尿液废水的资源化方法与流程

本发明涉及污水处理技术领域，具体地说，涉及一种尿液废水的资源化方法。

背景技术

氮磷污染会引起水体的富营养化，是造成水环境质量恶化和制约水环境质量改善的核心问题。与此同时，氮磷钾资源的匮乏和衰减正逐步成为全球社会经济发展中必须面对的一个严峻挑战。污水处理的可持续转型成为当前业界关注的焦点。尿液废水约贡献了生活污水中80％的氮、50％的磷和90％的钾，将尿液废水分离后进行资源化处理，不仅能够有效削减污水处理的氮磷负荷，而且有助于实现氮磷钾资源的回收利用。

单一技术如离子交换吸附、磷酸铵(钾)镁结晶法、生物炭吸附、氨吹脱等能够回收源分离尿液中的某一种或某两种营养元素，而缺乏对氮、磷、钾等全营养元素回收的关注。上述工艺的不同组合能够同时回收源分离尿液中的氮、磷、钾等营养元素，却面临着加药成本过高、尾水不能达标排放的问题。反渗透、纳滤浓缩、冷冻、蒸馏、正渗透等浓缩工艺可以进行全营养元素回收，但是，浓缩过程中有机物浓度增大而引发异味过大或是自由氨损失严重。因此，研发更具技术可行性、工程应用潜力的尿液废水高效资源化处理技术，可以为源分离排水系统的推广应用提供技术支撑。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种尿液废水的资源化方法。

本发明的构思如下：针对目前尿液废水资源化技术中存在的诸如需要额外添加药剂，尾水无法达标排放，无法消除尿液中异味，只能回收尿液中单一元素等问题，本发明采用半硝化反应器-膜浓缩的新工艺处理源分离尿液废水，即在膜生物反应器(mbr)中完成尿液废水的生物硝化，同时完成有机物的去除，消除恶臭；而mbr的出水经膜分离浓缩后最终获得浓缩的硝酸铵复合营养液(包含氮、磷、钾)和清洁再生水两种资源化产品，既能够减少氮、磷营养元素向环境中的排放，还能够回收肥料和再生水。

为了实现本发明目的，本发明提供的尿液废水的资源化方法，使尿液废水进入生物化学反应器中，在好氧活性污泥的作用下去除尿液废水中约90％以上的有机物，然后通过膜过滤或静置沉淀的方式，实现泥水分离；同时，通过调节反应器内的ph值，使出水ph值控制在5.0-7.0，所得出水为硝酸铵复合营养液。

其中，所述硝酸铵复合营养液中氨氮与硝态氮的摩尔比为0.5-2:1-2。

前述的方法，所述尿液废水在生物化学反应器中的停留时间为0.5-3d。

优选地，所述反应器内溶解氧的浓度≥6mg/l。

优选地，所述反应器内好氧活性污泥的浓度为500-8000mg/l。

本发明所述好氧活性污泥中至少含有异养微生物及硝化细菌。

所述生物化学作用主要包含两方面，一是通过异养微生物的生物降解作用去除尿液废水中的有机物，二是通过硝化细菌使尿液废水中一半的氨氮转化为硝酸盐氮，这一过程中ph会下降至约5.0-7.0，生物化学作用并未对磷酸盐、钾离子、硝酸盐等产生明显作用。

在本发明的一个具体实施方式中，反应器容积为16l(反应器内好氧活性污泥的浓度为1500-2000mg/l，装载量为12l)，每日进水量为4l，水力停留时间为3天。

前述的方法，通过加酸或加碱的方式使反应器内的ph控制在5.0-6.0的范围内。

本发明所述生物化学反应器选自mbr反应器、序批式反应器、曝气池-沉淀池联用反应器等。

生物化学作用主要是通过膜生物反应器(mbr)来完成，反应器的运行方式可以为连续进水-连续出水、连续进水-间歇出水、间歇进水-连续出水、间歇进水-间歇出水，即可以为连续流反应器也可以为非连续流反应器。膜的作用在于能够高效截留微生物菌体，同时完成泥水分离。也可以不采用膜的形式，即通过沉淀的方式完成泥水分离作用。例如，采用其他形式的反应器，如序批式反应器(sbr)或曝气池+沉淀池等。

