一种生化组合对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的系统与方法

1.本发明属于环保领域，具体涉及一种生化组合对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的系统与方法。


背景技术：

2.现有列车集便器仅作为纳污单元，不具备任何污物原位处理功能，且集便器污水水质水量波动大、污染物浓度高，现有处理方法处理难度大，不能有效解决污染物残留及生物安全性问题，并且传统排水体系中粪便污水和其它污水进行混合，导致更多的耗水量，且水中的病原体和微污染物具有扩散可能性，而从源头上将粪尿分离收集可显著降低生活污水的污染负荷，减轻污水处理厂处理难度，降低污染物排放污染水体的风险。研究表明，每人每天平均排尿量为1.5l，仅占人均生活污水排放量的2％，却贡献了生活污水中90％的氮、50％的磷和10％的cod，因此，对粪尿进行源分离已成为一种环保趋势。此外对源分离新鲜尿液的处理相对于源分离水解尿液也有明显优势，一方面对列车等需要原位处理的源分离尿液，如果增加尿素水解的储存装置不仅增加建造成本，而且增加空间负担，另一方面水解尿液由于氨等的挥发会产生刺激性气味，对外界产生不良影响，如果增加去味处理同样增加运行成本。因此，对源分离新鲜尿液进行高效处理具有深远意义，源分离新鲜尿液脱氮除碳及磷回收后，处理后的水进行冲厕，不仅节约水资源，而且还能回收磷等有价值的资源，实现能量的循环利用。
3.现有技术1博士论文“基于磷和钾回收的黄水资源化处理技术研究”提到了一种黄水资源化处理技术其中提到了采用亚硝化-厌氧氨氧化的方法，sbr作为载体进行脱氮处理，以该方法处理的黄水脱氨率达到90％以上。还指出由于黄水中存在有机物比例高，而进行有机物去除的预处理能够消除有机物对脱氮的潜在影响。
4.现有技术2cn 113845224 a一种适用于低碳氮比污水治理的工艺方法，提到了适用于低碳氮比污水治理的工艺方法，其通过建立部分短程硝化-厌氧氨氧化膜曝气生物膜反应器(pn/a mabr)，提升mabr生物膜中的关键功能菌的协同脱氮性能。具有能耗低、污泥产量低等优点，可替代传统生物脱氮工艺的好氧池、缺氧池和厌氧池部分功能，减少构筑物数量和面积。
5.现有技术3cn 113184818 a一种源分离尿液中高纯氮磷回收装置及其回收方法与应用，提到了研究人员开发了许多技术来实现源分离尿液中氮磷的分离回收，使用最为广泛的是化学沉淀法，从而生产含氮磷的缓释肥料，例如鸟粪石(mgnh4po4·
6h2o)和羟基磷灰石[ca5(po4)3oh]。其同时提到了其存在的问题，即不仅需要额外的化学药品(例如镁源、钙源或碱)来提供最佳的沉淀条件，导致总体成本增加，同时高浓度共存离子如hco
3-、na
+
、k
+
、和ca
2+
在源分离尿液中能够诱导产生不期望的矿物成分，大幅降低所得氮磷产品的品质。
[0006]
但是现有技术的方法无法满足在原位实现源分离尿液的回收，处理和再利用的需求。


技术实现要素：

[0007]
为解决上述问题，本发明提供了一种生化组合对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的系统与方法。本发明系统体积小，处理效率高，在原位处理后，获得的污水能够实现循环再利用，无需额外添加碳源。
[0008]
本发明一个方面提供了一种原位脱氮除碳的功能分区的膜曝气生物膜反应器(mabr)，所述膜曝气生物膜反应器包含垂直设置的箱体，箱体内包含上部和下部，上部设置有mabr膜组件，下部为与上部连通的空间；箱体上设置有第一进水口、第一出水口和回流口，所述第一进水口设置于功能分区的膜曝气生物膜反应器底部；第一出水口设置于功能分区的膜曝气生物膜反应器上部，并不低于mabr膜组件；功能分区的膜曝气生物膜反应器上还设置有回流口，所述回流口通过回流泵与第一进水口连接；功能分区的膜曝气生物膜反应器顶部设置有为mabr膜组件提供氧气的曝气装置。
