公布日：2023.11.17
申请日：2023.08.24
分类号：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
本发明属于污水生物处理技术与资源回收领域，公开一种基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮同步磷回收的系统及方法。本发明的系统包括：原水池、亚硝化反应器、中间池、厌氧氨氧化反应器、镁盐溶液储备罐；其中，原水池、亚硝化反应器、中间池、厌氧氨氧化反应器之间通过水泵与管道依次相连，厌氧氨氧化反应器包含有回流管和回流水泵构成的回流装置，镁盐溶液储备罐通过水泵和管道与厌氧氨氧化反应器的底部连接。污水进入本发明系统后依次经亚硝化反应、厌氧氨氧化反应耦合镁盐沉淀，解决了厌氧氨氧化反应器中污泥易随气泡上浮流失的问题，同时实现了污水中氮磷脱除效果分别达85％和75％以上。
权利要求书
1.一种基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮同步磷回收的系统，其特征在于包括：原水池、亚硝化反应器、中间池、厌氧氨氧化反应器、镁盐溶液储备罐；其中，原水池、亚硝化反应器、中间池、厌氧氨氧化反应器之间通过水泵与管道依次相连，厌氧氨氧化反应器包含有回流管和回流水泵构成的回流装置，镁盐溶液储备罐通过水泵和管道与厌氧氨氧化反应器的底部连接。
2.根据权利要求1所述基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮同步磷回收的系统，其特征在于：所述亚硝化反应器为序批式反应器；所述厌氧氨氧化反应器为上流式厌氧污泥床反应器；所述亚硝化反应器内设有搅拌和曝气装置；所述厌氧氨氧化反应器内顶部设有回流管、三相分离器和溢流堰；所述厌氧氨氧化反应器为底部进水，顶部经过溢流堰后出水。
3.一种利用权利要求1或2所述系统的基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮除磷的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)在亚硝化反应器中接种污泥1，在厌氧氨氧化反应器中接种污泥2；(2)原水池内污水进入亚硝化反应器进行亚硝化反应；(3)亚硝化反应器出水进入厌氧氨氧化反应器进行厌氧氨氧化处理；(4)镁盐溶液储备罐中的镁盐溶液通过水泵和管道从厌氧氨氧化反应器底部泵入厌氧氨氧化反应器，为污水中磷酸盐结晶提供镁源，实现除磷；(5)厌氧氨氧化反应器顶部污水通过回流管和回流水泵回流至反应器底部进水口，实现反应器内回流。
4.根据权利要求3所述基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮除磷的方法，其特征在于：步骤(1)所述污泥1为含氨氧化菌的污泥；污泥2为含厌氧氨氧化菌的污泥。
5.根据权利要求3所述基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮除磷的方法，其特征在于：步骤(2)所述污水的氨氮浓度为800～2000mg/L；总氮浓度为800～2500mg/L；磷浓度为60～150mg/L。
6.根据权利要求3所述基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮除磷的方法，其特征在于：步骤(2)所述亚硝化反应的条件为：亚硝化反应器内污泥1的浓度为4000～6000mg/L；亚硝化反应器内的水力停留时间为12～30h；亚硝化反应器排水比为20～50％；亚硝化反应器的曝气量满足：使得亚硝化反应器内溶解氧浓度保持在0.5～3mg/L。
7.根据权利要求6所述基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮除磷的方法，其特征在于：调整所述亚硝化反应器内曝气量和水力停留时间，使得反应后出水亚硝氮浓度与氨氮浓度比值为1.32:1～1:1。
