一种基于粉末状镧基吸附剂同步强化生物化学除磷的A/A/O系统的制作方法

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种基于粉末状镧基吸附剂同步强化生物化学除磷的a/a/o系统。

背景技术：

市政污水和生活污水中存在着大量的有机物、氮及磷等营养物质。而磷作为导致水体富营养化的关键因素，在城镇污水处理过程中是不容忽视的。生物除磷法作为一种最经济有效的方法在污水厂中得到了广泛的应用。生物除磷主要利用聚磷菌在厌氧条件下释放磷，好氧条件下过度吸收磷，通过剩余污泥排放，从而实现磷的去除。

a/a/o工艺作为传统的生物脱氮除磷工艺，有着其他工艺无法比拟的优势。a/a/o工艺因其污染物去除效率高、抗冲击负荷能力强、污泥沉降性能好、不易发生污泥膨胀等特点，已经成为城镇污水厂的首选工艺。然而，该工艺中生物除磷需要较低的泥龄，而生物脱氮则需要较高的泥龄。这使得硝化菌和聚磷菌很难发挥各自的优势。因此，二者同时达到最佳状态较难，一般以生物脱氮为主，生物除磷为辅。同时，由于污水厂运行条件的波动及生物除磷的不稳定性等因素的影响，出水中会频繁的出现总磷超标的现象。

目前，加入铁盐或铝盐等化学混凝剂是污水处理厂强化除磷最常用的方法。然而，化学沉淀法最明显的缺点是产生大量剩余污泥，对后续污泥处理产生严重影响。另外，在一般情况下，生物除磷和化学除磷是分开进行的，即在生物脱氮除磷工艺后添加化学除磷池。这是因为大多数化学药剂对生物除磷都有抑制作用。因此，开发一种新的除磷方法，在不产生更多剩余污泥的情况下，实现生物和化学除磷的协同强化，从而获得更好的去除效率是很有必要的。

镧是一种环境友好的，具有良好生物相容性的稀土材料。由于镧离子与磷酸根可以形成强离子键，且在水溶液中具有优异的吸附选择性和良好的稳定性。因此，含镧材料在废水除磷中受到广泛关注。由澳大利亚cisro开发的镧改性吸附剂phoslock目前已被用于修复富营养化的水体及底泥。此外，有研究证明适当浓度的稀土元素可以提高酶活性，增加微生物数量，提高污泥活性。这使得镧基吸附剂用于污水除磷成为了可能。然而，包括phoslock在内的很多镧基吸附剂由于其吸附容量较低等因素而限制了其在实际污水厂中的应用。

因此，开发一种稳定的、不会产生大量剩余污泥且对水体中磷有较好去除效果的同步强化生物化学除磷的方法具有重要意义。

技术实现要素：

本发明是要解决传统生物脱氮除磷a/a/o工艺中出水总磷不达标、化学除磷产生大量剩余污泥等问题，而提供了一种基于粉末状镧基吸附剂同步强化生物化学除磷的a/a/o系统。

一种基于粉末状镧基吸附剂同步强化生物化学除磷的a/a/o系统，它包括依次连接的厌氧池、缺氧池、好氧池组和沉淀池，所述好氧池组包括依次串联的一号好氧池、二号好氧池、三号好氧池和四号好氧池；所述厌氧池、缺氧池、一号好氧池、二号好氧池、三号好氧池和四号好氧池内分别设有搅拌器；所述一号好氧池、二号好氧池、三号好氧池和四号好氧池的底部均设有盘式微孔曝气头；所述盘式微孔曝气头与空气压缩机连接，并采用电磁流量计控制曝气量；所述四号好氧池出口端的泥水混合物一部分流入沉淀池，另一部分通过硝化混合回流管回流至缺氧池；所述沉淀池底部污泥一部分通过污泥回流管回流至厌氧池进口端，另一部分则通过污泥浓缩脱水间排出，其特征在于在所述四号好氧池进口端投加镧基吸附剂，所述镧基吸附剂是颗粒尺寸为5nm～500nm的粉末状吸附剂，其投加量为10mg/l～50mg/l。

本发明的有益效果：

1、本发明对污染物的去除效果如下：出水cod在40mg/l以下，出水总氮在10mg/l以下；出水氨氮在2mg/l以下，出水总磷在0.5mg/l以下。各项出水水质指标稳定，且均达到并优于国家排放标准一级a标准。

2、本发明除磷过程包括生物除磷及化学除磷两个过程同时进行，因此不需要单独建造化学除磷池，不需占用更多的土地，也不增加基建投资。

3、本发明添加粉末状镧基吸附剂不会产生大量剩余污泥，不会对后续污泥处理产生影响。

4、本发明在所述四号好氧池进口端添加粉末状镧基吸附剂不仅起到良好的化学吸附作用，同时能够促进聚磷菌和eps的生长，进而强化聚磷菌对磷酸盐的吸收和eps对磷酸盐的吸附作用。在化学除磷的同时又能够强化生物除磷，这对污水除磷来说是重要的革新。

