CN118145831B - 一种畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理技术领域，提供了一种畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统。该畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统包括：预处理装置，通过物理方法去除废水中的漂浮物，加入混凝剂混凝后，产生一级废水；沼气回收利用装置，一级废水在其中厌氧反应产生沼气和二级废水；好氧颗粒污泥+生物膜装置，二级废水在其中经过好氧颗粒污泥和生物膜的作用脱氮、脱磷和去除抗生素，产生三级废水；小球藻处理装置，小球藻进一步去除三级废水中残余的氮、磷。采用本发明提供的畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统不需要投加化学药剂进行除磷，节约药剂成本且环境友好，不需要额外投加碳源、占地面积小和运行费用低等特点。

Description

一种畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统和方法

技术领域

本发明属于污水处理领域，具体涉及一种畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统和方法。

背景技术

随着经济和人口的增长，人们对畜禽产品的需求日益增加，大规模的畜禽养殖在满足人们需求的同时，产生了大量的畜禽养殖废水，数据表明，一个规模为十万头左右的养猪场每天可以产生废水约260t，这类废水中氨氮和磷的含量较高且含有大量的病原菌，如果未经处理直接排放到周边的环境中，会造成严重的环境污染如导致水体富营养化、影响周边人类的生存，畜禽养殖废水是目前除了工业废水和生活废水之后的第三大污染源。在畜禽养殖的过程中，为了预防疾病等通常会给畜禽注射如四环素之类的抗生素类药物，畜禽对抗生素的利用率小于40％，其余的通过尿液和粪便进入畜禽养殖废水中，不经过妥善的处理，还会造成抗生素污染，最后对人类的健康和整个生态系统的安全产生一定的影响。目前，长江黄河流域畜禽养殖行业排放粪污量大，有机物和氮磷污染负荷高，现有的处理处置工艺存在资源能源转化效率低、处置成本高、温室气体排放高、生态环境风险高等痛点问题。常规的污水处理工艺对于含有高浓度氨氮、磷、COD和抗生素的畜禽养殖废水处理难度较大、运行管理的费用较高且不能有效解决污染物残留等问题。

畜禽养殖的成本相对较高并且利润较低，发明一种运行管理费用低的畜禽养殖废水处理工艺是极其重要的，与此同时畜禽养殖废水处理过程最好做到低碳环保、实现资源和能源的回收,因此急需开展规模化畜禽养殖废水低碳低成本处理的新技术研究。

发明内容

为了解决现有技术中畜禽养殖废水处理处置工艺存在资源能源转化效率低，处置成本高，温室气体排放高，生态环境风险高，含有高浓度氨氮、磷、COD和抗生素的畜禽养殖废水处理难度较大，运行管理的费用较高且不能有效解决污染物残留等问题，本发明提供了一种畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统。

该畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统包括：

预处理装置，所述预处理装置通过物理方法去除废水中的漂浮物，加入混凝剂混凝后，产生一级废水；

沼气回收利用装置，所述一级废水在所述沼气回收装置中厌氧反应产生沼气和二级废水；

好氧颗粒污泥+生物膜装置，所述二级废水在所述好氧颗粒污泥+生物膜装置中经过好氧颗粒污泥和生物膜的作用脱氮、脱磷和去除抗生素，产生三级废水；

小球藻处理装置，所述小球藻处理装置中的小球藻进一步去除所述三级废水中残余的氮、磷。

进一步地，所述预处理装置包括格栅、沉砂池、多级滚筒筛、收集池、絮凝沉淀池和挤压机，废水经过所述格栅拦截漂浮物，所述沉砂池的初步沉降后通过所述多级滚筒筛固液分离出固形物，所述固形物经所述挤压机挤压后用于发酵，液体加入混凝剂在所述絮凝沉淀池絮凝，产生一级废水。

