公布日：2023.11.17
申請日：2023.08.24
分類號：C02F3/30(2023.01)I;C02F1/58(2023.01)I;C01B25/34(2006.01)I;C02F101/16(2006.01)N;C02F101/10(2006.01)N
摘要
本發明屬于污水生物處理技術與資源回收領域，公開一種基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮同步磷回收的系統及方法。本發明的系統包括：原水池、亞硝化反應器、中間池、厭氧氨氧化反應器、鎂鹽溶液儲備罐；其中，原水池、亞硝化反應器、中間池、厭氧氨氧化反應器之間通過水泵與管道依次相連，厭氧氨氧化反應器包含有回流管和回流水泵構成的回流裝置，鎂鹽溶液儲備罐通過水泵和管道與厭氧氨氧化反應器的底部連接。污水進入本發明系統后依次經亞硝化反應、厭氧氨氧化反應耦合鎂鹽沉淀，解決了厭氧氨氧化反應器中污泥易隨氣泡上浮流失的問題，同時實現了污水中氮磷脫除效果分別達85％和75％以上。
權利要求書
1.一種基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮同步磷回收的系統，其特征在于包括：原水池、亞硝化反應器、中間池、厭氧氨氧化反應器、鎂鹽溶液儲備罐；其中，原水池、亞硝化反應器、中間池、厭氧氨氧化反應器之間通過水泵與管道依次相連，厭氧氨氧化反應器包含有回流管和回流水泵構成的回流裝置，鎂鹽溶液儲備罐通過水泵和管道與厭氧氨氧化反應器的底部連接。
2.根據權利要求1所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮同步磷回收的系統，其特征在于：所述亞硝化反應器為序批式反應器；所述厭氧氨氧化反應器為上流式厭氧污泥床反應器；所述亞硝化反應器內設有攪拌和曝氣裝置；所述厭氧氨氧化反應器內頂部設有回流管、三相分離器和溢流堰；所述厭氧氨氧化反應器為底部進水，頂部經過溢流堰后出水。
3.一種利用權利要求1或2所述系統的基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮除磷的方法，其特征在于包括以下步驟：(1)在亞硝化反應器中接種污泥1，在厭氧氨氧化反應器中接種污泥2；(2)原水池內污水進入亞硝化反應器進行亞硝化反應；(3)亞硝化反應器出水進入厭氧氨氧化反應器進行厭氧氨氧化處理；(4)鎂鹽溶液儲備罐中的鎂鹽溶液通過水泵和管道從厭氧氨氧化反應器底部泵入厭氧氨氧化反應器，為污水中磷酸鹽結晶提供鎂源，實現除磷；(5)厭氧氨氧化反應器頂部污水通過回流管和回流水泵回流至反應器底部進水口，實現反應器內回流。
4.根據權利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮除磷的方法，其特征在于：步驟(1)所述污泥1為含氨氧化菌的污泥；污泥2為含厭氧氨氧化菌的污泥。
5.根據權利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮除磷的方法，其特征在于：步驟(2)所述污水的氨氮濃度為800～2000mg/L；總氮濃度為800～2500mg/L；磷濃度為60～150mg/L。
6.根據權利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮除磷的方法，其特征在于：步驟(2)所述亞硝化反應的條件為：亞硝化反應器內污泥1的濃度為4000～6000mg/L；亞硝化反應器內的水力停留時間為12～30h；亞硝化反應器排水比為20～50％；亞硝化反應器的曝氣量滿足：使得亞硝化反應器內溶解氧濃度保持在0.5～3mg/L。
7.根據權利要求6所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮除磷的方法，其特征在于：調整所述亞硝化反應器內曝氣量和水力停留時間，使得反應后出水亞硝氮濃度與氨氮濃度比值為1.32:1～1:1。
8.根據權利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮除磷的方法，其特征在于：步驟(3)所述厭氧氨氧化處理的條件為：厭氧氨氧化反應器內污泥2的濃度為5000～8000mg/L；厭氧氨氧化反應器內的水力停留時間為12～24h，反應溫度為28～33℃。