[0009]
进一步地，第一出水口设置于在mabr膜组件之上。
[0010]
进一步地，在回流泵上游还设置有第二液体流量计。
[0011]
进一步地，功能分区的膜曝气生物膜反应器下部内设置有厌氧菌，功能分区的膜曝气生物膜反应器上部的mabr膜组件上附着有亚硝化-厌氧氨氧化双菌层微生物。
[0012]
进一步地，mabr功能分区反应器下部内还设置有反硝化菌。
[0013]
进一步地，mabr功能分区反应器上部体积为30-50l，下部体积为20-30l。
[0014]
本发明另一个方面提供了一种为源分离尿液除氮脱碳的方法，所述方法包括将源分离的尿液以上述原位脱氮除碳mabr功能分区反应器进行处理的步骤。
[0015]
进一步地，所述方法包括：
[0016]
s01)将源分离的新鲜尿液通过第一进水口注入上述功能分区的膜曝气生物膜反应器下部，通过曝气装置调节膜曝气生物膜反应器下部溶解氧浓度为0，实现尿素在厌氧菌作用下水解为氨氮；
[0017]
s02)步骤s01)中下部尿素水解率达到85％以上后继续通过底部第一进水口注入待处理新鲜尿液，使部分尿液进入上部mabr膜组件，上部mabr膜组件的溶解氧控制在0.3-0.5mg/l，在上部mabr膜组件表面微生物作用下脱氮，产生氮气和硝氮；
[0018]
s03)在上部处理后含有硝氮的液体经回流泵回流至膜曝气生物膜反应器下部，并在下部将硝氮通过反硝化作用还原为氮气。
[0019]
本发明再一个方面提供了一种对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的系统，所述系统包含上述原位脱氮除碳的功能分区的膜曝气生物膜反应器。
[0020]
进一步地，所述系统还包含源分离马桶、源分离尿液储存箱、磷回收反应器、钙盐溶液箱、产水箱以及控制系统；
[0021]
源分离马桶与源分离尿液储存箱之间、源分离尿液储存箱与功能分区的膜曝气生物膜反应器之间、功能分区的膜曝气生物膜反应器与磷回收反应器之间；磷回收反应器之间与产水箱之间、磷回收反应器之间与钙盐溶液箱之间、产水箱与源分离马桶之间通过管路连接，并配置有阀门、水泵和液体流量计中的至少一种；
[0022]
通过控制系统控制管路中液体流向和流速、曝气量。
[0023]
进一步地，磷回收反应器上设置有第二进水口、第二出水口、磷酸钙收集口、搅拌装置以及钙盐加入口；所述磷酸钙收集口设置在磷回收反应器底部，第二进水口和第二出
水口设置在磷回收反应器侧壁上，且第二进水口位置低于第二出水口位置。
[0024]
进一步地，所述钙盐加入口设置在磷回收反应器顶部。
[0025]
进一步地，钙盐溶液箱通过加钙泵和液体流量计控制钙盐溶液加入磷回收反应器。
[0026]
进一步地，所述源分离马桶分离后获得的液体部分通过管路与源分离尿液储存箱连接，产水箱与源分离马桶的冲水水相通过管路连接。
[0027]
本发明再一个方面提供了一种对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的方法，所述方法包含以下步骤：
[0028]
s11)产生的尿液经源分离马桶分离后进入源分离尿液储存箱，根据所需的流量注入功能分区的膜曝气生物膜反应器进行脱氮除碳处理；
[0029]
s12)经过功能分区的膜曝气生物膜反应器脱氮除碳处理后的出水进入磷回收反应器，同时向磷回收反应器中加入钙盐溶液，该钙盐溶液所含钙的质量浓度约为步骤s11)能分区的膜曝气生物膜反应器出水中磷浓度的3倍，在搅拌装置的缓慢混合下形成羟基磷灰石沉淀；
[0030]
s13)形成的羟基磷灰石沉淀通过在磷回收反应器底部的磷酸钙收集口进行排泥，实现对尿液中磷的回收，除磷后的上清液进入产水箱，并回流至源分离马桶冲水水箱；
[0031]
步骤s11)中功能分区的膜曝气生物膜反应器进行脱氮除碳处理的方法为：
[0032]
