CN114716093A - 一种污水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种污水处理方法，目的在于解决城市生活污水中含有大量的有机物，这些物质在经城市管道输送的过程中，会发生腐败变质，从而致送入生化处理池内的污水氮、磷、硫化氢等物质的浓度过高的问题。该方法包括如下步骤：药剂添加、生化处理、沉淀、厌氧处理、铁回收。本申请为铁基纳米粒子在污水处理中的使用提供一种“传递式”方法，其将为其他各种污水处理化学药品的单一使用模式转变提供一个范例。采用本申请，能大大减少城市污水系统中的化学药品使用量，从而带来重大的环境和经济效益。进一步，采用本申请，一方面通过减少化学药品使用量来节约处理运行费用，另一方面也减少了化学药品可能带来的环境负面效应。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理领域，尤其是城市生活污水处理领域，具体为一种污水处理方法。更具体地，本申请以城市现有污水处理系统为基础，通过对处理流程的优化，有效降低进入污水处理系统内硫化氢及磷酸盐的含量，降低硫化氢对城市污水管网、污水处理系统内生化处理系统的伤害，提升污水处理系统单位时间的处理效率，具有显著的进步意义。
背景技术
近年来，随着社会的发展和技术的进步，对污水处理技术的要求也由简单的无害化，逐渐提升到资源化和能源化。开发经济、高效的无水处理技术已经成为水污染控制工程领域的研究重点。
中国专利CN107915377B公开了一种城市生活污水处理方法，其包括以下步骤：(1)活性污泥或含活性污泥的复合材料处理；(2)静置；(3)调理；(4)制粒；(5)蚯蚓生物处理。
中国专利CN105347604B公开了一种城市生活污水处理系统，其包括顺序连接的过滤池一、沉淀池、过滤池二、沉淀池二，厌氧池，好氧池，湿地，检测池和紫外灭菌池，所述沉淀池二设有至过滤池一的单向通道，所述好氧池设有至厌氧池的单向通道，所述检测池设有分别通向沉淀池二、厌氧池和湿地的单向通道。
中国专利CN107285566B公开了一种城市生活污水处理方法，该污水处理方法包括过滤、一次调节pH、二次调节pH、缺氧池处理、厌氧池处理、好氧池处理、水排放等步骤。
中国专利CN102424504B公开了一种城市区域生活污水处理装置和方法，其包括：原化粪池，待处理池，调节池，污水处理机，投氯处理箱。
中国专利CN1210216C公开了城市生活污水处理工艺流程及方法，其采用的技术方案是：将污水经过格栅和沉砂池预处理后，投加混凝剂，使污水中的磷、重金属和以胶体及悬浮物状态存在的有机物以污泥的形式进入厌氧反应器，经过厌氧处理使污泥中的有机物转化为沼气。沉淀的上清液经过后续的好氧处理去除有机物并将氨态氮转化为硝酸态氮。厌氧出水与好氧出水混合后再经缺氧处理进行反硝化脱氮，最后经过二次曝气和沉淀，彻底除去污水中的有机物，使水质得到净化。
中国专利CN104230105B公开了一种城市生活污水处理装置及其运行方法，其中：生物除磷反应器由隔板分隔成厌氧池和好氧池，生活污水原水箱的出水口与生物除磷反应器的厌氧池通过蠕动泵和连接管道相连接，生物除磷反应器的好氧池与沉淀池通过连接管道相连，自养脱氮反应器的进水口通过连接管道与沉淀池相连接。
中国专利CN104556557B公开了CIT城市生活污水处理系统，其包括预处理装置、二级处理装置和三级处理装置，预处理装置包括格栅池，格栅池内设有沿竖直方向设置的格栅并格栅池分为原水区和过滤区；二级处理装置包括依次连接的曝气池和第一沉淀池，曝气池同第一出水管连接，第一沉淀池上连接第二出水管；三级处理装置包括生物脱氮装置、生物脱磷装置和消毒装置，生物脱氮装置包括依次连接的第一厌氧池、第一好氧池和第二沉淀池；生物脱磷装置包括依次连接的第二厌氧池、第二好氧池和第三沉淀池，消毒装置包括消毒池，消毒池上设有强消毒剂加入装置。
在现有技术中，其处理思路通常为，先将城市生活污水进行集中，然后通过污水处理设施进行处理。采用该种方式，需要先将城市生活污水通过城市管道送入污水处理站，再由污水处理站内的设施设备对城市生活污水进行处理，处理后达标排放。目前，城市污水处理站主要以生化处理为主，其具有运行成本低，易于维护等优点，是城市生活污水处理的主要方式。
