CN112979099A - 一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环境保护及资源利用领域，具体提供一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的方法及装置。包括如下步骤：利用絮凝剂将待处理污水中的碳磷转入污泥中；将污泥污水进行泥水分离，将部分污泥进行回流，重新与絮凝剂协同对污水进行絮凝；污水中的氨氮在亚硝化细菌和厌氧氨氧化菌的作用下转化成氮气和硝态氮。解决现有技术中对碳磷回收效率低的问题。

Description

一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺及装置

技术领域

本发明涉及环境保护及资源利用领域，具体提供一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺及装置。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明有关的背景信息，而不必然构成现有技术。

水资源短缺和水体污染严重是制约我国经济和社会发展的主要因素之一。随着我国城市化进程和工业化发展的日益加速，伴之而来的是人们对水资源需求量的不断增加，污水产量和污水处理能耗急剧上升。传统活性污泥法因其运行稳定、污染物去除率高、管理方便等优势，在国内外污水处理领域广泛应用。但“以能耗能”的处理方式使得其不具有可持续发展的潜力。

随着资源与能源短缺的加剧，低能耗的污水处理与资源回收工艺日益受到重视。污水是资源能源的有效载体，其中蕴含有大量的碳氮磷物质，污水中碳源多以有机碳的形式存在，其蕴含的化学能约为污水处理所需能耗的5倍，实现污水中碳源的回收及资源转化对污水处理能源中和与可持续发展具有重要意义。磷作为不可再生资源的一种，对其进行回收是缓解磷资源短缺的重要途经，据估算，实现城市生活污水中磷的全面回收能够满足人类15-20％的磷需求。目前，已有的生物吸附技术、化学絮凝技术等为污水中碳磷的低耗回收提供了可能。氮是一种可循环再生资源，其回收工艺较为复杂，目前的离子交换、膜分离、化学结晶沉淀等常规氮回收工艺的运行成本与能耗远高于工业合成氨，不具备经济可行性，如何低耗绿色脱氮仍是亟待攻克的技术难题。因此，研发能够在低能耗下回收碳磷资源及脱氮的处理工艺对实现污水处理的可持续发展至关重要。

目前已有专利文献报道了通过磁分离-复合脱氮组合工艺来实现污水中碳、磷资源的回收和氮的脱除。该组合工艺通过磁分离***实现污水中碳磷的回收，通过生物硝化-反硝化技术和厌氧氨氧化技术联用实现氮的脱除。然而，发明人发现，该组合工艺存在磁分离回收效率低、脱氮过程曝气能耗高、对碳源消耗高等缺点。

发明内容

针对现有技术中存在的对碳磷回收效率低、脱氮能耗高等问题。本发明一个或一些实施方式中，提供一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺，包括如下步骤：

利用污泥的吸附能力和絮凝剂的絮凝功能将污水中的碳磷转移到污泥相中；

将污泥污水进行泥水分离，将部分污泥进行回流，重新与絮凝剂协同对污水进行絮凝吸附；污水中的氨氮在亚硝化细菌和厌氧氨氧化菌的作用下转化成氮气和硝态氮。

本发明一个或一些实施方式中，提供一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的装置，包括絮凝吸附单元，用于污水、回流污泥与絮凝剂混合；

斜板沉淀池，包括斜板6，絮凝吸附后的污水经斜板6进行泥水分离；

污泥回流段，将斜板沉淀池分离的部分污泥回流入絮凝吸附单元；

脱氨氮单元，包括短程硝化段，所述短程硝化段包括亚硝化菌生物膜填料7，还包括厌氧氨氧化段，厌氧氨氧化段包括厌氧氨氧化菌生物膜填料8，斜板沉淀池出水分为两部分，分别通入短程硝化段和厌氧氨氧化段，短程硝化段出水通入厌氧氨氧化段。

本发明一个或一些实施方式中，提供一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺，在上述同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的装置中进行，包括如下步骤：

(1)将待处理污水和絮凝剂通入絮凝吸附池3，利用污泥的吸附能力和絮凝剂的絮凝功能将污水中的碳磷转移到污泥相中。

(2)将絮凝吸附后的污水通入斜板沉淀池进行泥水分离，部分污泥回流至絮凝吸附池，剩余污泥排出***；

(3)将斜板沉淀池分离得到的污水通入脱氨氮单元，净化后的污水排出***。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

