硫酸盐还原-好氧-沉淀-厌氧系统及其工艺
阅读：585发布：2020-05-17
专利汇可以提供硫酸盐还原-好氧-沉淀-厌氧系统及其工艺专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种活性 污泥 法污 水 处理 工艺，包括以下步骤：在脱氮除磷的 生物 反应中引进硫循环的步骤；在经过二级沉淀处理的部分浓缩污泥中添加硫源的步骤；培养 硫酸 盐 还原菌并产生溶解性 硫化氢 等 电子 供体的步骤；将处理过的污泥 混合液 回流至 活性污泥 主流反应池的步骤。本发明还涉及一种 污水处理 系统，其包括主流活性污泥反应系统和侧流- 硫酸盐 还原系统。本发明的污水处理系统通过引入侧流-硫酸盐还原系统，结合硫循环生物反应，从而实现了污泥在线减量和强化主流反硝化的效果。，下面是硫酸盐还原-好氧-沉淀-厌氧系统及其工艺专利的具体信息内容。
1.一种活性污泥法污水处理工艺，包括以下步骤：
在脱氮除磷的生物反应中引进硫循环的步骤；
在经过二级沉淀处理的部分浓缩污泥中添加硫源的步骤；
培养硫酸盐还原菌并产生溶解性硫化氢等电子供体的步骤；
将处理过的污泥混合液回流至活性污泥主流反应池的步骤。
2.根据权利要求1所述的工艺，还包括促进低产泥量细菌生长的步骤。
3.根据权利要求1所述的工艺，所述污水处理工艺还包括通过鸟粪石沉淀法回收磷的步骤。
4.根据权利要求1所述的工艺，所述硫源为能够给硫酸盐还原菌提供电子受体的物质。
5.根据权利要求3所述的工艺，所述硫源包括硫酸盐、硫单质、硫代硫酸盐和亚硫酸盐。
6.根据权利要求1所述的工艺，所述活性污泥法包括好氧工艺、缺氧-好氧工艺和厌氧-缺氧-好氧工艺。
7.一种污水处理系统，包括主流活性污泥反应系统和侧流-硫酸盐还原系统，其中所述主流活性污泥反应系统包括：
进水装置，其用于提供污水；
活性污泥主流反应池，所述污水经由所述进水装置进入所述活性污泥主流反应池；
二级沉淀池；
出水装置；以及
污泥回流装置，其用于将经二级沉淀池处理的一部分浓缩污泥回流至所述活性污泥主流反应池；
所述侧流-硫酸盐还原系包括：
硫酸盐添加装置，其用于向经二级沉淀池处理的另一部分浓缩污泥添加硫酸盐；以及硫酸盐还原侧流污泥消化装置。
8.根据权利要求7所述的污水处理系统，还包括鸟粪石回收装置，其用于通过鸟粪石反应来回收磷。
9.根据权利要求7所述的污水处理系统，所述活性污泥主流反应池包括序批次反应器、膜反应器、颗粒污泥床反应器或移动床生物膜反应器。
10.根据权利要求7所述的污水处理系统，所述硫酸盐还原侧流污泥消化装置包括连续搅拌反应器、半批次搅拌反应器或上流式厌氧污泥床反应器。
硫酸盐还原-好氧-沉淀-厌氧系统及其工艺
[0001] 相关申请的交叉引用
技术领域
背景技术
[0004] 活性污泥法及其衍生的改良工艺是目前最广泛应用于污水处理厂的技术，具有较高的有机物去除效果。在传统活性污泥法中，在自养硝化和异养反硝化的反应下实现有机物和氮元素的去除，从而完成电子从有机碳到氧的传递。在不同污泥龄的条件下，污水中50％至60％的有机碳会转化成二氧化碳，剩下的40％至50％会最终转化成生物污泥。然而现行活性污泥法工艺的运行费用相对较高，其中剩余污泥处理和处置(包括污泥消解稳定化、脱水和焚烧等过程)占了30％至60％的比例，同时也伴随着二次污染的问题。此外，传统活性污泥法的生物脱氮除磷效果因污水可降解性有机物含量低的原因(缺少碳源)，往往无法达到国家污水处理的排放标准。因此，污泥减量化的同时提高脱氮除磷的效果是目前污水处理工艺中亟需解决的主要问题。
