一種化肥廢水處理工藝最佳化方法:專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,

《一種化肥廢水處理工藝最佳化方法》是華南理工大學於2011年5月25日申請的發明專利，該專利的申請號為2011101357065，公布號為CN102225828A，公布日為2011年10月26日，發明人是周少奇、彭華平、張戰利。

《一種化肥廢水處理工藝最佳化方法》通過對初曝池溶解氧濃度、缺氧/好氧前置反硝化生物脫氮段硝化液回流比R和污泥回流比r₂的最佳化，提高了對化肥廢水的總氮去除率，TN去除率從最佳化前的41.1%提高到了最佳化後的66.7%。最佳化後系統的COD、氨氮去除率分別高達95.8%和98.8%；TN去除率達到了66.7%，較最佳化之前提高了25.6%。

2018年12月20日，《一種化肥廢水處理工藝最佳化方法》獲得第二十屆中國專利銀獎。

基本介紹

中文名：一種化肥廢水處理工藝最佳化方法
公布號：CN102225828A
公布日：2011年10月26日
申請號：2011101357065
申請日：2011年5月25日
申請人：華南理工大學
地址：廣東省廣州市天河區五山路381號
發明人：周少奇、彭華平、張戰利
分類號：C02F9/14（2006.01）I
代理機構：廣州粵高專利商標代理有限公司
類別：發明專利
代理人：何淑珍

專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,

專利背景

2011年5月前，中國河流、湖泊等水體的富營養化問題越來越嚴重，導致水體不斷惡化，水生生物的生存受到影響。引起水體富營養化一個很重要的原因是氮的污染。因此，污水處理廠處理工藝的脫氮效果受到了越來越多的關注。

截至2011年5月，在中國，現已建立的污水處理廠，特別是20世紀90年代建設的有脫氮要求的污水處理廠，大多採用了A/O前置反硝化生物脫氮工藝。很多處理廠的工藝運行由於受水質條件、運行管理、經費等各方麵條件的影響，總氮去除效果都不高，存在著總氮超標的情況。隨著中國環保要求的不斷提高，化肥廢水的排放標準也日趨嚴格，越來越多的污水處理廠面臨著提標改造、工藝最佳化的難題。如何對這些污水廠進行有效、經濟、可行的改造和最佳化，提高其脫氮能力已經引起越來越多學者的關注。

污水廠的改造就是在對2011年5月前已有污水廠不進行大的改、擴建的前提下，通過改進其運行方案、運行維護程式來提高處理能力和處理效率。污水廠最佳化改造一般遵循以下3個原則：（1）經過對污水廠運行全面、系統的研究，提出充分挖掘污水廠設備潛能的措施，以較少的投入實現較優的運行效果；（2）利用污水廠運行中積累的經驗參數（如溶解氧濃度、碳氮比、污泥沉降性能、泥齡、混合液回流比等）作為改建和擴建時的工藝設計參數，並且儘量採用中試或生產性試驗對設計參數進行驗證，使設計具有針對性和適用性；（3）工藝最佳化、改造應儘量選用運用成熟、運行管理經驗豐富的工藝。

通過調整工藝的運行參數、改變工藝的運行方式，在儘量減小原有工藝改動的情況下進行工藝最佳化，提高其處理效率的最佳化方式受到越來越廣泛的運用。

發明內容

專利目的

化肥廢水作為一種低碳氮比工業廢水，A/O工藝對它的脫氮效果並不理想。為了克服低碳氮比、運行參數不合理等因素的影響，《一種化肥廢水處理工藝最佳化方法》提供了一種通過改變工藝運行參數來提高脫氮效率的化肥廢水處理工藝最佳化方法。

化肥廢水處理的工藝流程為：調節池—初級曝氣池—初沉池—A/O（缺氧池—好氧池）—二次沉澱池—絮凝沉澱池—出水。

高氨氮化肥廢水在完全混合型的調節池內通過鼓風曝氣混合均勻。水質均勻之後的廢水進入初級曝氣池，進水部分COD及有毒有害物質得到有效去除。之後，廢水經初沉池沉澱進入A/O（缺氧池—好氧池）前置反硝化脫氮段，經硝化反硝化作用，廢水中的氨氮、COD、TN得到有效去除。好氧池的出水經二沉池沉澱後排出系統。

