CN102557349B

CN102557349B - 一种基于碳源回收的低能耗污水处理工艺及装置

Info

Publication number: CN102557349B
Application number: CN 201210012247
Authority: CN
Inventors: 王志伟; 麦穗海; 马金星; 周骅; 梅晓洁; 于鸿光; 何磊; 吴志超
Original assignee: Tongji University; Shanghai Chengtou Waste Water Treatment Co Ltd
Current assignee: Tongji University; Shanghai Chengtou Waste Water Treatment Co Ltd
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: CN102557349A

Abstract

本发明涉及一种基于碳源回收的低能耗污水处理工艺及装置，属于污（废）水处理技术领域。该工艺流程包括快速混凝池、厌氧动态膜-生物反应器、出水自然复氧器、厌氧发酵反应器和气体收集器。低浓度有机污水在快速混凝池进行高效絮凝后，进入厌氧动态膜-生物反应器，实现固液分离，出水经自然复氧后，水质稳定达到国家二级排放标准。同时回收的低品质碳源（厌氧污泥）进入厌氧发酵反应器，通过水解-发酵产酸-产甲烷途径，最终使污水中能源物质以挥发性脂肪酸（VFAs）或甲烷等高品质碳源形式回收。该工艺通过物化分离手段与厌氧生物处理工艺的耦合，在较短的水力停留时间内，实现低浓度有机污水的高效处理，并对污水中有机碳源进行回收。该工艺能够在常温条件下高效厌氧处理低浓度有机污水，最大程度实现污水处理的节能降耗。

Description

一种基于碳源回收的低能耗污水处理工艺及装置

技术领域

本发明属于环境保护、污水处理领域，具体涉及一种基于碳源回收的低能耗污水处理工艺及装置。

背景技术

资源短缺和气候变化是21世纪人类共同面对的最大挑战和威胁，目前，世界各国都在积极采取行动节约能源资源、减少温室气体排放。随着节能减排工作的不断深入，城市污水处理厂作为减排主要载体之一，在减排工作中显得尤为重要。在此大背景下，已经发展近100年并在世界范围内广泛应用的传统的生物处理工艺正在经受着前所未有的质疑。在传统活性污泥法（conventional activated sludge, CAS）及其衍生工艺在污水处理中，含碳有机物最终在好氧条件下被氧化分解，生成CO₂。此过程不仅消耗了大量氧气，同时产生了大量含固率低、处理处置困难的剩余污泥。而另一方面，这些污（废）水中又含有大量可以利用的资源或能源，如含碳有机物、含氮营养盐、磷酸盐等，这些资源或能源在常规污水处理系统中却难以回收。基于这种资源能量的矛盾及人类对可持续发展的反思，未来的污水处理目标应从传统的“从污水中尽量去除各种污染物”转变为“尽量从污水中回收资源和能源”，同时尽量减少污水处理带来的温室气体排放。

目前，低浓度城镇污水能源回收逐渐引起国内外研究学者的关注，现有的研究成果与文献报道主要包括以下两种：（1）后置式回收模式，即从剩余污泥中回收挥发性脂肪酸，氢及甲烷的工艺；（2）前置式回收模式，即从污水中直接富集回收有机物，以减少后续处理单元的有机负荷，降低污泥产量。第一种模式以北温哥华市Dayton & Knight公司为代表，该公司提出了以自热式高温好氧消化（ATAD）进行污泥发酵，回收的挥发性脂肪酸（VFAs）用于后续脱氮除磷单元，发酵液中的磷通过鸟粪石结晶法进行回收。而美国PM Sutton & Associates公司和亚利桑那州立大学Rittmann教授提出了第二种前置式能源回收模式，即先通过短泥龄的膜-生物反应器（MBR）工艺对污水中有机碳源吸附与富集，出水进行独立的物化除磷和脱氮处理；同时对排出的污泥进行浓缩、厌氧发酵，回收沼气。国内，清华大学采用短泥龄的吸附工艺对低浓度城镇污水进行碳源回收试验，其类似于第二种能源回收构想，取得了一定的研究进展。虽然上述技术构想仍然处于实验研究阶段，但两种典型有机碳源回收利用技术的提出为污水处理目标向 “从污水中回收资源和能源”未来目标的转变迈出了重要的一步。

从能量品质和效率的角度来看，第二种工艺由于是从污水中直接回收有机碳源，相比第一种工艺，能够有效避免能量损耗（有机碳源的好氧矿化），简化污泥处理环节，更符合节能减排的要求。但目前现有的前置式碳源回收工艺仍存在着一定问题：（1）在好氧条件下利用微生物富集回收碳源，仍需要消耗一定量的氧气；（2）污泥含固率较低（4000 mg/L-6000 mg/L），后续需要对污泥进行预浓缩后提升综合利用效率；（3）利用短泥龄膜-生物反应器工艺进行固液分离存在着膜污染严重问题，而采用传统沉淀工艺则难保证固液分离效果。

