CN112079532B - 一种回收有机物和磷的城市污水处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回收有机物和磷的城市污水处理工艺。工艺系统包括转移聚集、沉淀分离、生物膜和脱氮处理，以及水热处理、改性制备等主要工艺单元。城市污水经转移聚集和沉淀处理，有机物浓缩富集至污泥中从而得以去除，然后进入生物膜单元，通过好氧操作吸收去除磷，再经生物脱氮处理，最终出水达到排放要求。将部分污泥进行水热处理，得到的水溶性大分子聚合物经改性制备成为转移聚集介质，回用于污水的转移聚集工艺；在生物膜单元与好氧操作交替进行的厌氧操作中，重复使用同一回收液，直至其中的磷递增至极限浓度后更换，可得到高浓度磷溶液；水热处理还能得到生物膜和生物脱氮所需的碳源。多余的污泥和水热处理固相产物均便于回收利用。

Description

一种回收有机物和磷的城市污水处理工艺

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种回收有机物和磷的城市污水处理工艺。

背景技术

城市污水处理是防止水体污染，保护水生态环境，保障人类生命健康的重要措施。目前的城市污水处理技术以去除污水中的“污染物”为目标，通过投入大量的能源和物料，将污水中的有机物、氮磷营养物分解转化为无害终产物或可以从水中分离去除的形态，达到净化水质、防止污染的目的。然而，城市污水中的所谓“污染物”，主要是人类生活中未被充分利用的各种原料以及产生的废弃物质，它们以有机物和各种氮、磷化合物的形式存在于污水中。采用可行的技术方法将这些物质以可以利用的能源或产品的形式加以回收再利用，同时实现水的无害化排放乃至再生利用，尽可能减少为追求污水中物质“稳定化”、“无害化”而无谓投入的能耗物耗，保留污水中物质所含的化学能和易于回收利用的赋存形态，是资源循环利用的可持续发展理念对污水处理技术提出的新要求。

国内外现有的城市污水资源化方式主要是再生水回用和对主流处理工艺产生的副产物进行回收和资源化利用。如利用生物处理的剩余污泥生产甲烷或柴油等生物燃料、以鸟粪石或磷酸钙等形式从生物除磷工艺的富磷污泥中回收磷。以上述方式相关的工艺技术已臻于成熟。然而，这种资源化方式并未根本改变以污染物去除为目标的现行污水处理工艺模式，仅通过侧流回收实现了部分资源化。全面资源化就是要摒弃去除污染物的观念，在主流工艺路线中嵌入面向废水有机物、营养物等物质资源化回收的工艺单元，既达到资源的高回收率，又保证高出水品质。

直接对城市污水中的有机物或营养物进行资源回收，首先会面临过低的物质浓度影响回收技术经济可行性的问题。因而，通过富集获得足够高的浓度就成为污水有机物和营养物资源化回收的首要前提。

利用具有吸附、聚集特性的介质，实现污水中有机物由水相向固相的转移聚集，通过固液分离获得高浓度的有机物是富集污水中有机物质的一种重要方式，且具有富集过程能耗低、有机物转化损失少的独特优势。现有的技术方法是采用混凝剂作为有机物聚集的介质。采用无机混凝剂将使富集物中无机成分含量高，且将污水中的磷固化的弊端，不利于有机物的回收利用，也影响磷的有效回收；有机絮凝剂对溶解性氮磷化合物的截留率不高，有利于选择性富集有机物质。然而，无论投加无机或有机混凝剂，均增加了富集过程的物料消耗。

如能将聚集分离得到的固形有机物制备成有机聚集介质，用于实现污水有机物的转移聚集，将大大减少有机物富集过程的物耗，同时也是一种污水有机物资源回收利用的方式。随着这种工艺的持续处理运行，从污水中富集的有机污泥量将远大制备聚集介质的需要。所以，多余的有机污泥可以按现有的方式通过生物发酵产甲烷，还便于利用目前广泛研究的生物发酵技术，将其中组成复杂、存在形态多样的污水有机物转化为多样化的可利用产品，例如生产氢、乙醇、生物柴油等能源物质，或将污水中的多元有机物首先转化为挥发性脂肪酸(VFA)，进而再发酵生产PHA、微生物蛋白、藻酸盐等产品。

