一种基于碳源直接转化、氮生物脱除的污水低耗处理与能源回收组合处理工艺

摘要

本发明涉及一种基于碳源直接转化、氮生物脱除的污水低耗处理与能源回收组合处理工艺，属于污（废）水处理技术领域。该发明工艺涉及的装置主要由厌氧发酵反应区、膜分离区、缺氧滤池和好氧滤池组成。城市污水经预处理后在厌氧发酵反应区进行碳源直接转化为甲烷，实现能源回收利用；在膜分离区实现固液分离；在缺氧滤池中利用厌氧发酵出水中的残余有机物、硫化物、溶解性甲烷等物质进行反硝化脱氮，在好氧滤池中进行高速硝化，从而使工艺出水TN达到国家一级B标准。本发明工艺具有运行能耗低、碳源能源化回收、氮脱除无外加碳源、避免温室气体排放等优点。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护、污水处理领域，具体涉及一种基于碳源直接转化、氮生物脱除的污水低耗处理与能源回收组合处理工艺。

背景技术

随着生态文明国家战略的实施，水环境保护事业日益得到重视，成为社会可持续发展的关键。污（废）水是富集资源、能源的有效载体，在全球能源、资源紧缺的背景下，将污水污染物进行资源能源转化成为污水处理的发展趋势。活性污泥法是目前城市污水处理的主流方法，其处理核心是污染物的去除。为了契合可持续发展的观念，污水处理逐渐由“污染物去除”向“污水资源化、能源化处理”转变。

厌氧生物处理技术具有动力消耗少、可回收甲烷气、污泥产量低等优点，是具有发展前景的污水资源化、能源化处理技术。然而，厌氧生物滤池、厌氧接触法和上流式厌氧污泥床反应器（UASB）等传统厌氧生物处理技术存在固液分离效果差、启动时间长、对低浓度生活污水处理效率低等问题，影响了污水厌氧发酵效率，限制了厌氧处理在低浓度生活污水、市政污水中的应用。

厌氧膜-生物反应器通过膜分离与生物处理的有效结合则能够解决这些问题。与传统厌氧处理技术相比，厌氧膜-生物反应器具有容积负荷高、占地面积小、出水水质好、HRT和SRT完全分离的优点，膜分离能够实现污水厌氧发酵后的高效固液分离。然而，厌氧膜-生物反应器通常只能去除城市污水中的有机污染物，对氮的处理效果相对较差。因此，需要对厌氧膜-生物反应器出水中的氨氮进一步处理。

由于在厌氧膜-生物反应器中，大部分有机物参与厌氧发酵而去除，一般研究认为后续反硝化脱氮存在碳源不足的问题。然而，厌氧膜-生物反应器出水中除了含有少量残余有机物之外，还含有硫化物和溶解性甲烷等，有机物、硫化物和溶解性甲烷均可作为反硝化过程的电子供体。此外，溶解性甲烷的存在被认为是厌氧膜-生物反应器处理工艺存在的弊病，甲烷逸出会导致温室气体排放，如果能够将溶解性甲烷用于反硝化脱氮，不仅解决了温室气体排放的潜在问题，而且能够实现脱氮。

本发明即是针对上述背景，提出了一种基于碳源直接转化、氮生物脱除的污水低耗处理与能源回收组合处理工艺，实现污水低耗处理和能源化回收利用的同时，在不投入外加碳源的前提下，利用厌氧膜-生物反应器出水中的残余有机物、硫化物、溶解性甲烷等物质进行脱氮，使工艺出水TN达到国家一级B标准。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于碳源直接转化、氮生物脱除的污水低耗处理与能源回收组合处理工艺。本工艺主要通过厌氧膜-生物反应器进行有机质厌氧发酵，实现碳源的直接能源化回收利用；同时设置脱氮滤池，在不投加外加碳源的前提下，利用厌氧膜-生物反应器出水中的残余有机物、硫化物、溶解性甲烷等物质进行氮脱除，使工艺出水TN达到国家一级B标准。

本发明提出的一种基于碳源直接转化、氮生物脱除的污水低耗处理与能源回收组合处理工艺，所述处理工艺通过处理装置实现，所述处理装置包括厌氧膜-生物反应器、缺氧滤池3和好氧滤池4；厌氧膜-生物反应器包括厌氧发酵反应区1和膜分离区2，其中：预处理水箱５底部连接厌氧发酵反应区１，污水经预处理水箱５后依靠液位差重力自流进入厌氧发酵反应区１，厌氧发酵反应区１内设有搅拌混合装置6，厌氧发酵反应区１底部通过污泥循环泵7和管道连接膜分离区２底部一侧进口，膜分离区２内设有中空纤维膜或平板膜１０，厌氧发酵反应区１上部和膜分离区２上部设有污泥循环连接管８，通过污泥循环泵7和污泥循环连接管8在厌氧发酵反应区1与膜分离区2之间形成污泥循环；中空纤维膜或平板膜10顶部通过膜出水泵９进行抽吸，中空纤维膜或平板膜10通过膜出水泵９和管道连接缺氧滤池３底部进水口，缺氧滤池3和好氧滤池4均采用升流式，缺氧滤池3上部溢流口连接好氧滤池4底部进水口，升流式好氧滤池4上部溢流出水，好氧滤池4内的好氧滤池混合液通过回流泵11回流到缺氧滤池3；具体步骤如下：

(1) 经预处理后的污水在厌氧发酵反应区1进行厌氧发酵，在膜分离区2进行固液分离；污水中的碳源在厌氧发酵过程中转化为甲烷，实现污水中碳源直接转化为能源；其中：厌氧膜-生物反应器水力停留时间为2~4 h；中空纤维膜或平板膜的膜运行通量为6 ~ 10 L/(m²·h)；厌氧发酵反应区１的有机负荷为3>3·d)，污水中的污泥龄为60>

