CN103732546A - 一种结合有尿液分离、海水添加、硝化及下水道内反硝化的污水处理方法 - Google Patents

Abstract

一种污水处理方法，其包含：（a）分离和/或收集污水中的尿液以进行预处理，（b）使用海水去除尿液中的磷，（c）任选地氧化尿液中的氮，以及（c）将已除磷和/或氮氧化的尿液排放至下水道。

Description

一种结合有尿液分离、海水添加、硝化及下水道内反硝化的污水处理方法

技术领域

本发明涉及一种污水处理方法。特别是一种包括从尿液中回收营养物（即磷）以及从污水中去除营养物（即氮）的污水处理方法。

背景技术

营养物磷和氮在敏感水域被大量排放时会引起水体富营养化和藻类爆发式增长。另一方面，磷也是生物有机体的必需元素。目前，磷几乎全部来自磷矿石的开采（USGS,2010;van Vuuren et al.,2010,见参考文献）。预计到本世纪末，35-100%的现有磷矿储量会被消耗殆尽(Dery and Anderson,2007,van Vuuren et al.,2010)。而磷酸盐在食品生产中扮演者至关重要的角色，故而磷的回收成为了当务之急。

传统的生物脱氮除磷工艺在生物污水处理工作中采用生物去氮除磷工艺，如5阶段Bardenpho工艺（5-stage Bardenpho Process）（见附图1）。在该工艺中，利用自养硝化作用继之以异养反硝化作用来脱氮。由于硝化菌缓慢生长细菌，因此销化步骤需要大量的氧气和大的反应器。随后进行反硝化作用从而将有机碳转化为二氧化碳并将硝态氮转化为氮气。除磷则是通过在污水处理厂的前端增设厌氧区进行大量摄取而进行的。然后通过受控的从厌氧污泥消化上清液中沉淀出鸟粪石（磷酸氨镁或MAP）或者通过污泥焚化来收获磷。总体上，由于细菌生长缓慢，生物营养物去除工艺需要大量土地区域。

尿液大致占生活污水总体积的1%(Maurer et al.,2006)，却包含了占生活污水体积总氮负荷80%的氮以及总磷负荷50-80%的磷(Fittschen and Hahn,1998)。由于该磷流体包含了占开采的磷负荷的5%左右（Cordell et al.,2009;van Vuuren e al.,2010），故而尿液分离成为磷回收的绝佳选择。

欧洲部分国家如瑞典和丹麦从1990年代已研究和实施尿液分离(

et al.,1997;

et al.,1997)，截至1999年瑞典已安装了超过3000个尿液分离系统（

and Johansson,1999）。尿液分离的主要途径有两个，一是通过非混合式（Nomix）马桶前方特别设计的间隔间来收集尿液，二是通过男厕所中的小便器。目前已有多个厂家生产并出售非混合式马桶。多项研究表明非混合式马桶在北欧已经被使用者广泛接受(Berndtsson,2006;Lienert et al.,2007)。尽管在此系统的早期发展中出现了结垢和堵塞的问题，但这些问题已经不再是主要的问题了(2001)。

尿液中的磷和氮可以通过将尿液直接施用至农用耕地而加以利用。但是，将尿液直接排放到农用耕地上会引起人类卫生问题。而且源于人类摄取的药物的内分泌干扰素很可能污染尿液，故而直接利用尿液对于种植食用作物而言实际上是不受欢迎的。

在尿液中添加镁盐有助于使磷酸氨镁（MAP）沉淀从而回收磷（Maurer et al.,2006）。其是一种不含微污染物和主要重金属的固体肥料（Ronteltap et al.,2007）。故而这是一种安全的磷回收方法。但是该方法需要添加的镁盐是很昂贵的。因此需要发展出一些更便宜的替代品，特别是对于发展中国家而言，更存在这种需求。由于海水含有1.29g/L的镁，故而成为一种价廉且易得的镁源。