从污水中回收磷的必要性在于它是一种稀缺性的重要资源。天然磷矿石因开采而逐年减少，而据估算，城市污水厂所排放的磷大约能满足人类15～20％的磷需求。国内外城市污水厂的磷资源回收，目前主要以强化生物除磷(EBPR)工艺的剩余污泥为对象，从污泥浓缩、厌氧发酵上清液及污泥压滤液中获得高浓度磷酸盐，然后以化学沉淀、结晶等物理化学方式进行鸟粪石、磷酸钙等磷产品的回收。以此方式进行磷回收依赖EBPR工艺将城市污水中低浓度的磷酸盐生物富集于活性污泥中，通过对污泥中磷的释放或提取，获得满足回收要求的富磷溶液。然而，EBPR工艺从本质上仍是一种以有机物转化去除为主的工艺技术，在其中污水有机物被大量转化为微生物细胞，同时消耗大量的氧。若在以资源化为主要目标的城市污水处理工艺流程中，经有机物回收后的低碳低磷污水将难以满足传统EBPR工艺中活性污泥的生长代谢需求，因而通过这种侧流模式获取高浓度磷酸盐的途径也就不复存在，需要采用新工艺技术实现低碳低磷污水中磷酸盐的富集。生物膜工艺将是可满足从低碳低磷污水中去除与富集磷酸盐的一种新工艺技术。

是否有必要对城市污水中的氮进行回收利用尚未达成共识。与磷的资源稀缺性不同，大气中的氮“取之不尽用之不竭”。有观点认为，与以大气中氮为原料的工业合成氨技术相比，从城市污水中回收氮缺乏经济可行性，因而采用低耗高效的生物转化技术最终去除污水中残留的氮更具合理性。以厌氧氨氧化(Anammox)为核心的自养生物脱氮工艺利用氨氧化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(AnAOB)的协同耦合实现脱氮，具有能耗物耗低和效能高的优势，是一种可持续、绿色环保的脱氮工艺，已经成功应用于处理高浓度含氨废水，将其作为城市污水主流脱氮工艺也已获得广泛共识。城市污水低温低氨环境所导致的PN-Amammox过程在主流工艺工程应用中稳定性差和效能低两大难题，通过多年的研究正逐步得以解决。因而，在城市污水资源化处理工艺流程中，当实现了有机物和磷的富集后，PN-Amammox工艺可以作为最终去除污水中残留的以氨氮为主的污染物，获得满足排放要求的经济有效的处理技术。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种回收有机物和磷的城市污水处理方法，本发明提供的城市污水处理方法可实现资源回收和高品质出水双重目标。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种回收有机物和磷的城市污水处理方法，包括以下步骤：

(1)向城市污水中投加聚集介质进行转移聚集处理，使聚集介质逐步形成絮体且污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体上，然后进行沉淀分离，使絮体在重力作用下沉淀至沉淀池的底部，得到富含有机物的污泥，沉淀池上部得到澄清出水；

(2)将所述步骤(1)得到的澄清出水输入生物膜反应器中，进行好氧吸磷操作，使污水中的磷被吸收到生物膜中，完成好氧操作后得到磷含量达到要求的出水；

(3)将所述步骤(2)得到的磷含量达到要求的出水进行生物脱氮处理，去除污水中的氮；得到的出水COD和氮磷含量均达到排放要求；

所述步骤(2)生物膜反应器好氧/厌氧操作持续交替运行；在完成所述步骤(2)生物膜反应器的好氧操作并排出全部污水后，向所述生物膜反应器中加入磷回收液，并进行厌氧释磷操作，使存蓄在生物膜中的磷向磷回收液中释放；完成厌氧释磷操作后，将磷回收液全部排出至储罐中备用；

将所述步骤(1)得到的富含有机物的污泥的一部分进行水热处理，控制水热反应条件，将污泥中的固体有机物质转化为水溶性大分子聚合物；

将所述水溶性大分子有机物作为原料，加入改性药剂并控制反应条件，进行聚合反应，制备成具有吸附聚集与分离特性的聚集介质，回用于所述转移聚集处理中；

所述厌氧释磷操作中，储罐中的磷回收液在厌氧释磷操作时多次反复使用，直至其中的磷浓度达到厌氧释磷的浓度极限后，更换新的磷回收液；得到的高浓度含磷溶液用于制备磷产品；

所述步骤(3)生物脱氮处理和厌氧释磷操作中所需的碳源由所述步骤(1)得到的富含有机物的污泥进行水热处理，控制水热反应条件生成的水溶性小分子有机物提供。

所述步骤(1)得到的大部分污泥富含有机物质，可作为有机物回收利用的原料；所述将污泥中固体有机物质水热转化为水溶性大分子聚合物的过程中产生的固相产物-低品质水热炭，可用作土壤改良剂或辅助燃料。

优选地，所述步骤(1)中转移聚集处理的操作包括：将城市污水通过格栅、沉砂预处理后进入转移聚集池，加入聚集介质，控制水力停留时间并持续搅拌，使污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体上；所述步骤(1)中沉淀分离的操作包括：将经过转移聚集处理后的污水输入沉淀池，控制上升流速和水力停留时间，使其中絮体在重力作用下沉淀分离至沉淀池的底部。

