CN111606419B - 一种能源自给的污水处理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的能源自给的污水处理系统，包括厌氧膜生物反应器、膜曝气短程硝化‑厌氧氨氧化池、硫源反硝化释铁填料深度处理池、生物气净化热电联产单元和污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器；多孔膜将污水中的颗粒物质、有机物和污泥滞留，有机物经厌氧发酵产生生物气，供生物气净化热电联产单元发电和产生热能；黄铁矿中磷酸根与黄铁矿上的铁元素反应生成沉淀，实现除磷，黄铁矿中低价态的硫元素为电子供体，实现深度脱氮。本发明的能源自给的污水处理系统及方法，整个过程不仅使出水达到高标准出水要求，且实现污水中能源和资源的回收利用，达到了污水厂“能源封闭式”运行的目的。

Description

一种能源自给的污水处理系统及方法

技术领域

本发明涉及一种能源自给的污水处理系统及方法，更具体的说，尤其涉及一种采用“厌氧膜反应器+膜曝气自养脱氮+硫源反硝化除磷深度处理”组合工艺的能源自给的污水处理系统及方法。

背景技术

目前的城市污水处理过程通常旨在去除污染物质，而这些污染物质（如有机物、氮元素、磷元素等）不仅是水质指标，同时也是人类生产、生活中需要的能源和资源。

现在的城市污水生物处理过程去除了污水中的污染物质，却造成能源和资源的浪费，与可持续发展相悖。在削减污染物排放的同时，实现污水中能源回收和资源利用是未来污水处理技术的基本要求。本文旨在发明一种以厌氧膜反应器、膜曝气自养脱氮和硫源反硝化除磷的能源封闭式污水处理工艺，而且可以高效回收磷实现资源化，实现100%能源封闭式自给。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种能源自给的污水处理系统及方法。

本发明的能源自给的污水处理系统，包括厌氧膜生物反应器、膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池、硫源反硝化释铁填料深度处理池、生物气净化热电联产单元和污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器；其特征在于：厌氧膜生物反应器上设置有污水进口和回流水进口，厌氧膜生物反应器中设置有对进入的污水和回流水进行过滤的多孔膜，厌氧膜生物反应器的上端设置有与生物气净化热电联产单元相通的输气管，底部设置有与膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池的进水口相通的出水口；膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池的出水口与硫源反硝化释铁填料深度处理池的进水口相通，硫源反硝化释铁填料深度处理池上设置有用于将处理后的污水排出的出水管；厌氧膜生物反应器、膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池、硫源反硝化释铁填料深度处理池上的污泥出口均与磷元素回收单元厌氧膜反应器相通；

厌氧膜生物反应器中的多孔膜将污水与回流水中的颗粒物质、溶解有机物和厌氧消化污泥进行滞留，通过厌氧微生物的消化作用，有机物被水解酸化，最后厌氧发酵产生生物气，生物气经输气管进入生物气净化热电联产单元，富含氮、磷元素的污水进入膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池；膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池中设置有膜曝气装置和便于污泥附着的填料，首先在亚硝化菌的作用下将部分氨氮氧化为亚硝氮，再在厌氧氨氧化菌的作用下，将剩余氨氮和亚硝氮反应转化为氮气排放到大气中，从而实现污水中氮元素的脱除；硫源反硝化释铁填料深度处理池中设置有黄铁矿填料，磷酸根与黄铁矿上的铁元素反应生成沉淀，实现除磷，黄铁矿中低价态的硫元素为电子供体，氧化态氮在脱氮硫杆菌的作用下，被还原为氮气实现了对污水的深度脱氮处理。

本发明的能源自给的污水处理系统的处理方法，通过以下步骤来实现：

a).膜过滤和厌氧发酵，污水与回流水共同进入厌氧膜生物反应器，污水中颗粒物质、90%以上的溶解有机物和厌氧消化污泥被多孔膜滞留，通过厌氧微生物的消化作用，有机物逐渐被水解酸化，最后厌氧发酵产生生物气；处理后的污水进入膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池，产生的沼气进入生物气净化热电联产单元，剩余的消化污泥和含磷酸盐固体进入污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器；

b).燃烧发电，生物气进入生物气净化热电联产单元中，进行燃烧发电，生成热能和电能，其中热能用于维持厌氧膜生物反应器和膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池温度，生成的电能用于提供所有设备运行所需的能量，并将多余的电能储存；

