專利名稱：一種具有降解生物污泥和脫氮作用的處理裝置及其操作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于利用生物技術處理污泥的領域，特別涉及一種強化微生物生態(tài)系統(tǒng)食物鏈捕食作用以降解生物污泥，并能高效去污脫氮的裝置及其操作方法。
背景技術：
由于活性污泥法工藝簡單、技術成熟，現(xiàn)已成為城市污水處理的通用方法，但其污泥產(chǎn)生量很大。一個城市污水處理廠每天產(chǎn)生的污泥體積為污水處理體積的0.5％～1.0％，產(chǎn)生的剩余污泥經(jīng)分離、穩(wěn)定、消化、脫水和外運填埋等步驟處置，污泥處理所需的費用與污水處理大致相當，污泥處理設施的投資也占到總投資的30％～40％，甚至超過50％。
據(jù)統(tǒng)計，目前我國城鎮(zhèn)污水處理廠每年排放的污泥量(干重)大約130萬噸，而且年增長率大于10％。經(jīng)脫水等處理后污泥的最終處置方法常為農(nóng)用(約44.8％)、陸地填埋(約31.0％)及其它方法(約10.5％)，但還有約13.7％的污泥尚未處置，而且，所采用的農(nóng)用、填埋等大部分方法都是簡易的，均不符合環(huán)保要求。因此，污泥的妥善處置是目前迫切需要解決的問題。
雖然污泥中含有大量的有機物和豐富的氮、磷等物質(zhì)，用作農(nóng)肥具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，但污泥中也含有對植物及土壤有危害作用的病原菌、寄生蟲卵及重金屬離子，必須進一步處理使之符合我國《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》(GB4284-84)的要求之后才能農(nóng)用。
用于填埋處理的土地缺乏；污泥焚燒成本太高，又有大量CO2氣體排放等，使污泥的最終處置越來越困難。最近將回流污泥用物理法(如機械破碎)和化學法(如公開號CN 1486941提供的臭氧氧化等)等手段，使活性污泥中細菌的細胞壁破裂，細胞內(nèi)有機物溢出，再回流到曝氣槽進行生物處理的方法引起關注，但存在操作麻煩，成本較高等問題。中國專利ZL 02159048.6提供的推流復合式生物污泥減量反應器以及公開號CN1621368A提供的豎流復合式生物污泥減量反應器，都是一種生物減量方法，通過添加填料以及控制工藝參數(shù)，使反應器為不同類型的原、后生動物的穩(wěn)定生長分別提供了一個適宜的棲息地，從而有效提高污泥減量的效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一在于提供一種強化微生物生態(tài)系統(tǒng)食物鏈捕食作用以降解生物污泥的裝置，為污水處理廠提供了一種高效率、低成本的污泥處理途徑。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述生物污泥處理裝置的操作方法。它是通過控制底物濃度和供氧條件等工藝參數(shù)，在多級接觸氧化槽中形成細菌、原生動物、后生動物、高級微型動物的食物鏈后，直接將剩余污泥投加到多級接觸氧化槽，從而大幅度處理剩余污泥，且能高效去污脫氮，保證出水水質(zhì)達標的方法。
本發(fā)明的生物污泥處理裝置，由調(diào)節(jié)槽1、高位槽3、多級接觸氧化槽4、固液分離沉淀槽8、厭氧水解槽11等組成(如圖1)；多級接觸氧化槽的底部布置有管式曝氣器19，多級接觸氧化槽的內(nèi)部裝有不銹鋼架16，不銹鋼架16上固定有螺旋生物載體17。
