專利名稱：缺氧/好氧SBR-DEAMOX脫氮工藝處理低C/N比城市污水

專利號：ZL201310172611.X

專利類型：國家發(fā)明專利

申請日期：2013年5月12日

授權(quán)日期：2014年9月24日

專利權(quán)人：北京工業(yè)大學(xué)

發(fā)明人：彭永臻 杜睿 操沈彬 吳程程 王淑瑩

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本發(fā)明涉及一種低能耗處理低碳氮比（C/N）城市污水的方法，將原水分為兩部分，一部分進(jìn)入缺氧/好氧SBR反應(yīng)器，通過前置反硝化充分利用原水中有機(jī)物，隨后曝氣進(jìn)行硝化，硝化液與另一部分原水再進(jìn)入部分反硝化耦合厭氧氨氧化（DEAMOX）反應(yīng)器，利用原水中的少量有機(jī)物通過部分反硝化生成亞硝態(tài)氮，再同步與原水中的氨氮通過厭氧氨氧化反應(yīng)實現(xiàn)氮的去除。

主要創(chuàng)新點：

（1）首次通過前置SBR系統(tǒng)缺氧/好氧反應(yīng)過程控制，實現(xiàn)低碳氮比城市污水中部分氨氮到硝酸鹽的完全氧化，為后續(xù)DEAMOX工藝提供充足的反應(yīng)基質(zhì)，實現(xiàn)氨氮與硝酸鹽同步去除，解決傳統(tǒng)硝化/反硝化處理工藝曝氣能耗巨大、運(yùn)行費(fèi)用高的關(guān)鍵問題。

（2）通過自動控制實現(xiàn)SBR系統(tǒng)間歇進(jìn)水，且調(diào)控原水與硝化液進(jìn)水流量，強(qiáng)化原水碳源被異養(yǎng)反硝化菌利用，旨在實現(xiàn)厭氧氨氧化與反硝化的協(xié)同脫氮，有效提高氨氮和硝化液中硝酸鹽的去除效率，降低出水總氮濃度。

（3）首次提出通過硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的短程反硝化工藝為厭氧氨氧化（Anammox）工藝提供所需電子受體，解決低碳氮比城市污水短程硝化過程難以實現(xiàn)和穩(wěn)定維持的瓶頸問題。

（4）創(chuàng)新性地在序批式SBR反應(yīng)系統(tǒng)中實現(xiàn)短程反硝化與厭氧氨氧化工藝耦合，利用組合SBR系統(tǒng)，構(gòu)建新型DEAMOX工藝，實現(xiàn)低碳氮比城市污水的穩(wěn)定、高效脫氮。

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本發(fā)明應(yīng)用于城市污水處理領(lǐng)域，適用于采用序批式活性污泥法的城市污水處理廠。

本發(fā)明已在實際低碳比生活污水原水的脫氮處理過程中驗證，具體實施情況如下：

原水采用北京市某小區(qū)生活污水，COD為200～300mg/L，NH4+-N 為60～85mg/L，TN為60～90mg/L；其C/N比在2.2～3.5之間，屬于典型的低C/N比城市污水；原水收集到原水箱。

圖1 缺氧/好氧SBR-DEAMOX脫氮工藝處理低C/N比城市污水的流程

如圖1所示，缺氧/好氧SBR-DEAMOX脫氮工藝的裝置，包括原水箱1、缺氧/好氧SBR反應(yīng)器2、中間水箱3、DEAMOX反應(yīng)器4。

原水箱1中一部分污水通過第一蠕動泵2.1與缺氧/好氧SBR反應(yīng)器2相連；該反應(yīng)器設(shè)有攪拌裝置2.2和溫度控制裝置2.3，反應(yīng)器底部設(shè)有曝氣頭2.4，空氣泵2.5通過氣體流量計2.6與曝氣頭相連；缺氧/好氧SBR反應(yīng)器一側(cè)設(shè)取水口2.7和剩余污泥排放口2.8，缺氧/好氧SBR反應(yīng)器與中間水箱3相連；原水箱通過第二蠕動泵3.1與中間水箱相連；第三蠕動泵4.1將中間水箱與DEAMOX反應(yīng)器4相連；DEAMOX反應(yīng)器設(shè)有攪拌裝置4.2、溫度控制裝置4.3和取水口4.4。

