(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111977896 A(43)申请公布日 2020.11.24
(21)申请号 202010788320.3(22)申请日 2020.08.07
(71)申请人 中国电建集团江西省电力建设有限
公司
地址 330100 江西省南昌市青云谱区广州
路69号(72)发明人 周鑫 刘青 吴浩宇
(74)专利代理机构 南昌市平凡知识产权代理事
务所 36122
代理人 欧阳沁(51)Int.Cl.
C02F 9/14(2006.01)C02F 3/30(2006.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图2页
(54)发明名称
一种基于MSBR工艺的废水处理系统及方法(57)摘要
本发明提供一种基于MSBR工艺的废水处理系统及方法，废水依次经过粗格栅、进水泵房、细格栅、曝气沉砂池、MSBR池、高密度沉淀池和紫外消毒池，MSBR池和高密度沉淀池中的污泥排入储泥池，再经污泥脱水机房脱水后外运，储泥池中的污泥上清液和污泥脱水机房中的污泥残液回流至粗格栅，废水经所述曝气沉砂池流出后，通过进水管进入厌氧区，同时污泥提升泵将预缺氧区内的污泥提升至所述厌氧区，厌氧区出水进入缺氧区，缺氧区出水进入主曝气区，主曝气区的硝化液通过消化液回流管回流至所述缺氧区，主曝气区出水进入第一序批区和第二序批区，所述第一序批区和第二序批区的剩余污泥排入预缺氧区，污泥经过沉淀后进入污泥浓缩区。
CN 111977896 ACN 111977896 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于MSBR工艺的废水处理系统，所述废水处理系统包括依次连通的粗格栅、进水泵房、细格栅、曝气沉砂池、MSBR池、高密度沉淀池和紫外消毒池，所述MSBR池和所述高密度沉淀池分别与储泥池连通，所述储泥池与污泥脱水机房连通，所述储泥池和所述污泥脱水机房分别与所述粗格栅连通，其特征在于：所述MSBR池包括依次连通的预缺氧区、污泥浓缩区、厌氧区、缺氧区、主曝气区、第一序批区和第二序批区。
2.根据权利要求1所述的一种基于MSBR工艺的废水处理系统，其特征在于：所述曝气沉砂池的出水管直接跟所述厌氧区进水管连通，所述厌氧区出水管跟所述缺氧区进水管连通，所述缺氧区出水管跟所述主曝气区进水管连通，所述主曝气区出水管分别与所述第一序批区和所述第二序批区进水管连通。
3.根据权利要求1所述的一种基于MSBR工艺的废水处理系统，其特征在于：所述预缺氧区设有污泥提升泵，所述主曝气区与所述缺氧区之间设有消化液回流管，所述缺氧区和所述主曝气区分别设有在线pH计，所述厌氧区、所述缺氧区、所述主曝气区、所述第一序批区和所述第二序批区均设有搅拌机组，所述主曝气区还设有ORP检测仪、溶解氧检测仪和总悬浮固体检测仪。
4.一种基于MSBR工艺的废水处理方法，废水依次经过粗格栅、进水泵房、细格栅、曝气沉砂池、MSBR池、高密度沉淀池和紫外消毒池，所述MSBR池和所述高密度沉淀池中的污泥排入储泥池，再经污泥脱水机房脱水后外运，所述储泥池中的污泥上清液和所述污泥脱水机房中的污泥残液回流至所述粗格栅，其特征在于：所述废水经所述曝气沉砂池流出后，通过进水管进入厌氧区，同时污泥提升泵将预缺氧区内的污泥提升至所述厌氧区，所述厌氧区出水进入缺氧区，所述缺氧区出水进入主曝气区，所述主曝气区的硝化液通过消化液回流管回流至所述缺氧区，所述主曝气区出水进入第一序批区和第二序批区，所述第一序批区和所述第二序批区的剩余污泥排入预缺氧区，污泥经过沉淀后进入污泥浓缩区。