所述步骤(2)的生物膜反应器装有载体填料，所述载体填料上附着生长着聚磷微生物；由于聚磷微生物须反复经历好氧/厌氧交替的环境方能获得生长优势，本发明中的生物膜反应器的好氧操作和厌氧操作持续交替进行；本发明利用聚磷微生物在厌氧条件下将细胞中储存的磷向水中释放而在好氧条件下可将水中的磷过量吸收至细胞中储存的特性，实现对污水中磷的吸收去除以及向磷回收液中释放磷的目的；

优选地，所述步骤(2)中生物膜反应器好氧吸磷操作包括：将所述步骤(1)中沉淀池上部的澄清出水输入并装满生物膜反应器后，开启曝气，控制水力停留时间和溶解氧浓度，使污水的磷被吸收至生物膜中；所述磷达到要求的出水，是指水中剩余的磷浓度能够在后续生物脱氮处理中经微生物利用后能达到排放标准；好完成好氧吸磷操作后，将反应器中的污水全部排出。

优选地，所述厌氧释磷操作包括：向完成好氧吸磷操作并排空污水的生物膜反应器中加满磷回收液，投加碳源有机物，在无曝气而只有混合搅拌条件下进行操作；控制起始COD浓度和反应时间，使存蓄在生物膜中的磷向磷回收液中释放；完成厌氧释磷操作后，将磷回收液全部排出至储罐中备用；所述磷回收液将在厌氧释磷操作时多次反复使用，其中的磷浓度随使用次数增加而不断递增，直至高达生物膜厌氧释磷的极限浓度；此时更换新的磷回收液，并将得到的高浓度含磷溶液用于制备磷产品；所述磷回收液，是指可以接受磷释放的液体；优选地，所述新的磷回收液可为所述步骤(1)中沉淀池上部的澄清出水；

优选地，所述步骤(3)中的生物脱氮处理采用基于厌氧氨氧化的生物脱氮反应器；所述基于厌氧氨氧化的生物脱氮反应器由缺氧、好氧和厌氧三个分区组成，并设有从厌氧区至缺氧区的回流；缺氧区中生长并持留有异养微生物，在有碳源有机物和电子受体硝酸盐输入的条件下进行反硝化反应(DN)；好氧区中生长并持留的优势微生物种群为氨氧化细菌，控制适宜条件可将进入的氨氮部分转化为亚硝酸盐，即发生部分亚硝化反应(PN)；厌氧区中生长并持留的优势微生物种群为厌氧氨氧化细菌，可在无氧条件下利用亚硝酸盐将接近等量的氨氧化，即发生厌氧氨氧化反应(AMX)；其产物中近90％为氮气，10％为硝酸盐；设置所述从厌氧区至缺氧区的回流是向缺氧区提供硝酸盐，从而提高反应器的脱氮效能；

优选地，所述步骤(3)中的生物脱氮处理的操作包括：将完成生物膜好氧吸磷操作的污水输入基于厌氧氨氧化的生物脱氮反应器中，依次通过缺氧、好氧和厌氧区，分别进行反硝化-部分亚硝化-厌氧氨氧化生物反应，去除污水中的氮；

优选地，所述将污泥中的固体有机物质转化为水溶性大分子聚合物时的水热处理的操作包括：将所述步骤(1)得到的富含有机物的污泥进行浓缩脱水，然后送至水热反应釜，投加碱性物质，在密闭的条件下加热，控制终点温度和反应时间，使水热反应积累水溶性大分子聚合物。

优选地，所述制备成具有吸附聚集与分离特性的聚集介质时的聚合反应的操作步骤包括：水热反应完成后，将水热反应釜冷却至常压，然后将水热反应釜中物料的上层液体引入另一反应器，加入改性药剂，采用水溶液聚合法，控制温度、pH条件和混合搅拌时间，使水热过程产生的水溶性聚合物发生自由基聚合反应，得到含有具有吸附聚集与分离特性的聚集介质的溶液，将所述聚集介质溶液回用于所述转移聚集处理。

优选地，所述生成水溶性小分子有机物时的水热处理的操作包括，控制与所述将污泥中的固体有机物质转化为水溶性大分子聚合物水热处理操作不同的终点温度和反应时间，使水热反应定向积累小分子水溶性有机物，将其用于提供所述生物膜反应器和所述生物脱氮反应器中微生物生长所需的碳源。

本发明遵循“碳强化转移-磷高倍富集-氮生物转化”的思路，提拱了一种利用污水有机物制备聚集介质、通过转移聚集实现污水中有机物富集的方法，将其与利用生物膜法去除并富集污水中磷的技术方法和自养生物脱氮方法有机整合，形成一种可实现资源回收和高品质出水双重目标的城市污水资源化处理方法。