在可行性研究過程中，采用的缺氧/好氧SBR反應(yīng)器有效容積為12L，溫度控制在25～28℃，污泥齡SRT控制為5d。首先將總污水量80%的污水泵入缺氧/好氧SBR反應(yīng)器，進(jìn)水體積為6L；進(jìn)水后缺氧攪拌1h；隨后曝氣攪拌3h，控制系統(tǒng)中DO為2.0～4.0mg/L；曝氣結(jié)束后沉淀30min，然后將硝化液排至中間水箱，排水比為50%，硝化液中NH4+-N為5～10 mg/L，NO3—N為30～40mg/L。

原水箱中每周期處理總污水量20%的污水通過蠕動泵進(jìn)入中間水箱，進(jìn)水體積2L，與硝化液混合，混合液COD為60～80mg/L，NH4+-N為18～26mg/L，NO3--N 為24～32 mg/L；將7.5L中間水箱中的混合液泵入DEAMOX反應(yīng)器，DEAMOX反應(yīng)器有效容積15L，溫度控制在28～30℃，SRT為30d，進(jìn)水后缺氧攪拌3h；沉淀40min；之后將上清液排出，排水比為50%，每周期排水體積為7.5L，出水NH4+-N＜2mg/L，TN＜5mg/L，TN去除率達(dá)到88%～90%。

連續(xù)試驗結(jié)果表明：以實際生活污水為進(jìn)水，缺氧/好氧SBR反應(yīng)器污泥濃度MLSS控制為2000～2500mg/L，SRT為5d，缺氧攪拌1h，曝氣攪拌3h，排水比為50%；同時DEAMOX反應(yīng)器污泥濃度MLSS控制為1500～2500mg/L，SRT為30d，排水比為50%；整個系統(tǒng)每周期處理污水7.5L時，出水NH4+-N＜2mg/L，TN＜5mg/L，TN去除率達(dá)到91%～95%，能夠?qū)崿F(xiàn)城市污水深度脫氮。

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3.1 應(yīng)用一：通過自動控制實現(xiàn)SBR間歇進(jìn)水，充分利用原水碳源，從而提高出水水質(zhì)；該技術(shù)已在昆明第三水質(zhì)凈化廠新廠區(qū)完成規(guī)模為6萬m3/d的工程

示范，具體應(yīng)用情況如下：

▶建設(shè)地點：昆明市第三水質(zhì)凈化廠新廠區(qū)。該廠位于昆明老運(yùn)糧河的下游，緊靠滇池，設(shè)計處理水量 21萬m3/d，處理后的尾水約5 萬m3/d用于大觀公園和大觀河的清水回補(bǔ)，其中新廠區(qū)設(shè)計處理能力 6 萬 m3/d，主體工藝均采用ICEAS工藝。應(yīng)用SBR技術(shù)改造前，該廠存在的主要問題如下：

▶工程規(guī)模：新廠區(qū)占地面積約 46800m2，改建規(guī)模6萬m3/d。

▶投入運(yùn)行時間：升級改造示范工程于2017年10月完成施工并正式投運(yùn)。

▶應(yīng)用效果：

根據(jù)第三方連續(xù)監(jiān)測（昆明市環(huán)境監(jiān)測中心）數(shù)據(jù)，2017年10月—2018年4月，主要運(yùn)行情況與污染物去除效果如下：

1）將原工藝進(jìn)水方式由連續(xù)進(jìn)水模式改為自動控制間歇進(jìn)水模式，解決原水碳源未被合理利用的問題。

2）在原工藝基礎(chǔ)上新增由主反應(yīng)區(qū)至預(yù)反應(yīng)區(qū)的污泥回流系統(tǒng)并在生反池新增攪拌裝置，通過自動控制系統(tǒng)控制回流泵在攪拌和曝氣階段開啟，解決預(yù)反應(yīng)區(qū)未發(fā)揮應(yīng)有功能的問題。

