CN112321112A - 一种污水处理厂氮能源化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种污水处理厂氮能源化的装置及方法，包括厌氧消化器和一体化生物膜反应器；厌氧消化器分别连通剩余污泥进水管、污泥消化液管道和甲烷收集装置，污泥消化液管道连通一体化生物膜反应器，一体化生物膜反应器分为A区和B区，二者分别设置有亚硝化生物膜所附着生长的气液分离膜和反硝化生物膜所附着生长的改性气液分离膜，并分别连通空气泵和N₂O收集装置；A区将污泥消化液中的氨氮转化为亚硝酸盐氮，B区将亚硝酸盐转化为N₂O并收集，实现N₂O的转化率高于90％。将产生的N₂O与厌氧消化器产物甲烷耦合燃烧，可提高37％的燃烧热值，从而实现了污水处理厂氮的能源化利用。

Description

一种污水处理厂氮能源化的装置及方法

技术领域

本发明属于环境与资源回收技术领域，主要涉及一种污水处理厂氮能源化的装置及方法。

背景技术

剩余污泥是污水生物处理的副产物，大型城镇污水处理厂对剩余污泥多采用厌氧消化的处理方法，并对消化产物甲烷进行收集，通过发电回用能源。这个过程同时产生了含高浓度氨氮的消化液，污水厂均将其回流至进水端，利用传统的硝化-反硝化脱氮工艺处理，该处理过程重复消耗着能源。

近年来，研究发现生物脱氮过程中产生的N₂O是潜在的可再生能源，例如，当其替代氧与甲烷燃烧时，可提高37％的燃烧热值。这意味着，如果将污泥消化液中的氨氮转化为N₂O并收集利用，可大大提高甲烷的发电量，从而可实现污水处理厂氮的能源化回收。然而，传统的脱氮工艺中N₂O释放量很少，难以对其进行回收利用。

发明内容

污水处理过程氮的能源化利用日益引起人们的关注，针对城镇污水处理厂处理污泥消化液重复消耗能源，以及传统脱氮工艺中N₂O释放量低和回收困难的问题，本发明的目的在于，提供一种实现消化液中高浓度氨氮高效转化为N₂O并回收的装置及方法，通过与消化产物甲烷耦合燃烧，从而实现污水处理厂氮的能源化利用。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种污水处理厂氮能源化的装置，包括厌氧消化器和一体化生物膜反应器；所述厌氧消化器分别连通剩余污泥进水管、污泥消化液管道和甲烷收集装置，所述污泥消化液管道连通一体化生物膜反应器，一体化生物膜反应器包括A区和B 区，A区和B区中分别设置有生物膜所附着生长的气液分离膜和改性气液分离膜， A区的气液分离膜连通空气泵，B区的改性气液分离膜连通N₂O收集装置；A区将污泥消化液中的氨氮转化为亚硝酸盐氮，B区将亚硝酸盐转化为N₂O并收集，产生的N₂O与厌氧消化器产物甲烷耦合燃烧。

对于上述技术方案，本发明进一步优选的方案在于：

优选的，所述改性气液分离膜连通N₂O收集装置，并连通至厌氧消化器的甲烷收集装置。

优选的，所述A区与B区之间连通有回流管；所述A区设有调节碱度加药口和出水口，B区设有A区回流液的进水口。

优选的，所述A区投加0.1mol/L的氢氧化钠或盐酸，控制进水碱度(以碳酸盐计)与氨氮的摩尔比为0.5:1～1.5:1。

优选的，所述气液分离膜的材质为聚四氟乙烯或聚丙烯，膜的平均孔径为 0.3～0.45μm。

优选的，所述改性气液分离膜的膜表面负载有纳米氧化铜。

采用本发明上述装置的污水处理厂氮能源化的方法，包括：

通过厌氧消化反应将污泥转化为污泥消化液和甲烷；所述污泥消化液在一体化生物膜反应器中反应，分别控制一体化生物膜反应器中B区改性气液分离膜的负压和A区气液分离膜的进气量，控制A区回流液的回流比；通过A区气液分离膜表面生长的亚硝化生物膜将氨氮转化为亚硝酸盐氮，通过B区改性气液分离膜表面生长的反硝化生物膜将亚硝酸盐转化为N₂O并收集；所述甲烷与N₂O混合燃烧。

