CN109160683A - 一种具有碳氮磷资源化回用特性的污水处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种污水处理系统及方法。所述污水处理系统主要包括预处理系统、微藻反应系统、藻水分离系统、浓缩系统、厌氧反应系统、沼气发电系统、磷回收系统、氮回收系统和产品加工单元。污水处理方法为，污水经预处理后进入微藻反应系统进行处理，再进入藻水分离池；出水进入浓缩系统处理至达标排放，浓水回流至微藻反应系统或厌氧反应系统；分离的微藻部分回流至微藻反应系统中，剩余进入厌氧反应系统；厌氧消化过程中产生的沼气收集后进入沼气发电系统，上清液先后进入磷回收系统和氨回收系统，生成鸟粪石和高浓度氨水，消化残渣直接作为有机肥。该工艺能同时实现污水处理和碳氮磷富集资源化，产生经济与社会效益。

Description

一种具有碳氮磷资源化回用特性的污水处理系统及方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种污水处理系统及方法。

背景技术

近年来，随着我国经济发展和城镇化进程的加快，污水排放量不断增加，污水处理设施的建设已经成为政府环保部门的重点推进工作。但污水处理厂的建设投资和运行费用较为高昂，是制约污水处理厂覆盖率提高的重要因素之一。

当前，活性污泥法以其运行稳定、污染物去除率高、管理方便等优势，在国内外污水处理领域广泛应用。活性污泥法主要通过微生物对污染物的吸附、降解作用，将水中的有机态碳、氮、磷转化为无机态，从而实现污染物的去除。在此过程中，为维持微生物活动所需的条件，需要额外投入药剂、能量等保证系统的正常运行，投入成本较大。此外，污水中的碳、氮、磷等元素富集在污泥中，最终以剩余污泥的形式大量外运，既增加了污泥处理处置的成本与难度，也导致碳、氮、磷等元素的极大浪费。现有的污水处理技术呈现出来“以能耗能”且对环境存在二次污染风险，这导致污水处理行业很大程度上成为一个不直接产生经济效益、高耗能、低产出的行业，难以适应可持续发展潮流。因此，探究一种能够同时实现高效去除污染物和回收碳氮磷进行资源化利用的污水处理工艺，对于污水处理行业的发展有重大意义。

藻类是自然界中常见的自养型微生物，当水体中氮磷含量较高引起出现富营养化时，藻类能够进行快速生长繁殖，吸收水体中氮、磷等营养元素用于合成自身结构并进行代谢活动，经常作为水体富营养化的产物被处理。大多数藻类属于光能自养型，利用自然界中的无机碳及大量氮和磷进行自身合成与生长代谢，藻类的这种特性在近年来被尝试应用于碳、氮、磷的富集及资源化回收。但目前的研究基本停留在实验室小试阶段，小部分仅仅被用作三级处理，而且还未实现氮磷回用、能量回收等全面、经济的工艺化运行模式。

发明内容

为了克服上述现有污水处理工艺存在的以能耗能、副产物处理困难、资源浪费的不足，本发明提供了一种以微藻为主体，具有碳氮磷资源化回用特性的高效污水处理工艺，所述工艺在保证污水中的污染物去除率的同时，实现污水中氮磷等营养物质的资源化、能源化。

