專利名稱：缺氧/好氧SBR-DEAMOX脫氮工藝處理低C/N比城市污水

專利號：ZL201310172611.X

專利類型：國家發明專利

申請日期：2013年5月12日

授權日期：2014年9月24日

專利權人：北京工業大學

發明人：彭永臻 杜睿 操沈彬 吳程程 王淑瑩

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本發明涉及一種低能耗處理低碳氮比（C/N）城市污水的方法，將原水分為兩部分，一部分進入缺氧/好氧SBR反應器，通過前置反硝化充分利用原水中有機物，隨后曝氣進行硝化，硝化液與另一部分原水再進入部分反硝化耦合厭氧氨氧化（DEAMOX）反應器，利用原水中的少量有機物通過部分反硝化生成亞硝態氮，再同步與原水中的氨氮通過厭氧氨氧化反應實現氮的去除。

主要創新點：

（1）首次通過前置SBR系統缺氧/好氧反應過程控制，實現低碳氮比城市污水中部分氨氮到硝酸鹽的完全氧化，為后續DEAMOX工藝提供充足的反應基質，實現氨氮與硝酸鹽同步去除，解決傳統硝化/反硝化處理工藝曝氣能耗巨大、運行費用高的關鍵問題。

（2）通過自動控制實現SBR系統間歇進水，且調控原水與硝化液進水流量，強化原水碳源被異養反硝化菌利用，旨在實現厭氧氨氧化與反硝化的協同脫氮，有效提高氨氮和硝化液中硝酸鹽的去除效率，降低出水總氮濃度。

（3）首次提出通過硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的短程反硝化工藝為厭氧氨氧化（Anammox）工藝提供所需電子受體，解決低碳氮比城市污水短程硝化過程難以實現和穩定維持的瓶頸問題。

（4）創新性地在序批式SBR反應系統中實現短程反硝化與厭氧氨氧化工藝耦合，利用組合SBR系統，構建新型DEAMOX工藝，實現低碳氮比城市污水的穩定、高效脫氮。

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本發明應用于城市污水處理領域，適用于采用序批式活性污泥法的城市污水處理廠。

本發明已在實際低碳比生活污水原水的脫氮處理過程中驗證，具體實施情況如下：

原水采用北京市某小區生活污水，COD為200～300mg/L，NH4+-N 為60～85mg/L，TN為60～90mg/L；其C/N比在2.2～3.5之間，屬于典型的低C/N比城市污水；原水收集到原水箱。

圖1 缺氧/好氧SBR-DEAMOX脫氮工藝處理低C/N比城市污水的流程

如圖1所示，缺氧/好氧SBR-DEAMOX脫氮工藝的裝置，包括原水箱1、缺氧/好氧SBR反應器2、中間水箱3、DEAMOX反應器4。

原水箱1中一部分污水通過第一蠕動泵2.1與缺氧/好氧SBR反應器2相連；該反應器設有攪拌裝置2.2和溫度控制裝置2.3，反應器底部設有曝氣頭2.4，空氣泵2.5通過氣體流量計2.6與曝氣頭相連；缺氧/好氧SBR反應器一側設取水口2.7和剩余污泥排放口2.8，缺氧/好氧SBR反應器與中間水箱3相連；原水箱通過第二蠕動泵3.1與中間水箱相連；第三蠕動泵4.1將中間水箱與DEAMOX反應器4相連；DEAMOX反應器設有攪拌裝置4.2、溫度控制裝置4.3和取水口4.4。

在可行性研究過程中，采用的缺氧/好氧SBR反應器有效容積為12L，溫度控制在25～28℃，污泥齡SRT控制為5d。首先將總污水量80%的污水泵入缺氧/好氧SBR反應器，進水體積為6L；進水后缺氧攪拌1h；隨后曝氣攪拌3h，控制系統中DO為2.0～4.0mg/L；曝氣結束后沉淀30min，然后將硝化液排至中間水箱，排水比為50%，硝化液中NH4+-N為5～10 mg/L，NO3—N為30～40mg/L。

