一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统及相关方法

本发明涉及废水处理，具体涉及一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统及相关方法。

背景技术：

1、

2、污水中本身蕴含了巨大的化学能，其中预估可以提取出来的能量达到了28％，而大部分污水处理厂运行过程中消耗的能量通常不到可提取能量的50％，说明实现污水厂的能量中性甚至是能量输出是完全可行的。同时，现阶段多数污水厂依然利用传统处理工艺进行脱氮处理，其具有高能耗的缺点外，还需要额外投加乙酸盐、葡萄糖等药剂来满足处理需求，并且由于剩余污泥产量高而增加了后续处理的难度。而现阶段推行的一体式厌氧氨氧化工艺在主流运行中由于依然存在诸多技术瓶颈，出水水质存在波动并且难以调控，常常会造成剩余氨氮浓度过高或硝酸盐积累的情况。

3、现阶段的污水处理厂多以高能耗为代价去除水体中的污染物，由于传统污水处理工艺中的生物除磷过程与生物脱氮过程对于氧气的需求相矛盾，且诸如厌氧氨氧化等新型工艺不具备除磷的功能，因此，大多数污水厂采用投加除磷药剂的方式进行化学除磷，这不仅提高了运行成本，也有悖于“磷危机”的资源危机意识，更与“资源回收”的趋势背道而驰。

4、此外，现阶段污水厂的控制方法多是基于各功能单元污染物指标的人工判断，主观性较强且缺乏前瞻性，往往是出水水质出现波动后才进行控制，并且过分依赖于从业人员的相关经验。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统及相关方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明第一方面提供一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统，该处理系统包括顺次相连的热能回收模块、预处理除杂模块、污水厌氧消化模块、深度脱氮模块、深度处理模块、污泥减量消化模块和沼气净化模块；其中，所述热能回收模块用于回收污水中的热能并降低进水温度，以及对经污泥热水解后的高温污泥回收热能并降温；所述预处理除杂模块用于先去除污水中的大型悬浮固体物质，再去除污水中相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质，同时调节污水ph至6～9；所述污水厌氧消化模块用于对污水进行产沼并去除cod，再除磷并回收生产磷酸铵镁；所述深度脱氮模块用于对污水中残存的氨氮、亚硝态氮以及硝态氮进行去除；所述深度处理模块用于去除污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，去除污水中残余的难降解有机物以及致病菌，去除污水中残留磷酸盐，并进一步去除水体中微粒后达到回用标准；所述污泥减量消化模块用于对污泥进行浓缩处理、热水解处理和厌氧消化处理，对出料进行脱水处理；所述沼气净化模块用于收集沼气，并使沼气依次进行湿法脱硫和干法脱硫，之后对经过处理的沼气进行干化、储存。

4、进一步的，所述污水厌氧消化模块包括依次相连的第一厌氧消化单元、氮磷回收单元和第一沉淀池；所述第一厌氧消化单元用于对经过预处理除杂模块的污水进行产沼并去除cod，产生的沼气进入所述沼气净化模块；其中，所述厌氧消化单元对cod的去除效率达为85％～95％；所述氮磷回收单元和第一沉淀池用于对经过所述第一厌氧消化单元的污水除磷并回收生产磷酸铵镁，之后所述污水后进入深度脱氮模块。

5、进一步的，所述深度脱氮模块包括泥膜共生的一体式厌氧氨氧化单元和好氧颗粒污泥单元，以及设置在所述一体式厌氧氨氧化单元之后的第二沉淀池；其中，所述一体式厌氧氨氧化单元中的微生物由海绵填料上附着的厌氧氨氧化菌生物膜及絮体污泥中的氨氧化菌组成，其中，絮体污泥用于将经过污水厌氧消化模块的污水中的部分氨氮氧化为亚硝态氮，以供厌氧氨氧化菌进行后续氨氮和亚硝态氮同步脱除，使所述污水的总氮去除率达到90％以上；所述沉淀池用于保持污泥回流至所述一体式厌氧氨氧化单元的回流比为100％～300％；所述好氧颗粒污泥单元以sbr模式运行，用于对经过所述一体式厌氧氨氧化单元的污水中氮元素进行深度处理，并将处理后的污水排入所述深度处理模块。

