CN115448461A - 一种活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统及其方法，该系统包括生物反应池、二次沉淀池以及光伏电解水制氢一体化装置，所述生物反应池内依次布置有厌氧区、缺氧区、好氧区、后缺氧区以及后好氧区，且相邻两者之间通过流通孔连通；所述二次沉淀池与后好氧区相连；所述光伏电解水制氢一体化装置包括光伏制氢装置、储氢装置以及储氧装置，所述光伏制氢装置具有阴极和阳极，所述光伏制氢装置的阴极产生的氢气送入储氢装置中储存，所述光伏制氢装置的阳极产生的氧气送入储氧装置中储存。本发明通过活性污泥与光伏制氢耦合，将光伏制氢产生的H2接入活性污泥后缺氧区，光伏制氢产生的O2接入活性污泥后好氧区，提升系统污染物去除效率。

Description

一种活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统及其方法
技术领域
本发明涉及污水处理的技术领域，具体涉及一种活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统及其方法。
背景技术
活性污泥法，因其在能耗和经济方面的优势，已被广泛应用于城镇污水处理厂。现有城镇污水厂采用的活性污泥法主要依靠进水中的碳源实现氮和磷的去除，但是部分污水处理厂进水碳源不足，导致系统除磷脱氮效率较低，致使污水处理厂出水水质难以满足日趋严格的污水处理排放标准。
随着光伏装机规模的不断扩大，光伏发电将面临增加储能的问题，而储能问题正是所有能源问题中最重要的部分之一。利用清洁能源电力电解技术得到氢气，将氢气存储于高效储氢装置中，可有效解决光伏发电储能难的问题。光伏发电制氢主要利用光伏发电系统所发直流电直接供应制氢站制氢。光伏直流发电系统相比传统电站减少了逆变和升压的过程，主要设备设施包括光伏组件、汇流箱、支架、基础、接地装置等，光伏组件可根据制氢站输入电压和电流要求进行串、并连配置，从而提高系统效率。电解水制氢目前技术成熟、设备简单，运行和管理较为方便，制取氢气纯度较高，无污染。电解水制氢产生的H2可以被系统中反硝化菌利用，实现系统NO3 --N的还原，电解水制氢产生的O2可用于好氧段有机物的降解。
因此，为了解决污水处理厂进水碳源不足导致系统除磷脱氮效率低的问题，需要设计一种活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统，提升除磷脱氮效率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，提供一种活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统及其方法，该系统通过活性污泥与光伏制氢耦合，将光伏制氢产生的H2接入活性污泥后缺氧区，光伏制氢产生的O2接入活性污泥后好氧区，提升系统污染物去除效率。
为实现上述目的，本发明所设计的一种活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统，包括生物反应池、二次沉淀池以及光伏电解水制氢一体化装置，所述生物反应池内依次布置有厌氧区、缺氧区、好氧区、后缺氧区以及后好氧区，且相邻两者之间通过流通孔连通；所述二次沉淀池与后好氧区相连；
所述光伏电解水制氢一体化装置包括光伏制氢装置、储氢装置以及储氧装置，所述光伏制氢装置具有阴极和阳极，所述光伏制氢装置的阴极产生的氢气送入储氢装置中储存，所述光伏制氢装置的阳极产生的氧气送入储氧装置中储存；所述储氢装置与后缺氧区相连用于向其提供氢气，所述储氧装置与后好氧区相连用于向其提供氧气。
上述技术方案中，所述好氧区排出的一部分污水回流至缺氧区，剩余部分污水进入后缺氧区；所述二次沉淀池排出的一部分污泥回流至厌氧区，剩余部分污泥直接排放。
上述技术方案中，所述厌氧区、缺氧区、后缺氧区以及后好氧区内均设置有搅拌器；所述好氧区、后缺氧区以及后好氧区内均设置有曝气装置；所述后缺氧区内的曝气装置与储氢装置相连，所述后好氧区内曝气装置与储氧装置相连。
上述技术方案中，所述好氧区与缺氧区之间设置有用于供污水回流的第一管路，所述第一管路上设置有第一泵体；所述二次沉淀池与厌氧区之间设置有用于供污泥回流的第二管路，所述第二管路上设置有第二泵体；
所述后缺氧区内的曝气装置与储氢装置之间的连接管路上设置有第一阀门，所述后好氧区内曝气装置与储氧装置之间的连接管路上设置有第二阀门；
所述光伏制氢装置与储氢装置之间的连接管路上设置有第一增压器；所述光伏制氢装置与储氧装置之间的连接管路上设置有第二增压器。
上述技术方案中，所述生物反应池中污泥浓度为2000mg/L～8000mg/L；所述后缺氧区内填充有悬浮填料，所述悬浮填料的填充率为0％～30％。
