CN107473370B - 一种膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理系统及处理方法 - Google Patents

一种膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理系统及处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明主要应用在市政污水处理技术领域，主要涉及一种膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理系统及处理方法。结合生物法和化学法，利用厌氧酸化替代化学酸化溶解磷酸铁沉淀物，并利用微生物异化铁还原作用增加磷酸盐溶解度。本发明应用于活性污泥而非剩余污泥，在微酸条件下实现磷回收，不造成二次污染，并降低活性污泥中的惰性组分，增强活性污泥的生物降解能力，膜反应器的应用可实现污泥停留时间达到无穷大，此时磷回收效率达到95％以上。本发明比化学法磷回收简单、安全、环保，极大减少强酸强碱的使用，降低了回收成本；比生物法稳定高效。

Description

一种膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理系统及处 理方法
技术领域
本发明主要应用在市政污水处理技术领域，主要涉及一种膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理系统及处理方法。
背景技术
磷是污水中造成水体富营养化的主要污染物之一。同时磷也是食品安全中不可替代的资源。含磷矿石在地球的储量有限。据估计，在目前的开采速度下，地球上磷矿石将在本世纪末全部耗尽。研究指出，每年在污水中被处理的磷占全球磷需求量的15％。因此，从污水中进行磷回收成为缓解磷危机的有效手段。目前的磷回收方法主要分成化学法和生物法。化学法是在含磷污泥中加入强酸使磷酸盐溶解，再通过萃取回收。也有加入强碱将磷酸根脱吸附，再进行化学沉淀。生物法通过聚磷菌在好氧池内将污水中的磷酸根吸收至微生物体内然后通过厌氧释磷。化学法磷回收会使用到大量的强酸或强碱，需要专业保存方法。在实际操作过程中存在危险，设备损耗严重。化学法只能应用于剩余污泥，并且在回收完成后产生的强酸或强碱污泥容易导致二次污染。这些缺点也提高了化学法磷回收的成本。生物法的缺点是不稳定，回收效率低。聚磷菌极易受环境(pH，温度，碳源等)影响，对环境变化的承受能力弱。该技术目前尚不成熟，工业应用较少。
例如：CN101381156A公开一种膜生物反应器与磷回收结合的污水处理系统及处理方法，该系统包括：生物处理子系统和磷回收子系统；所述生物处理子系统由缺氧池和膜生物反应器连接而成，缺氧池的污水进水口与引入处理污水的污水供应管连接；所述磷回收子系统由混合池、厌氧释磷池、混合反应池、沉淀池依次连接而成；所述生物处理子系统的膜生物反应器的污泥混合液出水口与所述磷回收子系统的混合池的进水口连通。该系统使用未经任何处理的原污水作为厌氧释磷的碳源。该工艺会导致当污水有机污染物浓度变化较大时磷回收效率低且稳定性差。当污水有机污染物浓度过低时，反应器需要通过增加污水体积来保证足够碳源用于厌氧释磷，而该步骤将需要极大增加反应器体积，同时所释放的磷酸根浓度变低导致无法有效进一步沉淀回收。
CN1807276A公开一种污泥外循环复合式膜生物反应器脱氮回收磷污水处理方法，将生物膜附着在填料上面，污水在生物膜区的停留时间为3～5小时，调整微孔曝气器控制生物膜区的溶解氧浓度在0.5－1.5mg/L之间，进行同步硝化反硝化脱氮；让生物膜区的出水从底部整流挡板进入沉淀区，沉淀区表面负荷为1.0m3/m2-h，将复合式膜生物反应器内沉淀区沉淀污泥的35～45％引入脱磷池。该方法并未有针对性的除磷方法，无法有效的将污水中的磷截留在活性污泥中用于进一步的回收，导致从污水中回收磷的效率低。
发明内容
鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理系统及处理方法。