作为优选，所述A区投加0.1mol/L的氢氧化钠或盐酸，控制进水以碳酸盐计的碱度与氨氮的摩尔比值为0.5:1～1.5:1。

作为优选，在A区，亚硝化生物膜附着生长在气液分离膜外表面，气液分离膜的内腔体通过空气泵供空气，控制空气泵的进气量，使得一体化生物膜反应器 A区中溶解氧的浓度不大于0.3mg/L。

作为优选，在B区，反硝化生物膜附着生长在改性气液分离膜外表面，膜的内腔体通过负压将产生的N₂O实时分离并收集，负压的范围为0.05-0.1MPa。

作为优选，一体化生物膜反应器中A区回流液的回流比为200～300％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过膜分离的方式原位分离N₂O，可将其转化率提高至90％以上，进一步提升了污水厂氮能源化的应用潜力与空间。

(2)以A区回流液与污泥消化液的混合液作为B区进水，在B区构建以改性气液分离膜为载体的生物膜处理工艺，通过抑制氧化亚氮还原酶的活性，并将 N₂O实时分离的方法，实现N₂O的高效转化及回收。

(3)通过将厌氧消化得到的甲烷与生物膜反应得到的N₂O混合燃烧，可提高37％的燃烧热值，从而实现污水厂氮的能源化利用。

(4)在A区，通过投加氢氧化钠或盐酸，控制进水碱度并利用膜曝气的方式控制进气量能够将氨氮最大效率地转化为亚硝酸盐氮。

(5)在B区，通过控制气液分离膜的负压，气液分离膜能够将亚硝酸盐最大效率地转化为N₂O。

(6)无需采用内源反硝化的方式，简化了工艺流程和操作难度，降低了建设和运行费用。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式对本技术做进一步说明。

图1是污水厂氮能源化的装置图；

图2是一体化生物膜反应器富集N₂O效果。

图1中，1.改性气液分离膜；2.反硝化生物膜；3.亚硝化生物膜；4.气液分离膜；5.真空泵；6.气压计；7.N₂O收集装置；8.转子流量计；9.空气泵；10.阀门； 11.污泥消化液管道；12.调节碱度加药口；13.A区至B区的回流管；14.B区至 A区的过水孔；15.出水口；16.进泥管；17.厌氧消化器；18.甲烷收集装置；19 排泥口；20.一体化生物膜反应器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚的描述。显然所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，以及在此基础上做出的简单修改都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供一种污水处理厂氮能源化装置，包括厌氧消化器17和一体化生物膜反应器20两部分；厌氧消化器17分别连通剩余污泥进泥管16、污泥消化液管道11和甲烷收集装置18，污泥消化液管道连通一体化生物膜反应器20，一体化生物膜反应器20包括A区和B区，二者通过过水孔相连通，A区和B区中分别设置有亚硝化生物膜3所附着的气液分离膜4和反硝化生物膜2所附着的改性气液分离膜1，A区的气液分离膜连通空气泵9，B区的改性气液分离膜连通N₂O收集装置7，并连通至厌氧消化器17的甲烷收集装置18，在N₂O收集管道上连接有真空泵5、气压计6和阀门10。A区与B区之间连通有回流管，A区通过A区至B区的回流管13连通至B区，B区还设有调节碱度加药口12，A区设有出水口15。

A区投加0.1mol/L的氢氧化钠或盐酸，控制进水以碳酸盐计的碱度与氨氮的摩尔比值为0.5:1～1.5:1。气液分离膜材质为聚四氟乙烯或聚丙烯，气液分离膜的平均孔径为0.3～0.45μm；改性气液分离膜1表面负载有纳米氧化铜。