本发明所采用的技术方案是：

一种微藻处理污水方法，所述方法包含三大环节：污水处理环节、碳氮磷回收环节、碳氮磷资源化利用环节；通过将三个环节组合到一起，实现污水处理和碳氮磷资源化回用结合的工艺，污水处理环节主要工艺单元包括预处理系统、微藻反应系统、藻水分离系统和浓缩系统，碳氮磷回收环节主要工艺单元包括厌氧反应系统、磷回收系统、氮回收系统，碳氮磷资源化利用环节主要工艺单元包括沼气发电机系统和初级化肥储存池，污水经过预处理后进入微藻反应系统中，微藻反应系统中含有悬浮微藻，生物质浓度维持在0.5～10.0g/L之间，反应条件为：停留时间为1～20d光暗比1：23～23：1，光照强度≥1000lux，反应后去除水中氮磷和部分有机污染物。处理后的藻水混合液进入藻水分离系统，分离得到的水进入浓缩系统进行处理，浓缩系统主要由孔径为0.01～0.001μm的无机陶瓷膜装置构成，去除其中的COD，出水最终达标排放，浓水可回流至微藻反应系统进一步去除COD或回流至厌氧反应系统中进行厌氧反应产沼气。分离得到的微藻部分回流至微藻反应系统中补充藻量，其余进入到厌氧反应系统中进行厌氧消化。厌氧消化过程中产生沼气、消化液和消化残渣。沼气收集后进入沼气发电系统纯化后进行发电，产生的电能传输到厂内电站供全场工艺运行用电所需，节约水厂运行费用，富余电能可并入公共电网产生收益；富含氮磷的上清液进入磷回收系统，通过流化床反应装置反应生成鸟粪石晶体沉淀，分离后获得鸟粪石初级产品和高浓度氨氮清液，氨氮清液通过氮回收系统产生高浓度氨水初级产品；碳氮磷含量较为丰富的消化残渣可直接作为有机肥的初级产品，储存在初级化肥储存间。鸟粪石、氨水及有机肥初级产品经加工成优质产品，可投入市场产生收益。

与现有工艺技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明具有污染物高效去除、出水水质高的特点。工艺以微藻作为污水处理的主体，辅以多级膜过滤浓缩系统，能够将水中的氮磷几乎完全富集到微藻中，并通过膜过滤系统对有机碳进行高效去除，出水中的污染物浓度极低，最终出水能够稳定达到一级A标准。

本发明具有充分回收资源的特点，能够实现碳氮磷的高效富集和资源化回收。常规活性污泥法往往采用生物脱氮除磷、化学除磷等方法，氮元素最终转化为氮气逸散与空气中，部分无机磷元素随出水排放，大量有机碳、磷元素富集于剩余污泥中排出，均导致碳氮磷元素无法回收利用。本工艺利用微藻在氮磷丰富的条件下快速生长的特点，将污水中的几乎全部氮磷和部分有机碳富集于微藻中，同时利用藻类的光合作用将空气中的无机碳转化为有机碳储存于微藻之中，损耗量少。通过藻水分离收集后再将微藻进行厌氧消化，将其中的碳氮磷重新释放，能够实现碳氮磷的高效回收。在厌氧消化过程中产生沼气实现碳元素的资源化；富含氮磷的上清液进行鸟粪石制备和高浓度氨水制备，实现氮元素和磷元素的资源化；碳氮磷含量较多的消化残渣作为有机肥产品，工艺能够实现碳氮磷元素的完全资源化回用。

本发明具有低耗能、高产出的特点，能够实现极大的经济效益、社会效益和环境效益。工艺使用微藻处理污水，水中的碳氮磷等污染物质成为藻类生长所需的营养物质，无需额外投加物料，只需提供充足的光照和适当的混合动力，即可实现藻类的大量繁殖和污染物去除，反应池的运行能耗较传统污水处理工艺大大降低。在保证微藻反应池的藻量充足的前提下，剩余大量的微藻进行厌氧消化产生沼气并进行发电，产生的电能用于补偿反应池、藻水分离系统以及多级浓缩系统的运行能耗，不仅能够满足水厂在工艺运行中电能的自给自足，甚至能够供给城市电网，进而化污水处理的“高能耗”缺陷为“高产能”优势。本工艺厌氧消化后制备得的鸟粪石和高浓度氨水均是回收价值极高的产品，消化藻渣也可作为有机肥进行利用，产品的出售能够产生很大的经济效益。同时，磷是人类生产和生活中必不可少的元素，且是不可再生资源，本工艺能够高效富集并资源化回收磷元素、氮元素和碳元素，实现了极大的社会效益。此外，本工艺通过碳氮磷去除、回收、产品化利用等过程的联合，基本能够实现资源充分回用、废物零排放的目的，避免了传统活性污泥工艺面临的剩余污泥处理处置难、“垃圾围城”等环境二次污染问题，具有极大的社会效益和环境效益。