(2) 经厌氧发酵能源回收后的污水中含有氨氮、少量剩余碳源、硫化物和溶解性甲烷等物质，在缺氧滤池3和好氧滤池4中进一步脱氮，控制缺氧滤池3和好氧滤池4的回流比为100% ~ 200%；

(3) 缺氧滤池3中脱氮途径主要包括以残余COD为碳源的异养反硝化、以甲烷为碳源的异养反硝化和以硫化物为电子供体的自养反硝化；厌氧发酵后污水中的氨氮在好氧滤池4中进行快速硝化；缺氧滤池3和好氧滤池4总水力停留时间为4 ~ 8 h；好氧滤池4出水TN稳定在20 mg/L以下，氨氮稳定在8 mg/L以下，水质稳定达到国家一级B排放标准。

本发明中，缺氧滤池3和好氧滤池4均采用升流式，高径比为8 ~ 12，缺氧滤池3和好氧滤池4采用的填料为生物陶粒。

本发明工艺基于污水碳源直接进行厌氧发酵，产生生物气甲烷，实现了污水资源化回收利用。发酵反应区与膜分离区分开设置能够有效控制膜污染，提高厌氧发酵的产气效率。同时，设置生物气循环泵，利用生物气对膜进行反冲洗。在缺氧、好氧滤池中，在无外加碳源的条件下，充分利用厌氧膜-生物反应器出水中的物质实现氮脱除，使工艺出水TN达到国家一级B标准。

本发明的有益效果在于：

（1）厌氧膜-生物反应器容积负荷高、占地面积小、出水水质好、HRT和SRT完全分离。

（2）厌氧膜-生物反应器反应区与膜分离区分离、生物气反冲洗能够有效控制膜污染，提高厌氧发酵的产气效率；膜分离运行通量为6 ~ 10 L/(m²·h)，污泥龄60>

（3）反硝化无外加碳源，降低污水处理的运行成本。

（4）氮脱除同时去除污水中的硫化物和溶解性甲烷，避免了溶解性甲烷温室气体的排放。

（5）好氧硝化滤池由于残余有机质浓度低，可以大幅度提高硝化速率，在低曝气强度下可以实现氨氮的高速硝化。

（6）整体工艺具有较长的SRT和较短的HRT，能耗较少，且能够回收甲烷。

附图说明

图1是本发明一种基于碳源直接转化、氮生物脱除的污水低耗处理与能源回收组合处理工艺示意图；

图2是本发明一种基于碳源直接转化、氮生物脱除的污水低耗处理与能源回收组合处理工艺工作原理图；

图中标号：1为厌氧发酵反应区；2为膜分离区；3为缺氧滤池；4为好氧滤池；5为预处理水箱；6为搅拌混合装置；7为污泥循环泵；8为污泥循环连接管；9为膜出水泵；10为中空纤维膜或平板膜；11为滤池回流泵。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

实施例1：

本发明工艺采用的装置包括厌氧发酵反应区1、膜分离区2、缺氧滤池3和好氧滤池4；其中，污水经预处理水箱5后依靠液位差重力自流进入厌氧发酵反应区1，反应区1内设置搅拌混合装置6保证污泥均匀，依靠污泥循环泵7和污泥循环连接管8在反应区1与膜分离区2之间形成污泥循环；膜分离区通过膜出水泵9对膜组件10进行抽吸，出水进入缺氧滤池3底部进水口，缺氧滤池3采用升流式，缺氧滤池3上部溢流口连接好氧滤池4底部进水口，升流式好氧滤池4上部溢流出水，好氧滤池混合液通过回流泵11回流到缺氧滤池3。污水首先进行预处理去除污水中大颗粒杂质。经预处理后的污水在厌氧膜-生物反应器中的反应区1进行厌氧发酵，在膜分离区2进行固液分离；膜间歇抽吸，利用生物气对膜进行反冲洗；污水中的碳源在厌氧发酵过程中转化为甲烷，经膜分离后出水中含有氨氮、少量剩余碳源、硫化物、溶解性甲烷等物质。经厌氧膜-生物反应器处理后的污水进入脱氮滤池进行氮脱除，氨氮在好氧滤池4中进行硝化反应后回流到缺氧滤池3。缺氧滤池3中脱氮途径主要包括以残余COD为碳源的异养反硝化、以甲烷为碳源的异养反硝化和以硫化物为电子供体的自养反硝化。

利用上述污水处理工艺及装置处理典型城市生活污水，进水COD浓度为461±187 mg/L，TN浓度为44.6±15.1 mg/L，氨氮浓度为28.0±7.5 mg/L。厌氧膜-生物反应器膜通量为6 L/(m²·h)，组合工艺总HRT为10h，泥龄100>4/gCOD。工艺总出水COD为15±10>

实施例2：

如实施例1所示污水处理工艺及装置处理南方某城市生活污水，进水COD浓度为337±172 mg/L，TN浓度为48.6±11.3 mg/L，氨氮浓度为40.5±10.2 mg/L。厌氧膜-生物反应器膜通量为8 L/(m²·h)，组合工艺总HRT为10>4/gCOD。工艺总出水COD为12±6>

实施例3：

如实施例1所示污水处理工艺及装置处理某农村地区生活污水，进水COD浓度为245±105 mg/L，TN浓度为37.4±14.5 mg/L，氨氮浓度为28.0±12.6 mg/L。厌氧膜-生物反应器膜通量为10 L/(m²·h)，组合工艺总HRT为8h，泥龄80>4/gCOD。工艺总出水COD为18±8>