3）示范區(qū)平均進(jìn)水COD為147.71mg/L，出水COD為7.57mg/L，平均去除率93.96%，說明改造后SBR工藝具有良好的COD去除效果。

4）出水中氨氮濃度基本保持在1mg/L以下，氨氮去除率高于95%，系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定的硝化效果。平均進(jìn)水TN為26.63mg/L，平均出水TN為7.72mg/L，低于10mg/L。對比改造前，改造后TN去除提高47%，實現(xiàn)穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）的一級A標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高出水水質(zhì)。

圖2 昆明第三水質(zhì)凈化廠（新廠區(qū)）全局圖

圖3 昆明第三水質(zhì)凈化廠（新廠區(qū)）SBR反應(yīng)池曝氣階段運(yùn)行效果

圖4 昆明第三水質(zhì)凈化廠出水排放口

3.2應(yīng)用二：通過SBR缺氧/好氧反應(yīng)時序的優(yōu)化調(diào)控，強(qiáng)化硝化和反硝化效果，實現(xiàn)城市污水深度脫氮；技術(shù)已在合肥朱磚井污水處理廠完成規(guī)模為5.5萬m3/d的升級改造，具體應(yīng)用情況如下：

▶建設(shè)地點：合肥市朱磚井污水廠一期建成于2004年，位于合肥市東南側(cè)，一期工程設(shè)計規(guī)模分別為5.5萬m3/d，出水排入二十埠河，最終排入巢湖。

▶工程規(guī)模：一期工程設(shè)計規(guī)模分別為5.5萬m3/d。提高排放標(biāo)準(zhǔn)后，由于原工藝流程出水TN指標(biāo)不能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A標(biāo)準(zhǔn)。

▶項目投入運(yùn)行時間：2014年通過技術(shù)改造。

▶應(yīng)用效果：

1）應(yīng)用該SBR技術(shù)改造后具有運(yùn)行模式靈活、管理方便、出水水質(zhì)好的優(yōu)勢，在穩(wěn)定出水NH4+-N的同時，生物池平均出水TN降低7.5 mg/L；

2）曝氣系統(tǒng)改造和實施精準(zhǔn)曝氣后，出水水質(zhì)更穩(wěn)定，運(yùn)行周期縮短，水量增加，電單耗降低了14.9%；

3）出水COD≤30mg/L，出水NH4+-N≤2.5 mg/L，出水TN≤10mg/L，出水TP≤0.3mg/L。

3.3應(yīng)用三：基于改良SBR高效脫氮技術(shù)，通過改變進(jìn)水模式和優(yōu)化運(yùn)行方式，解決污水處理廠碳源利用不合理、脫氮效果不理想等問題，實現(xiàn)了出水TN≤10mg/L。

建設(shè)地點：北京稻香湖再生水廠中試。

通過SBR進(jìn)水比例的優(yōu)化調(diào)控，實現(xiàn)硝酸鹽到亞硝酸鹽的短程反硝化過程，從而強(qiáng)化厭氧氨氧化脫氮，大大提高脫氮效率，同時降低能耗；該技術(shù)已在北京稻香湖污水處理廠建立中試基地，并成功啟動。具體應(yīng)用情況如下：將該污水處理廠低碳氮比污水間歇式進(jìn)入前置缺氧/好氧SBR反應(yīng)器，調(diào)控曝氣和攪拌時間，實現(xiàn)氨氮的完全氧化；該系統(tǒng)出水與原水按比例進(jìn)入DEAMOX工藝的SBR反應(yīng)器，主要通過厭氧氨氧化過程實現(xiàn)總氮深度去除，出水總氮穩(wěn)定低于10mg/L。

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本發(fā)明涉及的缺氧/好氧SBR-DEAMOX脫氮工藝處理低C/N比城市污水具有以下優(yōu)點：