优选地，本发明中使用的生物化学反应器为mbr反应器。

其中，所述mbr反应器至少包括膜组件、穿孔曝气管、进水口和出水口。

优选地，所述膜组件位于所述穿孔曝气管的正上方。

所述mbr反应器预先经过驯化处理，通过对微生物的选择作用，构建适用于尿液废水水质的活性污泥微生态系统。采用逐步提高反应器进水负荷的方式驯化微生物，使之能够适应高氨氮、高盐环境。具体方法为：接种活性污泥后，控制进水氨氮的浓度在50mg/l左右，与接种前反应体系接近，待运行稳定后(反应器出水中无亚硝酸盐积累，出水成分以铵盐和硝酸盐为主)，提升进水氨氮浓度至100mg/l，待运行稳定后，进一步提升进水氨氮浓度至200mg/l，待运行稳定后再进一步提升进水氨氮负荷，直至达到待处理尿液废水浓度。使活性污泥系统逐步适应尿液废水环境。

前述的方法，还包括利用膜浓缩技术对所述硝酸铵复合营养液进行浓缩的步骤。所述膜浓缩技术是指一级或二级反渗透系统(ro)，也可以为正渗透、膜蒸馏等新型膜浓缩分离技术。

经过膜浓缩分离，产生的硝酸铵复合营养液，铵盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、钾盐等营养元素被浓缩分离后富集在浓水池中，即为硝酸铵复合浓营养液.(即硝酸铵复合液体肥料)，而水分子透过膜进入产水池，获取高品质再生水。

经过膜技术浓缩获得的硝酸铵复合浓营养液和高品质再生水需经紫外消毒或是其他方式消毒后方为最终产品进行使用，以保证生物卫生安全性。

其中，硝酸铵复合营养液浓缩比宜控制在2-10倍。

前述的方法，在进行膜浓缩之前，还包括对所述硝酸铵复合营养液进行超滤或保安过滤的步骤。

进一步地，若选用的是mbr反应器，则出水可以直接进入膜浓缩系统，若采用其他形式反应器，则可以在膜浓缩系统前加入超滤+保安过滤器等装置，从而保证膜系统的进水水质。

优选地，先用毛发过滤器或细格栅对所述尿液废水进行预处理后，再进入所述生物化学反应器中。

所述尿液废水是指通过卫生洁具等设施收集到的氮元素质量浓度在100-2000mg/l范围内的稀释尿液，主要来源于人体尿液。所述尿液废水的ph在8.0-9.5范围内，优选ph约为9.0。

借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点及有益效果：

本发明提供一种尿液废水资源化的新方法，该方法所处理的原水为收集到的尿液废水，尿液废水在反应器中通过生物化学反应去除尿液废水中的有机物、消除异味，将一半的氨氮转化为硝酸盐氮，同时ph下降至弱酸性，得到稳定的硝酸铵复合营养液，经过膜技术浓缩获得硝酸铵复合液体肥料(含氮、磷、钾、硫)和高品质再生水，从而实现尿液废水的完全资源化，达到减少氮磷营养元素减排和资源回收的双重目的。

本发明提供的方法能够克服现有尿液废水资源化中氨损失、异味、营养酸素回收率低等问题，从而有效削减污水处理的氮磷负荷，实现氮磷钾资源的回收利用。

附图说明

图1为本发明利用尿液废水生产硝酸铵型复合营养液工艺路线图。

图2为本发明尿液废水半硝化反应原理。

图3为本发明实施例1中膜生物反应器的结构示意图。

图4为本发明实施例1中逐步提高氨氮负荷条件下尿液废水半硝化结果；其中，in为进水，eff为出水。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。

以下实施例中使用的好氧活性污泥取自北京市某生活区污水处理站。

本发明提供了利用尿液生产硝酸铵复合肥料和清洁再生水的方法，包括以下步骤：

(1)尿液废水在mbr反应器中通过生物化学处理后，去除约90％以上的有机物，从而消除异味，出水ph约为5.0-7.0，其中一半的氨氮转化为硝酸盐氮，从而形成氨氮与硝酸盐氮摩尔比约为1:1的硝酸铵溶液，而尿液废水中的磷酸盐、钾离子、硫酸盐未发生明显变化。

优选地，尿液废水为从相关的卫生洁具设施中收集到的经过自来水稀释的人体尿液，根据收集设备不同，稀释程度可以为4-100倍，尿液废水中氨氮浓度约为100-2000mg/l。

