ECOSUNIDE工艺在污水厂升级改造中的应用

ECOSUNIDE工艺

在污水厂升级改造中的应用中国矿业大学

2008年10月，天津《国家科技成果重点推广计划》项目“城市污水生物处理高效硝化新工艺”（项目编号:2004EC000132）发明专利：“一种污水生物处理高效硝化工艺”研究背景传统生物脱氮除磷技术由于具有脱除C、N、P且处理成本低等优点，而得到广泛应用，但脱氮除磷过程中存在的基质竞争和泥龄不同的矛盾使得处理效果相对较差，氨氮的硝化和磷的去除仍是整个生物处理的瓶颈。就脱氮而言，由于硝化菌的增殖速度缓慢，传统的污水二级生化处理工艺（A2/O、氧化沟等活性污泥法）为提高脱氮效率，工程投资较大，曝气时间较长，需要内回流，使得运行成本增加。就除磷而言，聚磷菌增殖缓慢，在整个生物菌群中所占比例较低，脱氮除磷的碳源分配比例难以控制，总磷去除量一般仅能脱除5mg/L左右。为提高除磷效果，常采用化学除磷技术，增加了运行成本。

研究背景提出统一动力学理论、动力学负荷理论、回流污泥浓度优化理论，创造出特殊工艺条件，提高了活性污泥中的硝化菌、聚磷菌的比例，突破了传统活性污泥法硝化速度慢、除磷量较少的瓶颈，实现了短时高效脱氮除磷，最终研发出城市污水高效脱氮除磷处理新工艺。实现了以下目的：1、针对以上关键问题，研究出短时高效脱氮除磷的关键机理，应用统一动力学理论构建可供实际工程应用的、完善的新工艺及技术体系。通过工况条件的控制，使得硝化菌和聚磷菌在整个生物菌群中的比例提高；明显缩短了硝化时间；在碳源充足条件下，总磷去除量可达4-10mg/L。2、经过设计优化，可使污水处理主体工程投资节约20%左右，运行成本费用降低20％左右。

研究思路

本质上讲，活性污泥法除磷脱氮的实质就是利用一系列工程技术方法培养优势目的菌群。因此，我们认为：用生态学思想进行活性污泥生态系统的有效调控是该工艺除磷脱氮技术发展的最好出路。

理论部分

一、统一动力学理论该理论揭示了高污泥浓度有利于弱势菌群生长的机理，为提高活性污泥中硝化菌和聚磷菌的比例、加快硝化速度、提高除磷量提供了理论依据。为了解决废水生物处理反应动力学中长期悬而未决的一相说与两相说的矛盾，我们对生物化学学科中的酶反应过程进行重新推导，从而提出了一个新的酶动力学方程。

一相说是将有机物的降解用以下数学模型描述：

-ds/dt为有机物降解速度，k为降解常数，K为半饱和常数（又称米—门常数），X为微生物浓度（工程上为活性污泥浓度），S为有机物浓度。一相说是以米—门酶反应动力学方程为基础提出的，形式上与表达微生物增长速度的莫诺方程相似。

二相说为埃肯费尔德Eckenfelder等人所支持，是将有机物的降解分为高有机物浓度和低有机物浓度二相而分别采用不同的数学模式。

高浓度时，有机物降解速度与其浓度无关，呈零级反应，与活性污泥浓度呈一级反应，低有机物浓度时，有机物降解速度与其浓度和活性污泥浓度均呈一级反应，用下式可表达：

高浓度时

低浓度时

式中，k2为降解速度常数，约等于k/K，其它字母意义同前。统一说说由中中国矿矿业大大学张张雁秋秋提出出，并并证明明一相相说与与二相相说是是统一一说的的两种种极端端形式式，统统一说说的数数学模模型表表示如如下：：式中字字母意意义均均同前前。-dS/dtS统一说模型中K变大时，统一说趋向于一相说统一说模型中K变小时，统一说趋向于二相说