原水箱中每周期處理總污水量20%的污水通過蠕動泵進入中間水箱，進水體積2L，與硝化液混合，混合液COD為60～80mg/L，NH4+-N為18～26mg/L，NO3--N 為24～32 mg/L；將7.5L中間水箱中的混合液泵入DEAMOX反應器，DEAMOX反應器有效容積15L，溫度控制在28～30℃，SRT為30d，進水后缺氧攪拌3h；沉淀40min；之后將上清液排出，排水比為50%，每周期排水體積為7.5L，出水NH4+-N＜2mg/L，TN＜5mg/L，TN去除率達到88%～90%。

連續試驗結果表明：以實際生活污水為進水，缺氧/好氧SBR反應器污泥濃度MLSS控制為2000～2500mg/L，SRT為5d，缺氧攪拌1h，曝氣攪拌3h，排水比為50%；同時DEAMOX反應器污泥濃度MLSS控制為1500～2500mg/L，SRT為30d，排水比為50%；整個系統每周期處理污水7.5L時，出水NH4+-N＜2mg/L，TN＜5mg/L，TN去除率達到91%～95%，能夠實現城市污水深度脫氮。

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3.1 應用一：通過自動控制實現SBR間歇進水，充分利用原水碳源，從而提高出水水質；該技術已在昆明第三水質凈化廠新廠區完成規模為6萬m3/d的工程

示范，具體應用情況如下：

▶建設地點：昆明市第三水質凈化廠新廠區。該廠位于昆明老運糧河的下游，緊靠滇池，設計處理水量 21萬m3/d，處理后的尾水約5 萬m3/d用于大觀公園和大觀河的清水回補，其中新廠區設計處理能力 6 萬 m3/d，主體工藝均采用ICEAS工藝。應用SBR技術改造前，該廠存在的主要問題如下：

▶工程規模：新廠區占地面積約 46800m2，改建規模6萬m3/d。

▶投入運行時間：升級改造示范工程于2017年10月完成施工并正式投運。

▶應用效果：

根據第三方連續監測（昆明市環境監測中心）數據，2017年10月—2018年4月，主要運行情況與污染物去除效果如下：

1）將原工藝進水方式由連續進水模式改為自動控制間歇進水模式，解決原水碳源未被合理利用的問題。

2）在原工藝基礎上新增由主反應區至預反應區的污泥回流系統并在生反池新增攪拌裝置，通過自動控制系統控制回流泵在攪拌和曝氣階段開啟，解決預反應區未發揮應有功能的問題。

3）示范區平均進水COD為147.71mg/L，出水COD為7.57mg/L，平均去除率93.96%，說明改造后SBR工藝具有良好的COD去除效果。

4）出水中氨氮濃度基本保持在1mg/L以下，氨氮去除率高于95%，系統能夠維持穩定的硝化效果。平均進水TN為26.63mg/L，平均出水TN為7.72mg/L，低于10mg/L。對比改造前，改造后TN去除提高47%，實現穩定達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準基礎上進一步提高出水水質。

圖2 昆明第三水質凈化廠（新廠區）全局圖

圖3 昆明第三水質凈化廠（新廠區）SBR反應池曝氣階段運行效果

圖4 昆明第三水質凈化廠出水排放口

3.2應用二：通過SBR缺氧/好氧反應時序的優化調控，強化硝化和反硝化效果，實現城市污水深度脫氮；技術已在合肥朱磚井污水處理廠完成規模為5.5萬m3/d的升級改造，具體應用情況如下：

▶建設地點：合肥市朱磚井污水廠一期建成于2004年，位于合肥市東南側，一期工程設計規模分別為5.5萬m3/d，出水排入二十埠河，最終排入巢湖。

▶工程規模：一期工程設計規模分別為5.5萬m3/d。提高排放標準后，由于原工藝流程出水TN指標不能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A標準。