一种膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理方法，包括：
(1)污水进入混凝池与氯化铁混合，并快速搅拌(转速>200RPM)，形成絮体和磷酸铁共沉淀物。混凝池水力停留时间在1-2分钟。
优选氯化铁投加剂量与污水中总磷浓度成正比，铁磷摩尔比应大于等于2。例如污水中有5mg/L总磷，则需投加氯化铁的浓度应大于等于18.1-Fe mg/L。
(2)混凝池的混合液由泵进入膜生物反应器，膜组件浸没在反应器混合液中，通过膜分离技术磷酸铁共沉淀物被截留在膜生物反应器中与活性污泥混合形成含磷污泥。
其中，膜的类型包括中空纤维膜或平板膜，材料包括有机(Nylon、PES、MCE、CA、PTFE、PVDF、GF、PP)或无机(陶瓷)，孔径在100至450nm之间。
优选膜组件通过抽吸管路依次与反应器外部的抽吸压力表和抽吸泵连接，出水通量控制至0.4～0.5m3/m2-d。反应器水力停留时间在6至12小时之间，污泥停留时间大于30d。
(3)膜生物反应器中含磷污泥由泵进入厌氧发酵罐，优选每天膜生物反应器中20％以上含磷污泥由泵进入厌氧发酵罐。发酵罐中加入碳源，如厨余垃圾(指日常生活及食品加工、饮食服务等食品供应链中产生的垃圾)，优选投加量大于2g/L。厌氧发酵罐由搅拌器混合，进行48小时以上的酸性发酵，初始pH范围约为6-7，酸性发酵后pH范围约为4-5。
通过酸性发酵，加入的碳源会转化为挥发性脂肪酸并降低反应器pH。同时微生物在厌氧条件下利用铁作为电子受体进行异化铁还原作用。因此，磷酸铁共沉淀物转化为磷酸亚铁共沉淀物，并在弱酸性条件下(pH4-5)溶解。
(4)发酵完后沉淀(优选30分钟以上)，上清液由泵进入沉淀回收池，通过碱液调节沉淀回收池pH至7-8，使上清液中的正磷酸盐和亚铁离子形成磷酸亚铁沉淀，将沉淀物取出，厌氧干燥并回收。
剩余上清液富含高附加值的挥发性脂肪酸，可回收做进一步利用，如生物除氮。发酵罐中底部剩余脱磷污泥一部分回流至膜生物反应器继续进行生物降解，另一部分用于排放，排放量根据系统的污泥泥龄控制。
本发明的另一目的在于提供一种用于前述处理方法的一种膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理系统，包括：混凝池，膜生物反应器，厌氧发酵罐和沉淀回收池，依次连接，其中，
混凝池与膜生物反应器之间通过原水泵和抽水管路连接，膜生物反应器底部设有曝气头，通过空气管路依次和外部的空气流量计和空气泵连接；
膜组件垂直浸没于反应器中，通过抽吸管路依次与反应器外部的抽吸压力表和抽吸泵连接；
膜生物反应器和厌氧发酵罐通过两个通道连接：一个通道包括抽水管路和污泥泵，用于将膜生物反应器中的含磷污泥泵入厌氧发酵罐，另一个通道包括抽水管路和回流泵，用于将发酵罐中的脱磷污泥泵入膜生物反应器；
厌氧发酵罐和沉淀回收池通过抽水管路和原水泵连接。
除有特别说明的，各个部件连接后，可以通过泵使得污泥或者污水(上清液)泵入或者泵出。
本发明相对于现有技术的有益效果包括：
1.本发明结合生物法和化学法，利用厌氧酸化替代化学酸化溶解磷酸铁沉淀物，并利用微生物异化铁还原作用增加磷酸盐溶解度。本发明比化学法磷回收简单、安全、环保，极大减少强酸强碱的使用，降低了回收成本；比生物法稳定高效。
2.此外，本发明应用于活性污泥而非剩余污泥，在微酸条件下实现磷回收，不造成二次污染，并降低活性污泥中的惰性组分，增强活性污泥的生物降解能力。
3.膜反应器的应用可实现污泥停留时间达到无穷大，此时磷回收效率达到95％以上。
附图说明
图1从污水中回收磷的膜生物反应器工艺流程图
图2周期运行下污水中除磷效果图
图3周期运行下厌氧发酵罐中磷回收效果图
图4在不同碳源(厨余垃圾)浓度下溶液中pH，挥发性脂肪酸，正磷酸盐和亚铁离子的变化
图5本发明与化学法在不同pH条件下磷回收效率的对比
