CN109502748A

CN109502748A - 基于亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统及方法

Info

Publication number: CN109502748A
Application number: CN201811381795.XA
Authority: CN
Inventors: 代洪亮; 孙同帅; 朱晖; 王新刚; 蔡星伟
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2019-03-22
Anticipated expiration: 2038-11-20
Also published as: CN109502748B

Abstract

本发明公开了一种基于亚硝化‑厌氧氨氧化‑诱导结晶磷回收的污水处理系统及方法，系统包括依次连接的原水水箱、厌氧水解池、第一沉淀池、厌氧氨氧化池、第二沉淀池、诱导结晶磷回收装置、生物接触氧化池、第三沉淀池和出水水箱。污水先进厌氧水解池，在微生物的作用下发生有机物的水解酸化和磷的释放；随后，上清液进厌氧氨氧化池，水解产生的氨氮和生物接触氧化池产生的亚硝酸盐在厌氧氨氧化菌的作用下进行厌氧氨氧化脱氮；然后，上清液一部分进行诱导结晶磷回收，另一部分进生物接触氧化池完成短程硝化和部分好氧吸磷反应；最后，上清液进入出水水箱，部分污泥回流。本发明不仅能实现氮磷的深度去除，还能实现部分磷资源的回收，应用前景良好。

Description

基于亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统及方法，属于污水生物处理技术与资源回收领域。

背景技术

水体中过量氮磷等营养元素引起的富营养化问题日益加剧，严重威胁着生态环境和居民身体健康。可持续发展理念下的现代水处理技术应同时具有水质改善、低能耗和实现污染物资源化等功能。污水中的磷是一种宝贵的稀缺资源，而城镇生活污水中含有“较丰富”磷，回收潜力巨大。如果能将污水中的磷回收再利用，不仅能避免水体富营养化，还能实现磷资源的循环利用，具有经济和环境双重效益。因此，开发一种高效、低能耗及资源回收的污水深度脱氮除磷技术已成为水污染治理的重要内容。

传统城市污水脱氮除磷工艺由于存在碳源竞争、泥龄矛盾以及节能与减排目标相对立等问题，其出水水质难以稳定达标排放。厌氧氨氧化作为一种自氧脱氮的污水处理新工艺具有节约碳源和曝气能耗，成为当前污水处理领域研究的热点。此外，实现厌氧氨氧化工艺的正常运行，需要有足够的硝态氮或亚硝态氮，为氧化氨氮生成氮气。

生物接触氧化法又称生物膜法，在曝气池内投加填料，以供微生物附着生长，是一种介于活性污泥法与生物滤池两者之间的生物处理法，该方法适用于世代周期较长的硝化类细菌的培养。

单独的厌氧氨氧化工艺仅能实现生活污水中氮元素的去除，而对磷的去除效果甚微，这就限制了它市政污水处理领域的应用。因此，开发一种能耦合厌氧氨氧化系统和生物除磷系统的污水脱氮除磷工艺具有重要意义。

发明内容

发明目的：本发明遵循目前可持续发展理念下的现代污水处理技术应同时具有水质改善、低能耗和实现污染物资源化等功能的要求，针对我国市政污水低C/N的特性，现有活性污泥工艺脱氮除磷效率低、能耗较高以及资源浪费等问题，提出了一种低能耗、高效率及资源回收的基于亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统及方法，在有限的碳源基础上，不仅能实现氮磷的深度去除，还能实现部分磷资源的回收。

技术方案：

一种亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统，包括：依次连接的原水水箱、厌氧水解池、第一沉淀池、厌氧氨氧化池、第二沉淀池、诱导结晶磷回收装置、生物接触氧化池、第三沉淀池和出水水箱；其中第一沉淀池的污泥出口连接生物接触氧化池，第二沉淀池的水流出口通过支路连接生物接触氧化池，第二沉淀池的污泥出口连接厌氧氨氧化池，第三沉淀池的污泥出口连接厌氧水解池，出水水箱通过回流管与厌氧氨氧化池连接。

所述厌氧水解池和厌氧氨氧化池内设有搅拌装置；所述生物接触氧化池设有曝气装置。

所述诱导结晶磷回收装置包括相连的曝气吹脱池和诱导结晶柱，第二沉淀池的水流出口与曝气吹脱池连接，诱导结晶柱的水流出口连接生物接触氧化池，曝气吹脱池和诱导结晶柱的连接管路上通过管线连接药剂池。

