基于海水镁源的船舶生活污水处理及氮磷回收一体化系统和方法与流程

本发明涉及船舶生活污水生物处理技术与资源回收，具体涉及基于海水镁源的船舶生活污水处理及氮磷回收一体化系统和方法。

背景技术：

随着航运业和海洋开发的空前发展，船舶数量急剧增加，海洋环境的污染越来越严重。由海运所带来的船舶生活污水污染问题也逐渐引起人们的关注。船舶污水作为一种流动性污染源，如果直接排入海洋、内河水环境(湖泊、水库)将会造成水体富营养化，严重的会导致水质恶化和鱼类的死亡或迁徙。氮、磷是造成水体富营养化的主要元素，但也属于稀缺资源。随着世界人口增长和工农业生产的扩大，氮、磷资源日渐枯竭，而船舶生活污水由生产生活中产生的“黑水”和“灰水”组成，含有“较丰富”的氮、磷，回收潜力巨大。如果能将船舶污水中的氮、磷回收，不仅能避免水体富营养化的产生，还能实现资源的循环利用，符合当前我国建设环境友好型和资源节约型社会的要求，具有经济和环境双重效益。

鸟粪石(map)结晶法可以高效的去除船舶生活污水中高浓度的氨氮和磷酸盐，具有反应速度快，受水力条件和废水中悬浮物的影响小等特点。生成物map沉降性能好，可作为一种高效的农业缓释肥料，具有很高的利用价值，是目前回收废水中氮磷领域的研究热点。但是，由于镁源的投加成本较高，map法的应用受到了限制，研究人员正在寻找价廉高效的沉淀剂。而海水中含有丰富的mg²⁺，并且船舶上海水的取用非常方便，利用海水作为map法的镁源处理氮磷废水可以降低处理成本，提高处理效率，具有很高的实用价值。

船舶生活污水水量和水质变化大，成分较为复杂，受船舶自身环境和空间的限制，对处理方法和装置有较高的要求。目前，生物接触氧化法在生活污水处理被广泛使用。生物接触氧化法又称生物膜法，在曝气池内投加填料，以供微生物附着生长，是一种介于活性污泥法与生物滤池两者之间的生物处理法。该方法适用于世代周期较长的硝化类细菌的培养。随着国际海事组织(imo)对船舶生活污水排放标准的提高，目前的污水处理已经不再局限于对单一技术的改进，越来越多的工艺将不同的技术加以组合，以寻求开发出占地面积小，易于控制，且能高效、经济、快速处理污水的新工艺。

技术实现要素：

发明目的：提供一种不仅能实现船舶生活污水的净化，还能实现氮、磷、镁资源的回收的低能耗、高效率的基于海水镁源的船舶生活污水处理及氮磷回收一体化系统。

本发明的另一目的是提供利用上述系统进行船舶生活污水处理及氮磷回收的方法。

技术方案：本发明提供一种基于海水镁源的船舶生活污水处理及氮磷回收一体化系统，该系统包括依次相连的污水混合箱、厌氧池、第一沉淀池、鸟粪石回收系统、生物接触氧化池、第二沉淀池和消毒装置；鸟粪石回收系统包括依次相连的海水贮存池、纳滤浓缩装置和鸟粪石结晶池，第一沉淀池的上清液出口连接鸟粪石结晶池，第二沉淀池的上清液出口连接消毒装置。

优选地，污水混合箱内设有粉粹泵；厌氧池内设有搅拌装置和活性污泥，厌氧池内活性污泥的浓度为4500～6500mg/l；第二沉淀池污泥出口连接厌氧池；鸟粪石结晶池内设有曝气装置和用于诱导结晶的晶种，用于诱导结晶的晶种优选为颗粒尺寸为0.15～0.21mm的方解石或石英砂，晶种投加浓度为30～60g/l；纳滤浓缩装置采用的纳滤膜为ss-nf2-4040-g2，mgso4脱盐率≥99％，产水回收率80％～95％，浓水作为镁源，淡水回用；生物接触氧化池内设有填料、曝气装置和活性污泥，填料材质为全塑性夹片维纶醛化丝，活性污泥浓度为3500～4500mg/l；第一沉淀池的污泥出口连接生物接触氧化池；消毒装置为管道过流式紫外杀菌器，工作压力0.8mpa，杀菌率99.99％，制水量1～5000l/h。