本发明利用上述的系统进行污水处理的方法，包括如下步骤：
S1：在光照条件下光伏制氢装置开始工作，将氢气储存于储氢装置中，将氧气储存于储氧装置中；
S2：污水依次进入厌氧区、缺氧区、好氧区；
S3：通过鼓风机向好氧区内通入空气；
S4：好氧区一部分污水回流至缺氧区，一部分污水依次进入后缺氧区、后好氧区、二次沉淀池；
S5：通过储氢装置，向后缺氧区内通入氢气，通过储氧装置，向后好氧区内通入氧气；
S6：二次沉淀池排出的一部分污泥回流至厌氧区，剩余部分污泥直接排放；
S7：重复S1-S6，完成污水中污染物的去除。
上述技术方案中，所述步骤S2中，污水在厌氧区停留时间为0.5～1.5h，污水在缺氧区停留时间为1.5～3.0h，污水在好氧区停留时间为2.5～8.0h；所述步骤S4中，污水在后缺氧区停留时间为1.0～3.0h，污水在后好氧区停留时间为0.5.0～2.0h。
上述技术方案中，所述步骤S3中，好氧区对污水中有机物进行充分降解，污水中COD浓度小于45mg/L，氨氮浓度小于1mg/L。
上述技术方案中，所述步骤S4中，后缺氧区内的曝气装置淹没水深大于1.5m，后缺氧区内的曝气装置和搅拌器同时运行；后好氧区内的曝气装置淹没水深大于1.5m，后好氧区内的曝气装置和搅拌器同时运行。
上述技术方案中，所述步骤S5中，氢气投加量为2～8mg/L，氧气投加量为16～64mg/L。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
其一，本发明处理效能高、实现高标准处理，通过采用连续进水、连续出水的形式，用于处理城镇污水，系统通过在后缺氧区接入H2，培养氢自养反硝化菌，实现系统的深度脱氮，在后好氧区接入O2，强化系统有机物去除。
其二，本发明污泥产量低，采用后缺氧区培养氢自养反硝化菌，比传统异养反硝化均具有更低的污泥产量。
其三，本发明活性污泥沉降性能好，采用纯氧曝气可使丝状菌得到了抑制，形成密实的絮体颗粒，改善活性污泥沉降性能。
其四，本发明运行能耗低，通过光伏电解水制备H2和O2，无需外加能源，系统运行能耗低。
附图说明
图1为本发明活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统的结构示意图；
图中，1-生物反应池、1.1-厌氧区、1.2-缺氧区、1.3-好氧区、1.4-后缺氧区、1.5-后好氧区、1.6-流通孔、2-二次沉淀池、3-光伏电解水制氢一体化装置、3.1-光伏制氢装置、3.2-储氢装置、3.3-储氧装置、4-搅拌器、5-曝气装置、6-第一管路、7-第一泵体、8-第二管路、9-第二泵体、10-第一阀门、11-第二阀门、12-第一增压器、13-第二增压器、14-悬浮填料。
具体实施方式
下面结合实施案例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
如图1所示，本发明的一种活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统，包括生物反应池1、二次沉淀池2以及光伏电解水制氢一体化装置3，生物反应池1内依次布置有厌氧区1.1、缺氧区1.2、好氧区1.3、后缺氧区1.4以及后好氧区1.5，且相邻两者之间通过流通孔1.6连通；二次沉淀池2与后好氧区1.5相连；光伏电解水制氢一体化装置3包括光伏制氢装置3.1、储氢装置3.2以及储氧装置3.3，光伏制氢装置3.1具有阴极和阳极，光伏制氢装置3.1的阴极产生的氢气送入储氢装置3.2中储存，光伏制氢装置3.1的阳极产生的氧气送入储氧装置3.3中储存；储氢装置3.2与后缺氧区1.4相连用于向其提供氢气，储氧装置3.3与后好氧区1.5相连用于向其提供氧气。本实施例中，光伏制氢装置3.1可采用光伏发电系统所发直流电来电解水制氢，同时产生H2和O2；储氢装置3.2和储氧装置3.3均可采用储气罐、储气箱等。
上述技术方案中，好氧区1.3排出的一部分污水回流至缺氧区1.2，剩余部分污水进入后缺氧区1.4；二次沉淀池2排出的一部分污泥回流至厌氧区1.1，剩余部分污泥直接排放。厌氧区1.1、缺氧区1.2、后缺氧区1.4以及后好氧区1.5内均设置有搅拌器4；好氧区1.3、后缺氧区1.4以及后好氧区1.5内均设置有曝气装置5；后缺氧区1.4内的曝气装置与储氢装置3.2相连，后好氧区1.5内曝气装置与储氧装置3.3相连。
