CN110451716A - 一种污水处理与资源回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污水处理与资源回收方法，该方法包括依次进行的厌氧消化、磷酸铵镁结晶、短程硝化和厌氧氨氧化，污水经厌氧消化作用将有机物主要转化为甲烷，之后含氮磷的消化液与外加Mg²⁺反应生成磷酸铵镁沉淀并回收利用，最后短程硝化同厌氧氨氧化联合实现快速去除剩余的氨氮，使出水水质达到一级A（GB18918‑2002）排放标准。本发明的处理方法在保证污水中的污染物高效去除的同时，实现污水中碳、磷物质的资源化和能源化。

Description

一种污水处理与资源回收方法

技术领域

本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种厌氧消化、磷酸铵镁结晶和短程硝化-厌氧氨氧化相结合的污水处理与资源回收方法。

背景技术

随着我国社会、经济的快速发展，污水排放量不断增加，污水处理设施建设正成为政府环保部门的重点推进工作。当前，以传统活性污泥法为代表的主体处理是国内污水处理的主流工艺，工艺流程主要是：提升进水→格栅→沉砂池→曝气池→沉淀池→氯气消毒→排放到自然水体，利用曝气装置向曝气池内供氧，是通过微生物的新陈代谢将污水中的大部分有机污染污染物变成CO₂和H₂O，泥水混合物一起流入沉淀池，微生物沉在池底，并通过管道和泵回送到曝气池前端与新流入的污水混合，沉淀池顶部澄清的处理水则通过出水堰排放。经过一系列的措施，出水水质要求能达到一级A标准（GB18918-2002），但其高能耗、低资源利用率的弊端制约了污水处理厂的普及和覆盖。

传统活性污泥法系统在运行过程中，需要额外投加物料、补充能量来降解污水中的污染物，具体表现在：（1）生化反应段的曝气、搅拌操作消耗大量电能，约占整个处理厂电耗的60%～70%；（2）许多工业废水的进水来源复杂，水质存在差异，往往需要额外投加药剂以调节水质、补充碱度等，保证生化反应的高效进行；（3）污水处理的最终结果是有机物、氮、磷等污染物的降解、矿化，资源无法得到回收利用；（4）工艺产生的大量剩余污泥处理处置难度大，毒性高，无法资源化回收其中的有机物，且对环境有二次污染的风险。

厌氧消化技术由于具有能耗低、占地面积小以及可回收清洁的生物能源等优势，在污水与污泥处理方面应用非常广泛。通过对污水中有机物厌氧消化，可实现沼气能源回收以及氮磷的充分释放。磷酸铵镁结晶技术是一种新型的氮磷资源回收方法，当污水中存在NH₄ ⁺、Mg²⁺和PO₄ ^3-时，发生如下反应：NH₄ ⁺ + Mg²⁺ + PO₄ ^3- → MgNH₄PO₄·6H₂O ↓，生成物MgNH₄PO₄·6H₂O即为磷酸铵镁，简称为MAP，俗称鸟粪石，为白色晶体，是一种良好的缓释肥。将厌氧消化技术和磷酸铵镁结晶技术相结合，可以实现污水碳、磷资源的全回收利用。

短程硝化-厌氧氨氧化技术包含两个生物过程，部分污水中的NH₄ ⁺-N首先在好氧的短程硝化池中被氧化为NO₂ ^--N，剩余污水中的NH₄ ⁺-N超越进入厌氧氨氧化池，随后短程硝化池的出水进入厌氧氨氧化池，厌氧氨氧化菌在厌氧条件下，以NO₂ ^--N为电子受体和NH₄ ⁺-N作为直接电子供体反应生成氮气，达到污水中NH₄ ⁺-N的全程自养脱氮。NH₄ ⁺-N经短程硝化-厌氧氨氧化过程处理后实现高效快速去除，相比传统硝化反硝化技术相比，供氧量、有机碳源投加量以及污泥产量都大幅减少，降低能耗，节省费用。

综上所述，厌氧消化技术、磷酸铵镁结晶技术和短程硝化-厌氧氨氧化技术组合极具有应用价值，可以实现污水中碳、磷资源的全部回收和能源产出，污水处理效果好，在污水处理领域具有良好的发展与应用前景。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有污水处理技术能耗高、资源利用率低的问题，提出一种利用厌氧消化技术、磷酸铵镁结晶技术和短程硝化-厌氧氨氧化技术相耦合的污水处理与资源回收方法，所述方法在保证污水中的污染物高效去除的同时，实现污水中碳、磷物质的资源化和能源化。