1)本发明通过投加化学絮凝剂强化生物吸附过程，能够强化活性污泥对污水中碳源的回收效果，同时，化学絮凝剂可以通过絮凝、沉淀作用，实现污水中磷的化学去除，将磷富集到污泥中，通过回收富碳、磷污泥实现资源回收，对多种污染物的去除效果较好。污水中的氮则可以通过短程硝化-厌氧氨氧化工艺以低能耗、低污泥产量的自养脱氮方式实现脱除。本发明将污泥与污水分别治理，污泥可以后续发酵产生甲烷，实现污水与污泥完全回收处理。

2)本发明能够在较低能耗下实现污水中碳、磷的高效回收，絮凝吸附池同时利用活性污泥的吸附效果和化学絮凝剂的絮凝效果进行碳、磷的捕获与回收。曝气能耗低，回收效果较好；获得的富碳、磷剩余污泥经过厌氧发酵产甲烷，实现污水中的能量回收。经碳源与磷回收后的低碳氮比污水可通过短程硝化-厌氧氨氧化工艺进行脱除，相比于传统的硝化反硝化脱氮方式，该过程具有曝气能耗低，对碳源需求低等优势。

附图说明

构成本发明一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1所述同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的方法流程图。

其中，1.城市污水原水箱；2.絮凝剂配药池；3.絮凝吸附池；4.斜板沉淀池；5.短程硝化-厌氧氨氧化池；6.斜板；7.亚硝化菌生物膜填料；8.厌氧氨氧化菌生物膜填料；9.曝气泵；10.流量计；11.絮凝吸附池进水泵；12.絮凝剂加药泵；13.斜板沉淀池进水泵；14.短程硝化段进水泵；15.厌氧氨氧化段进水泵；16.***出水泵；17.污泥回流泵；18.排泥泵。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中高负荷活性污泥法对碳源的回收效率较低，且其对氮、磷的去除/回收几乎没有效果等问题。

本发明一个或一些实施方式中，提供一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺，包括如下步骤：

利用污泥的吸附能力和絮凝剂的絮凝功能将污水中的碳磷转移到污泥中；

将污泥污水进行泥水分离，将部分污泥回流重新与絮凝剂协同对污水进行絮凝；污水中的氨氮在亚硝化细菌和厌氧氨氧化菌的作用下转化成氮气和硝态氮。

该同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺主要采用化学强化生物吸附-短程硝化厌氧氨氧化的耦合工艺。该工艺能在低能耗下高效率的捕获污水中的碳、磷资源，并以剩余污泥的形式实现对碳、磷的回收。氮则通过短程硝化-厌氧氨氧化过程实现生物脱除，实现污水的达标处理。

具体的，本发明一方面利用活性污泥的生物吸附作用和絮凝剂的强絮凝作用，将碳磷等污染物转入污泥相中，使氨氮污染物、碳磷污染物分别治理。

本发明第二方面利用亚硝化细菌和厌氧氨氧化菌分两步将污水中的氨氮污染物转化为无污染的氮气并产生少量的硝态氨，由于污水中的碳磷污染物已在絮凝吸附池被去除，因此经过生物处理后的污水可以直接排放。

优选的，所述絮凝剂为化学絮凝剂，优选为含铁絮凝剂，进一步优选为氯化铁、硫酸亚铁中的一种或二者混合物，进一步优选为氯化铁；铁剂对污水中碳磷的絮凝沉淀具有较好的效果。

在絮凝吸附过程中对污水进行曝气处理，为生物吸附过程提供氧气，同时实现污水与污泥及絮凝剂的充分混合；

或，还包括污泥发酵步骤，将回收后的污泥进行厌氧发酵，产生甲烷，实现污水中的能量回收。

优选的，污水中的氨氮脱除过程包括短程硝化段和厌氧氨氧化段；

其中，在短程硝化段，污水中的氨氮在亚硝化细菌的作用下转化成亚硝氮；

在厌氧氨氧化段，亚硝氨和氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下转化为氮气和硝态氮。

本发明采用两步法对氨氮进行处理，厌氧氨氧化菌利用亚硝酸盐氮作为电子受体，氨氮作为电子供体，生成大量的氮气和少量硝酸盐，实现污水中氮的自养脱除。本发明中，斜板沉淀池出水一部分进入短程硝化段，在亚硝化细菌的作用下，将污水中的氨氮转化为亚硝氮；短程硝化段富含亚硝酸盐氮的出水与富含氨氮的沉淀池出水共同进入厌氧氨氧化段，在厌氧氨氧化菌的作用下，亚硝酸盐氮与氨氮反应生成氮气，实现污水中氮的脱除。