涉及污水处理厂氮能源化的方法，包括以下步骤：

厌氧消化器将剩余污泥转化为甲烷，产生的污泥消化液进入一体化生物膜反应器。一体化生物膜反应器分为A区和B区，A区将污泥消化液中的氨氮转化为亚硝酸盐氮，B区将亚硝酸盐转化为N₂O并收集，收集后的N₂O与厌氧消化器的产物甲烷耦合燃烧，可提高37％的燃烧热值，从而实现污水厂氮的能源化利用。

一体化生物膜反应器中A区的功能是将污泥消化液中的氨氮转化为亚硝酸盐氮，A区采用以气液分离膜为载体的生物膜处理工艺，通过投加0.1mol/L的氢氧化钠或盐酸，控制进水以碳酸盐计的碱度与氨氮的摩尔比值为0.5:1～1.5:1。并控制A区回流液的回流比。A区的气液分离膜为疏水性，膜的材质为聚四氟乙烯或聚丙烯，膜的平均孔径为0.3～0.45μm。A区中空纤维膜的外表面附着生长亚硝化生物膜，内腔体供空气，通过膜曝气的方式控制DO浓度不大于0.3mg/L。

一体化生物膜反应器B区的功能将亚硝酸盐转化为N₂O并收集，B区采用以改性气液分离膜为载体的生物膜处理工艺，以A区回流液与污泥消化液的混合液为进水，通过抑制氧化亚氮还原酶的活性并将N₂O实时分离的方法，将亚硝酸盐还原的产物控制为N₂O。

B区的改性气液分离膜为疏水性，膜的平均孔径为0.3～0.45μm，膜表面负载有纳米氧化铜。B区的改性气液分离膜的外表面附着生长反硝化生物膜，分离膜的内腔体通过负压将产生的N₂O从反应器中分离并收集，负压的范围为 0.05-0.1MPa。

本发明的原理是，厌氧消化器将剩余污泥转化为污泥消化液和甲烷；污泥消化液在一体化生物膜反应器中反应：在A区，附着生长在气液分离膜4外表面的亚硝化生物膜3将消化液中的氨氮氧化变成亚硝酸盐，反应所需的碱度条件通过投加盐酸或氢氧化钠调节，所需的溶解氧由空气泵提供，通过气液分离膜表面的微孔供给生物膜，控制溶解氧的浓度不大于0.3mg/L，不仅节约了供气量，还能防止氨氮过度氧化变成硝酸盐；在B区，附着生长在改性气液分离膜1表面的反硝化生物膜2以消化液中有机物作为电子供体，将A区回流比为200～300％的回流液中的亚硝酸盐还原成N₂O，改性气液分离膜表面负载的纳米氧化铜的作用是抑制N₂O还原酶的活性，防止将亚硝酸盐过度还原为氮气，控制A区改性气液分离膜的负压为0.05-0.1MPa，目的是通过将N₂O分离的方法诱导以N₂O为代谢产物的反硝化菌的富集。

下面以模拟污泥消化液的高氨低碳废水为对象，给出本发明具体实施例来进一步说明本发明效果。

废水进入图1所示的一体化N₂O高度转化的生物膜反应器中。一体化反应器分为A区和B区两部分，均为以气液分离膜为载体的生物膜处理工艺。

A区亚硝化生物膜3附着生长在疏水性中空纤维气液分离膜4的表面，膜的主要材质为聚四氟乙烯，膜的平均孔径为0.4μm，内腔由空气泵9供氧，利用转子流量计8以膜曝气的方式将DO浓度控制为0.2mg/L，维持限氧的环境条件，同时控制进水碳酸氢钠与氨氮的摩尔比为1:1，将消化液中的氨氮转化为亚硝酸盐氮。