因此，如何优化前置式碳源回收污水处理工艺、实现回收碳源的高效能源转化，代表了低浓度城镇污水处理领域新的发展方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于碳源回收的低能耗污水处理工艺及装置，通过物化分离手段与厌氧生物处理工艺的耦合，在较短的水力停留时间内，实现低浓度有机污水的高效处理，并对污水中有机碳源进行回收。该工艺及装置能够在常温条件下高效厌氧处理低浓度有机污水，保证出水水质稳定达到国家二级排放标准，最大程度实现污水处理的节能降耗。

本发明的技术方案如下：

一种基于碳源回收的低能耗污水处理工艺，具体步骤如下：

(1) 原污水首先进入快速混凝池，通过自动加药装置投加高分子混凝剂，使污水中颗粒状及胶体状有机物高效絮凝，混凝后的污水进入厌氧动态膜-生物反应器；其中：水力停留时间为2~5分钟；

(2) 混凝后的污水在厌氧动态膜-生物反应器内经厌氧处理后进行固液分离，污水混凝后形成的颗粒物沉积至厌氧动态膜-生物反应器底部，以有机碳源的形式回收；水力停留时间1.0~3.0 小时；厌氧动态膜组件通量为40~120 L/(m²·h)；厌氧动态膜-生物反应器有机负荷为2~5 kg/(m³·d)；厌氧动态膜出水至自动复氧器充氧后，水质稳定达到国家二级排放标准。

(3) 有机碳源排入厌氧发酵反应器，进行生物质能源回收；控制有机碳源氧化还原电位- 310 ~ -340 mV。

本发明中，步骤(1)中所述高分子混凝剂为聚合氯化铁（PFC）或聚硅酸氯化铁（PFSC）。

本发明中，在厌氧动态膜-生物反应器底部，通过微生物代谢与混凝物化过程耦合，使得污水中颗粒态、胶体态及部分溶解态有机物高效转化为低品质碳源（厌氧污泥），而沉积的有机碳源在反应器底部形成污泥悬浮层后，可进一步提升污水处理与碳源回收效果。有机碳源混合液氧化还原电位- 310 ~ -340 mV，说明污水中的有机物是在严格厌氧条件下形成这种有机碳源，这些碳源可以直接排入厌氧发酵反应器，进行发酵产酸产甲烷。

本发明中，进水COD与TP可通过化学混凝、厌氧微生物代谢及过滤作用有效去除，氨氮在有机碳源形成过程中从液相转移至固相中。采用该工艺流程处理一般城市生活污水或农村生活污水，出水水质可稳定达到国家二级排放标准；同时回收的有机碳源经厌氧降解产生挥发性脂肪酸（VFAs）或甲烷，实现资源与能源的再利用。

本发明提出的一种基于碳源回收的低能耗污水处理装置，包括快速混凝池1、进水布水管2、厌氧动态膜-生物反应器3、出水自然复氧器4、厌氧发酵反应器5和气体收集器6，其中：快速混凝池1底部通过进水布水管2接于厌氧动态膜-生物反应器3底部，快速混凝池1顶部设有自动加药装置7，厌氧动态膜-生物反应器3底部一侧设有排泥管8，排泥管8通过潜污泵或管阀及管道连接厌氧发酵反应器5；厌氧发酵反应器5上部设有气体收集器6，厌氧发酵反应器5通过管线连接pH在线监测仪9；厌氧动态膜-生物反应器3顶部通过管道连接出水自然复氧器4，出水自然复氧器4底部一侧设有出水口。

本发明工艺具有以下优点：

1）通过投加高分子絮凝剂，可以显著改善原污水中颗粒态及胶体态有机物的沉降性能，提升后续厌氧动态膜-生物反应器内固液分离效果；同时快速混凝池内加药装置可随进水水量波动相应调整进药流量；

2）沉积的有机碳源在厌氧动态膜-生物反应器底部形成污泥悬浮层，其增强了反应器对颗粒性有机物拦截效率。同时，厌氧微生物代谢可进一步对污水中溶解性有机物去除，提升出水水质；

3）厌氧动态膜-生物反应器一直保持厌氧状态，不仅减少了有机碳源氧化，降低二氧化碳的排放，也使碳源内部驯化出大量产酸微生物及产甲烷微生物。这部分回收碳源排入厌氧发酵反应器后可迅速高效发酵产酸产气，进行能源回收。

4）厌氧动态膜组件通量60~100 L/(m²·h)，动态膜可有效降低出水悬浮固体SS含量；

5）出水自然复氧系统，通过出水的重力势能向动能转变，利用自然通风复氧，提高了出水中溶解氧DO含量；

6）厌氧发酵反应器可接纳从污水中回收的碳源，最大限度地减少系统中物质的外排，且充分发挥厌氧的优势，实现资源的再利用

7）该工艺不需要曝气，运行能耗节省30~50%，污水处理过程中CO₂减排40~60%。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于碳源回收的低能耗污水处理装置的结构原理示意图。

图2为本发明提供的一种基于碳源回收的低能耗污水处理工艺工作原理图。

图中标号：1为快速混凝池；2为进水布水管；3为厌氧动态膜-生物反应器；4为出水自然富氧器；5为厌氧发酵反应器；6为气体收集器；7为自动加药装置；8为排泥管；9为pH在线自动检测仪。