文献已经报道了利用海水进行污水处理，例如利用海水来回收污泥消化上清液中的磷(Kumarshiro et al.,2001;Lee et al.,2003)，以及利用盐卤来回收尿液中的磷(Etter,2009)。但是这些工艺包含了复杂的化学和生化过程、微生物和/或原料，并且成本相对昂贵。

Makino等人的专利US4228003公布了一种通过添加海水使磷酸盐絮凝和沉淀从而除去污水中的磷酸盐的工艺。此工艺需要调节pH值以及特定的含磷酸盐废水与海水的比例。但是，该工艺需要直接从生活污水中去除磷而不需要进行尿液分离。

此外，Jansen等人的专利US2008/0308505公布了一种去除水体中的磷和氨的系统和工艺，Bowers等人的专利US7005072公布了一种去除废水氧化塘出水中的磷的方法，Abma等人的专利US7722768公布了一种同步去除污水中生物需氧量（BOD）和磷的工艺，Hunniford等人的专利US4,911,843公布了一种从下水道或者其它污水系统中去除溶解的硫化氢及减少污水BOD的工艺，Bailey Jr.等人的专利US7404897公布了一种使用生物强化技术来脱氮和处理消化废水的方法。但是，至今还未报道或公开将尿液与海水或者海水冲厕系统结合。

发明内容

本发明旨在提供一种有效且具成本效益的污水处理方法，其中，该方法将分离生活污水中的尿液和直接使用海水去除尿液中的磷双结合。此方法能够更具成本效益及有效地去除生活污水中大部分磷组分，以及能够通过利用现有的用于处理的（而不是仅用于输送的）下水道系统处理和对氮进行处理从而在很小的占地面积内实现氮的去除。此外，还可回收磷以作耕种。

因此，一方面，本发明涉及一种用于污水处理的方法，所述方法包括：（a）从污水中分离和/或收集尿液以进行预处理；（b）用海水去除尿液中的磷；（c）任选将尿液中的氮氧化；以及（d）将已除磷和/或氮氧化后的尿液排放到下水道中。在一个实施方式中，氧化后的氮被转化为氮气。在一个实施方式中，优选将分离和/或收集的尿液预处理以使尿素水解为氨，这优选使用生物反应器进行，例如生物膜反应器或固定微生物生长（fixed biomass growth）的方式等，但不限于这些方式。在一个实施方式中，优选通过添加碱（如氢氧化钠）来控制尿液的pH值。在水解后的尿液中可以存在磷并且磷将会以不溶性含磷化合物的方式被除去。

在另一个实施方式中，在对尿液进行预处理之前，可以将海水添加到分离和/或收集到的尿液中。在另一个实施方式中，将尿液中的氨氮硝化，这优选通过使用生物反应器进行。在另一个实施方式中，硝化后的尿液可被排放到污水下水道内以与其它污水混合，从而进行管道内反硝化和有机碳的去除。

附图说明

将结合以下附图对各种实施方式进行详细说明。

图1示例了现有技术中传统的生物脱氮除磷工艺。

图2示例了根据本发明的一个实施方式的尿液中磷回收的方案设计。

图3示例了根据本发明的一个实施方式的尿液硝化以及下水道中反硝化的方案设计。

图4示例了根据本发明的一个实施方式的尿液分离、海水辅助尿磷回收、硝化以及下水道中反硝化结合系统的完整方案设计。

图5示例了对使用三种不同的尿液进行的MAP沉淀批式测试中，总的磷去除效率，这三种尿液分别是未进行pH调节的新鲜尿液（pH为约6），以NaOH调节pH值至9的新鲜尿液，和未进行pH调节的水解后的尿液（pH为约9）。