然而，城市生活污水中含有大量的有机物，这些物质在经城市管道输送的过程中，会发生腐败变质，从而产生大量的氮、磷、硫化氢等物质。城市管道大多采用钢筋与混凝土浇筑而成，硫化氢容易对城市管道内的钢筋造成腐蚀，影响城市管道的使用寿命。同时，当城市生活污水中的硫化氢、氮、磷等物质的含量过高时，其会对生化处理池内的微生物造成严重的毒害作用，降低生化处理池的处理效率，危机生化处理池的正常运行。
针对这一问题，通常需要在生化处理池的前段，设置相应的处理设施，如通过稀释降低城市生活污水中硫化氢、氮、磷等物质的含量，以保证生化处理池的正常运行。采用该方式，需要单独设置预处理设施，增加设备和运行成本，且会大幅增加城市生活污水的处理量，增加生化处理池的运行负荷。
为此，本申请提出一种新的处理方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对城市生活污水中含有大量的有机物，这些物质在经城市管道输送的过程中，会发生腐败变质，从而产生大量的氮、磷、硫化氢等物质，导致送入生化处理池内的污水氮、磷、硫化氢等物质的浓度过高的问题，提供一种污水处理方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种污水处理方法，包括如下步骤：
(1)药剂添加
在城市污水管道的进水端，或城市污水管道内，设置铁基纳米粒子投加装置；通过铁基纳米粒子投加装置向城市污水管道投加铁基纳米粒子，使铁基纳米粒子与城市污水管道内的污水一起被送往城市生活污水处理厂的生化处理池内；
(2)生化处理
送入生化处理池内的污水经生化处理后，完成生化处理操作；
(3)沉淀
经生化处理后的污水被送入沉淀池内进行沉淀，处理后的水经达标排放，生化处理产生的污泥沉淀在沉淀池内；
(4)厌氧处理
将沉淀池内的污泥送入厌氧消化器内，进行厌氧处理；厌氧处理后，产生无硫化氢的沼气和消化污泥，对无硫化氢的沼气进行收集；
(5)铁回收
将厌氧处理产生的消化污泥进行处理，回收污泥中的铁离子或铁基纳米粒子，并对铁回收后的污泥进行收集，即可。
将从步骤(5)污泥中回收的铁离子或铁基纳米粒子返回步骤(1)的铁基纳米粒子投加装置中，进行回用。
所述铁基纳米粒子包括纳米零价铁、纳米四氧化三铁中的一种或两种。
以城市污水管道内污水的流量计，每立方米污水需投加的铁基纳米粒子的质量为5-50g。
所述步骤(1)中，在城市污水管道的进水端，或城市污水管道内，设置在设置污泥投加装置；通过污泥投加装置向城市污水管道投加自来水厂的污泥，所述自来水厂的污泥为铁污泥、铝污泥中的一种或两种。
自来水厂添加的净水剂为聚合氯化铝或聚合氯化铁，净化所产生的污泥为铁污泥或铝污泥。
所述步骤(1)中，通过污泥投加装置向城市污水管道投加自来水厂的铁污泥、自来水厂的铝污泥，所述铁污泥与铝污泥的质量比为1:0.25～4。
所述步骤(1)中，通过污泥投加装置向城市污水管道投加自来水厂的污泥，以城市污水管道内污水的流量计，每立方米污水需投加的自来水厂的污泥的质量为10-200g。
过去二十多年的研究，证明了基于单质铁(例如n-ZVI)和氧化铁(例如磁铁矿)的纳米粒子用于污水处理中的许多可能性。但目前的研究都是集中在某一处理单元，如反应器或污水处理子系统中，缺乏对铁基纳米粒子在整个城市污水系统中运移规律的了解和应用。
与现有技术不同，本发明通过在城市污水管道的进水端，或城市污水管道内，添加相应的化学药剂，有效控制硫化氢、氮、磷的浓度，从而降低送入生化处理池内的污水硫化氢、氮、磷等物质的浓度。本申请在城市污水系统上游(如下水道)投加铁基纳米粒子，在下游的污水处理厂中发挥多种作用。采用本申请，城市污水管道内硫化氢、氮、磷的浓度较现有技术中城市污水管道内硫化氢、氮、磷的浓度有了明显的下降，具有较好的技术效果和技术前景。城市污水管道内污水中硫化氢浓度的降低，会降低对城市污水管道中钢筋的腐蚀程度，延长城市污水管道的使用寿命。同时，城市污水管道内污水中氮、磷浓度的降低，会降低对城市生活污水处理设施中生化处理池内微生物的毒害作用，降低毒害作用对生化处理池处理效率的影响，提升处理负荷。
