CN105859038A - 一种高效利用污泥中碳源的污水处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理和固废资源化领域，是一种高效利用污泥中碳源的污水处理工艺。本发明通过将高含固污泥厌氧消化后的沼液回流，调控系统氨氮浓度以促进乙酸利用型产甲烷菌系统向氢利用型产甲烷菌系统转化，充分利用CO₂/H₂产甲烷途径，节省以短链脂肪酸（乙酸等）为代表的有机碳源。同时，利用厌氧消化系统产生的沼气对沼液进行氨氮吹脱，降低沼液中氨氮浓度并实现沼气的净化，用水或酸性溶剂吸收氨气，以氯化铵或硫酸铵的形式进行回收。氨氮吹脱后富含短链脂肪酸的沼液回流至污水处理系统中，补充反硝化阶段的碳源，促进脱氮除磷。沉淀池出水中所剩余的NO₂ ^‑/NO₃ ^‑，进入稳定运行的甲烷厌氧氧化反应池，以污泥厌氧消化过程中产生的甲烷为碳源来实现深度脱氮。

Description

一种高效利用污泥中碳源的污水处理工艺

技术领域

本发明属于污水处理和固废资源化领域，是将污泥高含固厌氧消化过程中产生的沼液进行回流以对系统中氨氮浓度进行合理调控，充分利用CO₂/H₂途径产甲烷，减少碳排放，同时将所节省的以短链脂肪酸（乙酸等）为代表的有机碳源直接应用于主流污水处理系统中，补充反硝化过程中碳源，促进脱氮除磷的一种高效利用污泥中碳源的污水处理工艺。

背景技术

污水处理中的碳中和运行是实现整个污水处理过程的能源自给自足的技术要求，是未来污水处理的核心内容。欧美甚至周边一些亚洲国家相继颁布了面向21世纪污水处理碳中和运行的路线图并付诸实践。

随着污水产生和处理量的快速增长，剩余污泥产生量也随之大幅增加。污泥作为一种潜在的能源载体物质，需要彻底改变以污泥减量方式为主的现行观念，而视其为碳中和运行的原料。同时，我国所面临的碳减排压力越来越严峻，通过技术层面实现碳减排是十分必要的。目前，世界污泥处理处置的主流技术有厌氧消化、好氧堆肥、干化焚烧、土地利用等，厌氧消化以污泥稳定化、能源化的良好效果得到了国内外的青睐，成为了目前国际上应用最广泛的污泥处理方法之一。污泥高含固厌氧消化技术由于具有反应器体积小、加热能耗低、单位容积处理量高、单位容积产气率较高等优势，在欧美日本等发达国家已经得到了广泛应用。但是，该技术路线中，污泥中的碳源并没有得到充分利用。在大部分的反应器中，有机碳源经乙酸脱羧途径产生的甲烷占其来源的72%左右。而CO₂/H₂产甲烷途径没有得到充分的利用。且高含固污泥厌氧消化沼液中的氨氮浓度较高，C/N 比低，如果将其直接回流到污水处理厂进行处理，会对出水水质有显著影响，从而引起水体的富营养化污染。

氢利用型产甲烷菌以CO₂和H₂为原料产甲烷，与乙酸利用型产甲烷菌相比，它的氨氮耐受能力和乙酸耐受能力都更强。当系统的氨氮浓度提高至5000~7000 mg/L左右时，乙酸利用型产甲烷菌的活性会被抑制，氢利用型产甲烷菌富集，微生物群落从乙酸利用型产甲烷系统向氢利用型产甲烷系统转化，CO₂/H₂产甲烷途径成为主要的产甲烷途径，并且在一定浓度范围内，可以维持产甲烷过程的稳定进行，实现CO₂减排，同时节省系统中以短链脂肪酸为代表的有机碳源。

在中小型污水处理厂中，普遍存在反硝化脱氮处理过程中碳源不足的问题。由于大部分的反硝化微生物均为异养菌，碳源不足时，系统中会发生NO₂ ^-的积累现象，抑制包括反硝化菌在内的多种微生物的活性。而且，NO₂ ^-氧化生成的NO_X(NO₂)是导致大气酸沉降、臭氧、灰霾等一系列环境问题的重要根源，对环境有不利影响。因此需要通过外加碳源(如乙酸、甲醇、乙醇等)促进反硝化的顺利进行。然而，这些物质的投加无疑增加了污水处理的成本。

