专利名称：缺氧/好氧SBR-DEAMOX脱氮工艺处理低C/N比城市污水

专利号：ZL201310172611.X

专利类型：国家发明专利

申请日期：2013年5月12日

授权日期：2014年9月24日

专利权人：北京工业大学

发明人：彭永臻 杜睿 操沈彬 吴程程 王淑莹

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本发明涉及一种低能耗处理低碳氮比（C/N）城市污水的方法，将原水分为两部分，一部分进入缺氧/好氧SBR反应器，通过前置反硝化充分利用原水中有机物，随后曝气进行硝化，硝化液与另一部分原水再进入部分反硝化耦合厌氧氨氧化（DEAMOX）反应器，利用原水中的少量有机物通过部分反硝化生成亚硝态氮，再同步与原水中的氨氮通过厌氧氨氧化反应实现氮的去除。

主要创新点：

（1）首次通过前置SBR系统缺氧/好氧反应过程控制，实现低碳氮比城市污水中部分氨氮到硝酸盐的完全氧化，为后续DEAMOX工艺提供充足的反应基质，实现氨氮与硝酸盐同步去除，解决传统硝化/反硝化处理工艺曝气能耗巨大、运行费用高的关键问题。

（2）通过自动控制实现SBR系统间歇进水，且调控原水与硝化液进水流量，强化原水碳源被异养反硝化菌利用，旨在实现厌氧氨氧化与反硝化的协同脱氮，有效提高氨氮和硝化液中硝酸盐的去除效率，降低出水总氮浓度。

（3）首次提出通过硝酸盐还原为亚硝酸盐的短程反硝化工艺为厌氧氨氧化（Anammox）工艺提供所需电子受体，解决低碳氮比城市污水短程硝化过程难以实现和稳定维持的瓶颈问题。

（4）创新性地在序批式SBR反应系统中实现短程反硝化与厌氧氨氧化工艺耦合，利用组合SBR系统，构建新型DEAMOX工艺，实现低碳氮比城市污水的稳定、高效脱氮。

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本发明应用于城市污水处理领域，适用于采用序批式活性污泥法的城市污水处理厂。

本发明已在实际低碳比生活污水原水的脱氮处理过程中验证，具体实施情况如下：

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

图1 缺氧/好氧SBR-DEAMOX脱氮工艺处理低C/N比城市污水的流程

如图1所示，缺氧/好氧SBR-DEAMOX脱氮工艺的装置，包括原水箱1、缺氧/好氧SBR反应器2、中间水箱3、DEAMOX反应器4。

原水箱1中一部分污水通过第一蠕动泵2.1与缺氧/好氧SBR反应器2相连；该反应器设有搅拌装置2.2和温度控制装置2.3，反应器底部设有曝气头2.4，空气泵2.5通过气体流量计2.6与曝气头相连；缺氧/好氧SBR反应器一侧设取水口2.7和剩余污泥排放口2.8，缺氧/好氧SBR反应器与中间水箱3相连；原水箱通过第二蠕动泵3.1与中间水箱相连；第三蠕动泵4.1将中间水箱与DEAMOX反应器4相连；DEAMOX反应器设有搅拌装置4.2、温度控制装置4.3和取水口4.4。

在可行性研究过程中，采用的缺氧/好氧SBR反应器有效容积为12L，温度控制在25～28℃，污泥龄SRT控制为5d。首先将总污水量80%的污水泵入缺氧/好氧SBR反应器，进水体积为6L；进水后缺氧搅拌1h；随后曝气搅拌3h，控制系统中DO为2.0～4.0mg/L；曝气结束后沉淀30min，然后将硝化液排至中间水箱，排水比为50%，硝化液中NH4+-N为5～10 mg/L，NO3—N为30～40mg/L。

原水箱中每周期处理总污水量20%的污水通过蠕动泵进入中间水箱，进水体积2L，与硝化液混合，混合液COD为60～80mg/L，NH4+-N为18～26mg/L，NO3--N 为24～32 mg/L；将7.5L中间水箱中的混合液泵入DEAMOX反应器，DEAMOX反应器有效容积15L，温度控制在28～30℃，SRT为30d，进水后缺氧搅拌3h；沉淀40min；之后将上清液排出，排水比为50%，每周期排水体积为7.5L，出水NH4+-N＜2mg/L，TN＜5mg/L，TN去除率达到88%～90%。

连续试验结果表明：以实际生活污水为进水，缺氧/好氧SBR反应器污泥浓度MLSS控制为2000～2500mg/L，SRT为5d，缺氧搅拌1h，曝气搅拌3h，排水比为50%；同时DEAMOX反应器污泥浓度MLSS控制为1500～2500mg/L，SRT为30d，排水比为50%；整个系统每周期处理污水7.5L时，出水NH4+-N＜2mg/L，TN＜5mg/L，TN去除率达到91%～95%，能够实现城市污水深度脱氮。

