CN112093981B - 一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理装置和工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理装置和工艺，厌氧生物处理‑氨氮离子交换/再生‑好氧深度脱碳‑磷酸根(PO4 3‑)离子交换/再生(ComRec)组合工艺应用到主流污水处理，实现高效污染物去除；将硬度离子回收‑生物硝化‑电渗析浓缩‑蒸发结晶和钙离子(Ca2+)去除‑磷酸铵镁(MAP)沉淀组合工艺应用到侧流污水处理，从污水中全面回收碳、氮、磷、镁、钙。本发明的工艺不仅可以解决高排放标准下污染物的稳定达标问题，还能有效节省升级改造用地，更能实现城镇污水低污染物浓度下的氮磷和其他元素资源的富集回收。

Description

一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理装置 和工艺
技术领域
本发明属于环境保护与污水处理技术领域，涉及一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理装置和工艺。
背景技术
污水蕴含不可小觑的资源化潜力，如含量可观的有机物、氮磷及金属元素等。然而，以活性污泥法为代表的传统污水处理工艺虽然可以有效去除污染物，却忽视了污水中的物质回收与资源循环。传统污水处理工艺以曝气供氧的方式转化有机污染物为CO2，将还原态的有机氮和氨氮(NH4 +-N)氧化为硝酸根(NO3 -)，再利用缺氧反硝化转化为氮气(N2)，通过能量、物质密集投入的方式去除氮磷污染物。整体工艺过程采用以能量和物质超额投入为基础的污染物去除模式，产生了大量的温室气体和剩余污泥。这种高能耗、高占地、高碳足迹的污水处理模式，与当今全球能源危机及气候变化背景下的可持续发展理念不相符，逐渐成为制约污水处理行业向循环经济、清洁生产和节能降耗发展的主要瓶颈。
污水资源化一直是城镇污水处理面临的重大挑战。近年来，针对活性污泥工艺末端产物的资源化技术得到不断发展。膜技术的研发实现了二级出水的高品质回用，新加坡开发了基于“双膜法”的Newater工艺，实现了城镇污水饮用水级别的高品质回用。针对剩余污泥，大量的研究集中在提高厌氧消化效率以实现能源最大化回收利用，包括热水解、碱处理、超声波处理、臭氧预处理、剩余污泥与餐厨垃圾高效共发酵等。针对营养元素，现有技术主要通过吹脱或化学沉淀法实现剩余污泥厌氧消化液中的氮、磷元素回收。然而，现行的污水资源化技术大多只是关注活性污泥工艺末端产物(二级出水、剩余污泥、厌氧消化液)的局部回收，并没有从可持续理念的角度对污水处理工艺本身进行系统改造，也没有解决微生物好氧代谢所导致的碳源损失和化学沉淀法中氮磷比例失衡的问题，虽然能实现一定程度的污水资源化，但距离污水全面资源化还有一定的差距。
目前，国内外专家学者均在探索污水全面资源化的最佳途径。根据污水资源化的特征，主要包括以下几种分类：(1)关注高品质水的资源化回用，甚至追求达到饮用标准的极限水质，代表技术是新加坡的Newater工艺。该工艺在传统好氧活性污泥基础上耦合膜技术，利用“微滤-反渗透”双膜法，成功实现了饮用水级别的高品质水回用。然而该技术路线以水回用为首要目标，高能耗的同时放弃了氮磷元素的回用，没有改变传统污水处理模式在追求全面资源化的局限。(2)基于厌氧氨氧化实现污水处理工艺节能降耗，代表技术为A段生物吸附+主流厌氧氨氧化工艺。该工艺通过提高污泥产量和自养主流厌氧氨氧化脱氮，实现污泥厌氧产能和降低能耗，有效改善污水处理厂高能耗的现状，甚至实现能量正产出。然而，该工艺缺少氮元素回收利用，与传统硝化/反硝化过程并无区别。(3)关注污水碳源有机质能的利用，代表技术为厌氧膜生物反应器(AnMBR)。该工艺将厌氧技术与膜技术结合，可以直接利用污水中的碳源实现厌氧产能，然而产甲烷量有限，没有脱氮除磷功能。(4)关注污水氮磷元素利用，代表技术为藻类养殖。藻类通过光合作用，吸收污水中的氮磷元素，收获后的藻类用作饲料或生物质燃料加工。该技术占地面积大(是传统活性污泥法占地50倍以上)，且无法满足常规排放标准。
中国专利CN110981077A公开了一种基于侧流短程硝化-厌氧氨氧化工艺的NH4 +-N高效去除系统及方法。所述的处理系统包括，包括氨氮离子交换单元、升温再生单元和再生液脱氮模块，所述的氨氮离子交换单元包括装填有氨氮离子交换剂的氨氮离子交换柱，所述的升温再生单元包括依次连接的再生液储备箱和再生液进水泵，所述的再生液储备箱通过再生液进水泵连接氨氮离子交换柱的再生液入口，再生液在再生液储备箱中通过污水源热泵进行加热，所述的再生液储备箱还连接氨氮离子交换单元并回收从氨氮离子交换柱流出的再生液，所述的再生液脱氮模块连接升温再生单元的再生液储备箱。该发明采用盐溶液再生吸附材料，将NH4 +-N浓缩至再生液并通过侧流短程硝化-厌氧氨氧化的方式实现了再生液的循环使用，但短程硝化-厌氧氨氧化会将再生液中的NH4 +-N还原为N2，无法实现氮回收。
中国专利CN107417047A公开了一种完全脱氮同步回收磷的装置和方法。所述装置包括，城市污水原水箱、内源短程反硝化/厌氧氨氧化一体化反应器、中间水箱Ⅰ、结晶磷回收反应器、加药箱、硝化反应器、中间水箱Ⅱ。所述方法是城市污水先进入内源短程反硝化/厌氧氨氧化一体化反应器，微生物摄取原水中的有机物转化为聚磷化合物并释放大量的磷；然后，污水进入结晶磷回收反应器，实现磷的回收；接着，污水进入硝化反应器中，发生硝化反应；最后，污水再次内源短程反硝化/厌氧氨氧化一体化反应器中，同步发生内源短程反硝化、厌氧氨氧化和反硝化除磷反应。此方法可以实现完全脱氮以及磷的回收，不仅经济高效地处理了污水，而且充分回收了资源。该发明在运行上实现了磷的回收，但短程硝化-厌氧氨氧化会将再生液中的NH4 +-N还原为N2，无法实现氮回收，且其他微量元素也未能实现回收。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理装置和工艺，不仅可以解决高排放标准下污染物的稳定达标问题，还能有效节省升级改造用地，更能实现城镇污水低污染物浓度下的氮磷和其他元素资源的富集回收。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一方面，本发明提出了一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理装置，包括：
主流污水处理系统：包括沿污水处理方向通过主流污水管路依次连接的厌氧生物反应器、氨氮离子交换单元、好氧生物反应器和磷离子交换柱；
氮回收侧流系统：包括通过管路依次连接氨氮离子交换单元侧部的镁回收沉淀池、第一钙回收沉淀池、生物硝化反应器和第一再生液储备箱，所述第一再生液储备箱还返回连接氨氮离子交换单元；
磷回收侧流系统：包括通过管路依次连接氨氮离子交换单元侧部的第二钙回收沉淀池、磷离子交换柱和第二再生液储备箱，所述第二再生液储备箱还返回连接氨氮离子交换单元。
进一步的，所述的氨氮离子交换单元包括并排设置的第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱，其中，第一氨氮离子交换柱接入所述氮回收侧流系统中，第二氨氮离子交换柱接入所述磷回收侧流系统中。
进一步的，第一再生液储备箱还连接污水源热泵，并利用其进行加热，加热温度优选为15-50℃。