本发明另一方面提供一种使用上述基于海水镁源的船舶生活污水处理及氮磷回收一体化系统进行船舶生活污水处理及氮磷回收的方法，该方法包括：

1)将船舶生活污水引入污水混合箱，用粉粹泵将船舶生活污水破碎混合后引入厌氧池，在厌氧池中进行厌氧反应；

2)使步骤1)处理得到的混合液进入第一沉淀池进行泥水分离，分离的污泥输送至生物接触氧化池内，上清液进入鸟粪石结晶池；

3)纳滤浓缩装置浓缩海水中的镁离子后将浓缩液引入鸟粪石结晶池，通过曝气装置向鸟粪石结晶池进行曝气，鸟粪石结晶池中的氨氮、磷酸盐和由纳滤浓缩装置引入的镁离子在晶种诱导下发生鸟粪石结晶反应，结晶产物吸附在晶种表面随晶种一起沉淀回收，剩余上清液进入生物接触氧化池；

4)通过曝气装置向生物接触氧化池进行曝气，生物接触氧化池内污水进行硝化反应、反硝化反应和好氧吸磷反应，去除剩余氮磷元素，得到的混合液进入第二沉淀池进行泥水分离，污泥回流至厌氧池，上清液进入消毒装置；

5)来自第二沉淀池的上清液经消毒装置消毒处理后，达标排放或回用。

步骤1)中，污水混合箱内的黑水和灰水经粉碎泵破碎混合后和第二沉淀池回流污泥一起进入厌氧池进行厌氧反应。厌氧池内污泥浓度为4500～6500mg/l，水力停留时间为3.5～5.5h。在回流污泥中厌氧微生物的作用下，厌氧水解池中的大分子有机物发生水解、酸化反应。有机氮水解成氨氮，吸收污水中的小分子有机物(主要是挥发性脂肪酸，vfa)，将其转化为聚羟基烷酸(pha)并将其储存在细胞内，同时释放出磷。适宜的污泥浓度和水力停留时间有利于厌氧水解反应的进行。

步骤2)中，第一沉淀池污泥回流超越至生物接触氧化池，污泥超越比为100％～200％。

步骤3)中，第一沉淀池上清液进入鸟粪石结晶池，池内投加粒径为0.15～0.21mm的方解石或石英砂作为诱导结晶晶种，晶种投加量为30～60g/l；鸟粪石结晶池内的曝气量为20～30m³/(m².h)。添加晶种有利于诱导鸟粪石的结晶反应，其中晶种类型、尺寸都会影响鸟粪石的产生。适应的曝气强度不仅可以使晶种流态化，增加反应接触面积，还可以吹脱水中的二氧化碳，提升水体ph值，有利于鸟粪石结晶反应。吸附在晶种表面的鸟粪石结晶产物通过更换晶种的方式进行回收，每30～60天更换一批晶种，表面含有鸟粪石的晶种可以直接作为农作物缓释肥料使用。

步骤(4)中，生物接触氧化池水力停留时间为3.0～4.5h，污泥浓度为3500～4500mg/l，曝气量为30～40m³/(m2.h)。第二沉淀池进行泥水分离，污泥回流至厌氧池，上清液进入紫外消毒系统，污泥回流比为100％～200％。生物接触氧化池内设有组合填料，组合填料可采用目前市场上应用广泛的组合填料(例如具体可选择：材质为全塑性夹片维纶醛化丝，比表面积3000～8000m²/m³，填充率45～60％，孔隙率大于99％，规格φ180mm，密度2.5g/cm³，江苏裕隆环保有限公司)。组合填料是在软性填料和半软性填料的基础上发展而成的，它兼有两者的优点：其结构是将塑料圆片压扣改成双圈大塑料环，将醛化纤维或涤纶丝压在环的环圈上，使纤维束均匀分布；内圈是雪花状塑料枝条，既能挂膜，又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率，使水气生物膜得到充分交换，使水中的有机物得到高效处理。

本发明的工作原理是：船舶生产生活中产生的“黑水”和“灰水”进入污水混合箱，经粉碎泵充分破碎混合后和第二沉淀池回流污泥一起进入厌氧池，在厌氧微生物的作用下将水中有机污染物进行水解，有机氮被氨化，聚磷菌在厌氧条件下将污水中的碳源主要以聚-β-羟基丁酸酯(poly-β-hydroxybutyrate，phb)的形式贮存在体内，同时释放出磷；在混合液经第一沉淀池泥水分离后，富含氨氮和磷的上清液进入鸟粪石结晶池，以海水提供镁源，在晶种表面进行诱导结晶，形成map，实现氮、磷、镁资源的回收；剩余的氨氮和磷酸盐进入生物接触氧化池，在好氧的条件下氨氮转化成硝酸盐，并发生好氧聚磷作用，同时在生物膜缺氧区域发生反硝化作用，实现剩余氮、磷的去除；最后经终沉池进行泥水分离，污泥部分回流至厌氧池，剩余污泥排出；对于无需中水回用的船舶，沉淀池上清液直接出水排放；对需要中水回用的船舶，上清液经紫外消毒后实现中水回用。