进一步，采用本申请，不需要在生化处理池的前段设置大型的处理设施，能够有效降低设备成本。同时，本申请采用添加化学药剂的方式，运行成本低，运行效果好，具有较高的应用价值和显著的进步意义，能够有效促进城市生活污水的治理。
同时，本申请的另一创新之处在于，采用工程的方法来实现城市水资源综合管理，即打通了污水收集与污水处理各单元系统的传递关系，通过系统的方法来寻求产生总体的多重效益。虽然水循环规划和城市水资源综合管理牢牢扎根于国家和地方环保局制定的若干政策文件中，但实际上通常是分开考虑水处理，污水收集和运输以及废水处理的单个子系统。现有的城市水资源综合管理通过优化各子系统级别，以产生最大利益(或最小成本)，而通常未考虑水循环中的现有连接。本项目通过城市污水系统中不同单元子系统之间的传递作用，对铁基纳米粒子的多重功能来提供系统范围的优化。
本申请为铁基纳米粒子在污水处理中的使用提供一种“传递式”方法，其将为其他各种污水处理化学药品的单一使用模式转变提供一个范例。采用本申请，能大大减少城市污水系统中的化学药品使用量，从而带来重大的环境和经济效益。进一步，采用本申请，一方面通过减少化学药品使用量来节约处理运行费用，另一方面也减少了化学药品可能带来的环境负面效应。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为实施例1的工艺流程图。
图中标记：1、城市污水管道，2、生化处理池，3、沉淀池，4、厌氧消化器，5、铁回收装置。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
本实施提供一种污水处理方法，其是基于用铁基纳米粒子的一种创新污水处理技术。本申请旨在使用铁基纳米粒子开发出一种集成的生活污水处理新技术，通过一次加药实现多种效益，从而改善下水道的运行和增强污水处理厂的处理效果。
如图1所示，该方法的操作如下。
(1)药剂添加
在城市污水管道的进水端，或城市污水管道内，设置铁基纳米粒子投加装置。通过铁基纳米粒子投加装置向城市污水管道投加铁基纳米粒子，使铁基纳米粒子与城市污水管道内的污水一起被送往城市生活污水处理厂，最终进入城市生活污水处理厂的生化处理池内。
在城市污水管道内，其涉及的主要反应如下：
硫化氢产生：SO4 2-→S2-
吸附：FeNP+S2-→FeNP-S
氧化：2Fe3++S2-→2Fe2++S
沉淀：Fe2++S2-→FeS
微污染物吸附：FeNP+MP→FeNP-MP。
经测定，进入城市生活污水处理厂的生化处理池内的污水含有FeNP-S、FeS、PO4 3-等。
(2)生化处理
送入生化处理池内的污水经生化处理后，完成生化处理操作。
在生化处理池内，其涉及的主要反应如下：
氧化：FeNP-S/Fe2++O2→Fe3++SO4 2-
脱磷：Fe3++PO4 3-+OH-→Fe(PO4)x(OH)y。
(3)沉淀
待生化处理完成后，处理后的污水被送入沉淀池内进行沉淀；处理后的水经达标排放，生化处理产生的污泥则沉淀在沉淀池内。其中，污泥内含有Fe(PO4)x(OH)y。
(4)厌氧处理
将沉淀池内的污泥送入厌氧消化器内，进行厌氧处理；厌氧处理后，产生无硫化氢的沼气和消化污泥，对无硫化氢的沼气进行收集。所收集的无硫化氢的沼气可作为能源，用于联合发电机组的发电。
在厌氧消化器内，其涉及的主要反应如下：
硫化氢产生：SO4 2-→S2-，Organic S→S2-
脱硫：Fe(PO4)x(OH)y+S2-→FeS+PO4 3-
甲烷产气增加：acetate，H2+CO2→CH4。
(5)铁回收
回收厌氧处理产生的消化污泥内的铁离子或铁基纳米粒子(主要是对污泥中的Fe3+或FeNP回收再利用)，并对铁回收后的污泥进行收集，消化后的污泥用离心机进行脱水，即可。
同时，将从步骤(5)污泥中回收的铁离子或铁基纳米粒子返回步骤(1)的铁基纳米粒子投加装置中，进行回用。
本实施例中，铁基纳米粒子采用纳米零价铁、纳米四氧化三铁。
以城市污水管道内污水的流量计，每立方米污水需投加的铁基纳米粒子质量如下表1所示。
表1每立方米污水添加的铁基纳米粒子质量(g)
