CN116143292A - 能源自给型城市污水处理系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种能源自给型城市污水处理系统，包括碳捕获单元、纯膜式PN/A‑MABR单元、深度脱氮单元、三级处理单元、厌氧消化单元、污泥脱水单元和泥膜复合式PN/A‑MABR单元；所述碳捕获单元、纯膜式PN/A‑MABR单元、深度脱氮单元和三级处理单元依次连接；所述厌氧消化单元分别与碳捕获单元、深度脱氮单元连接；所述厌氧消化单元、污泥脱水单元、泥膜复合式PN/A‑MABR单元和纯膜式PN/A‑MABR单元依次连接。本发明还公开了一种利用能源自给型城市污水处理系统处理污水的方法。本发明以PN/A‑MABR脱氮工艺为核心，辅以前端碳捕获技术，实现了主流和侧流污水的低碳高效除污，具有普适性工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种能源自给型城市污水处理系统与方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
城市污水处理厂是城市基础设施的重要组成部分，其可有效去除污水中的碳、氮、磷等污染物质，在改善水环境质量和确保水生态安全方面起着关键作用。然而，传统污水处理系统采用“高能耗换取高水质”模式，与“双碳”时代下的可持续发展理念相悖。尤其是传统污水处理系统中的生物脱氮过程，通过硝化菌和反硝化菌的代谢活动实现氮素去除，需要消耗大量的能源和碳源，且剩余污泥产量大，同时排放大量温室气体。因此，亟需开发面向未来的能源自给型城市污水处理系统。
膜曝气生物膜反应器(MABR)耦合短程硝化/厌氧氨氧化(PN/A)工艺是一种高效节能的污水生物脱氮技术，可实现城市污水低耗高效脱氮。其中，MABR是一种新型供氧装置，具有氧传质效率高、二次污染低的显著优势。PN/A脱氮工艺颠覆了传统硝化/反硝化工艺，可大幅降低曝气能耗、碳源消耗、剩余污泥产量和温室气体释放量。两者的结合可有效减少污水脱氮过程的能耗和物耗投入，是一种经济可行、环境友好的新型生物脱氮技术。此外，污水中蕴含着丰富有机化学能，通过捕获提取有机化学能并转换为电能，可抵消污水处理过程中的部分能耗，甚至实现能源自给。因此，以PN/A-MABR生物脱氮工艺为核心，辅以前端碳捕获技术，构建能源自给型污水处理系统，实现主流和侧流污水深度除污，对推动城市污水处理减污降碳协同增效具有重要意义。
发明内容
针对上述现有技术，为解决污水处理系统“高能耗换取高水质”模式存在的弊端，本发明提供了一种能源自给型城市污水处理系统与方法。本发明以PN/A-MABR脱氮工艺为核心，辅以前端碳捕获技术，构建了主流和侧流污水处理系统与工艺。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种能源自给型城市污水处理系统，包括碳捕获单元、纯膜式PN/A-MABR单元、深度脱氮单元、三级处理单元、厌氧消化单元、污泥脱水单元和泥膜复合式PN/A-MABR单元；其中，所述碳捕获单元、纯膜式PN/A-MABR单元、深度脱氮单元和三级处理单元依次连接；所述厌氧消化单元分别与碳捕获单元、深度脱氮单元连接；所述厌氧消化单元、污泥脱水单元、泥膜复合式PN/A-MABR单元和纯膜式PN/A-MABR单元依次连接。
所述碳捕获单元、纯膜式PN/A-MABR单元、深度脱氮单元、三级处理单元、厌氧消化单元、污泥脱水单元，均是现有技术中已有的装置或设备，其组成结构、工作原理均为现有技术，本发明对此不做赘述。
所述泥膜复合式PN/A-MABR单元，通过泥膜复合式PN/A-MABR单元可实现污泥消化上清液中80％～85％的TN去除，其结构为：包括泥膜复合式PN/A-MABR、进水箱、出水箱、内回流泵、曝气泵、DO测定仪和DO传感器；其中，
所述泥膜复合式PN/A-MABR上设有进水口、出水口和两个内回流口，所述进水口与进水箱连接，所述出水口与出水箱连接，所述两个内回流口之间通过内回流泵连接；
所述泥膜复合式PN/A-MABR内设有第二MABR膜组件；所述第二MABR膜组件由数根第二疏水透气膜组成，膜面积的装填密度为100～150m2/m3，第二MABR膜组件设有进气口和出气口，所述进气口与曝气泵连接；
