一种基于资源能源回收的污水处理方法与流程

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种去除污水中氮磷的处理系统及方法，尤其是一种适用于一般生活污水的处理系统及方法。

背景技术：

随着我国社会、经济的快速发展，污水排放量不断增加，污水处理设施建设正成为政府环保部门的重点推进工作。当前，以活性污泥法为代表的传统生物处理技术是国内污水处理的主流工艺，但其“以能耗能”的弊端使污水处理建设投资和运行费用较为高昂，制约了污水处理厂的普及和覆盖。

传统的活性污泥法系统在运行过程中，需要额外投加物料、补充能量来降解污水中的污染物，具体表现在：(1)生化反应段的曝气、搅拌操作消耗大量电能，约占整个处理厂电耗的60％～70％；(2)许多工业废水的进水来源复杂，水质存在差异，往往需要额外投加药剂以调节水质、补充碱度等，保证生化反应的高效进行；(3)污水处理的最终结果是有机物、氮、磷等污染物的降解、矿化，资源无法得到回收利用；(4)工艺产生的大量剩余污泥处理处置难度大，毒性高，无法资源化回收其中的有机物，且对环境有二次污染的风险。

这种“以能耗能”且对环境存在二次污染风险的污水处理方法导致污水处理很大程度上成为一个不直接产生经济效益、高耗能、低产出的行业，难以适应可持续发展潮流。针对该问题提出的藻类污水处理，是一种具有巨大发展潜力的污水处理技术，可有效解决污水处理的能耗损失和资源回用问题。

作为一种自养型微生物，藻类可在自身生长繁殖的过程中，吸收水体中氮、磷等物质，用于生命代谢活动，有效降低水体中污染物浓度。与活性污泥法不同，大多数藻营养类型是光能自养型，无需另加碳源；结合藻类在生长过程需要氮和磷的特点和适宜的能源回收技术，可使藻类在生长过程中快速富集污水中的氮和磷，并对富集的资源进一步利用，具有极大的资源回收潜力。然而，现有的技术研究对藻类污水处理的应用多停留在微藻筛选和培育的实验室小试阶段，对藻类富集资源的研究应用不足，未能实现能量的全面回收利用，对于经济化、工艺化的运行系统及处理方法设计仍存在较大的发展空白。

目前，厌氧消化技术作为一种发展较为成熟的资源化手段，在污水处理过程的副产物污泥的处理已有所应用。通过对污泥的厌氧消化，可实现沼气产出及氮磷的释放，并以鸟粪石回收、氨水回收等形式进行氮磷的资源回收。而将藻类处理污水以及厌氧消化技术相结合，可以解决藻类处理污水中副产物回收的问题，并实现藻体内碳、氮、磷资源的全回收利用及工艺系统的资源循环与能源产出，从根本上解决污水处理的能耗问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有污水处理技术高能耗、副产物难处理的问题，提供一种用微藻处理污水的处理系统及处理方法，所述系统在保证污水中的污染物高效去除的同时，实现污水中氮、磷等营养物质的资源化、能源化。

本系统采用的技术方案为：

一种基于资源能源回收的污水处理方法，为污水处理提供一种处理系统。处理系统包括预处理系统、微藻反应池、在线环境监控系统、陶瓷膜藻水分离系统、二级浓缩区、厌氧资源回收系统、鸟粪石回收器、沼气发电机组和氨氮回收器；其中，预处理系统包括粗格栅、细格栅和初沉池，用于去除污水中粗大漂浮物和部分悬浮物，降低后续微藻反应池的工艺负荷；微藻反应池用于微藻的培养和污水中氮、磷、有机污染物的处理；在线环境监测系统包括光照监控子系统、温度监控子系统、ph监控子系统、co2曝气浓度监控子系统及plc自控操作系统，用于提供微藻正常生长及生命活动所需的适宜环境条件；陶瓷膜藻水分离系统由无机膜组件构成，用于微藻的截留和收集，实现清水排放；二级浓缩区为厌氧资源化系统的预处理，用于提高微藻浓度并调整含水率；厌氧资源回收系统包括厌氧消化器、温度控制系统、搅拌系统、集气系统及排液系统，用于微藻的厌氧消化产甲烷反应；沼气发电机组、鸟粪石回收器、和氨氮回收器用于产生电能和回收氮磷，实现微藻资源能源的全面回收利用。