6、进一步的，所述所述深度处理模块包括依次相连的高效过滤器、电-多相臭氧催化装置、磁絮凝沉淀池及膜处理单元；所述高效过滤器用于去除经过深度脱氮模块的污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，以使所述污水中固体颗粒物浓度小于30mg/l；所述电-多相臭氧催化装置用于去除经过所述高效过滤器的污水中残余的难降解有机物以及致病菌，并使所述污水的出水cod保持在50mg/l以下；所述磁絮凝沉淀池用于通过除磷剂的添加形成磷酸盐絮凝物，并经超磁分离技术去除经过所述电-多相臭氧催化装置的污水中残留磷酸盐，以使所述污水水体中总磷小于0.5mg/l，形成的磷酸盐絮体物与剩余污泥一同进入所述污泥减量模块；所述膜处理单元为孔径为0.1μm～1μm的微滤膜，用于去除经过所述磁絮凝沉淀池的污水中的微粒以达到回用标准。

7、进一步的，所述所述污泥减量消化模块包括依次相连的污泥浓缩池、污泥热水解单元、第二厌氧消化单元、脱水单元和沼渣干化单元；所述污泥浓缩池用于对所述深度脱氮模块和深度处理模块产生的污泥进行浓缩处理，得到泥饼；所述污泥热水解单元用于对所述泥饼进行热水解处理，再次得到污泥，并将所述污泥排入所述热能回收模块以进行降温，再将降温后的污泥与制浆后的餐厨垃圾混匀通入所述厌氧消化单元中；所述第二厌氧消化单元用于对降温后的污泥与制浆后的餐厨垃圾进行厌氧消化处理，并产出沼渣；所述脱水单元用于对所述沼渣进行脱水处理，以使所述沼渣含水率小于50％；所述沼渣干化单元用于对经过所述脱水单元的沼渣进行干化处理，以使所述沼渣含水率小于10％；所述第一厌氧消化单元和第二厌氧消化单元之后还设置有水封器，用于防止反应器压力异常。

8、进一步的，所述沼气净化模块包括依次相连的湿法脱硫塔、干法脱硫塔、脱水罐和双膜气柜；所述湿法脱硫塔用于将沼气中含硫气体与碳酸钠进行反应进行吸收，将硫化物氧化为单质硫析出；所述干法脱硫塔用于对经过所述湿法脱硫塔的沼气中硫化氢进一步去除，使所述沼气中硫化氢含量小于50mg/m3；所述脱水罐用于对经过所述干法脱硫塔的沼气进行干化；所述双膜气柜用于对经过脱水罐的沼气进行储存。

9、进一步的，所述热能回收模块包括换热器和热电联产单元，所述换热器用于对回收进入该处理系统的污水中的热能并降低进水温度，还对经过所述污泥减量消化模块的高温污泥进行回收热能并降温；所述热电联产单元用于同步产电产热，与所述换热器回收的热能一同作为高品质热源输出；所述预处理除杂模块包括粗细格栅和沉砂池，所述粗细格栅用于去除经过所述换热器的污水中的大型悬浮固体物质；所述沉砂池用于去除经过所述粗细格栅的污水中的去除相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质，并调节所述污水的ph至6～9。

10、进一步的，该处理系统还包括场内自发电模块和智慧化控制模块，所述场内自发电模块以经所述热电联产单元的沼气发电；所述智慧化控制模块用于利用神经网络算法，通过该处理系统中各模块的水质传感器记录各项水质指标以及人工调节数据进行权重核算，完成控制行为建模，以实现对该处理系统的智慧化管控。

