CN116693091A - 一种基于污泥炭强化的污水低碳处理系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于污泥炭强化的污水低碳处理系统及其方法，属于污水处理技术领域。系统包括吸附池、反应池、沉淀池和曝气池；吸附池与污水进水管路连通，其出水管路经反应池后与沉淀池连通；沉淀池上部设有上清液排出管，底部设有污泥排出管和污泥回流管；污泥回流管经曝气池后与反应池连通，污泥排出管与污泥处理和污泥炭制备模块连通，产生的污泥炭用于投入所述吸附池。本发明利用污泥炭吸附污水中的氨氮改善污水碳氮比，减少曝气所需能耗，降低反硝化所需碳源投加；通过对污泥预曝气活化，辅助污泥炭实现泥水分离；相较于普通活性污泥工艺，本发明为活性污泥提供了一条资源化路径，减少脱氮所需碳源投加，节能降耗。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种基于污泥炭强化的污水低碳处理系统及其方法。
背景技术
超过80％的中国城镇污水处理厂采用以活性污泥法的生化处理工艺，如A2O等，通过硝化-反硝化反应去除氮素污染物。由于城镇污水普遍具有低碳氮比的特征(C\N<3)，在生化脱氮时面临可用碳源不足等难题，导致TN达标困难。污水处理厂大多采用额外投加碳源(如乙酸钠)作电子供体使反硝化过程顺利进行，保证TN达标。此举不仅大幅提高了运营成本，同时增加了温室气体(CO2)排放。在节能减排、绿色发展的政策背景下，为满足日益严格的污水厂排放标准，亟需开发污水低碳处理新工艺。
同时，我国城镇污水处理规模日益提升导致污泥产量大幅增加，据统计，2019年我国污泥产量以超过6000万吨(以含水率80％计)。由于污泥较高的含水率、重金属和其他有毒有害物质超标等，常用的处理处置方式(土地利用、焚烧、卫生填埋等)都遇到了不同程度的阻碍。污泥炭作为一种由污泥热解产生的碳质材料，具有比表面积大、吸附能力强等优点；现有研究表明，污泥炭对多种污染物具有较强的吸附能力，同时污泥炭中的金属可作为催化位点使其充当催化剂等；污泥炭优异的特性使其在污泥处理处置与资源化利用等方面具有广阔的应用前景。公开号为CN115709052A的中国发明专利公布了一种碳纳米管改性污泥炭材料，通过对污泥基活性炭、铁基催化剂以及聚丙烯塑料混合物进行催化热解，获得具有碳纳米管改性的污泥炭，并将其用作吸附剂去除沼液中的多种有机污染物。公开号为CN115108705A的中国发明专利制备了一种改性磁性污泥炭，通过对含铁污泥泥饼进行热解处理，得到磁性污泥炭；将磁性污泥炭浸渍于氢氧化钾溶液中得到改性磁性污泥炭，将其用于催化过硫酸盐产生硫酸根自由基、氢氧根自由基和超氧自由基降解四环素。上述方法仍具有制备过程复杂、使用场景受限等问题，难以推动污泥炭进一步资源化利用。
为应对城镇污水低碳氮比等问题及促进污泥资源化利用，本发明开发了一种基于污泥炭强化的污水低碳处理系统及其方法。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有活性污泥工艺中存在的缺陷，降低强化脱氮额外碳源的投加，同时促进污泥的资源化利用，而提供一种基于污泥炭强化的污水低碳处理系统及其方法。
本发明所采用的具体技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种基于污泥炭强化的污水低碳处理系统，包括吸附池、反应池、沉淀池和曝气池；
所述吸附池与污水进水管路连通，其出水管路经反应池后与沉淀池连通；所述沉淀池上部设有上清液排出管，底部设有污泥排出管和污泥回流管；所述污泥回流管经曝气池后与反应池连通，所述污泥排出管与污泥处理和污泥炭制备模块连通，产生的污泥炭用于投入所述吸附池。
第二方面，本发明提供了一种利用第一方面所述基于污泥炭强化的污水低碳处理系统的污水处理方法，具体如下：
S1：经一级处理去除大颗粒杂质后的生活污水，与污泥炭一同进入吸附池中，混匀以充分反应；在该过程中，污泥炭可将大量氨氮吸附至污泥炭表面及孔隙结构中，改善污水的碳氮比；