附图说明

图1是本发明在实施例中方法步骤示意图。下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。

实施例1

城市生活污水产生量大，其中碳氮磷总量大，适合采用本工艺进行处理，如图1所示。污水经过格栅、沉砂池等预处理，去除掉其中尺寸较大的生活垃圾。然后进入装有曝气系统的微藻反应池，微藻采用小球藻，光照系统由若干LED灯从侧面供给，光照条件控制为光暗比12：12，光照强度2000～3000lux，水力停留时间2～7d，微藻大量富集水中的碳氮磷元素，实现水中氮磷及部分有机污染物的去除。处理后的藻水混合液进入藻水分离池，得到浓缩藻液和清夜。清液进入无机陶瓷超滤膜系统进行深度处理，最终出水达到一级A排放标准，总磷、氨氮及COD去除率均高于90％；浓水进入厌氧反应器中。浓缩藻液部分回流至微藻反应池中补充藻量，其余进入到厌氧反应器中进行厌氧消化。在厌氧反应系统中，生物质浓度在80～100g/L，来自无机陶瓷膜浓缩系统的浓水和藻水分离系统的藻液在厌氧条件下有机物被分解，氮、磷元素释放到上清液中，产生沼气、消化液和消化残渣，其中沼气甲烷含量高达70％左右。沼气收集后进入沼气发电机组进行发电，产生的电能传输到厂内电站供全场工艺运行用电所需，节约水厂运行费用，富余电能可并入公共电网产生收益；富含氮磷的上清液进入鸟粪石反应装置，通过投加酸碱药剂调节反应pH值在8～11之间，投加镁盐等调节系统镁磷比约1.5，生成鸟粪石沉淀，分离后获得鸟粪石初级产品和清液；清液中氨氮含量较高，通过脱氨膜装置产生高浓度氨水初级产品；碳氮磷含量较为丰富的消化残渣直接作为有机肥的初级产品。

实施例2

本发明可用于养殖废水的处理。废水经过格栅和气浮池的预处理，将动物皮毛、油渣等杂物去除后，进入微藻反应系统。微藻反应系统中采用栅藻，光照强度为7000lux，光照周期为24h，光暗比为24：0，温度35℃，水力停留时间为5d，出水中氨氮和总磷去除率分别为77.26％和95.06％。藻水混合液通过管道进入微滤陶瓷膜进行藻水分离，分离所得的浓缩藻液进入厌氧反应系统；分离的出水通过管道进入反渗透膜系统进行浓缩，去除其中的COD，出水达标排放，浓水通过管道进入厌氧反应系统。在厌氧反应系统中，生物质浓度在100g/L左右，COD浓度较高的浓水浓缩藻液在厌氧条件下有机物被分解，氮、磷元素释放到上清液中，产生沼气、消化液和消化残渣，其中沼气甲烷含量高达70％左右。沼气收集后进入沼气发电机组进行发电，产生的电能传输到厂内电站供厂内部分工艺运行用电所需。富含氮磷的上清液进入鸟粪石反应装置，通过投加酸碱药剂调节反应pH值在8～11之间，投加镁盐等调节系统镁磷比约1.5，生成鸟粪石沉淀，分离后获得鸟粪石初级产品和清液；清液中氨氮含量较高，通过脱氨膜装置产生高浓度氨水初级产品；碳氮磷含量较为丰富的消化残渣直接作为有机肥的初级产品。

显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡在本发明的精神和原则之内所做的若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有碳氮磷资源化回用特性的污水处理系统，其特征在于，包括预处理系统(1)、微藻反应系统(2)、藻水分离系统(3)和浓缩系统(4)、厌氧反应系统(5)、磷回收系统(7)、氨回收系统(8)、沼气发电系统(6)以及初级化肥储存池(9)，预处理系统(1)包括格栅和沉砂池，预处理系统出口与微藻反应系统(2)相连；微藻反应系统(2)中混合液含有悬浮的微藻，微藻反应系统出口与藻水分离系统(3)的入口相连；藻水分离系统(3)设有膜分离装置，藻水分离系统第一出口与浓缩系统(4)的入口相连，用于排出经过处理的污水，藻水分离系统第二出口分别与微藻反应池(2)和厌氧反应系统(5)的入口相连，用于排出浓缩藻液；浓缩系统(4)设有反渗透膜装置，浓缩系统第一出口排出达标出水，浓缩系统第二出口与厌氧反应系统(5)的入口相连，用于排出浓水；厌氧反应系统(5)设有搅拌装置，厌氧反应系统第一出口用于排出气体，与沼气发电系统(6)的入口相连，厌氧反应系统第二出口用于排出上清液，与磷回收系统(7)的入口相连，厌氧反应系统第三出口用于排出底部残渣；沼气发电机组(6)包括气体预处理系统和发电机组，发电机组与电网相连；磷回收系统(7)包括流化床反应装置，流化床反应装置第一出口用于排出反应上清液，与氮回收系统(8)的入口相连，流化床反应装置第二出口用于排出底部鸟粪石晶体沉淀；氮回收系统(8)设置有膜分离系统，膜分离装置第一出口排出高浓度氨水，膜分离装置第二出口排出淡水，鸟粪石晶体沉淀、高浓度氨水及厌氧反应残渣进入产品加工单元进行再加工。