图6示例了根据本发明的一个实施方式的海水辅助尿磷回收（SUPR）反应器的实验装置。

图7示例了根据本发明的一个实施方式的SUPR反应器中进水和出水的氨浓度

图8示例了根据本发明的一个实施方式的SUPR反应器的进水和出水的磷含量。

图9示例了根据本发明的一个实施方式的用于尿液硝化的序批式（lab scale sequencing batch）反应器（SBR）。

具体实施方式

除非另有定义，本发明中使用的技术和科学术语按照本发明所属领域的普通技术人员理解的一般含义进行解释。

须指出的是，除非上下文清楚地指出，否则在本说明书和所附的权利要求书中使用单数形式的量词“一种”、“一个”和“所述”也包括复数形式的所指对象。

为了更好地理解本发明的教导而并非限制所述教导的范围，除非另有说明，所有的表示量、百分比或比例的所有数以及在说明书和权利要求书中所使用的其它数值都应被理解为在所有情况下被术语“约”修正。因此，除非有相反的说明，在下面的说明书和所附权利要求书中所阐述的数值参数都是近似值，其可以根据欲获得的所需性质而有所不同。最起码，至少应当根据所记载的有效数字的数和通过四舍五入方法来理解每个数值参数。

此外，当提供一个数值范围时，例如：浓度范围、百分比范围或比例范围，该范围应该被理解为：除非上下文清楚地指出，否则，各中间值（下限单位的十分之一）（介于该范围的上下限之间、任何所陈述的其他值或所述范围内的中间值）都包括在所述对象的范围内。这些较小范围的上下限可以独立地被包括在所述较小的范围内，这样的实施方式也包括在所述对象的范围内，除非所述范围已被指明排除于外。当所述范围包括上下限中的一者或两者时，那么排除了所包括的上下限中的一者或两者的范围也包括在所述对象范围内。

在本申请的上下文中，各种实施方式的描述中使用了“包括”这样的词语，但是，本领域的技术人员应理解，在某些特定的情况下，实施方式也可以由其它替代词语描述，如：“基本上由......组成”或“由......组成”。

一方面，本发明涉及一种污水处理方法，包括：（a）从污水中分离和/或收集尿液以用于预处理；（b）用海水去除所述尿液中的磷；（c）任选将尿液中的氨氧化；以及（d）将已除磷和/或氮氧化后的尿液排放到下水道中。在一个实施方案中，可以将氧化态的氮转化为氮气。由于尿液提供了生活污水中至高达80%的氮负荷和50-80%的磷负荷，因此将尿液排放到下水道与其它污水混合之前直接回收磷和脱氮这样的操作更具有成本和空间效益。相应地，本发明的典型特征是直接使用海水做为来源来回收尿液中的磷，任选在随后进行独立的尿液脱氮过程。本发明的另一个典型的特征是添加海水来回收或去除尿液中的磷这一过程可在尿液水解处理的之前或之后进行，接着进行尿液硝化和下水道内反硝化。

尿液分离

可通过本领域内已有的系统或方法来进行尿液分离。许多国家有自己的尿液收集系统。譬如截至1999年瑞典已经安装了超过3000套尿液分离系统。也可以通过非混合式马桶前方特别设计的间隔间来收集尿液和男卫生间的小便池来收集尿液。目前已有多个厂家生产并出售此种马桶。

使用海水来回收尿液中的磷

在本发明的实施方案中，分离和/或收集的尿液被水解形成氨。由于人类尿液中含有的大量尿素（(NH₂)₂CO），因此在由细菌产生的酶，即尿素酶的作用下，尿素很容易被水解为氨，方程式为：(NH₂)₂CO+2H₂O→HCO₃ ^-+NH₄ ⁺+NH₃。另一方面，海水中含有1.29g/L的镁。故而当水解后的尿液与海水混合时，可形成磷酸氨镁（MAP）沉淀物。

可以通过生物尿液水解进行尿素的水解。也就是说，可以通过设计适当的生物反应器来加速尿素的水解，如附属生物膜反应器（attached biofilm reactor）或附属生物产尿素酶（attached biomassproducing urease）技术，从而大大缩短水解所需要的水力停留时间。还可通过添加碱（如氢氧化钠（NaOH））来控制尿液的pH，从而有助于使用海水来回收尿液中的磷，尽管这种情况下磷的回收率只能达到约80%。