所述DO传感器置于泥膜复合式PN/A-MABR内，并与DO测定仪连接。
进一步地，所述进水口与进水箱通过进水泵连接。
进一步地，所述进气口与曝气泵的连接管路上设有气体流量计和压力表。
进一步地，所述与出气口连接管路上设有尾气调节阀。
进一步地，所述第二疏水透气膜为中空纤维膜、板式膜、卷式膜、管式膜中的任意一种。
(注：泥膜复合式PN/A-MABR的结构上面进行了介绍，其具体的工作原理和效果在后面也进行了专门的介绍)进一步地，所述碳捕获单元由高负荷活性污泥法反应池，以及与高负荷活性污泥法反应池连接的第一二沉池组成，第一二沉池底部还可通过第一污泥回流单元与高负荷活性污泥法反应池连接。污水中的有机物在高负荷活性污泥法反应池中被捕获。高负荷活性污泥法反应池的出水进入第一二沉池中进行泥水分离。第一二沉池的出水进入纯膜式PN/A-MABR单元，底部浓缩污泥中的一部分可经第一污泥回流单元返回至高负荷活性污泥法反应池，剩余的浓缩污泥进入厌氧消化单元。当然，本发明的碳捕获单元不限于利用高负荷活性污泥法的装置，其它满足碳捕获需求的装置也可作为预处理单元，如利用一级强化化学处理、磁混凝工艺装置等。
进一步地，所述纯膜式PN/A-MABR单元中设置有数根由第一疏水透气膜组成的第一MABR膜组件；所述第一疏水透气膜为中空纤维膜、板式膜、卷式膜、管式膜中的任意一种，膜面积的装填密度为150～200m2/m3。纯膜式PN/A-MABR单元的水力停留时间(HRT)为6～8h，液相DO＜0.05mg/L，第一疏水透气膜上的生物膜厚度为400～800μm。该单元可去除进水中约10％的有机物，90％的NH4 +和75％的TN，其中通过厌氧氨氧化(Anammox)自养脱氮途径去除的TN占比93.5％，反硝化异养脱氮占比6.5％。
进一步地，所述深度脱氮单元由脱氮生化池，以及与脱氮生化池连接的第二二沉池组成，第二二沉池底部还可通过第二污泥回流单元与脱氮生化池的缺氧池连接；其中，脱氮生化池由缺氧池，以及与缺氧池连接的好氧池组成，好氧池底部还可通过硝化液回流单元与缺氧池连接。缺氧池中，DO＜0.05mg/L，反硝化菌利用外加碳源(如乙酸钠)/微生物内碳源去除进水中约10％的TN；好氧池中，DO为1～3mg/L，硝化菌进一步氧化残余NH4 +，去除率为5％～10％。好氧池末端的泥水混合液的一部分可经硝化液回流单元进入缺氧池，剩余的泥水混合液进入第二二沉池进水泥水分离。第二二沉池中泥水分离后的上清液进入三级处理单元，浓缩污泥的一部分可经第二污泥回流单元返回至缺氧池，剩余的浓缩污泥经第二剩余污泥排放单元进入厌氧消化单元。当然，本发明的深度脱氮单元不限于脱氮生化池和第二二沉池的组合，其它深度脱氮装置也可，如硫自养反硝化生化池等。
进一步地，所述三级处理单元由依次连接的混凝沉淀池、V型滤池和紫外消毒渠组成，实现磷元素、固体悬浮物、致病菌等污染物的去除。进水中磷的去除率可达98％，固体悬浮物去除率达90％以上，且出水大肠杆菌在标准范围内。
所述厌氧消化单元可以利用污泥进行厌氧消化(消化温度在30℃)，反应时间为15～20d，将污泥吸附的外碳源和微生物内碳源进行充分厌氧分解并生产甲烷。进一步地，所述厌氧消化单元可与甲烷收集利用单元连接，在厌氧消化单元中厌氧分解生产的甲烷可进入甲烷收集利用单元进行高效回收与能源转化。进一步地，所述厌氧消化单元不仅可接收碳捕获单元和深度脱氮单元的污泥，其它可发酵产甲烷的物质也可作为厌氧消化的原料，如餐厨垃圾等。
所述污泥脱水单元可采用离心式、滤带式、板框式等脱水机实现消化污泥中消化液和污泥的分离，通过投加聚丙烯酰胺等污泥调理剂提升消化污泥脱水性能，含水率由95％～98％降低至60％～80％。
进一步地，所述污泥脱水单元可与污泥处置单元连接，污泥处置单元可对脱水泥饼进行进一步的处理处置。
进一步地，所述厌氧消化单元通过第一剩余污泥排放单元与碳捕获单元连接；所述厌氧消化单元通过第二剩余污泥排放单元与深度脱氮单元连接。(注：上面是对结构组成的介绍，对于方法步骤的介绍在下面，所以此处不缺少‘得脱氮污水’的步骤)
所述能源自给型城市污水处理系统在处理城市污水中的应用。
一种利用能源自给型城市污水处理系统处理污水的方法，包括以下步骤：
(1)污水进入碳捕获单元，经碳捕获单元处理后，得低碳含氮污水和富碳污泥；低碳含氮污水排至纯膜式PN/A-MABR单元，富碳污泥排至厌氧消化单元；污水中的大部分有机物在此单元被捕获；
