專利名稱：一種高效處理有機廢水并減少剩余污泥產量的方法
技術領域：
本發明屬于利用生物技術處理污水的領域，特別涉及了一種利用生物捕食凈化污水，并同時減少凈化過程中剩余污泥產量的方法。
背景技術：
活性污泥法是當今應用最廣泛的污水生物處理方法，但同時副產大量的剩余污泥。目前剩余污泥的處理與處置費用占污水處理廠總運行費用的25～40％，隨著污水處理設施的普及、處理量的增加、處理標準的提高和處理功能的拓展，剩余污泥的產生量將會大幅度增加。因此，如何合理的解決污泥問題，已是當前亟待解決的環保問題之一。
污泥的處理和處置，就是以適當的技術措施，使污泥得到再利用或以某種不損環境的形式重新返回到自然環境中。目前常用的剩余污泥處理方法是污泥濃縮→污泥厭氧消化→機械脫水；污泥最終處置方式主要有土地利用(如污泥農用、園藝利用等)、衛生填埋、污泥焚燒和投放海洋等。污泥厭氧消化所需構筑物池體龐大，基建投資大，且厭氧消化工藝要求消化池內的溫度恒定，操作復雜；上述幾種污泥處置方法也存在不足之處，如污泥中重金屬的含量通常超過農用污泥重金屬最高限量的規定。此外，污泥中還含有病原體、寄生蟲卵、呋喃等，如農業利用不當，將對人類的健康造成嚴重的危害。填埋處置容易對地下水造成污染，同時大量占用土地。焚燒處置可使污泥體積大幅度減小，且可滅菌，但焚燒設備的投資和運行費用都比較大，燃燒產物中的二惡英(dioxin)等大氣污染物均對人體造成危害。投放海洋雖然可在短期內避免海岸線及近海受到污染，但其長期危害可能更嚴重，且污泥運輸費用昂貴，已被世界上大多數國家禁用。因此從源頭入手，最大程度地減少剩余污泥排放量有著顯著的社會效益和經濟效益。
可實現污泥減量的污水凈化技術就是要在保證污水處理效果的前提下，采取適當的技術措施，盡量降低處理相同量污水時所產生的污泥量。目前的污泥減量化技術可分為四類(1)解偶聯技術正常情況下，生物的分解代謝和合成代謝是由ATP(三磷酸腺苷)和ADP(二磷酸腺苷)之間的轉化而聯系在一起的，即分解一定的底物，將有一定比例的生物體合成。但在污水處理系統中存在解偶聯劑的情況下，底物被氧化的同時ATP不大量合成或合成以后迅速由其他途徑釋放，總體上使得細菌的分解代謝和合成代謝不再由ATP的合成與分解反應偶聯在一起。這樣細菌在保持正常分解底物的同時，自身合成速度減慢，表觀速率降低，從而達到降低污泥產量的目的，這就是所謂的解偶聯。但在實際應用中存在以下問題所投的解偶聯劑在較長時間后由于微生物的馴化而被降解，從而失去解偶聯作用；加入解偶聯劑后，需要更多的氧去氧化未能轉化成污泥的有機物，從而使得供氧量增加；投加解偶聯劑的費用昂貴，其在污水中需要維持的濃度為4-80mg/l，用量驚人；解偶聯劑通常是較難生物降解或對生物有較大毒性的化合物，存在環境安全問題。(2)增加生物體自身氧化速率常規活性污泥法中常用氧化溝工藝。該工藝可以延長污泥齡或降低污泥負荷從而減少污泥產量，但氧化溝占地較大，處理效率低。膜法污水處理工藝中的膜生物反應器可以在長污泥齡或完全不排污泥的情況下操作，從而導致極低的污泥產率。但采用該方法會導致嚴重的膜污染，從而增加膜組件的更換費用，此外，膜生物反應器中的污泥粘度大，脫水性能差，增加了污泥脫水的費用。(3)生物隱性生長技術通過強化細胞的隱性生長也可以達到污泥減量的目的。隱性生長是指細菌利用衰亡細菌所形成的二次基質生長，整個過程包含了溶胞和生長。通常的溶胞作用包括各種化學、物理、生物及其相互聯合的作用。化學溶胞法中有報道采有臭氧、酸堿溶胞，但增加了污水處理的投資和能耗；當采用氯氣溶胞時，氯氣與污泥中的有機物發生反應生成三鹵甲烷，危害環境。物理溶胞法中的熱處理和機械破碎法同樣需要較多的額外能量輸入；超聲波雖然可以破壞細胞壁，但它的作用受到液體的許多參數(溫度、粘度、表面張力等)和超聲波發生設備的影響，在短時間內還不可能投入實用。