在本发明的一个实施方案中，磷的去除优选通过使尿液快速水解至所需程度（对应的pH为8.9）来实现。尿液水解可通过在磷酸氨镁沉淀反应器内的固定生物膜水解室来加强。然后在反应器底部的漏斗中收集沉淀物，同时使除磷后的尿液作为出水流出管道。因此，在该设计中使用的海水既作为冲刷剂又作为镁源。在鸟粪石反应器的前端设置生物固定生长反应器是为了确保尿素水解和MAP沉淀。

在本发明一个实施方案中，海水可在尿液水解之后添加。在本发明的另一个实施方案中，海水亦可在尿液水解之前添加。例如香港使用海水冲厕系统，海水是在尿液水解之前加入其中的。而其它使用淡水冲厕的地方，即不使用海水冲厕的地方，海水则是在尿液水解之后再加入其中的。这两个系统中都形成了稳定的磷酸氨镁沉淀物，可以达到至多98%的磷回收率。图2显示了这两个过程的原理图。

尿液硝化和下水道内反硝化

在本发明的一个实施方案中，可以在磷回收/去除过程之后进行尿液硝化和下水道内反硝化过程。这一尿液硝化和下水道内反硝化的过程比将水解后的尿液排放回至下水道以在传统的生物污水处理厂进行硝化和反硝化更具成本效益。这一过程优选通过简单地增设用于进行尿液硝化的小型充气生物反应器来进行。这一反应器可以序批式处理模式运行，并通过添加碱来达到完全硝化。硝化完成后，可以将出水排放到污水下水道中与其它含大量可生物降解有机碳和可能的硫化物的污水混合。将硝化尿液排放到下水道内以进行下水道内反硝化。

在下水道内，硝酸盐作为氧源使有机碳通过异养反硝化氧化为二氧化碳。当硫化物存在时，通过自养反硝化将硫化物转化为硫酸盐，从而有助于降低下水道内的气味问题。由于在有机碳的氧化反应中，以硝酸盐作为氧气供体的反应速率为80%左右，因此，如果输送时间并不过短的话，那么在污水进入污水处理系统之前就会发生反硝化，从而既可降低氮负荷又可降低有机物的负荷。图3显示了此过程发生的反应，图4显示了海水辅助尿磷回收（SUPR）、硝化以及下水道内反硝化系统的整个过程。

有益效果

本发明提供的方法的特征在于直接使用海水去除和回收尿液中的磷，从而能够从源头加以控制。与传统的生物除磷工艺以及其它现有的尿液分离和磷回收工艺相比，本发明提供的方法具有很多益处。首先，传统的除磷/回收磷通常是通过污水处理厂的传统生物除磷工艺或者通过控制生物污水处理厂的厌氧消化池上清液内的磷酸氨镁的沉淀来完成的。在本发明提供的方法中，脱氮除磷以及回收磷的过程是通过独立地收集和处理尿液，在尿液进入污水处理厂之前完成的。

此外，与将海水添加到厌氧消化上清液中从而回收磷的现有方法相比，本发明在化学品、工艺、污染控制原则以及相关的微生物方面都有所不同。具体来说，消化上清液是来自厌氧消化的流出液。其含有高浓度的氨和磷酸盐，而与生活污水混合的尿液在进入污水处理厂之前主要含有尿素、(NH₂)₂CO和磷酸盐。此外，当消化上清液与海水混合时很容易形成MAP。但是，当新鲜尿液与海水混合时不会形成MAP。只有当尿素被生物水解释放出氨之后才会形成MAP。此外，消化上清液P-回收是终端过程（end-of-pipe）。其是生物污水处理厂的最后一个步骤。

但是，本发明的SUPR是一种源头控制的工艺。其旨在从源头去除和回收磷。此外，为了使消化上清液磷回收系统更有效运行，污水处理厂必须采用厌氧磷释放阶段以及随后的好氧磷摄取阶段，从而使磷酸盐富集到污泥中，使得聚集的磷酸盐能够释放到厌氧消化的上清液中。参与此过程的特定微生物为聚磷菌（phosphate accumulatingorganisms，PAOs）。然而，本发明中涉及的生物工艺是尿素水解，可以通过很多种不同的微生物进行此水解过程。