进一步地，所述光照监控子系统所述光照监控子系统采用led灯作为人工光源，为微藻生长提供合适的光质；光照强度控制在4000-8000lux，光暗比控制在6:18-18:6，促进微藻光合作用对污水中营养物质的利用，同时避免光抑制现象对微藻生长的不利影响。所述co2曝气浓度监控子系统包括co2气体钢瓶，气体流量计、进气管及曝气器，co2气体钢瓶内的气体通过气体流量计控制进气流量，由进气管输送至曝气器，经曝气器扩散后被微藻利用；co2曝气浓度监控子系统根据需要将co2浓度控制在1-5％，促进微藻体内的碳循环和生命代谢作用；所述温度监控子系统温度控制在25±3℃；所述ph监控子系统ph控制在7.0-8.0，ph调节采用hcl和nahco3进行。

进一步地，所述厌氧资源回收系统中的厌氧消化器用于微藻的厌氧发酵反应，温度控制系统使厌氧消化器内部升温加热，搅拌系统对厌氧消化器内的物料搅拌和充分混合，集气系统收集厌氧消化产生的甲烷并输送至沼气发电机组进行发电，排液系统排出厌氧消化液至鸟粪石回收器和氨氮回收器用于生产鸟粪石和高浓度氨水。

进一步地，所述陶瓷膜藻水分离系统由无机膜组件构成；膜组件优先选用平板膜，减少处理过程中的膜污染。

具体的污水处理方法为：污水经预处理系统去除粗大漂浮物和部分悬浮物后，在环境监测系统在线控制的适宜光照、光暗比、温度、ph、co2浓度的环境条件下，通过微藻反应池中藻类的生化反应作用降低污水中的氮、磷和有机物浓度；藻水混合液经过陶瓷膜藻水分离器分离后，达到地表水国家一级a标准的出水排放，收集所得的微藻则通过二级浓缩处理满足含水率要求后，进入厌氧资源回收系统进行高温厌氧消化反应，产生的甲烷经过收集后由沼气发电机组生产电能，厌氧消化反应产生的富含氮磷的消化液进入鸟粪石回收器及氨氮回收器，用于生产缓效肥料鸟粪石和高浓度氨水，回收消化液内有用的氮磷物质，作为高价值化工产品出售，产生可观的经济效益。

进一步地，沼气发电机组所产电能首先满足系统前段运行所需，多余电量并入城市电网，产生电费收益；

进一步地，藻水混合液经过陶瓷膜藻水分离系统分离后，少量悬浮藻液回流至微藻反应池用于维持反应池内生物量平衡；

进一步地，厌氧资源回收系统内的部分消化液回流至系统前段，和原始进水混合后进入预处理系统作为污染物被处理，消除二次污染对环境的影响。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明污水处理效果好，藻水分离效率高。微藻反应池中的藻类可吸收污水中氮、磷、有机物等，使污水中的污染物浓度降低，出水达标排放，实现稳定的处理效果；此外，本发明的藻水分离采用无机陶瓷膜组件作为分离装置，避免了有机膜易污染的缺点，提高了分离效率，降低了设备更换维护的成本；同时，经过膜的浓缩可显著提高藻液的浓度，便于后续厌氧消化资源化的进行。

2.本发明克服了污水处理“以能耗能”的弊端，具有“低耗能、高产出”的运行优势。微藻处理污水时，可直接利用污水中的污染物作为营养源进行光合作用，无需额外投加营养物质便可大量繁殖，与传统污水处理技术相比，节省了药剂成本，运行能耗大大降低。此外，在低能耗工艺的前提下，只需维持稳定的系统藻量，即可分离出多余的藻进行厌氧消化回收能源资源。厌氧消化产生的甲烷可发电补偿污水厂的电耗，产出的多余电量则可供给城市电网。厌氧消化的上清液还可回收鸟粪石和氨水等，进一步化污水处理的“高能耗”缺陷为“高产能”优势。