9.根據權利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮除磷的方法，其特征在于：步驟(4)所述鎂鹽溶液的用量滿足：使得進入厭氧氨氧化反應器的鎂離子與磷酸鹽摩爾比值為1.5～2:1；步驟(4)所述鎂鹽為氯化鎂、硫酸鎂中的至少一種。
10.根據權利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮除磷的方法，其特征在于：步驟(5)所述回流的回流比為100％～500％。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺點與不足，本發明的首要目的在于提供一種基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮同步磷回收的系統。
本發明另一目的在于提供利用上述系統的基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮同步磷回收的方法。
本發明針對傳統脫氮技術在處理低C/N、高氮磷廢水時脫氮效能受限、缺少磷回收等突出問題，根據厭氧氨氧化菌的反應特性，提出基于亞硝化-厭氧氨氧化高效脫氮反應，耦合鎂磷礦化形成結晶的厭氧消化液脫氮除磷系統和方法，在有限的碳源基礎上，不僅能實現氮磷的去除，還能實現磷資源的回收，是一種低碳脫氮同步磷資源回收的厭氧消化液處理新工藝。同時，鎂磷結晶還能成為微生物的附著點，促進厭氧氨氧化細菌的富集和穩定持留。
本發明的目的通過下述方案實現：
一種基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮同步磷回收的系統，包括：原水池、亞硝化反應器、中間池、厭氧氨氧化反應器、鎂鹽溶液儲備罐；其中，原水池、亞硝化反應器、中間池、厭氧氨氧化反應器之間通過水泵與管道依次相連，厭氧氨氧化反應器包含有回流管和回流水泵構成的回流裝置，鎂鹽溶液儲備罐通過水泵和管道與厭氧氨氧化反應器的底部連接。
所述亞硝化反應器配備有曝氣裝置以及攪拌裝置；厭氧氨氧化反應器和鎂鹽溶液儲備罐配備有攪拌裝置；原水池和中間池可選有攪拌裝置。
所述亞硝化反應器為序批式反應器(SBR)；所述厭氧氨氧化反應器為上流式厭氧污泥床反應器(UASB)。
所述亞硝化反應器內設有攪拌和曝氣裝置；所述厭氧氨氧化反應器內頂部設有回流管、三相分離器和溢流堰；所述厭氧氨氧化反應器為底部進水，頂部經過溢流堰后出水。
一種利用上述系統的基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮除磷的方法，包括：
(1)在亞硝化反應器中接種污泥1，在厭氧氨氧化反應器中接種污泥2；
(2)原水池內污水進入亞硝化反應器進行亞硝化反應；
(3)亞硝化反應器出水進入厭氧氨氧化反應器進行厭氧氨氧化處理；
(4)鎂鹽溶液儲備罐中的鎂鹽溶液通過水泵和管道從厭氧氨氧化反應器底部泵入厭氧氨氧化反應器，為污水中磷酸鹽結晶提供鎂源，實現除磷；
(5)厭氧氨氧化反應器頂部污水通過回流管和回流水泵回流至反應器底部進水口，實現反應器內回流。
步驟(1)所述污泥1為含氨氧化菌的污泥，優選為硝化污泥、二沉池污泥中的至少一種；污泥2為含厭氧氨氧化菌的污泥，優選為工程化運行厭氧氨氧化反應器內污泥。
步驟(2)所述污水的氨氮濃度為800～2000mg/L；總氮濃度為800～2500mg/L；磷濃度為60～150mg/L。
步驟(2)所述亞硝化反應器采用序批式運行，單周期內包括進水-反應(曝氣加攪拌)-沉淀-出水。
步驟(2)所述亞硝化反應的條件為：亞硝化反應器內污泥1的濃度為4000～6000mg/L；亞硝化反應器內的水力停留時間(HRT)為12～30h；亞硝化反應器排水比為20～50％；亞硝化反應器的曝氣量滿足：使得亞硝化反應器內溶解氧濃度保持在0.5～3mg/L。
步驟(2)所述亞硝化反應為在污泥中氨氧化菌(AOB)作用下，污水中氨氮部分被轉化為亞硝氮，通過控制亞硝化反應器內曝氣量和水力停留時間，使得反應后出水亞硝氮濃度與氨氮濃度比值為1.32:1～1:1。
