不稳定短程硝化厌氧氨氧化反应器中实现市政污水同步深度脱氮和磷回收的装置和方法

1.本发明涉及不稳定短程硝化厌氧氨氧化反应器中实现市政污水同步深度脱氮和磷回收的装置和方法，属于市政污水生物处理以及资源回收领域。


背景技术：

2.短程硝化厌氧氨氧化技术(pna)在污水处理邻域中凭借着其在曝气能耗，药剂投加，温室气体排放以及污泥产量等方面的优势，被广泛认为是未来污水处理厂中传统硝化-反硝化技术的替代工艺。但是在实际的操作中，由于市政污水水质的波动以及no2—氧化细菌(nob)对环境条件的抗性，往往亚硝酸盐的积累率偏低，导致出水中含有大量的no3-，脱氮效率也远低于理论值(89.0％)。
3.内源反硝化是利用内源性异养菌将在厌氧阶段将市政污水中的碳源储存为胞内碳源，在缺氧段中利用胞内碳源将no3-还原n2。在该过程中无需额外的碳源投加并且能够保证不稳定短程硝化和anammox所产生的大量的no3-被还原，同时内源反硝化的中间产物no2—也能够在短程硝化无法提供充足的no2—时为anammox补充底物。然而，由于paos对碳源的竞争，内源反硝化中至关重要的功能性微生物—gaos的丰度在污水处理厂中往往并不高。所以能够强化gaos的方法对于改善不稳定短程硝化厌氧氨氧化系统的出水有着重要的作用。
4.聚磷作为聚磷菌在厌氧段摄取有机物的主要能源，它在paos体内的储备对paos摄取有机物的能力和速率有着重要的影响。所以通过引入高有机物的废水，促进聚磷菌释放聚磷，同时将聚磷排出反应器，能够显著降低反应器中paos体内的聚磷，从而极大地削弱paos在厌氧段与gaos竞争碳源的能力，达到强化内源反硝化的目的。此外，磷作为不可再生资源，在不久的将来，全球将面临磷枯竭的窘境。相反每年有大量的磷从市政污水中流失。所以从市政污水中回收磷能够有效缓解磷枯竭的紧迫性。paos在高有机物的诱导下能够充分地将从市政污水中吸收的磷释放到水体中，通过结晶的方式将富磷上清液中的磷回收是回收磷的有效方式。
5.基于此，本发明提出在处理市政污水过程中同步实现深度的脱氮和磷的回收的装置和方法。该技术无需额外的碳源投加，也无需严格的操作和抑制手段用于稳定短程硝化以达到良好的亚硝积累。内源反硝化的强化能够弥补不稳定短程硝化带来的不足。释磷采用的是污泥发酵上清液，不仅无需额外的优质碳源投加，还能促进资源的回收与再利用。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对短程硝化控制策略复杂，当前磷资源匮乏的问题提出的能够同步实现不稳定短程硝化厌氧氨氧化技术的良好脱氮性能和磷回收的装置和方法。该装置和方法通过定期的有机物诱导释磷并回收实现聚糖菌的有效富集，从而实现内源反硝化的强化，达到同步磷回收和深度脱氮的目的。该方法不仅无需额外能源的投入，还能充分利用
剩余污泥实现资源的再利用与回收。这有助于市政污水处理中的双碳目标的达成。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：不稳定短程硝化厌氧氨氧化反应器中实现市政污水同步深度脱氮和磷回收的装置，其特征在于：
8.该装置包括进水装置(1)、一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)、磷回收装置(3)、出水箱(4)。
9.所述进水装置(1)包括市政污水箱(1.1)，设有出水阀ⅰ(1.2)、放空阀ⅰ(1.4)，和污泥发酵液水箱(1.5)，设有出水阀ⅱ(1.7)和放空阀ⅱ(1.6)；所述一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)设有曝气泵(2.1)、转子流量计(2.2)、曝气盘(2.3)、进水阀ⅰ(2.4)、机械搅拌器ⅰ(2.5)、do/t探头(2.6)、ph/t探头(2.7)、便携式在线参数仪(2.8)、排泥阀(2.9)、回流阀(2.10)、出水阀ⅲ(2.11)和溢流阀(2.12)；所述磷回收装置(3)设有放空阀ⅲ(3.1)进水阀ⅱ(3.2)、药剂阀(3.3)、机械搅拌器ⅱ(3.4)和出水阀ⅳ(3.5)；所述出水箱(4)设有放空阀ⅳ(4.1)。
10.所述市政污水箱(1.1)和污泥发酵液水箱(1.5)分别通过进水泵ⅰ(1.3)和进水泵ⅱ(1.8)与一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)相连；一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)通过出水阀ⅲ(2.11)分别与磷回收装置(3)和出水箱(4)相连。磷回收装置(3)中残余的废水通过回流泵(3.6)与一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)相连。