1）無需外加碳源，充分利用原水中的碳源，降低處理成本同時避免了新的污染物產(chǎn)生。針對低C/N比的城市污水脫氮，通過強(qiáng)化原水碳源被異養(yǎng)反硝化菌的充分利用，無需外加碳源，反硝化過程只需充分利用原水中碳源即可滿足出水要求；

2）降低污水處理過程中的運(yùn)行費(fèi)用。處理過程中一部分污水中的有機(jī)物因前置反硝化被消耗，在隨后的曝氣過程中所需氧氣量減少，另外部分原水中的NH4+-N無需氧化，通過厭氧氨氧化反應(yīng)而去除，因此節(jié)省了整個反應(yīng)過程所需曝氣量。

3）無任何構(gòu)筑物添加，僅是對工藝過程優(yōu)化，節(jié)省改造成本。避免了新增附屬構(gòu)筑物和用地等帶來的基建投資和改造成本，易于推廣應(yīng)用。

4）整個工藝操作簡單。只需設(shè)定反應(yīng)過程中各階段的時間和進(jìn)水流量，且無需復(fù)雜的控制過程，出水TN即可滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。

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本專利權(quán)所有人為北京工業(yè)大學(xué)，其有本專利使用、銷售的權(quán)利，且有條件地允許他人使用專利技術(shù)，可在有關(guān)主管部門等批準(zhǔn)的范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

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6.1經(jīng)濟(jì)效益

應(yīng)用關(guān)于SBR運(yùn)行優(yōu)化調(diào)控技術(shù)的昆明第三污水處理廠工程改造，主要集中在三廠新廠區(qū)的SBR生化池內(nèi)，原有池體尺寸未改變，改造工程量較少，僅新增污泥回流泵和潛水?dāng)嚢杵�。涉及�?gòu)筑物主要為生化池，主要包括新增污泥回流泵的基礎(chǔ)及池體內(nèi)新增潛水?dāng)嚢杵靼惭b，以及配水渠改造。本工程在現(xiàn)狀廠區(qū)內(nèi)完成提標(biāo)改造內(nèi)容，不需新增占地面積和構(gòu)筑物，節(jié)省基建費(fèi)用和物耗�；�于過程控制自控系統(tǒng)調(diào)控運(yùn)行方式，減少運(yùn)行管理復(fù)雜程度和不必要的人力、物力消耗。

應(yīng)用關(guān)于SBR中實現(xiàn)DEAMOX高效脫氮技術(shù)的中試，在以低碳氮比污水原水為處理對象的長期運(yùn)行過程中，出水總氮能夠低于10mg/L，且節(jié)省曝氣能耗25%以上，與傳統(tǒng)硝化/反硝化工藝相比，大大降低處理能耗和費(fèi)用，且實現(xiàn)達(dá)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，最高能夠節(jié)省電耗40%。

6.2環(huán)境效益

本技術(shù)在無新增構(gòu)筑物且無需外加碳源的條件下，通過自控控制間歇進(jìn)水的實現(xiàn)，結(jié)合缺氧、好氧過程控制對周期時序和反應(yīng)時間的靈活調(diào)控，進(jìn)一步強(qiáng)化硝化、反硝化、厭氧氨氧化效果，最終實現(xiàn)出水有機(jī)物和TN濃度穩(wěn)定達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高出水水質(zhì)，出水TN濃度低于10mg/L。

形成新型SBR高效脫氮工藝，TN去除率提高的前提下，出水穩(wěn)定達(dá)一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，且在優(yōu)化控制條件下能夠?qū)崿F(xiàn)出水水質(zhì)進(jìn)一步提高，以達(dá)到更高污水處理排放要求。減少污泥產(chǎn)量和溫室氣體排放量，從而有效降低污水處理過程中產(chǎn)生二次污染風(fēng)險。

6.3社會效益

本課題的實施具有較好的社會效益。一是有效遏制水體污染趨勢，體現(xiàn)我國政府執(zhí)政為民的治國理念，為構(gòu)建和諧社會創(chuàng)造良好的條件；二是促進(jìn)水產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，培養(yǎng)新的經(jīng)濟(jì)增長點，對于擴(kuò)大就業(yè)和增加全社會收入產(chǎn)生較大推動作用；三是改善區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量，優(yōu)化居民生活環(huán)境，提高居民保護(hù)環(huán)境意識。