所述的多級接觸氧化槽內(nèi)部由隔板15依次分隔成第一槽—細菌生長區(qū)4-1、第二槽—原生動物生長區(qū)4-2、第三槽—后生動物生長區(qū)4-3、第四槽—較高級微型動物生長區(qū)4-4，其中第一槽4-1的出水口6-1與第二槽4-2的進水口5-2之間通過水管7-1-2連接，第二槽4-2的出水口6-2與第三槽4-3的進水口5-3之間通過水管7-2-3連接，第三槽4-3的出水口6-3與第四槽4-4的進水口5-4之間通過水管7-3-4連接(如圖2)。所述四段反應區(qū)的設置，可使生物相相對分離，減弱了種間競爭，使處于食物鏈中不同營養(yǎng)能級的微生物在各段中不致被高級的微生物大量捕食，使種群數(shù)量可以相對保持在一個較高的水平。在第一槽占優(yōu)勢的微生物主要為細菌，第二槽和第三槽占優(yōu)勢的微生物分別為原生動物和后生動物，原生動物是細菌的主要捕食者，而后生動物的主要攝食對象是原生動物、絮體顆粒和大的食物殘渣，而對細菌的捕食能力很弱。第四槽有較多的高級微型動物存在，可通過吞食細菌、原/后生動物進一步提高污泥去除效果。
所述的多級接觸氧化槽的四個槽沿橫向排列(如圖3)，或者沿縱向(高度)排列(如圖4)，或者周圈排列(如圖5)。可通過水管7-1-2、7-2-3和7-3-4連接不同槽的進水口5和出水口6，任意改變四個槽沿流程的排列順序，從而改變各槽容積比至合適的范圍，優(yōu)化各槽的水力停留時間、槽內(nèi)的活性污泥濃度等參數(shù)。
所述的多級接觸氧化槽各槽底部的管式曝氣器19與空氣泵18之間連接有通氣管20，每個通氣管上設有閥門21，可調(diào)節(jié)各槽閥門的進氣量，使第一槽、第二槽、第三槽和第四槽的溶解氧量分別為0.5～0.8mg/L、0.8～1.4mg/L、1.1～1.8mg/L和1.8～2.5mg/L。
所述的多級接觸氧化槽內(nèi)放置的螺旋生物載體具有獨特性能，它不僅為不同類型的微生物提供適宜的生長環(huán)境，使它們沿流程在生物載體17上分別形成相對獨立的優(yōu)勢種群，構成細菌(絲狀菌、菌膠團等)、原生動物(草履蟲、鐘蟲等)、后生動物(輪蟲等)、高級微型動物(水蚤等)食物鏈生態(tài)系統(tǒng)(如圖6)；而且可形成厭氧和兼氧空間，從而使好氧的硝化菌和厭氧的反硝化菌共存與同一載體，分別完成硝化和反硝化作用。
本發(fā)明所述生物污泥處理裝置的操作方法是將操作過程分為多級接觸氧化槽中的食物鏈形成階段和生物污泥處理階段。
食物鏈形成階段用水泵將污水2從調(diào)節(jié)槽1提升至高位槽3，滿足后續(xù)工段依靠重力流運行的需要水頭，然后靠重力流入多級接觸氧化槽的第一槽4-1，并沿水流依次流入第二槽4-2第三槽4-3第四槽4-4。從調(diào)節(jié)曝氣管19向各槽內(nèi)吹入氣體。第四槽出水口的泥水混合物經(jīng)固液分離沉淀槽8沉降后，上清液9被排出，而固液分離沉淀槽底部的剩余污泥10經(jīng)相鄰的厭氧水解槽11水解腐敗后的污泥12沿污泥返送管13回流至多級接觸氧化槽的第一槽4-1和第二槽4-2，第一槽4-1和第二槽4-2腐敗后的污泥分配比例為1∶2～1∶8。當測得后生動物和原生動物的比值沿第一槽4-1至第四槽4-4呈遞增趨勢，且增幅較大，又在第四槽觀察到較多高等微型動物(如水蚤)存在時，即可認為多級接觸氧化槽內(nèi)食物鏈生態(tài)系統(tǒng)已形成。