[0005] 在污泥减量实际应用中，通常会在污水处理系统中的污泥回流段进行物理(热处理、超声破碎等)或化学(酸、碱、解耦联剂等)处理。尽管污泥减量可以达到60％以上，甚至完全去除，但其需要的成本过高，同时会影响主流活性污泥池中的污水处理性能，带来不必要的隐患。然而，好氧-沉淀-厌氧(OSA)工艺以其能耗低、减量效果好等特点被认为是较理想的减量途径。OSA的实质是在传统活性污泥工艺中的污泥回流段加入一个厌氧污泥反应池，提供了好氧和厌氧交替运行的环境。然而，OSA工艺的污泥减量效果只有30％-40％，最多能达到50％；接入的厌氧反应器体积较大(占主流活性污泥反应器的50％)；大部分碳源在厌氧反应器中被降解，无法有效地在主流反应器用被用于反硝化。
[0006] 香港科技大学发明的“杀泥”污水处理工艺(SANI process)利用香港海水冲厕导致的含盐污水中的硫酸盐，引入硫酸盐还原菌和硫化物氧化菌，在高效同步脱氮除碳的同时，还能达到90％的污泥减量。在“杀泥”工艺中，硫酸盐还原菌在第一个反应器利用硫酸盐将污水中的有机物转化成二氧化碳，同时产生溶解性硫化氢。自养型硝化菌在第三个反应器中将氨氮转化为硝酸盐，并回流到第二个反应器，在自养型反硝化菌的作用下，与硫化氢反应，生成氮气和硫酸盐。在“杀泥”工艺中，硫酸盐还原有机物和自养反硝化反应，大大减少了污泥量的产生，同时达到除氮的效果。
[0007] 现有的OSA工艺，仍具有较大的改良空间，可结合硫酸盐还原菌和硫化物还原菌，加强污泥减量和脱氮除磷的效果，在污水处理新工艺的实践应用上具有极其重要的意义。
发明内容
[0008] 本发明针对现有OSA系统的不足，通过引入侧流-硫酸盐还原系统，结合硫循环生物反应(硫酸盐还原、硫化物氧化-自养反硝化反应)，从而实现了污泥在线减量和强化主流反硝化的效果。
[0009] 具体而言，通过以下技术方案实现上述目的：
[0010] (1)一种活性污泥法污水处理工艺，包括以下步骤：
[0011] 在脱氮除磷的生物反应中引进硫循环的步骤；
[0012] 在经过二级沉淀处理的部分浓缩污泥中添加硫源的步骤；
[0013] 培养硫酸盐还原菌并产生溶解性硫化氢等电子供体的步骤；
[0014] 将处理过的污泥混合液回流至活性污泥主流反应池的步骤。
[0015] (2)根据(1)所述的工艺，还包括促进低产泥量细菌生长的步骤。
[0016] (3)根据(1)所述的工艺，所述污水处理工艺还包括通过鸟粪石沉淀法回收磷的步骤。
[0017] (4)根据(1)所述的工艺，所述硫源为能够给硫酸盐还原菌提供电子受体的物质。
[0018] (5)根据(3)所述的工艺，所述硫源包括硫酸盐、硫单质、硫代硫酸盐和亚硫酸盐。
[0020] (7)一种污水处理系统，包括主流活性污泥反应系统和侧流-硫酸盐还原系统，[0021] 其中所述主流活性污泥反应系统包括：
[0022] 进水装置，其用于提供污水；
[0023] 活性污泥主流反应池，所述污水经由所述进水装置进入所述活性污泥主流反应池；
[0024] 二级沉淀池；
[0025] 出水装置；以及
[0026] 污泥回流装置，其用于将经二级沉淀池处理的一部分浓缩污泥回流至所述活性污泥主流反应池；
[0027] 所述侧流-硫酸盐还原系包括：
[0028] 硫酸盐添加装置，其用于向经二级沉淀池处理的另一部分浓缩污泥添加硫酸盐；以及
