CN115385520B - 一种高效回收氨的城市污水处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种高效回收氨的城市污水处理方法，包括：一、过滤除杂，去除污水中的漂浮物及砂砾；二、生物处理，通过厌氧及好氧生化处理利用微生物对污水中的有机物、P和N进行生物代谢，并以产生生物污泥的形式进行增殖；三、混凝沉淀，通过铁离子对污水中残留的悬浮固体和P进行固结，生成含P铁泥，通过铁泥对水中残留的有机物吸附；四、氨回收以及消毒出水，调节水体pH至4‑6.5，将污水导入氨化反应器中，产生的活性氢还原作用将污水中的硝氮、亚硝氮转化为氨氮；将出水导入碱化沉淀池，通过强碱的作用并在真空、加热和曝气的条件下将水中氨氮转移到气相中，实现氨的收集回收，并使出水中氨氮、总氮达标，经消毒后排放。本发明可实现对污水中的氨进行回收利用。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种高效回收氨的城市污水处理方法。
背景技术
城市污水中的污染物以有机物、氨氮、硝氮、总磷等为主。在现有技术中，城市污水的处理厂秉承“从水体中去除污染物”的理念，其污水处理工艺主要以沉砂-生物处理（去碳、脱氮、除磷）-混凝沉淀（去除SS、精细除磷）-过滤-消毒为主，将有机物矿化为二氧化碳和水，将磷固结为污泥，将氨氮、硝氮中的氮元素转化为氮气，对于污泥固废采用焚烧减量的方式进行处置。上述现有技术存在以下不足：
1、“从水体中去除污染物”的理念有待更新
有机物被直接氧化为CO2和水，N元素通过好氧硝化-缺氧反硝化工艺被转化为N2，P元素通过厌氧-好氧+化学除P工艺被分别转化为含P生物污泥和化学污泥。各个所谓“污染物”之间的联系不紧密，被相互独立看待。
2、传统污水处理工艺的缺陷：
1）我国当前城市污水中的碳源普遍不足，但现行工艺中脱氮微生物与除磷微生物间存在泥龄、反应环境氧化还原电位、争夺碳源的矛盾，导致在污水处理的过程中不得不外加入部分碳源，以维持脱氮、除磷效率。但这往往很难精确控制碳源投加量：加入过少时达不到脱氮除磷的目的，加入过多时反而会引起新的有机污染。
2）有机物仅被视作“污染物”，最终归宿是被直接氧化为CO2和水而排入大气中；N仅被视作“污染物”，最终归宿是被转化为N2而排入大气中；P仅被视作“污染物”，最终归宿是被固结为含P污泥，或是填埋或是焚烧；同时，为达到“去碳脱氮除磷”的目标，需要充分利用污水中本就不充足的碳源，需要加多设置回流管线、泵，拉长了工艺流程，因而设备数量、电耗均较高。显然这些均增加了污水厂的成本以及碳排放，与现行的“碳达峰、碳中和”理念背道而驰。
3）现有城市污水的消毒工艺以UV-漂白粉为主。单纯的UV消毒目前被证实效果有限，需要辅以次氯酸盐的强氧化性提高消毒效果，这就不可避免的会向水中引入卤离子，而这些卤离子无法被有效去除，进入环境水体后容易转化为卤代消毒副产物，引起潜在的“三致”风险。
值得关注的是，城市污水中的这些所谓“污染物”本身也具有资源属性。有机物具有热值，同时其中所蕴含的H是当前公认的清洁能源，P是重要的农作物肥料，而氨氮更是重要的资源物质。
其中，氨既是很好的储氢材料，也是很好的肥料及化工原料，是保证国计民生的重要资源，正是氨肥的施用才为当前人口提供了充足的粮食。现有的氨生产方法主要是通过Haber-Bosch工艺，以空气中的氮气为原料、辅以氢气，以铁或钌为催化剂，在密闭容器中通过高温、高压化合而得。该反应的原料氢气需要耗能而得，该反应本身也需要耗费大量能源。
