一种污水强化总氮去除系统与方法

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种污水强化总氮去除系统与方法。

流化床生物膜工艺起源于上世纪90年代挪威，上世纪90年代末引入国内，2008年 首次成功应用于大型污水处理厂，至今在国内已有超过800万吨/天的运行规模，是污水厂 升级改造的常用工艺。

升级改造中，针对脱氮问题，在好氧区投加填料，一则强化氨氮处理效果，再者节 约好氧池容借给反硝化强化脱氮，取得了良好的实践效果。好氧区投加填料，通过曝气推动 填料在池内均匀分布，出水端设置拦截筛网（或称开孔隔板）使填料被持留在反应器中。由 于曝气的冲刷效果，以及曝气推动填料摩擦清洗筛网，堵塞问题得以良好解决。

实践中，出现了部分项目需要将填料直接投加在缺氧区，直接强化反硝化效果。缺 氧区需保持缺氧环境，与好氧区通过曝气带动填料均匀分布不同，缺氧区通过搅拌带动填 料均匀分布，由于搅拌的扰动强度远小于曝气，对拦截筛网冲刷不足，实践中出现了缺氧区 拦截筛网的堵塞，最终造成系统瘫痪，无法运行，或者强行采用较大的搅拌速率，能耗极大； 同时，搅拌强度所带来的水力剪切，不足以保持生物膜的动态更新，往往出现反硝化生物膜 增厚，效率下降等问题。

有学者在缺氧区筛网处直接增加曝气，强化填料对筛网的冲刷，虽然筛网堵塞问 题得以解决，但整个缺氧区为完全混合式，到达筛网末端的污水经过曝气后，溶解氧剧增， 虽然一部分流入筛网后去往下一个反应区，但大量仍回流至缺氧区，引入了较高的溶解氧， 严重破坏了缺氧环境，抑制了反硝化效果。

实验室中，反硝化的表面负荷一般较高，负荷受碳源、溶解氧、温度等影响；而工程 实践中，一般反硝化表面负荷均<1gN/m2/d，多集中在0.5gN/m2/d，且反硝化过程去除的C/N 多>5.5，这也反应了悬浮填料反硝化区的应用问题，清洗筛网所用曝气携带溶解氧，反硝化 区DO偏高抑制了反硝化过程，DO额外消耗了碳源，造成反硝化过程去除的C/N升高，碳源不 能得到有效利用，运行费用高。总之，悬浮填料反硝化系统出现了运行可靠性与运行高效性 不能兼顾的问题。要想获得较好的运行可靠性，需设置并增大曝气清洗筛网，防止堵塞；要 想获得较好的运行高效性，需控制限制DO，防止DO抑制反硝化菌，也防止DO额外消耗有机 碳源。

鉴于目前悬浮填料反硝化面临的问题，急需处理负荷高、运行费用低、运行稳定可 靠的悬浮填料反硝化系统，以解决污水处理面临的困境。

本发明针对悬浮填料用于反硝化系统，通过系统的优化，旨在解决以往悬浮填料 反硝化系统运行可靠与运行高效不能兼顾的问题。

鉴于背景技术中存在的问题，为解决现有技术中悬浮填料反硝化系统运行可靠与 运行高效不能兼顾的问题，本发明提出了一种污水强化总氮去除系统与方法，具有处理负 荷高、运行可靠、运行费用低等优点。

为了达到上述目的，本发明提供一种污水强化总氮去除系统，以及采用该处理系 统进行的一种污水强化总氮去除方法。

一种污水强化总氮去除系统，其特征在于，包括一个由缺氧搅拌区、曝气区、出水 区组成的生物反应系统，缺氧搅拌区设置搅拌器、弧形挡板和悬浮填料，缺氧搅拌区与曝气 区用隔墙分隔，隔墙上有过水洞和填料回流洞以连通缺氧搅拌区和曝气区，曝气区设置推 流器、曝气管，曝气区和出水区通过开孔隔板分隔，开孔隔板设有过水孔以连通曝气区和出 水区。

