公布日：2023.11.17
申請日：2023.08.24
分類號(hào)：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(fā)明屬于污水生物處理技術(shù)與資源回收領(lǐng)域，公開一種基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)厭氧消化液脫氮同步磷回收的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的系統(tǒng)包括：原水池、亞硝化反應(yīng)器、中間池、厭氧氨氧化反應(yīng)器、鎂鹽溶液儲(chǔ)備罐；其中，原水池、亞硝化反應(yīng)器、中間池、厭氧氨氧化反應(yīng)器之間通過水泵與管道依次相連，厭氧氨氧化反應(yīng)器包含有回流管和回流水泵構(gòu)成的回流裝置，鎂鹽溶液儲(chǔ)備罐通過水泵和管道與厭氧氨氧化反應(yīng)器的底部連接。污水進(jìn)入本發(fā)明系統(tǒng)后依次經(jīng)亞硝化反應(yīng)、厭氧氨氧化反應(yīng)耦合鎂鹽沉淀，解決了厭氧氨氧化反應(yīng)器中污泥易隨氣泡上浮流失的問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了污水中氮磷脫除效果分別達(dá)85％和75％以上。
權(quán)利要求書
1.一種基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)厭氧消化液脫氮同步磷回收的系統(tǒng)，其特征在于包括：原水池、亞硝化反應(yīng)器、中間池、厭氧氨氧化反應(yīng)器、鎂鹽溶液儲(chǔ)備罐；其中，原水池、亞硝化反應(yīng)器、中間池、厭氧氨氧化反應(yīng)器之間通過水泵與管道依次相連，厭氧氨氧化反應(yīng)器包含有回流管和回流水泵構(gòu)成的回流裝置，鎂鹽溶液儲(chǔ)備罐通過水泵和管道與厭氧氨氧化反應(yīng)器的底部連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)厭氧消化液脫氮同步磷回收的系統(tǒng)，其特征在于：所述亞硝化反應(yīng)器為序批式反應(yīng)器；所述厭氧氨氧化反應(yīng)器為上流式厭氧污泥床反應(yīng)器；所述亞硝化反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有攪拌和曝氣裝置；所述厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)頂部設(shè)有回流管、三相分離器和溢流堰；所述厭氧氨氧化反應(yīng)器為底部進(jìn)水，頂部經(jīng)過溢流堰后出水。
3.一種利用權(quán)利要求1或2所述系統(tǒng)的基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)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(yīng)器中接種污泥1，在厭氧氨氧化反應(yīng)器中接種污泥2；(2)原水池內(nèi)污水進(jìn)入亞硝化反應(yīng)器進(jìn)行亞硝化反應(yīng)；(3)亞硝化反應(yīng)器出水進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器進(jìn)行厭氧氨氧化處理；(4)鎂鹽溶液儲(chǔ)備罐中的鎂鹽溶液通過水泵和管道從厭氧氨氧化反應(yīng)器底部泵入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器，為污水中磷酸鹽結(jié)晶提供鎂源，實(shí)現(xiàn)除磷；(5)厭氧氨氧化反應(yīng)器頂部污水通過回流管和回流水泵回流至反應(yīng)器底部進(jìn)水口，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)回流。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)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(jù)權(quán)利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)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(jù)權(quán)利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)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(yīng)的條件為：亞硝化反應(yīng)器內(nèi)污泥1的濃度為4000～6000mg/L；亞硝化反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時(shí)間為12～30h；亞硝化反應(yīng)器排水比為20～50％；亞硝化反應(yīng)器的曝氣量滿足：使得亞硝化反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度保持在0.5～3mg/L。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)厭氧消化液脫氮除磷的方法，其特征在于：調(diào)整所述亞硝化反應(yīng)器內(nèi)曝氣量和水力停留時(shí)間，使得反應(yīng)后出水亞硝氮濃度與氨氮濃度比值為1.32:1～1:1。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)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(yīng)器內(nèi)污泥2的濃度為5000～8000mg/L；厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時(shí)間為12～24h，反應(yīng)溫度為28～33℃。