CN102557344A

CN102557344A - 一种能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理方法及设备

Info

Publication number: CN102557344A
Application number: CN2011104490167A
Authority: CN
Inventors: 隋军; 李捷; 刘成林; 马振强
Original assignee: Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Municipal Engineering Design & Research Institute Co Ltd
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明涉及城市污水处理技术领域。提出一种能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理方法，其分别通过预处理器、厌氧消化反应器、短程硝化反应器、厌氧氨氧化反应器实现如下步骤：预处理→厌氧消化→短程硝化→厌氧氨氧化，利用热泵设备将经预处理后的污水温度提升到32~38℃，为厌氧氨氧化菌的生长提供最佳生存环境；又利用热泵将排水温度降到低于10℃；还用甲烷回收装置将厌氧消化反应中产生的甲烷回收并用于燃气发电机发电。本发明可解决现有污水处理工艺能耗高、占地大、无法高效去除氮、磷等污染物等问题。此外，本发明采用厌氧消化反应器将污水中的碳源甲烷化并回收用于发电，可大大减少污水处理过程中外排的CO₂量，实现了污水中所蕴含能源的最大化利用。

Description

一种能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理方法及设备

技术领域

本发明涉及城市污水处理技术领域。

背景技术

水资源、能源的短缺以及水环境质量的恶化日益成为社会经济发展的瓶颈，提高污水处理率和处理程度、加强污水处理厂的脱氮除磷效能、降低污水处理能耗成为当务之急。在传统的污水处理技术中，一方面污水被当作污染物处理后尽快排放，而污水中蕴涵的大量能源被忽略；另一方面，由于传统脱氮除磷工艺中脱氮与除磷在反应基质（碳源）和反应空间之间的竞争和矛盾，使得传统的脱氮除磷工艺很难取得良好的N、P同时去除的效果，往往要耗费大量外加能源才能获得去除营养盐的满意效果。

近年来，一些新型脱氮除磷机理及工艺的开发为解决脱氮与除磷之间的矛盾提供了一个契机。在这之中，城市污水厌氧消化技术可有效回收污水中有机物并使之甲烷化且污泥产量低；厌氧氨氧化脱氮技术以NH₄-N和NO₂-N分别作为电子供体和受体，在缺氧条件下完成氮的去除，而且该过程无需外加碳源和碱度的中和，与传统全程生物硝化-反硝化脱氮技术相比，厌氧氨氧化技术可节省62.5%的供氧量和50%的耗碱量，无需消耗有机碳，且产泥量仅为传统生物脱氮过程的15%，因此，自被发现至今，厌氧氨氧化技术便受到青睐，国内外学者对这一新型生物脱氮技术进行了大量的研究；但迄今为止人们对该技术的研究大都集中于高氨废水的处理，且厌氧甲烷化和厌氧氨氧化都对温度有较高要求。而对于城市生活污水处理系统而言，其必须面对日益降低的C/N比带来的脱氮困境，同时亦必须克服由于原污（废）水温度的变化给处理系统带来的影响。若单纯为实现厌氧氨氧化而耗能提高废水温度，则随之而来的成本和能耗大幅提升又将成为该新技术推广应用的一大障碍。

与此同时，城市污水具有产量大、全年水温波动小、冬暖夏凉的特点，将污水与热泵技术结合，将城市污水作为一种较理想的清洁低位冷热源，对其进行有效地开发和利用并作为热泵冷热源为建筑物供暖/冷空调，目前也日益受到国内外的关注并逐渐得到推广应用。

基于此，应开发一种基于能源循环利用的污水处理节能新工艺，从污水自身能源开发利用和污水处理技术的革新两方面入手，来实现污水处理的节能高效，从而实现污水中蕴含的大量清洁能源的高效利用，降低城市污水处理的能耗，减少煤炭等外部能源的利用。

发明内容

本发明的目的是提供一种能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理方法及设备，其利用热泵技术，为厌氧甲烷菌及厌氧氨氧化菌的成长提供有利的高温生存环境，有效削减或消除利用其它燃料对污水升温带来的二次污染和高能耗问题；