生物溶胞中的投加酶制劑或抗菌素法在經費上不太現實。(4)生物捕食主要是利用微型動物(如原/后生動物)對細菌的捕食作用。從生態學角度，當系統中食物鏈越長，能量損失越多，可用于合成生物體的能量就越少，最終形成的總的生物量也就越少。因此，延長食物鏈或強化食物鏈中微型動物的捕食作用均能達到減少剩余污泥產量的目的。常規活性污泥法中，微型動物與細菌共存于曝氣池，而曝氣池的運行條件主要是利于細菌等微生物吞食有機物，并不完全適合于具有捕食細菌作用的高等微型動物的生長，從而導致污泥減量化效果不明顯。同其它三類污泥減量技術相比，生物捕食法具有經濟和環境友好等顯著優點，發展前景良好。
發明內容
本發明的目的在于提供一種分別適合于細菌、微型動物生長的污水處理工藝，提高污水處理效率，節約污水處理廠的基建投資，并在保證污水凈化效果的前提下最大限度地降低剩余污泥產量，以減少污泥處理費用。具體工藝過程如下污水處理工藝原污水經過一級物化處理后進入細菌分散生長池，控制水力停留時間為1～2小時，污水中的有機物在細菌分散池中被細菌降解；b、細菌分散生長池出水依次經過原生動物生長池、后生動物生長池和大型微型動物生長池，其中總水力停留時間為4～5小時，原生動物生長池的水力停留時間為1～1.5小時，后生動物生長池中的水力停留時間為1小時，大型微型動物生長池中的水力停留時間為1～1.5小時；c、大型微型動物生長池的泥水混合液經二沉池進行泥水分離后，上清液排放，污泥回流至缺氧池經腐敗后再進入原生動物生長池，少量的剩余污泥外排。
本發明的利用生物捕食減少剩余污泥量的方法可分別為不同類型的微型動物提供穩定的生長環境，使它們各自相對獨立的成為優勢種群，減少了種間競爭，從而有效提高污水凈化效果，并因對細菌的捕食作用減少污泥產量。因此本工藝可以降低污水處理廠的污水處理成本和污泥處理處置費用。
本發明所述的污水處理工藝包括了一級物化處理、好氧段的二級生化處理和二沉池的泥水分離。好氧段依據食物鏈的營養級別，從低級到高級分為四部分細菌分散生長池、原生動物生長池、后生動物生長池和大型微型動物生長池。細菌、原生動物、后生動物、大型微型動物分別在以上四個工序段中成為優勢種群，減少了種間競爭，前者完成降解有機物的功能，后三者主要完成減少生物污泥產量的作用，輔以降解有機物。本發明的生物捕食污泥減量化工藝可應用于城市污水處理廠和工業污水處理廠的污水處理和污泥減量處理。具有如下優點1、工藝簡單，運行穩定可靠，操作管理方便，可完全實現自動化控制。
2、生物捕食污泥減量化工藝可分別為原/后生動物和大型微型動物提供穩定的生長環境，使它們各自相對獨立的成為優勢種群，減少種間競爭，可有效提高污水凈化效果，并因對細菌的捕食作用減少污泥產量，從而降低污水處理廠的污水處理成本和污泥處理處置費用。
3、生物捕食污泥減量化工藝可使系統不僅具有去除有機物和污泥減量的功能，而且還可以有效去除污水中的總氮，并有助于磷的去除。
4、系統中的原/后生動物不僅可以捕食細菌而且也可以直接吞食污泥顆粒和污水中的有機殘渣，因此系統中大量的原/后生動物有助于提高污水凈化效果。
5、由于微型動物的捕食作用，工藝可有效提高二沉池內污泥的沉降和脫水性能，且無結團現象。
圖1為本發明的利用生物捕食減少剩余污泥量的方法在凈化污水的同時減少剩余污泥產量的流程圖；圖2為生物捕食法對污水中有機物(COD)的去除效果統計圖；圖3為不同COD容積負荷(或HRT)時的剩余污泥產率統計圖；圖4為各段中的微型動物密度統計圖；圖5為各段中原生動物密度與后生動物密度比值統計圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結合圖1，本實施方式按照如下方法利用生物捕食減少剩余污泥量1、首先原污水經提升泵站提升到一定高度，滿足后續工段依靠重力流運行時所需的水頭。
