一种回收污水中氮磷提高微藻生物产能的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种回收污水中氮磷提高微藻生物产能的装置和方法，属于污水生物处理技术领域。
【背景技术】
[0002]近十几年来，随着城市化和农业化的快速扩展，来自于生活污水、工业废水和化肥等的含氮磷污染物不断增加。在我国，氮磷等营养元素引起的环境和食品危害已经十分普遍和非常严重，如我国水体中大部分江湖河海和局部的地下水都不同程度地受到氮磷及其化合物的污染，进而使得水体富营养化现象不断加重。污水处理厂一般通过布置相关的物理和生物处理单元实现污水中有机碳、氮和磷的去除，满足污水达标排放的目的。然而，污水处理厂在运行期间会浪费大量的物质和自然资源。例如，污水中含有的氮磷，在污水处理过程中会随着出水和剩余污泥的排放而无法回收利用，因而造成自然资源的浪费。磷是所有的生物体生长必须的主要营养元素，且磷矿石是磷肥产生的主要原料。然而，随着人口的增加，磷稀缺是21世纪面临的全球性挑战，在发展中国家大量磷肥料的使用和对生物燃料的需求导致对磷的需求不断增加。此外，农作物和人们对磷的利用率仅有15 - 20%，剩余的磷主要分布在不同的污水中。因此，改变将污水仅仅认为是一种污染源的看法，而将其作为一种能源，从污水中回收利用磷已经成为解决水体富营养化和自然资源中磷缺乏的重要途径。污水处理厂中回收的含有氮和磷的污水可以淋洗液的方式作为植物肥料。而且，目前使用的污水处理设施都建立于20-30年之前，随着污水排放标准的日益严格，必然面临系统的改造或者扩张，这也为引进回收资源等新技术提供了机会。但是，大多数最近开发的涉及到污水中资源回收的处理流程都需要加入化学药剂，比如说通过鸟粪石沉淀回收磷等，这些化学药剂的生产会对环境造成负面影响，进而使得这种方法不可持续被应用。此外，其他的资源回收技术例如超滤和反渗透等都属于高能耗技术。
[0003]绿色微藻生物质以及其胞内储存的混合物可以被用来提取生物燃料或者营养物来源。和玉米或小麦等典型农作物不同，微藻生物质不会与食品加工产生竞争关系，这也使得其可作为第三代生物燃料。传统的生物燃料生产与作为生物燃料的微藻生物生产相比，具有较高的环境影响(碳足迹)，这主要是因为传统生物燃料产生营养物的过程中伴随着大量温室气体释放，且能耗和需水量大。因而，微藻生物作为生物燃料具有更好的优势。传统污水处理厂大多依靠厌氧污水处理方法来提高污水处理过程的产能，该方法可以通过产甲烷实现70%的易生物降解的有机物的去除，出水中的氮和磷含量较高，可以用于低负荷的城市生活污水处理，出水中的营养物可以被下游端的光合反应器中的微藻吸收。然而，在大多数情况下，这些营养物不能均衡的被微藻吸收，因此需要进一步的处理。此外，厌氧处理过程中由于甲烷溶解在出水中会导致能量回收效率降低。研究表明，近40%的甲烷会在出水中损失，造成温室效应。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种回收污水中氮磷提高微藻生物产能的装置，该装置结构简单合理，将污水原水处理后的含磷溶液和含氨氮溶液的分级处理并再次通过流量调配制成符合微藻生物生长的培养基营养液，实现了氮磷的再回收和利用，同时多余的水经处理后完全符合国家排放标准。
[0005]本发明还提供了一种利用上述装置回收污水中氮磷提高微藻生物产能的方法。该方法在通过生物除磷污泥、短程硝化污泥和厌氧氨氧化颗粒污泥的协同作用下，在满足污水达标排放的基础上回收污水中的氮磷，为微藻培养提供营养均衡的培养基，进而可以为微藻生物产能奠定基础。本发明改变了传统污水生物处理的思路，主要从回收利用污水中氮磷资源的角度提高污水处理过程的产能，同时还有利于减轻污水处理厂中靠厌氧处理产甲烷产能带来的温室效应。
[0006]本发明采用以下技术方案:
一种回收污水中氮磷提高微藻生物产能的装置，其特征在于，它包括污水原水箱(I)、生物除磷反应器(2)、含磷溶液容器(3)、含氨氮溶液容器(4)、微藻培养室(5)和生物脱氮反应器(6);所述生物除磷反应器(2)为具有pH实时监测系统(2.3)和由空压机(2.2)、气体流量计(2.9)和曝气头(2.10)组成的曝气系统的敞口式SBR反应器，其器壁上部设有带有阀门(a)的含磷溶液排放管(2.6)，下部设有带有阀门(b)的含氨氮溶液排放管(2.7);所述污水原水箱(I)通过蠕动栗(2.1)经生物除磷反应器(2)底部的剩余污泥排放管(2.8)连接至生物除磷反应器(2);所述含磷溶液容