5.根据权利要求4所述的一种基于MSBR工艺的废水处理方法，其特征在于：所述第一序批区和所述第二序批区交替间歇运行，并循环进行进水搅拌、曝气和沉淀出水程序。
6.根据权利要求4所述的一种基于MSBR工艺的废水处理方法，其特征在于：所述废水进入MSBR池后，通过在所述缺氧区投加碳源优化脱氮反应的碳氮比例，通过在所述主曝气区投加酸性或碱性物质优化pH值，通过将所述第一序批区和所述第二序批区的反应阶段控制在曝气反应阶段实现连续曝气运行，优化所述主曝气区、所述第一序批区和所述第二序批区的溶解氧浓度控制硝化液回流的比例。
7.根据权利要求6所述的一种基于MSBR工艺的废水处理方法，其特征在于：所述投加的碳源为乙酸钠，其碳氮投加比例为C/N=3～5。
8.根据权利要求6所述的一种基于MSBR工艺的废水处理方法，其特征在于：当所述废水为酸性或弱碱性时，投加氢氧化钠或氢氧化钾及碳酸氢钠的混合物将所述酸性或弱碱性废水的pH值调控为8.０～8.４；当所述废水为碱性时，投加盐酸将所述碱性废水的pH值控制为8.０～8.４。
9.根据权利要求6所述的一种基于MSBR工艺的废水处理方法，其特征在于：所述主曝气区、所述第一序批区和所述第二序批区中的溶解氧浓度是通过调整风机的运行进行调节的，控制主曝气区、所述第一序批区和所述第二序批区的溶解氧浓度为3~5mg/L。
10.根据权利要求6所述的一种基于MSBR工艺的废水处理方法，其特征在于：所述优化
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硝化液回流的比例，是通过调整污泥回流泵控制回流量实现的，硝化液回流比例控制在MSBR工艺设计值的90~100%。
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说 明 书
一种基于MSBR工艺的废水处理系统及方法
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技术领域
[0001]本发明涉及工业废水处理技术领域，尤其涉及一种基于MSBR工艺的废水处理系统及方法。
背景技术
[0002]随着水环境污染问题的日益突出和污水排放标准的不断提高，具有同步脱氮除磷功能、占地面积小、运行管理简便等优点的新型污水处理工艺逐步成为该领域研发与应用的焦点。20世纪80年代初，美国C.Q.Yang等人根据序批反应特点，结合传统活性污泥法开发的一种连续进出水污水处理新工艺取名改良型序批反应器(MSBR)。该工艺不但无需间断流量，还省去了多池工艺所需要的更多的连接管、泵和阀门。通过中试研究及生产性应用，证明MSBR法是一种经济有效、运行可靠、易于实现计算机控制的污水处理工艺。同济大学团队先后针对生活污水、合流污水、医药及印染等工业废水采用类似MSBR技术的处理工艺进行了小试和中试，并对MSBR工艺的推广和机理探索作了大量有益工作。[0003]高氨氮、低碳氮比废水的处理一直是困扰污水处理厂正常运行的难题，因此亟需研究开发一种基于MSBR工艺的废水处理系统及方法，来避免高氨氮、低碳氮比废水对污水处理厂正常运行的影响。
发明内容
[0004]为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种基于MSBR工艺的废水处理系统，所述废水处理系统包括依次连通的粗格栅、进水泵房、细格栅、曝气沉砂池、MSBR池、高密度沉淀池和紫外消毒池，所述MSBR池和所述高密度沉淀池分别与储泥池连通，所述储泥池与污泥脱水机房连通，所述储泥池和所述污泥脱水机房分别与所述粗格栅连通，所述MSBR池包括依次连通的预缺氧区、污泥浓缩区、厌氧区、缺氧区、主曝气区、第一序批区和第二序批区。