进一步地，所述沼气回收利用装置包括UASB反应器、甲烷收集净化组件、燃气锅炉、换热器和三相分离器，所述一级废水在所述UASB反应器中厌氧反应产生沼气和二级废水，经所述三相分离器分离后所述气体在所述燃气锅炉通过燃烧产生热量，在所述换热器将热量传输给所述UASB反应器。

进一步地，所述沼气回收利用装置还包括气体流量计、送气泵、三相分离器、温度检测器和搅拌器。

进一步地，所述好氧颗粒污泥+生物膜装置包括好氧颗粒污泥+生物膜反应器、鼓风机、曝气管、水力旋流器、自循环泵、三相分离器和生物膜，所述二级废水进入所述好氧颗粒污泥+生物膜反应器下部，所述鼓风机通过所述曝气管曝气，利用所述水力旋流器进行均匀布水，然后二级废水进入所述好氧颗粒污泥+生物膜反应器上部的所述生物膜处理部分，产生三级废水，可通过所述自循环泵进行自回流。

进一步地，所述小球藻处理装置4包括小球藻反应器、水泵和太阳能板，所述三级废水通过水泵泵入所述小球藻反应器，通过所述太阳能板对所述小球藻反应器加热。

本发明的一个目的是提供一种所述的畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理方法。

该畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理方法包括以下步骤：

S1：用如上任一项所述的预处理装置去除畜禽养殖废水中的漂浮物，分离出粪便和一级废水，所述一级废水在沼气回收利用装置经厌氧反应产生沼气和二级废水；

S2：所述二级废水在如上任一项所述的连续流好氧颗粒污泥+生物膜反应器经氨氧化菌和反硝化菌、生物膜生物作用脱氮、脱磷和去除抗生素，产生三级废水；

S3：用如上任一项所述的小球藻反应器进一步吸收所述三级废水中残余的氮、磷。

进一步地，S1包括：所述一级废水在所述UASB反应器底部进行厌氧反应产沼气，所述搅拌器带动所述搅拌叶片旋转使布水均匀，产生的沼气经所述三相分离器排出后进入所述甲烷收集净化组件中，经所述气体流量计通过所述气泵将甲烷泵入到所述燃气锅炉中，在所述燃气锅炉中甲烷燃烧产生的热量通过所述换热器将热量传递给所述UASB反应器21。

进一步地，S2包括：所述二级废水经水泵进入反应器B下部，所述鼓风机通过所述曝气管曝气，利用所述水力旋流器进行均匀布水，然后所述二级废水进入所述生物膜处理部分。

本发明提出了一种由“畜禽养殖废水预处理—UASB产沼气回收有机物—连续流好氧颗粒污泥+生物膜高效脱氮除磷去除抗生素类—小球藻深度脱氮除磷”的方法与装置，不需要投加化学药剂进行除磷，节约药剂成本且环境友好；连续流好氧颗粒污泥反应器相比于传统的污水处理工艺具有工艺简单、不需要额外投加碳源、占地面积小和运行费用低等特点，在处理诸如畜禽养殖废水这类的高氨氮废水中具有良好的应用价值；利用小球藻进行深度脱氮除磷，小球藻在生长的同时完成协同净化畜禽养殖废水；回收利用畜禽养殖废水中的有机物，小球藻回收后可用于畜禽饲料的添加剂等，经过整个装置处理后的畜禽养殖废水循环使用，实现了废水处理的资源化，相比于传统污水处理工艺降低了处理成本、实现了废水处理资源化，符合目前国家对污水处理领域减污降碳协同增效的要求。