生物污泥處理階段將城市污水廠取回的生物污泥14用污泥泵送至調(diào)節(jié)槽1，使生物污泥14和污水2以2∶1～6∶1的比例混合后提升至高位槽3。由高位槽3流入多級氧化槽的第一槽，并沿水流方向依次流入第二，三，四槽。從曝氣管19向剩余污泥14吹入氣體，在生物填料17上附著的原生動物和后生動物等高級微生物捕食剩余污泥14中所含有的細菌類低級微生物，使之分解成CO2和H2O。第四槽出水口的泥水混合物經(jīng)固液分離沉淀槽8沉降后，上清液9被排出，而固液分離沉淀槽底部的剩余污泥10經(jīng)相鄰的厭氧水解槽11水解腐敗后的污泥12沿污泥返送管13回流至多級接觸氧化槽的第一槽4-1和第二槽4-2，第一槽4-1和第二槽4-2腐敗后的污泥分配比例為1∶2～1∶8。不定期排出固液分離沉淀槽8底部的極少量不可降解殘渣。
所述的操作方法中采用的污水可以是乳制品廢水、豆制品廢水、餐廳廢水、城市污水等，也可以是其他含氮廢水。在沒投加生物污泥時的食物鏈形成階段，只需投加污水，并定期添加少量營養(yǎng)元素。而在利用食物鏈進行生物污泥的處理階段，可調(diào)節(jié)生物污泥14和污水2的混合比例為2∶1～6∶1。由于污水中含有豐富的碳源，生物污泥中含有一定的氮源、磷源和其他微量元素，所以在污泥處理階段，幾乎不再需要添加其他營養(yǎng)元素。
所述的操作方法中采用的生物污泥可以是乳制品廢水、豆制品廢水、餐廳廢水、城市污水等處理廠二沉池產(chǎn)生的污泥或濃縮污泥或它們的脫水污泥，也可以是該裝置本身產(chǎn)生的回流污泥，還可以是污水處理廠厭氧消化處理后的消化污泥。
所述的操作方法中固液分離沉淀槽底部的剩余污泥10經(jīng)相鄰的厭氧水解槽11水解腐敗后的污泥12沿污泥返送管13回流至多級接觸氧化槽的第一槽4-1和第二槽4-2，第一槽4-1和第二槽4-2腐敗后的污泥分配比例為1∶2～1∶8。當強化食物鏈捕食作用以增加污泥去除效果時可適當增大此比例；而當強化有機物去除效果時可適當減小此比例。
本發(fā)明可用于污水處理廠二沉池污泥(回流污泥、濃縮污泥或脫水污泥)以及消化污泥等的處理，也可應用于城市污水處理廠和工業(yè)有機廢水，特別是氮含量較高廢水的處理。它具有如下優(yōu)點1.因食物鏈的形成，在多級氧化槽中段和后端，較高級的微生物可大量捕食以細菌等低級微生物為主體的剩余污泥，從而達到大幅度消減剩余污泥的目的。
2.由于螺旋載體的獨特性能，使之型成了厭氧和兼氧空間，從而使好氧的硝化菌和厭氧的反硝化菌共存與同一載體，分別完成硝化和反硝化反應，使裝置具有高效生物脫氮的能力。
3.抗沖擊負荷能力強，可以處理MLSS為0.1g/L～15g/L的剩余污泥和BOD為5mg/L～10萬mg/L范圍的污水。
5.工藝簡單，運行費用低且穩(wěn)定可靠，操作管理方便，可實現(xiàn)自動化控制。
6.進入二沉池的污泥沉降和脫水性能好，且無污泥結團現(xiàn)象。
7.易于現(xiàn)有的污水廠改造，使之具有處理污泥和去污脫氮的雙重功能，達到節(jié)省污泥處理占地面積和投資的目的，實施和推廣容易。


圖1.本發(fā)明所述具有降解生物污泥和脫氮作用的處理裝置示意圖；圖2.本發(fā)明處理裝置圖的進水管、出水管及連接管示意圖；圖3.本發(fā)明的生物污泥處理裝置中多級接觸氧化槽的橫向排列圖；圖4.本發(fā)明的生物污泥處理裝置中多級接觸氧化槽的縱向(高度)排列圖圖5.本發(fā)明的生物污泥處理裝置中多級接觸氧化槽的周圈排列圖；圖6.污水生物處理系統(tǒng)中微生物食物鏈示意圖。