进一步的，生物硝化反应器还装有第一曝气泵；好氧生物反应器还装有第二曝气泵。
进一步的，沿氮回收侧流系统内的流动方向，所述的第一再生液储备箱后还依次连接电渗析模块和蒸发结晶模块，且所述电渗析模块和蒸发结晶模块还分别返回连接所述氨氮离子交换单元。
更进一步的，电渗析模块包括依次连接的电渗析进水阀门、电渗析反应器和电渗析淡水回流阀门；蒸发结晶模块则包括依次连接的蒸发结晶进水阀门、蒸发结晶装置和冷凝水回流阀门。电渗析淡水回流阀门和冷凝水回流阀门均通过管道返回连接氨氮离子交换单元。
进一步的，所述的镁回收沉淀池、第一钙回收沉淀池上分别装有镁回收加药器和第一钙回收加药器，所述的第二钙回收沉淀池上装有第二钙回收加药器，所述的第二再生液储备箱还分别连接pH调节箱和Mg(OH)2加药箱。
进一步的，所述的厌氧生物反应器可为厌氧接触消化池、升流式厌氧污泥床(UASB)、内循环厌氧反应器、厌氧颗粒污泥膨胀床、AnMBR、厌氧流化床和厌氧生物转盘中的一种或多种组合。
进一步的，厌氧生物反应器内的接种污泥可为城镇污水处理厂剩余污泥、厌氧污泥、厌氧消化污泥和厌氧颗粒污泥中的一种或多种。
进一步的，好氧生物反应器可为曝气生物滤池(BAF)，膜-生物反应器(MBR)，好氧池+二沉池反应器中的一种或组合工艺。更优选的，好氧生物反应器的污泥龄(SRT)为5-500d。更优选的，好氧生物反应器的水力停留时间(HRT)为0.5-48h。
进一步的，待处理污水为污水处理厂处理的中水或二级出水。
进一步的，磷离子交换柱的工作方式为升流式或竖流式。
另一方面，本发明提出了一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理工艺，其采用如上述的污水处理装置实施，该污水处理工艺包括以下步骤：
(1)待处理污水送入厌氧生物反应器中，进行厌氧生物降解处理，处理后的污水先送入由第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱并排组成的氨氮离子交换单元中除去氨氮，再进入好氧生物反应器中深度脱碳，最后在磷离子交换柱中除磷后，即排出；
(2)对氨氮离子交换单元进行再生的再生液分为两股，其中一股为从第一再生液储备箱送入的再生液I，另一股为从第二再生液储备箱送入的再生液II，其中，再生液I对第一氨氮离子交换柱进行再生后，送入氮回收侧流系统中，并依次进入镁回收沉淀池和第一钙回收沉淀池中进行硬度离子沉淀回收，接着进入生物硝化反应器进行硝化处理，再返回第一再生液储备箱，第一再生液储备箱中的再生液I的一部分继续依次流入电渗析模块和蒸发结晶模块中处理，回收得到结晶产物，另一部分则回流至第一氨氮离子交换柱中；
(3)再生液II对第二氨氮离子交换柱进行再生后，送入磷回收侧流系统，并先进入第二钙回收沉淀池中进行钙离子沉淀回收，接着进入磷离子交换柱完成磷离子再生，最后返回第二再生液储备箱，在第二再生液储备箱中通过调节pH和投加Mg(OH)2生成MAP，实现氮磷同步回收和再生液II的再生。
进一步的，步骤(1)中，分别流入第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱中的污水流量比等于污水中磷与NH4 +-N的摩尔比。
进一步的，所述第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱中所用的氨氮离子交换剂选自天然沸石、改性沸石、分子筛、粉煤灰或离子交换树脂中的一种或多种。更优选的，氨氮离子交换剂的再生方式可以为顺流再生或逆流再生。
进一步的，磷离子交换柱中所用的磷离子交换剂为阴离子交换树脂、改性沸石、改性生物炭或分子筛中一种或几种。
进一步的，再生液I为硝酸钠、硝酸钾或硝酸钙中的一种或几种的混合的溶液，其浓度为0.01-100g/L；
进一步的，再生液II为氯化钠、氯化钾、氯化镁、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或碳酸钾中的一种或几种的混合的溶液，其浓度为0.01-100g/L。
进一步的，污水在第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱中的空柱停留时间(EBCT)为1-600min；
污水在磷离子交换柱中的EBCT为1-600min。
进一步的，再生液I和再生液II分别对第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱的再生时间为0.1-72h。
进一步的，再生液II对磷离子交换柱的再生时间为0.1-72h。
进一步的，第二再生液储备箱中的pH控制在6.0-12.0。
进一步的，第一钙回收沉淀池中所采用的除钙药剂为碳酸盐、碳酸氢盐中的一种或多种，第二钙回收沉淀池中所采用的钙回收药剂则为碳酸盐、碳酸氢盐、聚磷酸盐中的一种或多种。
进一步的，镁回收沉淀池中所采用的镁回收药剂为氢氧化钠、石灰、氢氧化钙、碳酸盐和碳酸氢盐中的一种或几种。
进一步的，生物硝化反应器可为MBR、移动床生物膜反应器、好氧池+沉淀池+膜预处理、BAF中的一种或组合工艺。更优选的，其进水pH控制为6.0-10.0，进水温度控制在15-40℃，进水NH4 +-N浓度为25-2000mg/L，SRT为1-500d。更优选的，生物硝化反应器的溶解氧(DO)控制为0.5-8mg/L。
进一步的，待处理再生液在生物硝化反应器中的HRT为1-48h。
进一步的，第一再生液储备箱中再生液I流入电渗析模块的比例可以根据需要调整为0-100％。
进一步的，电渗析模块的进水NO3 -浓度为200-20000mg/L。
进一步的，电渗析模块的淡室HRT可为0.1-24h；浓室HRT可为0.1-24h。优选的，电渗析模块的极室电解质为硫酸钠、硫酸钾、氯化钠、氯化钾中的一种或多种。
进一步的，电渗析模块的离子交换膜可为均相膜、异相膜、双极膜、电泳电解膜中的一种或多种。淡室和浓室的流速比可为1:1-50:1。
进一步的，蒸发结晶单元可采用机械蒸汽再压缩蒸发器(MVR)、多效蒸发器、废水蒸发器、强制循环蒸发器、连续结晶蒸发器、降膜(升膜)蒸发器、旋转刮板式薄膜蒸发器中的一种或多种组合。
进一步的，调节第二再生液储备箱的pH所用的试剂可为氢氧化钠、氢氧化钾、石灰、氧化镁、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化镁、盐酸、硫酸等一种或多种。
本发明提出了基于厌氧生物处理-氨氮离子交换/再生-好氧深度脱碳-磷离子交换/再生的组合工艺，实现了污水污染物的同步高效去除与物质全面资源化。
在厌氧生物处理单元(即厌氧生物处理器)，污水中复杂的有机物通过厌氧生物处理降解，产生并回收大量的甲烷。该反应过程的厌氧条件能保留污水中的NH4 +-N，并将有机氮水解为NH4 +-N，有机质中的磷水解为PO4 3-。该工艺单元能够最大程度的将污水中的氮转化为NH4 +-N，为后续的氨氮离子交换提供了良好的条件。
在离子交换/再生单元(主要为氨氮离子交换单元)中，厌氧生物单元出水的NH4 +-N能够快速去除，同时钙、镁等金属离子同样会被捕集。在再生过程中，通过污水源热泵加热能有效提高再生速率和效率，再生液合适的温度能够为侧流生物硝化单元提供良好的环境。再生液被分为两条出路，再生液I用于硝化回收硝酸钠，再生液II则流入磷回收单元。再生液I中的硬度离子通过投加沉淀剂的方式将硬度离子转化为沉淀回收，可有效回收Mg(OH)2和CaCO3等。生物硝化将待处理再生液I中正价态的NH4 +转化成负价态的NO3 -，巧妙地完成NO3 -的富集并避免再生液I中的NH4 +对氨氮离子交换剂I再生的抑制，实现了再生液I的重复利用和氨氮离子交换剂I的高效再生。一部分再生液I从第一再生液储备箱流入电渗析模块进行硝酸盐浓缩。电渗析模块的淡室出水回流至第一再生液储备箱，浓水进入蒸发结晶单元，回收结晶产物，实现氮回收。同时回收蒸发结晶产生的水蒸气，冷凝液化后回流至第一再生液储备箱。