综上所述，一方面，我们需要耗费大量能源制造氨用于满足粮食、化工的需要；而另一方面，我们却在需要耗费大量能源、药剂通过现有城市污水处理厂的处理工艺将氨氮转化为氮气，这不得不说是一种对资源和能源的浪费。究其原因，是在现有技术中，城市污水厂仅被视作“处理厂”这一理念所导致的，而本发明要解决的课题，正是如何通过改变工艺方法，使城市污水厂不再仅是“处理厂”，而更是一座“资源生产回收厂”。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效回收氨的城市污水处理方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种高效回收氨的城市污水处理方法，包括：
步骤一、过滤除杂
通过分离除杂去除污水中夹杂的漂浮物以及砂砾；
步骤二、生物处理
经过滤除杂后的污水进入生物处理工段，通过厌氧及好氧生化处理，利用微生物对污水中的有机物、P和N进行生物代谢，并以产生生物污泥的形式进行增殖；
产生的污泥经沉淀进行泥水分离，部分污泥回流入厌氧及好氧生化池以维持污泥浓度；
步骤三、混凝沉淀
经生物处理后的污水进入混凝沉淀工段，通过铁离子的作用，对污水中残留的悬浮固体和P进行固结，生成含P铁泥，通过铁泥对水中残留的有机物吸附，使经混凝沉淀后的出水中的有机物、总磷达到排放标准；
步骤四、氨回收以及消毒出水
经混凝沉淀后的污水进入氨回收工段，通过调节水体pH至4-6.5，再将污水导入一氨化反应器中，该氨化反应器中填充有铁屑；通过氨化反应器产生的活性氢的还原作用，将污水中的硝氮、亚硝氮转化为氨氮；然后，将出水导入碱化沉淀池中，通过强碱的作用，并在真空、加热和曝气的条件下将水中氨氮转移到气相中，实现氨的收集回收，并使出水中氨氮、总氮达标，再经消毒后排放。
上述技术方案中的有关内容说明如下：
1．进一步的技术方案，于步骤二中，还包括厌氧消化处理；
泥水分离后的部分污泥进入厌氧消化工段进行厌氧消化，经厌氧消化处理后，污泥中所含细菌、病毒在厌氧消化升温时被逐渐杀灭，富含有机物的上清液被回流至步骤一进行过滤除杂；有机物被转化为厌氧消化气。
2．进一步的技术方案，针对厌氧消化处理产生的厌氧消化气，还包括分离处理；
所述厌氧消化气包括甲烷、CO、H2、CO2和水汽，厌氧消化气经气体分离器，对不同的气体组分进行分离、富集；
其中，CO2、CO回收，H2经收集后进入所述消毒设备，甲烷与水汽进入蒸汽甲烷重整器中进行反应，反应而得的H2送入消毒设备，反应得到的CO和剩余水回到所述气体分离器。
3．进一步的技术方案，于步骤四中，还包括氨气的除湿消毒处理；
转移到气相中的氨气依次经碱性除湿、紫外消毒后，进行富集。
4．进一步的技术方案，：还包括产氢反应处理；
将收集后的部分氨送入产氢反应器中，将其分解为N2和H2；其中N2直接排放，H2送入所述消毒设备；
部分氨通过溶入水中制备氨水，或经加压装瓶成为液氨，或通入酸性溶液中制备铵盐。
5．进一步的技术方案，于步骤四中，针对排水还包括热回收处理；
经消毒设备消毒完毕后的出水进入热回收系统，将水中的热量回收后，即可排放入环境中。
6．进一步的技术方案，于步骤四中，针对碱化沉淀产生的铁泥还包括酸化处理；铁泥经沉淀收集后，送入酸化池酸化为铁离子，送回至混凝沉淀池中除P。
7．进一步的技术方案，消毒的设备为紫外催化消毒池；
前述各工段中所产生的H2经收集后进入紫外催化消毒池，并向其中通入空气，在催化剂作用下H2和O2被转化为双氧水；双氧水经后续紫外照射后分解产生强氧化性的羟基自由基。
相比现有技术而言，本发明的工作原理及优点如下：
1、通过本发明的处理方法，不仅可以减少投资和运行成本（流程变简单了，投资和运行费用也会减少），而且可以对CO2、N、P资源进行回收、利用，产生新的社会效益（固废减量化、资源化和无害化）和经济效益。
2、优化了主体处理流程和构筑物设置，避免了“脱氮”和“除磷”之间的固有矛盾，减少碳源的使用和最终碳的排放。
3、可对不同污泥进行有效分类收集、利用，便于后续资源化利用。
4、最大限度地对铁盐进行了循环利用，减少了混凝剂的使用。
5、无卤代消毒副产物的产生，减少“三致”风险的发生。