本发明通过转移聚集和沉淀分离，将城市污水中相当部分的有机物从水中去除并浓缩富集至有机污泥中，大大减少了有机物的化学或生物转化，保留了有机物中所含的化学能和易于回收利用的形态。利用水热处理将有机污泥中的固体有机物转化为水溶性大分子聚合物，并将这些水溶性大分子聚合物改性制备成具有转移聚集和沉淀分离特性的聚集介质，回用于污水的转移聚集步骤，提供了一条污水有机物回收并循环利用的途径；大部分经浓缩富集为污泥的污水有机物，便于利用现有的多种技术方法对有机物进行回收利用；水热反应生成的固相副产物多为低品质的生物炭，也可作为土壤改良剂或辅助燃料进行回收利用。采用生物膜技术进行磷的去除与富集，适用于有机物大量去除后的低碳低磷污水，并具有富集步骤简单、无需复杂的磷提取工艺且磷回收率高的优势；采用基于厌氧氨氧化的脱氮处理工艺，具有经济高效除氮的优点；生物膜工艺中聚磷微生物和脱氮反应器中异养反硝化微生物所需碳源，亦可通过污泥水热处理获得。整个工艺流程中有机物的转化主要服务于实现资源回收的目标，避免了目前的主流污水处理工艺技术中高能量高物耗投入转化去除“污染物”的弊端，节省了曝气供氧、除磷药剂和深度脱氮的额外碳源投入，是一种基于主流工艺实现资源回收的城市污水资源化处理方法。

附图说明

图1为本发明中回收有机物和磷的城市污水处理的工艺流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种回收有机物和磷的城市污水处理方法，包括以下实施过程：

本发明优选在向城市污水中投加聚集介质前，对所述城市污水进行格栅、沉砂预处理，将污水中大尺度漂浮物和无机颗粒去除，然后向城市污水中投加聚集介质进行转移聚集处理，控制水力停留时间并持续搅拌，使聚集介质逐步形成絮体且污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体上，然后进行沉淀分离，使絮体在重力作用下沉淀至沉淀池的底部，得到富含有机物的污泥。

本发明对所述持续搅拌的方式没有特殊规定，采用本领域技术人员熟知的搅拌方式以及由强至弱的搅拌强度，目的是使加入的聚集介质逐渐形成絮体且污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体上。在本发明中，所述持续搅拌的时间优选为0.5～1.0h。

转移聚集处理完成后，本发明优选将所述转移聚集处理后的污水送至沉淀池，进行沉淀分离，使絮体在重力作用下沉淀至沉淀池的底部，得到富含有机物的污泥，沉淀池上部得到澄清出水。在本发明中，所述沉淀池的上升流速优选为0.5～1.2m/h，水力停留时间优选为1.5～3.0h。

得到富含有机物的污泥后，本发明将所述富含有机物的污泥进行水热处理，控制水热反应条件，将污泥中的固体有机物质转化为水溶性大分子聚合物，将其作为原料，投加改性药剂并控制反应条件，进行聚合反应，制备成具有吸附聚集与分离特性的聚集介质，回用于所述转移聚集处理中。

在本发明中，所述水热处理的操作步骤优选包括：将所述富含有机物的污泥进行浓缩脱水，然后送至水热反应釜，投加碱性物质，在密闭的条件下加热，控制终点温度和反应时间，使水热反应大量积累水溶性大分子聚合物。在本发明中，所述水溶性大分子聚合物的含量及特性与水热反应进料有机物质量、含水率，以及水热反应的控制条件有关。

本发明对所述浓缩脱水的方式没有特殊规定，采用本领域技术人员熟知浓缩脱水方式，如重力浓缩、离心脱水或压滤脱水均可。所述浓缩脱水的脱水率优选为80～85％。在本发明中，所述浓缩脱水后产生的上清液或脱水液，返回至格栅后的主流污水处理流程中。

在本发明中，所述水热反应的原料优选还包括苛性钠和/或碳酸钠。在本发明中，所述苛性钠和/或碳酸钠作为水热反应的催化剂，所述催化剂的用量依据富含有机物的污泥中有机物的含量添加，促进固体有机物质大量转化为水溶性大分子聚合物。在本发明中，所述催化剂的质量和富含有机物的污泥的体积比优选为1.0～5.0g/L。

在本发明中，所述水热反应的条件优选为在密闭的条件下，加热2～4小时，使物料发生水热反应。在本发明中，所述加热所达到的终点温度为180～240℃。上述操作条件，可以使水热反应朝着大量积累水溶性有机物并发生聚合缩合反应的方向进行。

得到水溶性大分子聚合物后，本发明以所述水溶性大分子聚合物为原料，投加改性药剂并控制反应条件，进行聚合反应，得到含有具有吸附聚集与分离特性的聚集介质的溶液。

在本发明中，所述聚合反应的操作步骤优选包括：水热反应完成后，将水热反应釜冷却至常压，然后将釜内物料上层的水热液排出，并一步分离其中的固形物，去除上层漂浮的生物油类物质，得到含有大分子聚合物的液体，然后将其引入另一反应器，加入单体、引发剂改性药剂，采用水溶液聚合法，控制温度、pH条件，混合搅拌，使水热过程产生的水溶性聚合物发生自由基聚合反应，得到含有具有吸附聚集与分离特性的聚集介质的溶液。