优选的，所述缺氧搅拌区设置弧形挡板，在隔墙过水洞端和填料回流洞端各设置 一块弧形挡板。隔墙过水洞端弧形挡板的设置用于阻挡悬浮填料进入曝气区，填料回流洞 端弧形挡板的设置用于防止缺氧搅拌区流态对来自填料回流洞的悬浮填料回流产生影响；

优选的，所述隔墙上设有过水洞和填料回流洞，过水洞和填料回流洞分别设置在隔墙 的两端;过水洞设置在隔墙下部，填料回流洞设置在隔墙上部；悬浮填料在反应中产气推动 填料上浮，悬浮填料整体位于反应器液位中线以上，过水洞设置在隔墙下部可减少填料进 入曝气区；填料回流洞设置在隔墙上部，有利于悬浮填料的回流。

优选的，所述隔墙上的过水洞与进水点在缺氧搅拌区对角设置；过水洞与进水点 在缺氧搅拌区对角设置旨在防止进水短流现象发生。

优选的，曝气区设置推流器，推流器与填料回流洞设置在同一侧，推流器向填料回 流洞方向推流；推流器推流方向指向填料回流洞，用于悬浮填料的回流推动。

优选的，曝气区和出水区通过开孔隔板分隔，开孔隔板为平板，或在平板上镶嵌圆 柱滚筒，在平板或滚筒上开过水孔，过水孔孔径小于悬浮填料直径；为本行业的人所熟知 的，开孔面积根据进水流量及回流比计算，保证过水水头损失<0.1m。

优选的，缺氧搅拌区池容/曝气区池容在4-6；控制曝气区容积旨在防止曝气区过 大，溶解氧较高影响缺氧搅拌区反硝化。通过将反硝化过程的反应和出水分离，一方面保证 出水开孔隔板可得到曝气和悬浮填料冲刷不至堵塞；一方面，将反应区（缺氧搅拌区）与曝 气区分离，防止曝气对反硝化影响；同时，通过弧形挡板、过水洞、填料回流洞的设置减少填 料在曝气区积累，也能及时向缺氧搅拌区回流。

一种污水强化总氮去除方法，采用上述污水处理设备，其特征在于，污水进入缺氧 搅拌区进行反硝化，污水和悬浮填料通过隔墙上的过水洞进入曝气区，并通过开孔隔板上 的过水孔进入出水区，流入曝气区的悬浮填料在曝气和推流器的作用下，通过填料回流洞 回流至缺氧搅拌区。污水指生活污水或工业废水，如果作为反应器的一个功能段，污水指前 方反应器的来水，包括夹带的活性污泥和回流液。

优选的，反硝化表面负荷为0.7-2.5gN/m2/d，反硝化过程去除的C/N在3.5-4.5；曝 气区曝气强度为5-20Nm3/m2/h，根据曝气区悬浮填料生物膜厚度调整曝气强度；当曝气区悬 浮填料生物膜平均厚度>200μm时，增大曝气，每次调整幅度为10-30%，每次调整后至少运行 48h，直到曝气区悬浮填料生物膜平均厚度降至150μm以下；当曝气区悬浮填料生物膜平均 厚度<50μm时，减少曝气，每次调整幅度为10-30%，每次调整后至少运行48h，直到曝气区悬 浮填料生物膜平均厚度升至80μm以上。

为本行业的人所熟知的，表面负荷，即单位时间内，单位悬浮填料膜面积去除的氮 的量，单位为gN/m2/d；通过系统内悬浮填料投加量，可与容积负荷进行换算；表面负荷大小 与碳源、温度、进水抑制物等多种因素相关，在10℃以生活污水为碳源时，反硝化表面负荷 在0.7-1.0gN/m2/d，在25℃以乙酸钠为碳源时，反硝化表面负荷在2.0-2.5gN/m2/d。