统一说

二相说

一相说有机物降解动力学过程的三种假说的关系

1.00.50.0

Blackman模型Monod模型用于海洋水生生物的种群模型新模型,

z

=0.9843实际实验数据

图几种模型对实际实验数据吻合情况

0510S/K底物相相对比比递减减速度度生物相相对比比增长长速度度模型类型参数趋向模型名称模型形式模型名称模型形式K→0Eckenfelder模型S/XS<X时1S≥X时Blackman模型S/XS<X时1S≥X时∞来源？S/（KZ+X+S）来源？S/（KZ+X+S）S→0来源？S/（KZ+X）来源？S/（KZ+X）∞Eckenfelder模型1马尔萨斯模型1X→0米-门模型S/（KZ+S）Monod模型S/（KZ+S）∞McKinney模型S/X来源？S/X二、活活性污污泥法法动力力学负负荷活性污污泥法法动力力学负负荷由由中国国矿业业大学学张雁雁秋首首次提提出：：**动力学学负荷荷是曝曝气池池设计计的主主要根根据，，因为为除了了曝气气池体体积V待解外外，其其它参参数均均可确确定。。式中S*为曝气气池内内底物物（对对数））平均均浓度度，表表示较较为复复杂。。从图可可以看看出，，要提提高硝硝化微微生物物的在在活性性污泥泥总量量中的的比例例，造造成脱脱氮优优势，，必须须使BOD、NH4+浓度小小于图图3-6上两条条曲线线的交交点，，即将将活性性污泥泥系统统中的的BOD平均浓浓度控控制在在较低低水平平（〈20mg/l〉。也就是是说将将整个个活性性污泥泥系统统控制制在低低营养养水平平的状状态下下，才才能高高效的的硝化化脱氮氮。硝化反反应是是由亚亚硝酸酸菌和和硝酸酸菌两两种细细菌共共同完完成的的，这这两种种细菌菌均属属于化化能自自养型型微生生物。。在活活性污污泥微微生物物中，，硝化化菌的的比例例与污污水的的BOD5/TKN有关，，若水水中BOD5值高，，有助助于异异养菌菌的迅迅速繁繁殖，，使硝硝化菌菌的生生长受受到抑抑制，，只有有当BOD5低于20mg/l时，硝硝化反反应才才开始始进行行。高污泥泥浓度度对硝硝化有有利增加活活性污污泥浓浓度可可以相相对提提高硝硝化菌菌的优优势。。在此此情况况下,脱碳菌菌类因因浓度度过高高而生生长速速度相相对下下降,使得硝硝化菌菌的比比例有有所提提高。。因此此,在同样样的污污泥总总量情情况下下,短时高高污泥泥浓度度要比比延时时低污污泥浓浓度在在硝化化脱氮氮方面面更为为有效效.这是我我们开开发研研究短短时硝硝化脱脱氮工工艺的的主要要理论论根据据。分点进进水使使曝气气池中中的活活性污污泥浓浓度在在池首首端明明显较较高，，在同同样条条件（（同样样的回回流污污泥浓浓度及及同样样的污污泥回回流比比）下下，曝曝气池池中污污泥平平均浓浓度明明显高高于推推流式式活性性污泥泥法的的污泥泥浓度度污泥浓度(mg/L)