反硝化型甲烷厌氧氧化(denitrifying anaerobic methane oxidation，DAMO)是在厌氧条件下以甲烷作为电子供体，NO₂ ^-/NO₃ ^-作为电子受体的反硝化过程，近年来被证实广泛存在于各种环境中。反应方程式为：

5CH₄+8NO₃ ^-+8H⁺ →5CO₂+4N₂+14H₂O(△G^θ’= -765 kJmol^-1CH₄)

3CH₄+8NO₃ ^-+8H⁺ →3CO₂+4N₂+10H₂O(△G^θ’= -928 kJmol^-1CH₄)

在传统的反硝化工艺之后，利用甲烷作为碳源进行深度脱氮，是低物耗废水处理和节能减排的新思路。推进DAMO 污水脱氮工艺的应用是未来的主要研究热点和发展方向。而且甲烷作为反硝化脱氮的新型碳源，具有廉价无毒、储备充足、溶解度低不会引起出水COD 增加的优点，与甲醇、乙酸等碳源相比具有明显的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效利用污泥中碳源的污水处理工艺，本发明利用乙酸利用型产甲烷菌和氢利用型产甲烷菌对氨氮耐受能力不同的特点，通过将污泥高含固厌氧消化沼液回流，调控系统氨氮浓度，使其成为氢利用型产甲烷系统，充分利用CO₂/H₂产甲烷途径，节省以短链脂肪酸（乙酸等）为代表的有机碳源，并用于补充污水处理中反硝化过程的碳源，促进脱氮除磷。同时，利用厌氧消化过程中产生的甲烷为碳源，通过甲烷厌氧氧化进一步实现深度脱氮，整体提高污泥中碳源在污水处理中的综合利用率。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高效利用污泥中碳源的污水处理工艺，所述污水处理工艺通过处理单元实现，所述处理单元包含：污水处理系统1、沉淀池2、甲烷厌氧氧化池3、厌氧消化系统4、氨氮吹脱池5和氨吸收池6，其中：污水处理系统1的进水口连接进水管，出水口通过管道连接沉淀池2的进水口，沉淀池2的出水口通过管道连接甲烷厌氧氧化池3，沉淀池2的脱水污泥口通过管道连接厌氧消化系统4，厌氧消化系统4的沼液出口通过管道部分流到氨氮吹脱池5，其余部分回流至厌氧消化系统4；厌氧消化系统4的沼气出口通过管道连接氨氮吹脱池５，氨氨吹脱池5的气体出口通过管道连接氨吸收池6，氨吸收池6的沼气出口通过三通阀分别连接甲烷厌氧氧化池3和氨氮吹脱池５；具体步骤如下：

（１）污水进入污水处理系统1，经化学生物处理后，出水进入沉淀池2，进行泥水分离；

（2）步骤（1）中沉淀池的出水中剩余硝态氮亚硝态氮（NO₂ ^-/NO₃ ^-）进入甲烷厌氧氧化池3，以厌氧消化系统4中产生的沼气甲烷为碳源，通过甲烷厌氧氧化进行深度脱氮；步骤（1）中沉淀池的剩余污泥进入厌氧消化系统4，于35±2 ℃或55±2 ℃恒温条件下进行厌氧消化；厌氧消化系统4消化后的沼液一部分作为污泥稀释液，将脱水污泥稀释至含固率为15%，随脱水污泥返回厌氧消化系统4，以实现部分回流；控制厌氧消化系统4中氨氮浓度达到5000-7000 mg/L，pH值稳定在8-8.5，抑制厌氧消化系统４中的乙酸利用型产甲烷菌，富集氢利用型产甲烷菌，充分利用CO₂/H₂途径产甲烷，减少碳排放，同时节省以短链脂肪酸（乙酸等）为代表的有机碳源；

（３）厌氧消化系统４产生的剩余部分的沼液进入氨氮吹脱池5，利用厌氧消化系统4产生的沼气进行氨氮吹脱（CH₄、CO₂），并实现沼气的初步净化，吹脱后气体（含NH₃、CH₄、CO₂）进入氨吸收池6，用水或酸性溶液进行吸收，以氯化铵或硫酸铵的形式进行回收，并实现沼气的深度净化，净化后的沼气分流进入甲烷厌氧氧化池3补充甲烷厌氧氧化碳源或汇入厌氧消化系统4产生的沼气中进行氨氮吹脱；