本发明的另一个目的是从污水处理过程中回收甲烷，并将其用于发电，使污水处理过程更节约能源。

本发明的目的可通过如下技术方案来实现：

一种能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理方法，其装置包括预处理器、厌氧消化反应器、短程硝化反应器、厌氧氨氧化反应器，预处理器连接进水管，预处理器和厌氧消化反应器连通，厌氧消化反应器和短程硝化反应器连通，短程硝化反应器和厌氧氨氧化反应器连通，厌氧氨氧化反应器连接排水管，还包括有热泵设备，热泵设备包括由用承压管将压缩机、冷凝器、膨胀阀或毛细管、蒸发器串接成的制冷剂循环系统，第一套管式换热器的其中一通道作为冷凝器串接于制冷剂循环系统，第一套管式换热器的另一通道串接于预处理器和厌氧消化反应器的连通管上。

优化方案是：第二套管式换热器的其中一通道作为热泵设备的蒸发器串接于制冷剂循环系统，第二套管式换热器的另一通道串接于排水管上。

进一步优化方案有：

甲烷回收装置连接于厌氧消化反应器，甲烷回收装置具有从厌氧消化反应器回收甲烷并储存的功能；

甲烷回收装置通过加压泵管连接到燃气发电机，燃气发电机电连接到热泵系统的压缩机。

利用上述装置实现的厌氧消化和氨氧化脱氮污水处理方法，包括如下工序：预处理→厌氧消化→短程硝化→厌氧氨氧化，在预处理工序中去除污水中的部分悬浮物及化学药剂法除磷，在厌氧消化工序中将污水中的碳转化为甲烷并回收，在短程硝化工序中将进水中50%的氨氮硝化至亚硝酸盐状态，在厌氧氨氧化工序中利用培养的厌氧氨氧化菌将污水中的氮去除；同时利用热泵设备将进入厌氧消化工序的污水温度提升到32~38℃。

优化方案有：

利用热泵设备将经厌氧氨氧化工序处理后的出水温度降到低于10℃；

将厌氧消化工序中产生的甲烷回收，将回收的甲烷用于燃气发电机发电，将燃气发电机所发出的电用于热泵系统的压缩机；

将处理后的出水作冷源通过换热器向外界供冷。

本发明的工作原理：经预处理（包括化学除磷）后的污水进入厌氧消化反应器，将其中的碳源甲烷化，而后污水经部分短程硝化、厌氧氨氧化实现脱氮，处理后的尾水外排。

在本发明流程中将污水中的有机物厌氧消化，并使之甲烷化以实现污水中碳的去除，同时，将甲烷作为发动机的能量来源，为污水热泵的运行提供了清洁能源。

与现有技术对比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的进步：

1．本发明利用热泵对进入厌氧消化反应器的污水进行加热，给厌氧甲烷菌和厌氧氨氧化菌创造较适宜的高温生存环境，污水温度的提高有利于厌氧甲烷化和厌氧氨氧化脱氮反应的进行，具有节约能源、缩短处理时间的效果；

2．本发明采用厌氧消化反应器将污水中的碳源甲烷化并回收用于发电，可大大减少污水处理过程中外排的CO₂量，同时还提供了一种清洁能源，实现了污水中所蕴含能源的最大化利用。

附图说明

图1、图2是本发明的工艺流程及设备配置示意图。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本发明提出的城市污水处理的厌氧氨氧化除磷脱氮工艺流程，包括如下工序：预处理→厌氧消化→短程硝化→厌氧氨氧化，其装置包括与各工序相对应的依次连接通的预处理器1、厌氧消化反应器2、短程硝化反应器3、厌氧氨氧化反应器4，预处理器1连接进水管，厌氧氨氧化反应器4连接排水管；

预处理工序在预处理器1中进行，并投加药剂化学除磷；

厌氧消化工序在厌氧消化反应器2中进行，将污水中的有机氮转化为氨氮，同时将污水中的碳厌氧消化为甲烷得以去除；

短程硝化工序在短程硝化反应器3中进行，将进水中50%的氨氮硝化至亚硝酸盐状态；

厌氧氨氧化工序在厌氧氨氧化反应器4中进行，利用培养的厌氧氨氧化菌将污水中的氮去除，处理后的尾水外排。

利用热泵设备将经预处理后进入厌氧消化工序的污水温度提升到35℃，同时将经厌氧氨氧化处理后的出水温度降到5℃；

热泵设备包括由用承压管将压缩机51、冷凝器52、膨胀阀53、蒸发器54串接成的制冷剂循环系统，第一套管式换热器6的其中一通道自为冷凝器52串接于制冷剂循环系统，第一套管式换热器6的另一通道串接于预处理器1和厌氧消化反应器2的连通管上。

