申請日2016.05.17

　　公開(公告)日2016.08.17

　　IPC分類號C02F9/14; C02F11/04

　　摘要

　　本發(fā)明屬于污水處理和固廢資源化領(lǐng)域，是一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝。本發(fā)明通過將高含固污泥厭氧消化后的沼液回流，調(diào)控系統(tǒng)氨氮濃度以促進(jìn)乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌系統(tǒng)向氫利用型產(chǎn)甲烷菌系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，充分利用CO2/H2產(chǎn)甲烷途徑，節(jié)省以短鏈脂肪酸(乙酸等)為代表的有機(jī)碳源。同時，利用厭氧消化系統(tǒng)產(chǎn)生的沼氣對沼液進(jìn)行氨氮吹脫，降低沼液中氨氮濃度并實(shí)現(xiàn)沼氣的凈化，用水或酸性溶劑吸收氨氣，以氯化銨或硫酸銨的形式進(jìn)行回收。氨氮吹脫后富含短鏈脂肪酸的沼液回流至污水處理系統(tǒng)中，補(bǔ)充反硝化階段的碳源，促進(jìn)脫氮除磷。沉淀池出水中所剩余的NO2‑/NO3‑，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行的甲烷厭氧氧化反應(yīng)池，以污泥厭氧消化過程中產(chǎn)生的甲烷為碳源來實(shí)現(xiàn)深度脫氮。

　　權(quán)利要求書

　　1.一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝，其特征在于所述污水處理工藝通過處理單元實(shí)現(xiàn)，所述處理單元包含：污水處理系統(tǒng)(1)、沉淀池(2)、甲烷厭氧氧化池(3)、厭氧消化系統(tǒng)(4)、氨氮吹脫池(5)和氨吸收池(6)，其中：污水處理系統(tǒng)(1)的進(jìn)水口連接進(jìn)水管，出水口通過管道連接沉淀池(2)的進(jìn)水口，沉淀池(2)的出水口通過管道連接甲烷厭氧氧化池(3)，沉淀池(2)的脫水污泥口通過管道連接厭氧消化系統(tǒng)(4)，厭氧消化系統(tǒng)(4)的沼液出口通過管道部分流到氨氮吹脫池(5)，其余部分回流至厭氧消化系統(tǒng)(4);厭氧消化系統(tǒng)(4)的沼氣出口通過管道連接氨氮吹脫池(5)，氨氨吹脫池(5)的氣體出口通過管道連接氨吸收池(6)，氨吸收池(6)的沼氣出口通過三通閥分別連接甲烷厭氧氧化池(3)和氨氮吹脫池(5);具體步驟如下：

　　(1)、污水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)(1)，經(jīng)化學(xué)生物處理后，出水進(jìn)入沉淀池(2)，進(jìn)行泥水分離;

　　(2)、步驟(1)中沉淀池的出水中剩余硝態(tài)氮亞硝態(tài)氮(NO2-/NO3-)進(jìn)入甲烷厭氧氧化池(3)，以厭氧消化系統(tǒng)(4)中產(chǎn)生的沼氣中的甲烷為碳源，通過甲烷厭氧氧化進(jìn)行深度脫氮;步驟(1)中沉淀池的剩余污泥進(jìn)入?yún)捬跸�化系統(tǒng)(4)，于35±2 ℃或55±2 ℃恒溫條件下進(jìn)行厭氧消化;厭氧消化系統(tǒng)(4)消化后的沼液一部分作為污泥稀釋液，將脫水污泥稀釋至含固率為15%，隨脫水污泥返回厭氧消化系統(tǒng)(4)，以實(shí)現(xiàn)部分回流;控制厭氧消化系統(tǒng)(4)中氨氮濃度達(dá)到5000-7000 mg/L，pH值穩(wěn)定在8-8.5，抑制厭氧消化系統(tǒng)(4)中的乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌，富集氫利用型產(chǎn)甲烷菌，充分利用CO2/H2途徑產(chǎn)甲烷，減少碳排放，同時節(jié)省以短鏈脂肪酸為代表的有機(jī)碳源;

