CN112499886B - 一种城市污水碳氮磷全回收的两段资源化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市污水碳氮磷全回收的两段资源化系统，包括磁混凝段和微藻培养段；所述磁混凝段包括加药箱、混凝反应池、沉淀池、絮体破碎系统、碳磁分离器以及厌氧发酵罐发酵；所述微藻培养段包括一体化微藻培养与分离系统以及藻水再分离器；优点：以磁粉和藻为主体，具有碳氮磷全回收特性的城市污水两段资源化方法，通过磁混凝技术与微藻培养技术的协同作用，在有效保证污水深度处理的同时，实现污水中碳氮磷等营养物质的再利用；克服了磁混凝技术对污水中溶解性碳源回收能力弱的弊端，同时也缓解了微藻对颗粒碳源利用率低的现状；可以降低工业废气排放对温室效应的影响，而且可以促进微藻细胞的快速增殖与生物质合成。

Description

一种城市污水碳氮磷全回收的两段资源化系统

技术领域

本发明涉及一种城市污水碳氮磷全回收的两段资源化系统，属于污水资源化处理技术领域。

背景技术

随着社会经济的快速发展，全球环境问题愈演愈烈。其中，水污染问题不仅制约着社会经济发展的进程，而且对人类与环境健康造成严重威胁。当前，全国污水排放总量不断攀升，污水处理成本、处理工艺与排放标准是近年来政府部门重点推进的工作。以微生物为主线的传统工艺虽能有效去除污水中COD、N和P等污染物，但其以曝气强化供氧方式促进好氧微生物降解COD，并通过能量和物质密集投入的方式实现污水脱氮除磷，这种“以能耗能”和忽略物质循环利用的处理方式与未来污水处理可持续发展的理念相矛盾。随着可持续发展观念的深入人心，行业内对生活污水的概念认识已发生本质性的革新，一致认为生活污水是一种资源和能源的新型载体。通过开发设计低能耗、高效率和低成本的方法实现污水的深度处理与可用资源的回收，进而发挥其在资源能源方面潜在的可持续功能，从而改变传统污水处理行业“以能耗能”的现状，推动污水处理全面资源化，是污水处理领域的重要发展方向，也是新时期的迫切需求。

当前在国内外污水处理领域广泛应用的方法包括生物膜法与活性污泥法，生物膜法对来水水质、水量具有较大的适应性，但是基建投资大、运行灵活性差、出水水质浑浊、资源利用效率低；活性污泥法对污水处理效果好、运行灵活性高，但是需要额外投入大量药剂、能量等来保证系统的正常运行，投入成本较高，且生物通过硝化、反硝化作用处理废水的传统方法将废水中的氮转化为氮气排放，而磷积累于剩余的污泥中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，此外，传统工艺在碳源处理过程中也极易产生温室气体从而加剧温室效应。磁混凝沉淀技术作为一种新型的污水分离技术，相对传统沉淀技术具有沉淀速度更快、效率更高的特点，尤其是对悬浮物占主体的水体，处理效果特别好，因此，在我国的污水处理行业中得到了更多的应用，但是对处理溶解性碳源占主体的水体处理效果不佳。因此，亟需寻找一种适应性广的污水深度处理与资源化方法。

微藻是一类个体微小、形态多样且种类繁多的原核或真核生物，具有光合作用效率高、环境适应能力强、生长周期短和生物质产量高等特点。当水体中氮磷含量较高时，藻类能够进行快速生长繁殖，将不同形态的N、P等营养物质缔结到碳骨架上合成有机物，如多不饱和脂肪酸、蛋白质和多糖等，不仅可缓解温室效应，还可实现营养元素的资源化利用。此外，微藻生物质能能源密度高，可以直接作为民用燃料和内燃机燃料，被认为是最有可能取代化石燃料的第三代生物质能。而且微藻能以各种污水为底物进行生长，既节省了化学物质的投加，又可以在获取生物质能（碳水化合物、蛋白质和油脂等）的同时实现污水低成本深度净化。美国能源署指出：污水的深度净化和回用与微藻生物质能的结合将是未来的必然发展趋势。因此，探究一种以微藻为“核心”且能够实现污水深度处理与碳氮磷资源化的方法对污水处理和能源行业的发展具有重大意义。