s01)将源分离的新鲜尿液通过第一进水口注入上述功能分区的膜曝气生物膜反应器下部，通过曝气装置调节膜曝气生物膜反应器下部溶解氧浓度为0，实现尿素厌氧水解为氨氮；
[0033]
s02)步骤s01)中下部尿素水解率达到85％以上后继续通过底部第一进水口注入待处理新鲜尿液，使部分尿液进入上部mabr膜组件，上部mabr膜组件的溶解氧控制在0.3-0.5mg/l，在上部mabr膜组件表面微生物作用下脱氮，产生氮气和硝氮；
[0034]
s03)在上部处理后含有硝氮的液体经回流泵回流至膜曝气生物膜反应器下部，并在下部将硝氮通过反硝化作用还原为氮气。
[0035]
步骤s11-13)中，反应温度30
±
1℃，ph 7.4-8.1，水力停留时间(hrt)为5-10小时。
[0036]
有益效果
[0037]
本发明系统采用mabr膜组件进行曝气，该膜组件具有很高的传氧效率能够减少增加曝气量时所消耗的电量，并且该膜组件进行无泡曝气，能够减少尿液中挥发性气体挥发，减少对外界产生不良影响，通过在膜曝气生物膜反应器(反应器a)上部设置mabr，使其实现do分区，能够在反应器a上部形成微氧环境，而在反应器a下部形成厌氧环境，进而能够实现不同微生物在反应器a上下部区域形成优势微生物，仅在反应器a中就可实现脱氮除碳，而且在反应器b中形成的羟基磷灰石能够回收作为生产磷肥的材料，此外，脱氮除碳及磷回收后的尿液能够作为用于冲厕，减少自来水的使用，实现尿液的资源化。
[0038]
本发明实现了在更小尺寸的处理系统，能够满足列车原位处理源分离尿液的需求。
[0039]
本发明的方案无需额外添加碳源，即可实现95％以上脱氮除碳的目标。
附图说明
[0040]
图1为本发明生化组合对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的系统示意图，其中1为源分离马桶、2为源分离尿液储存箱、3为进水泵、4为第一液体流量计、5为第一进水口、6为回流口、7为第二液体流量计、8为回流泵、9为控制系统、10为鼓风机、11为空气流量计、12为mabr膜组件、13为第一出水口、14为反应器a、15为磷酸钙收集口、16为第二进水口、17为反应器b、18为第二出水口、19为产水箱、20为氯化钙溶液箱、21为加钙泵、22为第三液体流量计、23为搅拌器。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
[0042]
实施例1
[0043]
如图1所示，一种生化组合对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的系统，所述系统包含源分离马桶1、源分离尿液储存箱2、mabr功能分区反应器(反应器a)14、磷回收反应器(反应器b)17、产水箱19以及控制系统9；
[0044]
所述mabr功能分区反应器(反应器a)14设置有第一进水口5、第一出水口13、mabr膜组件12、回流口6以及曝气设备，所述曝气设备包括鼓风机10和空气流量计11。所述mabr膜组件12设置于mabr功能分区反应器14的上部，所述mabr膜组件12下部具有能够容纳液体空间，用于无氧水解尿素；所述第一进水口5设置于mabr功能分区反应器14底部；第一出水口设置于mabr功能分区反应器14上部，并不低于mabr膜组件12，优选设置在mabr膜组件12之上。mabr功能分区反应器14上还设置有回流口6，所述回流口6通过回流泵8与第一进水口5连接，在回流泵8上游还设置有第二液体流量计7；所述曝气设备通过mabr功能分区反应器顶部向mabr膜组件12进行曝气。
[0045]
所述磷回收反应器(反应器b)17包括搅拌装置和加钙装置，所述搅拌装置为搅拌器23；所述加钙装置包括氯化钙溶液箱20通过加钙泵21和第三液体流量计22将钙盐加入磷回收反应器(反应器b)中。所述磷回收反应器(反应器b)还设置有第二进水口16、第二出水口18和磷酸钙收集口15；所述磷酸钙收集口设置在磷回收反应器(反应器b)17底部；第二进水口16设置在第二出水口18下部；所述加钙装置通过磷回收反应器(反应器b)17顶部加入钙盐。