B区以模拟污泥消化液和A区回流液为进水，A区回流液的回流比为220％，反硝化生物膜2附着生长在改性中空纤维气液分离膜1的表面，膜的平均孔径为0.4μm，膜的主要材质为聚四氟乙烯，表面负载有纳米氧化铜，通过抑制氧化亚氮还原酶的活性并利用真空泵5抽负压(利用气压计6控制压力为0.08MPa) 的方式将产生的N₂O实时分离，将亚硝酸盐高度还原为N₂O，并进入N₂O收集装置7。

图2示出了一体化生物膜反应器富集N₂O效果，从图中可以看出，经过3 周的连续运行，本实施例N₂O的转化率达到91％，最终与污泥消化产物联合利用，实现污水处理厂氮的能源化利用。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种污水处理厂氮能源化的装置，其特征在于，包括厌氧消化器和一体化生物膜反应器；所述厌氧消化器分别连通剩余污泥进水管、污泥消化液管道和甲烷收集装置，所述污泥消化液管道连通一体化生物膜反应器，一体化生物膜反应器包括A区和B区，A区和B区中分别设置有生物膜所附着生长的气液分离膜和改性气液分离膜，其中，A区的气液分离膜连通空气泵，B区的改性气液分离膜连通N₂O收集装置；

A区将污泥消化液中的氨氮转化为亚硝酸盐，B区将亚硝酸盐转化为N₂O并收集，产生的N₂O与厌氧消化器产物甲烷耦合燃烧。

2.根据权利要求1所述的一种污水处理厂氮能源化的装置，其特征在于，所述改性气液分离膜连通N₂O收集装置，并连通厌氧消化器的甲烷收集装置。

3.根据权利要求1所述的一种污水处理厂氮能源化的装置，其特征在于，所述A区与B区之间连通有回流管；所述A区设有调节碱度加药口和出水口，B区设有A区回流液的进水口。

4.根据权利要求1所述的污水处理厂氮能源化的装置，其特征在于，所述气液分离膜材质为聚四氟乙烯或聚丙烯，膜的平均孔径为0.3～0.45μm。

5.根据权利要求1所述的污水处理厂氮能源化的装置，其特征在于，所述改性气液分离膜的膜表面负载有纳米氧化铜。

6.一种基于权利要求1-5任一项所述装置的污水处理厂氮能源化的方法，其特征在于，包括：

通过厌氧消化反应将污泥转化为污泥消化液和甲烷；

所述污泥消化液在一体化生物膜反应器中反应，分别控制一体化生物膜反应器中A区气液分离膜组件的进气量和B区改性气液分离膜组件的负压，控制A区回流液的回流比；通过A区气液分离膜表面的亚硝化生物膜将氨氮转化为亚硝酸盐氮，通过B区改性气液分离膜表面生长的反硝化生物膜将亚硝酸盐转化为N₂O并收集；

所述甲烷与N₂O混合燃烧。

7.根据权利要求6所述的污水处理厂氮能源化的方法，其特征在于，所述A区投加0.1mol/L的氢氧化钠或盐酸，控制进水以碳酸盐计的碱度与氨氮的摩尔比值为0.5:1～1.5:1。

8.根据权利要求6所述的污水处理厂氮能源化的方法，其特征在于，在A区，亚硝化生物膜附着生长在气液分离膜的外表面，气液分离膜的内腔体通过空气泵供空气，控制空气泵的进气量，使得A区溶解氧的浓度不大于0.3mg/L。

9.根据权利要求6所述的污水处理厂氮能源化的方法，其特征在于，在B区，反硝化生物膜附着生长在改性气液分离膜的外表面，膜的内腔体通过负压将产生的N₂O实时分离并收集，负压的范围为0.05-0.1MPa。

10.根据权利要求6所述的污水处理厂氮能源化的方法，其特征在于，一体化生物膜反应器中A区回流液的回流比为200～300％。

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