所述单体优选包括季铵盐和丙烯酰胺；所述引发剂优选为过硫酸盐体系引发剂。所述聚合反应的控制条件，温度优选为40～70℃，溶液pH值优选为中性，反应时间优选为2～4h。

得到沉淀池澄清出水后，本发明将得到澄清出水输入生物膜反应器中，进行生物膜好氧吸磷操作，得到磷含量达到要求的出水。

在本发明中，所述生物膜好氧吸磷操作优选包括：将所述沉淀池上部的澄清出水输入装有载体填料的生物膜反应器，所述载体填料上附着生长着聚磷微生物；反应器装满来自所述沉淀池上部的澄清出水后，开启曝气进行好氧生物膜处理，控制水力停留时间和溶解氧浓度，使污水的磷被吸收至生物膜中；完成好氧吸磷反应、污水中磷浓度降至要求水平后，将反应器中的污水全部排出。在本发明中，所述好氧吸磷操作的水力停留时间优选为2～6h，溶解氧浓度DO优选为4.0～6.0mg/L。

本发明中生物膜反应器好氧/厌氧操作持续交替运行；完成生物膜反应器的好氧吸磷操作并排出全部污水后，向生物膜反应器中加入磷回收液，并进行厌氧释磷操作，使存蓄在生物膜中的磷向磷回收液中释放；

在本发明中，所述生物膜厌氧释磷操作优选包括：向完成所述好氧吸磷操作并排空污水的生物膜反应器中加满磷回收液，投加碳源有机物，在无曝气而只有混合搅拌条件下进行操作，控制起始COD浓度和反应时间，使存蓄在生物膜中的磷向磷回收液中释放；完成厌氧释磷操作后，将磷回收液全部排出至储罐中备用；本发明所述生物膜厌氧释磷操作中，所述磷回收液无特殊要求，只要是能够接受生物膜向其中释放磷的液体即可。所述投加的碳源有机物，优选来自所述污泥水热处理后得到的水溶性有机物；所述起始COD浓度优选为200～400mg/L；所述水力停留时间优选为2.0～6.0h；所述磷回收液将在厌氧释磷操作时多次反复使用，其中的磷浓度随使用次数增加而不断递增，直至高达生物膜厌氧释磷的极限浓度；此时更换新的磷回收液，并将得到的高浓度含磷溶液用于制备磷产品；所述新的磷回收液优选为所述沉淀池上部的澄清出水；

污水经生物膜好氧吸磷处理后得到的磷含量达到要求的出水，进行生物脱氮处理，去除污水中的氮，使出水中的COD和氮磷含量达到排放要求。

在本发明中，所述生物脱氮处理的操作优选包括：将完成好氧处理后的污水输入基于厌氧氨氧化的生物脱氮反应器中，优选依次通过缺氧、好氧和厌氧区，分别进行反硝化、部分亚硝化和厌氧氨氧化生物处理，控制条件和参数，使出水中的COD和氮磷含量达到排放要求。

在本发明的反硝化处理中，所述控制条件和参数为：水力停留时间HRT优选为1.0～3.0h，溶解氧浓度优选为DO≤0.1mg/L，COD/硝态氮负荷比优选为4.0；在本发明中，反硝化处理中异养微生物所需碳源有机物优选来自所述污泥水热处理后得到的水溶性有机物；