5、虽然需要增加额外使用粉末状镧基吸附剂的费用，但考虑到吸附剂投加量比传统化学沉淀剂要少很多，因此与传统a/a/o工艺相比费用有可能不增加。若有商业化的廉价的吸附剂供应，则费用可能低于传统生物化学除磷工艺。因此，本发明不仅环境友好，同时也带来可观的经济效益。

附图说明

图1是基于粉末状镧基吸附剂同步强化生物化学除磷的a/a/o系统的流程示意图；其中1为进水口、2为厌氧池、3为缺氧池、4为一号好氧池、5为二号好氧池、6为三号好氧池、7为四号好氧池、8为硝化液回流管、9为污泥回流泵、10为污泥回流管、11为沉淀池、12为镧基吸附剂投加处、13为硝化液回流泵、14为出水口、15为排泥口；

图2是实施例一中对cod的去除效果图；其中■表示空白对照组、●表示吸附剂的投加量为10mg/l、▲表示吸附剂的投加量为20mg/l、表示吸附剂的投加量为30mg/l、表示吸附剂的投加量为40mg/l、表示吸附剂的投加量为50mg/l；

图3是实施例一中对氨氮的去除效果图；其中■表示空白对照组、●表示吸附剂的投加量为10mg/l、▲表示吸附剂的投加量为20mg/l、表示吸附剂的投加量为30mg/l、表示吸附剂的投加量为40mg/l、表示吸附剂的投加量为50mg/l；

图4是实施例一中对总氮的去除效果图；其中■表示空白对照组、●表示吸附剂的投加量为10mg/l、▲表示吸附剂的投加量为20mg/l、表示吸附剂的投加量为30mg/l、表示吸附剂的投加量为40mg/l、表示吸附剂的投加量为50mg/l；

图5是实施例一中对总磷的去除效果图；其中■表示空白对照组、●表示吸附剂的投加量为10mg/l、▲表示吸附剂的投加量为20mg/l、表示吸附剂的投加量为30mg/l、表示吸附剂的投加量为40mg/l、表示吸附剂的投加量为50mg/l；

图6是实施例一中粉末状镧基吸附剂对eps的影响；其中a表示蛋白质、b表示多糖；

图7是实施例一中粉末状镧基吸附剂对eps中磷的吸附效果图；

图8是实施例一中粉末状镧基吸附剂对菌群的影响。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种基于粉末状镧基吸附剂同步强化生物化学除磷的a/a/o系统，它包括依次连接的厌氧池、缺氧池、好氧池组和沉淀池，所述好氧池组包括依次串联的一号好氧池、二号好氧池、三号好氧池和四号好氧池；所述厌氧池、缺氧池、一号好氧池、二号好氧池、三号好氧池和四号好氧池内分别设有搅拌器；所述一号好氧池、二号好氧池、三号好氧池和四号好氧池的底部均设有盘式微孔曝气头；所述盘式微孔曝气头与空气压缩机连接，并采用电磁流量计控制曝气量；所述四号好氧池出口端的泥水混合物一部分流入沉淀池，另一部分通过硝化混合回流管回流至缺氧池；所述沉淀池底部污泥一部分通过污泥回流管回流至厌氧池进口端，另一部分则通过污泥浓缩脱水间排出，其特征在于在所述四号好氧池进口端投加镧基吸附剂，所述镧基吸附剂是颗粒尺寸为5nm～500nm的粉末状吸附剂，其投加量为10mg/l～50mg/l。

本实施方式工艺步骤包括：

1.污水由进水口依次进入a/a/o系统的厌氧区和缺氧区，厌氧区和缺氧区均配有搅拌器以防止污泥沉积；混合液中的聚磷菌生长受到抑制，为了自身生长便释放出其细胞中的聚磷酸盐；

2.混合液从上述a/a/o系统的缺氧区进入好氧区，好氧区配有搅拌器及微孔式曝气头，以保持好氧区溶解氧溶解氧浓度控制在2～4mg/l。四个好氧池曝气量依次降低，形成阶式曝气，在满足溶解氧浓度的同时，使得反应器更加节能。在好氧区，聚磷菌活力得到恢复，在充分利用基质的同时，从污水中摄取大量的溶解态的正磷酸盐，从而完成吸收磷的过程。

3.在四号好氧池进口端设置的镧基吸附剂投加处投加粉末状镧基吸附剂。不仅镧基吸附剂可以对剩余磷酸盐产生吸附作用，而且游离出的镧离子也可以与磷酸盐形成磷酸镧沉淀，实现磷酸盐的去除。同时，镧离子也可以促进聚磷菌及eps的生长，在化学除磷的同时也能促进微生物对于磷酸盐的去除。