有益效果：本发明遵循目前可持续发展理念下的现代污水处理技术应同时具有水质改善、低能耗和实现污染物资源化等功能的要求，针对船舶生活污水有机物和氮磷浓度高的特性，以及现有工艺脱氮除磷效率低、能耗较高以及资源浪费等问题，开发出一种基于海水镁源的船舶生活污水处理及氮磷回收一体化系统，该系统可实现在船舶污水污染物去除、水质净化的同时，对污水中氮、磷资源进行回收利用，同时实现海水中镁离子的资源化利用。该系统中，好氧单元采用生物接触氧化法，微生物丰富、占地省、耐冲击负荷能力强，剩余污泥的产量少、不发生污泥膨胀，运行管理比较方便，产生的污泥经厌氧池再次消化后，剩余污泥仅传统工艺的10％左右，大大降低了剩余污泥排放频次；鸟粪石结晶回收的含氮磷产物可作为农作物的缓释肥料出售，实现船舶污水处理过程的增收。本发明的船舶生活污水处理及氮磷回收的方法集污染物去除和资源回收一体，满足现在及未来污水处理技术的需求，可为新型船舶污水深度处理工艺及资源回收装备的推广应用提供理论和技术支撑。

附图说明

图1为基于海水镁源的船舶生活污水处理及氮磷回收一体化系统的示意图；

图中：1-污水混合箱；2-厌氧池；3-第一沉淀池；4-海水贮存池；5-纳滤浓缩装置；6-鸟粪石结晶池；7-生物接触氧化池；8-第二沉淀池；9-紫外消毒装置；10-进水口；11-粉碎泵；12-搅拌装置；13-曝气装置；14-曝气装置；15-第一沉淀池溢流挡板；16-鸟粪石结晶池溢流挡板；17-第二沉淀池溢流挡板；18-晶种；19-组合填料；20-厌氧池进水泵；21-镁离子泵；22-紫外消毒系统进水泵；23-污泥超越泵；24-污泥回流泵；25-排泥泵；26-出水口；27-排泥口；28-装置箱体。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，基于海水镁源的船舶生活污水处理及氮磷回收一体化系统包括依次连接的污水混合箱1、厌氧池2、第一沉淀池3、鸟粪石回收系统、生物接触氧化池7、第二沉淀池8和紫外消毒系统9。鸟粪石回收系统包括依次相连的海水贮存池4、纳滤浓缩装置5和鸟粪石结晶池6。

鸟粪石结晶池6内添加方解石或石英砂晶种18并设有曝气装置13。生物接触氧化池7中有组合填料19并设有曝气装置14。

基于海水镁源的船舶生活污水处理及氮磷回收一体化系统中涉及的各反应池主体均由有机玻璃制成。污水混合箱1用于船舶生活污水中“黑水”和“灰水”的充分混合，污水混合箱1与厌氧池2相连的管路上设有厌氧池进水泵20。污水混合箱1体积50l，厌氧池2的体积25l，鸟粪石结晶池6体积10l，生物接触氧化池7体积20l，当然各反应池也可根据实际情况进行设置。污水混合箱1内设有粉碎泵11，厌氧池2内设有搅拌装置12。第一沉淀池3的上清液出口与鸟粪石池6连接，污泥通过泵23超越至生物接触氧化池7。鸟粪石结晶池6的水流出口连接生物接触氧化池7，海水贮存池4和鸟粪石结晶池6的连接管路上通过管线连接纳滤浓缩装置5。第二沉淀池8的上清液统一出水口与紫外消毒装置9通过紫外消毒系统进水泵22相连接，部分污泥通过污泥回流泵24泵入厌氧池2，剩余污泥通过排泥泵25经排泥口27排放。

第一沉淀池3和第二沉淀池8均发挥泥水分离的作用，第一沉淀池3的顶部带有第一沉淀池溢流挡板15，第二沉淀池8的顶部带有第二沉淀池溢流挡板17，第一沉淀池3和第二沉淀池8中的上清液通过溢流挡板流出，第一沉淀池3和第二沉淀池8的底部设有污泥漏斗，污泥漏斗侧面与水平面夹角为45°，污泥漏斗的底部具有污泥出口，用于排放污泥。鸟粪石结晶池6的顶部带有鸟粪石结晶池溢流挡板16，鸟粪石结晶池6的液体通过鸟粪石结晶池溢流挡板16流出。