200040006000800010000

图2在不同污泥浓度下的微生物比增殖速度V聚磷菌其他菌群V0.2

0.10就除磷来说说，活性污污泥微生物物中聚磷菌菌类和其他他菌种并存存，一般情情况下，聚聚磷菌类处处于弱势，，在活性污污泥中比例例较小。根根据前述公公式可计算算出污泥浓浓度下的比比增殖速度度V（增长率）），并绘出出上图，从从上图中可可以看出，，要提高聚聚磷菌群在在活性污泥泥总量中的的比例，提提高厌氧释释磷负荷，，造成释磷磷、聚磷优优势，必须须使污泥浓浓度不低于于上图中两两条曲线的的交点。三、回流污污泥浓度优优化理论曝气池污泥泥浓度计算算公式一般般表示为：：我们提出的的回流污泥泥浓度计算算模型为：：以上式中，，X为曝气池污污泥浓度；；r为污泥回流流比；Xr为回流污泥泥浓度；Xm为重力沉降降情况下的的最高污泥泥浓度；k为沉降速度度常数，与与二沉池构构造和污泥泥特性有关关；Vr为二沉池污污泥区容积积；Q为处理水量量。图回流比对曝气池污泥浓度及回流污泥浓度的影响rXXrX00123456（克/升）126曝气池污泥泥浓度X及回流污泥泥浓度Xr随回流比的的变化趋势势见图由上图可以以看出：回回流比增大大，Xr随之逐渐降降低，而X则逐渐增高高；当回流流比趋向于于无穷大时时，二者趋趋向于同一一数值。在一定范围围内，提高高污泥回流流比可大幅幅度提高曝曝气池污泥泥浓度，进进而可以提提高活性污污泥法系统统的处理效效率，然而而回流比提提高的同时时使得曝气气池内有机机物平均浓浓度有所降降低。四、同步硝硝化反硝化化理论通过控制曝曝气池溶解解氧浓度，，结合分点点多段进水水，创造有有利于同步步硝化反硝硝化的工况况，从而降降低回流污污泥中的溶溶解氧，以以利于厌氧氧段磷的释释放。工程部分工艺流程回流污泥剩余污泥污水二沉池尾水厌氧区缺氧区好氧区图3ECOSUNIDE工艺流程Fig.3ECOSUNIDEprocess一、技术先先进性☆根据先先进的统一一动力学理理论、动力力学负荷理理论、污泥泥浓度优化化理论、同同步硝化反反硝化理论论、种群增增殖速度的的密度控制制理论、种种群增殖速速度的营养养工况控制制理论等先先进理论作作为新工艺艺的主要理理论基础；；☆依靠准准确的分点点配水计算算方法结合合厌氧、好好氧、缺氧氧反应时间间的合理安安排，使得得活性污泥泥系统中的的生态系统统得到人工工优化，从从而提高了了出水水质质，并大大大降低了工工程投资；；☆分点配配水造成的的高污泥浓浓度，使硝硝化菌群及及聚磷菌群群处于生长长优势，提提高脱氮除除磷效率；；☆采用了了节能集成成技术，包包括分级多多次硝化反反硝化技术术、同步硝硝化反硝化化、高效曝曝气技术、、无内回流流技术、高高污泥浓度度梯度污泥泥减量技术术、高污泥泥浓度高效效捕集气泡泡技术，可可节约运行行费用20%左右。二、技术成成熟性该项目已在在徐州国祯祯水务运营营有限公司司、临沂市市污水处理理厂、临沂沂润泽水务务有限公司司、德州联联合润通水水务有限公公司得到成成功应用。。（1）徐州国祯祯水务运营营有限公司司(16.5万吨/日)原初沉池改改作厌氧池池，污泥回回流从进入入曝气池改改为进入厌厌氧池，进进行生物释释磷；原污污水一部分分进入厌氧氧反应池（（停留时间间2小时）；另另一部分原原污水分多多点进入好好氧缺氧反反应池（停停留时间3.1小时），提提高曝气池池内活性污污泥浓度，，实测池内内污泥平均均浓度高达达5000mg/L（MLSS）左右；改改变原曝气气池并联运运行方式为为串联运行行。厌氧池池的污泥浓浓度控制在在>10000mg/L(回流污泥浓浓度为14000mg/L左右)。经过五年多多的运行，，该工艺表表现出短时时高效硝化化脱除氨氮氮的良好性性能，出水水水质稳定定地优于污污水处理厂厂一级（B）排放标准准，一般情情况下出水水水质为：：CODCr≤45mg/L，BOD5≤≤8mg/L，NH3-N≤3mg/L，TN≤15mg/L，TP≤1.0mg/L，SS≤20mg/L。（2）临沂市污污水处理厂厂(10万吨/日)初沉污泥剩余污泥初沉池氧化沟二沉池图7原工艺流程污泥回流污水剩余污泥污泥回流厌氧池好氧缺氧池二沉池图8改造工艺流程污水利用原初沉沉池作为厌厌氧池，污污泥回流从从进入曝气气池改为进进入厌氧池池，进行生生物释磷；；原污水一一部分进入入厌氧反应应池（停留留时间2小时时））；；另另一一部部分分原原污污水水分分多多点点进进入入好好氧氧缺缺氧氧反反应应池池（（原原氧氧化化沟沟改改造造而而成成，，停停留留时时间间6小时时）），，提提高高曝曝气气池池内内活活性性污污泥泥浓浓度度，，实实测测池池内内污污泥泥平平均均浓浓度度高高达达6000mg/L（MLSS）左左右右。。厌厌氧氧池池的的污污泥泥浓浓度度控控制制在在>9000mg/L（回回流流污污泥泥浓浓度度为为12000mg/L左右右)。改造造后后提提高高了了污污水水处处理理效效率率，，不不仅仅未未增增加加动动力力费费用用，，反反而而通通过过停停止止内内回回流流节节省省了了推推进进器器的的能能耗耗，，与与其其他他工工艺艺相相比比，，运运行行费费用用节节约约20%以上上。。（3）临临沂沂润润泽泽水水务务有有限限公公司司（（5万吨吨/日））水解池生物滤池接触氧化池厌氧池平流式沉淀池辐流式沉淀池图10新工艺流程图9原工艺流程污水污水污泥回流污泥回流O1O2O3AO4辐流式沉淀池原水水解解池池的的一一部部分分改改为为厌厌氧氧池池，，停停留留时时间间1.50小时时。。原原水水解解池池的的另另一一部部分分改改为为O1曝气气池池，，停停留留时时间间3.34小时时。。原原生生物物滤滤池池改改为为好好氧氧池池和和缺缺氧氧池池，，好好氧氧池池总总停停留留时时间间9.34小时时，，缺缺氧氧池池停停留留时时间间2小时时；；曝曝气气池池分分布布为为O1、O2、O3、O4四座座，，A池为为缺缺氧氧池池。。原原接接触触氧氧化化池池改改为为平平流流沉沉淀淀池池，，与与原原辐辐流流式式沉沉淀淀池池并并联联共共用用。。（4）德州州联联合合润润通通水水务务有有限限公公司司（（10万吨吨/日））氧化沟二沉池图11原工艺流程好氧缺氧池二沉池图12新工艺流程厌氧池污水污水污泥回流污泥回流目前前已已完完成成2.5万吨吨试试验验改改造造。。工艺艺特特点点主要要发发现现：：根据据统统一一动动力力学学理理论论发发现现了了生生物物因因子子非非线线性性反反应应增增长长现现象象，，即即生生物物浓浓度度较较高高时时，，反反应应速速度度与与生生物物浓浓度度之之间间呈呈非非线线性性关关系系（（增增加加生生物物浓浓度度时时反反应应速速度度增增加加较较少少）），，增增加加活活性性污污泥泥浓浓度度，，相相对对提提高高