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明及其有效的技术效果作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，一种膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理系统，包括：混凝池，膜生物反应器，厌氧发酵罐和沉淀回收池，依次连接，其中，
混凝池与膜生物反应器之间通过原水泵和抽水管路连接，膜生物反应器底部设有曝气头，通过空气管路依次和外部的空气流量计和空气泵连接；
膜组件垂直浸没于反应器中，通过抽吸管路依次与反应器外部的抽吸压力表和抽吸泵连接；
膜生物反应器和厌氧发酵罐通过两个通道连接：一个通道包括抽水管路和污泥泵，用于将膜生物反应器中的含磷污泥泵入厌氧发酵罐，另一个通道包括抽水管路和回流泵，用于将发酵罐中的脱磷污泥泵入膜生物反应器；
厌氧发酵罐和沉淀回收池通过抽水管路和原水泵连接。
实施例2
采用实施例1的处理系统的一种膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理方法，包括：
(1)市政污水泵入混凝池与氯化铁混合，并快速搅拌(转速>200RPM)，形成絮体和磷酸铁共沉淀物。混凝池水力停留时间为1-2分钟。
(2)混凝池的混合液由泵进入膜生物反应器。膜生物反应器接种活性污泥(4-5g/L)，用于降解污水中的污染物。经膜组件过滤，磷酸铁共沉淀物被截留在膜生物反应器中与活性污泥混合形成含磷污泥。处理后的水通过膜分离技术由抽吸泵抽出。出水通量控制至0.4～0.5m3/m2-d。反应器水力停留时间在6至12小时之间，污泥停留时间大于等于30d。
(3)每天膜生物反应器中20％含磷污泥由泵进入厌氧发酵罐。同时加入碳源(厨余垃圾，>2g/L)，开始酸性发酵。发酵时间持续48小时。发酵过程中，碳源经水解酸化转化为挥发性脂肪酸。产酸将导致溶液pH降低至4-5。同时微生物通过异化铁还原作用利用三价铁作为电子受体将有机物转化为二氧化碳和水，将三价铁还原为二价铁。因此磷酸铁共沉淀物被转化为磷酸亚铁共沉淀物，并在微酸性条件下溶解，形成正磷酸盐溶液。
(4)发酵完后沉淀30分钟，上清液由泵进入沉淀回收池。通过碱液调节沉淀回收池pH至7-8，使上清液中的正磷酸盐和亚铁离子形成磷酸亚铁沉淀。将沉淀物取出，厌氧干燥并回收。剩余上清液富含高附加值的挥发性脂肪酸，可回收做进一步利用，如生物除氮。发酵罐中底部剩余脱磷污泥一部分回流至膜生物反应器继续进行生物降解，另一部分用于排放，排放量根据系统的污泥泥龄控制。
实施例3：周期运行膜生物反应器与磷回收系统
采用实施例2的方案，反应器持续运行70天，观察市政污水中磷的去除和回收效果。膜生物反应器的水利停留时间为12小时，污泥停留时间为30天，出水通量控制至0.42m3/m2-d。投加厨余垃圾作为碳源，投加量为2g/L。结果如图2和图3所示。进水总磷浓度约为5.40mg/L。出水总磷浓度约为0.11mg/L。污水中有97.9％的总磷被截留在膜生物反应器中与活性污泥混合形成含磷污泥，污泥总磷浓度达到101mg/L。通过厌氧发酵，溶液pH降低至4.5-5.0，平均产生挥发性脂肪酸123.8mg-COD/L，含磷污泥中的磷酸铁共沉淀物被还原成磷酸亚铁共沉淀物并溶解到上清液中，上清液中的正磷酸盐浓度平均达到53.8mg/L。通过碱液调节沉淀回收池pH至7-8，使上清液中的正磷酸盐和亚铁离子形成磷酸亚铁沉淀。根据计算，在周期运行中，从污水中回收磷的平均效率达到63.0％。
实施例4：不同碳源投加量对磷回收的影响
取实施例3中的含磷污泥投入四个相同厌氧发酵罐。在厌氧发酵罐中投加不同剂量的厨余垃圾(0，1，2，4g/L)，观察在不同碳源投加量下厌氧发酵罐的运行效果。结果如图4所示。当没有厨余垃圾投加时(0g/L)，发酵罐不产生挥发性脂肪酸，溶液pH保持在6-7之间，污泥中磷酸铁共沉淀物溶解率低，磷回收效率低。随着投加量增加，酸性发酵得以进行，挥发性脂肪酸产量增加，溶液最终pH呈现明显降低趋势，上清液中的正磷酸盐和亚铁离子浓度明显增加。当投加量达到4g/L时，挥发性脂肪酸产量达到2392mg/L，溶液pH低至4，约有54.0％的磷从含磷污泥中溶解，上清液中正磷酸盐溶度达到74.9mg/L。