船舶生活污水处理时，“黑水”和“灰水”首先经进水口10进入污水混合箱1，经粉碎泵11破碎混合后通过厌氧池进水泵20与来自第二沉淀池8经污泥回流泵24送来的回流污泥一起进入厌氧池2进行厌氧水解处理。厌氧池内污泥浓度为4500～6500mg/l，水力停留时间为3.5～5.5h。厌氧池内水中有机物被水解，有机氮被氨化，聚磷菌吸收水中挥发性脂肪酸(vfas)合成内碳源(phas)储存于细胞体内，同时释磷。

厌氧水解处理结束后混合液进入第一沉淀池3进行泥水分离，污泥通过污泥超越泵23输送至生物接触氧化池7内，上清液经第一沉淀池溢流挡板15进入鸟粪石结晶池7。鸟粪石结晶池7内投加粒径为0.15～0.21mm的方解石或石英砂作为诱导结晶晶种18，晶种投加量为30～60g/l；通过曝气装置13控制鸟粪石结晶池内的曝气量为20～30m³/(m²·h)，水力停留时间为1.0～2.0h。浓缩海水镁离子的纳滤浓缩装置5选用纳滤膜为ss-nf2-4040-g2，mgso4脱盐率≥99％，产水回收率80％～95％，浓水作为镁源，淡水回用。浓缩后的镁离子经镁离子泵21进入鸟粪石结晶池6，镁离子的泵入按mg/p摩尔比1.5∶1～3∶1的质量投加，通过在晶种表面生成鸟粪石，然后沉淀分离，实现污水中氮、磷、镁回收。

鸟粪石诱导结晶处理结束后，上清液经第二沉淀池溢流挡板17进入生物接触氧化池7。生物接触氧化池内设有组合填料19，材质为全塑性夹片维纶醛化丝，比表面积3000～8000m²/m³，填充率45～60％，孔隙率大于99％，规格φ180mm，密度2.5g/cm³，水力停留时间为3.0～4.5h，污泥浓度为3500～4500mg/l。通过曝气装置14控制生物接触接触氧化池内溶解氧为1.5～2.5mg/l。污水在生物接触氧化池7内发生硝化、反硝化和吸磷反应，实现污水中剩余氮磷的去除。组合填料外部实现硝化细菌的附着生长，内部缺氧环境发生反硝化反应，溶液中好氧环境发生聚磷反应(聚磷菌氧化体内phas释放能量，吸收溶液中的磷，实现磷的去除)。生物接触氧化池7出水(包括脱落的生物膜和污泥)进入第二沉淀池8进行泥水分离，第二沉淀池8的污泥一部分通过回流泵24回流至厌氧池2，污泥回流比为100％～200％，多余的污泥通过排泥泵25排出。第二沉淀池8分离的上清液通过紫外消毒系统进水泵22进入紫外消毒装置9，出水达标后经出水口26排放。紫外消毒系统采用管道过流式紫外杀菌器，工作压力0.8mpa，杀菌率99.99％，制水量1～5000l/h。

实施例1

以大连某海域客轮生活污水为原水，其水质特征见下表：

实验条件：工艺进水流量q＝5l/h，其中厌氧池hrt＝5.0h；鸟粪石结晶池hrt＝2.0h；生物接触氧化池hrt＝4.0h；污泥回流比150％，污泥超越比150％，srt(污泥龄)控制在20d左右；厌氧污泥浓度～5500mg/l，生物接触氧化池溶解氧在2.0mg/l左右，污泥浓度～4000mg/l；方解石粒径0.20mm，方解石添加量40g/l，mg/p摩尔比为2.0；生物接触氧化池组合填料填充率为50％。

实验结果表明：出水平均tss为8.56mg/l，bod为11.23mg/l，cod为45.75mg/l，大肠杆菌浓度为18个/ml，ph为7.5，总氮为12.13mg/l，总磷为0.45mg/l，出水各指标均可达到世界上海洋船舶污水排放的最高标准，满足imo.mepc.227(64)决议的要求：tss≤35mg/l，bod≤25mg/l，cod≤125mg/l，大肠杆菌≤100个/ml，ph6-8.5，总氮≤20mg/l，总磷≤1.0mg/l。同时系统氮磷回收率维持在50％～65％左右。

本发明的系统和方法不仅满足船舶生活污水的深度净化，还实现了污水中氮、磷资源及海水中镁离子的回收，具有环境保护和经济双重效益，在船舶污水处理领域中具有广阔应用前景。