| 序号 | 纳米零价铁 | 纳米四氧化三铁 | 序号 | 纳米零价铁 | 纳米四氧化三铁 |
| 01 | 0 | 5 | 26 | 15 | 20 |
| 02 | 0 | 10 | 27 | 15 | 30 |
| 03 | 0 | 20 | 28 | 15 | 50 |
| 04 | 0 | 30 | 29 | 20 | 5 |
| 05 | 0 | 40 | 30 | 20 | 10 |
| 06 | 0 | 50 | 31 | 20 | 20 |
| 07 | 5 | 0 | 32 | 20 | 30 |
| 08 | 10 | 0 | 33 | 20 | 50 |
| 09 | 15 | 0 | 34 | 30 | 5 |
| 10 | 20 | 0 | 35 | 30 | 10 |
| 11 | 30 | 0 | 36 | 30 | 20 |
| 12 | 40 | 0 | 37 | 30 | 30 |
| 13 | 50 | 0 | 38 | 30 | 50 |
| 14 | 5 | 5 | 39 | 40 | 10 |
| 15 | 5 | 15 | 40 | 40 | 20 |
| 16 | 5 | 30 | 41 | 40 | 30 |
| 17 | 5 | 50 | 42 | 40 | 40 |
| 18 | 10 | 5 | 43 | 40 | 50 |
| 19 | 10 | 10 | 44 | 50 | 5 |
| 20 | 10 | 20 | 45 | 50 | 10 |
| 21 | 10 | 30 | 46 | 50 | 15 |
| 22 | 10 | 50 | 47 | 50 | 20 |
| 23 | 15 | 5 | 48 | 50 | 30 |
| 24 | 15 | 10 | 49 | 50 | 40 |
| 25 | 15 | 15 | 50 | 50 | 50 |
通过实验室规模的生物反应器来模拟主要的城市污水子系统，该生物反应器包括压力管道反应器(RM)、序批式活性污泥生物反应器(SBR)、厌氧消化反应器(AD)。这些生物反应器将使用真实的生活污水做为运行基质。待生物反应器达到一个稳定的状态(基于微生物群落和特定的生物活性分析)，选择的两种铁基纳米粒子在将按不同剂量投加到反应器中，以确定对生物膜或活性污泥的作用和对污水指标的相应影响。通过在污水中直接加入铁基纳米粒子，将评估投加剂量(铁基纳米粒子)在从生物反应器中的除硫、磷、微量污染物等的效果以及对厌氧甲烷产气量的影响。
本实施例采用系统的跨学科方法，主要通过实验室规模的生物反应器来模拟下水道和生活污水处理厂。其中，需要对生活污水水质进行分析，包括水样中溶解的硫化合物，磷化合物，选定的有机微污染物。本实施例还将通过传感器监测反应器气相中的硫化氢浓度及甲烷浓度。
按表1的配比分别向生物反应器内添加铁基纳米粒子，每个序号添加三天，并对管道内污水的硫化氢、氮、磷含量进行测定。
进一步，在短期批次测试之后，下水道和生活污水处理厂反应器将作为一个集成系统来运行。该集成系统将用于测试流动效果以及如何通过仅在上游下水道中加入铁基纳米粒子来实现多种益处。该集成系统实验所需测试方法和批次测试类似，但是在生物反应器研究中收集的所有动态数据将用于建立和校准一个基于过程的数学模型，该模型将模拟铁和污水相关的过程。这一模型的建立和使用主要基于通用污水处理模型平台Aquasim。
最终，结合测定结果，基于经济因素考虑，针对供试城市生活污水，确定以城市污水管道内污水的流量计，每立方米污水需投加5g纳米零价铁、15g纳米四氧化三铁。
本申请将城市污水管道(即下水道)作为污水处理厂的一部分，对城市污水处理系统进行了有效延展。同时，研究投加在下水管道中的铁基纳米粒子与生活污水中的碳、硫、磷、有机微污染物的相互作用，优化了铁基纳米粒子在不同污水处理过程(除磷，除微污染物，除沼气中的硫化氢，提高污泥消化的产甲烷气量)中的有效性，并在此基础上，得到了本申请的技术方案。采用本申请，能够通过城市污水系统中的单一投药和传递效应，实现上述的多重效益。
综上，本申请一项关键创新是基于铁纳米粒子来开发具有巨大潜力的新兴“一次投加，多重效益”的集成废水处理技术。
实施例2