实施例5：化学酸化法进行磷回收的效率
采用传统化学酸化法进行磷回收。取实施例3中的含磷污泥，持续加入氯化氢溶液，观察在不同pH条件下磷酸铁共沉淀物溶解的效果，并与实施例2中的结果进行比较。结果如图5所示。采用化学法进行磷回收需要将含磷污泥的pH降低至2以下，才能观察到磷酸铁共沉淀物的溶解。当pH降低至1.3时，54.8％的总磷可溶解为正磷酸盐。而实施例4中，只需要投加4g/L厨余垃圾进行酸性发酵，溶液的pH降低至4，54.0％的总磷便可溶解为正磷酸盐。对比以上结果可发现：酸性发酵法利用厨余垃圾进行磷回收，极大降低了工艺成本；无需使用危险化学药剂，提高工艺安全性，减少设备损耗；利用酸性发酵和异化铁还原作用，实现微酸性条件下的磷回收，提高回收效率；发酵剩余污泥可回流至膜生物反应器继续使用，避免二次污染。而化学酸化使用强酸药剂，增加了工艺成本、操作危险性、设备损耗，并且剩余化学污泥难处理，易造成二次污染。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理方法，其特征在于，包括：
(1)污水进入混凝池与氯化铁混合，并快速搅拌，形成絮体和磷酸铁共沉淀物，其中，铁磷摩尔比大于等于2；
(2)混凝池的混合液由泵进入膜生物反应器，膜组件浸没在反应器混合液中，通过膜分离技术磷酸铁共沉淀物被截留在膜生物反应器中与活性污泥混合形成含磷污泥；
(3)膜生物反应器的含磷污泥由泵进入厌氧发酵罐，发酵罐中加入碳源，投加量大于2g/L，厌氧发酵罐由搅拌器混合，进行酸性发酵，加入的碳源会转化为挥发性脂肪酸并降低反应器pH，同时微生物在厌氧条件下利用铁作为电子受体进行异化铁还原作用，磷酸铁共沉淀物转化为磷酸亚铁共沉淀物，并在pH 4-5弱酸性条件下溶解，初始pH范围为6-7，酸性发酵后pH范围为4-5；
(4)发酵完后进行沉淀，上清液由泵进入沉淀回收池，通过碱液调节沉淀回收池pH至7-8，将沉淀物取出，厌氧干燥并回收。
2.根据权利要求1所述的的污水处理方法，其特征在于，步骤(1)中快速搅拌转速&gt；200RPM，混凝池水力停留时间在1-2分钟。
3.根据权利要求1所述的的污水处理方法，其特征在于，步骤(2)中膜的类型包括中空纤维膜或平板膜，材料包括有机材料，选自Nylon、PES、MCE、CA、PTFE、PVDF、GF、PP，或无机材料，选自陶瓷，孔径在100至450nm之间。
4.根据权利要求1或3所述的的污水处理方法，其特征在于，步骤(2)中膜组件通过抽吸管路依次与反应器外部的抽吸压力表和抽吸泵连接，出水通量控制至0.4～0.5m3/m2-d，反应器水力停留时间在6至12小时之间，污泥停留时间大于30d。
5.根据权利要求1所述的的污水处理方法，其特征在于，步骤(3)中每天膜生物反应器中20％以上含磷污泥由泵进入厌氧发酵罐，碳源选自厨余垃圾。
6.根据权利要求1或5所述的的污水处理方法，其特征在于，步骤(3)中进行的酸性发酵时间为48小时以上。
7.根据权利要求1或5所述的的污水处理方法，其特征在于，步骤(4)中发酵完后沉淀30分钟以上，沉淀包括正磷酸盐和亚铁离子形成磷酸亚铁沉淀。
8.一种实现前述权利要求1-7任一项所述污水处理方法的膜生物反应器与磷回收工艺相结合的污水处理系统，包括：混凝池，膜生物反应器，厌氧发酵罐和沉淀回收池，依次连接，其中，
混凝池与膜生物反应器之间通过原水泵和抽水管路连接，膜生物反应器底部设有曝气头，通过空气管路依次和外部的空气流量计和空气泵连接；
膜组件垂直浸没于反应器中，通过抽吸管路依次与反应器外部的抽吸压力表和抽吸泵连接；
膜生物反应器和厌氧发酵罐通过两个通道连接：一个通道包括抽水管路和污泥泵，用于将膜生物反应器中的含磷污泥泵入厌氧发酵罐，另一个通道包括抽水管路和回流泵，用于将发酵罐中的脱磷污泥泵入膜生物反应器；
厌氧发酵罐和沉淀回收池通过抽水管路和原水泵连接。
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