原工藝運行中存在的問題主要有：（1）工藝設計的缺陷。採用的初曝池/缺氧池/好氧池處理工藝，對COD、氨氮均有很高的去除率，初曝池的設定極大地提高了工藝運行的穩定性和抗衝擊負荷能力。但是，在實際的運行中，發現初次曝氣池對COD有很強的去除能力，去除率高達60%~70%。當進水COD平均濃度為500毫克/升時，初次曝氣池出水COD平均濃度只有200毫克/升左右。如此低濃度的COD無法滿足後續的缺氧池的反硝化對碳源的需求，導致系統反硝化能力很差。（2）硝化液回流比過高。硝化液回流比是影響A/O反硝化生物脫氮的一個重要因素。好氧池的硝態氮藉助硝化液回流返回到缺氧池，保證反硝化的順利進行。但是，硝化液回流比過高或過低都不能實現工藝的最佳脫氮能力。回流比過低會導致硝酸鹽氮回流量過少，造成缺氧池的反硝化潛力不能充分利用；同時，部分碳源進入好氧池，增大了好氧池的曝氣量。而回流比過高，則不僅增加了硝化液回流所需的動力費用，還會使得好氧池的溶解氧回流到缺氧池，破壞其反硝化環境。（3）反硝化所需的碳源不足。生物脫氮系統的反硝化能力主要是可利用碳源數量的函式，C/N是重要的設計參數。一般認為，只有當廢水的C/N值大於4時，才能滿足反硝化對碳源的需求，而實際運行中缺氧池的碳氮比遠低於這個值。

技術方案

《一種化肥廢水處理工藝最佳化方法》提出的一種化肥廢水處理工藝最佳化方法，包括如下最佳化條件和步驟：

（1）調節池的水質調節

化肥廠高濃度氨氮、COD廢水通過調節池底的鼓風曝氣管曝氣，使其混合均勻，調節池內COD濃度為430~550毫克/升，氨氮濃度為50~95毫克/升；

（2）初級曝氣池的DO最佳化

經調節池均值、均量後的化肥廢水進入初級曝氣池去除部分COD，但是該池的COD去除率跟DO濃度密切相關。因此，必須最佳化DO參數，使其處理後的COD既能滿足後續缺氧池的反硝化需要，又不至於導致系統處理後出水的COD超標。最佳化後的初曝池DO濃度為0.5~0.9毫克/升，最佳為0.9毫克/升。

（3）初沉池處理

初級曝氣池的出水經初沉池沉澱後，部分污泥回流至初級曝氣池以維持池內的污泥濃度為2000~3000毫克/升，剩餘污泥排至集泥井。

（4）缺氧/好氧（A/O）前置反硝化生物脫氮段的運行參數最佳化

廢水中的氨氮在好氧池中經硝化菌的硝化作用轉化為硝酸鹽氮（或亞硝酸鹽氮），硝化液從好氧池通過管道回流至缺氧池，在缺氧池中進行反硝化作用，好氧池的出水經二沉池沉澱後排出。運行中，控制缺氧池DO濃度在0.2~0.45毫克/升，好氧池DO在1.5~2.5毫克/升之間，pH為7.5~8.5，污泥濃度為2500~3000毫克/升。工藝最佳化前：硝化液回流比R為400%，污泥回流比r₂為75%。通過工藝最佳化，硝化液回流比R控制在280%~320%之間，污泥回流比r₂控制在90%~110%，最佳硝化液回流比R為300%，最佳污泥回流比r₂為100%。通過對缺氧/好氧前置反硝化運行參數的最佳化，工藝對總氮的去除能力得到大幅度提高。

上述的化肥廢水處理工藝最佳化方法中，若二沉池出水的COD和SS超標，則出水進入絮凝沉澱池處理，投加絮凝劑PAC，或加入PAC和PAM。PAC的投加量按100ppm/立方米廢水進行。PAM的投加量按1ppm/立方米廢水加入。

上述的化肥廢水處理工藝最佳化方法中，通過最佳化初級曝氣池的溶解氧濃度控制該池的出水COD濃度，調節缺氧池廢水的碳氮比，從而達到調控缺氧池反硝化作用的目的。通過對缺氧池/好氧池前置反硝化段污泥回流比和硝化液回流比的控制最佳化，進一步提高了工藝的總氮去除能力。