本发明还提供了一种利用所述的基于亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统进行污水处理的方法，包括：

(1)原水水箱内的污水和第三沉淀池中污泥一起进入厌氧水解池进行厌氧水解处理；

(2)厌氧水解处理结束后混合液进入第一沉淀池进行泥水分离，污泥输送至生物接触氧化池内，上清液进入厌氧氨氧化池进行厌氧氨氧化处理；

(3)厌氧氨氧化处理结束后，混合液经第二沉淀池进行泥水分离，污泥回流至厌氧氨氧化池，上清液一部分进入诱导磷结晶装置回收磷，然后出水进入生物接触氧化池，上清液另一部分直接进入生物接触氧化池；

(4)生物接触氧化池内污水进行短程硝化反应和吸磷反应，结束后进入第三沉淀池进行泥水分离，污泥回流至厌氧水解池，上清液进入出水水箱，出水水箱的一部分水排放，另一部分水回流至厌氧氨氧化反应池。

其中，步骤(1)中，第三沉淀池的污泥回流至厌氧水解池，污泥回流比为100％～200％；厌氧水解池内污泥浓度为3500～5000mg/L；厌氧水解池内的水力停留时间为2.5～3.5h。在回流污泥中微生物的作用下，厌氧水解池中的大分子有机物发生水解、酸化反应。有机氮水解成氨氮，吸收污水中的小分子有机物(主要是挥发性脂肪酸，VFA)，将其转化为聚羟基烷酸(PHA)并将其储存在细胞内，同时释放出磷。适宜的污泥浓度和水力停留时间有利于厌氧水解反应的进行。

步骤(2)中，出水水箱内的水回流至厌氧氨氧化反应池，回流比为100％～300％；厌氧氨氧化池内污泥浓度为4500～7000mg/L；厌氧氨氧化池内的水力停留时间为2.5～3.5h。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。在厌氧氨氧化反应池内，厌氧氨氧化细菌以二氧化碳或碳酸盐作为碳源，以厌氧水解产生的氨氮作为电子供体，以生物接触氧化池产生的亚硝酸盐/硝酸盐作为电子受体，通过生物化学反应，将氨氮转化为氮气以实现污水中氮元素的去除。

步骤(3)中，上清液体积的50～90％进入诱导结晶磷回收装置实现磷的回收，余下部分直接进入生物接触氧化池。厌氧氨氧化系统不具体除磷作用，较高比例的第二沉淀池上清液进入诱导结晶磷回收系统，可实现磷的去除和回收。溶液中剩余少量磷可在生物接触氧化池中被好氧聚磷菌吸收。

添加晶种有利于磷的结晶反应，其中晶种类型、尺寸以及钙离子添加量都会影响HAP的生产。优选，诱导磷结晶装置中，投加的晶种为粒径0.20～0.25mm的方解石或石英砂，除磷药剂为CaCl₂，除磷药剂投加量按照Ca/P摩尔比1:1.5～5:1投加。

步骤(4)中，生物接触氧化池内设有组合填料，材质为全塑性夹片维纶醛化丝，比表面积3000～8000m²/m³，填充率35～50％，孔隙率大于99％，规格Φ180mm，密度2.5g/cm³，水力停留时间为2.0～3.5h。短程硝化填料可采用目前市场上应用广泛的组合填料(例如具体可选择：Φ180mm，间距80mm，江苏裕隆环保有限公司)：组合填料是在软性填料和半软性填料的基础上发展而成的，它兼有两者的优点：其结构是将塑料圆片压扣改成双圈大塑料环，将醛化纤维或涤纶丝压在环的环圈上，使纤维束均匀分布；内圈是雪花状塑料枝条，既能挂膜，又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率，使水气生物膜得到充分交换，使水中的有机物得到高效处理。