附图说明

图1为畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统结构图；

图2为沼气回收利用装置结构图；

图3为好氧颗粒污泥+生物膜装置结构图；

图4为小球藻处理装置结构图；

图5为畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

根据《畜禽养殖业污染治理工程技术规范》HJ 497—2009，得到下表所示畜禽养殖废水的主要水质特征。

表1畜禽养殖废水的水质特征

作为典型的高氨氮废水—畜禽养殖废水，通常具有水量大、水质条件恶劣、高化学需氧量、氨氮和总磷的浓度高的特点并且含有抗生素类的污染物。常规的单一的污水处理工艺对此类废水的处理存在一定的难度，无法有效去除畜禽养殖废水中的高浓度氮磷。因此本发明提出了一种由“畜禽养殖废水预处理—UASB产沼气回收有机物—连续流好氧颗粒污泥+生物膜高效脱氮除磷去除抗生素类—小球藻深度脱氮除磷”的方法与装置，不需要投加化学药剂进行除磷，节约药剂成本且环境友好；连续流好氧颗粒污泥反应器相比于传统的污水处理工艺具有工艺简单、不需要额外投加碳源、占地面积小和运行费用低等特点，在处理诸如畜禽养殖废水这类的高氨氮废水中具有良好的应用价值；利用小球藻进行深度脱氮除磷，小球藻在生长的同时完成协同净化畜禽养殖废水；回收利用畜禽养殖废水中的有机物，小球藻回收后可用于畜禽饲料的添加剂等，经过整个装置处理后的畜禽养殖废水循环使用，实现了废水处理的资源化，相比于传统污水处理工艺降低了处理成本、实现了废水处理资源化，符合目前国家对污水处理领域减污降碳协同增效的要求。

实施例1

本发明提供了一种畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统100。参阅图1，畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统100包括预处理装置1、沼气回收利用装置2、好氧颗粒污泥+生物膜装置3和小球藻处理装置4。预处理装置1通过物理方法去除废水中的漂浮物，加入混凝剂混凝后，为一级废水，经水泵泵入沼气回收装置2。一级废水在沼气回收装置2中经过厌氧反应，产生沼气和二级废水，沼气可通过燃烧产生热量给厌氧反应保温。二级废水进入好氧颗粒污泥+生物膜装置3，脱氮、脱磷和去除抗生素后为三级废水。小球藻处理装置4利用藻类对三级废水中残余的氮、磷进行进一步的吸收，处理后的畜禽养殖废水出水浓度均低于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB/T18596-2001)的限值。

预处理装置1包括格栅、沉砂池、多级滚筒筛、收集池、絮凝沉淀池和挤压机。格栅截留畜禽养殖废水中携带的大块漂浮物。废水经沉砂池初步沉降后通过多级滚筒筛实现畜禽养殖废水的固液分离，筛除畜禽养殖废水中夹杂的粪便等漂浮物，废水进入絮凝沉淀池，通过加入PAC/PAM强化混凝后，经进水泵泵入沼气回收利用装置2，筛出的粪便等通过挤压机脱水后进行有机肥的发酵。预处理装置1处理后的废水为一级废水。

参阅图2，沼气回收利用装置2包括UASB反应器(反应器A)21、甲烷收集净化组件22、气体流量计23、送气泵24、燃气锅炉25、换热器26、三相分离器27、温度检测器28、搅拌器29。反应器A21包括进水孔211和出水口212。搅拌器29包括搅拌叶片291。搅拌叶片291通过进水孔211设置于反应器A21的底部。三相分离器27设置于反应器A的顶部。一级废水在UASB反应器(反应器A)底部进行厌氧反应产沼气。搅拌器29带动搅拌叶片291旋转使布水均匀，产生的沼气经三相分离器27排出后进入甲烷收集净化组件22中(甲烷产率≥95％)，经气体流量计23通过送气泵24将甲烷泵入到燃气锅炉25中，在燃气锅炉中甲烷燃烧产生的热量通过换热器26将热量传递给UASB反应器21。利用温度检测器28检测UASB反应器21内部温度，使温度保持在30度左右(有机碳去除率≥95％)。经UASB反应器21处理后得到的二级废水通过水泵泵入好氧颗粒污泥+生物膜装置3。