為了提高工藝的脫氮效果，該發明針對性地提出了以下幾項工藝運行最佳化措施：（1）通過減少初曝池的空氣供給量，適當降低初曝池的DO濃度，以達到降低其COD去除率的目的。通過減小DO濃度降低初曝池COD去除率，能有效緩解缺氧池反硝化所需碳源嚴重不足的困境；（2）最佳化A/O段的硝化液回流比R；（3）最佳化缺氧/好氧前置反硝化生物脫氮段的污泥回流比r₂；以達到最佳化工藝運行的目的。

原工藝先將化肥廢水經過調節池均值、均量，廢水再由污水泵從調節池泵入初級曝氣池（O₁池），以去除部分COD及廢水中的有毒有害物質。廢水經初次沉澱池後，進入缺氧池/好氧池（A/O）生物脫氮段及後續物化深度處理部分。工藝在原始參數下運行時，保持O₁池的DO為2.0毫克/升、污泥回流比（r₁）為100%；A/O段的硝化液回流比（R）為400%、污泥回流比（r₂）為75%；A池的DO維持在0.2~0.45毫克/升之間，O池DO維持在1.5~2.5毫克/升；通過往添加鹼，保持O池pH維持在7.5~8.5之間。在此工藝參數條件下運行，系統對COD、氨氮的去除能力都在90%以上，但是總氮去除率很低，僅有41.1%。在該發明中，通過對初曝池DO濃度、缺氧/好氧生物脫氮段污泥回流比r₂和硝化液回流比R的最佳化，工藝的總氮去除率得到了大幅度地提高，從最佳化前的41.1%提高到了66.7%。

上述的化肥廢水處理工藝最佳化方法中，可在初級曝氣池及A/O生物脫氮系統中使用微生物菌群，微生物菌群包括反硝化產鹼菌、脫氮硫桿菌、排硫硫桿菌和氧化硫硫桿菌等，菌群具有較完整的分解鏈，可提高降解有機物及氨氮的能力，尤其適宜用於高氨氮化肥廢水的處理。將上述微生物菌群構成生物鏈，投加入生化池中，強化已有活性污泥的處理能力，以達到污水處理的目的。

微生物群，經過反硝化產鹼菌、脫氮硫桿菌、排硫硫桿菌和氧化硫硫桿菌的馴化及強化，其特性如下：

（1）菌群本身無毒性、無致病性、不會造成二次污染;

（2）去除COD、BOD5速度快、能力強;

（3）去除NH3–N及難降解有機物的能力獨特;

（4）污泥沉降性能佳、緊密度高，穩定性好、污泥產量少;

（5）生物製劑一次投加，無需補充，運行成本低廉，故障率低;

（6）對pH值適應性強，6～9.5範圍都能保持良好的處理效率;

（7）耐衝擊負荷高。

改善效果

《一種化肥廢水處理工藝最佳化方法》相對於2011年5月前已有的污水處理工藝最佳化技術具有如下優勢：

（1）僅通過調節工藝流程中的初曝池DO濃度就可以達到提高缺氧池碳氮比的目的，從而提高系統的總氮去除能力。這不僅節省了初曝池的曝氣量，而且還有效地降低了出水的總氮濃度;

（2）通過最佳化硝化液回流比和污泥回流比，達到了提高總氮去除效率的目的;

（3）經物化深度處理後的出水達到了回用水標準，可用作化肥廠內的循環用水，達到資源化及節能減排的目的。

附圖說明

圖1為實例1中DO=0.9毫克/升時，初曝池COD去除效果變化曲線；

圖2為實例1中DO=0.7毫克/升時，初曝池COD去除效果變化曲線；

圖3為實例1中DO=0.5毫克/升時，初曝池COD去除效果變化曲線；

圖4為實例1中不同溶解氧濃度下，初曝池COD去除效率變化圖；

圖5為實例2中不同硝化液回流比條件下，系統COD去除效果圖；

圖6為實例2中不同硝化液回流比條件下，系統NH₄-N去除效果圖；

圖7為實例2中不同硝化液回流比條件下，系統TN去除效果圖。

權利要求

《一種化肥廢水處理工藝最佳化方法》其特徵在於包括如下最佳化條件和步驟：

（1）調節池的水質調節

化肥廠高濃度氨氮、COD廢水通過調節池底的鼓風曝氣管曝氣，使其混合均勻，調節池COD濃度均值為430~550毫克/升，氨氮濃度為50-95毫克/升；

（2）初級曝氣池的DO最佳化

經調節池均值、均量後的化肥廢水進入初級曝氣池，部分COD被去除，控制初曝池的DO濃度為0.5-0.9毫克/升，使其處理後的COD既能滿足後續缺氧池反硝化作用對碳源的需求，又不至於導致處理後出水COD超標；