[0029] 硫酸盐还原侧流污泥消化装置。
[0030] (8)根据(7)所述的污水处理系统，还包括鸟粪石回收装置，其用于通过鸟粪石反应来回收磷。
[0032] (10)根据(7)所述的污水处理系统，所述硫酸盐还原侧流污泥消化装置包括连续搅拌反应器、半批次搅拌反应器或上流式厌氧污泥床反应器。
[0033] 通过本发明的硫酸盐还原-好氧-沉淀-厌氧(SOSA)工艺，通过将结合硫循环生物反应与活性污泥工艺耦合，节约了碳源，在强化污水脱氮除磷的同时减少了污泥产量。此外，根据本发明的SOSA系统还具有设备简单、运行灵活、改造费用低等优点，适用于新建污水处理厂的污泥減量，也适合现有污水厂升级提标改造。附图说明
[0034] 图1示出了传统活性污泥法中去除有机物以及脱氮除磷过程；
[0035] 图2示出了传统好氧-沉淀-厌氧(OSA)工艺的流程图；
[0036] 图3示出了“杀泥”工艺的示意图；
[0037] 图4示出了根据本发明的硫酸盐还原-好氧-沉淀-厌氧(SOSA)工艺的流程图；
[0038] 图5示出了(a)污泥停留时间(SRT)与挥发性污泥减量百分比(VSR)的关系；(b)污泥停留时间(SRT)与污泥降解率(SSR)的关系；
[0039] 图6示出了(a)硫酸盐还原侧流反应器中的溶解性硫化氢用于主流活性污泥反硝化的图示；(b)污泥脱水性改善程度。
具体实施方式
[0040] 下面结合附图和具体实施方式对本发明作出进一步地详细阐述，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
[0041] 本发明提供了一种活性污泥法污水处理工艺，包括以下步骤：在脱氮除磷的生物反应中引进硫循环的步骤；在经过二级沉淀处理的部分浓缩污泥中添加硫源的步骤；在硫酸盐还原污泥消化池中培养硫酸盐还原菌并产生溶解性硫化氢等电子供体的步骤；将处理过的污泥混合液回流至活性污泥主流反应池的步骤。
[0042] 本文中，所述“浓缩污泥”是指浓度为1g TSS/L至2g TSS/L的浓缩污泥。部分浓缩污泥的比例为10-100％/d。
[0043] 在本文中，所述活性污泥法污水处理工艺又称为硫酸盐还原-好氧-沉淀-厌氧(SOSA)工艺。
[0044] 在本发明的SOSA工艺中引入硫酸盐还原侧流污泥消化池，使污泥减量效果优于传统OSA工艺的厌氧消化池，且产生的可溶解性硫化氢能够加快活性污泥衰减的速率，有利于缩短侧流反应器的污泥停留时间，从而减小侧流反应器的体积，降低工艺投资和运行费用。
[0045] 通过使产生的溶解性硫化氢返回到活性污泥主流反应池中，其能够用于培养自养型反硝化菌-硫化物氧化菌，使电子流重新导向，强化主流反硝化除氮效果。
[0046] 此外，在本发明的SOSA工艺中，还包括促进低产泥量细菌生长的步骤。所述低产泥量细菌为硫酸盐还原菌和硫化物氧化菌。所述硫酸盐还原菌包括但不限于脱硫球菌属(Desulfococcus)、脱硫杆菌科(Desulfobacteraceae)等。所述硫化物氧化菌包括但不限于副球菌(Paracoccus)、硫杆菌(Thiobacillus)等。所述硫酸盐还原菌通过在硫酸盐还原侧流反应器中与发酵细菌、水解细菌共同作用，从而实现了污泥减量。所述硫化物氧化菌在活性污泥主流反应池中利用硫酸盐还原侧流反应器产生的硫化氢进行自养反硝化反应，从而强化主流除氮效果。
[0047] 在具体的实施方案中，在侧流反应器中培养的硫酸盐还原菌即使在20℃-60℃或pH 5-10都能生存。