氨氮离子交换单元出水主要含有溶解性COD和少量NH4 +-N，可进一步通过好氧生物处理深度脱碳，并硝化残余NH4 +-N。由于COD和NH4 +-N负荷已经通过厌氧生物处理和氨氮离子交换大幅度降低，好氧生物处理单元所需HRT会大幅度降低，污水处理工艺占地也会减少。
好氧生物处理单元出水最后通过磷离子交换/再生进行除磷。除磷后，利用再生液II进行再生，由于NH4 +-N和PO4 3-的再生分别需要阳离子和阴离子，因此再生液II中采用一种盐即可满足两者再生的需求。再生液II完成磷离子交换剂再生后进入侧流处理系统。在侧流系统中，再生液II中的Ca2+通过投加钙回收沉淀剂II转化为沉淀回收。在第二再生液储备箱中，通过调节pH和投加回收的Mg(OH)2生成MAP，实现氮磷同步回收。同时，回收MAP也降低了再生液II中NH4 +和PO4 3-浓度，避免再生液II中的NH4 +和PO4 3-对磷离子交换剂和氨氮离子交换剂II(即第二氨氮离子交换柱所用材料)再生的抑制，实现了再生液II的重复利用和离子交换剂的高效再生。
本技术路线的应用实现污水中物质的全面资源化，同时出水污染物(COD、NH4 +-N、总氮(TN)、总磷(TP)等)浓度可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准甚至更为严格的《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)IV类水标准的要求。此外，该工艺具有HRT短、占地面积小、处理效率高等优点，对于污水处理厂的升级改造、缓解水体富营养化和污水全面资源化具有重要的实际工程意义。
本发明的处理过程中，涉及到的各处理工艺步骤的反应原理如下：
厌氧生物处理单元(即厌氧生物反应器)：厌氧生物处理是一个多阶段的复杂过程，主要经过四个阶段,分别为水解、酸化、产乙酸和产甲烷化阶段。甲烷化阶段发生在厌氧生物处理后期，在这一过程中，产甲烷菌将乙酸(CH3COOH)和H2、CO2分别转化为甲烷。污水可首先利用厌氧生物处理将其中蕴含的有机物转化为甲烷，在污染物去除的同时实现能源回收；与此同时，厌氧降解能将污水中的有机氮转化NH4 +-N，最大化污水中NH4 +-N的含量。甲烷化阶段的反应见式(1)和(2)：
2CH3COOH→2CH4↑+2CO2↑ (1)
4H2+CO2→CH4+2H2O 4H2+CO2→CH4+2H2O (2)
氨氮离子交换单元：固态氨氮离子交换剂通过离子交换去除污水中的NH4 +-N，使出水达到相关排放标准的要求，离子交换反应见式(3)：
其中，B+为氨氮离子交换剂表面可交换离子，A-为氨氮离子交换剂结构。
氨氮再生单元(主要由第一再生液储备箱和第二再生液储备箱提供的再生液I和再生液II实现再生)：再生单元利用再生液中的阳离子将氨氮离子交换剂表面的铵根(NH4 +)交换到再生液中，实现氨氮离子交换剂的再生，同时可利用污水源热泵加热再生液以提高再生率。再生反应见式(4)：
其中，C+为NH4 +-N再生液中的阳离子。再生过程为吸热反应，加热再生液有利于实现快速高效再生。
在氨氮离子交换与再生(AIR)过程中，污水中的金属离子也会参与这一过程，最终NH4 +-N和硬度离子(Mg2+、Ca2+)会在再生液中富集。本发明拟通过化学沉淀的方式进行硬度离子回收，同时避免流入后续处理单元，影响氮回收产品纯度，且为磷回收提供镁源。硬度离子回收去除后，针对再生液中高浓度NH4 +-N的回收需求，采用生物硝化-电渗析浓缩-蒸发结晶组合工艺进行氮回收。各单元反应原理如下所述。
硬度离子回收单元(主要由镁回收沉淀池、第一钙回收沉淀池和第二钙回收沉淀池等组成)：本单元分为两个子单元，分别为Mg2+回收单元和第一Ca2+回收单元。通过提高Mg2 +回收单元的pH，以Mg(OH)2的形式回收Mg2+。再将沉淀药剂加入第一Ca2+回收单元，以CaCO3的形式回收Ca2+，并降低流入生物硝化单元的pH值，同时提供碱度。具体反应式见式(5)、(6)和(7)：
Mg2++2OH-→Mg(OH)2↓ (5)
Ca2++HCO3 -+OH-→CaCO3↓+H2O (6)
生物硝化单元(主要包括生物硝化反应器)：利用氨氧化菌和硝化菌将NH4 +完全转化成NO3 -，同时消耗碱度，具体反应见式(8)和(9)：
NH4 ++2O2+2HCO3 -→NO3 -+2CO2+3H2O (8)
生物硝化是城镇污水处理中成熟工艺，通过在侧流引入生物硝化将正价态的NH4 +转化为负价态的NO3 -，避免了NH4 +累积对离子交换剂再生的抑制作用，巧妙实现了再生液的循环利用并维持高的再生效率。
电渗析浓缩单元(即电渗析模块)：利用阴阳离子交换膜的选择透过性将NO3 -和金属阳离子从再生液中分离。在淡室中，NO3 -和金属阳离子的定向移动使再生液中的NO3 -和金属阳离子浓度降低，浓室则分别实现为阴、阳离子的浓缩，最终在浓缩液中实现NO3 -富集。
蒸发结晶单元：引入电渗析浓缩单元的浓缩液，蒸发得到硝酸钠结晶盐，实现氮回收。
电渗析脱盐后的淡水和蒸发结晶的冷凝水回流至再生液储存单元，实现侧流系统废水零排放。
磷离子交换单元(即磷离子交换柱)：固态磷离子交换剂通过离子交换去除污水中的磷，使出水达到相关排放标准的要求，离子交换反应见式(10)：
A3+(D-)3+PO4 3-→A3+PO4 3-+3D- (10)
其中，D-为磷离子交换剂表面可交换离子，A3+为磷离子交换剂结构。
磷再生单元：再生单元利用再生液中的阴离子将离子交换剂表面的磷离子交换到再生液中，实现磷离子交换剂的再生。再生反应见式(11)：
A3+PO4 3-+3E-→A3+(E-)3+PO4 3- (11)
其中，E-为磷再生液中的阴离子。
本发明拟采用同种再生液，对磷离子交换剂和部分氨氮离子交换剂进行同步再生。再生下来的PO4 3-、NH4 +和硬度离子将在再生液中富集。本发明拟通过化学沉淀进行Ca2+回收，避免流入后续处理单元影响磷回收产品纯度。再利用再生液中的PO4 3-、NH4 +、Mg2+和回收的Mg(OH)2生成MAP，进行回收。各单元反应原理如下所述。
第二Ca2+回收单元：将沉淀药剂加入第二Ca2+回收单元，以CaCO3的形式回收Ca2+。具体反应式见式(7)。
MAP回收单元(在第二再生液储备箱中进行)：以再生液中的NH4 +作为氮源，Mg2+和回收的Mg(OH)2作为镁源，合成MAP。反应见式(12)：
Mg2++PO4 3-+NH4 ++6H2O→MgNH4PO4·6H2O (12)
本发明将厌氧生物处理-氨氮离子交换/再生-好氧深度脱碳-磷酸根(PO4 3-)离子交换/再生(ComRec)组合工艺应用到主流污水处理，实现高效污染物去除；将硬度离子回收-生物硝化-电渗析浓缩-蒸发结晶和钙离子(Ca2+)去除-磷酸铵镁(MAP)沉淀组合工艺应用到侧流污水处理，从污水中全面回收碳、氮、磷、镁、钙。本发明提供了一种污染物同步高效去除与资源全面回收的污水处理工艺。该工艺不仅可以解决高排放标准下污染物的稳定达标问题，还能有效节省升级改造用地，更能实现城镇污水低污染物浓度下的氮磷和其他元素资源的富集回收。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过主流厌氧生物处理，降低处理能耗并实现沼气回收，符合污水处理厂节能减排趋势。