器(3)的一端通过含磷溶液排放管(2.6)连接至生物除磷反应器(2)，另一端与蠕动栗(3.1)的进水口相连；所述含氨氮溶液容器(4)的一端通过含氨氮溶液排放管(2.7)与生物除磷反应器(2)相连接，另一端与蠕动栗(4.1)的进水口相连，蠕动栗(3.1)的出水口和蠕动栗(4.1)的出水口汇合至同一管路中并连接至微藻培养室(5);所述含氨氮溶液容器(4)通过蠕动栗(4.2)与生物脱氮反应器(6)底部的放空管(6.1)相连；所述生物脱氮反应器(6)为一密封型SBR反应器，器壁上设有排水管(6.3)和若干取样口(6.7)，底部的曝气系统由微孔曝气排(6.2)、空压机和气体流量计组成，顶部设有密封盖(6.4)，电动搅拌器(6.0)和集气管(6.5)穿过密封盖(6.4)进入反应器中，集气管(6.5)另一端与集气袋(6.6)相连接。
[0007]所述污水原水箱(I)为一开口箱体，底部设有放空管(1.1)，上部设有溢流管(1.2)0
[0008]所述生物除磷反应器(2)器壁上设有若干取样口兼排泥口(2.5)，并通过电动搅拌器(2.4)使得泥水混合均匀。
[0009]所述pH实时监测系统(2.3)为pH计。
[0010]—种使用上述装置回收污水中氮磷提高微藻生物产能的方法，其特征在于，它包括以下步骤:
(1)首先取富含聚磷菌的活性污泥加入到生物除磷反应器(2)中，同时将城市污水厂中的短程硝化污泥和富集厌氧氨氧化菌的颗粒污泥同时加入到生物脱氮反应器(6)中；
(2)生物除磷反应器(2)以间歇方式运行，运行时序依次为:进水、厌氧、沉淀、好氧、沉淀、排水、闲置；
a)进水阶段搅拌，进水时间为lOmin，进水体积为生物除磷反应器(2)容积的50% ;
b)厌氧反应45min，同时控制pH在7.0-7.5之间；c)沉淀15min，排放含磷的上清液至含磷溶液容器（3);占进水量的30%;
d)好氧180min，并将溶解氧控制在1.0-1. 5mg/L ；
e)沉淀15min，排放剩余进水量65-70%的含氨氮的上清液，其中30-40%排放至含氨氮溶液容器（4)，30-35%进入生物脱氮反应器（6)进行短程硝化厌氧氨氧化反应；
(3)生物除磷反应器（2)通过排放剩余污泥控制污泥龄为5d;
(4)将含磷溶液容器（3)和含氨氮溶液容器（4)中的溶液通过流量调节，配制N:P为8-50 ：1的营养液并输送至微藻培养室（5)，为微藻生长提供营养均衡的培养基；
(5)将进入生物脱氮反应器（6)中的含氨氮水进一步通过缺氧好氧交替运行的方式实现污水中总氮去除；
(6 )经步骤（5 )处理后的水经生物脱氮反应器（6 )的排水管排出，排水体积为反应器容积的50%。
[0011 ] 所述步骤（1)中生物除磷反应器（2)投加活性污泥后，加活性污泥浓度为3500mg/L ;生物脱氮反应器（6)投加活性污泥后，活性污泥浓度为3000mg/L。
[0012]所述步骤（5)中交替运行方式为缺氧好氧间隔30min交替运行6h，并将好氧段的溶解氧控制在0. 4mg/Lo
[0013]本发明中污水除磷过程中回收氮磷方法的技术原理是：在厌氧条件下，聚磷菌(PAOs)消耗体内的聚磷酸盐和糖原，吸收污水中的易生物降解有机物转化为可储存的有机物，同时释放无机磷酸盐产生含磷的水溶液。部分含磷溶液排放至含磷溶液容器后，PAOs在好氧阶段以氧气作为电子受体氧化体内储存的有机物，吸收水溶液中的无机磷同时恢复体内糖原水平。与此同时，污水中的氮主要以氨氮形式存在，因为PAOs的氧饱和系数低于硝化菌，则控制溶解氧在1. 0-1. 5mg/L范围内，抑制了硝化菌的生长而对PAOs的活性基本无影响。氨好氧段的出水主要产生含氨氮溶液，一方面为微藻生长提供易吸收转化的氮素营养，另一方面好氧段的氨氮不会浪费厌氧段的有机物而导致释磷降低。
[0014]与传统污水生物脱氮除磷工艺相比，本发明具有如下优点：
1、强化污水处理过程中的资源回收效率，逆向解决了氮磷污染导致的水体富营养化问题；
2、磷和氨氮回收过程中避免了化学方法的使用，省去了Ca+和Mg2+等金属离子的加入，减轻了环境污染。
[0015]3、生物除磷和脱氮的氧化过程中均采用低溶解氧，节约了曝气量，降低了能耗。
[0016]4、短程硝化厌氧氨氧属于自养脱氮，降低了污水处理过程中对碳源的需求。
【附图说明】
[0017]图1为本发明回收污水中氮磷提高微藻生物产能的装置的结构示意图；图中，1污水原水箱，1.1放空管，1.2溢流管，2生物除磷反应器，2.1蠕动栗，2. 2空压机，2. 3pH计，2. 4电动搅拌器，2.