在本发明的部分亚硝化处理中，所述控制条件和参数为：水力停留时间HRT优选为3.0～4.0h，泥龄优选为10～15d；溶解氧DO浓度优选为0.5mg/L；

在本发明的厌氧氨氧化处理中，所述控制条件和参数为：水力停留时间优选为0.5～1.0h，溶解氧DO浓度优选为DO≈0；

在本发明中，所述基于厌氧氨氧化的生物脱氮反应器，从所述厌氧区至缺氧区的回流控制参数为：回流比优选为3～5。

本发明中去除污水中有机物、氮和磷的工艺流程图如图1所示：城市污水依次流经格栅、转移絮凝池、沉淀池、生物膜反应器、DN反应器、PN反应器、AMX反应器最后出水；PN反应器中持续通入空气，AMX反应器设有至DN反应器的连续回流；其中，生物膜反应器为间歇式好氧/厌氧交替操作；进行好氧操作前，将经沉淀处理的污水装满生物膜反应器，然后通入空气进行好氧操作；完成好氧操作后将污水全部排出至后续处理单元；生物膜反应器完成好氧操作并排空后，将储罐中的磷回收液加入，装满后进行厌氧操作；完成厌氧操作后，将磷回收液排入储罐备用；生物膜反应器的好氧/厌氧操作依上述方式持续交替进行；储罐中的磷回收液经多次反复进入生物膜反应器进行厌氧操作后，其中的磷浓度不断递增，直至达到生物膜厌氧释磷极限，即需要更换新的磷回收液；而得到的高浓度含磷溶液作为制备磷产品的原料，供回收利用；沉淀池固液分离得到的有机污泥分为两部分，一部分供以现有的技术方法回收利用，一部分进行浓缩脱水，浓缩脱水后的上清液返回至格栅；浓缩脱水后的有机污泥和催化剂一同进入水热反应釜进行水热反应；完成水热反应后对反应釜中的物料进行固液分离，固相产物为低品质水热碳，可供回收利用；水热反应釜在高温条件下得到液相产物进入聚集介质反应釜加入改性药剂进行聚合反应得到聚集介质；得到的聚集介质回用于转移聚集池；根据需要，水热反应釜可在低温条件下运行，此时得到的液相产物作为碳源分别送至生物膜反应器和DN反应器中。

在本发明中，污水中的有机物通过转移聚集和沉淀分离处理聚集转移至有机污泥中，从而大幅度地从水中去除；后续生物膜反应器既能去除污水中的磷，又将其高倍富集以供回收利用，还可以进一步去除水中的有机物；最后经以厌氧氨氧化为核心的生物脱氮处理，可经济高效去除污水中的总氮，使出水得到净化，达到排放要求。有机污泥经水热处理后，一方面能够产生水溶性的高分子聚合物，将其改性后制备成转移聚集介质，回用于污水的转移聚集处理；另一方面又能为生物膜处理中的聚磷微生物和脱氮处理中的异养反硝化微生物提供可利用的碳源有机物。水热处理作为纽带，将各废水处理单元有机整合为一体，形成一种可实现资源回收和高品质出水双重目标的城市污水资源化处理方法。多余的有机污泥作为高浓度有机物的富集形式，便于通过其他途径进行资源化回收利用。

下面结合实施例对本发明提供的一种去除污水中有机物、氮和磷的方法，进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

W1(预处理)：将城市污水通过格栅沉砂预处理，去除其中大尺度漂浮物和无机颗粒；其中城市污水COD浓度为200～350mg/L。

W2(有机物聚集转移)：将预处理后的污水输入转移聚集池，加入200～500mg/L的聚集介质，控制水力停留时间为0.5～1.0小时并持续搅拌，使污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体中。工艺初次启动时，采用市售的有机混凝剂作为聚集介质。

W3(有机物分离去除)：转移聚集池的出水进入沉淀池，控制上升流速0.5～1.2m/h，水力停留时间为1.5～3.0小时，使其中絮体在重力作用下沉淀分离至沉淀池的底部；上部得到澄清出水，其中50～70％的COD已被去除，氮、磷亦有少量去除。

S1(有机污泥浓缩脱水)：对W3步骤中从沉淀池底部排出的有机污泥采用离心分离方法进行浓缩脱水，使其脱水率达到80～85％；浓缩脱水后的液体返回至格栅后的主流污水处理流程中。

S2(脱水污泥水热反应生成水溶性聚合物)：将S1步骤中经浓缩脱水得到的有机污泥进料至水热反应釜中，同时投加1.0～5.0g/L的苛性钠，在密闭的条件下加热2～4小时，进行水热反应，加热终点温度控制在180～220℃。

反应完成后，降低温度至反应釜常压状态。釜内下层固体物质(多为低品质的水热炭)，从反应釜中排出并经进一步干化后，用于土壤改良或作为辅助燃料。

S2a(碳源有机物制备)：操作过程与S2相同，不同的控制条件为：温度140～160℃，反应时间2-3小时。

本步骤仅在需要制备碳源时实施。反应完成后，液相COD浓度可达数万mg/L，用于向生物富集磷及反硝化过程提供所需的碳源。

S3(利用水溶性聚合物制备聚集介质)：将完成S2步骤的水热反应釜内物料上层的液体排出，进一步分离去除其中的固形物和上层漂浮的生物油类物质后，引入聚集介质制备反应器，采用水溶液聚合法，调节pH至中性，静置沉淀20min，在氮气氛中向排除上层清液后得到的聚合物中加入丙烯酰胺单体AM、季铵盐DMC(二甲氨基甲基丙烯酸乙酯季铵盐)和过硫酸钾体系引发剂，所述聚合物、丙烯酰胺单体AM、季铵盐DMC和过硫酸钾的质量配比为1:0.5:0.2：0.1，控制温度为40～70℃、混合搅拌2～4小时，使水热过程产生的水溶性聚合物发生自由基聚合反应，通过接枝共聚使之改性成为更高分子量的具有吸附聚集性能和沉降性能的聚集介质。