本发明通过对现有城市污水处理厂的工艺进行调整、引入新的绿色能源，实现合理回收、利用污水中的各种资源，使城市污水厂不仅仅是“处理厂”，更可成为“资源生产回收厂”，有利于实现国家“碳达峰、碳中和”目标。
附图说明
附图1为本发明实施例方法的流程框图；
附图2为本发明实施例系统的结构示意图；
附图3为本发明实施例系统的原理示意图。
以上附图中：1．分离除杂单元；11．过滤格栅；12．沉砂池；2．生化处理单元；21．厌氧及好氧生化池；22．第一沉淀池；23．厌氧消化装置；24．气体分离器；25．蒸汽甲烷重整器；3．混凝沉淀单元；31．混凝沉淀池；4．氨回收单元；41．第一酸化池；42．氨化反应器；43．碱化沉淀池；44．碱性除湿器；45．紫外消毒器；46．第二酸化池；5．消毒单元；6．热回收装置；7．产氢反应器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：以下将以图式及详细叙述对本案进行清楚说明，任何本领域技术人员在了解本案的实施例后，当可由本案所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本案的精神与范围。
本文的用语只为描述特定实施例，而无意为本案的限制。单数形式如“一”、“这”、“此”、“本”以及“该”，如本文所用，同样也包含复数形式。
关于本文中所使用的“第一”、“第二”等，并非特别指称次序或顺位的意思，亦非用以限定本案，其仅为了区别以相同技术用语描述的组件或操作。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
关于本文中所使用的用词（terms），除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在本案内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本案的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本案描述上额外的引导。
参见附图1所示，一种高效回收氨的城市污水处理方法，包括：
步骤一、过滤除杂
通过分离除杂单元去除污水中夹杂的漂浮物以及砂砾；具体的，可先由格栅去除污水中夹杂的大块漂浮物（如塑料袋等生活垃圾），而后进入沉砂池去除水中夹带的砂砾。
步骤二、生物处理
经过滤除杂后的污水进入生物处理工段，通过厌氧及好氧生化池，利用微生物对污水中的有机物、大部分P（磷）和少部分N（氮）进行生物代谢，并以产生生物污泥的形式进行增殖。
生物处理工段的目的在于尽可能回收水中的有机物。此工段可采用常规的厌氧/好氧工艺模式运行，也可以A/B工艺模式运行。
产生的污泥经沉淀进行泥水分离，部分污泥回流入厌氧及好氧生化池以维持污泥浓度；
步骤三、混凝沉淀
经生物处理后的污水进入混凝沉淀工段，通过铁离子的作用，对污水中残留的悬浮固体和P进行固结，生成含P铁泥；其中铁泥对水中残留的有机物有吸附作用，经混凝沉淀后的出水中的有机物、总磷达到排放标准；铁泥可作为肥料出售。
步骤四、氨回收以及消毒出水
经混凝沉淀后的污水进入氨回收工段，通过调节水体pH至4-6.5，再将污水导入氨化反应器中；该氨化反应器中填充有铁屑，通过缓慢产生的活性氢的还原作用，将污水中的硝氮、亚硝氮温和地转化为氨氮；然后，将出水导入碱化沉淀池中，通过强碱的作用，并在真空、加热和大气泡曝气的条件下将水中氨氮转移到气相中，使得水体中氨氮、总氮达标，出水中剩余的悬浮物通过滤料过滤，经消毒设备消毒后排放。
优选的，于步骤二中，还包括厌氧消化处理；泥水分离后的部分污泥进入厌氧消化工段进行厌氧消化，经厌氧消化处理后，污泥中所含细菌、病毒在厌氧消化升温时被逐渐杀灭，富含有机物的上清液被回流至步骤一进行过滤除杂；残渣可做肥料回田；有机物被转化为厌氧消化气。