11.所述装置实现市政污水同步深度脱氮和磷回收的方法，其特征在于，具体的运行和操作步骤如下：
12.1)自养硝化细菌的抑制与内源性异养菌的富集
13.向一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)中接种短程硝化厌氧氨氧化污泥，其亚硝积累率为40％～50％，污泥浓度为2500～3000mg/l。反应器以交替的厌氧-好氧-缺氧模式运行，排水比为50％。其中厌氧搅拌120min，通过转子流量计(2.2)控制好氧末溶解氧为0.8～1.0mg/l,同时控制曝气搅拌时间为90min，抑制硝化细菌竞争溶解氧，缺氧搅拌240min。每天通过排泥阀(2.9)排出剩余污泥，控制污泥龄为10天。出水磷酸盐小于0.5mg/l，反应器稳定运行40天，成功富集内源性异养菌。
14.2)恢复硝化活性与常规运行
15.曝气搅拌时间延长至150min，同时通过转子流量计(2.2)提高好氧末溶解氧升高至1.8～2.0mg/l以保证硝化细菌获取足够的溶解氧；延长污泥龄至30天，以保证自养硝化细菌的增殖。日常的运行过程如下：市政污水箱(1.1)中的市政污水通过进水泵ⅰ(1.3)泵入一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)中，开启机械搅拌器ⅰ(2.5)，反应器进入120min的厌氧搅拌阶段；随后开启曝气泵(2.1)，通过曝气盘(2.3)均匀地向反应器内泵入空气。根据便携式在线参数仪(2.8)中的溶解氧参数控制转子流量计(2.2)，以保证好氧末的溶解氧为1.8～2.0mg/l；曝气150min后关闭曝气泵(2.1)，进入240min的缺氧搅拌阶段。最后关闭机械搅拌器ⅰ，沉淀10min，开启出水阀ⅲ(2.11)，出水排放至出水箱(4)。
16.3)富磷上清液的排除与磷回收
17.在反应器日常的运行中，每隔15天进行一次充分磷释放的操作。污泥发酵液水箱(1.5)中的污泥发酵上清液cod为3600mg/l，市政污水箱(1.1)中的市政污水cod为270mg/l。分别通过进水泵ⅱ(1.8)和进水泵ⅰ(1.3)将污泥发酵上清液和市政污水以体积比为1：9的
比例混合，混合cod为600mg/l,然后泵入一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)中。厌氧搅拌180min后沉淀30min，然后，富磷上清液通过进水阀ⅱ(3.2)排入磷回收装置(3)，同时naoh和cacl2溶液通过药剂阀(3.3)进入磷回收装置(3)。控制ph为9.0，ca和p的摩尔比为3.0～4.0。开启机械搅拌器ⅱ(3.4)搅拌30min，形成的羟基磷灰石结晶沉淀后用于后续的磷回收，不含磷的上清液通过回流泵(3.6)泵入一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)中，进入后续150min的好氧搅拌和240min的缺氧搅拌。
18.本发明具有以下优势
19.1)通过污泥发酵液诱导聚磷菌充分释磷过程中平衡了聚磷菌与聚糖菌对碳源的竞争，促进了聚糖菌对有机物的摄取，强化了反应器内源反硝化的能力的同时也促进了市政污水中磷的回收。
20.2)得到强化的内源反硝化能够避免由于短程硝化不稳定造成的恶劣的出水。简化了pna工艺的操作复杂性，规避了短程硝化不稳定带来的风险。聚糖菌还原硝酸盐的同时产生的亚硝酸盐能够为anammox补充基质，在短程硝化不稳定的条件下保证了anammox脱氮的稳定性。
21.3)内源反硝化能够充分利用市政污水中的碳源，减少了胞外碳源在曝气过程中被其他异养菌消耗，内碳源驱动no
3-的还原过程中无需额外投加碳源。释磷过程中采用污泥发酵液诱导释磷，减少了优质碳源的投加。该装置和方法在减少能源投入的同时还实现了资源的回收与再利用。
附图说明
22.图1中为：不稳定短程硝化厌氧氨氧化反应器中实现市政污水同步深度脱氮和磷回收的装置的示意图。
23.图1中：1.1—市政污水箱，1.2—出水阀ⅰ、1.3—进水泵ⅰ、1.4—放空阀ⅰ、1.5—污泥发酵液水箱，1.6—放空阀ⅱ、1.7—出水阀ⅱ、1.8—进水泵ⅱ；2—一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器、2.1—曝气泵、2.2—转子流量计、2.3—曝气盘、2.4—进水阀ⅰ、2.5—机械搅拌器ⅰ、2.6—do/t探头、2.7—ph/t探头、2.8—便携式在线参数仪、2.9—排泥阀、2.10—回流阀、2.11—出水阀ⅲ、2.12—和溢流阀；3—磷回收装置、3.1—放空阀ⅲ、3.2—进水阀ⅱ、3.3—药剂阀、3.4—机械搅拌器ⅱ、3.5—出水阀ⅳ、3.6—回流泵；4—出水箱、4.1—放空阀ⅳ。