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3.1 应用一：通过自动控制实现SBR间歇进水，充分利用原水碳源，从而提高出水水质；该技术已在昆明第三水质净化厂新厂区完成规模为6万m3/d的工程

示范，具体应用情况如下：

▶建设地点：昆明市第三水质净化厂新厂区。该厂位于昆明老运粮河的下游，紧靠滇池，设计处理水量 21万m3/d，处理后的尾水约5 万m3/d用于大观公园和大观河的清水回补，其中新厂区设计处理能力 6 万 m3/d，主体工艺均采用ICEAS工艺。应用SBR技术改造前，该厂存在的主要问题如下：

▶工程规模：新厂区占地面积约 46800m2，改建规模6万m3/d。

▶投入运行时间：升级改造示范工程于2017年10月完成施工并正式投运。

▶应用效果：

根据第三方连续监测（昆明市环境监测中心）数据，2017年10月—2018年4月，主要运行情况与污染物去除效果如下：

1）将原工艺进水方式由连续进水模式改为自动控制间歇进水模式，解决原水碳源未被合理利用的问题。

2）在原工艺基础上新增由主反应区至预反应区的污泥回流系统并在生反池新增搅拌装置，通过自动控制系统控制回流泵在搅拌和曝气阶段开启，解决预反应区未发挥应有功能的问题。

3）示范区平均进水COD为147.71mg/L，出水COD为7.57mg/L，平均去除率93.96%，说明改造后SBR工艺具有良好的COD去除效果。

4）出水中氨氮浓度基本保持在1mg/L以下，氨氮去除率高于95%，系统能够维持稳定的硝化效果。平均进水TN为26.63mg/L，平均出水TN为7.72mg/L，低于10mg/L。对比改造前，改造后TN去除提高47%，实现稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准基础上进一步提高出水水质。

图2 昆明第三水质净化厂（新厂区）全局图

图3 昆明第三水质净化厂（新厂区）SBR反应池曝气阶段运行效果

图4 昆明第三水质净化厂出水排放口

3.2应用二：通过SBR缺氧/好氧反应时序的优化调控，强化硝化和反硝化效果，实现城市污水深度脱氮；技术已在合肥朱砖井污水处理厂完成规模为5.5万m3/d的升级改造，具体应用情况如下：

▶建设地点：合肥市朱砖井污水厂一期建成于2004年，位于合肥市东南侧，一期工程设计规模分别为5.5万m3/d，出水排入二十埠河，最终排入巢湖。

▶工程规模：一期工程设计规模分别为5.5万m3/d。提高排放标准后，由于原工艺流程出水TN指标不能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A标准。

▶项目投入运行时间：2014年通过技术改造。

▶应用效果：

1）应用该SBR技术改造后具有运行模式灵活、管理方便、出水水质好的优势，在稳定出水NH4+-N的同时，生物池平均出水TN降低7.5 mg/L；

2）曝气系统改造和实施精准曝气后，出水水质更稳定，运行周期缩短，水量增加，电单耗降低了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应用三：基于改良SBR高效脱氮技术，通过改变进水模式和优化运行方式，解决污水处理厂碳源利用不合理、脱氮效果不理想等问题，实现了出水TN≤10mg/L。

建设地点：北京稻香湖再生水厂中试。

通过SBR进水比例的优化调控，实现硝酸盐到亚硝酸盐的短程反硝化过程，从而强化厌氧氨氧化脱氮，大大提高脱氮效率，同时降低能耗；该技术已在北京稻香湖污水处理厂建立中试基地，并成功启动。具体应用情况如下：将该污水处理厂低碳氮比污水间歇式进入前置缺氧/好氧SBR反应器，调控曝气和搅拌时间，实现氨氮的完全氧化；该系统出水与原水按比例进入DEAMOX工艺的SBR反应器，主要通过厌氧氨氧化过程实现总氮深度去除，出水总氮稳定低于10mg/L。

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本发明涉及的缺氧/好氧SBR-DEAMOX脱氮工艺处理低C/N比城市污水具有以下优点：

1）无需外加碳源，充分利用原水中的碳源，降低处理成本同时避免了新的污染物产生。针对低C/N比的城市污水脱氮，通过强化原水碳源被异养反硝化菌的充分利用，无需外加碳源，反硝化过程只需充分利用原水中碳源即可满足出水要求；

2）降低污水处理过程中的运行费用。处理过程中一部分污水中的有机物因前置反硝化被消耗，在随后的曝气过程中所需氧气量减少，另外部分原水中的NH4+-N无需氧化，通过厌氧氨氧化反应而去除，因此节省了整个反应过程所需曝气量。

3）无任何构筑物添加，仅是对工艺过程优化，节省改造成本。避免了新增附属构筑物和用地等带来的基建投资和改造成本，易于推广应用。

4）整个工艺操作简单。只需设定反应过程中各阶段的时间和进水流量，且无需复杂的控制过程，出水TN即可满足排放标准。

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本专利权所有人为北京工业大学，其有本专利使用、销售的权利，且有条件地允许他人使用专利技术，可在有关主管部门等批准的范围内推广应用。