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)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(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)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(jù)權(quán)利要求3所述基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)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(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)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(jié)晶實(shí)現(xiàn)厭氧消化液脫氮同步磷回收的系統(tǒng)。
本發(fā)明另一目的在于提供利用上述系統(tǒng)的基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)厭氧消化液脫氮同步磷回收的方法。
本發(fā)明針對傳統(tǒng)脫氮技術(shù)在處理低C/N、高氮磷廢水時(shí)脫氮效能受限、缺少磷回收等突出問題，根據(jù)厭氧氨氧化菌的反應(yīng)特性，提出基于亞硝化-厭氧氨氧化高效脫氮反應(yīng)，耦合鎂磷礦化形成結(jié)晶的厭氧消化液脫氮除磷系統(tǒng)和方法，在有限的碳源基礎(chǔ)上，不僅能實(shí)現(xiàn)氮磷的去除，還能實(shí)現(xiàn)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(shí)，鎂磷結(jié)晶還能成為微生物的附著點(diǎn)，促進(jìn)厭氧氨氧化細(xì)菌的富集和穩(wěn)定持留。
本發(fā)明的目的通過下述方案實(shí)現(xiàn)：
一種基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)厭氧消化液脫氮同步磷回收的系統(tǒng)，包括：原水池、亞硝化反應(yīng)器、中間池、厭氧氨氧化反應(yīng)器、鎂鹽溶液儲(chǔ)備罐；其中，原水池、亞硝化反應(yīng)器、中間池、厭氧氨氧化反應(yīng)器之間通過水泵與管道依次相連，厭氧氨氧化反應(yīng)器包含有回流管和回流水泵構(gòu)成的回流裝置，鎂鹽溶液儲(chǔ)備罐通過水泵和管道與厭氧氨氧化反應(yīng)器的底部連接。
所述亞硝化反應(yīng)器配備有曝氣裝置以及攪拌裝置；厭氧氨氧化反應(yīng)器和鎂鹽溶液儲(chǔ)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(yīng)器為序批式反應(yīng)器(SBR)；所述厭氧氨氧化反應(yīng)器為上流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)。
所述亞硝化反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有攪拌和曝氣裝置；所述厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)頂部設(shè)有回流管、三相分離器和溢流堰；所述厭氧氨氧化反應(yīng)器為底部進(jìn)水，頂部經(jīng)過溢流堰后出水。
一種利用上述系統(tǒng)的基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)厭氧消化液脫氮除磷的方法，包括：
(1)在亞硝化反應(yīng)器中接種污泥1，在厭氧氨氧化反應(yīng)器中接種污泥2；
(2)原水池內(nèi)污水進(jìn)入亞硝化反應(yīng)器進(jìn)行亞硝化反應(yīng)；
(3)亞硝化反應(yīng)器出水進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器進(jìn)行厭氧氨氧化處理；
(4)鎂鹽溶液儲(chǔ)備罐中的鎂鹽溶液通過水泵和管道從厭氧氨氧化反應(yīng)器底部泵入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)器，為污水中磷酸鹽結(jié)晶提供鎂源，實(shí)現(xiàn)除磷；
(5)厭氧氨氧化反應(yīng)器頂部污水通過回流管和回流水泵回流至反應(yīng)器底部進(jìn)水口，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)回流。
步驟(1)所述污泥1為含氨氧化菌的污泥，優(yōu)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(yōu)選為工程化運(yùn)行厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)器采用序批式運(yùn)行，單周期內(nèi)包括進(jìn)水-反應(yīng)(曝氣加攪拌)-沉淀-出水。
步驟(2)所述亞硝化反應(yīng)的條件為：亞硝化反應(yīng)器內(nèi)污泥1的濃度為4000～6000mg/L；亞硝化反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時(shí)間(HRT)為12～30h；亞硝化反應(yīng)器排水比為20～50％；亞硝化反應(yīng)器的曝氣量滿足：使得亞硝化反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度保持在0.5～3mg/L。
步驟(2)所述亞硝化反應(yīng)為在污泥中氨氧化菌(AOB)作用下，污水中氨氮部分被轉(zhuǎn)化為亞硝氮，通過控制亞硝化反應(yīng)器內(nèi)曝氣量和水力停留時(shí)間，使得反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)污泥2的濃度為5000～8000mg/L；厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)的水力停留時(shí)間為12～24h，反應(yīng)溫度為28～33℃；適宜的厭氧氨氧化污泥濃度和水力停留時(shí)間有利于厭氧氨氧化反應(yīng)的進(jìn)行。