S2：吸附池出水与在曝气池中经过预曝气的活性污泥，一同进入反应池中，混匀以充分反应，利用活性污泥捕集污泥炭及其他有机物和部分氨氮；
S3：反应池出水进入沉淀池进行泥水分离，产生的上清液进入三级处理工艺；产生的污泥一部分经污泥回流管回流至曝气池进行充氧活化后返回反应池，另一部分经污泥排出管排出后制备污泥炭以作为强化剂投入吸附池。
作为优选，所述步骤S1中，污泥炭与污水的投加比为1.5-3g/L，污水在吸附池中的停留时间为0.5-1h，吸附池中搅拌器的搅拌功率不低于1.0W/m3。
作为优选，所述步骤S2中，反应池中污泥浓度为3-4g/L，污泥负荷为0.5-2kgBOD/(kgMLSS·d)，污水在反应池中的停留时间为0.5-1h，反应池中搅拌器的搅拌强度不超过1.5W/m3。
作为优选，所述步骤S3中，沉淀池的污泥沉降时间控制在0.5-1.5h。
作为优选，所述步骤S3中，污泥回流比为0.4-0.8，经曝气池曝气后污泥的溶解氧控制在2mg/L以上，污泥在曝气池中的停留时间为0.5-1h。
作为优选，所述步骤S3中，经污泥排出管排出的污泥，首先依次经浓缩、厌氧消化和深度脱水处理使污泥含水率≤40％，随后将污泥加入反应釜中进行水热碳化处理，得到含氧官能团丰富的水热炭；通过真空抽滤收集水热炭后烘干，接着在缺氧条件下热解以得到污泥炭。
进一步的，所述水热碳化处理中，污泥与水的投加比例为1g：(5-8)L，温度控制在180-200℃，反应时间为2h。
进一步的，所述烘干温度为105℃，烘干时间为2h。
进一步的，所述热解温度为350-500℃，热解时间为2h。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1)利用污泥炭对于氨氮的高吸附能力，将其截留至污泥炭表面及孔隙结构中，减少了氨氮的微生物摄取及硝化作用，改善了污水的碳氮比，节约了曝气和反硝化所需的碳源，同时可提高反硝化相关功能酶活性，促进反硝化过程的顺利进行，有利于减少温室气体N2O的产生；
2)通过预先对污泥曝气，提高活性污泥的吸附和生物絮凝能力，利用活性污泥捕集污泥炭实现污泥炭与污水分离；
3)通过缩短反应池的停留时间及降低溶解氧含量，使污水中的大部分有机物被污泥吸附和胞内储存而转移至污泥中，减少内源呼吸对于有机物的消耗，减少CO2的排放；
4)将污泥制成污泥炭用作污水处理强化剂，而后通过二沉池与污水分离，与污泥一起进行后续处理；污泥炭可充当电子穿梭体强化污泥厌氧消化性能，促进污泥捕集有机物的资源化和能源化，消化-脱水后的污泥可继续作原料制备污泥炭，本发明为污泥的长效利用和资源化提供了一条途径。
附图说明
图1是本发明处理系统示意图；
图2是实施例中反应系统运行期间内RBC和Control组MLVSS(a)和SVI50(b)的变化；
图3是实施例中RBC(a)和Control(b)组对于NH4 +和TN的去除性能；
图4是实施例中RBC和Control组活性污泥中反硝化关键功能酶活性比较。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
鉴于城镇生活污水处理能耗大、碳排高等问题，本发明提供了一种基于污泥炭强化的污水低碳处理系统，如图1所示。该处理系统主要包括吸附池、反应池、沉淀池和曝气池。具体的，吸附池与污水进水管路连通，其出水管路与反应池连通，反应池的出水管与沉淀池连通。沉淀池上部设有上清液排出管，底部分别设有污泥排出管和污泥回流管。污泥回流管与曝气池连通，曝气池与反应池连通。污泥排出管与污泥处理和污泥炭制备模块连通，污泥处理和污泥炭制备模块用于对污泥进行处理以制备污泥炭，产生的污泥炭用于投入吸附池。
利用本发明上述的基于污泥炭强化的污水低碳处理系统的污水处理方法，主要包括污泥炭制备、污泥炭预处理、混匀反应、沉淀分离、曝气活化等环节，具体如下：
S1：经一级处理后的生活污水与污泥炭一同进入吸附池中，混匀以充分反应。
在该过程中，利用剩余污泥经水热-缺氧热解后制备得到的吸附能力强、生物相容性好的污泥炭，将其与待处理的生活污水一同汇入吸附池，由于污泥炭对于氨氮的吸附能力显著高于含碳有机物，可将大量氨氮吸附至污泥炭表面及孔隙结构中，改善污水的碳氮比。