8.根据权利要求3所述基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮除磷的方法，其特征在于：步骤(3)所述厌氧氨氧化处理的条件为：厌氧氨氧化反应器内污泥2的浓度为5000～8000mg/L；厌氧氨氧化反应器内的水力停留时间为12～24h，反应温度为28～33℃。
9.根据权利要求3所述基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮除磷的方法，其特征在于：步骤(4)所述镁盐溶液的用量满足：使得进入厌氧氨氧化反应器的镁离子与磷酸盐摩尔比值为1.5～2:1；步骤(4)所述镁盐为氯化镁、硫酸镁中的至少一种。
10.根据权利要求3所述基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮除磷的方法，其特征在于：步骤(5)所述回流的回流比为100％～500％。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮同步磷回收的系统。
本发明另一目的在于提供利用上述系统的基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮同步磷回收的方法。
本发明针对传统脱氮技术在处理低C/N、高氮磷废水时脱氮效能受限、缺少磷回收等突出问题，根据厌氧氨氧化菌的反应特性，提出基于亚硝化-厌氧氨氧化高效脱氮反应，耦合镁磷矿化形成结晶的厌氧消化液脱氮除磷系统和方法，在有限的碳源基础上，不仅能实现氮磷的去除，还能实现磷资源的回收，是一种低碳脱氮同步磷资源回收的厌氧消化液处理新工艺。同时，镁磷结晶还能成为微生物的附着点，促进厌氧氨氧化细菌的富集和稳定持留。
本发明的目的通过下述方案实现：
一种基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮同步磷回收的系统，包括：原水池、亚硝化反应器、中间池、厌氧氨氧化反应器、镁盐溶液储备罐；其中，原水池、亚硝化反应器、中间池、厌氧氨氧化反应器之间通过水泵与管道依次相连，厌氧氨氧化反应器包含有回流管和回流水泵构成的回流装置，镁盐溶液储备罐通过水泵和管道与厌氧氨氧化反应器的底部连接。
所述亚硝化反应器配备有曝气装置以及搅拌装置；厌氧氨氧化反应器和镁盐溶液储备罐配备有搅拌装置；原水池和中间池可选有搅拌装置。
所述亚硝化反应器为序批式反应器(SBR)；所述厌氧氨氧化反应器为上流式厌氧污泥床反应器(UASB)。
所述亚硝化反应器内设有搅拌和曝气装置；所述厌氧氨氧化反应器内顶部设有回流管、三相分离器和溢流堰；所述厌氧氨氧化反应器为底部进水，顶部经过溢流堰后出水。
一种利用上述系统的基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮除磷的方法，包括：
(1)在亚硝化反应器中接种污泥1，在厌氧氨氧化反应器中接种污泥2；
(2)原水池内污水进入亚硝化反应器进行亚硝化反应；
(3)亚硝化反应器出水进入厌氧氨氧化反应器进行厌氧氨氧化处理；
(4)镁盐溶液储备罐中的镁盐溶液通过水泵和管道从厌氧氨氧化反应器底部泵入厌氧氨氧化反应器，为污水中磷酸盐结晶提供镁源，实现除磷；
(5)厌氧氨氧化反应器顶部污水通过回流管和回流水泵回流至反应器底部进水口，实现反应器内回流。
步骤(1)所述污泥1为含氨氧化菌的污泥，优选为硝化污泥、二沉池污泥中的至少一种；污泥2为含厌氧氨氧化菌的污泥，优选为工程化运行厌氧氨氧化反应器内污泥。
步骤(2)所述污水的氨氮浓度为800～2000mg/L；总氮浓度为800～2500mg/L；磷浓度为60～150mg/L。
步骤(2)所述亚硝化反应器采用序批式运行，单周期内包括进水-反应(曝气加搅拌)-沉淀-出水。
步骤(2)所述亚硝化反应的条件为：亚硝化反应器内污泥1的浓度为4000～6000mg/L；亚硝化反应器内的水力停留时间(HRT)为12～30h；亚硝化反应器排水比为20～50％；亚硝化反应器的曝气量满足：使得亚硝化反应器内溶解氧浓度保持在0.5～3mg/L。
步骤(2)所述亚硝化反应为在污泥中氨氧化菌(AOB)作用下，污水中氨氮部分被转化为亚硝氮，通过控制亚硝化反应器内曝气量和水力停留时间，使得反应后出水亚硝氮浓度与氨氮浓度比值为1.32:1～1:1。