(2)低碳含氮污水经纯膜式PN/A-MABR单元处理后，得初步脱氮污水，排至深度脱氮单元；
低碳含氮污水在纯膜式PN/A-MABR单元中进行Anammox短流程自养脱氮过程；氨氧化细菌(AOB)和厌氧氨氧化细菌(AnAOB)均以生物膜形式附着第一疏水透气膜表面，AOB主要生长在生物膜内侧好氧层，AnAOB主要定殖在生物膜外侧的缺氧层；在AOB和AnAOB协作下，水中大部分NH4 +被去除；
(3)初步脱氮污水经深度脱氮单元处理后，得深度脱氮污水和污泥，深度脱氮污水排至三级处理单元，污泥排至厌氧消化单元；
深度脱氮单元采用生物脱氮工艺进行将水中残余的部分NO3 -和NH4 +进一步去除，对保障出水达标起到重要作用；
(4)深度脱氮污水经三级处理单元处理后，得中水，将中水回用或排至相应受纳水体；
经过脱氮除碳处理后的污水在三级处理单元进行深度处理(包括混凝、沉淀、过滤、消毒等)，实现磷元素、固体悬浮物、致病菌等污染物质的去除，得到的中水，水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A标准；
(5)污泥经厌氧消化单元处理后，得泥水混合物，排至污泥脱水单元；
碳捕获单元和深度脱氮单元排出的剩余污泥在厌氧消化单元中进行厌氧消化，吸附在污泥表面的外碳源以及微生物内碳源在厌氧消化单元中被转化成甲烷，产生的甲烷气体可经甲烷收集利用单元进行发电产能，在污泥减量化的同时实现资源化；
(6)泥水混合物经污泥脱水单元处理后，得污泥消化上清液和脱水泥饼，上清液排至泥膜复合式PN/A-MABR单元，脱水泥饼可进入污泥处置单元进行进一步的处理处置；
(7)污泥消化上清液经泥膜复合式PN/A-MABR单元处理后，得脱氮污水，排至纯膜式PN/A-MABR单元；
高氨氮污泥消化上清液在泥膜复合式PN/A-MABR单元中进行Anammox自养脱氮；AOB以生物膜形式附着在第二疏水透气膜表面的好氧区域，AnAOB以Anammox颗粒污泥形式存在于缺氧液相中；AOB和AnAOB各自处于适宜生态位，实现高氨氮污泥消化上清液的高效低耗脱氮，侧流泥膜复合式PN/A-MABR单元的出水排至主流纯膜式PN/A单元。
所述泥膜复合式PN/A-MABR单元的中氮素代谢过程为：在MABR中，存在异向传质特点，O2从膜腔进入生物膜，并从生物膜内层转至生物膜外层，NH4 +从液相进入生物膜并扩散至生物膜内侧。生物膜中AOB利用第二疏水透气膜所提供的O2作为电子受体，将污水中扩散到生物膜中的NH4 +氧化为NO2 -；产生的NO2 -由生物膜中扩散到液相中，并与液相中残留的NH4 +在AnAOB的作用下转化为N2和少量NO3 -，完成含氮污水的自养脱氮过程。AOB主要生长于好氧生物膜中，AnAOB主要存在于缺氧液相中，有效缓解了两者在DO生态因子调控上的矛盾，同时可避免纯膜式PN/A-MABR中生物膜过厚导致的基质传质受限和生物膜脱落造成的AnAOB流失问题。具体的工作过程为：
(1)向泥膜复合式PN/A-MABR中接种传统硝化/反硝化活性污泥，控制污泥浓度为2000～4000mg/L，采用序批方式进行疏水透气膜的挂膜培养；将含氮污水(污泥消化上清液)由进水箱泵入泥膜复合式PN/A-MABR中，待进满水后停止进水(关闭进水泵)，开启曝气泵向第二MABR膜组件中鼓入空气(控制曝气压力为10～30kPa)，并开启内回流泵使污水在泥膜复合式PN/A-MABR中循环流动(内回流泵流量根据实际运行情况进行调整)；定期取水样测定泥膜复合式PN/A-MABR中NH4 +的浓度，当低于20mg N/L时，曝气泵和内回流泵停止工作，待污泥静沉后排掉上清液至出水箱；再次进水重复上述操作，以加速微生物在疏水透气膜表面的挂膜培养；
(2)当观察到疏水透气膜表面有明显的微生物附着生长时，排空泥膜复合式PN/A-MABR中的污泥，开始采用连续进出水方式运行，内回流比3～10，并调节气体流量计和尾气调节阀实现低压曝气(压力表显示数值0～10kPa)，进行NOB抑制淘洗，启动短程硝化系统；