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6.1经济效益

应用关于SBR运行优化调控技术的昆明第三污水处理厂工程改造，主要集中在三厂新厂区的SBR生化池内，原有池体尺寸未改变，改造工程量较少，仅新增污泥回流泵和潜水搅拌器。涉及构筑物主要为生化池，主要包括新增污泥回流泵的基础及池体内新增潜水搅拌器安装，以及配水渠改造。本工程在现状厂区内完成提标改造内容，不需新增占地面积和构筑物，节省基建费用和物耗。基于过程控制自控系统调控运行方式，减少运行管理复杂程度和不必要的人力、物力消耗。

应用关于SBR中实现DEAMOX高效脱氮技术的中试，在以低碳氮比污水原水为处理对象的长期运行过程中，出水总氮能够低于10mg/L，且节省曝气能耗25%以上，与传统硝化/反硝化工艺相比，大大降低处理能耗和费用，且实现达一级A排放标准，最高能够节省电耗40%。

6.2环境效益

本技术在无新增构筑物且无需外加碳源的条件下，通过自控控制间歇进水的实现，结合缺氧、好氧过程控制对周期时序和反应时间的灵活调控，进一步强化硝化、反硝化、厌氧氨氧化效果，最终实现出水有机物和TN浓度稳定达到一级A排放标准的基础上进一步提高出水水质，出水TN浓度低于10mg/L。

形成新型SBR高效脱氮工艺，TN去除率提高的前提下，出水稳定达一级A排放标准，且在优化控制条件下能够实现出水水质进一步提高，以达到更高污水处理排放要求。减少污泥产量和温室气体排放量，从而有效降低污水处理过程中产生二次污染风险。

6.3社会效益

本课题的实施具有较好的社会效益。一是有效遏制水体污染趋势，体现我国政府执政为民的治国理念，为构建和谐社会创造良好的条件；二是促进水产业的迅速发展，培养新的经济增长点，对于扩大就业和增加全社会收入产生较大推动作用；三是改善区域水环境质量，优化居民生活环境，提高居民保护环境意识。

此外，本技术为采用SBR及其变型工艺（ICEAS、CASS）的污水处理厂高效脱氮和节能降耗提供了关键技术：其升级改造简单、无需新增占地与构筑物，节省基建费用；基于过程控制策略的自控系统实现全方位调控，为污水处理厂建设、运行提供了科学方案，减少了运行管理人力和物力，为现有污水处理厂提标改造和待建污水处理厂运行优化提供参考。

综上所述，本技术成果的应用不仅经济环境效益显著，对保证社会经济可持续发展和生态系统良性循环具有积极作用。

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城镇污水处理厂是解决城市水污染的不可或缺的组成部分。我国城镇污水处理设施建设速度逐渐加快，目前全国每年废水排放总量超过700亿m3，城镇生活污水排放量超过500亿m3，其中城镇生活氨氮排放量高于130万m3，城镇生活污水处理是水污染控制的关键。众所周知，氮磷过度排放会造成水体富营养化的严重水污染问题，因此，经济高效地实现城市污水脱氮是控制水环境污染和改善水环境质量的重要措施。

目前城镇污水脱氮以活性污泥法为主，SBR工艺是常用处理工艺之一。然而，国内外污水处理厂SBR及其变形工艺（如ICEAS、CASS工艺）均采用连续进水运行模式，存在“用可贵的能源（有机物），去掉了更加珍贵的碳源” 的问题，特别是针对低C/N比城市污水，碳源利用不合理导致工艺脱氮效率低。部分含预反应区工艺未充分发挥其实际功能，生化池中硝化和反硝化功效果较差，无法满足完全硝化和反硝化脱氮的需求，导致出水总氮（TN）浓度过高，污水处理厂出水难以稳定达到一级A排放标准。

另一方面，污水处理厂的提标改造，除了对污水处理工艺进行改进、强化脱氮除磷功能外，污水处理过程运行调控和节能降耗等技术需求也不容忽视。厌氧氨氧化技术是一种新型的生物脱氮技术，脱氮效率高，曝气能耗低。虽然城市污水厌氧氨氧化脱氮工艺具有显著的经济效益和环境效益，但是该工艺的工程应用仍面对诸多技术瓶颈。

针对上述问题，本技术结合SBR法过程控制与功能微生物富集强化理论和方法，运用优化调控运行模式，通过自动控制实现曝气阶段不进水的间隙进水模式；采用SBR过程控制策略实现周期反应时序的灵活调控；培养驯化污泥实现不完全反硝化将硝酸盐还原为硝酸盐，强化城市污水的厌氧氨氧化脱氮性能，大大节省曝气能耗，无需外加碳源，同时提高低碳氮比污水的稳定高效脱氮和达标排放。

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获奖时间：2018年3月

获奖等级：安徽省科学技术二等奖

奖项名称：巢湖流域污水处理厂达到地表类IV类水标准关键技术及应用

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