具体实施方式
24.下面结合附图和实施详例对本发明进一步说明，如图1所示，不稳定短程硝化厌氧氨氧化反应器中实现市政污水同步深度脱氮和磷回收的装置，其特征在于，包括进水装置(1)、一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)、磷回收装置(3)、出水箱(4)。其中，市政污水箱(1.1)和污泥发酵液水箱(1.5)分别通过进水泵ⅰ(1.3)和进水泵ⅱ(1.8)与一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)相连；一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)通过出水阀ⅲ(2.11)分别与磷回收装置(3)和出水箱(4)相连。磷回收装置(3)中残余的废水通过回流泵(3.6)与一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)相连。
25.实验进水为北京工业大学教工家属区的实际市政污水，具体水质如下：nh
4—-n浓
度为60.5～78.6mg/l；no
2—-n浓度为0.1～0.3mg/l；no
3—-n浓度为0.1～0.5mg/l；po
43—-p浓度为5.4～8.1mg/l；cod浓度为139.6～278.8mg/l，平均c/n为2.8～3.6。实验装置如图1所示，aoa-sbr(12.0l，有效体积10.0l)和磷回收装置(8.0l，有效体积6.0l)均由有机玻璃制成。
26.具体的运行和操作步骤如下：
27.1)自养硝化细菌的抑制与内源性异养菌的富集
28.向一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)中接种短程硝化厌氧氨氧化污泥，其亚硝积累率为40％～50％，污泥浓度为2500～3000mg/l。反应器以交替的厌氧-好氧-缺氧模式运行，排水比为50％。其中厌氧搅拌120min，通过转子流量计(2.2)控制好氧末溶解氧为0.8～1.0mg/l,同时控制曝气搅拌时间为90min，抑制硝化细菌竞争溶解氧，缺氧搅拌240min。每天通过排泥阀(2.9)排出剩余污泥，控制污泥龄为10天。出水磷酸盐小于0.5mg/l，反应器稳定运行40天，成功富集内源性异养菌。
29.2)恢复硝化活性与常规运行
30.曝气搅拌时间延长至150min，同时通过转子流量计(2.2)提高好氧末溶解氧升高至1.8～2.0mg/l以保证硝化细菌获取足够的溶解氧；延长污泥龄至30天，以保证自养硝化细菌的增殖。日常的运行过程如下：市政污水箱(1.1)中的市政污水通过进水泵ⅰ(1.3)泵入一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)中，开启机械搅拌器ⅰ(2.5)，反应器进入120min的厌氧搅拌阶段；随后开启曝气泵(2.1)，通过曝气盘(2.3)均匀地向反应器内泵入空气。根据便携式在线参数仪(2.8)中的溶解氧参数控制转子流量计(2.2)，以保证好氧末的溶解氧为1.8～2.0mg/l；曝气150min后关闭曝气泵(2.1)，进入240min的缺氧搅拌阶段。最后关闭机械搅拌器ⅰ，沉淀10min，开启出水阀ⅲ(2.11)，出水排放至出水箱(4)。
31.3)富磷上清液的排除与磷回收
32.在反应器日常的运行中，每隔15天进行一次充分磷释放的操作。污泥发酵液水箱(1.5)中的污泥发酵上清液cod为3600mg/l，市政污水箱(1.1)中的市政污水cod为270mg/l。分别通过进水泵ⅱ(1.8)和进水泵ⅰ(1.3)将污泥发酵上清液和市政污水以体积比为1：9的比例混合，混合cod为600mg/l,然后泵入一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)中。厌氧搅拌180min后沉淀30min，然后，富磷上清液通过进水阀ⅱ(3.2)排入磷回收装置(3)，同时naoh和cacl2溶液通过药剂阀(3.3)进入磷回收装置(3)。控制ph为9.0，ca和p的摩尔比为3.0～4.0。开启机械搅拌器ⅱ(3.4)搅拌30min，形成的羟基磷灰石结晶沉淀后用于后续的磷回收，不含磷的上清液通过回流泵(3.6)泵入一体化短程硝化厌氧氨氧化内源反硝化反应器(2)中，进入后续150min的好氧搅拌和240min的缺氧搅拌。
33.实验结果表明反应器出水中nh
4—-n《2.5mg/l,no
2—-n《1.0mg/l,no
3—-n《1.0mg/l,tn《5.0mg/l,po
43—-p《0.4mg/l；cod《45.0mg/l，出水优于一级a排放标准。