（3）初沉池作用

初級曝氣池的出水經初沉池沉澱後，部分污泥回流至初級曝氣池以維持初級曝氣池內的污泥濃度為2000-3000毫克/升，剩餘污泥排至集泥井；

（4）缺氧池-好氧池前置反硝化生物脫氮段的運行參數最佳化

廢水經初沉池沉澱後進入缺氧池-好氧池前置反硝化生物脫氮段，廢水中的氨氮在好氧池中經硝化作用轉化為硝酸鹽氮或亞硝酸鹽氮，硝化液從好氧池通過管道回流至缺氧池，在缺氧池中進行反硝化作用，在缺氧池-好氧池前置反硝化生物脫氮段中，控制缺氧池DO濃度在0.2~0.45毫克/升；好氧池DO在1.5~2.5毫克/升，pH為7.5~8.5，污泥濃度為2500~3000毫克/升；硝化液回流比R控制在280%~320%，污泥回流比r₂控制在90%~110%；好氧池出水經二沉池沉澱後排出。

實施方式

實施例1

化肥廢水處理系統的工藝流程為：調節池—初級曝氣池—初沉池—A/O（缺氧池—好氧池）—二次沉澱池—絮凝沉澱池—出水。

該例中，化肥廠高濃度氨氮、COD廢水通過調節池底的鼓風曝氣管曝氣，使其混合均勻，原水通過調節池的調配，COD濃度均值在430~550毫克/升之間。

初曝池的運行調控對整個系統的運行效果非常關鍵。初曝池的主要功能是去除廢水中的部分COD。該池COD去除率的高低直接影響到後續缺氧池的反硝化所需碳源的供應量。DO作為一個影響初曝池COD去除率的主要因素，它的最佳化調控顯得極其重要。

初級曝氣池的出水經初沉池沉澱後，部分污泥回流至初級曝氣池以維持初級曝氣池內的污泥濃度MLSS控制在2500毫克/升左右，剩餘污泥排至集泥井，污泥回流比r₁控制在100%。圖1為初曝池溶解氧濃度為0.9毫克/升時，初曝池的COD去除率效果變化示意圖。圖2為初曝池溶解氧濃度為0.7毫克/升時，初曝池的COD去除率效果變化示意圖。圖3為初曝池溶解氧濃度為0.5毫克/升時，初曝池的COD去除率效果變化示意圖。圖4為在不同好氧池溶解氧濃度下的COD去除效率變化圖。從圖1至圖4，可以看出：初曝池進水COD濃度均值分別為541.6毫克/升、541.6毫克/升、517.67毫克/升，初曝池DO相應地控制在0.9毫克/升、0.7毫克/升、0.5毫克/升的條件下，初曝池COD的去除率分別為64.03%、48.45%、39.16%，初曝池出水COD平均濃度分別192.35毫克/升、278.22毫克/升、317.49毫克/升。DO濃度對初曝池COD去除率有很大影響。在一定的DO範圍內，初曝池COD去除率隨DO濃度的降低而降低，去除率從DO為2.0毫克/升時的64.03%下降到DO為0.9毫克/升時的39.16%。

因此，通過調節初曝池DO濃度實現對初曝池COD去除率的調控是可行的。這就是說，可以通過調節初曝池的DO濃度來改善進入缺氧池的廢水的碳氮比，從而實現對反硝化反應的調控。在缺氧池碳源不足的情況下，可以通過調低初曝池DO濃度來提高缺氧池廢水的碳氮比，從而提升反硝化脫氮能力。最佳化運行結果表明，初曝池DO應該控制在0.5~0.9毫克/升之間，最佳為0.9毫克/升。

實施例2

A/O段脫氮效果的好壞直接影響到工藝的總氮去除效率。控制運行參數為：初曝池DO為0.8毫克/升，污泥回流比r₁為100%；好氧池DO為2.4毫克/升，pH控制在7.5-8.0之間，污泥濃度MLSS為3000毫克/升，污泥回流比r₂為75%。