在实际应用时，一级处理主要指的是粗格栅和细格栅的处理，用于去除废水中的大颗粒杂质。
作为在实际应用时的一种优选处理方式，污泥炭与污水的投加比为1.5-3g/L，污水在吸附池中的停留时间为0.5-1h，吸附池中搅拌器的搅拌功率不低于1.0W/m3。
S2：吸附池出水与在曝气池中经过预曝气的活性污泥，一同进入反应池中，混匀以充分反应。
在该过程中，预先对回流的活性污泥进行预曝气，使其处于“饥饿”状态，能够显著提高污泥吸附和生物絮凝的能力；将曝气后的活性污泥与投加污泥炭的污水混合，利用活性污泥捕集污泥炭及其他有机物和部分氨氮。
作为在实际应用时的一种优选处理方式，反应池中污泥浓度为3-4g/L，污泥负荷为0.5-2kgBOD/(kgMLSS·d)，污水在反应池中的停留时间为0.5-1h，反应池中搅拌器的搅拌强度不超过1.5W/m3。
S3：反应池出水进入沉淀池进行泥水分离。
作为在实际应用时的一种优选处理方式，沉淀池的污泥沉降时间控制在0.5-1.5h，以便污泥混合污泥炭与污水分离。
S31：产生的上清液进入三级处理工艺。
在实际应用时，三级处理工艺可以根据上清液的实际水质进行选择，例如进行脱氮除磷处理。
S3：产生的污泥一部分经污泥回流管回流至曝气池进行充氧活化后返回反应池。也就是说，部分污泥回流至曝气池进行正常生长繁殖。
作为在实际应用时的一种优选处理方式，污泥回流比为0.4-0.8，经曝气池曝气后污泥的溶解氧控制在2mg/L以上，污泥在曝气池中的停留时间为0.5-1h。
S33：产生的污泥另一部分经污泥排出管排出后制备污泥炭以作为强化剂投入吸附池。
作为在实际应用时的一种优选处理方式，经污泥排出管排出的污泥，首先依次经浓缩、厌氧消化和深度脱水处理使污泥含水率≤40％，随后将污泥加入反应釜中进行水热碳化处理，得到含氧官能团丰富的水热炭；通过真空抽滤收集水热炭后烘干，接着在缺氧条件下热解以得到污泥炭。
进一步的，上述步骤的优选参数为：水热碳化处理中，污泥与水的投加比例为1g：(5-8)L，温度控制在180-200℃，反应时间为2h；烘干温度为105℃，烘干时间为2h；热解温度为350-500℃，热解时间为2h。
实施例
本实施例采用污水处理厂剩余污泥(杭州某城镇污水处理厂)作为反应池的接种污泥及污泥炭制备原料，接种MLSS为4000±100mg/L，MLVSS为2000±60mg/L，SVI30为48mL/g。处理以乙酸钠、氯化铵为唯一碳源、氮源的人工模拟废水，进水COD为300±40mg/L，C/N比维持在5:1。经水热-缺氧热解制备的污泥炭比表面积为66.16m2/g，孔体积为0.08010cm3/g；吸附池与反应池有效容积为4.0L；预处理环节(即吸附池)中污泥炭投加比为3.0g/L，停留时间1.0h，搅拌强度2.0W/m3；而后汇入反应池，污泥浓度控制在3500mg/L，停留时间为1.0h，搅拌强度1.0W/m3；反应完成后进入沉淀池，沉降时间为1.0h；污泥回流比控制在0.5，曝气强度为5.0L/min，曝气停留时间为0.5h；平均处理量为1.14L/h。
如图2所示，在运行周期内污泥MLVSS逐渐由2000mg/L上升至6125mg/L(RBC)，优于对照组(Rc)的5148mg/L(Control)，表明污泥的沉降性能越来越好，有助于辅助投加污泥炭进行泥水分离。其中，对照组为未添加污泥炭的正常活性污泥SBR工艺，处理步骤与实验组(RBC)一致。
如图3所示，在低碳氮比(C/N＝5)的条件下，RBC中NH4 +-N和TN的去除效率在15d后分别提高到了98.2±1.2％和84.6±1.4％，之后保持稳定运行。而对照组(Control)的污染物去除率直到25d后才维持稳定，其中NH4 +-N去除率为99.1±1.5％，与RBC无差别，但RC的TN去除率为70.2±0.3％，显著低于RBC。结果表明，投加污泥基生物炭可以使反应器氨氮去除快速达到稳定阶段，同时还可以提高微生物的脱氮性能，使总氮去除率提高了14.4±1.2％。