（４）经过氨氮吹脱后的沼液进入污水处理系统1，利用其中的以短链脂肪酸（乙酸等）为代表的有机碳源补充反硝化过程中碳源，促进脱氮除磷。

本发明具有以下优点：

1.利用污泥高含固厌氧消化后沼液氨氮浓度高的特点，通过沼液回流的方式使厌氧消化系统中氨氮浓度达到5000-7000 mg/L，促进其从乙酸利用型产甲烷系统向氢利用型转化，充分利用体系中产生的CO₂和H₂产甲烷，减少碳排放，节约有机碳源。

2.本方法在保持并提高甲烷产量的基础上，充分利用剩余短链脂肪酸实现脱氮，使A²/O，EBPR等脱氮除磷工艺不再需要外加碳源，有效解决反硝化过程中碳源不足的问题，实现了碳源的充分利用，具有较好的经济效益，是一个绿色循环，低排放的工艺。

3.沼液回流后污泥厌氧消化系统pH稳定在8-8.5，碱度在10000mg/L以上，系统稳定，抗冲击能力强。

4.由于沼液中氨氮浓度较高，本方法利用污泥厌氧消化过程中产生的沼气（CH₄、CO₂）对沼液中的氨氮进行吹脱，吹脱后气体（含NH₃、CH₄、CO₂）用水或酸性溶液进行吸收，以氯化铵或硫酸铵的形式回收，降低了消化液中的氨氮浓度。

5.本方法利用系统产生的CH₄，通过甲烷厌氧氧化反应，对处理后的出水进行深度脱氮，进一步降低出水含氮量，提高污泥中碳源的综合利用率。

附图说明

图1为本发明的工艺示意图。

图中标号：１为污水处理系统，２为沉淀池，３为甲烷厌氧氧化池，４为厌氧消化系统，５为氨氮吹脱池，６为氨吸收池。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明，但本发明的保护范围不限于所述内容。

实施例1：将取自上海某污水处理厂初沉池的出水作为进水，进入体积为A²/O生物反应器，HRT为8h，SRT为3d，进行污水处理，出水进入沉淀池，进行泥水分离。

(1)以乙酸作为基质长期运行的反硝化污泥为接种泥，在缺氧的条件下启动甲烷厌氧氧化池，在运行过程中不断向反应器内通入甲烷气体，经过6个月的运行，反应器内NO₃ ^--N的去除速率达295 mgL^-1d^-1，并保持了较好的稳定性；沉淀池出水中剩余氨氮进入稳定运行的甲烷厌氧氧化池，利用污泥厌氧消化产生的甲烷进行深度脱氮；

(2)将1:1（VS:VS）的接种泥和生污泥加入到有效容积为6L的厌氧消化系统中，控制厌氧消化系统中的物料温度为35±1℃，控制搅拌装置每8min启动1min，停止7min。SRT为20d，将污泥用厌氧消化沼液稀释其含固率至15%，进料300g，使NH₄ ⁺-N浓度保持在6000 mg/L左右，pH为8左右；

(3)用厌氧消化过程中产生的沼气对沼液进行氨氮吹脱，并用水溶液吸收氨气。净化后的沼气分流进入甲烷厌氧氧化池，补充甲烷厌氧氧化碳源或汇入厌氧消化系统产生的沼气中参与氨氮吹脱；

(4)吹脱后沼液与污水混合进入污水处理系统（A/O工艺），进行脱氮。沉淀池出水中所剩余的NO₂ ^-/NO₃ ^-，可通过甲烷厌氧氧化池进行深度脱氮。

甲烷产率稳定。且用含大量短链脂肪酸的沼液进行脱氮，反硝化等过程不再需要外加碳源，混合污水的NH₄ ⁺-N和TN总去除率分别为98.0%和87.7%。

实施例2：

(1)将取自上海某污水处理厂初沉池的出水作为进水，进入体积为A²/O生物反应器，HRT为8 h，SRT为3d，进行污水处理，出水进入沉淀池，进行泥水分离；

(2)以乙酸作为基质长期运行的反硝化污泥为接种泥，在缺氧的条件下启动甲烷厌氧氧化池，在运行过程中不断向反应器内通入甲烷气体，经过6个月的运行，反应器内NO₃ ^- -N的去除速率达289 mgL^-1d^-1，并保持了较好的稳定性；沉淀池出水中剩余氨氮进入稳定运行的甲烷厌氧氧化池，利用污泥厌氧消化产生的甲烷进行深度脱氮；