参阅图3，好氧颗粒污泥+生物膜装置3包括好氧颗粒污泥+生物膜反应器(反应器B)31、水泵32、鼓风机33、曝气管34、水力旋流器35、自循环泵36、三相分离器37和生物膜38。好氧颗粒污泥+生物膜反应器(反应器B)31包括进水口311、出水口312、自循环出水口313和隔板，隔板将反应器B 31内部空间分为上部和下部，三相分离器37和生物膜38设置于上部，出水口312和自循环出水口313设置在对应上部的反应器B 31的器壁上。出水口312将三相分离器37分离出的水体排除，为三级废水。三相分离器37分离出的气体经反应器B 31的顶端开口排出。曝气管34、水力旋流器35和好氧颗粒污泥设置于下部。二级废水经水泵32通过进水口311进入反应器B下部。鼓风机33通过曝气管34曝气，利用水力旋流器35进行均匀布水，反应器B 31中的上升流速大于2m/h，好氧颗粒污泥的颗粒化较好，在反应器B中分别利用氨氧化菌和反硝化菌进行短程硝化反硝化实现高效脱氮，并且磷的去除率在90％以上，然后二级废水进入反应器B上部的生物膜38处理部分，进行深度脱氮除磷，反应器B 31对二级废水中氮磷的去除率≥95％，二级废水中抗生素浓度在20mg/L左右，经过好氧颗粒污泥和生物膜处理对四环素等抗生素类去除率在90％以上。连续流好氧颗粒污泥+生物膜反应器(反应器B)自循环泵36进行自回流，以提高脱氮除磷去除抗生素的效果。

参阅图4，小球藻处理装置4包括小球藻反应器(反应器C)41、水泵42和太阳能板43。三级废水通过水泵42泵入反应器C 41，通过太阳能板43对小球藻反应器41加热，温度保持在30度左右(适合小球藻生长)，利用藻类对三级废水中残余的氮、磷进行进一步的吸收；处理后的三级废水出水浓度均低于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB/T18596-2001)的限值，可以储存在储水箱中，循环回用冲厕所或用于畜禽养殖场的日常清洗，节约自来水的使用。小球藻富含蛋白质等营养元素，可以用来作为畜禽饲料的添加剂，或萃取小球藻中强大的CGF活性因子用于医疗和美妆等领域，实现了畜禽养殖废水的资源化。

处理水的具体过程为：首先畜禽养殖废水通过预处理装置(利用格栅截留畜禽养殖废水中携带的大块漂浮物，经沉砂池初步沉降后通过多级滚筒筛实现畜禽养殖废水的固液分离，筛除畜禽养殖废水中夹杂的粪便等漂浮物，然后废水进入絮凝沉淀池，通过加入PAC/PAM强化混凝后，经进水泵将畜禽养殖废水泵入到UASB反应器(反应器A)底部进行厌氧产沼气，反应器A底部设置搅拌器29带动搅拌叶片291旋转使布水均匀，产生的沼气经三相分离器27排出后进入甲烷收集净化组件22中(甲烷产率≥95％)，经气体流量计23通过送气泵24将甲烷泵入到燃气锅炉25中，在燃气锅炉中甲烷燃烧产生的热量通过换热器26将热量传递给UASB反应器21，利用温度检测器28检测UASB反应器21内部温度，使温度保持在30度左右(有机碳去除率≥95％)；经UASB反应器21处理后的畜禽废水通过水泵32从连续流好氧颗粒污泥+生物膜反应器(反应器B)31底部泵入，利用鼓风机33通过曝气管34曝气，利用水力旋流器35进行均匀布水，反应器B 31中的上升流速大于2m/h，好氧颗粒污泥的颗粒化较好，在反应器B 31中分别利用氨氧化菌和反硝化菌进行短程硝化反硝化实现高效脱氮，然后废水进入反应器B31上部的生物膜36处理部分，进行深度脱氮除磷，经过好氧颗粒污泥和生物膜处理去除四环素等抗生素类，同时连续流好氧颗粒污泥+生物膜反应器(反应器B)31自循环泵36进行自回流，以提高脱氮除磷去除抗生素的效果；最后，经过上述处理的畜禽养殖废水通过水泵42泵入到小球藻反应器(反应器C)41中，通过太阳能板43对小球藻反应器加热，温度保持在30度左右(适合小球藻生长)，利用藻类对畜禽废水中残余的氮、磷进行进一步的吸收；处理后的畜禽养殖废水出水浓度均低于《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB/T18596-2001)的限值，可以储存在储水箱中，循环回用冲厕所或用于畜禽养殖场的日常清洗，节约自来水的使用。小球藻富含蛋白质等营养元素，可以用来作为畜禽饲料的添加剂，或萃取小球藻中强大的CGF活性因子用于医疗和美妆等领域，实现了畜禽养殖废水的资源化。