2.根据权利要求1所述污水处理系统，其特征在于，所述微藻反应系统配有光照装置和曝气鼓风机，用于提供悬浮微藻生长代谢所需的光照条件及气体环境；所述微藻反应系统利用微藻进行污水中含氮、含磷污染物和部分有机物的去除。

3.根据权利要求1所述污水处理系统，其特征在于，所述藻水分离系统由一定孔径的无机膜系统组成，用于截留一定尺寸的微藻，实现微藻与水的分离，主要产物包括浓缩藻液和出水；所述无机膜系统分别与真空泵和反冲洗装置相连，分别用于提供膜过滤的动力以及膜装置的清洗。

4.根据权利要求1所述污水处理系统，其特征在于，所述浓缩系统由一定孔径的无机膜系统组成，由多组膜装置构成多级浓缩系统，用于去除污水中的有机物及尺寸较小的微藻，主要产物包括浓水和淡水；所述无机膜系统分别与真空抽滤泵和反冲洗装置相连，分别用于提供膜过滤的动力以及膜装置的清洗。

5.根据权利要求1所述污水处理系统，其特征在于，所述厌氧反应系统中主要包含浓缩藻液和膜系统所产生的浓水，经过厌氧消化反应的主要产物包括沼气、消化上清液和消化残渣。

6.根据权利要求1所述污水处理系统，其特征在于，所述磷回收系统为流化床反应装置，用于回收消化上清液中含量较高的磷元素，主要产物为鸟粪石晶体沉淀和上清液；所述上清液进入氮回收装置进行处理。

7.根据权利要求1所述污水处理系统，其特征在于，所述氮回收系统设有膜分离装置，用于去除进水含量较高的氨氮，主要产物为高浓度氨水和淡水。

8.根据权利要求1所述污水处理系统，其特征在于，所述沼气发电机系统包括气体分离纯化装置和发电机组。

9.一种利用权利要求1-8所述的污水处理系统进行污水处理的方法，其特征在于，污水处理方法包括以下步骤：污水经过预处理后进入微藻反应池，水中含氮、含磷污染物及有机污染物通过藻类富集作用得到去除；处理后藻水混合液进入藻水分离池，使微藻与水得到分离；分离得到的水进入多级浓缩系统，去除其中粒径极小的微藻、COD杂质，出水最终达标排放；浓水回流至微藻反应池或厌氧反应器进行处理，去除浓水中高浓度的COD；分离得到的微藻部分回流至微藻反应池以补充藻种，维持充足的生物量，其余进入到厌氧反应器中进行厌氧消化；厌氧消化过程中，微藻中的有机质转化为纯度较高的沼气，氮磷元素释放到硝化液中，产生的沼气收集后进入沼气发电机组，产生的电能传输到厂内电站和城市电网；上清液进入鸟粪石反应装置生成鸟粪石沉淀，分离得到清液通过氨水制备装置制备高浓度氨水初级产品；消化残渣可直接作为有机肥的初级产品；鸟粪石、氨水和有机肥初级产品进入加工单元。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述微藻为绿藻，生物质浓度维持在0.5～10.0g/L之间；微藻反应池中的水力停留时间为1～20d，pH在6～8之间，温度在20～30℃之间；系统光照条件是：光暗比1：23～23：1，光照强度≥1000lux；藻水分离系统的分离膜孔径为0.01～0.001μm，材质为无机陶瓷膜；浓缩系统的膜孔径为0.001～0.0001μm，材质为无机陶瓷膜；磷回收系统的流化床反应条件是：pH 8～11，镁磷比1.1～1.6。