附圖標記1-調(diào)節(jié)槽2-污水3-高位槽4-多級接觸氧化槽5-進水管6-出水管7-各槽連接管8-固液分離沉淀槽9-固液分離槽的上清液10-固液分離槽的剩余污泥11-厭氧水解槽12-水解腐敗污泥13-污泥反送管14-生物污泥15-多級接觸氧化槽隔板16-不銹鋼架17-螺旋生物填料18-空氣泵19-曝氣器20-氣泵與曝氣器連接管21-曝氣閥門5-1第一槽進水口5-2第二槽進水口5-3第三槽進水口5-4第四槽進水口6-1第一槽出水口6-2第二槽出水口6-3第三槽出水口6-4第四槽出水口7-1-2-二槽之間的連接管7-2-3二三槽之間的連接管7-3-4三四槽之間的連接管具體實施方式
實施例1如圖1，將城市污水廠取回的剩余污泥14和少量的乳制品廢水2按2∶1～6∶1的比例混合提升至高位槽3。再由重力作用流入多級氧化槽第一槽4-1并沿水流方向依次流入4-2、4-3、4-4槽、固液分離沉淀槽、厭氧槽。整個運行過程中保持多級氧化槽中的水溫為20～25℃，pH為6～9，其中第一槽的活性污泥濃度為5.5～6.5g/L。第四槽出水口的泥水混合物經(jīng)固液分離沉淀槽8沉降后，上清液9被排出，而固液分離沉淀槽底部的剩余污泥10經(jīng)相鄰的厭氧水解槽11水解腐敗后的污泥12沿污泥返送管13回流至多級接觸氧化槽的第一槽4-1和第二槽4-2，第一槽4-1和第二槽4-2腐敗后的污泥分配比例為1∶2～1∶8。并不定期排出固液分離沉淀槽8底部少量的不可降解殘渣。
進入多級氧化槽第一槽的污泥混合液中污泥濃度(MLSS)為7.11～9.83g/L時，第四槽出水的污泥混合液中污泥濃度(MLSS)為1.17～2.17g/L，則污泥去除率為75～85％。本發(fā)明裝置在上述條件下連續(xù)運行4月，進水污泥投加量約為271kg(干重)，系統(tǒng)出水污泥量為69.02kg(干重)，因出水污泥全部回流，并從固液分離沉淀槽底部不定期排出不可降解的污泥總量約為29.5kg(干重)則實際累計剩余污泥投加量約為271-69-29.5＝181.48kg(干重)，污泥去除率約(181.48-29.5)/181.48＝83.7％實施例2將城市污水廠取回的剩余污泥14和少量的乳制品廢水2按2∶1～6∶1的比例混合提升至高位槽3。再由重力作用流入多級氧化槽第一槽4-1并沿水流方向依次流入4-2、4-3、4-4槽、固液分離沉淀槽、厭氧槽。整個運行過程中保持多級氧化槽中的水溫為20～25℃，pH為6～9，其中第一槽的活性污泥濃度為5.5～6.5g/L，靈活控制各槽底物濃度和供氧條件。第四槽出水口的泥水混合物經(jīng)固液分離沉淀槽8沉降后，上清液9被排出，而固液分離沉淀槽底部的剩余污泥10的回流方法與實施例1相同。
本發(fā)明裝置在水力停留時間為10小時的條件下各槽去除MLSS的情況如表1所示。
表1

實施例3本發(fā)明的生物污泥處理裝置也可用來處理氮含量較高的廢水。將總氮濃度為36.3～92.2mg/L，氨氮濃度為30.1～52.1mg/L的乳制品廢水投加入調(diào)節(jié)池1，再提升至高位槽3，再由重力作用流入多級氧化槽第一槽4-1并沿水流方向依次流入4-2、4-3、4-4槽、固液分離沉淀槽、厭氧槽。整個運行過程中保持多級氧化槽中的水溫為20～25℃，pH為6～9，其中第一槽的活性污泥濃度為5.5～6.5g/L。第四槽出水口的泥水混合物經(jīng)沉降8后，上清液9被排出，而固液分離沉淀槽底部的剩余污泥10的回流方法與實施例1相同。
維持多級氧化槽的HRT為6～25h，其COD、氨氮、總氮去除效果如表2所示，TN的平均去除率為73.3～86.7％；NH3-N的平均去除率為83.5～89.7％，COD的平均去除率為93.3～94.8％；出水NH3-N和COD平均值分別為6.1mg/L和79.4mg/L，均低于《污水綜合排放標準》(GB 8978-1996)的一級行業(yè)標準。