2、格柵用以截留大的懸浮物或漂浮物，如塑料制品、纖維碎皮、毛發、木屑、果皮、蔬菜等，以便減清后續處理構筑物的負荷，使之正常運行。
3、沉砂池去除污水中密度較大的砂石顆粒，如泥沙、煤渣等，以減輕初沉池的負荷，改善污泥處理構筑物的處理條件，沉砂池可以曝氣沉砂池初步去除顆粒上附著的有機物。
4、初沉池進一步沉淀，去除污水中不溶性且比重較大的顆粒，初步去除BOD(生化需氧量)和SS(懸浮物)。該構筑物可以減輕曝氣池和二沉池的負荷，并降低了整個工藝外排污泥的含水率。
5、細菌分散生長池去除原水中的大部分有機物，凈化污水。作為有機物去除功能主要承擔者的細菌及部分真菌在此構筑物中分散生長，利于其在后續構筑物中被原/后生動物所捕食。污水在該池中的水力停留時間可控制在1～2小時，池中的污泥齡小于水力停留時間。混合液中的溶解氧不低于0.5mg/l，水溫為20～25℃，pH值為6～9，池中懸浮污泥濃度為5.0～6.0g/l。
細菌分散生長池中無污泥回流且水力停留時間相對短(1～2小時)。該池主要是利用豐富的有機食料刺激繁殖迅速的細菌生長，該池中細菌呈分散而不是菌膠團狀態。分散生長的細菌沒有了菌膠團的保護，在后續構筑物中更易被高等微生物所捕食。細菌分散生長還可以增大其與有機底物及水中溶解氧的接觸面積，加速傳質過程，縮短污水處理的時間，減小構筑物的占地面積。所述細菌為好氧菌。
6、原生動物生長池減少剩余污泥產量，凈化污水。利用原生動物對細菌的捕食作用減少污泥產量，并降解有機物。污水在該池中的水力停留時間控制在1～1.5小時，混合液中的溶解氧不低于0.5mg/l，水溫為20～25℃，pH值為6～9，池中懸浮污泥濃度為4.0～5.0g/l，生物膜后度為2～2.5mm。該池中填料的填充比為20％～50％。
原生動物生長池中的原生動物對細菌和真菌具有捕食作用，可減少細菌分散生長池所引入的過量生物污泥(細菌活體或死亡菌體)，從而減少系統污泥產量。原生動物生長池中底物濃度及供氧條件僅適合于原生動物類的生長，并使其成為池中的優勢種群。
7、后生動物生長池利用后生動物的捕食作用減少剩余污泥產量，并吞食大的有機顆粒，降解有機物。污水在該池中的水力停留時間控制在1小時左右，混合液中的溶解氧不低于1.0mg/l，水溫為20～25℃，pH值為6～9，池中懸浮污泥濃度為4.0～5.0g/l，生物膜后度為1～1.5mm。池中填料的填充比為10％～30％。
后生動物生長池主要是利用后生動物對原生動物、細菌的捕食作用減少剩余污泥產量。該池中的有機底物濃度已經大大減少，不適于世代時間較短的原生動物、尤其是細菌的生長，后生動物成為了池中的優勢種群。
8、大型微型動物生長池減少剩余污泥量，進一步凈化污水。大型微型動物通過吞食細菌、原/后生動物減少污泥產量。該池是整個工藝污泥減量功能的主要承擔者。污水在該池中的水力停留時間控制在1～1.5小時，混合液中的溶解氧不低于2.0mg/l，水溫為20～25℃，pH值為6～9，池中懸浮污泥濃度為3.0～4.0g/l，生物膜后度為0.5～1.0mm。池中填料的填充比為20％～50％。
大型微型動物生長池中大型微型動物的數量明顯增多，它們對生物污泥的的捕食能力更強，對污泥減量的貢獻率也最大。另外由于該池的混合液直接進入到二沉池中進行泥水分離，也是系統出水水質的保障單元。因此該池的曝氣量應既能滿足大型微型動物的新陳代謝需要也不宜過高，防止過量污泥進入二沉池。
9、二沉池大型微型動物生長池的泥水混合液在此進行固液分離，沉淀后的污泥經污泥泵提升回流至缺氧池，回流比為100％。二沉池有少量的剩余污泥排出污水處理系統進入污泥脫水機。二沉池的上清液作為出水消毒后排入受納水體或是進一步深度處理后作為中水回用。