发明内容

本发明的目的是为降低现有城镇污水处理工艺高耗能和资源浪费的两大弊端，满足污水深度处理与碳氮磷资源同步回收利用的社会需求，提供一种城市污水碳氮磷全回收的两段资源化系统，通过耦合磁混凝与微藻培养技术，实现污水处理行业的可持续发展。

为解决上述技术问题，本发明提供一种城市污水碳氮磷全回收的两段资源化系统，包括磁混凝段和微藻培养段；

所述磁混凝段包括加药箱（1）、混凝反应池（2）、沉淀池（3）、絮体破碎系统（6）、碳磁分离器（7）以及厌氧发酵罐发酵（8）；所述微藻培养段包括一体化微藻培养与分离系统（4）以及藻水再分离器（5）；

污水和絮凝剂经不同管道进入混凝反应池（2），在混凝反应池（2）反应处理后进入沉淀池（3）进行固液分离，固液分离后的絮凝体从沉淀池（3）的池底排出进入絮体破碎系统（6）进行处理，处理后再进入碳磁分离器（7）进行分离，分离得到的磁种回流进入混凝反应池（2）回用，分离得到的含碳絮凝体进入厌氧发酵罐发酵（8）进行发酵得到沼气；沉淀池（3）上部流出的上清液依次经过一体化微藻培养与分离系统（4）与藻水再分离器（5）处理后排出，一体化微藻培养与分离系统（4）分离得到的微藻按预先设定的比例进行回用，一体化微藻培养与分离系统（4）和藻水再分离器（5）中的剩余生物量用于生物质能生产。

进一步的，所述絮凝剂采用聚合氯化铝，投加浓度范围为20~50 mg/L，磁种投加浓度为污水悬浮物浓度的1~1.5倍；混凝反应池采用单点投加絮凝剂，多点投加磁种的方式，水力停留时间为3~5 min，搅拌桨转速为100~200 r/min。

进一步的，所述碳磁分离器（7）内的励磁线圈（72）通电条件下产生磁性对磁种进行吸附，当吸附量达到预先设定的程度时则断开电源，励磁线圈（72）失去磁性，磁种依靠重力沉降在集磁盘（75）经排磁口排出。

进一步的，所述一体化微藻培养与分离系统（4）集微藻培养与藻水分离于一体。

进一步的，所述一体化微藻培养与分离系统（4）为集微藻培养与藻水分离于一体的箱体，箱体内壁设置成螺旋式球形冷凝管状，螺旋式球形冷凝管末端出口设有挡板，且末端出口与挡板垂直；箱体内部空间基于水力学原理设置成藻水分离区。

进一步的，所述螺旋式球形冷凝管状的输入端采用“Y”型结构连接进水管与进气管，通过所述进水管输入初始藻浓度为1×10⁶~ 1.5×10⁶ cells/mL的藻水，通过进气管输入CO₂浓度为3%~5%的工业废气，通气量为200~300 mL/min。

进一步的，所述一体化微藻培养与分离系统（4）的排藻口设置于底部，经回流泵回流至一体化微藻培养与分离系统（4），微藻回流比为100%~200%，剩余微藻生物量排出用于生物质能生产。

进一步的，所述藻水再分离器（5）用于控制进入其内部的藻水混合物做旋流运动，产生离心力促进藻液分离，水从藻水再分离器（5）上部的三角堰溢流而出，微藻从底部排藻管排出。

进一步的，所述厌氧发酵罐（8）用于发酵高碳含量污水，产生沼气用于发电以满足系统能源需求。

所述发酵的温度范围为30~39℃，时间在15~30天。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供了一种以磁粉和藻为主体，具有碳氮磷全回收特性的城市污水两段资源化方法，通过磁混凝技术与微藻培养技术的协同作用，在有效保证污水深度处理的同时，实现污水中碳氮磷等营养物质的再利用。本发明将磁混凝技术与微藻培养技术耦合，一方面克服了磁混凝技术对污水中溶解性碳源回收能力弱的弊端，同时也缓解了微藻对颗粒碳源利用率低的现状。此外，引入含CO2的工业废气作为微藻生长的无机碳源，不仅可以降低工业废气排放对温室效应的影响，而且可以促进微藻细胞的快速增殖与生物质合成。本发明从“低能耗、高回收”的角度实现了污水处理由“处理工艺”向“生产工艺”转变的新格局，是一种真正的绿色零排放环境友好型方法。