具体实施方式

实施例1：

一种基于碳源回收的低能耗污水处理工艺，采用聚合氯化铁PFC作为高分子混凝剂（剂量50 g PFC/吨水），污水原水在快速沉淀池内高效混凝后，水力停留时间2min，进入厌氧动态膜-生物反应器进行厌氧处理及固液分离，水力停留时间2.5h。厌氧反应器内动态膜组件通量100 L/(m²·h)，反应器有机负荷2.20 kg COD/(m³·d)。该工艺处理南方某城市生活污水，进水COD浓度300.4±68.8 mg/L，氨氮浓度为31.0±6.5 mg/L，总氮浓度为51.3±13.4 mg/L，总磷浓度为7.2±3.4 mg/L；该装置出水COD浓度82.7±16.6 mg/L，氨氮浓度为21.2 ± 3.4 mg/L，总磷浓度为2.1 ± 0.4 mg/L；回收碳源浓度为MLSS=20.5±10.3 g/L。

实施例2：

一种基于碳源回收的低能耗污水处理工艺，采用聚硅酸氯化铁PFSC作为高分子混凝剂（剂量75 g PFSC/吨水），污水原水在快速沉淀池内高效混凝后，水力停留时间2min，进入厌氧动态膜-生物反应器进行厌氧处理及固液分离，水力停留时间2.2h。厌氧反应器内动态膜组件通量60 L/(m²·h)，反应器有机负3.27 kg COD/(m³·d)。利用该污水处理工艺处理某城市生活污水，进水COD浓度234.6 ~ 680.8 mg/L，氨氮浓度23.2~43.5 mg/L，总氮浓度45.3~68.7 mg/L，总磷浓度3.8~10.6 mg/L；该装置出水COD浓度24.6~88.7mg/L，氨氮浓度14.3~23.4 mg/L，总氮浓度21.9~29.8 mg/L，总磷浓度为0.9~2.1 mg/L；回收碳源浓度为MLSS=28.6±8.3 g/L。

实施例3：

一种基于碳源回收的低能耗污水处理工艺，采用聚硅酸氯化铁PFSC作为高分子混凝剂（剂量50 g PFSC/吨水），污水原水在快速沉淀池内高效混凝后，水力停留时间2min，进入厌氧动态膜-生物反应器进行厌氧处理及固液分离，水力停留时间1.2h。厌氧反应器内动态膜组件通量65 L/(m²·h)，反应器有机负3.10 kg COD/(m³·d)。利用该污水处理工艺处理某农村地区生活污水，进水COD浓度128.3~289.8 mg/L，氨氮浓度12.6~39.2 mg/L，总氮浓度23.8~55.7 mg/L，总磷浓度1.6~5.5 mg/L；该装置出水COD浓度36.3~ 83.8mg/L，氨氮浓度7.2~21.4 mg/L，总氮浓度15.8~26.7 mg/L，总磷浓度为0.5~1.8 mg/L；回收碳源浓度为MLSS=18.6±7.6 g/L。

Claims

1.一种基于碳源回收的低能耗污水处理工艺，其特征在于具体步骤如下：

(1)原污水首先进入快速混凝池，通过自动加药装置投加高分子混凝剂，使污水中颗粒状及胶体状有机物高效絮凝，混凝后的污水进入厌氧动态膜-生物反应器；其中：水力停留时间为2~5分钟；

(2)混凝后的污水在厌氧动态膜-生物反应器内经厌氧处理后进行固液分离，污水混凝后形成的颗粒物沉积至厌氧动态膜-生物反应器底部，以有机碳源的形式回收；水力停留时间1.0~3.0 小时；厌氧动态膜组件通量为40~120 L/(m²·h)；厌氧动态膜-生物反应器有机负荷为2~5 kg/(m³·d)；厌氧动态膜出水至自动复氧器充氧后，水质稳定达到国家二级排放标准；

(3) 控制有机碳源氧化还原电位- 310 ~ -340 mV，排入厌氧发酵反应器，进行生物质能源回收。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于步骤(1)中所述高分子混凝剂为聚合氯化铁或聚硅酸氯化铁。

3.一种基于碳源回收的低能耗污水处理装置，其特征在于包括快速混凝池(1)、进水布水管(2)、厌氧动态膜-生物反应器(3)、出水自然复氧器(4)、厌氧发酵反应器(5)和气体收集器(6)，其中：快速混凝池(1)底部通过进水布水管(2)接于厌氧动态膜-生物反应器(3)底部，快速混凝池(1)顶部设有自动加药装置(7)，厌氧动态膜-生物反应器(3)底部一侧设有排泥管(8)，排泥管(8)通过潜污泵或管阀及管道连接厌氧发酵反应器(5)；厌氧发酵反应器(5)上部设有气体收集器(6)，厌氧发酵反应器(5)通过管线连接pH在线监测仪(9)；厌氧动态膜-生物反应器(3)顶部通过管道连接出水自然复氧器(4)，出水自然复氧器(4)底部一侧设有出水口。