W4(好氧除磷)：将经W3步骤后沉淀池上部的澄清出水输入装有载体填料的生物膜反应器，其中聚磷微生物附着生长在载体填料上。反应器装满后，开启曝气进行好氧操作，停留时间控制在2～6小时，此过程中，污水所含的磷被吸收至生物膜中，其浓度最终降至0.5mg/L以下的水平。完成反应后将反应器中的污水全部排出。

R1(厌氧富集磷)：向完成W4步骤的生物膜反应器中加入磷回收液，并投加碳源有机物(通过S2a步骤获得)，在无曝气而只有混合搅拌条件下进行厌氧操作。保证起始COD浓度200～300mg/L，反应时间控制在2～6小时。在此过程中，存蓄在生物膜中的磷会向磷回收液中释放，同时使生物膜恢复磷吸收能力。完成厌氧操作后，将磷回收液全部排出至储罐中备用。

R2(高浓度磷溶液收获)：W4步骤和R1步骤持续交替进行。R1步骤中的磷回收液经多次反复使用，其中的磷浓度不断增高，直至磷回收液中磷酸盐浓度达到150～200mg/L时进行收获，即：将储罐中的高浓度含磷溶液送至磷产品制备单元，同时更换新的磷回收液。在本实施例中，新的磷回收液为W3步骤中沉淀池上部的澄清出水。

W5(生物脱氮)：将W4步骤得到的出水，采用分段式生物脱氮反应器进行脱氮处理；所述分段式生物脱氮反应器由反硝化(DN)、部分亚硝化(PN)和厌氧氨氧化(AMX)三个分区串联组成，并设置由AMX区向DN区的回流。W4步骤排出的水进入脱氮反应器后依次经过上述三区后完成脱氮过程，达到排放要求。

DN分区的控制条件为:水力停留时间HRT为1.0～3.0h，溶解氧DO≤0.1mg/L，COD/硝态氮负荷比4.0左右(碳源有机物通过S2a步骤获得)，保持进水与微生物的良好混合接触，持留足量的异养微生物；

PN分区的控制条件为：HRT3.0～4.0h，通过污泥截留措施保持足量的自养氨氧化菌(AOB)占优势的悬浮生长好氧微生物，通过排泥控制泥龄为10～15d，通过曝气控制使DO浓度在0.5mg/L左右，将进水氨氮的约1/2转化为亚硝酸盐；

AMX分区的控制条件为:HRT0.5～1.0h，DO≈0，持留足量的厌氧氨氧化微生物(AnAOB)，通过水力或机械搅拌保持水与微生物良好混合接触；

AMX分区至DN分区的回流比控制在3～5。

采用实施例中的实施方式和条件参数，处理COD浓度为200～350mg/L、TN浓度30～50mg/L、TP浓度3～5mg/L的城市污水，可实现COD、氨氮、总氮和总磷的达标排放；因极大程度减少了有机物的好氧生物转化并采用新型自养生物脱氮过程，大幅度降低了处理过程中氧的消耗和有机物的生物矿化；污水中40％的COD未经化学或生物矿化过程，而是转变成高浓度有机固体或生物炭，83～90％的磷被捕获进入高浓度磷酸盐溶液，二者均为更容易作为资源回收利用的赋存形态。由此可见，通过实施本发明提供的技术方案，可实现资源回收和高品质出水的双重目标。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种回收有机物和磷的城市污水处理工艺，包括以下步骤：

(1)向城市污水中投加聚集介质进行转移聚集处理，使聚集介质逐步形成絮体且污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体上，然后进行沉淀分离，使絮体在重力作用下沉淀至沉淀池的底部，得到富含有机物的污泥，沉淀池上部得到澄清出水；

(2)将所述步骤(1)得到的澄清出水输入生物膜反应器中，进行好氧吸磷操作，使污水中的磷被吸收到生物膜中；完成好氧操作后得到磷含量达到要求的出水；

(3)将所述步骤(2)得到的磷含量达到要求的出水进行生物脱氮处理，去除污水中的氮；得到的出水COD和氮磷含量均达到排放要求；

所述步骤(2)生物膜反应器好氧/厌氧操作持续交替运行；在完成所述步骤(2)生物膜反应器的好氧操作并排出全部污水后，向所述生物膜反应器中加入磷回收液，并进行厌氧释磷操作，使存蓄在生物膜中的磷向回收液中释放；完成厌氧释磷操作后，将磷回收液全部排出至储罐中备用；