[0048] 在优选的实施方案中，本发明的SOSA工艺还包括通过鸟粪石沉淀法回收磷的步骤。如上所述，在硫酸盐还原污泥消化池中产生可溶性硫化氢，由于硫化氢能够刺激可溶解性磷的释放，因此，周期性地在其上清液或滤液中以鸟粪石的方式回收磷能够实现优异的磷回收效果。
[0049] 在本发明的SOSA工艺中，添加的硫源为能够给硫酸盐还原菌提供电子受体的物质，所述电子传递的形式如式1所示。
[0050]
[0051] 优选地，所述能够给硫酸盐还原菌提供电子受体的物质包括但不限于硫酸盐(SO4)、硫单质(S0)、硫代硫酸盐(S2O3)和亚硫酸盐(SO3)。
[0052] 优选地，活性污泥主流反应池采用的活性污泥法并不局限于特定的活性污泥工艺，可包括好氧工艺、缺氧-好氧工艺和厌氧-缺氧-好氧工艺等。
[0053] 本发明还提供了一种污水处理系统，包括主流活性污泥反应系统和侧流-硫酸盐还原系统，其中所述主流活性污泥反应系统包括：进水装置，其用于提供污水；活性污泥主流反应池，所述污水经由所述进水装置进入所述活性污泥主流反应池；二级沉淀池；出水装置；以及污泥回流装置，其用于将经二级沉淀池处理的一部分浓缩污泥回流至所述活性污泥主流反应池；所述侧流-硫酸盐还原系包括：硫酸盐添加装置，其用于向经二级沉淀池处理的另一部分浓缩污泥添加硫酸盐；以及硫酸盐还原侧流污泥消化装置。
[0054] 优选地，所述污水处理系统还包括鸟粪石回收装置，其用于通过鸟粪石反应来回收磷。
[0055] 本发明所述污水处理系统又称为硫酸盐还原-好氧-沉淀-厌氧(SOSA)系统。在具体的实施方案中，污水经过进水系统进入活性污泥主流反应池，进行有机物去除和脱氮除磷反应后，其出流污泥混合液引入二级沉淀池进行泥水分离，出水系统排放处理过的污水。二级沉淀池底部的一部分浓缩污泥经污泥回流系统回流至活性污泥主流反应池；另一部分浓缩污泥经硫酸盐添加系统添加足量硫酸盐后，流入硫酸盐还原侧流污泥消化池，同时抽取等量硫酸盐还原侧流污泥消化池的污泥进入活性污泥主流反应池。当浓缩污泥进入硫酸盐还原侧流污泥消化池时，污泥处于完全饥饿状态，并在厌氧条件下水解，释放有机质，硫酸盐还原菌利用硫酸根降解有机质，达到污泥减量，同时产生溶解性硫化氢。当硫酸盐还原侧流污泥消化池的污泥混合液进入活性污泥主流反应池，其带有的一部分溶解性有机质和硫化氢可用于强化主流脱氮除磷。
[0056] 周期性地抽取硫酸盐还原侧流污泥消化池的上清液或滤液，在鸟粪石回收系统中通过投加碱和镁盐生成鸟粪石沉淀来回收磷。经过鸟粪石回收系统处理后的上清液或滤液回流到活性污泥主流反应池中。
[0057] 在具体的实施方案中，在活性污泥主流反应池的设计上不局限于特定的某一类反应器，可包括序批次反应器、膜反应器、颗粒污泥床反应器或移动床生物膜反应器等。
[0058] 在其他具体的实施方案中，所述硫酸盐还原侧流污泥消化装置包括连续搅拌反应器、半批次搅拌反应器或上流式厌氧污泥床反应器。
[0059] 根据本发明的SOSA工艺能改善污泥性质，提高活性污泥的脱水性和沉降性，降低了后续污泥处理等工艺的投入成本。此外，SOSA工艺能实现在线污泥减量和同时高效脱氮除磷，投入成本和运行成低，可靠性强，具有长远的经济效益和环境效益，在污水厂中的实际应用有很广阔的发展前景。