本领域内已知的其它尿液分离及磷回收工艺的目的是为了：（i）将排放的尿液作为肥料直接施用至土壤，或（ii）通过添加化学品（如镁盐或者钙盐）来沉淀磷。对于上述目的（i），本发明通过一个恰当设计的生物硝化反应器来硝化尿液，并在随后将经硝化的尿液排放至污水管道中以利用现有所需的管道系统进行反硝化，降低了污水集中处理厂对降低氮含量的需求和有机物负荷，由此提高了后期的有机负荷能力。对于上述目的（ii），本发明提供的方法直接利用海水作为镁源而不需要添加额外的化学品或不需进行富集过程。海水在海岸地区供应充足、免费且不需要对海水进行预处理。这使得本发明的方法完全不同于其它尿液磷回收工艺。为加快尿素水解过程，可利用适合的生物反应器（如生物膜反应器或连续搅拌罐式反应器）以减少所需反应器的尺寸。

本发明提供的方法或用于进行所述方法的系统的另一改进之处在于尿液硝化可以在一个独立的反应器中进行，随后进行管道内反硝化。由于尿液内氨浓度很高，因此，该过程可在一个很小的反应器中进行。硝化后的尿液不是在污水处理场厂里进行反硝化，而是被排放至污水下水道内与其它污水混合进行管道内反硝化，这样不仅消除了下游处理厂的脱氮需求，也降低了有机物负荷，从而降低了污水处理厂的占地面积。这样一种整合系统在本领域内还未被报导。

总而言之，与传统生物除磷污水处理工艺相比，本发明方法的关键益处在于其能够节省大量能量、化学品以及空间来回收污水中的磷。与将尿液作为肥料直接施用到土壤中相比，本发明的关键益处在于其能够防止污水中的病原体和内分泌干扰素通过灌溉从污水进入到食物链，大大减小了体积，以及提供了易于处理的缓释肥。

与尿液硝化结合后，与传统生物处理厂相比，本发明的方法能够节省更多的空间和能量，这是因为：（a）氮负荷被大量降低，（b）大量有机碳被去除了。此外，将硝化后的尿液排放至下水道可有助于除去和抑制硫化氢/气味的形成。

实施例

实施例1：批式尿液水解和磷去除实验

尿液收集自14个年龄介于20至36岁之间的健康男性。在测试之前将新收集的尿液储存于冰箱中。另一部分尿液则是储存于室温下很长一段时间（一个星期或更长）使之完全水解从而制备完全水解的尿液。

新鲜尿液、由NaOH调节pH值至高于9的新鲜尿液以及完全水解的尿液分别与海水以约1:1的比例混合，然后搅拌15分钟使MAP（磷酸氨镁）沉淀出来。

图5显示了由尿液MAP沉淀批式实验获得的总磷去除效率。由图5可知，新鲜尿液中总磷去除效率低于5%，而由NaOH调节pH的新鲜尿液的效率为约80%，完全水解的尿液的效率可达97-98%，磷去除效率依次升高。

实施例2：海水辅助尿磷回收（SUPR）反应器

图6示出了尿液水解和磷回收同步进行的反应器。该反应器具有两个同心圆柱，有效体积为840mL。内圆筒长度为21cm，直径为5cm，而外圆筒的长度和直径则分别为25cm和7cm。以1:1比例混合的尿液和海水流入反应器中并循环数天以启动反应器。

在启动期之后，反应器以储存在1-4℃下的尿液与海水的混合液为进水。在常温下运行，水力停留时间为3小时，MAP和其它沉淀物在反应器底部形成。每星期打开底部阀门以释放固液混合物以通过膜收集沉淀物，同时将滤液回收至反应器。图7和图8显示了进水和出水中氨浓度和总磷的浓度。总的来看，进水中的氨平均浓度为239mg-N/L，而出水中则高达2856mg-N/L。出水中TP（Total-phosphorus，总磷浓度）为11.5mg/L，TP去除效率为94%。