本发明一个或一些实施方式中，提供一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的装置，包括絮凝吸附单元，为带有一定容积的容器，用于污水、回流污泥与絮凝剂混合；

斜板沉淀池4，包括斜板6，絮凝后的污水经斜板6进行泥水分离；

污泥回流段，将斜板沉淀池4分离的部分污泥回流入絮凝吸附单元；

脱氨氮单元，包括短程硝化段，所述短程硝化段包括亚硝化菌生物膜填料7，还包括厌氧氨氧化段，厌氧氨氧化段包括厌氧氨氧化菌生物膜填料8，斜板沉淀池4出水分为两部分，分别通入短程硝化段和厌氧氨氧化段，短程硝化段出水通入厌氧氨氧化段，短程硝化段出水通入厌氧氨氧化段。

优选的，所述絮凝吸附单元包括絮凝吸附池3，所述絮凝吸附池3下方有污泥回流入口，

所述絮凝吸附池3中有曝气装置；

优选的，所述絮凝吸附池3采用少边角结构以减少内部死水区，进一步优选为圆柱形结构。

优选的，所述斜板沉淀池4为升流式异向流斜板沉淀池；

优选的，斜板沉淀池4采用穿孔溢流管出水；

优选的，斜板沉淀池4内设置与水平面成30-70°角的斜板，进一步优选为60°角，斜板下方形成污泥区，上方形成清水区；

优选的，斜板沉淀池4底部为锥体，形成集泥斗，集泥斗侧壁的倾斜角为30-70°，进一步优选为60°。

优选的，所述脱氨氮单元为短程硝化-厌氧氨氧化池，包括短程硝化段和厌氧氨氧化段，所述短程硝化段中包括亚硝化菌生物膜填料7，所述厌氧氨氧化段中包括厌氧氨氧化菌生物膜填料8；

优选的，所述厌氧氨氧化池使用方形结构；

或，包括短程硝化-厌氧氨氧化池，按污水流动方向，短程硝化-厌氧氨氧化池前方填充亚硝化菌生物膜填料7，后方填充厌氧氨氧化菌生物膜填料8。

本发明一个或一些实施方式中，提供一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺，在上述同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的装置中进行，包括如下步骤：

(1)将待处理污水和絮凝剂通入絮凝吸附池3，

利用污泥的吸附能力和絮凝剂的絮凝功能将污水中的碳磷转移到污泥相中。(2)将絮凝吸附后的污水通入斜板沉淀池4进行泥水分离，部分污泥回流至絮凝吸附池3，剩余污泥排出***；

(3)将斜板沉淀池4分离得到的污水通入脱氨氮单元，净化后的污水排出***。

优选的，所述絮凝吸附池3采用连续曝气的方式。

优选的，絮凝吸附池3的污泥浓度2000-3000mg/L，溶解氧浓度为0.5-1.0mg/L，水力停留时间为30-60min，污泥停留时间为0.5-2d，为高负荷运行下的活性污泥提供吸附增殖条件。

优选的，絮凝吸附池3中投加絮凝剂浓度为10-20mg/L。

优选的，斜板沉淀池4采用穿孔溢流管出水，水力停留时间为60-90min。

优选的，短程硝化段投加亚硝化菌生物膜填料，填充比为50％-80％。短程硝化段溶解氧维持在0.5-2.0mg/L，pH维持在7.9-8.2。

优选的，厌氧氨氧化段投加厌氧氨氧化菌生物膜填料，填充比为50％-80％；

优选的，厌氧氨氧化段维持严格厌氧条件，pH维持在7.5-8.5，进一步优选为8.0。

实施例1：

本实施例提供一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺，使用如图1所示的装置处理北方某校园生活污水，

包括如下步骤：(1)将待处理污水和絮凝剂通入絮凝吸附池3，在化学絮凝剂的强化下，活性污泥迅速捕获污水中的碳源，并将其转移到污泥中。此外，絮凝剂能够与污水中的磷发生化学絮凝沉淀反应，将磷从污水相转移至污泥相。