优选的，针对厌氧消化处理产生的厌氧消化气，还包括分离处理；所述厌氧消化气包括甲烷、CO、H2、CO2和水汽，厌氧消化气经气体分离器，对不同的气体组分进行分离、富集；其中，CO2、CO回收，经提纯后可出售，H2经收集后进入所述消毒设备，甲烷与水汽进入蒸汽甲烷重整器中进行反应，蒸汽甲烷重整器，利用太阳能、风能、光热能和回收自污水的热能，反应而得的H2送入消毒设备，反应得到的CO和剩余水回到所述气体分离器。
优选的，于步骤四中，还包括氨气的除湿消毒处理；转移到气相中的氨气依次经碱性除湿、紫外消毒后，进行富集。
优选的，还包括产氢反应处理；将收集后的部分氨送入产氢反应器中，利用太阳能、风能、光热能和回收自污水的热能进行发电，将其分解为N2和H2；其中N2直接排放，H2送入所述消毒设备；部分氨通过溶入水中制备氨水，或经加压装瓶成为液氨，或通入酸性溶液中制备铵盐，进行出售。
优选的，于步骤四中，针对排水还包括热回收处理；经所述消毒设备消毒完毕后的出水进入热回收系统，将水中的热量回收后，即可排放入环境中。
优选的，于步骤四中，针对碱化沉淀产生的铁泥还包括酸化处理；铁泥经沉淀收集后，送入酸化池酸化为铁离子，送回至混凝沉淀池中除P。
优选的，所述消毒设备为紫外催化消毒池；前述各工段中所产生的H2经收集后进入紫外催化消毒池，并向其中通入空气，在催化剂作用下H2和O2被转化为双氧水；双氧水经后续紫外照射后分解产生强氧化性的羟基自由基。借此设计，可以更为高效地消毒，且不会产生卤代消毒副产物。
如图2、3所示，本发明的城市污水处理方法具体可通过图中所示的污水处理系统完成，该系统包括分离除杂单元1、生化处理单元2、混凝沉淀单元3、氨回收单元4以及消毒单元5。
所述分离除杂单元1包括过滤格栅11及沉砂池12，所述过滤格栅11的进水接入污水，过滤格栅11的出水接所述沉砂池12的入水，沉砂池12的出水接所述生化处理单元2。
所述生化处理单元2包括厌氧及好氧生化池21，该厌氧及好氧生化池21的入水接所述沉砂池12的出水。还包括第一沉淀池22，该第一沉淀池22的入水接所述厌氧及好氧生化池21的出水；第一沉淀池22的一第一污泥管路连通所述厌氧及好氧生化池21的一入口。所述第一沉淀池22的一第二污泥管路连通一厌氧消化装置23的入口，该厌氧消化装置23的出水接所述过滤格栅11的进水。厌氧消化装置23排出的固体残渣可做肥料回田利用。
还包括气体分离器24和蒸汽甲烷重整器25；所述气体分离器24的第一进气接所述厌氧消化装置23的出气，气体分离器24的第一出气（甲烷、水汽）接所述蒸汽甲烷重整器25的进气，蒸汽甲烷重整器25的第一出气（H2）接所述消毒单元5的进气；蒸汽甲烷重整器25的第二出气（CO、水）接所述气体分离器24的第二进气，气体分离器24的第二出气（H2）接所述消毒单元5的进气。气体分离器24的其他出气如CO2和CO进行回收后可用于出售。蒸汽甲烷重整器25的热能可由热回收装置6提供。
所述混凝沉淀单元3包括混凝沉淀池31，该混凝沉淀池31的入水接所述生化处理单元2的出水。
所述氨回收单元4包括第一酸化池41、氨化反应器42以及碱化沉淀池43；所述第一酸化池41的入水接所述混凝沉淀池31的出水，第一酸化池41的出水接所述氨化反应器42的入水，氨化反应器42中设有催化剂层（内含催化剂废铁屑），氨化反应器42的出水接所述碱化沉淀池43的入水，碱化沉淀池43的出气与一收集装置连通，该所述收集装置可以是常见的气体分离装置。
所述消毒单元5的入水接所述碱化沉淀池43的过滤出水，消毒单元5的出水作为系统的出水。
还包括除湿消毒装置，该除湿消毒装置包括碱性除湿器44和紫外消毒器45，所述碱性除湿器44的进气接所述碱化沉淀池43的出气，碱性除湿器44的出气接所述紫外消毒器45的进气，紫外消毒器45的出气接所述收集装置。
还包括一第二酸化池46，该第二酸化池46的污泥入口接所述碱化沉淀池43的污泥出口。通过第二酸化池46，铁泥酸化为铁离子，送入混凝沉淀池31中除磷。