步驟(3)所述厭氧氨氧化處理為在厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)，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(xué)反應(yīng)生成氮?dú)�，�?shí)現(xiàn)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(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)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(yīng)器進(jìn)水流量比為1:100，相當(dāng)于進(jìn)入?yún)捬醢毖趸磻?yīng)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(yīng)后，水環(huán)境中的pH提升，使得鎂離子與磷酸根離子結(jié)合生成鎂磷結(jié)晶沉淀，從而實(shí)現(xiàn)磷的去除和回收；鎂磷結(jié)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(yōu)選為300％～500％。
本發(fā)明的機(jī)理為：
厭氧氨氧化菌屬于世代周期較長的自養(yǎng)微生物，其生長緩慢，且其發(fā)生的厭氧氨氧化反應(yīng)會(huì)生成氮?dú)猓獨(dú)鈿馀菀赘街趨捬醢毖趸勰嘈躞w上，發(fā)生污泥上浮現(xiàn)象。部分上浮污泥繞過三相分離器隨著水流流出反應(yīng)器易造成污泥流失，降低反應(yīng)器對污水的處理性能。針對上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種利用上述系統(tǒng)的基于亞硝化-厭氧氨氧化耦合鎂磷結(jié)晶實(shí)現(xiàn)厭氧消化液脫氮除磷的系統(tǒng)及方法：系統(tǒng)由亞硝化反應(yīng)器、厭氧氨氧化反應(yīng)器和鎂鹽溶液提供設(shè)備組成；亞硝化反應(yīng)器將污水中部分氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝氮，同時(shí)利用污水中有機(jī)物實(shí)現(xiàn)反硝化；厭氧氨氧化反應(yīng)器利用亞硝化反應(yīng)器產(chǎn)生的亞硝氮作為電子受體，同時(shí)以氨氮作為電子供體，通過厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生氮?dú)�，從而�?shí)現(xiàn)污水中氮的去除。同時(shí)，鎂鹽溶液加進(jìn)厭氧氨氧化反應(yīng)器，利用厭氧氨氧化反應(yīng)消耗體系氫離子、提高體系pH的特性，以及反應(yīng)器內(nèi)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(shù)(SI)，同時(shí)，污泥對離子的吸附為鎂磷結(jié)晶的生成提供成核位點(diǎn)，促進(jìn)鎂磷結(jié)晶。鎂磷結(jié)晶的生成實(shí)現(xiàn)了污水中磷的去除和回收，同時(shí)為微生物提供附著位點(diǎn)，促進(jìn)顆粒污泥生成，提高了污泥沉淀性能和在反應(yīng)器的持留能力，保證反應(yīng)器高效的脫氮性能。
厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化菌及其他微生物可附著生長在鎂磷結(jié)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(fā)生絮凝形成菌落絮凝體，隨著鎂磷結(jié)晶體的生長和菌落絮凝體的擴(kuò)大覆蓋，逐漸形成以鎂磷結(jié)晶體為內(nèi)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(jìn)行碾壓，離心分離，帶有微生物的污泥補(bǔ)充回反應(yīng)器，無機(jī)物(鎂磷結(jié)晶)后續(xù)進(jìn)一步處理后回收。
其中中間池的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)進(jìn)水性質(zhì)及藥劑投加，比如調(diào)pH，加堿度。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
1)實(shí)現(xiàn)了厭氧消化液中氮磷的同時(shí)去除，實(shí)現(xiàn)了污水中氮磷脫除效果分別達(dá)85％和75％以上；
2)解決了厭氧氨氧化反應(yīng)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(yǎng)反應(yīng)過程，亞硝化反應(yīng)器內(nèi)可消耗污水中大部分可生物利用有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)同步亞硝化反硝化，脫除污水中一部分氮，也為后續(xù)厭氧氨氧化菌提供良好的生長條件，避免和其他異養(yǎng)菌的過度競爭；
4)相比傳統(tǒng)沉淀法回收磷如鳥糞石結(jié)晶法、羥基磷灰石結(jié)晶法需要投加堿性藥劑，調(diào)節(jié)廢水pH，厭氧氨氧化反應(yīng)帶來的堿度可減少甚至無需外加藥劑；
5)厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)形成的含鎂磷結(jié)晶的污泥可進(jìn)行回收，作為含鎂、磷復(fù)合污泥有機(jī)肥料出售；亦可將污泥與鎂磷結(jié)晶進(jìn)行分離后回收，作為肥料或者工業(yè)原料出售，實(shí)現(xiàn)污水處理過程的增收；
6)整套系統(tǒng)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(jié)晶反應(yīng)器，可降低污水處理設(shè)施占地面積，適合現(xiàn)在及未來污水處理廠的升級改造。
（發(fā)明人：汪曉軍;李嘉懿;李碧清;唐霞;孫偉;吳學(xué)偉;羅業(yè)燊;李鵬飛）