(2)将絮凝吸附池3出水通入斜板沉淀池4进行泥水分离，实现污水中碳源和磷的回收，部分污泥回流至絮凝吸附池以维持絮凝吸附池稳定运行，上清液通过溢流管排出；

(3)将斜板沉淀池4出水分别通入短程硝化-厌氧氨氧化池的短程硝化段和厌氧氨氧化段。在短程硝化段，污水中的氨氮在亚硝化细菌的作用下转化成亚硝氮。短程硝化出水中的亚硝氮与斜板沉淀池4出水的氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下转化为氮气和硝态氮，实现污水中氮的脱除。

(4)短程硝化-厌氧氨氧化池出水经出水泵排出***。

其中，选用絮凝剂为氯化铁，絮凝吸附池中絮凝剂浓度维持在15-20mg/L，絮凝吸附池中的溶解氧浓度为0.5-1mg/L，污泥浓度为3000mg/L，水力停留时间为60min，污泥停留时间为2d，污泥回流比为100％。污水经絮凝吸附池后，进入斜板沉淀池4进行固液分离，斜板沉淀池4水力停留时间为90min，斜板沉淀池4出水通过进水泵分别进入短程硝化段和厌氧氨氧化段，短程硝化段与厌氧氨氧化段分别投加亚硝化菌和厌氧氨氧化菌生物膜填料，填充比为75％。短程硝化段溶解氧浓度为0.8-1.2mg/L，pH为7.9-8.2，水力停留时间为6h。厌氧氨氧化段维持严格厌氧条件，pH维持在8.0附近，水力停留时间为2h。

经检测，工艺***的进水COD浓度为260-300mg/L，总氮浓度为25-30mg/L，氨氮浓度为22-27mg/L,总磷浓度为2.5-3.5mg/L。斜板沉淀池4出水COD为70-90mg/L，总氮浓度为20-30mg/L，氨氮浓度为20-25mg/L,总磷浓度为0.4-0.6mg/L。经核算，絮凝吸附池能回收65％的碳源和80％以上的磷。短程硝化-厌氧氨氧化池最终出水COD浓度＜35mg/L，总氮浓度＜8mg/L，总磷浓度为＜0.5mg/L。

实施例2：

采用实施例1中的装置处理北方某校园生活污水：

其中，选用絮凝剂为氯化铁，絮凝吸附池中絮凝剂浓度维持在10-15mg/L，絮凝吸附池中的溶解氧浓度为0.5-1mg/L，污泥浓度为2500mg/L，水力停留时间为45min，污泥停留时间为1.5d，污泥回流比为80％。污水经絮凝吸附池后，进入斜板沉淀池4进行固液分离，斜板沉淀池4水力停留时间为90min，斜板沉淀池4出水通过进水泵分别进入短程硝化段和厌氧氨氧化段，短程硝化段与厌氧氨氧化段分别投加亚硝化菌和厌氧氨氧化菌生物膜填料，填充比为75％。短程硝化段溶解氧浓度为0.8-1.2mg/L，pH为7.9-8.2，水力停留时间为6h。厌氧氨氧化段维持严格厌氧条件，pH维持在8.0附近，水力停留时间为2h。

经检测，工艺***的进水COD浓度为230-260mg/L，总氮浓度为20-25mg/L，氨氮浓度为18-24mg/L,总磷浓度为2-3mg/L。斜板沉淀池4出水COD为70-90mg/L，总氮浓度为17-22mg/L，氨氮浓度为15-20mg/L,总磷浓度为0.4-0.6mg/L。经核算，絮凝吸附池能回收60％的碳源和80％以上的磷。短程硝化-厌氧氨氧化池最终出水COD浓度＜40mg/L，总氮浓度＜8mg/L，总磷浓度为＜0.5mg/L。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺，其特征在于，包括如下步骤：

利用污泥的吸附能力和絮凝剂的絮凝功能将污水中的碳磷转移到污泥相中；

将污泥污水进行泥水分离，将部分污泥回流，重新与絮凝剂协同对污水进行絮凝；污水中的氨氮在亚硝化细菌和厌氧氨氧化菌的作用下转化成氮气和硝态氮。

2.如权利要求1所述的同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺，其特征在于，所述絮凝剂为化学絮凝剂，优选为含铁絮凝剂，进一步优选为氯化铁、硫酸亚铁中的一种或二者混合物，进一步优选为氯化铁；

