[发明专利]一种以含硫化合物为电子载体的硫循环协同作用反硝化强化生物除磷(SD-EBPR)及污水处理的生物脱氮除磷

说明书

本发明公开了一种利用硫元素促进电子的流动的污水处理工艺。第一循环利用包含硫和/或含硫化合物的含硫组分将电子从有机碳转移给氧、硝酸盐和亚硝酸盐，并将含磷化合物转化为固态物质截留在污泥中。而含硫化合物则进一步用于含氮化合物的反硝化反应。另一循环利用氧将所存在的氨转化为硝酸盐和/或亚硝酸盐。

技术领域

本发明涉及含有有机物、磷和氮的污水处理。特别的是，本发明涉及利用硫化合物作为电子载体的生物脱氮除磷的废水处理。

背景技术

自活性污泥法的发明以及通过生物法进行营养物质去除的技术的引入以来，生物法去除磷(P)、氮(N)和碳(C)的工艺一直保持不变，即，都是基于电子流从碳通过异氧氧化代谢作用流向氧的原理(如图1所示)。

生物法去除P、N和C的具体过程是：

反应器1：在无氧或硝酸根的情况下，聚磷菌(PAOs)释放P，吸收有机碳并将其储存为聚羟基烷酸脂(PHAs)。

反应器2：硝酸盐存在状况下，储存的有机碳通过异养反硝化过程氧化成CO₂。而硝酸盐被还原成N₂。电子在此过程中，由有机碳流向硝酸盐，同时，磷酸根被储于聚磷菌体内。

反应器3：通过自养硝化过程，电子流从氨转移给氧，所形成的硝酸盐再循环回反应器2。

如果脱氮过程并非必需，则该生物工艺可以简化为图2中所示。简化的生物反应过程如下：

反应器1：在无氧的条件下，PAO释放P，吸收有机碳并将其储存为PHAs。

反应器2：氧气存在时，通过异养碳氧化过程，将储存的有机碳氧化成CO₂。电子流从有机碳流向氧，同时将P存储于PAOs细胞内。

因为异养碳氧化和异养反硝化过程的活性污泥产量系数都很高，根据污泥龄的不同，大约40-50％的有机碳将被转换为CO₂，而其余则转化成为剩余污泥。剩余污泥的处理，包括污泥消化、脱水和焚烧过程，不仅处理成本高昂，同时也非环境友好方法，对周边地区的环境与生态都有很大的影响。

生物除磷(P)工艺为20世纪70年代发明，此项工艺依赖于使电子流从有机碳流向氧气的过程，同时将磷的释放与吸收循环整合于该电子流转移过程中。该工艺具有较高的污泥产量，而剩余污泥处置是必需的。

硫酸盐还原、自养硝化反硝化一体化工艺-SANI工艺

香港使用海水用于冲洗厕所，这利用了香港污水中独有的硫酸根离子，香港科技大学发明了一项新型的硫酸盐还原、自养硝化和反硝化一体化工艺(SANI工艺)如图3所示(Lau等人，2006；Lu等人，2009；Wang等人，2009)。在SANI工艺中，在第一反应器中，来自海水的硫酸盐被硫酸盐还原细菌利用，从而将硫酸盐还原为溶解性硫化物，同时将有机碳转化为CO₂。另在第三个反应器中，氨中的氮被氧通过自养硝化细菌氧化成硝酸盐。硝酸盐生成后被回流到第二反应器中，在自养反硝化菌的作用下与硫离子反应，将硝酸盐转化为氮气而硫化物转化成硫酸盐离子。此项SANI工艺的示例如于2011年12月2日提交的PCT/CN2011/002019所述(申请号US2013/0256223，公布号WO 2012/071793 A1)。

每公升海水中含有约2.7g的硫酸盐。当使用海水冲厕系统时，海水中的硫酸盐可以用来氧化有机碳形式的污染物，并生成硫化物；然后形成的硫化物在自养反硝化的作用下可以将硝酸盐还原至氮气，以上的生物过程有助于污泥减量化。SANI工艺还可以利用硫酸盐还原细菌氧化和净化混合了海水的污泥。然而需要指明的是，硫酸盐本身不能直接减少污泥量，而是作为一种氧化还原剂以去除有机碳和硝酸盐，进而实现了污泥的减量化。

在SANI工艺中，三个主要的生物化学过程都产生少量的污泥，其反应式如下所示：