发明原理：厌氧氨氧化菌属于世代周期较长的自养微生物，传统的聚磷菌是一种世代周期相对较短的异养微生物，两者不能很好的共存于同于污泥系统中。此外，短程硝化系统需要较小的曝气量，而聚磷菌好氧吸磷过程则需要较大的曝气强度。同一曝气池中，满足好氧吸磷过程可能会破坏短程硝化反应，使之变成完全硝化反应。针对上述缺点，本发明提出了一种基于亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统进行污水处理的方法：工艺由双污泥系统(厌氧氨氧化污泥系统和硝化聚磷污泥系统)耦合诱导结晶磷回收单元组成；厌氧氨氧化污泥和短程硝化聚磷污泥独立开来，可以解决不同污泥系统的泥龄矛盾问题；厌氧水解氨氧化反利用短程硝化系统产生的亚硝酸盐作为电子受体，对氨氮进行氧化产生氮气，实现氮的去除，脱氮过程属于完全自养反应，不需要消耗额外碳源，碳源完全用于厌氧释磷，为后续诱导结晶磷回收单元提供富磷上清液，在较少的碳源基础上，不仅能实现氮磷的深度去除，还能实现部分磷资源的回收；另外，与全程硝化相比，短程硝化是将氨氮氧化成亚硝酸状态，该过程可节约25％的供氧能耗，减少反应时间，在实际运行过程中将减小反应池体积和工艺投资及运行费用。富磷上清液一部分进入诱导结晶装置，通过形成羟基磷酸钙，实现磷的部分回收，一部分进入生物接触氧化池，实现磷的生物去除，通过不同分流比，来调节生物除磷和化学磷回收之间的关系；生物接触氧化池中填充组合填料，填料上富集生长硝化细菌，通过工艺参数的调整，实现氨氮的短程硝化和部分吸磷反应，另外生物接触氧化法由于生物膜有一定的膜片厚度，生物膜内部容易造成缺氧环境，这种溶解氧和传质梯度的变化使得氨氮不易转化为硝态氮，易于亚硝化反应的实现，所以相对于活性污泥法，生物膜法更容易培养硝化类菌种并实现短程硝化反应。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)实现生活污水氮磷深度去除的同时，对污水中磷资源进行回收利用；

2)解决了厌氧氨氧化污泥和短程硝化聚磷污泥之间泥龄矛盾的问题；

3)碳源最大限度用于厌氧释磷和好氧磷，节省碳源，提高原水碳源利用率；

4)厌氧氨氧化为典型的自养反应过程，厌氧水解池消耗大部分COD，为厌氧氨氧化细菌提供良好的生长条件，避免和其他异养菌的竞争；

5)短程硝化反应提供亚硝酸盐，缩短厌氧氨氧化反应时间和系统曝气量，节约工艺能耗。

6)生物接触氧化池添加组合填料，有利于硝化细菌附着生长，提高其生物量，可实现较长的污泥龄，污泥产率低，缓解了污泥处置问题，降低运行成本；

7)诱导结晶回收的含磷产物可作为肥料出售，实现污水处理过程的增收；

8)工艺集污染物去除和资源回收一体，适合现在及未来污水处理厂的升级改造。

附图说明

图1为基于亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统的结构示意图；

图中：1-原水水箱；2-厌氧水解池；3-第一沉淀池；4-厌氧氨氧化池；5-第二沉淀池；6-曝气吹脱池；7-药剂池；8-诱导结晶柱；9-生物接触氧化池；10-第三沉淀池；11-出水水箱；12-搅拌装置；13-曝气装置；14-第一沉淀池的溢流挡板；15-第二沉淀池的溢流挡板；16-第三沉淀池的溢流挡板；17-进水泵；18-短程聚磷污泥回流泵；19-污泥超越泵；20-厌氧氨氧化污泥回流泵；21-厌氧氨氧化污泥排泥泵；22-分流泵；23-加药泵；24-短程聚磷污泥排泥泵；25-短程硝化上清液回流泵；26-组合填料。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1，本发明亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统包括依次连接的原水水箱1、厌氧水解池2、第一沉淀池3、厌氧氨氧化池4、第二沉淀池5、诱导结晶磷回收装置(曝气吹脱池6、药剂池7、诱导结晶柱8)、生物接触氧化池9、第三沉淀池10和出水水箱11。

厌氧氨氧化池4和第二沉淀池5构成厌氧氨氧化系统装置，厌氧水解池2、第一沉淀池3、生物接触氧化池9、第三沉淀池10构成短程硝化聚磷系统装置。装置中涉及的各反应池主体均由有机玻璃制成。原水水箱用于储存原污水，原水水箱与厌氧水解池2相连的管路上设有进水泵17。厌氧水解池2的体积15L，厌氧氨氧化池4的体积12.5L，生物接触氧化池9的体积5L，当然各反应池也可根据实际情况进行设置。厌氧水解池2和厌氧氨氧化池4内设有搅拌装置12，生物接触氧化池9内设有曝气装置13。诱导磷结晶装置包括相连的曝气吹脱池6和诱导结晶柱8，第二沉淀池5的水流出口与曝气吹脱池6连接，诱导结晶柱8的水流出口连接生物接触氧化池9，曝气吹脱池6和诱导结晶柱8的连接管路上通过管线(该管线设有加药泵23)连接药剂池7。