附图说明

图1为本专利实施例流程图；

图2为本专利实施例结构示意图；

图3为本专利实施例絮体破碎系统结构示意图；

图4为本专利实施例碳磁分离器结构剖面示意图；

图5为本专利实施例一体化微藻培养与分离系统冷凝管状壁结构示意图；

图6为本专利实施例藻水再分离器结构示意图；

图中附图标记的含义：图中，1.加药箱，2.混凝反应池，3.沉淀池，4.一体化微藻培养与分离系统，5.藻水再分离器，6.絮体破碎系统，7.碳磁分离器，8.厌氧发酵罐，11.搅拌器，31.三角堰，41.挡板，61.进料管，62.连接柱，63.叶片，64.出料管，71.连接件，72.励磁线圈，73.阀门，74.隔离层，75.集磁盘，76.排磁口。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1和图2所示，一种城市污水碳氮磷全回收的两段资源化系统，通过磁混凝与微藻培养的两段协同作用，实现城市污水深度净化与碳氮磷资源全回收。其中磁混凝段包括加药箱1、混凝反应池2、沉淀池3、絮体破碎系统6、碳磁分离器7以及厌氧发酵罐发酵8；微藻培养段包括一体化微藻培养与分离系统4以及藻水再分离器5。污水和絮凝剂经不同管道进入混凝反应池2，随后进入沉淀池3固液分离，其中絮凝体从池底排出先后进入絮体破碎系统6与碳磁分离器7，分离得到的磁种回流进入混凝反应池回用，含碳絮凝体则进入厌氧发酵罐发酵8；沉淀池3上部流出的上清液经一体化微藻培养与分离系统4与藻水再分离器5处理后排出，分离得到的微藻按一定的比例进行回用，剩余生物量用于生物质能生产。

所述磁混凝段投加药品中的絮凝剂采用聚合氯化铝（PACl），投加浓度范围为20~50 mg/L，具体浓度视污水悬浮物浓度而定，磁种投加浓度为悬浮物浓度的1~1.5倍；混凝反应池采用单点投加絮凝剂，多点投加磁种的方式，水力停留时间为3~5 min，搅拌桨转速为100~200 r/min。

如图3所示，所述絮体破碎系统结构包括箱体，箱体上部设有进料管61，箱体下部设有进料管64，箱体内设有连接柱62，连接柱62上设有叶片63，连接柱62通过旋转带动叶片63转动。

所述碳磁分离器7内的励磁线圈72通电条件下产生磁性对磁种进行吸附，当吸附量达到一定程度则断开电源，励磁线圈72失去磁性，磁种依靠重力沉降在集磁盘75经排磁口排出。

如图4所示，作为一个碳磁分离器的具体结构示意图，其包括连接件71、励磁线圈72，阀门73，隔离层74，集磁盘75，排磁口76；连接件71外部是隔离层74，隔离层外部为励磁线圈72，三者共同连接于集磁盘75，排磁口76设在集磁盘75下方，排磁口76上还设有阀门73。

如图5所示，所述一体化微藻培养与分离系统4为一个集微藻培养与藻水分离于一体的箱体，箱体内壁设置成螺旋式球形冷凝管状，一方面能够促进藻水均匀自混而快速增殖，另一方面使微藻均匀接受光能，螺旋式球形冷凝管末端出口与挡板垂直，螺旋式冷凝管状末端出水由于挡板的阻挡，微藻沉降，清洁水溢流而出，从而实现藻水分离；装置内部空间基于水力学原理设置成藻水分离区，藻水分离功能主要由挡板、内部空间以及溢流堰来完成，球形冷凝管末端出来的藻水混合物受到挡板阻挡而减速，微藻受到重力作用实现沉降，装置上部设置溢流堰，清洁水经溢流堰溢流而出。

本申请通过微藻技术与磁混凝技术的结合，弥补磁混凝技术对DOM处理能力的不足，且通过微藻可以实现上清液中溶解性碳、氮、磷的同步回收。其中，一体化微藻培养与分离系统4以“Y”型结构连接进水管与进气管，初始藻浓度为1×10⁶ ~1.5×10⁶cells/mL，工业废气中CO₂的浓度为3%~5%，通气量为200~300 mL/min，一方面降低废气排放对温室效应的影响，另一方面可以通过无机碳源的补充促进微藻细胞快速增殖和生物质高效合成。