(2)在氮回收过程中，通过侧流生物硝化，将再生液中的NH4 +转化为NO3 -，完成氮的价态转换，并避免了正价态的NH4 +对再生氨氮离子交换剂的抑制，实现了再生液的重复利用和氨氮离子交换剂的高效再生。
(3)氨氮离子交换/再生-生物硝化-电渗析浓缩-蒸发结晶的整体工艺设计具有显著创新。生物硝化是一种成熟的技术，利用生物硝化从侧流回收硝酸盐更加温和，且比现行的硝酸盐生产工艺更易于操作。通过将氨氮离子交换/再生-生物硝化组合，解决了氨氮离子交换剂的高浓度氨氮再生液无法重复使用的问题，又规避了电渗析对低浓度NO3 -回收的不适用性。同时将生物硝化-电渗析浓缩-蒸发结晶工艺的有机耦合，在侧流以硝酸盐的形式实现了高效的氮回收。与传统生物法脱氮和物化法脱氮相比，通过氮分离回收的方法实现了高效脱氮。与现行的氨氮离子交换再生工艺和主流回收氨氮工艺相比，本发明具有离子交换剂再生成本低、高效氮回收等优点，符合循环经济和可持续发展的理念，有利于氮的循环利用和循环经济的发展。
(4)再生通过升温可以与硝化过程的最适温度相匹配。本发明可利用污水中的低品质热源提升再生液温度，这既有助于提高氨氮离子交换剂的再生效率，加快再生速率，又为侧流硝化菌的生长和硝化反应提供了有利的环境条件，在提高工艺运行效率的同时有效降低了污水处理能耗。
(5)氮回收侧流系统采用硝酸盐再生，在保证再生速率和效率的同时，能够保证氮的形态转化后溶液中的硝酸盐纯度，提高氮回收的经济价值。同时，通过适当的盐分浓度控制，不会对侧流硝化单元的微生物活性产生抑制，能够确保硝化效率。
(6)生物硝化单元出水实现NO3 -的富集，一部分出水流入电渗析进行浓缩。电渗析的浓缩液进入蒸发结晶单元，回收结晶固体实现氮回收。与此同时，通过将一部分生物硝化单元出水、电渗析及蒸发结晶单元淡水回流，实现了再生液的重复使用及侧流零液体排放。
(7)硬度离子通过沉淀回收，可同时回收Mg(OH)2和碳酸钙，避免了硬度离子的累积对离子交换剂的影响，同时Mg(OH)2可用于回收MAP。
(8)投加的碳酸盐和碳酸氢盐为生物硝化提供碱度，维持生物硝化单元适宜的进水pH范围。硝化菌为自养菌，通过维持合适的碱度和pH可提高硝化菌的硝化效率。同时，硬度离子回收药剂和碱度补充药剂也会为再生液I补充金属阳离子，维持再生液I中金属阳离子的浓度，确保高效再生。
(9)在磷回收过程中，通过投加Ca2+回收药剂的同时，也为再生液II补充金属阳离子，维持再生液II中金属阳离子的浓度，确保高效再生。
(10)通过磷离子交换/再生和部分氨氮离子交换/再生的组合，并利用从污水中回收的Mg(OH)2实现了MAP回收，避免了由于污水中氮磷摩尔比失衡而造成的低效回收。同时，MAP回收也有效降低了再生液中的NH4 +和PO4 3-浓度，避免再生液中的NH4 +和PO4 3-对离子交换剂再生的抑制，实现了再生液的重复利用，并维持氨氮离子交换剂和磷离子交换剂的高效再生。
(11)创新性的将厌氧生物处理、氨氮离子交换、好氧生物处理和磷离子交换耦合集成，构建了ComRec工艺。本发明提出的ComRec工艺实现了污水中碳、氮、磷污染物的高效协同去除与污水全面资源化，出水水质可达到目前全球最为严格的排放标准，具有HRT短、占地面积小、处理效率高、资源回收率高等优点，对于污水处理厂的升级改造、缓解水体富营养化及全面资源化具有重要的实际工程意义。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为实施例2中为期30天的中试试验运行水质效果；
图3为实施例2的物质流分析图；
图4为实施例2中所回收的Mg(OH)2的扫描电镜图；
图5为实施例2中所回收的硝酸钠照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施方式或实施例中，
如无特别说明的原料、或设备结构、或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售产品、常规市售设备或常规处理技术。
一方面，本发明提出了一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理装置，其结构参见图1所示，包括：
主流污水处理系统：包括沿污水处理方向通过主流污水管路依次连接的厌氧生物反应器1、氨氮离子交换单元、好氧生物反应器4和磷离子交换柱5；
氮回收侧流系统：包括通过管路依次连接氨氮离子交换单元侧部的镁回收沉淀池6、第一钙回收沉淀池7、生物硝化反应器8和第一再生液储备箱9，所述第一再生液储备箱9还返回连接氨氮离子交换单元；
磷回收侧流系统：包括通过管路依次连接氨氮离子交换单元侧部的第二钙回收沉淀池12、磷离子交换柱5和第二再生液储备箱13，所述第二再生液储备箱13还返回连接氨氮离子交换单元。
在一种具体的实施方式中，所述的氨氮离子交换单元包括并排设置的第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3，其中，第一氨氮离子交换柱2接入所述氮回收侧流系统中，第二氨氮离子交换柱3接入所述磷回收侧流系统中。
在一种具体的实施方式中，第一再生液储备箱9还连接污水源热泵，并利用其进行加热，加热温度优选为15-50℃。
在一种具体的实施方式中，生物硝化反应器8还装有第一曝气泵；好氧生物反应器4还装有第二曝气泵。
在一种具体的实施方式中，沿氮回收侧流系统内的流动方向，所述的第一再生液储备箱9后还依次连接电渗析模块和蒸发结晶模块，且所述电渗析模块和蒸发结晶模块还分别返回连接所述氨氮离子交换单元。
更进一步的，电渗析模块包括依次连接的电渗析进水阀门、电渗析反应器和电渗析淡水回流阀门；蒸发结晶模块则包括依次连接的蒸发结晶进水阀门、蒸发结晶装置和冷凝水回流阀门。电渗析淡水回流阀门和冷凝水回流阀门均通过管道返回连接氨氮离子交换单元。
在一种具体的实施方式中，所述的镁回收沉淀池6、第一钙回收沉淀池7上分别装有镁回收加药器和第一钙回收加药器，所述的第二钙回收沉淀池12上装有第二钙回收加药器，所述的第二再生液储备箱13还分别连接pH调节箱和Mg(OH)2加药箱。
在一种具体的实施方式中，所述的厌氧生物反应器1可为厌氧接触消化池、UASB、内循环厌氧反应器、厌氧颗粒污泥膨胀床、AnMBR、厌氧流化床和厌氧生物转盘中的一种或多种组合。
在一种具体的实施方式中，厌氧生物反应器1内的接种污泥可为城镇污水处理厂剩余污泥、厌氧污泥、厌氧消化污泥和厌氧颗粒污泥中的一种或多种。
在一种具体的实施方式中，好氧生物反应器4可为BAF，MBR，好氧池+二沉池反应器中的一种或组合工艺。更优选的，好氧生物反应器4的SRT为5-500d。更优选的，好氧生物反应器4的HRT为0.5-48h。
在一种具体的实施方式中，待处理污水为污水处理厂处理的中水或二级出水。
在一种具体的实施方式中，磷离子交换柱5的工作方式为升流式或竖流式。
另一方面，本发明提出了一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理工艺，其采用如上述的污水处理装置实施，具体参见图1所示，该污水处理工艺包括以下步骤：