3.本发明全面实现了污水中碳、氮、磷资源的充分回收和循环利用，且避免了处理过程中对环境的二次污染。与传统的活性污泥法污水处理工艺去除污染物的思路不同，本系统对于污水中的碳、氮、磷物质进行了充分的回收利用。在传统工艺中，碳、氮分别经微生物的分解和反硝化作用转化为co2、氮气，部分磷转移入剩余污泥中，污水处理的副产物污泥成分复杂，资源难以进行有效利用，且污泥毒性较大，规范处理处置困难；而本系统中的藻类在处理污水过程中则将大部分碳、氮、磷元素富集至体内，所分离出来的藻成分较为简单，资源损失量少，经过厌氧消化产出鸟粪石、高浓度氨水和缓释肥等多种产品，实现了碳、氮、磷的资源化。整个系统除污水外无其他污染物进出，从本质上提升污水的资源利用价值，使工艺运营无能耗、无二次废物产生。

附图说明

图1所示为本发明的处理系统处理污水的流程图。

具体实施方式

结合附图1，本发明的污水处理及资源化步骤如下：

(1)污水由进水管输送至预处理装置，先后经过粗格栅、细格栅和初沉池，去除大颗粒杂质和部分悬浮物，为后续生物处理降低一定负荷，进水水量由预处理装置之间的阀门进行调节；

(2)污水进入微藻反应池，在好氧条件下，池内的藻类吸收污水中的氮、磷和部分有机物，转化为自身的结构物质，进行生命活动和生长繁殖，同时使污水中污染物浓度降低；利用对应的环境监控系统，控制调节微藻反应池内的温度、光照、ph、co2浓度等环境条件至最适范围内，保证藻类的生长状态和污水处理效率；其中，光源采用led灯，其光质和光强适合藻类的生长，光照强度通过光照监控子系统控制在4000-8000lux，光暗比控制在6:18-18:6；温度保持在室温，便于藻类正常进行生命活动，通过温度监控子系统将温度控制在25±3℃；ph控制在中性偏碱性范围，有利于藻类相关酶的合成，通过ph监控子系统控制ph在7.0-8.0，采用hcl和nahco3进行调节；通入适宜浓度的co2用于促进藻类的光合作用，提高藻类的生长速率和池体内有效生物量，通过co2曝气浓度监控子系统根据需要将co2浓度控制在1-5％，co2曝气浓度监控子系统包括co2气体钢瓶，气体流量计、进气管及曝气器，co2气体钢瓶内的气体通过气体流量计控制进气流量，由进气管输送至曝气器，经曝气器扩散后被微藻利用；各系统与微藻反应池通过管线单独相连，由plc自控操作系统集成控制，便于操作管理。

(3)经过微藻反应池的生化作用处理后，藻水混合液进入陶瓷膜藻水分离装置，分离得到的澄清出水达标排放，高浓度的藻液进入下一级浓缩处理区，少量低浓度的悬浮藻液经过系统内回流至微藻反应池内，用于补充池内的藻密度，维持系统处理所需的生物量；陶瓷膜组件优选平板膜，减少膜污染。

(4)高浓度藻液经过二级浓缩至符合含水率后进入厌氧资源回收系统，厌氧资源回收系统包括厌氧消化器、温度控制系统、搅拌系统、集气系统及排液系统，厌氧消化器经过温度控制系统升温后进行厌氧消化反应，由搅拌系统对厌氧消化器内的物料搅拌和充分混合，厌氧消化器内生成的甲烷气体经过集气系统收集后输送至沼气发电机组产生电能，产生的消化液经过排液系统排出至鸟粪石回收器和氨氮回收器分别产出鸟粪石缓效肥和氨水，少量消化液作为污染物外回流至系统最前端的预处理区和污水混合后处理，在实现价值肥料与化工产品输出的同时，避免系统副产物的二次污染。

(5)系统资源化装置产生的电能可覆盖系统前段的光照、温控及曝气所需的电量，剩余的多余电量并入城市电网，实现能量的全面利用和平衡。

以上即为针对本发明之一可行实施例的具体说明，该实施方式并非用于限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明专利范围中。