[0005]其中，所述曝气沉砂池的出水管直接跟所述厌氧区进水管连通，所述厌氧区出水管跟所述缺氧区进水管连通，所述缺氧区出水管跟所述主曝气区进水管连通，所述主曝气区出水管分别与所述第一序批区和所述第二序批区进水管连通。[0006]其中，所述预缺氧区设有污泥提升泵，所述主曝气区与所述缺氧区之间设有消化液回流管，所述缺氧区和所述主曝气区分别设有在线pH计，所述厌氧区、所述缺氧区、所述主曝气区、所述第一序批区和所述第二序批区均设有搅拌机组，所述主曝气区还设有ORP检测仪、溶解氧检测仪和总悬浮固体检测仪。
[0007]本发明第二方面提供了一种基于MSBR工艺的废水处理方法，废水依次经过粗格栅、进水泵房、细格栅、曝气沉砂池、MSBR池、高密度沉淀池和紫外消毒池，所述MSBR池和所述高密度沉淀池中的污泥排入储泥池，再经污泥脱水机房脱水后外运，所述储泥池中的污泥上清液和所述污泥脱水机房中的污泥残液回流至所述粗格栅，所述废水经所述曝气沉砂池流出后，通过进水管进入厌氧区，同时污泥提升泵将预缺氧区内的污泥提升至所述厌氧
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区，所述厌氧区出水进入缺氧区，所述缺氧区出水进入主曝气区，所述主曝气区的硝化液通过消化液回流管回流至所述缺氧区，所述主曝气区出水进入第一序批区和第二序批区，所述第一序批区和所述第二序批区的剩余污泥排入预缺氧区，污泥经过沉淀后进入污泥浓缩区。
[0008]其中，所述第一序批区和所述第二序批区交替间歇运行，并循环进行进水搅拌、曝气和沉淀出水程序。[0009]其中，所述废水进入MSBR池后，通过在所述缺氧区投加碳源优化脱氮反应的碳氮比例，通过在所述主曝气区投加酸性或碱性物质优化pH值，通过将所述第一序批区和所述第二序批区的反应阶段控制在曝气反应阶段实现连续曝气运行，优化所述主曝气区、所述第一序批区和所述第二序批区的溶解氧浓度控制硝化液回流的比例。[0010]其中，所述碳源为乙酸钠，其碳氮投加比例为C/N=3～5。[0011]其中，当所述废水为酸性或弱碱性时，投加氢氧化钠或氢氧化钾及碳酸氢钠的混合物将所述酸性或弱碱性废水的pH值调控为8.0～8.4；当所述废水为碱性时，投加盐酸将所述碱性废水的pH值控制为8.0～8.4。[0012]其中，所述主曝气区、所述第一序批区和所述第二序批区中的溶解氧浓度是通过调整风机的运行进行调节的，控制主曝气区、所述第一序批区和所述第二序批区的溶解氧浓度为3~5mg/L。[0013]其中，所述优化硝化液回流的比例，是通过调整污泥回流泵控制回流量实现的，硝化液回流比例控制在MSBR工艺设计值的90~100%。[0014]本发明的原理：
在硝化细菌的作用下，氨氮被氧化为亚硝酸盐和硝酸盐，硝化细菌为了获得足够的能量生长，必须氧化大量的NH4+和NO2-，氧化1mg的NH4+-N为NO3--N需要消耗4.57mg的溶解氧。高氨氮废水进入生化系统后，在氨氮被氧化的过程中消耗大量溶解氧，直接导致溶解氧含量降低，从而影响硝化反应的进程。
[0015]硝化细菌对pH的变化十分敏感，最佳pH为8.0～8.4，在最佳pH条件下，硝化细菌的最大比增长速率可以达到最大值。NH3-N进入生化反应池内进行生物脱氮一般可分为硝化－反硝化两个步骤。硝化与反硝化反应如下：