　　(3)、厭氧消化系統(tǒng)(4)產(chǎn)生的剩余部分的沼液進(jìn)入氨氮吹脫池(5)，利用厭氧消化系統(tǒng)(4)產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行氨氮吹脫(CH4、CO2)，并實(shí)現(xiàn)沼氣的初步凈化，吹脫后氣體(含NH3、CH4、CO2)進(jìn)入氨吸收池(6)，用水或酸性溶液進(jìn)行吸收，以氯化銨或硫酸銨的形式進(jìn)行回收，并實(shí)現(xiàn)沼氣的深度凈化，凈化后的沼氣分流進(jìn)入甲烷厭氧氧化池(3)補(bǔ)充甲烷厭氧氧化碳源或匯入?yún)捬跸�化系統(tǒng)(4)產(chǎn)生的沼氣中進(jìn)行氨氮吹脫;

　　(4)、經(jīng)過氨氮吹脫后的沼液進(jìn)入污水處理系統(tǒng)(1)，利用其中的以短鏈脂肪酸為代表的有機(jī)碳源補(bǔ)充反硝化過程中碳源，促進(jìn)脫氮除磷。

　　說明書

　　一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于污水處理和固廢資源化領(lǐng)域，是將污泥高含固厭氧消化過程中產(chǎn)生的沼液進(jìn)行回流以對系統(tǒng)中氨氮濃度進(jìn)行合理調(diào)控，充分利用CO2/H2途徑產(chǎn)甲烷，減少碳排放，同時將所節(jié)省的以短鏈脂肪酸(乙酸等)為代表的有機(jī)碳源直接應(yīng)用于主流污水處理系統(tǒng)中，補(bǔ)充反硝化過程中碳源，促進(jìn)脫氮除磷的一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝。

　　背景技術(shù)

　　污水處理中的碳中和運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)整個污水處理過程的能源自給自足的技術(shù)要求，是未來污水處理的核心內(nèi)容。歐美甚至周邊一些亞洲國家相繼頒布了面向21世紀(jì)污水處理碳中和運(yùn)行的路線圖并付諸實(shí)踐。

　　隨著污水產(chǎn)生和處理量的快速增長，剩余污泥產(chǎn)生量也隨之大幅增加。污泥作為一種潛在的能源載體物質(zhì)，需要徹底改變以污泥減量方式為主的現(xiàn)行觀念，而視其為碳中和運(yùn)行的原料。同時，我國所面臨的碳減排壓力越來越嚴(yán)峻，通過技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)碳減排是十分必要的。目前，世界污泥處理處置的主流技術(shù)有厭氧消化、好氧堆肥、干化焚燒、土地利用等，厭氧消化以污泥穩(wěn)定化、能源化的良好效果得到了國內(nèi)外的青睞，成為了目前國際上應(yīng)用最廣泛的污泥處理方法之一。污泥高含固厭氧消化技術(shù)由于具有反應(yīng)器體積小、加熱能耗低、單位容積處理量高、單位容積產(chǎn)氣率較高等優(yōu)勢，在歐美日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。但是，該技術(shù)路線中，污泥中的碳源并沒有得到充分利用。在大部分的反應(yīng)器中，有機(jī)碳源經(jīng)乙酸脫羧途徑產(chǎn)生的甲烷占其來源的72%左右。而CO2/H2產(chǎn)甲烷途徑?jīng)]有得到充分的利用。且高含固污泥厭氧消化沼液中的氨氮濃度較高，C/N 比低，如果將其直接回流到污水處理廠進(jìn)行處理，會對出水水質(zhì)有顯著影響，從而引起水體的富營養(yǎng)化污染。

　　氫利用型產(chǎn)甲烷菌以CO2和H2為原料產(chǎn)甲烷，與乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌相比，它的氨氮耐受能力和乙酸耐受能力都更強(qiáng)。當(dāng)系統(tǒng)的氨氮濃度提高至5000~7000 mg/L左右時，乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌的活性會被抑制，氫利用型產(chǎn)甲烷菌富集，微生物群落從乙酸利用型產(chǎn)甲烷系統(tǒng)向氫利用型產(chǎn)甲烷系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，CO2/H2產(chǎn)甲烷途徑成為主要的產(chǎn)甲烷途徑，并且在一定濃度范圍內(nèi)，可以維持產(chǎn)甲烷過程的穩(wěn)定進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)CO2減排，同時節(jié)省系統(tǒng)中以短鏈脂肪酸為代表的有機(jī)碳源。