第二酸化池46的污泥出口接所述混凝沉淀池31的一入口。
所述消毒单元5为紫外催化消毒池。
还包括热回收装置6，该热回收装置6的进水接所述消毒单元5的出水，热回收装置6的出水作为系统的出水。例如，热回收装置6可选用，利用热交换器对出水中的热量进行回收，用于温差发电。
还包括产氢反应器7，该产氢反应器7的进气接所述收集装置的一出气，产氢反应器7的出气（H2）接所述消毒单元5的一进气。
相比现有技术而言，本发明通过对现有城市污水处理厂的处理工艺进行优化，可简化处理流程，并可实现对污水中的各种资源进行合理回收、利用。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高效回收氨的城市污水处理方法，其特征在于：包括：
步骤一、过滤除杂
通过分离除杂去除污水中夹杂的漂浮物以及砂砾；
步骤二、生物处理
经过滤除杂后的污水进入生物处理工段，通过厌氧及好氧生化处理，利用微生物对污水中的有机物、P和N进行生物代谢，并以产生生物污泥的形式进行增殖；
产生的污泥经沉淀进行泥水分离，部分污泥回流入厌氧及好氧生化池以维持污泥浓度；
步骤三、混凝沉淀
经生物处理后的污水进入混凝沉淀工段，通过铁离子的作用，对污水中残留的悬浮固体和P进行固结，生成含P铁泥，通过铁泥对水中残留的有机物吸附，使经混凝沉淀后的出水中的有机物、总磷达到排放标准；
步骤四、氨回收以及消毒出水
经混凝沉淀后的污水进入氨回收工段，通过调节水体pH至4-6.5，再将污水导入一氨化反应器中，该氨化反应器中填充有铁屑；通过氨化反应器产生的活性氢的还原作用，将污水中的硝氮、亚硝氮转化为氨氮；然后，将出水导入碱化沉淀池中，通过强碱的作用，并在真空、加热和曝气的条件下将水中氨氮转移到气相中，实现氨的收集回收，并使出水中氨氮、总氮达标，再经消毒后排放。
2.根据权利要求1所述的城市污水处理方法，其特征在于：于步骤二中，还包括厌氧消化处理；
泥水分离后的部分污泥进入厌氧消化工段进行厌氧消化，经厌氧消化处理后，污泥中所含细菌、病毒在厌氧消化升温时被逐渐杀灭，富含有机物的上清液被回流至步骤一进行过滤除杂；有机物被转化为厌氧消化气。
3.根据权利要求2所述的城市污水处理方法，其特征在于：针对厌氧消化处理产生的厌氧消化气，还包括分离处理；
所述厌氧消化气包括甲烷、CO、H2、CO2和水汽，厌氧消化气经气体分离器，对不同的气体组分进行分离、富集；
其中，CO2、CO回收，H2经收集后进入消毒设备，甲烷与水汽进入蒸汽甲烷重整器中进行反应，反应而得的H2送入消毒设备，反应得到的CO和剩余水回到所述气体分离器。
4.根据权利要求1所述的城市污水处理方法，其特征在于：于步骤四中，还包括氨气的除湿消毒处理；
转移到气相中的氨气依次经碱性除湿、紫外消毒后，进行富集。
5.根据权利要求4所述的城市污水处理方法，其特征在于：还包括产氢反应处理；
将收集后的部分氨送入产氢反应器中，将其分解为N2和H2；其中N2直接排放，H2送入消毒设备；
部分氨通过溶入水中制备氨水，或经加压装瓶成为液氨，或通入酸性溶液中制备铵盐。
6.根据权利要求1所述的城市污水处理方法，其特征在于：于步骤四中，针对排水还包括热回收处理；
经消毒设备消毒完毕后的出水进入热回收系统，将水中的热量回收后，即可排放入环境中。
7.根据权利要求1所述的城市污水处理方法，其特征在于：于步骤四中，针对碱化沉淀产生的铁泥还包括酸化处理；铁泥经沉淀收集后，送入酸化池酸化为铁离子，送回至混凝沉淀池中除P。
8.根据权利要求1所述的城市污水处理方法，其特征在于：消毒的设备为紫外催化消毒池；
前述各工段中所产生的H2经收集后进入紫外催化消毒池，并向其中通入空气，在催化剂作用下H2和O2被转化为双氧水；双氧水经后续紫外照射后分解产生强氧化性的羟基自由基。
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