(3)待泥膜复合式PN/A-MABR中NH4 +的浓度小于30～50mg N/L(建议修改为：小于50，优选小于30)，且亚硝酸盐积累率[NAR；NAR＝NO2 --N/(NO2 --N+NO3 --N)]达到90％以上时，向泥膜复合式PN/A-MABR中接种AnAOB，完成泥膜复合式PN/A-MABR工艺的构建；所述AnAOB以Anammox颗粒污泥形式接种；
(4)在泥膜复合式PN/A-MABR运行过程中，根据DO测定仪上的DO数值调节气体流量计和尾气调节阀调控曝气压力(0～10kPa)，控制泥膜复合式PN/A-MABR生物膜为好氧环境，液相为缺氧环境(DO＜0.05mg/L)，由此调控AOB和AnAOB的生态位分布，使AOB主要富集在好氧生物膜上，AnAOB主要存在于缺氧液相中；进水中的NH4 +先在AOB作用下氧化为NO2 -，NO2 -和剩余的NH4 +在AnAOB作用下被转化为N2，通过AOB和AnAOB的协同脱氮实现含氮污水的低耗能脱氮；净化后的水由出水口排至出水箱中。
本发明的能源自给型城市污水处理系统与方法，具有以下有益效果：
(1)采用碳捕获工艺实现污水处理碳改向，充分回收污水中的有机化学能，有助于污水处理厂接近能源自给运行目标；
(2)采用MABR为生物处理系统供氧，氧传质效率高，曝气能耗低；
(3)采用PN/A自养脱氮工艺实现主流和侧流污水脱氮，可显著减低曝气能耗、碳源消耗，剩余污泥产量和温室气体逸散量；
(4)将MABR耦合PN/A脱氮工艺，可充分结合两者优势，实现污水生物脱氮提质增效。
本发明的能源自给型城市污水处理系统，主流城市污水依次经过碳捕获单元、纯膜式PN/A-MABR单元、深度脱氮单元和三级处理单元完成对碳氮磷等污染物去除，继而尾水达标排放；侧流污泥消化上清液在泥膜复合式PN/A-MABR单元中完成Anammox自养脱氮，出水进入纯膜式PN/A-MABR单元。本发明将各工艺单元有机结合，实现了主流和侧流污水的低碳高效除污，具有普适性工程应用价值。本发明设计科学合理，是能广泛适用目前和未来污水处理厂的污水处理系统。
本发明使用的各种术语和短语具有本领域技术人员公知的一般含义。
附图说明
图1：能源自给型城市污水处理系统的结构示意图，其中，1-碳捕获单元、2-纯膜式PN/A-MABR单元、3-深度脱氮单元、4-三级处理单元、5-厌氧消化单元、6-污泥脱水单元、7-泥膜复合式PN/A-MABR单元、8-高负荷活性污泥法反应池、9-第一二沉池、10-第一污泥回流单元、11-第一剩余污泥排放单元、12-第一MABR膜组件、13-第一疏水透气膜、14-脱氮生化池、15-第二二沉池、16-缺氧池、17-好氧池、18-硝化液回流单元、19-第二污泥回流单元、20-第二剩余污泥排放单元、21-甲烷收集利用单元、22-污泥处置单元、23-第二MABR膜组件、24-第二疏水透气膜、25-Anammox颗粒污泥。图中箭头指示方向为污水或污泥的流向。
图2：泥膜复合式PN/A-MABR单元的结构示意图。
其中，26-进水箱、27-进水泵、28-泥膜复合式PN/A-MABR、29-出水箱、30-内回流泵、31-曝气泵、32-气体流量计、33-压力表、23-第二MABR膜组件、35-DO测定仪、36-DO传感器、37-进水口、38-出水口、39-内回流口、24-第二疏水透气膜、40-进气口、41-出气口、42-尾气调节阀。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。然而，本发明的范围并不限于下述实施例。本领域技术人员能够理解，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明进行各种变化和修饰。
本发明所涉及的装置，如高负荷活性污泥法反应池、二沉池、污泥回流单元、污泥排放单元、疏水透气膜、脱氮生化池、缺氧池、好氧池、混凝沉淀池、V型滤池、紫外消毒渠、甲烷收集利用单元等，若无特别说明，均是现有技术中已有的装置或设备，其组成结构、工作原理均为现有技术，本发明对此不做赘述。
实施例1
一种能源自给型城市污水处理系统，如图1所示，包括碳捕获单元1、纯膜式PN/A-MABR单元2、深度脱氮单元3、三级处理单元4、厌氧消化单元5、污泥脱水单元6和泥膜复合式PN/A-MABR单元7；其中，所述碳捕获单元1、纯膜式PN/A-MABR单元2、深度脱氮单元3和三级处理单元4依次连接；所述厌氧消化单元5分别与碳捕获单元1(通过第一剩余污泥排放单元11)、深度脱氮单元3(通过第二剩余污泥排放单元20)连接；所述厌氧消化单元5、污泥脱水单元6、泥膜复合式PN/A-MABR单元7和纯膜式PN/A-MABR单元2依次连接；