实施例3：海水辅助尿磷回收之后的硝化

为了证明海水辅助尿磷回收后进行尿液硝化的可能性，构建了总体积为3.9L的序批式反应器（图9）。该反应器的泥种取自一个活性污泥反应器。使用包含水解尿液和海水以1:3比例混合并进行磷酸氨镁沉淀反应后的混合液作为进水，从而模拟尿磷回收（P-Recovery）后的实际硝化操作。在初始的启动期160天之后，每天四次向反应器供料，然后排出出水，交换体积介于50-75%之间。当反应器中混合液pH值下降至低于6.5时，通过自动进样器添加1M的NaHCO₃从而控制混合液的pH。

此后316天，反应器运行的平均氮负荷速率（NLR）为约800g-N/m³/天，平均HRT为1.75天。氯化物的平均浓度为13.2g/L。进水的总磷和溶解性磷分别为2.15mg-P/L和0.98mg-P/L。在最后63天，反应器运行的氮负荷速率恒定为720g-N/m³/天，平均进水总氮、氨、硝化物浓度分别为1640mg-N/L，1409mg-NH₄-N/L以及0.41mg-NO₃-N/L。平均出水中氨和硝化物的浓度分别为1.96mg-NH₄-N/L以及1234mg-NO₃-/L，表明已达完全硝化。污泥沉降良好。5分钟污泥体积为40mL/g，平均液体悬浮固体（MLSS）为约6000mg/L。这些数据充分说明尿液硝化可在海水辅助尿磷回收过程之后进行。

实施例4:下水道中反硝化

海水辅助尿磷回收系统会将含盐废水排放至下水道。为证明在此盐环境下进行反硝化的可能性，在一段8km长的上行污水管道中进行了模拟研究，其中污水主要为香港的冲厕海水。所述上行管道中的污水的流速为1500m³/h，停留时间为约5小时。

将平均浓度为12.3mg-N/L的硝酸钙（硝化尿液的替代品）以250L/h的最大速率添加至管道，72小时内，每两小时取一次样本。结果表明，平均92%的硝酸盐以及50%的可溶性COD被同时去除了。该结果清楚地说明了下水道内生物反消化可以在上述盐环境下进行。

由此描述了本发明的工艺/方法，显然，所述工艺/方法可以按多种方式被修饰或改变。这些修饰或改变并不能被视为偏离了本发明的精神和范围，而是所有这些修饰和改变旨在包括在随附权利要求书的范围内。

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Claims (12)

1.一种污水处理方法，包括以下步骤：

（a）分离和/或收集污水中的尿液以进行预处理，

（b）使用海水去除所述尿液中的磷，

（c）任选将所述尿液中的氮氧化，以及

（d）将已除磷和/或氮氧化的尿液排放至下水道。

2.根据权利要求1所述的方法，其中分离和/或收集的尿液是通过水解进行预处理的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述水解是利用生物反应器进行的。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述生物反应器包括生物膜反应器。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述生物膜反应器包含固定微生物产尿素酶。

6.根据权利要求2所述的方法，其进一步包括对尿液进行预处理以调控尿液的pH值。

7.根据权利要求6所述的方法，其中调控pH值是通过添加碱来进行的。

8.根据权利要求1所述的方法，其中磷的去除包括以不溶性含磷化合物的形式沉淀和回收磷。

9.根据权利要求1所述的方法，其中氮的氧化包括对氨进行硝化。

10.根据权利要求9所述的方法，其中氨的硝化是通过利用生物硝化反应器进行的。

11.根据权利要求9所述的方法，其中氮的去除还包括将经氮氧化的尿液排放至污水下水道以与其它污水混合，从而进行管道内反硝化和有机碳的去除。

12.根据权利要求2所述的方法，其中在所述尿液的水解之前或者之后将海水加入到所述尿液中。

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