一种污水处理与资源回收方法，采用连续流的运行方式，依次进行以下步骤：

步骤1，厌氧生物处理，污水在厌氧菌和兼性菌的作用下发生降解；

步骤2，磷酸铵镁结晶：厌氧消化液与沉淀剂反应形成磷酸铵镁结晶；

步骤3，步骤3，短程硝化：磷酸铵镁结晶后的50%出水中剩余有机物进一步降解，同时在亚硝化菌作用发生短程硝化；

步骤4，厌氧氨氧化：磷酸铵镁结晶的50%出水和短程硝化后的亚硝化液混合，在厌氧氨氧化菌作用下自养脱氮。

进一步地，所述沉淀剂为镁盐，选自氯化镁、硫酸镁、氧化镁或氢氧化镁。

一种污水处理与资源回收系统，包括依次串接的调节池、厌氧消化池、磷酸铵镁结晶池、短程硝化池和厌氧氨氧化池；

所述磷酸铵镁结晶池与厌氧氨氧化池相连。

进一步地，所述磷酸铵镁结晶池还连有自动投加装置；在磷酸铵镁结晶池内设有机械搅拌系统。

进一步地，所述磷酸铵镁结晶池通过超越进水系统与厌氧氨氧化池相连。

与现有技术相比，本发明具有以下效果：

1.本发明污水处理效果好。主体工艺厌氧消化技术较好氧生物处理工艺相比，池内生物量大，污水中的绝大大部分有机物都可以被降解，使有机物转化为甲烷，回收污水的能源。同时，磷酸铵镁结晶技术按照完全除磷投加沉淀剂，短程硝化-厌氧氨氧化技术水利停留时间短，容积负荷、水力负荷大，可以高效快速去除污水中的氮，出水水质优于传统活性污泥法处理。

2.本发明能耗低。厌氧生物处理技术无需供氧，节省动力费用，由于有机物大多被降解产生甲烷，污泥产量少，而且污泥脱水性能好，处理处置较容易。短程硝化-厌氧氨氧化技术相比传统硝化反硝化技术工艺流程缩短，无需外加有加碳源，避免了二次污染，理论上可节约供氧量47.7%左右，污泥产量整体降低，既节省动力费用又可节省药剂投加费用。此外，污泥活性高，处理能力大，可减小反应器容积，生物膜法处理污水兼具生物氧化和截留悬浮固体作用，无需再设二沉池进行泥水分离，整体上节省基建投资。

本发明可充分回收污水中的碳、磷资源，且避免了处理过程中对环境的二次污染。与传统活性污泥法污水处理工艺去除污染物的思路不同，本系统对污水中的碳、磷资源进行了充分的资源和能源回收。在传统工艺中，碳经微生物的分解和反硝化作用转化为CO₂，而磷转移至剩余污泥中，污水处理的副产物污泥成分复杂，资源难以进行有效利用，且污泥成分复杂，处理处置困难较大。本系统中厌氧消化技术可以将大部分有机物分解转化为CH₄产能，污水中的磷和部分氮在经过结晶后形成一种高纯度的缓释化肥，剩余的污染物在经过短程硝化-厌氧氨氧化后进一步去除，实现了大部分碳、磷的资源化。

附图说明

图1是实施例1采用的污水处理与资源回收系统运行流程图。

图中：1－调节池，2－厌氧消化池，3－沼气柜，4－磷酸铵镁结晶池，5－Mg²⁺自动加药装置，6－短程硝化池，7－厌氧氨氧化池，8－进水泵，9－厌氧消化池污泥泵，10－机械搅拌器，11－Mg²⁺加药计量泵，12－磷酸铵镁结晶池杂质泵，13－短程硝化池进水泵，14－短程硝化池鼓风机，15－厌氧氨氧化池超越进水泵，16－厌氧氨氧化池进水泵。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明提供的污水处理与资源回收方法，为污水处理提供一种联合处理系统。该系统包括调节池、厌氧消化池、磷酸铵镁结晶池、短程硝化池、厌氧氨氧化池、超越进水系统、沼气收集系统、沉淀剂投加系统、机械搅拌系统、晶体回收系统、排泥系统。其中调节池用于消除水质波动对厌氧生物处理系统的影响。厌氧消化池在无氧条件下将有机物主要转化为甲烷。磷酸铵镁结晶池为反应、沉淀一体化反应器，外加Mg²⁺同富含氮磷的消化液反应生成磷酸铵镁沉淀并回收利用。短程硝化池同厌氧氨氧化池实现短程硝化厌氧氨氧化反应快速去除剩余的氨氮，出水水质达到一级A（GB18918-2002）排放标准。