4.部分泥水混合液从上述a/a/o系统的好氧区通过硝化液回流泵回流至缺氧区以完成脱氮反应。

5.混合液从上述a/a/o系统的好氧区进入沉淀池内进行沉淀，实现泥、水分离。部分沉淀池中的污泥回流至厌氧区，以保持整个生化反应的污泥浓度。

6.反应器运行一段时间后需要通过排泥口进行排泥处理，一方面，防止a/a/o系统中污泥浓度过高，另一方面，排泥也能降低系统内的磷浓度。

本实施方式的原理为：

在厌氧条件下，存储在聚磷菌中的多聚磷酸盐降解为正磷酸盐过量释放，其中部分吸附在胞外聚合物(eps)中的正磷酸盐也释放到泥水混合物中。在好氧条件下，一部分正磷酸盐通过eps变为多聚磷酸盐存储在聚磷菌中，而另一部分可以被周围的eps基质吸附。当适量粉末状镧基吸附剂添加到a/a/o反应器的四号好氧池，厌氧池中释放出的大部分正磷酸盐可以被吸附剂的可结合位点所结合，另一部分可以被聚磷菌吸收或被eps吸附。此外，尤为重要的是一部分从镧基吸附剂中析出的镧离子与磷酸盐结合形成lapo4·nh2o，另一部分镧离子附着在细菌的细胞壁上，成为促进微生物生长的主要物质。经本研究发现，这部分镧离子能够很好的促进聚磷菌和eps的生长，强化生物除磷中聚磷菌对磷酸盐的吸收以及eps对磷酸盐的吸附。这意味着，粉末状镧基吸附剂在化学除磷的同时也能强化生物除磷作用。与传统a/a/o工艺结合化学除磷系统的不同之处在于，该工艺不仅减少了化学除磷对微生物的毒害作用及后续产生的大量剩余污泥的负面效应，又在化学除磷的同时强化了生物除磷的效能，保障了出水磷浓度低于国家排放一级a标准。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述厌氧池、缺氧池和好氧池组的总水力停留时间为8～12h。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述硝化混合回流管管路的硝化液回流比为135％～200％。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述厌氧池和缺氧池的溶解氧浓度均控制在0.5mg/l以下，好氧池组的溶解氧浓度控制在2～4mg/l。其它与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述依次串联的一号好氧池、二号好氧池、三号好氧池和四号好氧池的曝气量依次降低，形成阶式曝气。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述基于粉末状镧基吸附剂同步强化生物化学除磷的a/a/o系统中污泥浓度控制在3000～5000mg/l；污泥龄取值为15d以上。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：污泥龄取值为15d～20d。其它与具体实施方式一至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述污泥回流管管路的污泥回流比为75％～100％。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述镧基吸附剂中磷/镧比例高于0.95，吸附容量高于127mg/l。其它与具体实施方式一至八之一相同。

本实施方式所述粉末状镧基吸附剂为宏观上为粉末态吸附剂，微观上具有纳米结构，颗粒尺寸为5nm～500nm、分散性好、镧负载量高、比表面积大、吸附容量高、化学性质稳定、生物相容性好且价格经济的粉末状吸附剂。

本实施方式所述粉末状镧基吸附剂投加量不宜过高，低浓度粉末状镧基吸附剂对eps及聚磷菌的生长有促进作用。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种基于粉末状镧基吸附剂同步强化生物化学除磷的a/a/o系统包括依次连接的厌氧池2、缺氧池3、好氧池组和沉淀池11，所述好氧池组包括依次串联的一号好氧池4、二号好氧池5、三号好氧池6和四号好氧池7；所述厌氧池2、缺氧池3、一号好氧池4、二号好氧池5、三号好氧池6和四号好氧池7内分别设有搅拌器；所述一号好氧池4、二号好氧池5、三号好氧池6和四号好氧池7的底部均设有盘式微孔曝气头；所述盘式微孔曝气头与空气压缩机连接，并采用电磁流量计控制曝气量；所述四号好氧池7进口端投加镧基吸附剂，所述四号好氧池7出口端的泥水混合物一部分流至沉淀池11，另一部分通过硝化混合回流管8回流至缺氧池；所述沉淀池11底部污泥一部分通过污泥回流管10回流至厌氧池2进口端，另一部分则通过污泥浓缩脱水间排出。

所述厌氧池、缺氧池和好氧池组的总水力停留时间为12h；所述硝化混合回流管管路的硝化液回流比为150％；所述污泥回流管管路的污泥回流比为75％；厌氧池和缺氧池的溶解氧浓度控制在0.5mg/l以下，好氧池组的溶解氧浓度控制在2～4mg/l；搅拌器的机械搅拌的速率为110r/min；污泥浓度控制在3000～5000mg/l，污泥龄保持在15～20d之间。