步驟(3)所述厭氧氨氧化處理的條件為：厭氧氨氧化反應器內污泥2的濃度為5000～8000mg/L；厭氧氨氧化反應器內的水力停留時間為12～24h，反應溫度為28～33℃；適宜的厭氧氨氧化污泥濃度和水力停留時間有利于厭氧氨氧化反應的進行。
步驟(3)所述厭氧氨氧化處理為在厭氧氨氧化反應器內，厭氧氨氧化菌以NH4+-N為電子供體，NO2--N為電子受體，通過生物化學反應生成氮氣，實現污水中氮元素的去除。
步驟(4)所述鎂鹽溶液的用量滿足：使得進入厭氧氨氧化反應器的鎂離子與磷酸鹽摩爾比值為1.5～2:1。
步驟(4)所述鎂鹽溶液的用量滿足：鎂鹽溶液的含鎂離子濃度與污水中磷酸鹽濃度摩爾比值為150～200，鎂鹽溶液流量與厭氧氨氧化反應器進水流量比為1:100，相當于進入厭氧氨氧化反應器的鎂離子與磷酸鹽摩爾比值為1.5～2:1。
步驟(4)所述除磷具體為：在厭氧氨氧化反應后，水環境中的pH提升，使得鎂離子與磷酸根離子結合生成鎂磷結晶沉淀，從而實現磷的去除和回收；鎂磷結晶主要以水合磷酸鎂(Mg3(PO4)2·xH2O)為主。
步驟(4)所述鎂鹽為氯化鎂、硫酸鎂中的至少一種。
步驟(5)所述回流的回流比為100％～500％，優選為300％～500％。
本發明的機理為：
厭氧氨氧化菌屬于世代周期較長的自養微生物，其生長緩慢，且其發生的厭氧氨氧化反應會生成氮氣，氮氣氣泡易附著在厭氧氨氧化污泥絮體上，發生污泥上浮現象。部分上浮污泥繞過三相分離器隨著水流流出反應器易造成污泥流失，降低反應器對污水的處理性能。針對上述缺點，本發明提出了一種利用上述系統的基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶實現厭氧消化液脫氮除磷的系統及方法：系統由亞硝化反應器、厭氧氨氧化反應器和鎂鹽溶液提供設備組成；亞硝化反應器將污水中部分氨氮轉化為亞硝氮，同時利用污水中有機物實現反硝化；厭氧氨氧化反應器利用亞硝化反應器產生的亞硝氮作為電子受體，同時以氨氮作為電子供體，通過厭氧氨氧化反應產生氮氣，從而實現污水中氮的去除。同時，鎂鹽溶液加進厭氧氨氧化反應器，利用厭氧氨氧化反應消耗體系氫離子、提高體系pH的特性，以及反應器內污泥對離子的吸附和釋放特性，提高鎂磷化合物的飽和指數(SI)，同時，污泥對離子的吸附為鎂磷結晶的生成提供成核位點，促進鎂磷結晶。鎂磷結晶的生成實現了污水中磷的去除和回收，同時為微生物提供附著位點，促進顆粒污泥生成，提高了污泥沉淀性能和在反應器的持留能力，保證反應器高效的脫氮性能。
厭氧氨氧化反應器內厭氧氨氧化菌及其他微生物可附著生長在鎂磷結晶表面，在胞外聚合物和水流剪切力作用下，厭氧氨氧化微菌落之間發生絮凝形成菌落絮凝體，隨著鎂磷結晶體的生長和菌落絮凝體的擴大覆蓋，逐漸形成以鎂磷結晶體為內核，微生物覆蓋在外層的顆粒污泥。定期排泥，并通過對污泥進行碾壓，離心分離，帶有微生物的污泥補充回反應器，無機物(鎂磷結晶)后續進一步處理后回收。
其中中間池的設置可實現根據實際情況調節進水性質及藥劑投加，比如調pH，加堿度。
本發明相對于現有技術，具有如下的優點及有益效果：
1)實現了厭氧消化液中氮磷的同時去除，實現了污水中氮磷脫除效果分別達85％和75％以上；
2)解決了厭氧氨氧化反應器中污泥易隨氣泡上浮流失的問題；
3)厭氧氨氧化為典型的自養反應過程，亞硝化反應器內可消耗污水中大部分可生物利用有機物，實現同步亞硝化反硝化，脫除污水中一部分氮，也為后續厭氧氨氧化菌提供良好的生長條件，避免和其他異養菌的過度競爭；
4)相比傳統沉淀法回收磷如鳥糞石結晶法、羥基磷灰石結晶法需要投加堿性藥劑，調節廢水pH，厭氧氨氧化反應帶來的堿度可減少甚至無需外加藥劑；
5)厭氧氨氧化反應器內形成的含鎂磷結晶的污泥可進行回收，作為含鎂、磷復合污泥有機肥料出售；亦可將污泥與鎂磷結晶進行分離后回收，作為肥料或者工業原料出售，實現污水處理過程的增收；
6)整套系統集污染物去除和資源回收一體，尤其是一體式厭氧氨氧化耦合鎂磷結晶反應器，可降低污水處理設施占地面積，適合現在及未來污水處理廠的升級改造。
（發明人：汪曉軍;李嘉懿;李碧清;唐霞;孫偉;吳學偉;羅業燊;李鵬飛）