为本行业的人所熟知的，反硝化过程去除的C/N，按照反硝化过程去除的COD/反硝 化过程去除的氮，微生物代谢上，反硝化过程去除的C/N在2.86，即每去除1g氮需要 2.86gCOD，但由于微生物同化作用、溶解氧等影响，理论值为2.86/(1-Y)+0.26×DO，Y为产 率系数，单位为kgSS/kgCOD，当Y=0.5kgSS/kgCOD，DO=2mg/L时，该比值为6.24，实践中一般 在5.5-8；生物膜法产率系数低，一般Y=0.2-0.3kgSS/kgCOD，反硝化过程去除的C/N可达到 3.5-4.5，降低C/N消耗，节约碳源。

为本行业的人所熟知的，曝气强度，即单位面积在单位时间内的曝气量，单位为 Nm3/m2/h。曝气强度与悬浮填料填充率相关，随着悬浮填料填充率的增大而增大；同时，曝 气具有控制生物膜厚度的作用，防止缺氧搅拌产生的剪切力不足，导致生物膜老化，通过曝 气强力剪切，实现生物膜的更新；生物膜通过基质梯度传质，一般传质范围<200μm，超过此 范围时，通过加强曝气区曝气实现生物膜厚度控制；悬浮填料生物膜平均厚度在曝气区不 同3个位置，每个位置取10个悬浮填料，测定悬浮填料生物膜厚度，取平均值；

优选的，所述悬浮填料的密度为0.94～1.05g/cm3，悬浮填料填充率为10%-70%。反硝化 为产气反应，会推动填料上浮，为保证悬浮填料能够悬浮，悬浮填料原料密度应与水接近， 挂膜后比水略大，反应时可保证悬浮，减少搅拌和曝气动力能耗。

为本行业的人所熟知的，悬浮填料填充率，即悬浮填料的堆积体积与填充区域池 容的比值，填充率过低无法对筛网产生有效冲刷，可能引起筛网堵塞，填充率过高需要能耗 极大，不利于节能运行，要求在10-70%之间。

本发明的有益技术效果：

1）脱氮负荷高，最高可达2.5gN/m2/d，远高于传统活性污泥法和其他反硝化工艺；

2）碳源消耗少，最低反硝化过程C/N仅需3.5，接近理论值；

3）解决悬浮填料反硝化筛网堵塞问题；

4）降低悬浮填料反硝化曝气对反硝化过程的影响；

5）节约缺氧搅拌区能耗，无需通过高功率搅拌实现筛网清洗；

6）可控制优化生物膜厚度，提高生物膜更新速度，提高处理负荷；

7）可独立设置反硝化反应器，也可用于传统工艺反硝化区升级改造。

下面结合附图对本发明做进一步清楚、完整的说明：

图1为本发明一种污水强化总氮去除系统平面图；

图2为发明一种污水强化总氮去除系统立面图；

图3为本发明一种污水强化总氮去除系统沿隔墙的侧立面图；

图1、图2、图3中：1-进水，2-缺氧搅拌区，3-搅拌器，4-弧形挡板，5-过水洞，6-填料回流 洞，7-隔墙，8-曝气区，9-隔板，10-曝气管，11-推流器，12-出水区，13-悬浮填料。

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更清楚、明确，以下将结合具体实施例， 对本发明进一步详细说明。

本发明所述的一种污水强化总氮去除系统与方法，通过优化池型设计及控制参 数，实现系统的稳定高效运行。一方面，解决悬浮填料反硝化区筛网堵塞问题，也解决了悬 浮填料反硝化搅拌功率大、能耗高的问题，通过曝气实现筛网清洗；一方面，通过曝气强度 控制生物膜厚度，保证生物膜活性；一方面，降低曝气区回流至缺氧搅拌区流量，防止夹带 DO对反硝化过程的影响。本发明针对悬浮填料用于反硝化系统面临的问题，通过系统的优 化，实现悬浮填料反硝化系统处理负荷高、运行费用低、运行稳定，解决了以往悬浮填料反 硝化系统运行可靠与运行高效不能兼顾的问题。本发明适用于悬浮填料反硝化工艺，或污 水厂悬浮填料反硝化区改造，尤其适用于池容受限，脱氮效果不理想，只能原池改造的污水 厂。