c).亚硝化和厌氧氨氧化，富含氮元素的污水进入膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池，利用膜曝气向水中提供氧气，在亚硝化菌的作用下将部分氨氮氧化为亚硝氮，再在厌氧氨氧化菌的作用下，剩余氨氮和亚硝氮反应转化为氮气排放到大气中，从而实现污水中氮元素的脱除；生成的固体颗粒物质收集后进入污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器，而反应后的污水流入硫源反硝化释铁填料深度处理池中；

c). 经脱氮处理后的污水进入硫源反硝化释铁填料深度处理池中，该池中填料为经加工处理的黄铁矿；

c-1).悬浮物和有机物的进一步去除，污水进入池中后，利用黄铁矿填料表面的吸附等作用，将污水中固体颗粒吸附，过滤污水、截留悬浮物，填料上的微生物进一步以硫酸盐为电子受体，氧化残留的微量有机物；

c-2).深度除磷，污水中磷酸根与黄铁矿矿石填料上的铁元素反应，被吸附在矿石填料上，黄铁矿矿石填料同时释放出铁元素与磷酸根生成沉淀，进行深度除磷，

c-3).深度脱氮，黄铁矿中低价态的硫元素为电子供体，氧化态氮在脱氮硫杆菌的作用下，被还原为氮气，实现对污水的深度脱氮处理

c-4).反冲洗，定期对黄铁矿填料进行反冲洗，反冲洗液进行沉淀后，固体物质进入污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器，液体部分回流到厌氧膜生物反应器，液体中含有的铁元素实现对厌氧膜生物反应器中污水中磷元素的去除。

d).污泥脱水和焚烧，厌氧膜生物反应器、膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池和硫源反硝化释铁填料深度处理池三个过程中生成的污泥被收集到污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器中，在该反应器中污泥经过离心脱水，得到富含磷元素的固体，在生物气净化热电联产单元产生的生物气热电联产的支持下进行焚烧，实现彻底的减量化处置。

本发明的有益效果是：本发明的能源自给的污水处理系统及方法，设置有厌氧膜生物反应器、膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池、硫源反硝化释铁填料深度处理池、生物气净化热电联产单元以及污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器，采用“厌氧膜反应器+膜曝气自养脱氮+硫源反硝化除磷深度处理”组合工艺，厌氧膜生物反应池将污水中的能量完全捕捉转化为沼气，并将污水中的固液气分离开；沼气进入生物气净化热电联产单元燃烧生成的电能与热能用去提供其他反应器反应所需能量；污水经膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池的自养生物脱氮和硫源反硝化释铁填料深度处理池的填料原位除磷深度处理达到高标准出水要求；各反应器生成的污泥和固体悬浮颗粒进入污泥浓缩与磷元素回收单元进行资源的回收利用；整个过程不仅使出水达到高标准出水要求，且实现污水中能源和资源的回收利用，达到了污水厂“能源封闭式”运行的目的。

附图说明

图1为本发明的能源自给的污水处理系统的原理图。

图中：1厌氧膜生物反应器，2膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池，3硫源反硝化释铁填料深度处理池，4生物气净化热电联产单元，5污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，给出了本发明的能源自给的污水处理系统的原理图，其由厌氧膜生物反应器1、膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池2、硫源反硝化释铁填料深度处理池3、生物气净化热电联产单元4和污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器5组成，厌氧膜生物反应器1上设置有污水进口和回流水进口，厌氧膜生物反应器1中设置有对进入的污水和回流水进行过滤的多孔膜，厌氧膜生物反应器1的上端设置有与生物气净化热电联产单元4相通的输气管，底部设置有与膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池2的进水口相通的出水口；膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池2的出水口与硫源反硝化释铁填料深度处理池3的进水口相通，硫源反硝化释铁填料深度处理池3上设置有用于将处理后的污水排出的出水管；厌氧膜生物反应器1、膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池2、硫源反硝化释铁填料深度处理池3上的污泥出口均与磷元素回收单元厌氧膜反应器5相通。

