分离，污泥按体积比的50％～70％回流到厌氧池，其余通过剩余污泥排放。由于将缺氧池一分为二，既充分利用了进水中的碳源，提高了脱氮效率，又降低了硝酸盐对厌氧池的干扰，提高了除磷效率。
该装置及工艺作为对传统A2/O工艺的改良和升级，以期在不改变反应器结构的同时，加强反硝化细菌在厌氧池的作用时间，缓解聚磷菌和反硝化细菌对碳源的竞争，并且充分利用进水中的碱度，提高了低碳源城镇污水脱氮除磷的效率。
实施例1
改良A2/O-MBR处理装置：
改良A2/O-MBR处理装置的平面布置图如图2所示，该中试装置由钢板制成，装置内部隔板使用4mm钢板，外板使用6mm钢板，底板采用8mm钢板，装置焊缝采用双面焊，去除毛刺飞边，整体整洁美观，不得有渗漏。反应器边界长宽高分别为6.0、2.5和2.5m，有效水深为2.0m，总体积为37.5m3。装置主要配套设备包括：①液下搅拌机2台，功率为1.5kw，厌氧池和缺氧池各1台，作用是使污泥处于悬浮状态；②电磁流量计4个，分别位于进水口、硝化液回流、缺氧混合液回流和污泥回流；③气体流量计2个，量程分别为25m3·h-1和50m3·h-1，计量进入好氧池和膜池的空气流量；④空压机2台(1台备用)，功率为7.5kw，机头为广州羊城牌；⑤污泥泵3台，分别用于污泥回流、缺氧混合液回流和硝化液回流；⑥出水抽吸泵2台，并联运行。
污水处理过程：
1.污泥的接种：接种污泥取自污水厂浓缩池污泥(污泥浓度为18 000～22000mg·L-1)，污泥沉降性能良好，按污泥体积与污水体积比为1:5将接种污泥投入到上述改良A2/O-MBR处理装置的厌氧池内，然后闷曝24h后，静置一段时间，弃其上清液，接着放入试验进水，再闷曝24h。
2.装置的启动：装置启动阶段，连续通入实验进水，膜池中的污泥回流至厌氧池的回流比控制在50％～70％，好氧池至缺氧池的混合液回流比为200％～250％左右，缺氧池至厌氧池的混合液回流比为140％～160％左右。好氧池控制气水比为4～6∶1，使DO维持在2～4mg·L-1；膜池控制气水比为8～12∶1，使DO维持在4～6mg·L-1。反应器运行15d后，出水水质稳定，取样分析测得厌氧池、缺氧池、好氧池和膜池的MLSS平均值为3360、3840、3840和6560mg·L-1，改良A2/O-MBR强化同步脱氮除磷中试工艺启动成功。
3.污水处理：污水处理工艺的工艺流程图如图1所示，污水厂细格栅出水经潜水泵打入到厌氧池，然后依次通过第一缺氧池、第二缺氧池、好氧池、膜池进行处理；通过潜水泵后球阀进行流量调节，厌氧池和缺氧池均采用机械搅拌机装置，使污泥处于悬浮状态，第二缺氧池至厌氧池的混合液回流比为140％～160％左右；好氧池底部布设大量的微孔曝气头，采用功率为7.5kw的空气压缩机曝气，并采用气体流量计控制曝气量，好氧池控制气水比为4～6∶1，使DO维持在2～4mg·L-1，好氧池至第一缺氧池的混合液回流比为200％～250％；膜池采用浸没式聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维增强型膜组件，外形尺寸为2.6*0.7*1.3m的不锈钢膜架，含28片13m2的膜片，膜总面积为364m2，过滤形式采用负压抽吸，膜下方设有穿孔曝气管，采用功率为7.5kw的空压机曝气，并通过气体流量计控制曝气量，膜池控制气水比为8～12∶1，使DO维持在4～6mg·L-1，膜池中的污泥回流至厌氧池的回流比控制在50％～70％。
调节进水流量为1.72m3·h-1，对应的水力停留时间为17h，考察装置对COD、NH4 +-N、TN、TP和SS的去除效果。
实施例2
使用实施例1的改良A2/O-MBR处理装置，取消缺氧混合液的回流，其他工艺按照实施例1的污水处理工艺，调节进水流量为2.08m3·h-1，对应的水力停留时间为14h，考察对COD、NH4 +-N、TN、TP和SS的去除效果。
实施例3
使用实施例1的改良A2/O-MBR处理装置，取消缺氧混合液的回流，其他工艺按照实施例1的污水处理工艺，调节进水流量为2.65m3·h-1，对应的水力停留时间为11h，考察装置对COD、NH4 +-N、TN、TP和SS的去除效果。
实施例4
使用实施例1的改良A2/O-MBR处理装置，重新增加缺氧混合液回流，回流比控制在140％～160％范围内，按照实施例1的污水处理工艺，调节进水流量为3.65m3·h-1，对应的水力停留时间为8h，考察装置对COD、NH4 +-N、TN、TP和SS的去除效果。
实施效果