第一沉淀池3、第二沉淀池5和第三沉淀池10均发挥泥水分离的作用，每个沉淀池的顶部带有溢流挡板14、15、16，上清液通过溢流挡板流出，沉淀池的底部设有污泥漏斗，污泥漏斗侧面与水平面夹角为45°，污泥漏斗的底部具有污泥出口，用于排放污泥。第一沉淀池3的污泥出口连接生物接触氧化池9，连接管路上设有污泥超越泵19。

第二沉淀池5的水流出口通过支路连接生物接触氧化池9，该支路上设有分流泵22，第二沉淀池5的污泥出口连接厌氧氨氧化池4，连接管路上设有厌氧氨氧化污泥回流泵20。第三沉淀池10的污泥出口连接厌氧水解池2，连接管路上设有短程聚磷污泥回流泵18。出水水箱11通过回流管与厌氧氨氧化池4连接，回流管上设有短程硝化上清液回流泵25。

污水处理时，原水水箱1内的污水通过进水泵17与来自第三沉淀池10经污泥回流泵18送来的回流污泥一起进入厌氧水解池2进行厌氧水解处理，厌氧水解池内平均污泥浓度为3500～5000mg/L，厌氧水解池内的水力停留时间为2.5～3.5h，充分混合反应后，水中有机物被水解，聚磷菌吸收水中挥发性脂肪酸(VFAs)合成内碳源(PHAs)储存于细胞体内，同时释磷。

厌氧水解处理结束后混合液进入第一沉淀池3进行泥水分离，污泥通过污泥超越泵19输送至生物接触氧化池9内，上清液和经回流泵25带来的短程硝化回流液一起进入进入厌氧氨氧化池4进行厌氧氨氧化处理，厌氧氨氧化池内平均污泥浓度为4500～7000mg/L；厌氧氨氧化池内的水力停留时间为2.5～3.5h；厌氧氨氧化泥龄保持约25d，硝化聚磷污泥龄20d；厌氧氨氧化菌利用亚硝酸为电子受体，氧化氨氮产生氮气，实现污水中氮的去除。混合液在厌氧水解池2和厌氧氨氧化池4沿程推流，并通过各自的搅拌装置12充分混合反应。

厌氧氨氧化处理结束后，混合液经第二沉淀池5进行泥水分离，停留时间1.0～1.5h，污泥通过厌氧氨氧化污泥回流泵20回流至厌氧氨氧化池，完成污泥内循环，当需要排出污泥时，通过厌氧氨氧化污泥排泥泵21排出，富含氨氮和磷的上清液一部分(50％～90％体积)直接进入生物接触氧化池9；另外一部分(10％～50％体积)上清液进入诱导磷结晶装置中的曝气吹脱池6，曝气吹脱池的水力停留时间为1～1.5h，完成曝气吹脱后与药剂池7中CaCl₂溶液一同进入诱导结晶柱8，诱导结晶柱的水力停留时间为1～1.5h；诱导结晶柱8内添加粒径为0.20～0.25mm的方解石或石英砂作为晶种，添加量为30～60g/L；药剂池7中CaCl₂投加量按照Ca/P摩尔比1:1.5～5：1的质量投加；曝气吹脱池6、药剂池7和诱导结晶柱8的体积分别为5、2和5L。通过在晶种表面生成羟基磷酸钙，然后沉淀分离，实现污水中磷的回收，诱导结晶柱8的出水进入生物接触氧化池。

生物接触氧化池内设有组合填料26，材质为全塑性夹片维纶醛化丝，比表面积3000～8000m²/m³，填充率35～50％，孔隙率大于99％，规格Φ180mm，密度2.5g/cm³，水力停留时间为2.0～3.5h，通过曝气装置控制生物接触接触氧化池内溶解氧为1.5～2.5mg/L。污水在生物接触氧化池9内进行短程硝化反应和吸磷反应，实现硝化细菌的附着生长、短程硝化和部分聚磷反应(聚磷菌氧化体内PHAs释放能量，吸收溶液中的磷，实现磷的去除)的进行。此外还可通过调节水力停留时间、溶解氧、氨氮浓度、温度等因素，控制氨氮的硝化程度和生物除磷量。生物接触氧化池9出水(包括脱落的生物膜和污泥)进入第三沉淀池10进行泥水分离，污泥一部分通过短程聚磷污泥回流泵18回流至厌氧水解池2，污泥回流比为100％～200％，多余的污泥通过短程聚磷污泥排泥泵24排出，第三沉淀池10分离的上清液进入出水水箱11，出水水箱的一部分水排放，另一部分水回流至厌氧氨氧化反应池4，回流比为100％～300％。