（1）首先生成亚硝酸盐 NH4++3/2 O2→NO2-+H2O+2H+（2）然后生成硝酸盐 NO2-+1/2O2→NO3-（3）最后生成氮气 2NO3+ 10e-+12H→N2↑+6H2O由反应（1）可以看出，NH3-N在进行亚硝化时释放出大量的H+，进水中氨氮浓度越高，硝化反应释放出的H+越多，直接导致MSBR池内的pH值过低。[0016]在生化脱氮工艺系统中，微生物在有氧条件下，将氨氮转化成亚硝酸盐和硝酸盐，再通过反硝化菌在厌氧条件下，将硝酸盐还原成N2，从而实现氮的去除。在高氨氮废水进入MSBR池后，废水的C/N小于1，低于正常运行系统的C/N（3～5），碳源严重不足，过量的氨氮导致废水中的营养失衡，微生物生长代谢失调，严重时出现微生物氨氮中毒。[0017]废水中的氨氮自身对生物的硝化进程产生抑制作用，影响处理工艺的脱氮效果。在实际运行过程中观察到，生化系统序批池污泥沉降性能变差，细微颗粒物增多，液面有漂浮的活性污泥絮体。活性污泥系统受到抑制后恢复也需要一定的时间。故短时间内，出水水
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说 明 书
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质监测到TN、pH不达标，TP、COD、BOD5、SS受到一定程度的影响。因此，进水氨氮浓度过高会抑制活性污泥的活性，导致氨氮处理效率变低。[0018]本发明的有益效果：
1、本发明提供了一种快捷有效的处理方法，来应对MSBR工艺受到高氨氮、低碳氮比废水的冲击；
2、本发明提供一种仅需在MSBR池体内对高氨氮、低碳氮比废水进行处理的方法，无需使用到除MSBR工艺以外的其他工艺；
3、本发明提供了一种仅仅通过优化MSBR工艺的运行参数，来达到处理高氨氮、低碳氮比废水目的的方法；
4、本发明投加的碳源为乙酸钠，补充了脱氮反应所需的碳源，同时，还能提供生化反应所需要的碱度；
5、本发明通过优化反应区的pH，提升了水中的pH值，补充了高氨氮、低碳氮比废水在MSBR工艺中长期反应所需的碱度；
6、本发明通过优化主曝气区和第一序批区和第二序批区的溶解氧浓度，补充了高氨氮、低碳氮比废水在MSBR工艺中长期高负荷反应所需的氧分，保证了脱氮反应的进行；
7、本发明通过优化硝化液回流比，将硝化液回流比控制在设计值的90%~100%，在不破坏缺氧区缺氧环境的前提下，最大限度的保证了生化反应的脱氮效率。附图说明
[0019]为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对应本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0020]图1为本发明实施例提供的废水处理的整体工艺流程图；
图2为本发明实施例提供的废水处理系统中MSBR池的工艺流程图；
图3是本发明实施例提供的高氨氮废水进入MSBR池后的水质监测情况曲线图。具体实施方式
[0021]以下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，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
[0022]本发明提供了一种基于MSBR工艺的废水处理系统，所述废水处理系统包括依次连通的粗格栅、进水泵房、细格栅、曝气沉砂池、MSBR池、高密度沉淀池和紫外消毒池，所述MSBR池和所述高密度沉淀池分别与储泥池连通，所述储泥池与污泥脱水机房连通，所述储泥池和所述污泥脱水机房分别与所述粗格栅连通，所述MSBR池包括依次连通的预缺氧区、污泥浓缩区、厌氧区、缺氧区、主曝气区、第一序批区和第二序批区。所述曝气沉砂池的出水管直接跟所述厌氧区进水管连通，所述厌氧区出水管跟所述缺氧区进水管连通，所述缺氧区出水管跟所述主曝气区进水管连通，所述主曝气区出水管分别与所述第一序批区和所述第二序批区进水管连通。所述预缺氧区设有污泥提升泵，所述主曝气区与所述缺氧区之间设有消化液回流管，所述缺氧区和所述主曝气区分别设有在线pH计, 所述厌氧区、所述缺