10、缺氧池污泥在缺氧池發生腐敗，進一步減少污泥量，缺氧池內的氧化還原電位控制在-200mV～-100mV。并且缺氧池內可發生反硝化作用可去除部分總氮。污泥經缺氧池后再流至原生動物生長池。
本實施方式中的微型動物(包括原生動物、后生動物和大型微型動物如昆蟲幼蟲等)生長池除進一步發揮分散細菌去除有機物的能力外，大量原生動物對細菌、后生動物對原生動物和細菌的捕食可減少污泥量，此外，微型動物可直接吞食有機顆粒，降解有機物。
本實施方式中微型動物生長池中有污泥回流，總水力停留時間為4～5小時，其中原生動物生長池為1～1.5小時，后生動物生長池為1小時，大型微型動物生長池為1～1.5小時。
本實施方式中所述好氧段中的曝氣方式可采用單側循環曝氣或池底全面曝氣，細菌分散生長池、原生動物生長池、后生動物生長池和大型微型動物生長池的池容比為2～2.5∶1.5～2∶1～1.5∶1.5～2。
本實施方式中所述的填料為螺旋體狀生物載體，其材質為塑料，填料僅填充在原生動物生長池、后生動物生長池和大型微型動物生長池中。螺旋體狀生物載體可以增加微型動物的棲息場所，提高構筑物的池容利用率。此外，反硝化菌還可以在填料內部生長，發揮反硝化作用，有利于總氮的去除。
本實施方式中所述的原/后生動物可分為在混合液(曝氣池中的泥水混合物)中自由游動生長的游離型和在填料上附著生長的附著型。均為好氧型微生物。原生動物主要有纖毛蟲、鞭毛蟲、肉足蟲等；后生動物主要有輪蟲、線蟲；大型微型動物主要有水熊、水蚤以及寡毛綱中的顫蚓、紅斑顠體蟲、仙女蟲等。
具體實施方式
二以原水為餐廳污水為例，進水有機物(以COD計)濃度為600～1200mg/L。
如圖2，生物捕食法處理餐廳污水時，為達到污泥減量和降解有機物這兩個目的，合理的HRT為6小時。此條件下的COD去除率平均值為90％，出水COD值均小于100mg/L，符合一級排放標準(GB28978-2002)。
由表1可以看出，原水中的有機物主要在細菌分散池中被去除，其去除率超過了40％，而原生、后生及大型微型動物生長池的去除率則均低于20％，且依次降低。系統總的COD去除率為90％左右。
表1 不同段的COD去除率比較
由圖3可以看出，隨著有機負荷的增加或水力停留時間(HRT)的縮短，系統的污泥產率逐漸升高。當COD容積負荷低于4.80kg/(m3·d)、系統總水力停留時間不小于6h時，系統的污泥產率均低于0.1kgTSS/kgCOD去除；但當HRT縮短至4h，系統的污泥產率急劇增加到了0.85kgTSS/kgCOD去除。分析其原因可能是當有機負荷較低時，大部分有機物在R1段被降解，后幾段中(尤其是R4段中)底物濃度較低，因此繁殖速度較快的細菌類在這些段中對底物的競爭優勢不明顯，其密度較R1段大大降低，而世代時間相對較長的高等微型動物由于攝食范圍較廣，可以吞食菌體及污泥顆粒，而不是像細菌一樣只能降解可溶性有機物，從而降低了污泥產率；當有機負荷較高時，如超過4.8kg/(m3·d)，四段中有機物的濃度差別變小，細菌等低等微生物在各段中的濃度差也相應縮小，其在R4段中的數量大大增加，并且繁殖速率超過了高等微型動物對細菌的捕食速率，從而使污泥產率有所升高。
圖4反映了污泥產率為0.1kgSS/kgCOD去除時，污水反應器中常出現的幾種微型動物在各段中的密度變化情況。由圖4可知，纖毛蟲和鞭毛蟲的種群密度均為先升高后降低，在R2段達到最大值，在R3、R4段又分別降低。肉足蟲在R1段內的密度最大，在隨后幾段內依次降低。后生動物的演替規律則與原生動物不同，如輪蟲在R1段內極少出現，在R2段中數量開始增多，R3段中其密度達到最大值；而紅斑顠體蟲則在R1、R2段中很難發現，R4段中其密度達到最大值。由于R3、R4段中有機物濃度很低，而高等微型動物可攝食的底物類型較廣，可以低等微生物、食物殘渣和絮體顆粒為食，其對底物的競爭能力超過了纖毛蟲等原生動物和細菌，使得其密度有所升高，正因如此，R4段中的污泥量大為減少。觀察發現(圖5)，原生動物密度與后生動物密度的比值由R1至R4段逐漸縮小，由此可見，系統內形成了明顯的由低級到高級的食物鏈。