所述纯膜式PN/A-MABR单元2中设置有数根由第一疏水透气膜13组成的第一MABR膜组件12；
所述泥膜复合式PN/A-MABR单元7的结构详见实施例3。
实施例2
利用实施例1的能源自给型城市污水处理系统处理污水的方法，步骤如下：
(1)污水进入碳捕获单元1，经碳捕获单元1处理后，得低碳含氮污水和富碳污泥；低碳含氮污水排至纯膜式PN/A-MABR单元2，富碳污泥排至厌氧消化单元5；
(2)低碳含氮污水经纯膜式PN/A-MABR单元2处理后，得初步脱氮污水，排至深度脱氮单元3；
(3)初步脱氮污水经深度脱氮单元3处理后，得深度脱氮污水和污泥，深度脱氮污水排至三级处理单元4，污泥排至厌氧消化单元5；
(4)深度脱氮污水经三级处理单元4处理后，得中水，将中水回用或排至相应受纳水体；
(5)污泥经厌氧消化单元处理5后，得泥水混合物，排至污泥脱水单元6；产生的甲烷气体可经甲烷收集利用单元21进行发电产能，在污泥减量化的同时实现资源化；
(6)泥水混合物经污泥脱水单元6处理后，得污泥消化上清液和脱水泥饼，上清液排至泥膜复合式PN/A-MABR单元7，脱水泥饼可进入污泥处置单元22进行进一步的处理处置；
(7)污泥消化上清液经泥膜复合式PN/A-MABR单元7处理后，得脱氮水，排至纯膜式PN/A-MABR单元2。
所述碳捕获单元1由高负荷活性污泥法反应池8，以及与高负荷活性污泥法反应池8连接的第一二沉池9组成(第一二沉池9底部还通过第一污泥回流单元10与高负荷活性污泥法反应池8连接)。城市污水中的有机物在高负荷活性污泥法反应池8中被捕获，MLSS为5000mg/L，HRT为20～30min，污泥停留时间(SRT)为3～5d，进水中约65％的有机物可在高负荷活性污泥法反应池8中被去除。高负荷活性污泥法反应池8的出水进入第一二沉池9中进行泥水分离，HRT为1h。第一二沉池9的出水进入纯膜式PN/A-MABR单元2，底部浓缩污泥中的一部分经第一污泥回流单元10返回至高负荷活性污泥法反应池8，剩余的浓缩污泥经第一剩余污泥排放单元11进入厌氧消化单元5。
所述纯膜式PN/A-MABR单元2主要进行污水中NH4 +和TN的去除，此外还可进一步去除碳捕获单元1的出水中的残留有机物。第一疏水透气膜13采用中空纤维形式，膜面积的装填密度为150～200m2/m3。纯膜式PN/A-MABR单元2的HRT为6～8h，液相DO＜0.05mg/L，第一疏水透气膜13上的生物膜厚度为400～800μm。该单元可去除进水中约10％的有机物，90％的NH4 +和75％的TN，其中通过Anammox自养脱氮途径去除的TN占比93.5％，反硝化异养脱氮占比6.5％。
所述深度脱氮单元3由脱氮生化池14，以及与脱氮生化池14连接的第二二沉池15组成(第二二沉池15底部还通过第二污泥回流单元19与脱氮生化池14的缺氧池16连接)，其中，脱氮生化池14由缺氧池16，以及与缺氧池16连接的好氧池17组成(好氧池17底部还通过硝化液回流单元18与缺氧池16连接)，MLSS为2000～3000mg/L，HRT为1～2h，SRT为10～15d。缺氧池16中，DO＜0.05mg/L，反硝化菌利用外加碳源(如乙酸钠)/微生物内碳源去除进水中约10％的TN；好氧池17中，DO为1～3mg/L，硝化菌进一步氧化残余NH4 +-N，去除率为5％～10％。好氧池17末端的泥水混合液的一部分经硝化液回流单元18进入缺氧池16，剩余的泥水混合液进入第二二沉池15进水泥水分离。第二二沉池15的HRT为1h，泥水分离后的上清液进入三级处理单元4，浓缩污泥的一部分经第二污泥回流单元19返回至缺氧池16，剩余的浓缩污泥经第二剩余污泥排放单元20进入厌氧消化单元5。
所述三级处理单元4主要涉及常规的深度处理，由依次连接的混凝沉淀池、V型滤池和紫外消毒渠组成，实现磷元素、固体悬浮物、致病菌等污染物的去除。进水中磷的去除率可达98％，固体悬浮物去除率达90％以上，且出水大肠杆菌在标准范围内。
所述厌氧消化单元5主要接收碳捕获单元1和深度脱氮单元3的活性污泥。采用中温厌氧消化，控制温度为30℃左右，SRT为15～20d，将污泥吸附的外碳源和微生物内碳源进行充分厌氧分解并生产甲烷，甲烷进入甲烷收集利用单元21进行高效回收与能源转化。