上述技术方案中，好氧区1.3与缺氧区1.2之间设置有用于供污水回流的第一管路6，第一管路6上设置有第一泵体7；二次沉淀池2与厌氧区1.1之间设置有用于供污泥回流的第二管路8，第二管路8上设置有第二泵体9；后缺氧区1.4内的曝气装置与储氢装置3.2之间的连接管路上设置有第一阀门10，后好氧区1.5内曝气装置与储氧装置3.3之间的连接管路上设置有第二阀门11；光伏制氢装置3.1与储氢装置3.2之间的连接管路上设置有第一增压器12；光伏制氢装置3.1与储氧装置3.3之间的连接管路上设置有第二增压器13。生物反应池1中污泥浓度为2000mg/L～8000mg/L；后缺氧区1.4内填充有悬浮填料14，悬浮填料的填充率为0％～30％。本实施例中，悬浮填料可以采用市售的悬浮填料产品。
本发明利用上述的系统进行污水处理的方法，包括如下步骤：
S1：在光照条件下光伏制氢装置开始工作，将氢气储存于储氢装置中，将氧气储存于储氧装置中；
S2：污水依次进入厌氧区1.1、缺氧区1.2、好氧区1.3；污水在厌氧区1.1停留时间为0.5～1.5h，污水在缺氧区1.2停留时间为1.5～3.0h，污水在好氧区1.3停留时间为2.5～8.0h。
S3：通过鼓风机向好氧区1.3内通入空气；好氧区1.3对污水中有机物进行充分降解，污水中COD浓度小于45mg/L，氨氮浓度小于1mg/L。
S4：好氧区1.3一部分污水回流至缺氧区1.2，一部分污水依次进入后缺氧区1.4、后好氧区1.5、二次沉淀池2；污水在后缺氧区1.4停留时间为1.0～3.0h，污水在后好氧区1.5停留时间为0.5.0～2.0h；后缺氧区1.4内的曝气装置淹没水深大于1.5m，后缺氧区1.4内的曝气装置和搅拌器同时运行；后好氧区1.5内的曝气装置淹没水深大于1.5m，后好氧区1.5内的曝气装置和搅拌器同时运行。
S5：通过储氢装置，向后缺氧区1.2内通入氢气，通过储氧装置，向后好氧区1.3内通入氧气；氢气投加量为2～8mg/L，氧气投加量为16～64mg/L。好氧区采用传统鼓风机曝气、后缺氧区采用储氢装置曝气、后好氧区采用储氧装置曝气。
S6：二次沉淀池2排出的一部分污泥回流至厌氧区1.1，剩余部分污泥直接排放；
S7：重复S1-S6，完成污水中污染物的去除。
以某城镇污水厂处理为例，采用本发明的污水处理的方法，具体工艺条件如下：
1)采用连续进水、连续出水的形式，生物反应池好氧区曝气气水比值为3.5，后缺氧区氢气投加量为4mg/L，氧气投加量为32mg/L；
2)生物反应池活性污泥浓度维持在4000mg/L；
3)污水与部分回流污泥进入厌氧区，停留时间1.0h；
4)污水与部分回流硝化液进入缺氧区，停留时间3.0h；
5)污水进入好氧区，停留时间6.0h，在好氧区通过传统鼓风机曝气，好氧区DO控制在1.5mg/L以上；
6)污水进入后缺氧区，停留时间2.0h，在后缺氧区通过储氢设备向后缺氧区供气，曝气头淹没水深为2.5m，后缺氧区搅拌器保持运转，在后缺氧区通过培养氢自养反硝化菌，实现氮的去除；
7)污水进入后好氧区，停留时间1.0h，在后好氧区通过储氧设备向后好氧区供气，曝气头淹没水深为2.5m，后好氧区搅拌器保持运转，在后好氧区，通过纯氧曝气实现有机物的高效去除，并使丝状菌得到抑制。
本实施例在进水COD为220mg/L、NH4 +-N为41mg/L、TN为45mg/L、TP为4.6mg/。出水COD、NH4 +-N、TN、TP浓度分别为21mg/L、0.36mg/L、5.24mg/L、0.32mg/L，去除率分别为90.45％、99.12％、88.35％、93.04％。出水水质优于《天津市地方标准DB12/599-2015》中的A标准。
未耦合光伏电解制氢时，出水COD、NH4 +-N、TN、TP浓度分别为36mg/L、0.48mg/L、15.48mg/L、1.03mg/L，去除率分别为83.64％、98.83％、65.60％、77.61％。系统TN、TP去除率较低，出水无法满足《天津市地方标准DB12/599-2015》中的A标准，甚至无法满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A的要求。
以上，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，其余未详细说明的均属于现有技术。

Claims (10)

1.一种活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统，其特征在于：包括生物反应池(1)、二次沉淀池(2)以及光伏电解水制氢一体化装置(3)，所述生物反应池(1)内依次布置有厌氧区(1.1)、缺氧区(1.2)、好氧区(1.3)、后缺氧区(1.4)以及后好氧区(1.5)，且相邻两者之间通过流通孔(1.6)连通；所述二次沉淀池(2)与后好氧区(1.5)相连；