符號說明COD-化學需氧量(Chemical Oxygen Demand)；HRT-水力停留時間(Hydraulic Retention Time)；R1-細菌分散生長池；R2-原生動物生長池；R3-后生動物生長池；R4-大型微型動物生長池。
權利要求
1.一種高效處理有機廢水并減少剩余污泥產量的方法，其特征在于所述方法為a、原污水經過一級物化處理后進入細菌分散生長池，控制水力停留時間為1～2小時，污水中的有機物在細菌分散池中被細菌降解；b、細菌分散生長池出水依次經過原生動物生長池、后生動物生長池和大型微型動物生長池，其中總水力停留時間為4～5小時，原生動物生長池的水力停留時間為1～1.5小時，后生動物生長池中的水力停留時間為1小時，大型微型動物生長池中的水力停留時間為1～1.5小時；c、大型微型動物生長池的泥水混合液經二沉池進行泥水分離后，上清液排放，污泥回流至缺氧池經腐敗后再進入原生動物生長池，少量的剩余污泥外排。
2.根據權利要求1所述的一種高效處理有機廢水并減少剩余污泥產量的方法，其特征在于所述細菌分散生長池中混合液的溶解氧不低于0.5mg/l。
3.根據權利要求1所述的一種高效處理有機廢水并減少剩余污泥產量的方法，其特征在于所述原生動物生長池中混合液的溶解氧不低于0.5mg/l。
4.根據權利要求1所述的一種高效處理有機廢水并減少剩余污泥產量的方法，其特征在于所述后生動物生長池中混合液的溶解氧不低于1.0mg/l。
5.根據權利要求1所述的一種高效處理有機廢水并減少剩余污泥產量的方法，其特征在于所述大型微型動物生長池中混合液的溶解氧不低于2.0mg/l。
6.根據權利要求1所述的一種高效處理有機廢水并減少剩余污泥產量的方法，其特征在于所述二沉池的污泥先回流至缺氧池再流入原生動物生長池，回流比為100％，缺氧池中的氧化還原電位為-200～-100mV。
7.根據權利要求1所述的一種高效處理有機廢水并減少剩余污泥產量的方法，其特征在于所述原生動物生長池、后生動物生長池和大型微型動物生長池內填加有填料，所述填料為螺旋體狀生物載體。
8.根據權利要求1所述的一種高效處理有機廢水并減少剩余污泥產量的方法，其特征在于所述好氧段中的曝氣方式采用單側循環曝氣或池底全面曝氣。
9.根據權利要求1所述的一種高效處理有機廢水并減少剩余污泥產量的方法，其特征在于所述細菌分散生長池、原生動物生長池、后生動物生長池和大型微型動物生長池的池容比為2～2.5∶1.5～2∶1～1.5∶1.5～2。
全文摘要
一種高效處理有機廢水并減少剩余污泥產量的方法，屬于利用生物技術處理污水的領域。為了減少污泥處理費用，本發明所述的污水處理工藝包括了一級物化處理、好氧段的二級生化處理和二沉池的泥水分離。好氧段依據食物鏈的營養級別，從低級到高級分為四部分細菌分散生長池、原生動物生長池、后生動物生長池和大型微型動物生長池。細菌、原生動物、后生動物、大型微型動物分別在以上四個工序段中成為優勢種群，減少了種間競爭，前者完成降解有機物的功能，后三者主要完成減少生物污泥產量的作用，輔以降解有機物。本發明的生物捕食污泥減量化工藝可應用于城市污水處理廠和工業污水處理廠的污水處理和污泥減量處理。
文檔編號C02F3/32GK1884127SQ20061001026
公開日2006年12月27日 申請日期2006年7月7日 優先權日2006年7月7日
發明者汪群慧, 艾恒雨, 石原和美, 菊池隆重, 謝維民 申請人:汪群慧, 菊池隆重, 石原和美