步骤(3)所述厌氧氨氧化处理的条件为：厌氧氨氧化反应器内污泥2的浓度为5000～8000mg/L；厌氧氨氧化反应器内的水力停留时间为12～24h，反应温度为28～33℃；适宜的厌氧氨氧化污泥浓度和水力停留时间有利于厌氧氨氧化反应的进行。
步骤(3)所述厌氧氨氧化处理为在厌氧氨氧化反应器内，厌氧氨氧化菌以NH4+-N为电子供体，NO2--N为电子受体，通过生物化学反应生成氮气，实现污水中氮元素的去除。
步骤(4)所述镁盐溶液的用量满足：使得进入厌氧氨氧化反应器的镁离子与磷酸盐摩尔比值为1.5～2:1。
步骤(4)所述镁盐溶液的用量满足：镁盐溶液的含镁离子浓度与污水中磷酸盐浓度摩尔比值为150～200，镁盐溶液流量与厌氧氨氧化反应器进水流量比为1:100，相当于进入厌氧氨氧化反应器的镁离子与磷酸盐摩尔比值为1.5～2:1。
步骤(4)所述除磷具体为：在厌氧氨氧化反应后，水环境中的pH提升，使得镁离子与磷酸根离子结合生成镁磷结晶沉淀，从而实现磷的去除和回收；镁磷结晶主要以水合磷酸镁(Mg3(PO4)2·xH2O)为主。
步骤(4)所述镁盐为氯化镁、硫酸镁中的至少一种。
步骤(5)所述回流的回流比为100％～500％，优选为300％～500％。
本发明的机理为：
厌氧氨氧化菌属于世代周期较长的自养微生物，其生长缓慢，且其发生的厌氧氨氧化反应会生成氮气，氮气气泡易附着在厌氧氨氧化污泥絮体上，发生污泥上浮现象。部分上浮污泥绕过三相分离器随着水流流出反应器易造成污泥流失，降低反应器对污水的处理性能。针对上述缺点，本发明提出了一种利用上述系统的基于亚硝化-厌氧氨氧化耦合镁磷结晶实现厌氧消化液脱氮除磷的系统及方法：系统由亚硝化反应器、厌氧氨氧化反应器和镁盐溶液提供设备组成；亚硝化反应器将污水中部分氨氮转化为亚硝氮，同时利用污水中有机物实现反硝化；厌氧氨氧化反应器利用亚硝化反应器产生的亚硝氮作为电子受体，同时以氨氮作为电子供体，通过厌氧氨氧化反应产生氮气，从而实现污水中氮的去除。同时，镁盐溶液加进厌氧氨氧化反应器，利用厌氧氨氧化反应消耗体系氢离子、提高体系pH的特性，以及反应器内污泥对离子的吸附和释放特性，提高镁磷化合物的饱和指数(SI)，同时，污泥对离子的吸附为镁磷结晶的生成提供成核位点，促进镁磷结晶。镁磷结晶的生成实现了污水中磷的去除和回收，同时为微生物提供附着位点，促进颗粒污泥生成，提高了污泥沉淀性能和在反应器的持留能力，保证反应器高效的脱氮性能。
厌氧氨氧化反应器内厌氧氨氧化菌及其他微生物可附着生长在镁磷结晶表面，在胞外聚合物和水流剪切力作用下，厌氧氨氧化微菌落之间发生絮凝形成菌落絮凝体，随着镁磷结晶体的生长和菌落絮凝体的扩大覆盖，逐渐形成以镁磷结晶体为内核，微生物覆盖在外层的颗粒污泥。定期排泥，并通过对污泥进行碾压，离心分离，带有微生物的污泥补充回反应器，无机物(镁磷结晶)后续进一步处理后回收。
其中中间池的设置可实现根据实际情况调节进水性质及药剂投加，比如调pH，加碱度。
本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
1)实现了厌氧消化液中氮磷的同时去除，实现了污水中氮磷脱除效果分别达85％和75％以上；
2)解决了厌氧氨氧化反应器中污泥易随气泡上浮流失的问题；
3)厌氧氨氧化为典型的自养反应过程，亚硝化反应器内可消耗污水中大部分可生物利用有机物，实现同步亚硝化反硝化，脱除污水中一部分氮，也为后续厌氧氨氧化菌提供良好的生长条件，避免和其他异养菌的过度竞争；
4)相比传统沉淀法回收磷如鸟粪石结晶法、羟基磷灰石结晶法需要投加碱性药剂，调节废水pH，厌氧氨氧化反应带来的碱度可减少甚至无需外加药剂；
5)厌氧氨氧化反应器内形成的含镁磷结晶的污泥可进行回收，作为含镁、磷复合污泥有机肥料出售；亦可将污泥与镁磷结晶进行分离后回收，作为肥料或者工业原料出售，实现污水处理过程的增收；
6)整套系统集污染物去除和资源回收一体，尤其是一体式厌氧氨氧化耦合镁磷结晶反应器，可降低污水处理设施占地面积，适合现在及未来污水处理厂的升级改造。
（发明人：汪晓军;李嘉懿;李碧清;唐霞;孙伟;吴学伟;罗业燊;李鹏飞）