▶項目投入運行時間：2014年通過技術改造。

▶應用效果：

1）應用該SBR技術改造后具有運行模式靈活、管理方便、出水水質好的優勢，在穩定出水NH4+-N的同時，生物池平均出水TN降低7.5 mg/L；

2）曝氣系統改造和實施精準曝氣后，出水水質更穩定，運行周期縮短，水量增加，電單耗降低了14.9%；

3）出水COD≤30mg/L，出水NH4+-N≤2.5 mg/L，出水TN≤10mg/L，出水TP≤0.3mg/L。

3.3應用三：基于改良SBR高效脫氮技術，通過改變進水模式和優化運行方式，解決污水處理廠碳源利用不合理、脫氮效果不理想等問題，實現了出水TN≤10mg/L。

建設地點：北京稻香湖再生水廠中試。

通過SBR進水比例的優化調控，實現硝酸鹽到亞硝酸鹽的短程反硝化過程，從而強化厭氧氨氧化脫氮，大大提高脫氮效率，同時降低能耗；該技術已在北京稻香湖污水處理廠建立中試基地，并成功啟動。具體應用情況如下：將該污水處理廠低碳氮比污水間歇式進入前置缺氧/好氧SBR反應器，調控曝氣和攪拌時間，實現氨氮的完全氧化；該系統出水與原水按比例進入DEAMOX工藝的SBR反應器，主要通過厭氧氨氧化過程實現總氮深度去除，出水總氮穩定低于10mg/L。

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本發明涉及的缺氧/好氧SBR-DEAMOX脫氮工藝處理低C/N比城市污水具有以下優點：

1）無需外加碳源，充分利用原水中的碳源，降低處理成本同時避免了新的污染物產生。針對低C/N比的城市污水脫氮，通過強化原水碳源被異養反硝化菌的充分利用，無需外加碳源，反硝化過程只需充分利用原水中碳源即可滿足出水要求；

2）降低污水處理過程中的運行費用。處理過程中一部分污水中的有機物因前置反硝化被消耗，在隨后的曝氣過程中所需氧氣量減少，另外部分原水中的NH4+-N無需氧化，通過厭氧氨氧化反應而去除，因此節省了整個反應過程所需曝氣量。

3）無任何構筑物添加，僅是對工藝過程優化，節省改造成本。避免了新增附屬構筑物和用地等帶來的基建投資和改造成本，易于推廣應用。

4）整個工藝操作簡單。只需設定反應過程中各階段的時間和進水流量，且無需復雜的控制過程，出水TN即可滿足排放標準。

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本專利權所有人為北京工業大學，其有本專利使用、銷售的權利，且有條件地允許他人使用專利技術，可在有關主管部門等批準的范圍內推廣應用。

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6.1經濟效益

應用關于SBR運行優化調控技術的昆明第三污水處理廠工程改造，主要集中在三廠新廠區的SBR生化池內，原有池體尺寸未改變，改造工程量較少，僅新增污泥回流泵和潛水攪拌器。涉及構筑物主要為生化池，主要包括新增污泥回流泵的基礎及池體內新增潛水攪拌器安裝，以及配水渠改造。本工程在現狀廠區內完成提標改造內容，不需新增占地面積和構筑物，節省基建費用和物耗。基于過程控制自控系統調控運行方式，減少運行管理復雜程度和不必要的人力、物力消耗。

應用關于SBR中實現DEAMOX高效脫氮技術的中試，在以低碳氮比污水原水為處理對象的長期運行過程中，出水總氮能夠低于10mg/L，且節省曝氣能耗25%以上，與傳統硝化/反硝化工藝相比，大大降低處理能耗和費用，且實現達一級A排放標準，最高能夠節省電耗40%。