　　在中小型污水處理廠中，普遍存在反硝化脫氮處理過程中碳源不足的問題。由于大部分的反硝化微生物均為異養(yǎng)菌，碳源不足時，系統(tǒng)中會發(fā)生NO2-的積累現(xiàn)象，抑制包括反硝化菌在內(nèi)的多種微生物的活性。而且，NO2-氧化生成的NOX(NO2)是導(dǎo)致大氣酸沉降、臭氧、灰霾等一系列環(huán)境問題的重要根源，對環(huán)境有不利影響。因此需要通過外加碳源(如乙酸、甲醇、乙醇等)促進(jìn)反硝化的順利進(jìn)行。然而，這些物質(zhì)的投加無疑增加了污水處理的成本。

　　反硝化型甲烷厭氧氧化(denitrifying anaerobic methane oxidation，DAMO)是在厭氧條件下以甲烷作為電子供體，NO2-/NO3-作為電子受體的反硝化過程，近年來被證實(shí)廣泛存在于各種環(huán)境中。反應(yīng)方程式為：

　　5CH4+8NO3-+8H+ →5CO2+4N2+14H2O(△Gθ’= -765 kJmol-1CH4)

　　3CH4+8NO3-+8H+ →3CO2+4N2+10H2O(△Gθ’= -928 kJmol-1CH4)

　　在傳統(tǒng)的反硝化工藝之后，利用甲烷作為碳源進(jìn)行深度脫氮，是低物耗廢水處理和節(jié)能減排的新思路。推進(jìn)DAMO 污水脫氮工藝的應(yīng)用是未來的主要研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。而且甲烷作為反硝化脫氮的新型碳源，具有廉價無毒、儲備充足、溶解度低不會引起出水COD 增加的優(yōu)點(diǎn)，與甲醇、乙酸等碳源相比具有明顯的優(yōu)勢。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　本發(fā)明的目的在于提供一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝，本發(fā)明利用乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌和氫利用型產(chǎn)甲烷菌對氨氮耐受能力不同的特點(diǎn)，通過將污泥高含固厭氧消化沼液回流，調(diào)控系統(tǒng)氨氮濃度，使其成為氫利用型產(chǎn)甲烷系統(tǒng)，充分利用CO2/H2產(chǎn)甲烷途徑，節(jié)省以短鏈脂肪酸(乙酸等)為代表的有機(jī)碳源，并用于補(bǔ)充污水處理中反硝化過程的碳源，促進(jìn)脫氮除磷。同時，利用厭氧消化過程中產(chǎn)生的甲烷為碳源，通過甲烷厭氧氧化進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)深度脫氮，整體提高污泥中碳源在污水處理中的綜合利用率。

　　為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

　　一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝，所述污水處理工藝通過處理單元實(shí)現(xiàn)，所述處理單元包含：污水處理系統(tǒng)1、沉淀池2、甲烷厭氧氧化池3、厭氧消化系統(tǒng)4、氨氮吹脫池5和氨吸收池6，其中：污水處理系統(tǒng)1的進(jìn)水口連接進(jìn)水管，出水口通過管道連接沉淀池2的進(jìn)水口，沉淀池2的出水口通過管道連接甲烷厭氧氧化池3，沉淀池2的脫水污泥口通過管道連接厭氧消化系統(tǒng)4，厭氧消化系統(tǒng)4的沼液出口通過管道部分流到氨氮吹脫池5，其余部分回流至厭氧消化系統(tǒng)4;厭氧消化系統(tǒng)4的沼氣出口通過管道連接氨氮吹脫池5，氨氨吹脫池5的氣體出口通過管道連接氨吸收池6，氨吸收池6的沼氣出口通過三通閥分別連接甲烷厭氧氧化池3和氨氮吹脫池5;具體步驟如下：

　　(1)污水進(jìn)入污水處理系統(tǒng)1，經(jīng)化學(xué)生物處理后，出水進(jìn)入沉淀池2，進(jìn)行泥水分離;