所述污泥脱水单元6采用离心式脱水机实现消化污泥中消化液和污泥的分离，通过投加聚丙烯酰胺提升消化污泥脱水性能，含水率由95％降低至65％。
所述泥膜复合式PN/A-MABR单元7通过Anammox工艺实现污泥消化上清液自养脱氮。第二疏水透气膜24采用中空纤维形式，膜面积的装填密度为100～150m2/m3，液相中DO＜0.05mg/L，HRT为8～10h，第二疏水透气膜24上的生物膜厚度为300～500μm，Anammox颗粒污泥MLSS为6000～7000mg/L。通过工艺调控优化可实现污泥消化上清液中80％～85％的TN去除。泥膜复合式PN/A-MABR单元7出水返回到纯膜式PN/A-MABR单元2。
通过上述能源自给型城市污水处理系统，可实现城市污水高效低碳脱氮效果，出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A标准。
实施例3
泥膜复合式PN/A-MABR单元，如图2所示，包括泥膜复合式PN/A-MABR28、进水箱26、出水箱29、内回流泵30、曝气泵31、DO测定仪35和DO传感器36；其中，
所述泥膜复合式PN/A-MABR28上设有进水口37、出水口38和两个内回流口39，所述进水口37通过进水泵27与进水箱26连接，所述出水口38与出水箱29连接，所述两个内回流口39之间通过内回流泵30连接；
所述泥膜复合式PN/A-MABR28内设有第二MABR膜组件23；所述第二MABR膜组件23由数根第二疏水透气膜24组成(所述第二疏水透气膜24为中空纤维膜，膜面积的装填密度为120m2/m3，)，第二MABR膜组件23设有进气口40和出气口41，所述进气口40与曝气泵31连接，连接管路上设有气体流量计32和压力表33；所述出气口41可将气体排至PN/A-MABR28之外，出气口41所连接的管路上安装有尾气调节阀42；
所述DO传感器36置于泥膜复合式PN/A-MABR28内，并与DO测定仪35连接。
基于MABR的泥膜复合式高效自养脱氮系统的运行流程为：含氮污水由进水箱26经进水泵27泵入泥膜复合式PN/A-MABR28中；空气经曝气泵31鼓入第二MABR膜组件23，通过中空纤维的第二疏水透气膜24为泥膜复合式PN/A-MABR28供氧，曝气压力由气体流量计32和尾气调节阀42共同调节，曝气压力数值由压力表33进行显示；内回流泵30实现污水在PN/A-MABR28中的循环流动；净化后的水由出水口38自流到出水箱29中。
利用泥膜复合式PN/A-MABR单元处理污水的方法，步骤如下：
(1)在泥膜复合式PN/A-MABR28中接种某城市污水处理厂剩余活性污泥，使泥膜复合式PN/A-MABR28中污泥浓度为3000mg/L左右；含氮污水(污泥消化上清液)由进水箱26泵入泥膜复合式PN/A-MABR28中，泥膜复合式PN/A-MABR28采用序批式运行，即非连续进出水方式；进水完毕后，关闭进水泵27，开启内回流泵30使污水在泥膜复合式PN/A-MABR28中循环流动，开启曝气泵31并调节气体流量计32和尾气调节阀42，压力表显示曝气压力20kPa。定期取水样检测泥膜复合式PN/A-MABR28中NH4 +浓度，当低于20mgN/L后，停止运行曝气泵31和内回流泵30，待污泥静沉后排掉上清液至出水箱29，再次进水重复上述步骤，以加速硝化菌在第二疏水透气膜24表面挂膜培养。
(2)经过6天后，观察到第二疏水透气膜24表面有明显微生物附着生长，排空泥膜复合式PN/A-MABR28中的活性污泥，开始采用连续进出水方式运行，即进水泵27、内回流泵30、曝气泵31均为常开状态。HRT为4～6h，内回流比为10，第二疏水透气膜24表面的生物膜厚度300～500μm。全程采用低压曝气，曝气压力为10kPa。
(3)经30天运行后，泥膜复合式PN/A-MABR28出水NH4 +浓度小于30mg N/L(发明内容中给出的是30～50，这里是否改成30？)，且NAR大于90％；向泥膜复合式PN/A-MABR28中接种培养成熟的Anammox颗粒污泥，污泥浓度为6000mg/L，完成泥膜混合式PN/A-MABR工艺构建。