所述污水厌氧消化过程是通过进水泵将调节池内的污水由底部泵入厌氧消化池，污水自下而上通过反应器，在高浓度兼性菌和厌氧菌作用下，复杂有机物经过水解、酸化、产酸、产甲烷阶段后被分解为CH₄、CO₂、H₂O等。反应器顶部设有三相分离器，污泥自动滑落沉降至反应器底部的污泥床，消化气从反应器顶部气室导出至沼气收集系统，消化液从澄清区出水流入磷酸铵镁结晶池。反应器底部设有污泥排出系统定期排泥。

所述磷酸铵镁结晶过程是厌氧消化池出水流至磷酸铵镁结晶池进行氮磷营养元素的回收。设有全自动药剂投加系统，调节系统pH值为9.0左右，通过加药计量泵按照n(Mg^{2 +})：n(PO₄ ^3-)=1~1.5：1自动投加镁盐，例如MgCl₂、MgSO₄、MgO、Mg(OH)₂等，实现磷和镁的完全去除。设有机械搅拌系统，以大约500r/min的速度搅拌反应液，促进晶核形成和晶体成长并沉至反应器底部。设有晶体排出系统，定期回收晶体。

所述短程硝化过程是磷酸铵镁结晶池50%的出水从底部泵入短程硝化池，池内置有塑料填料滤床，供生物膜附着和生长，底部设曝气系统，控制DO低于0.5mg/L，缩短水力停留时间，一方面把剩余有机物进一步降解，同时把NH4⁺-N转化为NO₂ ^--N，亚硝化液从顶部出水流入厌氧氨氧化池。

所述厌氧氨氧化过程是磷酸铵镁结晶池50%的出水越过短程硝化池直接从底部泵入厌氧氨氧化池，池内置有塑料填料滤床，供生物膜附着和生长，在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以未反应的NH4⁺-N作为直接电子供体，以NO₂ ^--N为电子受体反应生成氮气，实现污水中剩余NH₄ ⁺-N的全程自养脱氮。

进一步地，所述超越进水系统是磷酸铵镁结晶池50%的出水越过短程硝化池直接流入厌氧氨氧华池。

进一步地，所述沼气收集系统是通过厌氧消化池顶的集气罩收集沼气，并将其导出气室送往沼气柜。

进一步地，所述沉淀剂投加系统是加药箱、加药计量泵和自动控制系统一体化设备，根据在线仪表测得的水质数据和预先设定的标准值不断进行比对，自动加药。

进一步地，所述机械搅拌系统是利用搅拌器在磷酸铵镁结晶池反应区转动对液体进行搅拌，使沉淀剂在池中混合均匀，促进晶体成核和增长。

进一步地，所述晶体回收系统是利用杂质泵定期导出磷酸铵镁结晶池底部沉淀区的晶体颗粒，晾干储存。

进一步地，所述排泥系统是通过厌氧消化池污泥泵定期排出厌氧消化池池的剩余污泥，维持池内生物平衡。

实施例1

如图1所示，本发明采用连续流的运行方式，污水从调节池1依次通过厌氧消化池2、磷酸铵镁结晶池4、短程硝化池6、厌氧氨氧化池7后出水，并在厌氧消化池配置集气装置3和污泥泵9，磷酸铵镁结晶池配置沉淀剂自动加药装置5、机械搅拌装置10和杂质泵12，短程硝化池配置鼓风曝气机14，厌氧氨氧化池配置超越进水泵15。整个工艺流程包括进水/厌氧生物处理过程、磷酸铵镁结晶沉淀过程、短程硝化过程、厌氧氨氧化过程和排泥过程五个过程。

具体运行过程如下：

1.进水/厌氧生物处理过程：通过进水泵8将调节池1内的污水从底部泵入厌氧消化池2，污水自下而上流经反应器，在厌氧菌和兼性菌的作用下有机物逐渐被分解为以CH₄为主的气体，气体导出至沼气柜3，顶部出水自流入磷酸铵镁结晶池4，底部反应区活性污泥通过污泥泵9定期排放，维持反应器内生物平衡。