　　(2)步驟(1)中沉淀池的出水中剩余硝態(tài)氮亞硝態(tài)氮(NO2-/NO3-)進(jìn)入甲烷厭氧氧化池3，以厭氧消化系統(tǒng)4中產(chǎn)生的沼氣甲烷為碳源，通過甲烷厭氧氧化進(jìn)行深度脫氮;步驟(1)中沉淀池的剩余污泥進(jìn)入?yún)捬跸�化系統(tǒng)4，于35±2 ℃或55±2 ℃恒溫條件下進(jìn)行厭氧消化;厭氧消化系統(tǒng)4消化后的沼液一部分作為污泥稀釋液，將脫水污泥稀釋至含固率為15%，隨脫水污泥返回厭氧消化系統(tǒng)4，以實(shí)現(xiàn)部分回流;控制厭氧消化系統(tǒng)4中氨氮濃度達(dá)到5000-7000 mg/L，pH值穩(wěn)定在8-8.5，抑制厭氧消化系統(tǒng)4中的乙酸利用型產(chǎn)甲烷菌，富集氫利用型產(chǎn)甲烷菌，充分利用CO2/H2途徑產(chǎn)甲烷，減少碳排放，同時節(jié)省以短鏈脂肪酸(乙酸等)為代表的有機(jī)碳源;

　　(3)厭氧消化系統(tǒng)4產(chǎn)生的剩余部分的沼液進(jìn)入氨氮吹脫池5，利用厭氧消化系統(tǒng)4產(chǎn)生的沼氣進(jìn)行氨氮吹脫(CH4、CO2)，并實(shí)現(xiàn)沼氣的初步凈化，吹脫后氣體(含NH3、CH4、CO2)進(jìn)入氨吸收池6，用水或酸性溶液進(jìn)行吸收，以氯化銨或硫酸銨的形式進(jìn)行回收，并實(shí)現(xiàn)沼氣的深度凈化，凈化后的沼氣分流進(jìn)入甲烷厭氧氧化池3補(bǔ)充甲烷厭氧氧化碳源或匯入?yún)捬跸�化系統(tǒng)4產(chǎn)生的沼氣中進(jìn)行氨氮吹脫;

　　(4)經(jīng)過氨氮吹脫后的沼液進(jìn)入污水處理系統(tǒng)1，利用其中的以短鏈脂肪酸(乙酸等)為代表的有機(jī)碳源補(bǔ)充反硝化過程中碳源，促進(jìn)脫氮除磷。

　　本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　1.利用污泥高含固厭氧消化后沼液氨氮濃度高的特點(diǎn)，通過沼液回流的方式使厭氧消化系統(tǒng)中氨氮濃度達(dá)到5000-7000 mg/L，促進(jìn)其從乙酸利用型產(chǎn)甲烷系統(tǒng)向氫利用型轉(zhuǎn)化，充分利用體系中產(chǎn)生的CO2和H2產(chǎn)甲烷，減少碳排放，節(jié)約有機(jī)碳源。

　　2.本方法在保持并提高甲烷產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，充分利用剩余短鏈脂肪酸實(shí)現(xiàn)脫氮，使A2/O，EBPR等脫氮除磷工藝不再需要外加碳源，有效解決反硝化過程中碳源不足的問題，實(shí)現(xiàn)了碳源的充分利用，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，是一個綠色循環(huán)，低排放的工藝。

　　3.沼液回流后污泥厭氧消化系統(tǒng)pH穩(wěn)定在8-8.5，堿度在10000mg/L以上，系統(tǒng)穩(wěn)定，抗沖擊能力強(qiáng)。

　　4.由于沼液中氨氮濃度較高，本方法利用污泥厭氧消化過程中產(chǎn)生的沼氣(CH4、CO2)對沼液中的氨氮進(jìn)行吹脫，吹脫后氣體(含NH3、CH4、CO2)用水或酸性溶液進(jìn)行吸收，以氯化銨或硫酸銨的形式回收，降低了消化液中的氨氮濃度。

　　5.本方法利用系統(tǒng)產(chǎn)生的CH4，通過甲烷厭氧氧化反應(yīng)，對處理后的出水進(jìn)行深度脫氮，進(jìn)一步降低出水含氮量，提高污泥中碳源的綜合利用率。