本实施例中，在实施例1步骤(1)铁基纳米粒子投加装置的基础上，通过污泥投加装置，向城市污水管道投加自来水厂的铝污泥。以城市污水管道内污水的流量计，每立方米污水需投加的自来水厂的污泥的质量为15g。
本实施例中，铁基纳米粒子投加装置、污泥投加装置可以为同一装置，也可以为不同装置。在自来水厂生产过程中，大部分城市通常采用聚合氯化铝作为净水剂，相应会产生铝污泥。通常情况下，铝污泥被当作废物，需要进行单独的处理。而本申请中，直接将自来水厂的铝污泥投加入城市污水管道中，起到相应的污水处理效果，其不仅实现了废物的有效利用，而且避免资源的浪费，减少了铝污泥的处理成本，具有显著的进步意义。
进一步，部分地区采用聚合氯化铁作为自来水净水剂，产生的污泥为铁污泥，其也可用于本实施例中。优选地，铁污泥与铝污泥的质量比为1:2～4。
由于环境和经济原因，在添加铁基纳米粒子的基础上，重新使用自来水厂的铝污泥，是下水道输送阶段控制硫化物和磷酸盐的一个可靠的解决方案。研究发现，在0.29±0.06mg S/mg Fe的比例下，自来水厂的Fe-污泥投加对硫化物的去除是有效的，但对磷酸盐的去除效果有限。同样，铝污泥在0.29±0.01mg P/mg Al的比率下对去除磷酸盐有效，但对硫化物的去除效果有限。同时，铁/铝污泥投加没有导致溶解性甲烷(CH4)和一氧化二氮(N2O)含量的大幅增加，也没有其他金属的释放。综合光谱、光谱和显微镜分析，硫化物和铁污泥中的铁离子之间的沉淀反应，可能是投加铁污泥能够去除城市生活污水中硫化物增加的主要原因。研究结果表明，在下水道中加入自来水厂的含铝淤泥和/或含铁污泥有多种潜在的好处。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (8)
1.一种污水处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）药剂添加
在城市污水管道的进水端，或城市污水管道内，设置铁基纳米粒子投加装置；通过铁基纳米粒子投加装置向城市污水管道投加铁基纳米粒子，使铁基纳米粒子与城市污水管道内的污水一起被送往城市生活污水处理厂的生化处理池内；
（2）生化处理
送入生化处理池内的污水经生化处理后，完成生化处理操作；
（3）沉淀
经生化处理后的污水被送入沉淀池内进行沉淀，处理后的水经达标排放，生化处理产生的污泥沉淀在沉淀池内；
（4）厌氧处理
将沉淀池内的污泥送入厌氧消化器内，进行厌氧处理；厌氧处理后，产生无硫化氢的沼气和消化污泥，对无硫化氢的沼气进行收集；
（5）铁回收
将厌氧处理产生的消化污泥进行处理，回收污泥中的铁离子或铁基纳米粒子，并对铁回收后的污泥进行收集，即可。
2.根据权利要求1所述污水处理方法，其特征在于，将从步骤（5）污泥中回收的铁离子或铁基纳米粒子返回步骤（1）的铁基纳米粒子投加装置中，进行回用。
3.根据权利要求1所述污水处理方法，其特征在于，所述铁基纳米粒子包括纳米零价铁、纳米四氧化三铁中的一种或两种。
4.根据权利要求1~3任一项所述污水处理方法，其特征在于，以城市污水管道内污水的流量计，每立方米污水需投加的铁基纳米粒子的质量为5-50g。
5.根据权利要求1~4任一项所述污水处理方法，其特征在于，所述步骤（1）中，在城市污水管道的进水端，或城市污水管道内，设置在设置污泥投加装置；通过污泥投加装置向城市污水管道投加自来水厂的污泥，所述自来水厂的污泥为铁污泥、铝污泥中的一种或两种。
6.根据权利要求5所述污水处理方法，其特征在于，自来水厂添加的净水剂为聚合氯化铝或聚合氯化铁，净化所产生的污泥为铁污泥或铝污泥。
7.根据权利要求5所述污水处理方法，其特征在于，所述步骤（1）中，通过污泥投加装置向城市污水管道投加自来水厂的铁污泥、自来水厂的铝污泥，所述铁污泥与铝污泥的质量比为1:0.25~4。
8.根据权利要求5所述污水处理方法，其特征在于，所述步骤（1）中，通过污泥投加装置向城市污水管道投加自来水厂的污泥，以城市污水管道内污水的流量计，每立方米污水需投加的自来水厂的污泥的质量为10-200g。
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