实施例2：

参阅图5，一种畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理方法，包括以下步骤：

S1：去除畜禽养殖废水中的漂浮物，分离出粪便和一级废水，一级废水经厌氧反应产生沼气和二级废水。

通过拦截、过滤和沉淀等方法去除漂浮物，通过添加混凝剂将颗粒物质沉淀除去，获得一级废水。一级废水经厌氧反应产生沼气和二级废水，沼气用于燃烧给厌氧反应保温，使得水处理过程中产生的温室气体近零排放。分离出来的粪便等通过挤压机脱水后可用来堆肥。

畜禽养殖废水在预处理装置中中停留1h左右，废水中大块漂浮物利用格栅、沉砂池进行初步处理，多级滚筒筛实现畜禽养殖废水中固体和液体的分离，絮凝沉淀池中添加PAC/PAM目的是强化混凝，提高预处理效果。

一级废水进入UASB反应器(反应器A)中，在反应器A中的水力停留时间(HRT)为8-11h，根据有机物的去除效果可以缩短或延长在反应器A中的水力停留时间。

S2：二级废水经氨氧化菌和反硝化菌、生物膜生物作用脱氮、脱磷和去除抗生素，产生三级废水。

通过连续流好氧颗粒污泥+生物膜反应器，二级废水中的氨氮通过好氧颗粒污泥中外部的氨氧化菌进行亚硝化将其转化为亚氮，然后通过好氧颗粒污泥内部中的反硝化菌利用二级废水中剩余的有机碳进行反硝化将亚氮转化为氮气，实现高效脱氮，二级废水进入生物膜部分进行深度脱氮除磷，氮和磷的去除率均在95％以上，同时利用好氧颗粒污泥的吸附及降解功能去除畜禽养殖废水中的抗生素如四环素等，畜禽废水中抗生素浓度在20mg/L左右，经过好氧颗粒污泥和生物膜处理对四环素等抗生素类去除率在90％以上。

利用鼓风机对连续流好氧颗粒污泥——生物膜反应器(反应器B)进行曝气，曝气管在反应器B的底部，经过UASB反应器(反应器A)处理后的畜禽养殖废水从反应器B底部泵入，反应器B通过回流泵进行自回流，提高脱氮除磷的效果，COD、氨氮和磷的去除率均在95％以上。

S3：用藻类进一步对三级废水中残余的氮、磷进行进一步的吸收。

三级废水进入小球藻反应器中，利用小球藻进一步吸收氮磷，小球藻在自身生长的同时协同净化了畜禽养殖废水。

经过预处理和反应器A、B处理后的畜禽养殖废水，进入反应器C小球藻装置中，小球藻生长速率快，对PH等的适应范围广，氮是小球藻细胞的重要组成成分，磷是小球藻生长所必须的营养元素之一，因此小球藻进一步吸收利用上述处理后的畜禽养殖废水中剩余的氮磷。