(1)待处理污水送入厌氧生物反应器1中，进行厌氧生物降解处理，处理后的污水先送入由第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3并排组成的氨氮离子交换单元中除去氨氮，再进入好氧生物反应器4中深度脱碳，最后在磷离子交换柱5中除磷后，即排出；
(2)对氨氮离子交换单元进行再生的再生液分为两股，其中一股为从第一再生液储备箱9送入的再生液I，另一股为从第二再生液储备箱13送入的再生液II，其中，再生液I对第一氨氮离子交换柱2进行再生后，送入氮回收侧流系统中，并依次进入镁回收沉淀池6和第一钙回收沉淀池7中进行硬度离子沉淀回收，接着进入生物硝化反应器8进行硝化处理，再返回第一再生液储备箱9，第一再生液储备箱9中的再生液I的一部分继续依次流入电渗析模块和蒸发结晶模块中处理，回收得到结晶产物，另一部分则回流至第一氨氮离子交换柱2中；
(3)再生液II对第二氨氮离子交换柱3进行再生后，送入磷回收侧流系统，并先进入第二钙回收沉淀池12中进行钙离子沉淀回收，接着进入磷离子交换柱5完成磷离子再生，最后返回第二再生液储备箱13，在第二再生液储备箱13中通过调节pH和投加Mg(OH)2生成MAP，实现氮磷同步回收和再生液II的再生。
在一种具体的实施方式中，步骤(1)中，分别流入第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3中的污水流量比等于污水中磷与NH4 +-N的摩尔比。
在一种具体的实施方式中，所述第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3中所用的氨氮离子交换剂选自天然沸石、改性沸石、分子筛、粉煤灰或离子交换树脂中的一种或多种。更优选的，氨氮离子交换剂的再生方式可以为顺流再生或逆流再生。
在一种具体的实施方式中，磷离子交换柱5中所用的磷离子交换剂为阴离子交换树脂、改性沸石、改性生物炭或分子筛中一种或几种。
在一种具体的实施方式中，再生液I为硝酸钠、硝酸钾或硝酸钙中的一种或几种的混合的溶液，其浓度为0.01-100g/L；
在一种具体的实施方式中，再生液II为氯化钠、氯化钾、氯化镁、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或碳酸钾中的一种或几种的混合的溶液，其浓度为0.01-100g/L。
在一种具体的实施方式中，污水在第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3中的空柱停留时间(EBCT)为1-600min；
污水在磷离子交换柱5中的EBCT为1-600min。
在一种具体的实施方式中，再生液I和再生液II分别对第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3的再生时间为0.1-72h。
在一种具体的实施方式中，再生液II对磷离子交换柱5的再生时间为0.1-72h。
在一种具体的实施方式中，第二再生液储备箱13中的pH控制在6.0-12.0。
在一种具体的实施方式中，第一钙回收沉淀池7中所采用的除钙药剂为碳酸盐、碳酸氢盐中的一种或多种，第二钙回收沉淀池12中所采用的钙回收药剂则为碳酸盐、碳酸氢盐、聚磷酸盐中的一种或多种。
在一种具体的实施方式中，镁回收沉淀池6中所采用的镁回收药剂为氢氧化钠、石灰、氢氧化钙、碳酸盐和碳酸氢盐中的一种或几种。
在一种具体的实施方式中，生物硝化反应器8可为MBR、移动床生物膜反应器、好氧池+沉淀池+膜预处理、BAF中的一种或组合工艺。更优选的，其进水pH控制为6.0-10.0，进水温度控制在15-40℃，进水NH4 +-N浓度为25-2000mg/L，SRT为1-500d。更优选的，生物硝化反应器8的DO控制为0.5-8mg/L。
在一种具体的实施方式中，待处理再生液在生物硝化反应器8中的HRT为1-48h。
在一种具体的实施方式中，第一再生液储备箱9中再生液I流入电渗析模块的比例可以根据需要调整为0-100％。
在一种具体的实施方式中，电渗析模块的进水NO3-浓度为200-20000mg/L。
在一种具体的实施方式中，电渗析模块的淡室HRT可为0.1-24h；浓室HRT可为0.1-24h。优选的，电渗析模块的极室电解质为硫酸钠、硫酸钾、氯化钠、氯化钾中的一种或多种。
在一种具体的实施方式中，电渗析模块的离子交换膜可为均相膜、异相膜、双极膜、电泳电解膜中的一种或多种。淡室和浓室的流速比可为1:1-50:1。
在一种具体的实施方式中，蒸发结晶单元可采用机械蒸汽再压缩蒸发器(MVR)、多效蒸发器、废水蒸发器、强制循环蒸发器、连续结晶蒸发器、降膜(升膜)蒸发器、旋转刮板式薄膜蒸发器中的一种或多种组合。
在一种具体的实施方式中，调节第二再生液储备箱13的pH所用的试剂可为氢氧化钠、氢氧化钾、石灰、氧化镁、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化镁、盐酸、硫酸等一种或多种。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1
一种同步高效污染物去除及资源充分回收的污水处理工艺，工艺流程如图1所示，主流工艺包括厌氧生物反应、氨氮离子交换/再生、好氧生物反应处理、磷离子交换/再生等工序。侧流氮回收工艺包括第一氨氮再生、硬度离子回收、生物硝化、电渗析浓缩及蒸发结晶等工序。侧流磷回收工艺包括第二氨氮再生、Ca2+回收、磷再生和MAP沉淀回收等工序。
主流工艺中，厌氧生物反应器单元包括依次连接的污水进水泵20、污水进水阀门24、厌氧生物反应器1、气体收集阀门25和气体收集箱14。氨氮离子交换单元包括并排设置并装填有氨氮离子交换剂的第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3，以及分别布置在其进水口位置的第一氨氮离子交换柱进水阀门26、第二氨氮离子交换柱进水阀门27。好氧生物反应处理主要在好氧生物反应器4中进行，其底部还装有第二曝气泵29。另外，进行磷离子交换的设备包括磷离子交换柱进水阀门30和装填有磷离子交换剂的磷离子交换柱5。
侧流氮回收工艺中，第一再生液储备箱9内的再生液I依次通过储备箱出水阀门40、再生液I进水泵22、第一氮回收再生液进水阀门45进入第一氨氮离子交换柱2。第一再生液储备箱9还与污水源热泵46相连。然后，从第一氨氮离子交换柱2中出来的待处理再生液I则依次进入后续硬度离子回收单元等进行处理。硬度离子回收单元包括依次连接的镁回收沉淀池进水阀门35、镁回收沉淀池6、第一钙回收沉淀池进水阀门36、第一钙回收沉淀池7。镁回收沉淀池6和钙回收沉淀池7还分别与镁回收加药器15和第一钙回收加药器16连接。
生物硝化单元包括依次连接的生物硝化反应器进水阀门37和生物硝化反应器8。生物硝化反应器8还与第一曝气泵38相连。电渗析单元包括依次连接的电渗析进水阀门41、电渗析反应器10和电渗析淡水出水阀门11。蒸发结晶单元包括依次连接的蒸发结晶进水阀门43、蒸发结晶装置11和蒸发结晶淡水出水阀门44。
侧流磷回收工艺中，第二再生液储备箱13内的再生液II依次通过再生液II进水泵23、再生液II进水阀门34进入第二氨氮离子交换柱3，待处理的再生液II从第二氨氮离子交换柱3侧部经再生液II出水阀门31流出后，随后进入第二钙回收单元，即第二钙回收沉淀池12，第二钙回收沉淀池12与磷离子交换柱5之间还设有第二钙回收沉淀池出水阀门32。第二钙回收沉淀池12还与第二钙回收加药器17连接。