将所述步骤(1)得到的富含有机物的污泥的一部分进行水热处理，控制水热反应条件，将污泥中的固体有机物质转化为水溶性大分子聚合物；

将所述水溶性大分子有机物作为原料，加入改性药剂并控制反应条件，进行聚合反应，制备成具有吸附聚集与分离特性的聚集介质，回用于所述转移聚集处理中；

所述厌氧释磷操作中，储罐中的磷回收液在厌氧释磷操作时多次反复使用，直至其中的磷浓度达到厌氧释磷的浓度极限后，更换新的磷回收液；得到的高浓度含磷溶液用于制备磷产品；

所述步骤(3)生物脱氮处理和厌氧释磷操作中所需的碳源由所述步骤(1)得到的富含有机物的污泥进行水热处理，控制水热反应条件生成的水溶性小分子有机物提供；

所述步骤(1)得到的大部分污泥富含有机物质，可作为有机物回收利用的原料；所述将污泥中固体有机物质水热转化为水溶性大分子聚合物的过程中产生的固相产物-低品质水热炭，可用作土壤改良剂或辅助燃料；

所述将污泥中的固体有机物质转化为水溶性大分子聚合物时的水热处理的操作包括：将所述步骤(1)得到的富含有机物的污泥进行浓缩脱水，然后送至水热反应釜，投加碱性物质，在密闭的条件下加热，控制终点温度和反应时间，使水热反应积累水溶性大分子聚合物；所述控制终点温度在180～220℃；

所述生成水溶性小分子有机物时的水热处理的操作包括，控制与所述将污泥中的固体有机物质转化为水溶性大分子聚合物水热处理操作不同的终点温度和反应时间，使水热反应定向积累小分子水溶性有机物，将其用于提供所述生物膜反应器和所述生物脱氮反应器中微生物生长所需的碳源；终点温度140～160℃。

2.根据权利要求1所述的一种回收有机物和磷的城市污水处理工艺，其特征在于：所述步骤(1)中转移聚集处理的操作包括：将城市污水通过格栅、沉砂预处理后进入转移聚集池，加入聚集介质，控制水力停留时间并持续搅拌，使污水中可被吸附聚集的颗粒、胶体和大分子有机物转移聚集于絮体上；

所述步骤(1)中沉淀分离的操作包括：将经过转移聚集处理后的污水输入沉淀池，控制上升流速和水力停留时间，使其中絮体在重力作用下沉淀分离至沉淀池的底部。

3.根据权利要求1所述的一种回收有机物和磷的城市污水处理工艺，其特征在于：所述步骤(2)中生物膜反应器中的生物膜好氧吸磷操作包括：将所述步骤(1)中沉淀池上部的澄清出水输入装有载体填料的生物膜反应器，所述载体填料上附着生长着聚磷微生物；反应器装满沉淀池上部的澄清出水后，开启曝气，控制水力停留时间和溶解氧浓度，使污水的磷被吸收至生物膜中；完成生物膜好氧吸磷操作后，将反应器中的污水全部排出。

4.根据权利要求1所述的一种回收有机物和磷的城市污水处理工艺，其特征在于：所述步骤(2)中的生物膜反应器的好氧吸磷操作和厌氧释磷操作交替进行；所述厌氧释磷操作包括：向完成好氧吸磷操作并排空污水的生物膜反应器中加满磷回收液，投加碳源有机物，在无曝气而只有混合搅拌条件下进行操作；控制起始COD浓度和反应时间，使存蓄在生物膜中的磷向磷回收液中释放；完成厌氧释磷操作后，将磷回收液全部排出至储罐中备用；所述磷回收液将在厌氧释磷操作时多次反复使用，其中的磷浓度随使用次数增加而不断递增，直至高达生物膜厌氧释磷的极限浓度；此时更换新的磷回收液，并将得到的高浓度含磷溶液用于制备磷产品；新的磷回收液可为所述步骤(1)中沉淀池上部的澄清出水。

5.根据权利要求1所述的一种回收有机物和磷的城市污水处理工艺，其特征在于：所述步骤(3)中的生物脱氮处理的操作包括：将完成生物膜好氧吸磷操作的污水输入基于厌氧氨氧化的生物脱氮反应器中，依次通过反硝化-部分亚硝化-厌氧氨氧化区，去除污水中的氮；所述基于厌氧氨氧化的生物脱氮反应器设有从厌氧氨氧化区至反硝化区的回流。

6.根据权利要求1所述的一种回收有机物和磷的城市污水处理工艺，其特征在于：所述制备具有吸附聚集与分离特性的聚集介质的聚合反应的操作步骤包括：水热反应完成后，将水热反应釜冷却至常压，然后将水热反应釜中物料的上层液体引入另一反应器，加入改性药剂，采用水溶液聚合法，控制温度、pH条件和混合搅拌时间，使水热过程产生的水溶性聚合物发生自由基聚合反应，得到含有具有吸附聚集与分离特性的聚集介质的溶液，将所述聚集介质溶液回用于所述转移聚集处理。

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