通過調節池對水質的調節，R=200%時，系統進水COD、氨氮、總氮的平均濃度分別為435.87毫克/升、53.91毫克/升和57.30毫克/升；R=300%時，系統進水COD、氨氮、總氮的平均濃度分別為518.40毫克/升、82.15毫克/升和86.30毫克/升；R=400%時，系統進水COD、氨氮、總氮的平均濃度分別為434.07毫克/升、68.93毫克/升和73.84毫克/升。

圖5為不同硝化液回流比條件下，系統COD去除效果變化圖。R為200%、300%、400%時，COD平均去除率分別93.41%、94%和93.46%。不同硝化液回流比條件下，COD的去除率基本一致；硝化液回流比對COD的去除效率影響甚微。圖6為不同硝化液回流比條件下，系統NH₄-N去除效果變化圖。

從圖6中可知，系統對氨氮的去除效率均在97%以上，平均去除率都高於99%。系統對氨氮有很好的去除效果，硝化液回流比的變化對氨氮的去除效果幾乎沒有影響。系統之所以對氨氮有如此高的去除率，一方面是由於通過加強對好氧池DO、pH等條件的控制，為硝化菌進行硝化作用提供了一個合適的環境；另一方面是因為2011年5月前系統的氨氮負荷遠低於設計負荷，遠低於系統的設計硝化能力。

圖7為不同硝化液回流比條件下，系統TN去除效果變化圖。不同硝化液回流比條件下，系統對總氮的去除效率有顯著差別。當硝化液回流比從200%提高至300%，系統的總氮去除率從41.57%提高到了56.80%。但是繼續將硝化液回流比提高至400%，總氮去除率卻有所降低，僅為36.84%。這主要是回流比過高，硝化液回流帶入缺氧池的溶解氧會破壞缺氧環境從而影響脫氮效果。實際的工藝運行中，硝化液回流比的提高還會帶來更大的動力消耗。

實際運行表明，硝化液回流比應該控制在280%~320%之間，最佳值為300%。

實施例3

在水質較為穩定的情況下，工況1採用最佳化前的參數運行：初曝池DO為0.9毫克/升、污泥回流比r₁為100%，好氧池DO為2.0毫克/升、pH為7.5~8.0、硝化液回流比為400%、污泥回流比r₂為75%。工況2採用最佳化後的參數運行：初曝池DO為0.9毫克/升、污泥回流比r₁為100%，好氧池DO為2.0毫克/升、pH為7.5~8.0、硝化液回流比為300%、污泥回流比r₂為100%。

不同工況下的運行結果如表1所示，表中，除了去除率（%）之外，其它指標的單位均為毫克·升。

表1：不同工況下的運行結果對比分析

項目/水質指標	工況1					工況2
項目/水質指標	逬水	O₁岀水	O₁去除率	O₂出水	總去除率	逬水	O₁岀水	O₁去除率	O₂出水	總去除率
COD	550.7	218.8	60.3	36.0	93.5	550.7	329.7	40.1	23.4	95.8
氨氮	80.6	68.6	14.8	3.1	96.2	80.6	71.2	11.6	1.0	98.8
TN	84.7	71.3	15.8	46.7	44.9	84.7	73.4	13.3	28.2	66.7

運行結果表明，工況2採用了最佳化後的工藝參數，其COD、氨氮、TN的去除效率都高於工況1。兩工況的COD總去除率分別為93.5%和95.8%，差別不是很大，工況2稍優於工況1。在工況1、工況2條件下，好氧池出水的氨氮平均濃度分別為3.1毫克/升、1.0毫克/升，去除率分別高達96.2%、98.8%，工況2更高。

工況2的總氮去除率遠高於工況1，分別為66.7%和46.7%。工況2總氮去除率遠高於工況1的原因主要有：（1）工況2條件下的初曝池COD去除率低於工況1時的去除率，使得工況2條件下的初曝池出水碳氮比（4.49）高於工況1條件下的初曝池出水碳氮比（3.07），從而為工況2運行條件下的缺氧池的反硝化提供了較好的水質條件；（2）工況2條件下的好硝化液回流比低於工況1條件下的，從而為工況2條件下的缺氧池創造了更好的缺氧環境；（3）工況2時污泥回流比較工況1時的更高，缺氧池中的反硝化細菌數量上占優勢。因此，工況2條件下更高的脫氮效率。

在最佳化後的參數下運行，工藝的處理效率遠高於最佳化前的運行效率。運行實踐證明，採用該發明提出的處理工藝最佳化方法可以大幅度地提高工藝的穩定性和脫氮效率。

榮譽表彰