磷离子交换柱5后则设置磷离子交换柱再生液II出水阀门33，并连接第二再生液储备箱13。MAP沉淀反应在第二再生液储备箱13中进行，第二再生液储备箱13与pH调节箱18和镁源加药器19相连。
具体步骤如下：待处理的生活污水由污水进水泵20经污水进水阀门24泵入厌氧生物反应器1，打开气体收集阀门25，污水经厌氧处理后，进入第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3。氨氮离子交换剂迅速捕获污水中的氨氮后，污水经由好氧生物反应器进水阀门28进入好氧生物反应器4。好氧脱碳及硝化后，污水进入最后的磷离子交换柱5，磷离子交换剂迅速捕获污水中的磷，然后出水。
达到设定的离子交换时间后，关闭污水进水泵20，排空第一氨氮离子交换柱2、第二氨氮离子交换柱3与磷离子交换柱5，进行再生。
再生时，第一再生液储备箱9中的再生液I经污水源热泵46加热，由再生液I进水泵22泵入第一氨氮离子交换柱2。第二再生液储备箱13中的再生液II通过再生液II进水泵22，经由再生液II进水阀门34依次进入第二氨氮离子交换柱3和磷离子交换柱5，再经磷离子交换柱再生液II出水阀门33回流到第二再生液储备箱13中，形成循环再生处理系统。再生结束后关闭再生液I进水泵22和再生液II进水泵23，让再生液I和再生液II完全回流至第一再生液储备箱9和第二再生液II储备箱13，完成再生，静置第一氨氮离子交换柱2、第二氨氮离子交换柱3和磷离子交换柱5，直至下一次运行。
再生液I从第一氨氮离子交换柱2流出，经由镁回收沉淀池进水阀门35进入镁回收沉淀池6。通过镁回收加药器15向镁回收沉淀池6中投加镁回收沉淀剂并搅拌，充分反应后沉降，最后沉淀物经泥斗排出。上清液从镁回收沉淀池6流出，经由第一钙回收沉淀池进水阀门36进入钙回收沉淀池7。钙回收加药器16向钙回收沉淀池7中投加钙回收沉淀剂并搅拌，充分反应后沉降，最后沉淀物经泥斗排出。再生液回收硬度离子后经由生物硝化反应器进水阀门37进入生物硝化反应器9，完成硝化后，再生液I经由再生液储备箱进水阀门39回流至第一再生液储备箱9。部分再生液I从第一再生液储备箱9中，经由电渗析进水阀门41进入电渗析反应器10。再生液I在电渗析反应器10中完成阴阳离子分离后，淡水经电渗析淡水回流阀门42回流至第一再生液储备箱9。浓水经过蒸发结晶进水阀门43进入蒸发结晶装置11，水蒸气冷凝后经蒸发结晶淡水回流阀门44回流至第一再生液储备箱9。电渗析反应器10和蒸发结晶装置11的淡水分别通过电渗析淡水回流阀门42和蒸发结晶淡水回流阀门44汇入第一再生液储备箱9出水实现回用。蒸发结晶装置13的结晶固体为氮回收产物。
再生液II从第二氨氮离子交换柱3流出，经由再生液II出水阀门31进入第二钙回收沉淀池12。第二钙回收加药器17向第二钙回收沉淀池12中投加钙回收沉淀剂II并搅拌，充分反应后沉降，最后沉淀物经泥斗排出。再生液II从磷离子交换柱5流出，经由磷离子交换柱再生液II出水阀门33进入第二再生液储备箱13。pH调节箱18和镁源加药器19向第二再生液储备箱13中投加pH调节剂，并补充镁源，搅拌，充分反应后沉降，最后沉淀物经泥斗排出。沉淀物即为磷回收产物。
实施例2
某污水处理厂进水COD、TN、NH4 +-N、TP浓度分别为300、27.5、25.0和3.0mg/L，处理后需要达到GB18918-2002一级A标准(COD<50mg/L，NH4 +-N<5mg/L，TP<0.5mg/L)的要求。采用ComRec工艺进行中试研究，中试处理水量为2吨/日，时长30天。
对于上述待处理污水，采用实施例1的装置进行处理。具体的，厌氧生物反应器采用UASB，HRT为4h，反应温度维持35℃。污水由进水泵20经由污水进水阀门24泵入UASB，每天可回收沼气200L，UASB出水分别进入第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3，其中第一氨氮离子交换柱2体积为15L，第二氨氮离子交换柱3总体积为5L。第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3内部填充天然沸石，EBCT为1h，吸附运行时间为20h，每小时可处理水量20L/h，一次运行可处理水量400L。采用5组第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3并联运行，2组第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱备用。好氧生物反应器4采用BAF，HRT为1h，有效体积为50L，采用两组曝气生物滤池(即BAF)同时运行。BAF出水进入磷离子交换柱5，磷离子交换柱5内填充阴离子交换树脂，体积为10L，EBCT为0.5h，采用5组磷离子交换柱并联运行，2组备用。运行期间ComRec工艺的平均出水COD、TN、NH4 +-N和TP浓度分别为17.8、1.8、0.2和0.4mg/L(图2)。
达到预设运行时间(24h)后，排空第一氨氮交换柱2、第二氨氮交换柱3与磷离子交换柱5，污水由污水进水泵24泵入备用的第一氨氮交换柱2、第二氨氮交换柱3和磷离子交换柱5，继续处理污水。再生液I采用硝酸钠溶液，钠离子浓度为10g/L，再生液体积为150L。氢氧化钠和碳酸钠-碳酸氢钠则分别作为镁回收沉淀剂和钙回收沉淀剂I加入镁回收沉淀池6和第一钙回收沉淀池7(其投加量可将再生液中的硬度离子沉淀完全)，每天回收氢氧化镁92.5g(图4)，所回收的氢氧化镁满足《工业氢氧化镁》(HG/T 3607-2007)中一般工业型的一等品标准，详情见表1。
表1生活污水中回收氢氧化镁与氢氧化镁一等品的指标对比
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第一钙回收沉淀池7的上清液经过生物硝化反应器进水阀门26进入生物硝化反应器8中。生物硝化反应器8采用MBR，体积为700L，运行工况为HRT＝8h，SRT＝100d，DO控制在4-5mg/L，进水温度控制在32℃。MBR出水NO3 --N浓度为4730mg/L，MBR出水流入第一再生液储备箱9，5％的再生液I从第一再生液储备箱9进入电渗析反应器10。电渗析反应器10中，总有效膜面积为40m2，内部设有22个阳离子交换膜，22个阴离子交换膜，温度控制在32℃。待处理再生液I进入反应器后，打开淡室排水阀门42、和蒸发结晶进水阀门43。电渗析反应器浓水的NO3 --N浓度为37840mg/L，淡水中NO3 --N浓度为46.2mg/L，硝酸盐去除率为99.0％。电渗析浓水进入蒸发结晶装置11，每天回收硝酸钠266g(图5)，所回收的硝酸钠满足工业硝酸钠GB/T 455-2016中一般工业型的一等品标准，详情见表2。水蒸气冷凝后，通过蒸发结晶淡水回流阀门44回流。
再生液II采用氯化钠溶液，钠离子浓度为10g/L，再生液体积为200L。再生液II从第二氨氮离子交换柱3流出后进入第二钙回收沉淀池12，钙回收药剂II为碳酸钠。第二钙回收沉淀池6的上清液流入磷离子交换柱5，对阴离子交换树脂进行再生。再生结束后，再生液II中磷浓度为24.3mg/L，NH4 +-N浓度为112.7mg/L，Mg2+浓度为15.6mg/L。再生液II流入第二再生液储备箱13中，调节pH至9.5，加入所回收的氢氧化镁82g，每天回收MAP沉淀384.7g。
表2生活污水中回收硝酸钠与硝酸钠一等品的指标对比