优选地，尿液废水经收集设施后进入尿液存储系统中，在尿液存储系统中有毛发过滤器或细格栅对其进行初步处理后方可进入生物化学反应系统。

优选地，在生物化学处理系统中，主要是通过好氧活性污泥的作用对尿液废水进行处理，从而去除废水中的有机物，消除异味，同时废水中一半的氨氮转化为硝酸盐氮，从而形成氨氮与硝酸盐氮配比约为1:1的硝酸铵溶液，而这一过程中反应器中的ph会发生变化，需要通过加酸或者加碱对其进行控制，使之控制在合理的范围内，保证生化反应的正常进行，具体的反应原理如下：

氨氧化反应：nh3+1.5o2→no2^-+2h⁺+h2o①

亚硝酸盐氧化反应：no2^-+0.5o2→no3^-②

优选地，完成上述生物化学反应器可以为膜生物反应器(mbr)，反应器的运行方式可以为连续进水-连续出水、连续进水-间歇出水、间歇进水-连续出水、间歇进水-间歇出水，即可以为连续流反应器也可以为非连续流反应器，膜的作用在于能够高效截留微生物菌体，同时完成泥水分离。当然，完成生物化学反应的反应器也可以为其他形式，如序批式反应器、好氧池+沉淀池等。

(2)膜技术浓缩分离步骤(1)产生的硝酸铵复合营养液，铵盐、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐、钾盐等营养元素被浓缩分离后富集在浓水池中，即为硝酸铵复合浓营养液，而水分子透过膜进入产水池，获取高品质再生水。

优选地，膜浓缩技术可以采用反渗透浓缩，该技术应用比较成熟，对营养元素(氮、磷、钾、硫)有非常好的截留效果，截留率往往在99％以上，也可以采用两级反渗透系统，从而保证能够获取高品质的再生水，一级反渗透浓液即为硝酸铵复合营养液(液体肥料)，二级反渗透出水即为再生水产品，而二级反渗透浓水可以返回至一级反渗透系统中，从而实现废水的零排放。当然，膜浓缩分离技术可以为新兴的正渗透技术、膜蒸馏技术或者其他形式的膜浓缩技术。

优选地，步骤(1)中选用的是mbr反应器，则出水可以直接进入步骤(2)中膜浓缩系统，若步骤(1)中为其他形式反应器，则可以在膜浓缩系统前加入超滤+保安过滤器等装置，从而保证膜系统的进水水质。

优选地，步骤(2)获取的硝酸铵复合营养液和再生水经过紫外消毒工艺处理后方可作为产品进行使用，以保证生物安全性。

利用尿液废水生产硝酸铵型复合营养液工艺路线图见图1。尿液废水半硝化反应原理见图2。

实施例1本发明方法的具体应用

本实施例中使用的mbr反应器至少包括膜组件、曝气管(连接空气流量计和曝气泵)、ph计、进水口(连接进水泵)、出水口(连接出水泵)和控制系统(图3)。控制系统的主要作用为：(1)控制反应器的进水、出水；(2)通过加酸/碱控制反应器内ph；(3)控制曝气泵的开启与关闭；(4)数据记录。

采用某建筑收集到的尿液废水，用自来水进行适当稀释后作为进水，进水氨氮浓度约为100-300mg/l，ph约为9.0，采用膜生物反应器(反应器内好氧活性污泥的浓度为1500-2000mg/l)，反应器容积为16l(反应器内好氧活性污泥的装载量为12l)，每日进水量为4l，水力停留时间为3天，运行期内未进行排泥。

运行期内，在好氧活性污泥的作用下去除尿液废水中约90％以上的有机物，反应器中约60％的氨氮转化为硝酸盐氮，反应器内的ph约为5.2。反应器出水的ph约为5.4，氨氮浓度约为35-130mg/l，硝酸盐氮约为70-170mg/l。出水是以硝酸铵为主的复合营养液，无异味，经膜浓缩进一步分离后可以产出液体肥料和高品质再生水。

采用逐步提高反应器进水负荷的方式驯化mbr反应器内的微生物，使之能够适应高氨氮、高盐环境。逐步提高进水氨氮浓度至近400mgl时，反应器进出水氨氮的浓度变化如图4所示。从图4可以看出，进水中约有近一半的氨氮转化为硝酸盐氮，氨氮与硝酸盐氮的摩尔比约为1:1，并且没有亚硝酸盐氮。反应器中的ph逐渐下降，为6左右。经ro浓缩后，浓缩液中的氨氮浓度可达1500mg/l左右，磷酸盐浓度可达200mg/l左右，钾离子浓度可达1000mg/l左右；而产水中cod浓度小于30mg/l。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之做一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。