如图4所示，实验组活性污泥中反硝化关键功能酶活性(AMO、NXR、NAP、NIR)相比于对照组分别提高了18.9％、32.7％、72.6％、35.4％，表明污泥炭投加显著提高了反硝化关键功能酶的活性，有助于反硝化过程的顺利进行，减少N2O的产生。
本发明利用污泥炭吸附污水中的氨氮改善污水碳氮比，减少曝气所需能耗，降低反硝化所需碳源投加；通过对污泥预曝气活化，辅助污泥炭实现泥水分离；相较于普通活性污泥工艺，本发明为活性污泥提供了一条资源化路径，减少脱氮所需碳源投加，节能降耗。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于污泥炭强化的污水低碳处理系统，其特征在于，包括吸附池、反应池、沉淀池和曝气池；
所述吸附池与污水进水管路连通，其出水管路经反应池后与沉淀池连通；所述沉淀池上部设有上清液排出管，底部设有污泥排出管和污泥回流管；所述污泥回流管经曝气池后与反应池连通，所述污泥排出管与污泥处理和污泥炭制备模块连通，产生的污泥炭用于投入所述吸附池。
2.一种利用权利要求1所述基于污泥炭强化的污水低碳处理系统的污水处理方法，其特征在于，具体如下：
S1：经一级处理去除大颗粒杂质后的生活污水，与污泥炭一同进入吸附池中，混匀以充分反应；在该过程中，污泥炭可将大量氨氮吸附至污泥炭表面及孔隙结构中，改善污水的碳氮比；
S2：吸附池出水与在曝气池中经过预曝气的活性污泥，一同进入反应池中，混匀以充分反应，利用活性污泥捕集污泥炭及其他有机物和部分氨氮；
S3：反应池出水进入沉淀池进行泥水分离，产生的上清液进入三级处理工艺；产生的污泥一部分经污泥回流管回流至曝气池进行充氧活化后返回反应池，另一部分经污泥排出管排出后制备污泥炭以作为强化剂投入吸附池。
3.根据权利要求2所述的污水处理方法，其特征在于，所述步骤S1中，污泥炭与污水的投加比为1.5-3g/L，污水在吸附池中的停留时间为0.5-1h，吸附池中搅拌器的搅拌功率不低于1.0W/m3。
4.根据权利要求2所述的污水处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，反应池中污泥浓度为3-4g/L，污泥负荷为0.5-2kgBOD/(kgMLSS·d)，污水在反应池中的停留时间为0.5-1h，反应池中搅拌器的搅拌强度不超过1.5W/m3。
5.根据权利要求2所述的污水处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，沉淀池的污泥沉降时间控制在0.5-1.5h。
6.根据权利要求2所述的污水处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，污泥回流比为0.4-0.8，经曝气池曝气后污泥的溶解氧控制在2mg/L以上，污泥在曝气池中的停留时间为0.5-1h。
7.根据权利要求2所述的污水处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，经污泥排出管排出的污泥，首先依次经浓缩、厌氧消化和深度脱水处理使污泥含水率≤40％，随后将污泥加入反应釜中进行水热碳化处理，得到含氧官能团丰富的水热炭；通过真空抽滤收集水热炭后烘干，接着在缺氧条件下热解以得到污泥炭。
8.根据权利要求7所述的污水处理方法，其特征在于，所述水热碳化处理中，污泥与水的投加比例为1g：(5-8)L，温度控制在180-200℃，反应时间为2h。
9.根据权利要求7所述的污水处理方法，其特征在于，所述烘干温度为105℃，烘干时间为2h。
10.根据权利要求7所述的污水处理方法，其特征在于，所述热解温度为350-500℃，热解时间为2h。
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| CN115709052B (zh) * | 2022-11-22 | 2023-12-26 | 上海交通大学 | 一种碳纳米管改性污泥炭材料及其制备方法与应用 |
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