污水与回流水共同进入厌氧膜生物反应器1，该反应器使用多孔膜来滞留污水中颗粒物质、90%以上的溶解有机物和厌氧消化污泥，通过厌氧微生物的消化作用，有机物逐渐被水解酸化，最后厌氧发酵产生生物气，该反应器通过延长有机物的降解时间，使每立方米污水多产生35-70％的甲烷。

厌氧膜生物反应器1中产生的生物气进入到生物气净化热电联产单元4中，富含氮、磷元素的液体经膜截留后进入膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池2。剩余的消化污泥和含磷酸盐固体经膜截留作用留在反应器中并进入到污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器5。

原位转化后的生物气进入生物气净化热电联产单元4中，进行燃烧发电，生成热能和电能，其中热能用于维持厌氧膜生物反应器1和膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池2温度。生成的电能用于提供所有设备运行所需的能量，并将多余的电能储存。

富含氮元素的污水进入膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池2，该池使用膜曝气向水中提供氧气，在亚硝化菌的作用下将部分氨氮氧化为亚硝氮，再在厌氧氨氧化菌的作用下，剩余氨氮和亚硝氮反应转化为氮气排放到大气中，从而实现污水中氮元素的脱除。

膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池2中使用组合式海绵填料，亚硝化菌和厌氧氨氧化菌都以生物膜的形式附着在膜丝和填料上，有利于进一步去除COD。膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池2中氧气通过从中空膜的孔径传递到外部的污水中，进而到填料上的生物膜里，不会形成气泡，使得整体环境在缺氧状态，有利于进行亚硝化和厌氧氨氧化反应，抑制硝化反应。

膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池2中生成的其他固体颗粒物质收集后进入污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器5，而反应后的污水流入硫源反硝化释铁填料深度处理池3中。

经脱氮处理后的污水进入硫源反硝化释铁填料深度处理池3中，该池中填料为经加工处理的黄铁矿。

1）污水进入池中后，利用填料表面的吸附等作用，将污水中固体颗粒吸附，过滤污水，截留悬浮物，而填料上的微生物能够进一步以硫酸盐为电子受体，氧化残留的微量有机物。

2）磷酸根与矿石填料上的铁元素反应，并被吸附在矿石填料上，矿石填料同时会释放出铁元素与磷酸根生成沉淀，进行深度除磷。

3）黄铁矿中低价态的硫元素为电子供体，氧化态氮在脱氮硫杆菌的作用下，被还原为氮气实现了对污水的深度脱氮处理。

4）定期对填料进行反冲洗，反冲洗液进行沉淀后，固体物质进入污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器5，液体部分回流到前端，液体中含有的铁元素可对前端污水中磷元素进行去除。

厌氧膜生物反应器1、膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池2和硫源反硝化释铁填料深度处理池3三个过程中生成的污泥被收集到污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器5中，在该反应器中污泥经过离心脱水，得到富含磷元素的固体，在生物气净化热电联产单元4产生的生物气热电联产的支持下进行焚烧，实现彻底的减量化处置。经污泥单独焚烧之后，有机污染物质被永久性破坏，而无机磷沉淀物大量存于灰分中，运输至磷资源回收工厂进行集中处理与回收。

Claims (2)

1.一种能源自给的污水处理系统，包括厌氧膜生物反应器（1）、膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2）、硫源反硝化释铁填料深度处理池（3）、生物气净化热电联产单元（4）和污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器（5）；其特征在于：厌氧膜生物反应器（1）上设置有污水进口和回流水进口，厌氧膜生物反应器（1）中设置有对进入的污水和回流水进行过滤的多孔膜，厌氧膜生物反应器（1）的上端设置有与生物气净化热电联产单元（4）相通的输气管，底部设置有与膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2）的进水口相通的出水口；膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2）的出水口与硫源反硝化释铁填料深度处理池（3）的进水口相通，硫源反硝化释铁填料深度处理池（3）上设置有用于将处理后的污水排出的出水管；厌氧膜生物反应器（1）、膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2）、硫源反硝化释铁填料深度处理池（3）上的污泥出口均与磷元素回收单元厌氧膜反应器（5）相通；