[0060] 相比于SANI工艺，SOSA工艺改造成本低，只需在原有污水厂的活性污泥法处理系统中加入侧流反应器，污泥中的微生物经过一定时间的驯化，就能达到在线污泥减量，提高脱氮除磷的效果；其次，SOSA工艺中添加的硫源主要针对侧流，在处理不含硫酸盐污水时，SOSA的硫源添加成本更低；另外，SANI工艺除磷效果有限，而SOSA工艺在提升除磷效果的同时，还能同步回收磷(以鸟粪石的方式)。
[0061] 实施例
[0062] 实施例1
[0063] 系统构建：为测定在硫酸盐还原侧流污泥消化池中以活性污泥为碳源进行硫酸盐还原反应的可能性，在有效体积为4.0L的厌氧反应器中进行半连续流实验。实验中使用的浓缩活性污泥主要来自香港沙田污水厂，其中泥水混合液中含有300mg S/L的硫酸盐，基本参数为17-23g TSS/L和13-16g TSS/L。在该实验中，在不同的污泥停留时间(5、10、20、40天)和不同温度(25℃和35℃)进行硫酸盐还原反应。
[0064] 结果：表1列出了硫酸盐还原侧流反应器的实验结果，包括有机负荷(OLR,kg VS/m3/d)、污泥降解率(SSR,kg VS/m3/d)、挥发性污泥减量百分比(VSR,％)和硫酸盐还原(ΔSO4，mg S/L)。由表1可以看出，由表1可以看出在温度为35℃时，当SRT为20和40天时，挥发性污泥减量和硫酸盐还原效果好，而当SRT缩短为10和5天(35℃)时，其表现性能(VSR和ΔSO4)减半。当温度降至25℃时，尽管污泥减量效果变差，但硫酸盐还原效果仍然不错，在SRT为5天(温度降为25℃时)时，ΔSO4还能达到105mg S/L。根据T1，T2，T3和T4的实测数据(表2)，污泥停留时间(SRT)和挥发性污泥减量百分比(VSR)以及具体污泥降解率(SSR)的关系分别表示在图5(a)和(b)。结合表1和图5得出，硫酸盐还原反应在污泥停留时间为5-10天时，仍然能够快速降解污泥和进行硫酸盐还原反应；同时，缩短污泥停留时间大大提升具体污泥降解率。
[0065] 表1硫酸盐还原侧流反应器的实验结果
[0066]
[0067] 表2污泥停留时间(SRT)和污泥降解率(SSR)以及挥发性污泥减量百分比(VSR)的关系。
[0068]
[0069] 实施例2
[0070] 实验：硫酸盐还原侧流反应器中的溶解性硫化氢用于主流活性污泥反硝化可能性验证；处理后污泥脱水性的改善程度。
[0071] 实验a中使用的活性污泥取自香港沙田污水厂，在2.0L体积的玻璃厌氧反应器中进行自养反硝化反应(25℃)，其中硫化物初始浓度为75mg S/L，硝酸盐初始浓度为50mg N/L，每30分钟取样，直至硝酸盐或硫化物浓度为0。
[0072] 实验b中同时对比三种污泥的脱水性能，产甲烷法消化污泥取自香港沙田污水厂的污泥厌氧消化缸，硫酸盐还原法消化的污泥取自实施例1中T5的污泥，活性污泥取自沙田污水厂的活性污泥缸。脱水性能用污泥比阻表示，其物理意义是单位质量的污泥在一定压力下过滤时在单位过滤面积上的阻力。污泥比阻越大，脱水性能越差。
[0073] 实验效果如图6a所示，硫酸盐还原侧流反应器在强化厌氧污泥减量的同时，产生的溶解性硫化氢能用于主流的反硝化提升除氮效率；图6b的结果表明的是污泥脱水性的改善，硫酸盐还原消化的活性污泥脱水性能提升45％，与经产甲烷菌消化的污泥脱水性改善程度相当。
[0074] 因此，在侧流反应器中添加少量硫酸盐，以培养硫酸盐还原菌，来达到在线污泥减量和强化主流脱氮效率是一种低成本低能耗的新技术，适用于含硫废水或者普通废水(通过添加硫酸盐)。
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