[0046]
所述源分离马桶1进行源分离后，液体部分通过管路连接至源分离尿液储存箱2，分离尿液储存箱2通过进水泵3以及第一液体流量计4与mabr功能分区反应器(反应器a)14的第一进水口5连接，mabr功能分区反应器(反应器a)14上设置的第一出水口与所述磷回收反应器(反应器b)的第二进水口16通过管道连接；磷回收反应器(反应器b)的第二出水口18与产水箱19通过管道连接，产水箱19与源分离马桶1通过管道连接。
[0047]
所述控制系统9，通过控制鼓风机10控制曝气开启和关闭以及曝气量、通过回流泵8控制回流的开启和关闭以及回流流量、通过控制加钙泵21控制加钙的开启和关闭以及加钙剂量、通过控制搅拌器控制搅拌的开启和关闭以及搅拌速度。通过控制进水泵3用于控制管道中液体的流向和流速。
[0048]
在一些具体的实施例中，源分离马桶1与源分离尿液箱2之间、第一出水口13和第
二进水口16之间、第二出水口18和产水箱19之间和或产水箱19与源分离马桶1之间设置有水泵，所述水泵能够分别通过控制系统9进行控制。
[0049]
本发明是针对目前列车集便器仅作为纳污单元，不具备任何污物原位处理功能而设计。本发明设计的系统能够针对列车集便器污水特点，即水质水量波动大、污染物浓度高，现有处理方法难以实现高标准排放要求等问题，实现在列车紧凑空间内完成原位污水处理和回收。经检测，本发明上述提供的一种生化组合对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的方法，处理后出水水质满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(gb18918-2002)a排放限值。
[0050]
表1
[0051][0052]
如图1所示，本发明生化组合对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的系统与方法中，所述源分离马桶1用于将粪便及尿液在源头进行分离，并实现单独储存及处理；源分离尿液储存箱2用于储存源分离尿液，以便为处理装置提供充足的进水；mabr功能分区反应器(反应器a)下部为厌氧环境，在该区域实现尿素水解及通过反硝化作用去除尿液中的cod和上部产生的硝氮；mabr功能分区反应器(反应器a)上部通过无泡曝气实现微好氧环境，在该区域通过一体式pn/a实现脱氮，产生的少量硝氮通过回流泵回流至该反应器的下部，经过反硝化作用深度脱氮；磷回收反应器(反应器b)是通过添加氯化钙溶液将脱氮除碳后的源分离尿液进行磷回收的装置；经过反应器a和反应器b脱氮除碳和磷回收的出水储存在产水箱中用于为源分离马桶冲厕。
[0053]
本发明生化组合对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的系统与方法中，反应器a通过mabr无泡曝气，传氧效率高，耗电量低，对水中挥发性物质影响较小，反应器b产生的羟基磷灰石可以作为生产磷肥的原料，经过该系统处理后的出水可以用来冲厕，减少对自来水的使用。
[0054]
为实现在列车有限空间中完成污水的原位处理，以及以处理后的水实现循环利用，本发明系统设置在反应器a体积为30l，反应器b体积为20l，源分离尿液储存箱为50l，产水箱为100l。
[0055]
在不进行额外添加有机物的前提下，本发明的装置实现了原位处理黄水的效果，尿素去除比例达到了98％以上，处理后的水能够达到回流冲洗马桶的程度。整套装置体积小，能够实现在列车上使用。
[0056]
本发明生化组合对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的系统与方法中所述的回流泵、水泵、曝气设施等均实现自动化控制。