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与专利CN110981077A相比，本实施例不仅在侧流采用再生-生物硝化-电渗析浓缩工艺，解决了再生液中NH4 +-N无法去除，主流因NH4 +-N浓度低使得氮回收成本高等问题。同时本技术还实现了高效污染物去除和污水全面资源化，符合循环经济、可持续发展的理念。
实施例3
针对COD为500mg/L，NH4 +-N为40mg/L，TP为5mg/L的某污水处理厂进水，需要处理后达到GB3838-2002中的IV类水标准(COD<30mg/L，NH4 +-N<1.5mg/L，TP<0.3mg/L)的要求。采用ComRec工艺进行中试研究，中试处理水量为1.0m3/d，时长30天。
本实施例与实施例2大致相同，本实例中，厌氧生物反应器采用AnMBR，体积为400L，HRT＝8h。第一氨氮离子交换柱2和第二氨氮离子交换柱3中的氨氮离子交换剂为阳离子交换树脂，采用5组第一和第二氨氮离子交换柱并联运行，EBCT＝45min，2组第一和第二氨氮离子交换柱备用。好氧生物反应器4采用MBR，体积为150L，运行工况为：HRT＝3h，SRT＝100d，DO＝3-4mg/L。磷离子交换反应器5中的磷离子交换剂为阴离子交换树脂，EBCT＝30min，采用5组磷离子交换柱并联运行，2组备用。中试期间，平均出水COD、TN、NH4 +-N和TP浓度分别为12.8、1.1、0.1和0.2mg/L，符合GB3838-2002中的IV类水标准。
再生液I和再生液II分别采用钠离子含量为7.5g/L的硝酸钠和氯化钠溶液，体积为100L。生物硝化反应器8采用MBR，有效体积50L，运行工况为：HRT＝12h，SRT＝150d，DO控制在4-5mg/L，温度控制在32℃。MBR出水中的NO3 --N浓度为3360.6mg/L。电渗析反应器10中，总有效膜面积为10m2，内部设有16个阳离子交换膜，15个阴离子交换膜，温度控制在30℃。电渗析反应器浓水中NO3 --N为20100.6mg/L，淡水中NO3 --N为27.9mg/L，NO3 -去除率为99.2％。电渗析浓水进入蒸发结晶装置11，回收硝酸钠。中试期间，每天回收甲烷127L，回收氢氧化镁38.6g，回收硝酸钠152.9g，回收MAP 174.6g。
实施例4
以处理量为50000m3/d的污水处理厂为例，在严格的排放标准下，通过综合考虑占地面积、前期投资、处理成本和资源回收等因素，对常规厌氧/缺氧/好氧(AAO)和实施例2中的ComRec工艺进行了技术经济对比(表3)。生活污水处理厂的进水水质拟定为COD＝350mg/L，BOD5＝140mg/L，SS＝180mg/L，NH4 +-N＝35mg/L，TN＝45mg/L，TP＝5.0mg/L，出水水质拟定为COD≤30mg/L，BOD5≤10mg/L，SS≤10mg/L，NH4 +-N≤1.5mg/L，TN≤5mg/L，TP≤0.3mg/L。为符合更严格的排放标准，AAO工艺通常与混凝沉淀单元(CSU)和反硝化滤池相结合。ComRec工艺主流系统包括用于碳回收的厌氧反应器(例如UASB)、处理92.5％污水的硝酸盐回收模块、处理7.5％污水的NH4 +离子交换单元、氧化有机物的BAF和PIE单元。侧流系统包括两套，硝酸盐回收模块的侧流系统包括用于钙、镁回收的两个沉淀池、SNR、电渗析和MVR单元；PIE单元的侧流系统则采用氯化钠溶液首先再生处理7.5％污水的NH4 +离子交换单元，然后再流入PIE单元再生磷离子交换剂，最后进入除钙沉淀池和MAP沉淀池，分别回收钙盐和MAP。
考虑反应池和沉淀池，传统工艺的HRT为26.6小时，包括AAO(25.5小时)、CSU(0.7小时)和反硝化滤池(0.4小时)。在ComRec工艺中，主流UASB、AIR(EBCT)、BAF和PIE反应器的典型HRT分别为6.0、0.75、2和0.25h。侧流硝酸盐回收系统(进水率为92.5％)的总等效HRT为2.09h，其中镁沉淀、钙沉淀、SNR和电渗析的HRT分别为1.0、0.5、12和1h。侧流MAP沉淀的推荐HRT为4h，等效为主流流量HRT为0.16h。因此，ComRec工艺的总HRT为11.25h。
处理量50000m3/d的典型AAO工艺污水处理厂占地面积为6.78hm2。污水处理厂的厂区占地包括污水处理、绿化、道路、污泥处理和建筑五个部分，所占比例分别为39.2％、35.9％、14.2％、3.9％和6.6％。假设前3个部分的占地面积与污水处理工艺的HRT成正比，污泥处理过程的占地面积与污泥产量成正比，建筑占地面积各处理工艺相同。在典型HRT为11.25h的情况下，ComRec的前三个部分占地面积为2.58hm2。假设ComRec的污泥产量为AAO工艺的10％，则ComRec污泥处理的占地面积约为0.03hm2。因此，ComRec工艺污水处理厂总占地面积为3.05hm2，比AAO降低了55.0％。
表3在满足严格的生活污水排放标准下，传统AAO和ComRec工艺的技术经济对比
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根据实际工程数据，处理量为50000m3/d的AAO污水处理厂前期投资约为1.78亿元。就ComRec工艺而言，UASB、AIR、BAF和PIE(50000m3/d)单元的投资分别为1400、1200、1200和800万元。在侧流硝酸盐回收系统中，沉淀反应器、SNR、电渗析和MVR装置的前期投资分别为40、3400、170和73万元，而包括污水源热泵和两个再生剂储罐在内的辅助设备的前期投资约为82万元。侧流硝酸盐回收系统和磷回收系统的前期投资分别为3820(进水率92.5％)和204万元。因此，50000m3/d的ComRec工艺污水处理厂前期投资共为0.86亿元。
实际污水处理厂的能耗通常用于输送、混合和曝气。输送能耗与污水、污泥混合液的输送量成正比。ComRec无污泥回流，其总输送量仅为AAO(内回流200％，外回流100％)的25％。因此，AAO和ComRec的输送能耗分别为0.060和0.015kWh/m3。AAO和ComRec的混合能耗分别为0.070(厌氧、缺氧和CSU)和0.047(UASB)。对好氧HRT长达12.0h的AAO工艺而言，曝气能耗为0.40kWh/m3。由于ComRec工艺中BAF单元的HRT短至2.0h，其曝气能耗为0.07kWh/m3。ComRec工艺的侧流系统能耗折算为主流流量进行计算。侧流输送能耗为0.0050kWh/m3。Mg(OH)2、CaCO3沉淀单元的混合能耗为0.0075和0.0085kWh/m3。SNR系统的曝气能耗为0.185kWh/m3，电渗析能耗为0.0054kWh/m3，MVR能耗为0.0210kWh/m3。因此，AAO和ComRec的总能耗分别为0.530和0.358kWh/m3。
将CSU和反硝化滤池与AAO工艺相耦合，向CSU中投加18.0mg/L AlCl3(单价2800元/吨)和0.4mg/L PAM(单价18000元/吨)，去除AAO出水中残留的磷和SS。向反硝化滤池中加入50mg/L甲醇(单价3500元/吨)，去除NO3 -，确保出水TN低于5.0mg/L。因此，AAO工艺处理药剂成本为0.24元/m3。在ComRec工艺中，向侧流除镁沉淀池中加入37mg/L NaOH(单价2400元/吨)。在侧流再生剂中加入294mg/L Na2CO3(单价1150元/吨)以保持碱度并除钙。磷再生剂中加入26mg/L NaCl(单价25元/吨)因此，ComRec工艺处理药剂成本为0.42元/m3。国内常用的污泥处理与处置路线为污泥浓缩、厌氧消化、脱水和填埋，处理成本为1800元/吨干固体(tDS)。根据AAO工艺污泥表观产率0.4gSS/gCOD计算，吨水产泥为0.1kgDS，其污泥处理与处置成本为0.18元/m3。ComRec工艺由于采用了厌氧生物处理，吨水污泥产量为0.02kgDS，其污泥处理与处置成本为0.036元/m3。