根据需要，第二套管式换热器7的其中一通道作为热泵设备的蒸发器54串接于制冷剂循环系统，第二套管式换热器7的另一通道串接于排水管上。

实施例二

如图2所示，本实施例是在实施例一的基础上，在厌氧反应工序中通过甲烷回收装置8回收甲烷；

将回收的甲烷用于发电机9发电，将发电机9所发出的电用于热泵系统的压缩机51。

以上两实施例的工作原理是：经预处理（包括化学除磷）后的污水进入厌氧消化反应器2，将其中的碳源甲烷化再利用，而后污水经部分短程硝化、厌氧氨氧化实现自养脱氮，处理后的尾水外排。在本发明流程中，将污水中的热源回收再利用于厌氧甲烷化除碳和厌氧氨氧化脱氮工艺，一方面可以将污水自身蕴含的热源回收再利用，减少了能源的浪费；另一方面，由于厌氧甲烷菌和厌氧氨氧化菌均较适宜于在高温环境下生存，污水温度的提高有利于反应的进行，加快了反应进度，相应缩短了反应器所需容积。此外，本发明中采用厌氧消化反应器2将污水中的碳源甲烷化并回收用于发电，大大减少了污水处理过程中外排的CO₂量，同时还提供了一种清洁能源，实现了污水中所蕴含能源的最大化利用。

Claims

1.一种能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理设备，包括预处理器（1）、厌氧消化反应器（2）、短程硝化反应器（3）、厌氧氨氧化反应器（4），预处理器（1）连接进水管，预处理器（1）和厌氧消化反应器（2）连通，厌氧消化反应器（2）和短程硝化反应器（3）连通，短程硝化反应器（3）和厌氧氨氧化反应器（4）连通，厌氧氨氧化反应器（4）连接排水管，其特征在于：还包括有热泵设备，热泵设备包括由用承压管将压缩机（51）、冷凝器（52）、膨胀阀或毛细管（53）、蒸发器（54）串接成的制冷剂循环系统，第一套管式换热器（6）的其中一通道作为冷凝器（52），第一套管式换热器（6）的另一通道串接于预处理器（1）和厌氧消化反应器（2）的连通管上。

2.根据权利要求1所述的能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理设备，其特征在于：第二套管式换热器（7）的其中一通道作为热泵设备的蒸发器（54），第二套管式换热器（7）的另一通道串接于排水管上。

3.根据权利要求1或2所述的能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理设备，其特征在于：甲烷回收装置（8）连接于厌氧消化反应器（2）用于将甲烷回收，甲烷回收装置（8）具有从厌氧反应器（2）回收甲烷并储存的功能。

4.根据权利要求3所述的能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理设备，其特征在于：甲烷回收装置（8）通过加压泵管连接到燃气发电机（9），燃气发电机（9）电连接到热泵系统的压缩机（51）。

5.一种能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理方法，包括如下工序：预处理→厌氧消化→短程硝化→厌氧氨氧化，在预处理工序去除污水中的部分悬浮物及化学药剂法除磷，在短程硝化工序将氨氮硝化程度及进度控制在50%的进水，使氨氮硝化至亚硝酸盐状态，其特征在于：利用热泵设备将经进入厌氧消化工序的污水温度提升到32~38℃，所述热泵设备包括由用承压管将压缩机（51）、冷凝器（52）、膨胀阀或毛细管、蒸发器（54）串接成的制冷剂循环系统，第一套管式换热器（6）的其中一通道作为冷凝器（52）串接于制冷剂循环系统，第一套管式换热器（6）的另一通道串接于预处理器（1）和厌氧消化反应器（2）的连通管上。

6.根据权利要求5所述的能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理方法，其特征在于：利用热泵设备将经厌氧氨氧化工序处理后的出水温度降到低于10℃，第二套管式换热器（7）的其中一通道作为热泵设备的蒸发器（54）串接于制冷剂循环系统，第二套管式换热器（7）的另一通道串接于排水管上。

7.根据权利要求5或6所述的能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理方法，其特征在于：在厌氧反应工序中回收甲烷。

8.根据权利要求7所述的能源循环利用的耦合脱氮除碳污水处理方法，其特征在于：将回收的甲烷用于燃气发电机发电，将燃气发电机所发出的电用于热泵系统的压缩机。