2.磷酸铵镁结晶沉淀过程：厌氧消化液自顶部流入磷酸铵镁结晶池4，通过自动加药装置5将沉淀剂Mg²⁺计量投加，在机械搅拌器10转动下，反应区中富含氮磷的消化液同Mg^{2 +}混合均匀并形成晶核，晶核长大逐渐降至沉淀区，通过杂质泵12定期回收晶体颗粒，晾干储存，50%的出水自顶部通过进水泵13泵入短程硝化池6，剩余出水自顶部通过进水泵15超越进入厌氧氨氧化池7。

3.短程硝化过程：磷酸铵镁结晶池50%出水自底部泵入短程硝化池6，鼓风机14进行池内曝气，好氧条件下，经磷酸铵镁结晶处理后的剩余有机物进一步降解，同时NH4⁺-N在亚硝化菌作用下被氧化为NO₂ ^--N，亚硝化液自顶部出水通过进水泵16泵入厌氧氨氧化池7。

4.厌氧氨氧化过程：磷酸铵镁结晶池50%出水通过超越进水泵15自底部泵入厌氧氨氧化池7，亚硝化液通过进水泵16自底部泵入厌氧氨氧化池7，在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌以未反应的NH4⁺-N作为直接电子供体，以NO₂ ^--N为电子受体反应生成氮气，实现污水中剩余NH₄ ⁺-N的去除，出水自反应器顶部澄清排出。

5.排泥过程：厌氧消化池2和磷酸铵镁结晶池4分别通过污泥泵9和杂质泵12定期排出厌氧消化池剩余活性污泥和磷酸铵镁晶体颗粒。

该工艺采用连续流的运行方式，污水首先进入厌氧消化池去除绝大大部分有机物，实现碳资源回收；厌氧消化池出水进入磷酸铵镁结晶池进行全部磷和部分氮资源回收；磷酸铵镁结晶池50%出水进入短程硝化池实现NH4⁺-N亚硝化和剩余有机物的进一步降解；磷酸铵镁结晶池剩余出水超越进入厌氧氨氧化池，短程硝化池出水中的NO₂ ^--N和剩余NH4⁺-N发生反应完成全部氮的去除，水质达标排放；各反应器定期排泥。整个运行周期约为18~26h，其中，厌氧消化池8~10h，磷酸铵镁结晶池2~4h，短程硝化池4~6h，厌氧氨氧化池4~6h。

Claims (7)

1.一种污水处理与资源回收方法，其特征在于：采用连续流的运行方式，依次进行以下步骤：

步骤1，厌氧生物处理，污水在厌氧菌和兼性菌的作用下发生降解；

步骤2，磷酸铵镁结晶：厌氧消化液与沉淀剂反应形成磷酸铵镁结晶；

步骤3，短程硝化：磷酸铵镁结晶后的50%出水中剩余有机物在好氧条件下进一步降解，同时NH4⁺-N在亚硝化菌作用发生短程硝化；

步骤4，厌氧氨氧化：磷酸铵镁结晶后的50%出水和短程硝化后的硝化液混合，在厌氧氨氧化菌作用下自养脱氮。

2.根据权利要求1所述的污水处理与资源回收方法，其特征在于：所述沉淀剂为镁盐，选自氯化镁、硫酸镁、氧化镁或氢氧化镁。

3.一种污水处理与资源回收系统，其特征在于：包括依次串接的调节池、厌氧消化池、磷酸铵镁结晶池、短程硝化池和厌氧氨氧化池；

所述磷酸铵镁结晶池与厌氧氨氧化池相连。

4.根据权利要求3所述的污水处理与资源回收系统，其特征在于：所述磷酸铵镁结晶池还连有自动投加装置；在磷酸铵镁结晶池内设有机械搅拌系统。

5.根据权利要求4所述的污水处理与资源回收系统，其特征在于：所述自动投加装置是加药箱、加药计量泵和自动控制系统一体化设备。

6.根据权利要求3所述的污水处理与资源回收系统，其特征在于：所述磷酸铵镁结晶池通过超越进水系统与厌氧氨氧化池相连。

7.根据权利要求3所述的污水处理与资源回收系统，其特征在于：所述磷酸铵镁结晶池为反应、沉淀一体化反应器。