在传统工艺中，AAO、CSU和反硝化滤池没有回收任何资源。而本发明资源回收后，ComRec工艺处理每吨水将回收157g NaNO3(单价为3900元/吨)、100g CaCO3(单价为900元/吨)、20.3g Mg(OH)2(单价为2100元/吨)和36.8g磷酸镁铵(单价为8200元/吨)。该工艺处理每吨水还可回收0.03kg CH4，其发电能力为0.154kWh。考虑到能源成本为0.88元/kWh，资源回收后，ComRec工艺的总收益为1.18元/m3。
AAO和ComRec工艺吨水处理总成本分别为0.88和0.81元/m3。资源回收后，ComRec工艺反而可获利，利润为0.38元/m3。
考虑到全球每年的生活污水处理量为355亿吨，应用ComRec工艺将大大节省污水处理厂的占地面积，全球节地总面积2.65×107hm2，相当于北京市面积的16倍。ComRec工艺不仅在全球范围内节省了大量的土地和投资，而且避免了后续复杂的污泥处理与处置。根据实际工程数据，AAO工艺所需的前期投资为1.78亿元，是ComRec工艺的2.07倍。由于大大降低了硝化所需的曝气量，ComRec工艺总能耗为AAO工艺的67.6％。ComRec工艺的化学药耗为0.42元/m3，其中很大一部分是SNR硝化所需的碱度。在ComRec工艺中，由于厌氧微生物产率较低导致污泥产量显著下降，污泥处理和处置成本为AAO的20.2％。资源回收后，ComRec工艺吨水可获利0.38元，这不仅有利于环境保护和资源回收，也向未来污水处理厂提出一种经济可行、有前途的污水处理新工艺。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理装置，其特征在于，包括：
主流污水处理系统：包括沿污水处理方向通过主流污水管路依次连接的厌氧生物反应器、氨氮离子交换单元、好氧生物反应器和磷离子交换柱；
氮回收侧流系统：包括通过管路依次连接氨氮离子交换单元侧部的镁回收沉淀池、第一钙回收沉淀池、生物硝化反应器和第一再生液储备箱，所述第一再生液储备箱还返回连接氨氮离子交换单元；
磷回收侧流系统：包括通过管路依次连接氨氮离子交换单元侧部的第二钙回收沉淀池、磷离子交换柱和第二再生液储备箱，所述第二再生液储备箱还返回连接氨氮离子交换单元；
所述的氨氮离子交换单元包括并排设置的第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱，其中，第一氨氮离子交换柱接入所述氮回收侧流系统中，第二氨氮离子交换柱接入所述磷回收侧流系统中；
沿氮回收侧流系统内的流动方向，所述的第一再生液储备箱后还依次连接电渗析模块和蒸发结晶模块，且所述电渗析模块和蒸发结晶模块还分别返回连接所述氨氮离子交换单元。
2.根据权利要求1所述的一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理装置，其特征在于，所述的镁回收沉淀池、第一钙回收沉淀池上分别装有镁回收加药器和第一钙回收加药器，所述的第二钙回收沉淀池上装有第二钙回收加药器，所述的第二再生液储备箱还分别连接pH调节箱和Mg(OH)2加药箱。
3.一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理工艺，其采用如权利要求1或2所述的污水处理装置实施，其特征在于，该污水处理工艺包括以下步骤：
（1）待处理污水送入厌氧生物反应器中，进行厌氧生物降解处理，处理后的污水先送入由第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱并排组成的氨氮离子交换单元中除去氨氮，再进入好氧生物反应器中深度脱碳，最后在磷离子交换柱中除磷后，即排出；
（2）对氨氮离子交换单元进行再生的再生液被分为两股，其中一股为从第一再生液储备箱送入的再生液I，另一股为从第二再生液储备箱送入的再生液II，其中，再生液I对第一氨氮离子交换柱进行再生后，送入氮回收侧流系统中，并依次进入镁回收沉淀池和第一钙回收沉淀池中进行硬度离子沉淀回收，接着进入生物硝化反应器进行硝化处理，再返回第一再生液储备箱，第一再生液储备箱中的再生液I的一部分继续依次流入电渗析模块和蒸发结晶模块中处理，回收得到结晶产物，另一部分则回流至第一氨氮离子交换柱中；
（3）再生液II对第二氨氮离子交换柱进行再生后，送入磷回收侧流系统，并先进入第二钙回收沉淀池中进行钙离子沉淀回收，接着进入磷离子交换柱完成磷离子再生，最后返回第二再生液储备箱，在第二再生液储备箱中通过调节pH和投加Mg(OH)2生成MAP，实现氮磷同步回收和再生液II的再生。
4.根据权利要求3所述的一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理工艺，其特征在于，步骤（1）中，分别流入第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱中的污水流量比等于污水中磷与NH4 +-N的摩尔比。
5.根据权利要求3所述的一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理工艺，其特征在于，所述第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱中所用的氨氮离子交换剂选自天然沸石、改性沸石、分子筛、粉煤灰或离子交换树脂中的一种或多种；
磷离子交换柱中所用的磷离子交换剂为阴离子交换树脂、改性沸石、改性生物炭或分子筛中一种或几种。
6.根据权利要求3所述的一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理工艺，其特征在于，再生液I为硝酸钠、硝酸钾或硝酸钙中的一种或几种的混合的溶液，其浓度为0.01 - 100 g/L；
再生液II为氯化钠、氯化钾、氯化镁、氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠或碳酸钾中的一种或几种的混合的溶液，其浓度为0.01 - 100 g/L。
7.根据权利要求3所述的一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理工艺，其特征在于，污水在第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱中的空柱停留时间为1- 600 min；
再生液I和再生液II分别对第一氨氮离子交换柱和第二氨氮离子交换柱的再生时间为0.1 - 72h；
再生液II对磷离子交换柱的再生时间为0.1 - 72h。
8.根据权利要求3所述的一种同步高效污染物去除及全面资源化回收的污水处理工艺，其特征在于，第二再生液储备箱中的pH控制在6.0 - 12.0。
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