所述一体化微藻培养与分离系统4的排藻口设置于底部，经回流泵回流至一体化微藻培养与分离系统4，微藻回流比为100%~200%，剩余微藻生物量排出用于生物质能生产，从实际应用的角度真正实现污水碳氮磷资源的回收利用。

如图6所示，藻水混合物在所述的藻水再分离器5内做旋流运动，产生离心力促进藻液分离，水从上部三角堰溢流而出，微藻从底部排藻管排出。

所述厌氧发酵罐8处理高碳含量污水产生的能量用于全系统供能，实现全过程能源自给，发酵温度以中温发酵为宜，控制温度在30~39℃之间，停留时间在15~30天，具体温度、停留时间视发酵情况而定。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种城市污水碳氮磷全回收的两段资源化系统，其特征在于，包括磁混凝段和微藻培养段；

所述磁混凝段包括加药箱（1）、混凝反应池（2）、沉淀池（3）、絮体破碎系统（6）、碳磁分离器（7）以及厌氧发酵罐（8）；所述微藻培养段包括一体化微藻培养与分离系统（4）以及藻水再分离器（5）；

污水和絮凝剂经不同管道进入混凝反应池（2），在混凝反应池（2）反应处理后进入沉淀池（3）进行固液分离，固液分离后的絮凝体从沉淀池（3）的池底排出进入絮体破碎系统（6）进行处理，处理后再进入碳磁分离器（7）进行分离，分离得到的磁种回流进入混凝反应池（2）回用，分离得到的含碳絮凝体进入厌氧发酵罐（8）进行发酵得到沼气；沉淀池（3）上部流出的上清液依次经过一体化微藻培养与分离系统（4）与藻水再分离器（5）处理后排出，一体化微藻培养与分离系统（4）分离得到的微藻按预先设定的比例进行回用，一体化微藻培养与分离系统（4）和藻水再分离器（5）中的剩余生物量用于生物质能生产；

所述一体化微藻培养与分离系统（4）集微藻培养与藻水分离于一体；

所述一体化微藻培养与分离系统（4）为集微藻培养与藻水分离于一体的箱体，箱体内壁设置成螺旋式球形冷凝管状，螺旋式球形冷凝管末端出口设有挡板，且末端出口与挡板垂直；箱体内部空间基于水力学原理设置成藻水分离区；

所述螺旋式球形冷凝管状的输入端采用“Y”型结构连接进水管与进气管，通过所述进水管输入初始藻浓度为1×10⁶~ 1.5×10⁶cells/mL的藻水，通过进气管输入CO₂浓度为3%~5%的工业废气，通气量为200~300 mL/min；

所述一体化微藻培养与分离系统（4）的排藻口设置于底部，经回流泵回流至一体化微藻培养与分离系统（4），微藻回流比为100%~200%，剩余微藻生物量排出用于生物质能生产；

所述藻水再分离器（5）用于控制进入其内部的藻水混合物做旋流运动，产生离心力促进藻液分离，水从藻水再分离器（5）上部的三角堰溢流而出，微藻从底部排藻管排出。

2.根据权利要求1所述的城市污水碳氮磷全回收的两段资源化系统，其特征在于，所述絮凝剂采用聚合氯化铝，投加浓度范围为20~50 mg/L，磁种投加浓度为污水悬浮物浓度的1~1.5倍；混凝反应池采用单点投加絮凝剂，多点投加磁种的方式，水力停留时间为3~5 min，搅拌桨转速为100~200 r/min。

3.根据权利要求1所述的城市污水碳氮磷全回收的两段资源化系统，其特征在于，所述碳磁分离器（7）内的励磁线圈（72）通电条件下产生磁性对磁种进行吸附，当吸附量达到预先设定的程度时则断开电源，励磁线圈（72）失去磁性，磁种依靠重力沉降在集磁盘（75）经排磁口排出。

4.根据权利要求1所述的一种城市污水碳氮磷全回收的两段资源化系统，其特征在于，所述厌氧发酵罐（8）用于发酵高碳含量污水，产生沼气用于发电以满足系统能源需求；所述发酵的温度范围为30~39℃，时间在15~30天。

Images