此外，本技術(shù)為采用SBR及其變型工藝（ICEAS、CASS）的污水處理廠高效脫氮和節(jié)能降耗提供了關(guān)鍵技術(shù)：其升級改造簡單、無需新增占地與構(gòu)筑物，節(jié)省基建費(fèi)用；基于過程控制策略的自控系統(tǒng)實現(xiàn)全方位調(diào)控，為污水處理廠建設(shè)、運(yùn)行提供了科學(xué)方案，減少了運(yùn)行管理人力和物力，為現(xiàn)有污水處理廠提標(biāo)改造和待建污水處理廠運(yùn)行優(yōu)化提供參考。

綜上所述，本技術(shù)成果的應(yīng)用不僅經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益顯著，對保證社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)具有積極作用。

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城鎮(zhèn)污水處理廠是解決城市水污染的不可或缺的組成部分。我國城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施建設(shè)速度逐漸加快，目前全國每年廢水排放總量超過700億m3，城鎮(zhèn)生活污水排放量超過500億m3，其中城鎮(zhèn)生活氨氮排放量高于130萬m3，城鎮(zhèn)生活污水處理是水污染控制的關(guān)鍵。眾所周知，氮磷過度排放會造成水體富營養(yǎng)化的嚴(yán)重水污染問題，因此，經(jīng)濟(jì)高效地實現(xiàn)城市污水脫氮是控制水環(huán)境污染和改善水環(huán)境質(zhì)量的重要措施。

目前城鎮(zhèn)污水脫氮以活性污泥法為主，SBR工藝是常用處理工藝之一。然而，國內(nèi)外污水處理廠SBR及其變形工藝（如ICEAS、CASS工藝）均采用連續(xù)進(jìn)水運(yùn)行模式，存在“用可貴的能源（有機(jī)物），去掉了更加珍貴的碳源” 的問題，特別是針對低C/N比城市污水，碳源利用不合理導(dǎo)致工藝脫氮效率低。部分含預(yù)反應(yīng)區(qū)工藝未充分發(fā)揮其實際功能，生化池中硝化和反硝化功效果較差，無法滿足完全硝化和反硝化脫氮的需求，導(dǎo)致出水總氮（TN）濃度過高，污水處理廠出水難以穩(wěn)定達(dá)到一級A排放標(biāo)準(zhǔn)。

另一方面，污水處理廠的提標(biāo)改造，除了對污水處理工藝進(jìn)行改進(jìn)、強(qiáng)化脫氮除磷功能外，污水處理過程運(yùn)行調(diào)控和節(jié)能降耗等技術(shù)需求也不容忽視。厭氧氨氧化技術(shù)是一種新型的生物脫氮技術(shù)，脫氮效率高，曝氣能耗低。雖然城市污水厭氧氨氧化脫氮工藝具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，但是該工藝的工程應(yīng)用仍面對諸多技術(shù)瓶頸。

針對上述問題，本技術(shù)結(jié)合SBR法過程控制與功能微生物富集強(qiáng)化理論和方法，運(yùn)用優(yōu)化調(diào)控運(yùn)行模式，通過自動控制實現(xiàn)曝氣階段不進(jìn)水的間隙進(jìn)水模式；采用SBR過程控制策略實現(xiàn)周期反應(yīng)時序的靈活調(diào)控；培養(yǎng)馴化污泥實現(xiàn)不完全反硝化將硝酸鹽還原為硝酸鹽，強(qiáng)化城市污水的厭氧氨氧化脫氮性能，大大節(jié)省曝氣能耗，無需外加碳源，同時提高低碳氮比污水的穩(wěn)定高效脫氮和達(dá)標(biāo)排放。

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獲獎時間：2018年3月

獲獎等級：安徽省科學(xué)技術(shù)二等獎

獎項名稱：巢湖流域污水處理廠達(dá)到地表類IV類水標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

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精