图1、图2、图3示出本发明一种污水强化总氮去除系统的具体结构，其工作过程如 下：

1-进水，2-缺氧搅拌区，3-搅拌器，4-弧形挡板，5-过水洞，6-填料回流洞，7-隔墙，8-曝 气区，9-开孔隔板，10-曝气管，11-推流器，12-出水区，13-悬浮填料。

污水首先由进水1进入缺氧搅拌区2，悬浮填料13在搅拌器3的带动下充分与污水 接触，污水在悬浮填料13微生物作用下进行反硝化，随后污水和悬浮填料13通过隔墙7上的 过水洞5进入曝气区8，随后通过隔板9上的过水孔进入出水区12，悬浮填料受弧形挡板4阻 挡，大部分持留在缺氧搅拌区2，少部分经过过水洞5进入曝气区8，在曝气管10的作用下冲 洗隔板9，并通过推流器11作用下，隔墙7上的填料回流洞回流至缺氧搅拌区2。

出水区12可根据需要设置或不设置，不设置时直接接入下一反应器或反应功能 区。

本发明的一种污水强化总氮去除系统与方法较高的脱氮负荷、较少的碳源消耗、 防止筛网堵塞、降低曝气对反硝化过程的影响、节约能耗、优化微生物培养，适用于反硝化 反应器，也可用于传统工艺反硝化区升级改造。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制 本发明的范围。

实施例1：

新建悬浮填料反硝化反应系统，缺氧搅拌区池容/曝气区池容为6，投加悬浮填料，悬浮 填料的密度为0.98-1.05g/cm3，悬浮填料填充率为40%，有效比表面积≥620m2/m3。生活污水 进入缺氧搅拌区进行反硝化，污水和悬浮填料通过隔墙上的过水洞进入曝气区，并通过开 孔隔板上的过水孔进入出水区，流入曝气区的悬浮填料在曝气和推流器的作用下，通过填 料回流洞回流至缺氧搅拌区。悬浮填料反硝化表面负荷为1.8gN/m2/d，反硝化过程去除的 C/N在3.75；曝气区曝气强度为5Nm3/m2/h。运行30d后，发现根据曝气区悬浮填料生物膜厚度 增大，达到了210μm，增大曝气至6Nm3/m2/h，运行3d，发现曝气区悬浮填料生物膜平均厚度在 180μm，继续增大曝气至7.2N/m3/m2/h，运行3d，曝气区悬浮填料生物膜平均厚度降至140μm。

实施例2：

改造污水厂生化反应器的反硝化区域，将现有缺氧区分隔为缺氧搅拌区和曝气区，其 中缺氧搅拌区池容/曝气区池容为6，投加悬浮填料，悬浮填料的密度为0.98-1.05g/cm3，悬 浮填料填充率为60%，有效比表面积≥450m2/m3。生活污水进入缺氧搅拌区进行反硝化，污水 和悬浮填料通过隔墙上的过水洞进入曝气区，并通过开孔隔板上的过水孔进入出水区，流 入曝气区的悬浮填料在曝气和推流器的作用下，通过填料回流洞回流至缺氧搅拌区。悬浮 填料反硝化表面负荷为1.4gN/m2/d，反硝化过程去除的C/N在4.02；曝气区曝气强度为 10Nm3/m2/h。运行30d后，发现根据曝气区悬浮填料生物膜厚度仅为70μm，减少曝气至8Nm3/ m2/h，运行7d，发现曝气区悬浮填料生物膜平均厚度在110μm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰 也应视为本发明的保护范围。