(4)在泥膜混合式PN/A-MABR运行过程中，根据DO测定仪35上的DO数值调节气体流量计32和尾气调节阀42调控供氧情况，控制MABR系统中生物膜为好氧环境，液相为缺氧环境，液相中DO为0.02mg/L。此阶段泥膜复合式PN/A-MABR28的HRT为3～5h。通过AOB和AnAOB的协同合作实现城市污水深度脱氮。
运行过程的氮素转化过程：进水中的NH4 +先在AOB作用下氧化为NO2 -，NO2 -和剩余NH4 +在AnAOB作用下被转化为N2，通过AOB和AnAOB的协同脱氮实现含氮污水的低耗能脱氮。
运行过程中功能菌分布特征为：AOB主要附着在第二疏水透气膜24表面的生物膜中，AnAOB主要以颗粒污泥形式存在与液相中。
利用上述基于MABR的泥膜复合式高效自养脱氮系统处理进水NH4 +-N为1000～1500mg/L的污泥消化上清液，运行处理后的出水水质可稳定为NH+ 4-N：15.0±3.5mg/L，TN：120.5±12.4mg/L。
给本领域技术人员提供上述实施例，以完全公开和描述如何实施和使用所主张的实施方案，而不是用于限制本文公开的范围。对于本领域技术人员而言显而易见的修饰将在所附权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种能源自给型城市污水处理系统，其特征在于：包括碳捕获单元、纯膜式PN/A-MABR单元、深度脱氮单元、三级处理单元、厌氧消化单元、污泥脱水单元和泥膜复合式PN/A-MABR单元；其中，所述碳捕获单元、纯膜式PN/A-MABR单元、深度脱氮单元和三级处理单元依次连接；所述厌氧消化单元分别与碳捕获单元、深度脱氮单元连接；所述厌氧消化单元、污泥脱水单元、泥膜复合式PN/A-MABR单元和纯膜式PN/A-MABR单元依次连接。
2.根据权利要求1所述的能源自给型城市污水处理系统，其特征在于，所述泥膜复合式PN/A-MABR单元的结构为：包括泥膜复合式PN/A-MABR、进水箱、出水箱、内回流泵、曝气泵、DO测定仪和DO传感器；其中，
所述泥膜复合式PN/A-MABR上设有进水口、出水口和两个内回流口，所述进水口与进水箱连接，所述出水口与出水箱连接，所述两个内回流口之间通过内回流泵连接；
所述泥膜复合式PN/A-MABR内设有第二MABR膜组件；所述第二MABR膜组件由数根第二疏水透气膜组成，第二MABR膜组件设有进气口和出气口，所述进气口与曝气泵连接；
所述DO传感器置于泥膜复合式PN/A-MABR内，并与DO测定仪连接。
3.根据权利要求2所述的基于MABR的泥膜复合式高效自养脱氮系统，其特征在于：所述进水口与进水箱通过进水泵连接；
或：所述进气口与曝气泵的连接管路上设有气体流量计和压力表；
或：所述与出气口连接的管路上设有尾气调节阀；
或：所述第二疏水透气膜为中空纤维膜、板式膜、卷式膜、管式膜中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的能源自给型城市污水处理系统，其特征在于：所述碳捕获单元由高负荷活性污泥法反应池，以及与高负荷活性污泥法反应池连接的第一二沉池组成。
5.根据权利要求1所述的能源自给型城市污水处理系统，其特征在于：所述纯膜式PN/A-MABR单元中设置有数根由第一疏水透气膜组成的第一MABR膜组件；所述第一疏水透气膜的为中空纤维形式或板式膜或卷式膜。
6.根据权利要求1所述的能源自给型城市污水处理系统，其特征在于：所述深度脱氮单元由脱氮生化池，以及与脱氮生化池连接的第二二沉池组成，其中，脱氮生化池由缺氧池，以及与缺氧池连接的好氧池组成。
7.根据权利要求1所述的能源自给型城市污水处理系统，其特征在于：所述三级处理单元由依次连接的混凝沉淀池、V型滤池和紫外消毒渠组成；
或：所述厌氧消化单元与甲烷收集利用单元连接；或所述污泥脱水单元与污泥处置单元连接；
或：所述厌氧消化单元通过第一剩余污泥排放单元与碳捕获单元连接；所述厌氧消化单元通过第二剩余污泥排放单元与深度脱氮单元连接。
8.权利要求1～7中任一项所述的能源自给型城市污水处理系统在处理城市污水中的应用。
9.利用权利要求1～7中任一项所述的能源自给型城市污水处理系统处理污水的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)污水进入碳捕获单元，经碳捕获单元处理后，得低碳含氮污水和富碳污泥；低碳含氮污水排至纯膜式PN/A-MABR单元，富碳污泥排至厌氧消化单元；