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氧区、所述主曝气区、所述第一序批区和所述第二序批区均设有搅拌机组，所述主曝气区还设有ORP检测仪、溶解氧检测仪和总悬浮固体检测仪。所述第一序批区和所述第二序批区的出水是通过空气出水堰完成的，整个MSBR工艺通过PLC自动控制。
[0023]本发明提供的基于MSBR工艺的废水处理系统处理废水的具体工艺流程如图1和图2所示，废水依次经过粗格栅、进水泵房、细格栅、曝气沉砂池、MSBR池、高密度沉淀池和紫外消毒池，所述MSBR池和所述高密度沉淀池中的污泥排入储泥池，再经污泥脱水机房脱水后外运，所述储泥池中的污泥上清液和所述污泥脱水机房中的污泥残液回流至所述粗格栅，所述废水经所述曝气沉砂池流出后，通过进水管进入厌氧区，同时污泥提升泵将预缺氧区内的污泥提升至所述厌氧区，所述厌氧区出水进入缺氧区，所述缺氧区出水进入主曝气区，所述主曝气区的硝化液通过消化液回流管回流至所述缺氧区，所述主曝气区出水进入第一序批区和第二序批区，所述第一序批区和所述第二序批区的剩余污泥排入预缺氧区，污泥经过沉淀后进入污泥浓缩区。
[0024]所述第一序批区和所述第二序批区交替间歇运行，并循环进行进水搅拌、曝气和沉淀出水程序；具体为主曝气区的出水交替进入第一序批区或第二序批区，第一序批区进入进水搅拌和曝气程序时，第二序批区进入沉淀出水程序；第一序批区进入沉淀出水程序时，第二序批区进入进水搅拌和曝气程序；当曝气程序开始后至沉淀出水程序结束前，开启剩余污泥泵进行排泥，将第一序批区和第二序批区的剩余污泥排入预缺氧区。[0025]所述废水进入MSBR池后，通过在所述缺氧区投加碳源乙酸钠优化脱氮反应的碳氮比例，其碳氮投加比例为C/N=3～5。当所述废水为酸性或弱碱性时，投加氢氧化钠或氢氧化钾及碳酸氢钠的混合物将所述酸性或弱碱性废水的pH值调控为8.０～8.４；当所述废水为碱性时，投加盐酸将所述碱性废水的pH值控制为8.０～8.４。通过开启所述第一序批区和所述第二序批区的连续曝气运行优化所述主曝气区、所述第一序批区和所述第二序批区的溶解氧浓度，溶解氧浓度是通过调整风机的运行进行调节的，控制主曝气区、所述第一序批区和所述第二序批区的溶解氧浓度为3~5mg/L。通过调整污泥回流泵控制回流量来优化硝化液回流的比例，硝化液回流比例控制在MSBR工艺设计值的90~100%。[0026]本发明以某园区污水处理厂为例，单体MSBR池的尺寸为67.15×46.8×6.8（8.8）m，池内主曝气区及第一序批区和第二批区的有效水深为6.0m，中间厌氧、缺氧等池体有效水深8.0m，总水力停留时间18.5h。其设计参数如表1所示。
[0027]
该污水处理厂设计出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级标准B标准。污水处理厂进出水水质情况如表2所示：
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该污水处理厂在运行过程中，监测到进水氨氮瞬时浓度严重超出设计值，当天污水处理厂MSBR池的水质监测情况如表3所示：
由上表可知，进水氨氮浓度高达121mg/L，远高于设计进水氨氮标准的30mg/L，是设计值的4倍多，除氨氮和总氮外其他水质指标无异常。大量超标污水已进入生化系统，给生化系统的稳定运行带来了极大的冲击，直接威胁着污水处理厂出水的达标排放。
[0028]在高氨氮废水进入MSBR池时相应调整主曝气区和第一序批区及第二序批区的溶解氧，使处理后的出水溶解氧处在2mg/L以上；在硝化反应的主曝气区内，溶解氧含量维持在3mg/L以上。