(3)将1:1（VS:VS）的接种泥和生污泥加入到有效容积为6L的厌氧消化系统中，控制厌氧消化系统中的物料温度为55±1℃，控制搅拌装置每10min启动2min，停止8min。SRT为15d，将污泥用厌氧消化沼液稀释其含固率至10%，进料400g，使NH₄ ⁺-N浓度保持在7000 mg/L左右，pH为7.5左右；

(4)用厌氧消化过程中产生的沼气对沼液进行氨氮吹脱，并用水溶液吸收氨气。净化后的沼气分流进入甲烷厌氧氧化池，补充甲烷厌氧氧化碳源或汇入厌氧消化系统产生的沼气中参与氨氮吹脱；

(5)吹脱后沼液与污水混合进入污水处理系统（A/O工艺），进行脱氮。沉淀池出水中所剩余的NO₂ ^-/NO₃ ^-，可通过甲烷厌氧氧化反应器进行深度脱氮。

甲烷产率稳定。且用含大量短链脂肪酸的沼液进行脱氮，反硝化等过程不再需要外加碳源，混合污水的NH₄ ⁺-N和TN总去除率分别为96.0%和86.5%。

Claims (1)

1.一种高效利用污泥中碳源的污水处理工艺，其特征在于所述污水处理工艺通过处理单元实现，所述处理单元包含：污水处理系统(1)、沉淀池(2)、甲烷厌氧氧化池(3)、厌氧消化系统(4)、氨氮吹脱池(5)和氨吸收池(6)，其中：污水处理系统(1)的进水口连接进水管，出水口通过管道连接沉淀池(2)的进水口，沉淀池(2)的出水口通过管道连接甲烷厌氧氧化池(3)，沉淀池(2)的脱水污泥口通过管道连接厌氧消化系统(4)，厌氧消化系统(4)的沼液出口通过管道部分流到氨氮吹脱池(5)，其余部分回流至厌氧消化系统(4)；厌氧消化系统(4)的沼气出口通过管道连接氨氮吹脱池(5)，氨氨吹脱池(5)的气体出口通过管道连接氨吸收池(6)，氨吸收池(6)的沼气出口通过三通阀分别连接甲烷厌氧氧化池(3)和氨氮吹脱池(5)；具体步骤如下：

（１）、污水进入污水处理系统(1)，经化学生物处理后，出水进入沉淀池(2)，进行泥水分离；

（2）、步骤（1）中沉淀池的出水中剩余硝态氮亚硝态氮（NO₂ ^-/NO₃ ^-）进入甲烷厌氧氧化池(3)，以厌氧消化系统(4)中产生的沼气中的甲烷为碳源，通过甲烷厌氧氧化进行深度脱氮；步骤（1）中沉淀池的剩余污泥进入厌氧消化系统(4)，于35±2 ℃或55±2 ℃恒温条件下进行厌氧消化；厌氧消化系统(4)消化后的沼液一部分作为污泥稀释液，将脱水污泥稀释至含固率为15%，随脱水污泥返回厌氧消化系统(4)，以实现部分回流；控制厌氧消化系统(4)中氨氮浓度达到5000-7000 mg/L，pH值稳定在8-8.5，抑制厌氧消化系统(4)中的乙酸利用型产甲烷菌，富集氢利用型产甲烷菌，充分利用CO₂/H₂途径产甲烷，减少碳排放，同时节省以短链脂肪酸为代表的有机碳源；

（３）、厌氧消化系统(4)产生的剩余部分的沼液进入氨氮吹脱池(5)，利用厌氧消化系统(4)产生的沼气进行氨氮吹脱（CH₄、CO₂），并实现沼气的初步净化，吹脱后气体（含NH₃、CH₄、CO₂）进入氨吸收池(6)，用水或酸性溶液进行吸收，以氯化铵或硫酸铵的形式进行回收，并实现沼气的深度净化，净化后的沼气分流进入甲烷厌氧氧化池(3)补充甲烷厌氧氧化碳源或汇入厌氧消化系统(4)产生的沼气中进行氨氮吹脱；

（４）、经过氨氮吹脱后的沼液进入污水处理系统(1)，利用其中的以短链脂肪酸为代表的有机碳源补充反硝化过程中碳源，促进脱氮除磷。