所述光伏电解水制氢一体化装置(3)包括光伏制氢装置(3.1)、储氢装置(3.2)以及储氧装置(3.3)，所述光伏制氢装置(3.1)具有阴极和阳极，所述光伏制氢装置(3.1)的阴极产生的氢气送入储氢装置(3.2)中储存，所述光伏制氢装置(3.1)的阳极产生的氧气送入储氧装置(3.3)中储存；所述储氢装置(3.2)与后缺氧区(1.4)相连用于向其提供氢气，所述储氧装置(3.3)与后好氧区(1.5)相连用于向其提供氧气。
2.根据权利要求1所述的活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统，其特征在于：所述好氧区(1.3)排出的一部分污水回流至缺氧区(1.2)，剩余部分污水进入后缺氧区(1.4)；所述二次沉淀池(2)排出的一部分污泥回流至厌氧区(1.1)，剩余部分污泥直接排放。
3.根据权利要求2所述的活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统，其特征在于：所述厌氧区(1.1)、缺氧区(1.2)、后缺氧区(1.4)以及后好氧区(1.5)内均设置有搅拌器(4)；
所述好氧区(1.3)、后缺氧区(1.4)以及后好氧区(1.5)内均设置有曝气装置(5)；所述后缺氧区(1.4)内的曝气装置与储氢装置(3.2)相连，所述后好氧区(1.5)内曝气装置与储氧装置(3.3)相连。
4.根据权利要求3所述的活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统，其特征在于：所述好氧区(1.3)与缺氧区(1.2)之间设置有用于供污水回流的第一管路(6)，所述第一管路(6)上设置有第一泵体(7)；
所述二次沉淀池(2)与厌氧区(1.1)之间设置有用于供污泥回流的第二管路(8)，所述第二管路(8)上设置有第二泵体(9)；
所述后缺氧区(1.4)内的曝气装置与储氢装置(3.2)之间的连接管路上设置有第一阀门(10)，所述后好氧区(1.5)内曝气装置与储氧装置(3.3)之间的连接管路上设置有第二阀门(11)；
所述光伏制氢装置(3.1)与储氢装置(3.2)之间的连接管路上设置有第一增压器(12)；所述光伏制氢装置(3.1)与储氧装置(3.3)之间的连接管路上设置有第二增压器(13)。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的活性污泥耦合光伏制氢的污水处理系统，其特征在于：所述生物反应池(1)中污泥浓度为2000mg/L～8000mg/L；所述后缺氧区(1.4)内填充有悬浮填料(14)，所述悬浮填料的填充率为0％～30％。
6.利用权利要求1～5任一项所述的系统进行污水处理的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：在光照条件下光伏制氢装置开始工作，将氢气储存于储氢装置中，将氧气储存于储氧装置中；
S2：污水依次进入厌氧区(1.1)、缺氧区(1.2)、好氧区(1.3)；
S3：通过鼓风机向好氧区(1.3)内通入空气；
S4：好氧区(1.3)一部分污水回流至缺氧区(1.2)，一部分污水依次进入后缺氧区(1.4)、后好氧区(1.5)、二次沉淀池(2)；
S5：通过储氢装置，向后缺氧区(1.2)内通入氢气，通过储氧装置，向后好氧区(1.3)内通入氧气；
S6：二次沉淀池(2)排出的一部分污泥回流至厌氧区(1.1)，剩余部分污泥直接排放；
S7：重复S1-S6，完成污水中污染物的去除。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中，污水在厌氧区(1.1)停留时间为0.5～1.5h，污水在缺氧区(1.2)停留时间为1.5～3.0h，污水在好氧区(1.3)停留时间为2.5～8.0h；所述步骤S4中，污水在后缺氧区(1.4)停留时间为1.0～3.0h，污水在后好氧区(1.5)停留时间为0.5.0～2.0h。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S3中，好氧区(1.3)对污水中有机物进行充分降解，污水中COD浓度小于45mg/L，氨氮浓度小于1mg/L。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S4中，后缺氧区(1.4)内的曝气装置淹没水深大于1.5m，后缺氧区(1.4)内的曝气装置和搅拌器同时运行；后好氧区(1.5)内的曝气装置淹没水深大于1.5m，后好氧区(1.5)内的曝气装置和搅拌器同时运行。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S5中，氢气投加量为2～8mg/L，氧气投加量为16～64mg/L。
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