在絮凝吸附过程中对污水进行曝气处理；

或，还包括污泥发酵步骤，将回收后的污泥进行厌氧发酵，产生甲烷。

3.如权利要求1所述的同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺，其特征在于，污水中的氨氮转化成氮气和硝态氮的过程包括短程硝化段和厌氧氨氧化段；

其中，在短程硝化段，污水中的氨氮在亚硝化细菌的作用下转化成亚硝氮；

在厌氧氨氧化段，亚硝氨和氨氮在厌氧氨氧化菌的作用下转化为氮气和硝态氮。

4.一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的装置，其特征在于，包括絮凝吸附单元，用于将污水、回流污泥与絮凝剂混合；

斜板沉淀池(4)，包括斜板(6)，絮凝吸附后的污水经斜板(6)进行泥水分离；

污泥回流段，将斜板沉淀池(4)分离的部分污泥回流入絮凝吸附单元；

所述脱氨氮单元为短程硝化-厌氧氨氧化池，包括短程硝化段和厌氧氨氧化段，所述短程硝化段包括亚硝化菌生物膜填料(7)，还包括厌氧氨氧化段，厌氧氨氧化段包括厌氧氨氧化菌生物膜填料(8)，斜板沉淀池(4)出水分为两部分，分别通入短程硝化段和厌氧氨氧化段，短程硝化段出水通入厌氧氨氧化段。

5.如权利要求4所述的同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的装置，其特征在于，所述絮凝吸附单元包括絮凝吸附池(3)，所述絮凝吸附池(3)下方有污泥回流入口，

所述絮凝吸附池(3)中有曝气装置；

优选的，所述絮凝吸附池(3)采用少边角结构以减少内部死水区，进一步优选为圆柱形结构。

6.如权利要求4所述的同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的装置，其特征在于，所述斜板沉淀池(4)为升流式异向流斜板沉淀池(4)；

优选的，斜板沉淀池(4)采用穿孔溢流管出水；

优选的，斜板沉淀池(4)内设置与水平面成30-70°角的斜板，进一步优选为60°角，斜板下方形成污泥区，上方形成清水区；

优选的，斜板沉淀池(4)底部为锥体，形成集泥斗，集泥斗侧壁的倾斜角为30-70°，进一步优选为60°。

7.如权利要求4所述的同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的装置，其特征在于，所述脱氨氮单元包括短程硝化池和厌氧氨氧化池，所述短程硝化池中包括亚硝化菌生物膜填料(7)，所述厌氧氨氧化池中包括厌氧氨氧化菌生物膜填料(8)；

优选的，所述厌氧氨氧化池使用方形结构；

或，包括短程硝化-厌氧氨氧化池，按污水流动方向，短程硝化-厌氧氨氧化池前方填充亚硝化菌生物膜填料(7)，后方填充厌氧氨氧化菌生物膜填料(8)。

8.一种同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺，其特征在于，在权利要求4-7任一项所述的同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的装置中进行，包括如下步骤：

(1)将待处理污水和絮凝剂通入絮凝吸附池(3)，利用污泥的吸附能力和絮凝剂的絮凝功能将污水中的碳磷转移到污泥相中(2)将絮凝吸附后的污水通入斜板沉淀池进行泥水分离，部分污泥回流至絮凝吸附池，剩余污泥排出***；

(3)将斜板沉淀池分离得到的污水通入脱氨氮单元，净化后的污水排出***。

9.如权利要求7所述的同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺，其特征在于，所述絮凝吸附池(3)采用连续曝气的方式；

优选的，絮凝吸附池的污泥浓度2000-3000mg/L；

优选的，溶解氧浓度为0.5-1.0mg/L，水力停留时间为30-60min；

优选的，污泥停留时间为0.5-2d；

优选的，絮凝吸附池中投加絮凝剂浓度为10-20mg/L。

10.如权利要求7所述的同步回收污水中碳磷耦合自养脱氮的工艺，其特征在于，斜板沉淀池(4)采用穿孔溢流管出水，水力停留时间为60-90min。

优选的，短程硝化段投加亚硝化菌生物膜填料(7)，填充比为50％-80％；

优选的，短程硝化段溶解氧维持在0.5-2.0mg/L，

优选的，短程硝化段pH维持在7.9-8.2；

优选的，厌氧氨氧化段投加厌氧氨氧化菌生物膜填料，填充比为50％-80％；

优选的，厌氧氨氧化段维持严格厌氧条件，pH维持在7.5-8.5，进一步优选为8.0。

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