6.2環境效益

本技術在無新增構筑物且無需外加碳源的條件下，通過自控控制間歇進水的實現，結合缺氧、好氧過程控制對周期時序和反應時間的靈活調控，進一步強化硝化、反硝化、厭氧氨氧化效果，最終實現出水有機物和TN濃度穩定達到一級A排放標準的基礎上進一步提高出水水質，出水TN濃度低于10mg/L。

形成新型SBR高效脫氮工藝，TN去除率提高的前提下，出水穩定達一級A排放標準，且在優化控制條件下能夠實現出水水質進一步提高，以達到更高污水處理排放要求。減少污泥產量和溫室氣體排放量，從而有效降低污水處理過程中產生二次污染風險。

6.3社會效益

本課題的實施具有較好的社會效益。一是有效遏制水體污染趨勢，體現我國政府執政為民的治國理念，為構建和諧社會創造良好的條件；二是促進水產業的迅速發展，培養新的經濟增長點，對于擴大就業和增加全社會收入產生較大推動作用；三是改善區域水環境質量，優化居民生活環境，提高居民保護環境意識。

此外，本技術為采用SBR及其變型工藝（ICEAS、CASS）的污水處理廠高效脫氮和節能降耗提供了關鍵技術：其升級改造簡單、無需新增占地與構筑物，節省基建費用；基于過程控制策略的自控系統實現全方位調控，為污水處理廠建設、運行提供了科學方案，減少了運行管理人力和物力，為現有污水處理廠提標改造和待建污水處理廠運行優化提供參考。

綜上所述，本技術成果的應用不僅經濟環境效益顯著，對保證社會經濟可持續發展和生態系統良性循環具有積極作用。

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城鎮污水處理廠是解決城市水污染的不可或缺的組成部分。我國城鎮污水處理設施建設速度逐漸加快，目前全國每年廢水排放總量超過700億m3，城鎮生活污水排放量超過500億m3，其中城鎮生活氨氮排放量高于130萬m3，城鎮生活污水處理是水污染控制的關鍵。眾所周知，氮磷過度排放會造成水體富營養化的嚴重水污染問題，因此，經濟高效地實現城市污水脫氮是控制水環境污染和改善水環境質量的重要措施。

目前城鎮污水脫氮以活性污泥法為主，SBR工藝是常用處理工藝之一。然而，國內外污水處理廠SBR及其變形工藝（如ICEAS、CASS工藝）均采用連續進水運行模式，存在“用可貴的能源（有機物），去掉了更加珍貴的碳源” 的問題，特別是針對低C/N比城市污水，碳源利用不合理導致工藝脫氮效率低。部分含預反應區工藝未充分發揮其實際功能，生化池中硝化和反硝化功效果較差，無法滿足完全硝化和反硝化脫氮的需求，導致出水總氮（TN）濃度過高，污水處理廠出水難以穩定達到一級A排放標準。

另一方面，污水處理廠的提標改造，除了對污水處理工藝進行改進、強化脫氮除磷功能外，污水處理過程運行調控和節能降耗等技術需求也不容忽視。厭氧氨氧化技術是一種新型的生物脫氮技術，脫氮效率高，曝氣能耗低。雖然城市污水厭氧氨氧化脫氮工藝具有顯著的經濟效益和環境效益，但是該工藝的工程應用仍面對諸多技術瓶頸。

針對上述問題，本技術結合SBR法過程控制與功能微生物富集強化理論和方法，運用優化調控運行模式，通過自動控制實現曝氣階段不進水的間隙進水模式；采用SBR過程控制策略實現周期反應時序的靈活調控；培養馴化污泥實現不完全反硝化將硝酸鹽還原為硝酸鹽，強化城市污水的厭氧氨氧化脫氮性能，大大節省曝氣能耗，無需外加碳源，同時提高低碳氮比污水的穩定高效脫氮和達標排放。

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獲獎時間：2018年3月

獲獎等級：安徽省科學技術二等獎

獎項名稱：巢湖流域污水處理廠達到地表類IV類水標準關鍵技術及應用

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