[0029]高氨氮废水进入生化系统后，在MSBR池发生生化反应的过程中消耗大量溶解氧，为避免溶解氧不足，应增大曝气量，并且保证序批区处于连续曝气运行状态。本污水处理厂通过调整风机运行数量和运行频率，以增大曝气量，使得溶解氧含量维持在3mg/L以上。[0030]在MSBR池中，由于高氨氮废水的存在，碳源严重不足，反硝化效率降低，且氨氮浓度过高导致硝化过程产生大量H+，MSBR池中pH过低，需要通过外部投加碱液来提高pH值。考虑到固态氢氧化钠只是调节pH，直接加入生化池内不能及时混和的情况下还会对微生物造成毒害，因而通过自动加药系统投加30%液碱至主曝气区，以调控pH值，使得主曝气区pH维持在8.0～8.4，同时通过投加少量碳酸氢钠来补充碱度。
[0031]本发明的高氨氮废水中碳源不足以满足生化系统的需求，为了保证污水的出水水质，需额外投加碳源。能为反硝化细菌所利用的碳源较多，从污水生物脱氮考虑，可采用下列三类：一是原污水中所含有的有机污染物碳源；二是利用微生物体内储存的有机碳源，进行内源反硝化；三是外加碳源，如市售的葡萄糖、乙酸钠等。[0032]葡萄糖作为外加碳源处理效果不错，但作为一种多分子化合物容易引起细菌的大量繁殖，导致污泥膨胀，增加出水中的COD的值，与其他碳源相比更容易产生亚硝态氮积累的现象，会影响脱氮效果。乙酸钠是小分子有机物，反硝化菌易于利用，能立即响应反硝化过程。
[0033]本发明经过反复试验，乙酸钠用作污水处理厂运行时的应急处理脱氮效果更佳，因此本发明中该污水处理厂通过投加乙酸钠至缺氧区来补充碳源。根据本发明中污水厂的实际情况，按照C/N为3进行计算，1mg乙酸钠相当于0.78mgCOD进行换算，共需要投加乙酸钠13.65吨，分三次进行投加投加，每次投加4.55吨，投加比例为0.273kg/m3。
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一般污水处理中硝化液回流量在100%～300%，通常在出水TN达到要求的情况下降
低内回流保证节约能源，在生化系统中，回流比r与最大可能脱氮效率R之间的关系为：R=r/(1+r)。在理论上，回流比当然越大越好，这样出水硝基和亚硝基的含量就会降低。然而，大量回流带氧混合液至缺氧区，势必破坏缺氧区的环境。本发明的污水处理厂MSBR池工艺设计的最大硝化液回流比为150%，故在本次应急事故中控制混合液回流比在150%。
[0035]为了验证本发明提供的废水处理系统及工艺应对高氨氮废水对MSBR池带来的影响，提供的高氨氮废水进入MSBR池后的水质监测情况曲线图，如图3所示。[0036]通过图3可知，在高氨氮废水对MSBR工艺造成冲击后，通过本发明提供的废水处理系统及方法处理废水后，污水处理厂的处理效果不能立即达到预期效果，但MSBR池氨氮浓度逐渐降低，整个MSBR生化系统逐渐恢复稳定，最终实现出水稳定达标排放。[0037]本发明通过采取投加碳源乙酸钠、调节pH、增大主曝气区溶解氧、增加硝化液回流比的应急措施，9天后MSBR工艺出水氨氮浓度逐渐降低且趋于稳定，污水处理厂出水达到排放标准。
[0038]需要说明的是，本发明中：HRT是水力停留时间，SRT是污泥泥龄， MLSS是 污泥浓度，CODcr 是化学需氧量，BOD5是5日生化需氧量，SS是悬浮物浓度，TN是总氮，TP是总磷。[0039]以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都是属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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说 明 书 附 图
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