(2)低碳含氮污水经纯膜式PN/A-MABR单元处理后，得初步脱氮污水，排至深度脱氮单元；
(3)初步脱氮污水经深度脱氮单元处理后，得深度脱氮污水和污泥，深度脱氮污水排至三级处理单元，污泥排至厌氧消化单元；
(4)深度脱氮污水经三级处理单元处理后，得中水；
(5)污泥经厌氧消化单元处理后，得泥水混合物，排至污泥脱水单元；
(6)泥水混合物经污泥脱水单元处理后，得污泥消化上清液和脱水泥饼，上清液排至泥膜复合式PN/A-MABR单元；
(7)污泥消化上清液经泥膜复合式PN/A-MABR单元处理后，得脱氮污水，排至纯膜式PN/A-MABR单元。
10.根据权利要求9所述的处理污水的方法，其特征在于，所述泥膜复合式MABR-PN/A单元处理污水的过程如下：
(1)向泥膜复合式PN/A-MABR中接种传统硝化/反硝化活性污泥，采用序批方式进行疏水透气膜的挂膜培养；将含氮污水或污泥消化上清液由进水箱泵入泥膜复合式PN/A-MABR中，待进满水后停止进水，开启曝气泵向第二MABR膜组件中鼓入空气，开启内回流泵使污水在泥膜复合式PN/A-MABR中循环流动；定期取水样测定泥膜复合式PN/A-MABR中NH4 +的浓度，当低于20mg N/L时，曝气泵和内回流泵停止工作，待污泥静沉后排掉上清液至出水箱；再次进水重复上述操作，以加速微生物在疏水透气膜表面的挂膜培养；
(2)当观察到疏水透气膜表面有明显的微生物附着生长时，排空泥膜复合式PN/A-MABR中的污泥，开始采用连续进出水方式运行，内回流比3～10，并调节气体流量计和尾气调节阀实现低压曝气，进行亚硝酸盐氧化细菌(NOB)抑制淘洗，启动短程硝化系统；
(3)待泥膜复合式PN/A-MABR中NH4 +的浓度小于50mg N/L，且亚硝酸盐积累率达到90％以上时，向泥膜复合式PN/A-MABR中接种AnAOB，完成泥膜复合式PN/A-MABR工艺的构建；所述AnAOB以Anammox颗粒污泥形式接种；
(4)在泥膜复合式PN/A-MABR运行过程中，根据DO测定仪上的DO数值调节气体流量计和尾气调节阀调控曝气压力，控制泥膜复合式PN/A-MABR生物膜为好氧环境，液相为缺氧环境，由此调控AOB和AnAOB的生态位分布，使AOB主要富集在好氧生物膜上，AnAOB主要存在于缺氧液相中；进水中的NH4 +先在AOB作用下氧化为NO2 -，NO2 -和剩余的NH4 +在AnAOB作用下被转化为N2，通过AOB和AnAOB的协同脱氮实现含氮污水的低耗能脱氮；净化后的水由出水口排至出水箱中。
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|---|---|---|---|---|
| CN106830573A (zh) * | 2017-04-07 | 2017-06-13 | 北京工业大学 | 基于强化碳捕获与厌氧氨氧化的低能耗城市污水脱氮方法 |
| US20200354247A1 (en) * | 2018-12-10 | 2020-11-12 | Beijing Drainage Group Co ., Ltd | Anaerobic ammoxidation synergistic nitrogen removal process device of municipal sewage main and side streams and application method thereof |
| CN114249426A (zh) * | 2021-12-29 | 2022-03-29 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于两段mabr和活性污泥法的污水处理系统与方法 |
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2023
- 2023-02-27 CN CN202310183320.4A patent/CN116143292A/zh active Pending
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