表2

權利要求
1.一種具有降解生物污泥和脫氮作用的處理裝置，其特征在于所述的污泥處理裝置由調(diào)節(jié)槽(1)、高位槽(3)、多級接觸氧化槽(4)、固液分離沉淀槽(8)、厭氧水解槽(11)組成；多級接觸氧化槽的底部布置有管式曝氣器(19)，多級接觸氧化槽的內(nèi)部裝有不銹鋼架(16)，不銹鋼架(16)上固定有螺旋生物載體(17)。
2.根據(jù)權利要求1所述的具有降解生物污泥和脫氮作用的處理裝置，其特征在于多級接觸氧化槽槽內(nèi)部由隔板(15)依次分隔成第一槽-細菌生長區(qū)(4-1)、第二槽-原生動物生長區(qū)(4-2)、第三槽-后生動物生長區(qū)(4-3)、第四槽-較高級微型動物生長區(qū)(4-4)，其中第一槽(4-1)的出水口(6-1)與第二槽(4-2)的進水口(5-2)之間通過水管(7-1-2)連接，第二槽(4-2)的出水口(6-2)與第三槽(4-3)的進水口(5-3)之間通過水管(7-2-3)連接，第三槽(4-3)的出水口(6-3)與第四槽(4-4)的進水口(5-4)之間通過水管(7-3-4)連接。
3.根據(jù)權利要求1所述的具有降解生物污泥和脫氮作用的處理裝置，其特征在于多級接觸氧化槽的四個槽是沿橫向排列，或者沿縱向排列，或者周圈排列，四個槽通過水管(7-1-2)、(7-2-3)和(7-3-4)連接不同槽的進水口(5)和出水口(6)，能任意改變四個槽沿流程的排列順序，從而改變各槽容積比，優(yōu)化各槽的水力停留時間、控制槽內(nèi)的活性污泥濃度。
4.根據(jù)權利要求1所述的具有降解生物污泥和脫氮作用的處理裝置，其特征在于多級接觸氧化槽各槽底部的管式曝氣器(19)與空氣泵(18)之間連接有通氣管(20)，每個通氣管上設有閥門(21)，用來調(diào)節(jié)各槽閥門的進氣量，使第一槽、第二槽、第三槽和第四槽的溶解氧量分別為0.5～0.8mg/L、0.8～1.4mg/L、1.1～1.8 mg/L和1.8～2.5mg/L。
5.根據(jù)權利要求1所述的具有降解生物污泥和脫氮作用的處理裝置，其特征在于由于多級接觸氧化槽內(nèi)放置的螺旋生物載體的獨特性能，以及靈活可控的各槽底物濃度和供氧條件，為不同類型的微生物提供適宜的生長環(huán)境，使它們沿流程在生物載體(17)上分別形成相對獨立的優(yōu)勢種群，構成細菌、如絲狀菌和菌膠團、原生動物如草履蟲和鐘蟲、后生動物如輪蟲、高級微型動物如水蚤食物鏈生態(tài)系統(tǒng)。
6.根據(jù)權利要求1所述的具有降解生物污泥和脫氮作用的處理裝置，其特征在于多級接觸氧化槽內(nèi)螺旋生物載體的獨特性能，使之型成了厭氧和兼氧空間，從而使好氧的硝化菌和厭氧的反硝化菌共存于同一載體，分別完成硝化和反硝化反應；另外，在多級接觸氧化槽前設置的厭氧水解槽(11)，進一步提高了裝置生物脫氮的性能。
7.一種根據(jù)權利要求1所述的具有降解生物污泥和脫氮作用的處理裝置的操作方法，其特征在于操作過程分為多級接觸氧化槽中的食物鏈形成階段和生物污泥處理階段；食物鏈形成階段用水泵將污水(2)從調(diào)節(jié)槽(1)提升至高位槽(3)，滿足后續(xù)工段依靠重力流運行的需要水頭，然后靠重力流入多級接觸氧化槽的第一槽(4-1)，并沿水流依次流入第二槽(4-2)第三槽(4-3)第四槽(4-4)；從調(diào)節(jié)曝氣管(19)向各槽內(nèi)吹入氣體；第四槽出水口的泥水