实施例1-4的进水流量分别为1.72、2.08、2.65和3.65m3·h-1，对应的水力停留时间分别为17、14、11和8h，考察装置在不同进水流量下对COD、NH4 +-N、TN、TP和SS的去除效果。
1.装置对COD的去除效果
当进水流量分别为1.72、2.08、2.65和3.65m3·h-1时，装置对COD的去除效果见图3。由图可知，当进水耗氧有机物的浓度(以COD计)为79～163mg·L-1时，属于典型的低碳源城镇污水，该装置出水COD值为6.23～17mg·L-1，其平均COD值为9.09mg·L-1，平均去除率为91.7％，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准。通过对膜池上清液COD的测试，发现当膜池上清液COD值为18～47mg·L-1，平均值为30.6mg·L-1时，膜对膜池上清液COD的平均去除率为71.2％，即膜过滤对COD具有明显的去除作用。由于膜的高效截留作用和反应器内较高的污泥浓度，该装置对有机物有高效的去除效果。当进水流量分别为1.72、2.08、2.65和3.65m3·h-1时，装置对COD的去除率分别为91.7％、91.7％、91.8％和92.6％，表明进水COD浓度和进水流量对COD的去除效果影响较小，该装置对COD具有非常好的去除效果。
2.装置对氮素的去除效果
装置对NH4 +-N的去除效果见图4。由图可知，当进水NH4 +-N浓度为19.0～30.8mg·L-1时，该装置出水NH4 +-N浓度为0.14～1.27mg·L-1，其平均浓度为0.38mg·L-1，平均去除率为98.5％，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准。由于膜的高效截留作用，使得世代时间较长的硝化菌不易流失，有利于硝化过程的进行。通过对膜池上清液和出水NH4 +-N浓度的检测，发现二者浓度相接近，即膜对NH4 +-N没有明显的去除作用，这是由于膜本身对相对分子质量较小的NH4 +-N没有截留作用。当进水流量分别为1.72、2.08、2.65和3.65m3·h-1时，装置对NH4 +-N的去除率分别为98.2％、98.6％、98.4％和98.6％。由此可知，该装置对NH4 +-N的去除效果受进水NH4 +-N浓度和进水流量的影响较小，装置对NH4 +-N具有非常好的去除效果。
装置对TN的去除效果见图5。由图可知，进水TN浓度最低为24.3mg·L-1，最高为39.3mg·L-1，平均为31.4mg·L-1，且COD/TN＝3.6。冉治霖等人通过试验证明，C/N比为5.8时，工艺具有较好的脱氮处磷效果。经过改良处理后，出水平均浓度为18.1mg·L-1，平均去除率为42.2％，表明在进水碳源严重不足且不外加碳源的情况下，该装置仍然具有较好的脱氮效果。在装置运行初期，缺氧混合液回流比为140％～160％，工艺具有52％的总氮去除效率，当装置运行10d后，取消缺氧混合液的回流，工艺总氮去除率下降到36.5％。在反应器运行30d后，重新增加缺氧混合液回流比为140％～160％，工艺总氮去除效果得到明显提升，总氮平均去除效果为43.9％。试验结果表明，增加缺氧池和厌氧池之间的内循环，工艺总氮去除率提高了11.5％。此外，研究发现增大混合液回流率对脱氮效果有一定的提高。
3.装置对TP的去除效果
装置对TP的去除效果见图6。由图可知，当进水TP浓度为2.00～3.31mg·L-1时，该装置出水TP浓度为0.125～0.965mg·L-1，其平均出水浓度为0.51mg·L-1，平均去除率为79.8％。通过对膜池上清液TP浓度的测定，发现膜池上清液TP浓度为0.67～1.29mg·L-1，其平均浓度为0.94mg·L-1，表明膜对TP具有明显的去除作用(平均去除率为67.1％)，这主要是由于膜具有高效的截留作用。在装置运行初期，工艺具有87.3％的总磷去除效率，运行10d后，取消缺氧混合液的回流，工艺总磷去除效率下降到73.9％，运行30d后又重新增加缺氧混合液的回流，工艺总磷去除效率提升到84.9％。试验结果表明，增加缺氧混合液的回流，工艺总磷去除率提高了12.2％。
4.装置对SS的去除效果
装置对SS的去除效果见图7。由图可知，当进水SS浓度为60～164mg·L-1时，膜池MLSS浓度维持在5000～8000mg·L-1内，该装置出水SS浓度为0.2～3.4mg·L-1，其平均浓度为1.13mg·L-1，平均去除率为98.9％，优于《城镇污水处理厂污染物排放标准》中的一级A标准。
以上实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。