另外，在四号好氧池投加改性碳酸氧镧即粉末状镧基吸附剂，直接将改性碳酸氧镧撒入池内，吸附剂的投加量为10、20、30、40、50mg/l。

污泥取自哈尔滨太平污水处理厂，经驯化接种于a/a/o反应器中。废水进水平均浓度为：cod：400mg/l；tn:20mg/l；tp:5mg/l。

结果检测：

脱氮除磷效果检测

如图2～5所示，改性碳酸氧镧在整个污水处理过程中对磷的去除率产生重要的影响。在分别添加10、20、30、40、50mg/l改性碳酸氧镧后，cod的平均去除率在对照组及实验组中分别为94.54％、94.18％、94.30％、94.60％、94.96％和94.80％。同样，nh⁴⁺-n平均去除率为97.75％、97.26％、97.13％、97.23％、97.65％和97.82％。与对照组相比，添加粉末状镧基吸附剂后cod和氨氮的去除量与对照组长期相似。此外，加入改性碳酸氧镧后，出水总氮浓度也基本保持稳定。在整个脱氮除磷过程中，平均出水cod浓度为21.84、23.27、22.80、21.59、20.15和20.78mg/l；氨氮的平均浓度为0.45、0.55、0.57、0.55、0.47和0.44mg/l；总氮的平均浓度为5.17、5.11、4.87、5.35、4.94和4.82mg/l。与对照组相比，在统计学上没有明显差异。这些结果表明，改性碳酸氧镧的投加对碳和氮的去除几乎没有影响。

另一方面，在对照组中总磷的去除率为76.75％，出水磷浓度降至1.16mg/l。与对照组相比，添加改性碳酸氧镧后，出水磷浓度随吸附剂量的增加而降低。从第15天开始，出水总磷趋于稳定。当投加50mg/l的改性碳酸氧镧时，总磷降低至约0.19mg/l，总磷去除率为96.18％。这表明，添加适宜浓度的粉末状镧基吸附剂起到明显除磷效果，出水磷浓度比较稳定，且均达到并优于国家排放标准一级a标准。

eps及eps中磷的检测

众所周知，活性污泥中的eps主要由多糖(ps)和蛋白质(pn)组成，通常附着在细菌表面作为抵御外界环境不利影响的保护层。在不同的镧基吸附剂投加量条件下，eps中ps和pn的量不同。从图6中可以看出，eps含量随着改性碳酸氧镧吸附剂的投加量增加而增加。然而，eps中的ps在所有投加量之间没有明显差异，这表明改性碳酸氧镧的添加与ps含量没有直接关系。相反地，随着吸附剂的添加，pn含量明显增加，当投加50mg/l的改性碳酸氧镧时，pn升高至162.37mg/gmlvss。这意味着pn在吸附过程中对粉末状镧基吸附剂更加敏感。

同时，eps作为磷的动态储层，其对于磷的强大积累能力有助于磷的去除。在改性碳酸氧镧的添加过程中，eps中磷的含量变化如图7所示。适当浓度的改性碳酸氧镧可以促进聚磷菌周围的eps基质吸附磷，eps中吸附的磷含量从21.43±1.21mgp/gmlvss增加到37.76±1.32mgp/gmlvss。因此，在活性污泥中添加粉末状镧基吸附剂有助于eps的生长及对磷的吸附作用。

高通量测序

如图8所示，选择了20个最丰富的菌属来比较不同改性碳酸氧镧投加量下的微生物丰富度。dechloromonas和pseudomonas被视为聚磷菌，可以增强除磷性能。活性污泥长期暴露于改性碳酸氧镧后，pseudomonas的相对丰度几乎保持稳定。但是，随着改性碳酸氧镧投加量的增加，dechloromonas的相对丰度持续增加，在投加量达到50mg/l时达到最大值0.36％。显然，适当浓度的粉末状镧基吸附剂能够增加活性污泥中聚磷菌的含量，并且可以促进磷的去除。

实施例二：本实施例与实施例一的不同之处在于：所述硝化混合回流管管路的硝化液回流比为135％；所述污泥回流管管路的污泥回流比为100％。污泥龄保持在15d；在四号好氧池投加30mg/l粉末状改性氢氧化镧吸附剂。其他与实施例一相同。

经反应器连续稳定运行60d，外排废水中含磷量保持在约为0.25mg/l，达到国家排放标准一级a标准。

实施例三：本实施例与实施例一的不同之处在于：所述硝化混合回流管管路的硝化液回流比为200％；污泥龄保持在15d；在四号好氧池投加50mg/l粉末状改性碳酸镧吸附剂。其他与实施例一相同。

经反应器连续稳定运行60d，外排废水中含磷量保持在约为0.38mg/l，达到国家排放标准一级a标准。