经过上述步骤处理后的畜禽养殖废水储存在储水箱中，用于畜禽养殖场的日常冲洗或用来冲厕所，小球藻富含蛋白质、多种矿质元素和微量元素，可以回收作为畜禽饲料的添加剂，或者回收萃取小球藻中强大的CGF活性因子用于医疗和美妆等领域。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细的说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统，其特征在于，包括：

预处理装置，所述预处理装置通过物理方法去除废水中的漂浮物，加入混凝剂混凝后，产生一级废水；

沼气回收利用装置，所述一级废水在所述沼气回收装置中厌氧反应产生沼气和二级废水；

好氧颗粒污泥+生物膜装置，所述二级废水在所述好氧颗粒污泥+生物膜装置中经过好氧颗粒污泥和生物膜的作用脱氮、脱磷和去除抗生素，产生三级废水；

小球藻处理装置，所述小球藻处理装置中的小球藻进一步去除所述三级废水中残余的氮、磷；

所述预处理装置包括格栅、沉砂池、多级滚筒筛、收集池、絮凝沉淀池和挤压机，废水经过所述格栅拦截漂浮物，所述沉砂池的初步沉降后通过所述多级滚筒筛固液分离出固形物，所述固形物经所述挤压机挤压后用于发酵，液体加入混凝剂在所述絮凝沉淀池絮凝，产生一级废水；

所述沼气回收利用装置包括UASB反应器、甲烷收集净化组件、燃气锅炉、换热器和三相分离器，所述一级废水在所述UASB反应器中厌氧反应产生沼气和二级废水，经所述三相分离器分离后气体在所述燃气锅炉通过燃烧产生热量，在所述换热器将热量传输给所述UASB反应器；

所述好氧颗粒污泥+生物膜装置包括好氧颗粒污泥+生物膜反应器、鼓风机、曝气管、水力旋流器、自循环泵、三相分离器和生物膜，所述二级废水进入所述好氧颗粒污泥+生物膜反应器下部，所述鼓风机通过所述曝气管曝气，利用所述水力旋流器进行均匀布水，然后二级废水进入所述好氧颗粒污泥+生物膜反应器上部的所述生物膜处理部分，产生三级废水，可通过所述自循环泵进行自回流；

所述小球藻处理装置包括小球藻反应器、水泵和太阳能板，所述三级废水通过水泵泵入所述小球藻反应器，通过所述太阳能板对所述小球藻反应器加热。

2.如权利要求1所述的畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统，其特征在于，所述沼气回收利用装置还包括气体流量计、送气泵、三相分离器、温度检测器和搅拌器。

3.一种畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理方法，该方法采用如权利要求2所述的畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

S1：用预处理装置去除畜禽养殖废水中的漂浮物，分离出粪便和一级废水，所述一级废水在沼气回收利用装置经厌氧反应产生沼气和二级废水；

S2：所述二级废水在好氧颗粒污泥+生物膜反应器经氨氧化菌和反硝化菌、生物膜生物作用脱氮、脱磷和去除抗生素，产生三级废水；

S3：用小球藻反应器进一步吸收所述三级废水中残余的氮、磷。

4.如权利要求3所述的畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理方法，其特征在于，S1包括：所述一级废水在所述UASB反应器底部进行厌氧反应产沼气，所述搅拌器旋转使布水均匀，产生的沼气经所述三相分离器排出后进入所述甲烷收集净化组件中，经所述气体流量计通过送所述气泵将甲烷泵入到所述燃气锅炉中，在所述燃气锅炉中甲烷燃烧产生的热量通过所述换热器将热量传递给所述UASB反应器。

5.如权利要求3所述的畜禽养殖废水高效脱氮除磷的低碳协同处理方法，其特征在于，S2包括：所述二级废水经水泵进入反应器B下部，所述鼓风机通过所述曝气管曝气，利用所述水力旋流器进行均匀布水，然后所述二级废水进入所述生物膜处理部分。