厌氧膜生物反应器（1）中的多孔膜将污水与回流水中的颗粒物质、溶解有机物和厌氧消化污泥进行滞留，延长有机物降解时间，通过厌氧微生物的消化作用，有机物被水解酸化，最后厌氧发酵产生生物气，生物气经输气管进入生物气净化热电联产单元（4），富含氮、磷元素的污水进入膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2）；膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2）中设置有膜曝气装置和便于污泥附着的填料，首先在亚硝化菌的作用下将部分氨氮氧化为亚硝氮，再在厌氧氨氧化菌的作用下，将剩余氨氮和亚硝氮反应转化为氮气排放到大气中，从而实现污水中氮元素的脱除；硫源反硝化释铁填料深度处理池（3）中设置有黄铁矿填料，磷酸根与黄铁矿上的铁元素反应生成沉淀，实现除磷，黄铁矿中低价态的硫元素为电子供体，氧化态氮在脱氮硫杆菌的作用下，被还原为氮气实现了对污水的深度脱氮处理；

膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2）中使用组合式海绵填料，亚硝化菌和厌氧氨氧化菌都以生物膜的形式附着在膜丝和填料上，有利于进一步去除COD；膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2）中氧气通过从中空膜的孔径传递到外部的污水中，进而到填料上的生物膜里，不会形成气泡，使得整体环境在缺氧状态，有利于进行亚硝化和厌氧氨氧化反应，抑制硝化反应；

膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2）中生成的其他固体颗粒物质收集后进入污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器（5），而反应后的污水流入硫源反硝化释铁填料深度处理池（3）中。

2.一种基于权利要求1所述的能源自给的污水处理系统的处理方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

(a).膜过滤和厌氧发酵，污水与回流水共同进入厌氧膜生物反应器（1），污水中颗粒物质、90%以上的溶解有机物和厌氧消化污泥被多孔膜滞留，通过厌氧微生物的消化作用，有机物逐渐被水解酸化，最后厌氧发酵产生生物气；处理后的污水进入膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2），产生的沼气进入生物气净化热电联产单元（4），剩余的消化污泥和含磷酸盐固体进入污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器（5）；

(b).燃烧发电，生物气进入生物气净化热电联产单元（4）中，进行燃烧发电，生成热能和电能，其中热能用于维持厌氧膜生物反应器（1）和膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2）温度，生成的电能用于提供所有设备运行所需的能量，并将多余的电能储存；

(c).亚硝化和厌氧氨氧化，富含氮元素的污水进入膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2），利用膜曝气向水中提供氧气，在亚硝化菌的作用下将部分氨氮氧化为亚硝氮，再在厌氧氨氧化菌的作用下，剩余氨氮和亚硝氮反应转化为氮气排放到大气中，从而实现污水中氮元素的脱除；生成的固体颗粒物质收集后进入污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器（5），而反应后的污水流入硫源反硝化释铁填料深度处理池（3）中；

(d). 经脱氮处理后的污水进入硫源反硝化释铁填料深度处理池（3）中，该池中填料为经加工处理的黄铁矿；

(d-1).悬浮物和有机物的进一步去除，污水进入池中后，利用黄铁矿填料表面的吸附等作用，将污水中固体颗粒吸附，过滤污水、截留悬浮物，填料上的微生物进一步以硫酸盐为电子受体，氧化残留的微量有机物；

(d-2).深度除磷，污水中磷酸根与黄铁矿矿石填料上的铁元素反应，被吸附在矿石填料上，黄铁矿矿石填料同时释放出铁元素与磷酸根生成沉淀，进行深度除磷，

(d-3).深度脱氮，黄铁矿中低价态的硫元素为电子供体，氧化态氮在脱氮硫杆菌的作用下，被还原为氮气，实现对污水的深度脱氮处理；

(d-4).反冲洗，定期对黄铁矿填料进行反冲洗，反冲洗液进行沉淀后，固体物质进入污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器（5），液体部分回流到厌氧膜生物反应器（1），液体中含有的铁元素实现对厌氧膜生物反应器（1）中污水中磷元素的去除；

(e).污泥脱水和焚烧，厌氧膜生物反应器（1）、膜曝气短程硝化-厌氧氨氧化池（2）和硫源反硝化释铁填料深度处理池（3）三个过程中生成的污泥被收集到污泥浓缩与磷元素回收单元厌氧膜反应器（5）中，在该反应器中污泥经过离心脱水，得到富含磷元素的固体，在生物气净化热电联产单元（4）产生的生物气热电联产的支持下进行焚烧，实现彻底的减量化处置。