混合物經(jīng)固液分離沉淀槽(8)沉降后，上清液(9)被排出，而固液分離沉淀槽底部的剩余污泥(10)經(jīng)相鄰的厭氧水解槽(11)水解腐敗后的污泥(12)沿污泥返送管(13)回流至多級接觸氧化槽的第一槽(4-1)和第二槽(4-2)，第一槽(4-1)和第二槽(4-2)腐敗后的污泥分配比例為1∶2～1∶8；當測得后生動物和原生動物的比值沿第一槽(4-1)至第四槽(4-4)呈遞增趨勢，又在第四槽觀察到較多高等微型動物、如水蚤存在時，即確定多級接觸氧化槽內(nèi)食物鏈生態(tài)系統(tǒng)已形成；生物污泥處理階段將城市污水廠取回的生物污泥(14)用污泥泵送至調(diào)節(jié)槽(1)，使生物污泥(14)和污水(2)以2∶1～6∶1的比例混合后提升至高位槽(3)；由高位槽(3)流入多級氧化槽的第一槽，并沿水流方向依次流入第二，三，四槽，從曝氣管(19)向剩余污泥(14)吹入氣體，在生物填料(17)上附著的原生動物和后生動物等高級微生物捕食剩余污泥(14)中所含有的細菌類低級微生物，使之分解成CO2和H2O；第四槽出水口的泥水混合物經(jīng)固液分離沉淀槽(8)沉降后，上清液(9)被排出，而固液分離沉淀槽底部的剩余污泥(10)經(jīng)相鄰的厭氧水解槽(11)水解腐敗后的污泥(12)沿污泥返送管(13)回流至多級接觸氧化槽的第一槽(4-1)和第二槽(4-2)，第一槽(4-1)和第二槽(4-2)腐敗后的污泥分配比例為1∶2～1∶8。
8.根據(jù)權利要求7所述的操作方法，其特征在于所述的污水是乳制品廢水、豆制品廢水、餐廳廢水、城市污水，或是其他含氮廢水；在沒投加生物污泥時的食物鏈形成階段，只需投加污水，并按需求添加營養(yǎng)元素；而在利用食物鏈進行生物污泥的處理階段，調(diào)節(jié)生物污泥(14)和污水(2)的混合比例為2∶1～6∶1。
9.根據(jù)權利要求7所述的操作方法，其特征在于所述的生物污泥是乳制品廢水、豆制品廢水、餐廳廢水、城市污水處理廠二沉池產(chǎn)生的污泥或濃縮污泥或它們的脫水污泥，或是該裝置本身產(chǎn)生的回流污泥，或是污水處理廠厭氧消化處理后的消化污泥。
10.根據(jù)權利要求7所述的的操作方法，其特征在于厭氧水解槽(11)水解腐敗后的污泥(12)回流至多級接觸氧化槽的第一槽(4-1)和第二槽(4-2)，第一槽(4-1)和第二槽(4-2)腐敗后的污泥分配比例為1∶2～1∶8。
全文摘要
一種具有降解生物污泥和脫氮作用的處理裝置及其操作方法，屬于環(huán)保領域，特別涉及一種強化微生物生態(tài)系統(tǒng)食物鏈捕食作用以降解生物污泥，并能高效去污脫氮的裝置及其操作方法。處理裝置設有多級接觸氧化槽(4)、固液分離沉淀槽(8)、厭氧水解槽(11)。由于多級接觸氧化槽內(nèi)放置的螺旋生物載體的獨特性能，以及靈活可控的各槽底物濃度和供氧條件，為不同類型的微生物提供適宜的生長環(huán)境，構成細菌、原生動物、后生動物、高級微型動物食物鏈生態(tài)系統(tǒng)。因食物鏈的形成，在多級氧化槽中段和后端，較高級的微生物可大量捕食以細菌等低級微生物為主體的剩余污泥，從而達到大幅度消減剩余污泥的目的。本發(fā)明工藝簡單，運行費用低且穩(wěn)定可靠，操作管理方便。
文檔編號C02F11/06GK1935708SQ200610113850
公開日2007年3月28日 申請日期2006年10月19日 優(yōu)先權日2006年10月19日
發(fā)明者汪群慧, 李旭東, 艾恒雨, 菊池隆重, 石原和美, 謝維民 申請人:北京科技大學