[0057]
实施例3：
[0058]
如图1所示，一种生化组合对源分离新鲜尿液进行高效脱氮除碳及磷回收的系统与方法，含有以下步骤；
[0059]
步骤1、产生的尿液经源分离马桶分离后进入源分离尿液储存箱，根据所需的流量再经进水泵进入反应器a下部；
[0060]
步骤2、进入厌氧环境的反应器a下部的新鲜尿液在微生物作用下将尿液中含有的尿素水解为氨氮，产生的氨氮经好氧的反应器a上部的mabr膜组件进行一体式部分亚硝化/厌氧氨氧化(pn/a)反应，产生氮气和部分硝氮；
[0061]
步骤3、反应器a上部产生的硝氮经回流泵进入反应器a下部，下部的反硝化菌利用尿液中的有机物将硝氮还原为氮气实现除碳及深度脱氮；
[0062]
步骤4、经过反应器a脱氮除碳处理后的出水进入反应器b，同时向反应器b中加入氯化钙溶液，该氯化钙溶液所含钙的质量浓度约为反应器a出水中磷浓度的3倍，在搅拌器的缓慢混合下形成羟基磷灰石沉淀；
[0063]
步骤5、形成的羟基磷灰石沉淀通过在反应器b下部进行排泥，实现对尿液中磷的回收，反应器b除磷后的上清液进入产水箱，用于对源分离马桶进行冲厕。
[0064]
步骤1中尿液排至源分离马桶后经产水箱中约0.5l的清水冲厕后进入源分离尿液储存箱，然后根据反应器a的水力停留时间(hrt)控制进水泵流量，hrt为6-10h。
[0065]
步骤2中通过调节反应器a上部mabr的空气流量将上部溶解氧(do)控制在0.3-0.5mg/l，而下部do为0，新鲜尿液中的尿素经下部厌氧菌作用水解率在85％以上，剩余的尿素进入好氧的mabr区域，在该区域微生物作用下进一步水解为氨氮，两个区域尿素水解产生的氨氮经mabr膜组件上附着的一体式pn/a微生物处理后产生氮气和部分硝氮，在该区域氨氮去除率在90％以上，通过一体式pn/a产生的硝氮约为氨氮去除量的11％。
[0066]
步骤3中反应器a上部通过一体式pn/a产生的硝氮经回流泵回流至反应器a下部，并根据硝氮去除情况调节液体流量计，控制回流流量，在该区域反硝化菌以尿液中的cod为有机碳源，将硝氮通过反硝化作用还原为氮气，在该区域硝氮去除率在85％以上，而cod在反硝化菌与其他厌氧异养菌的协同作用下，去除率在90％以上，从而在反应器a下部实现除碳及深度脱氮。
[0067]
步骤4中经过反应器a脱氮除碳处理后的尿液经出水口1进入反应器b，同时向反应器b中加入氯化钙溶液，通过液体流量计控制氯化钙溶液的添加量，该氯化钙溶液所含钙的质量浓度约为反应器a出水中磷质量浓度的3倍，搅拌器缓慢搅拌仅起搅拌作用，在搅拌器缓慢混合下钙与磷发生反应形成羟基磷灰石沉淀，沉入反应器b下部。
[0068]
步骤5中沉入反应器b下部的羟基磷灰石沉淀通过在反应器b下部进行排泥，实现对尿液中磷的回收，收获的羟基磷灰石沉淀可用作生产磷肥的原料，在该反应器中磷的去除率在80％以上，反应器b除磷后的上清液通过出水口2进入产水箱，用于对源分离马桶冲厕，实现尿液的资源化利用。
[0069]
如上所述，对本发明的实施例进行了详细的说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。
[0070]
我国现有列车集便器仅作为纳污单元，不具备任何污物原位处理以及资源化功能，目前集便器废水设施主要通过统一卸污+直排市政管网或卸污+站段污水处理站集中处理，属于典型的高耗能污染物末端治理模式，集便器污水水质水量波动大、污染物浓度高等特点，现有处理方法处理难度大，不能有效解决污染物残留及生物安全性问题，此外粪便污
水和其它污水进行混合，导致更多的耗水量，且水体中的病原体和微污染物具有潜在的扩散可能性，而从源头上将尿液分离收集可大大降低污水中的污染负荷，减轻末端污水处理难度，降低污染物排放污染水体的风险。此外，在本发明中将源分离新鲜尿液进行原位处理，以去除尿液中的碳氮并回收磷，而处理后的产水用于冲厕，不仅将尿液资源化而且能够减少列车对冲厕自来水的使用。