应用例

以镇江地区某高校家属区化粪池生活污水为原水，其水质特征见下表：

实验条件：工艺进水流量Q＝5L/h，其中厌氧水解池HRT＝3.0h，厌氧氨氧化池HRT＝2.5h，曝气吹脱池HRT＝1.0h，诱导结晶柱HRT＝1.0h，生物接触氧化池HRT＝3.0h；短程硝化聚磷污泥回流比150％，SRT(污泥龄)控制在20d左右，平均污泥浓度～4000mg/L；厌氧氨氧化污泥回流比200％，SRT控制在25d左右，平均污泥浓度～5000mg/L；生物接触氧化池溶解氧在2.0mg/L左右，水温～25℃，短程硝化液回流比300％；侧流磷回收比0.8，方解石粒径0.20mm，添加量35g/L，Ca/P摩尔比为2.0；生物接触氧化池组合填料填充率为45％。

实验结果表明：出水平均COD、NH₄ ⁺-N、TN、TP分别为36.29、3.89、10.56、0.21mg/L，出水各指标均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中一级A标准，系统磷回收率维持在75％左右。

该工艺不仅解决了厌氧氨氧化细菌和硝化聚磷细菌的污泥龄矛盾，实现了生活污水氮磷的深度去除，从根本上解决了传统活性污泥工艺处理低C/N生活污水过程中碳源不足的问题，实现了碳源和曝气量的节省、剩余污泥的减量以及磷资源的回收，在市政污水生物处理领域中具有广阔应用前景。

Claims

1.一种基于亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统，其特征在于，包括：依次连接的原水水箱、厌氧水解池、第一沉淀池、厌氧氨氧化池、第二沉淀池、诱导结晶磷回收装置、生物接触氧化池、第三沉淀池和出水水箱；其中第一沉淀池的污泥出口连接生物接触氧化池，第二沉淀池的水流出口通过支路连接生物接触氧化池，第二沉淀池的污泥出口连接厌氧氨氧化池，第三沉淀池的污泥出口连接厌氧水解池，出水水箱通过回流管与厌氧氨氧化池连接。

2.根据权利要求1所述的基于亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统，其特征在于，所述厌氧水解池和厌氧氨氧化池内设有搅拌装置；所述生物接触氧化池设有曝气装置。

3.根据权利要求1所述的基于亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统，其特征在于，所述诱导结晶磷回收装置包括相连的曝气吹脱池和诱导结晶柱，第二沉淀池的水流出口与曝气吹脱池连接，诱导结晶柱的水流出口连接生物接触氧化池，曝气吹脱池和诱导结晶柱的连接管路上通过管线连接药剂池。

4.利用权利要求1所述的基于亚硝化-厌氧氨氧化-诱导结晶磷回收的污水处理系统进行污水处理的方法，其特征在于，包括：

(1)原水水箱内的污水和第三沉淀池中污泥一起进入厌氧水解池进行厌氧水解反应；

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，污水进入厌氧水解池进行厌氧水解，厌氧水解池内污泥浓度为3500～5000mg/L；厌氧水解池内的水力停留时间为2.5～3.5h。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，第一沉淀池上清液进入厌氧氨氧化池，厌氧氨氧化池内污泥浓度为为4500～7000mg/L；厌氧氨氧化池内的水力停留时间为2.5～3.5h。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，第三沉淀池的污泥回流至厌氧水解池，污泥回流比为100％～200％。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，上清液体积的50～90％进入诱导磷结晶装置回收磷，余下部分直接进入生物接触氧化池。

9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，诱导磷结晶装置中，投加的晶种为粒径0.20～0.25mm的方解石或石英砂，除磷药剂为CaCl₂，除磷药剂投加量按照Ca/P摩尔比1:1.5～5:1投加。

10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，出水水箱内的水回流至厌氧氨氧化反应池，回流比为100％～300％。

11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤(4)中，生物接触氧化池内设有填料，材质为全塑性夹片维纶醛化丝，水力停留时间为2.0～3.5h。