11、本发明第二方面提供一种实现资源回收和负碳排放的废水处理方法，该处理方法包括：回收污水中的热能并降低进水温度，以及对经污泥热水解后的高温污泥回收热能并降温；先去除所述污水中的大型悬浮固体物质，再去除污水中相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质，同时调节污水ph至6～9；对所述污水进行产沼并去除cod，再除磷并回收生产磷酸铵镁；对所述污水中残存的氨氮、亚硝态氮以及硝态氮进行去除；去除所述污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，去除污水中残余的难降解有机物以及致病菌，去除污水中残留磷酸盐，并进一步去除水体中微粒后达到回用标准；对污泥进行浓缩处理、热水解处理和厌氧消化处理，对出料进行脱水处理；收集沼气，并使沼气依次进行湿法脱硫和干法脱硫，之后对经过处理的沼气进行干化、储存。

12、本发明第三方面提供一种用于实现资源回收和负碳排放的废水处理系统的智能化控制方法，该控制方法包括学习和验证阶段，以及运行阶段：其中，所述学习和验证阶段包括：s1、监测并记录该处理系统中各单元的污染物指标及自然环境指标；s2、对所述各单元中处理效果异常的参数进行调节操作，并将所述处理效果参数的指标作为训练学习样本不断优化算法权重；利用移动平均值模型，基于现有水质数据对未来水质波动进行预测，并对可能出现的水质异常情况进行预警，得到确定的模型权重参数以及水质预测模型，形成数据库；s3、监测学习和验证过程中的参数是否达标；s4、若参数达标，则记录所述参数；若参数不达标，则返回所述步骤s2；所述运行阶段包括：s5、监测并记录该处理系统中各单元的进水指标及温度情况；s6、根据所述数据库自动预测调整运行参数；s7、监测运行过程中的参数是否达标；s8、若参数达标，则排放并记录所述参数；s9、若参数不达标，则在进行故障诊断后返回所述步骤s2。

13、相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：

14、本发明提供一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统及相关方法。利用厌氧消化和污水热量交换等技术广泛提取污水中的能量，并耦合风-光发电等可再生能源为以厌氧氨氧化和好氧颗粒污泥为核心的低能耗深度脱氮工艺，以及磷、硫回收工艺中的耗电设备供电，使污水厂在不依靠外接电力供应的情况下，实现碳磷硫高效回收的同时，满足负碳排放，并使出水达到回用标准。并通过神经网络算法构建污水厂智慧控制系统，实现智慧化高效运维及管理。

15、本发明通过两个厌氧消化单元分别提取污水和污泥中的有机碳，最大限度地回收污水中的化学能。相较于传统工艺中对于污水中有机物通过曝气去除的方式，本发明在回收沼气产能的同时，大大减小了由于曝气等操作造成的运行能耗；相对于传统污泥处理工艺中的压缩-干化-焚烧导致的占地面积大、运输困难、空气污染等问题，本发明利用污泥热水解技术使作为底物的污泥中微生物细胞破壁，使其产甲烷更彻底，最大化地提取了其中的化学能并对污泥进行减量化处理，减小后端处理的负担。同时可将沼渣高温干化，作为景观园林用肥料进行资源利用。

16、本发明增设了氮磷回收单元和沼气中的湿法脱硫(硫回收)单元，与传统污水处理工艺中以去除为目的的设计相比，减少了药剂投加导致的成本和碳排放量。回收产物可作为化肥等工业原材料产出，在满足污染物去除和处理达标的基础上，最大程度地实现了资源回收。

17、本发明以一体式厌氧氨氧化和好氧颗粒污泥为核心构建了深度脱氮系统，其中，厌氧氨氧化系统由于代谢途径存在优势，相较于传统污水处理工艺可降低60％的曝气能耗，并且无需额外投加碳源，因此具有显著的的低碳排优势。而现有一体式厌氧氨氧化工艺在实际运行过程中会存在出水水质波动(氨氮去除不完全或硝酸盐积累等)的情况，因此其后端往往伴随一级ao工艺来进一步脱氮。而本专利提出以好氧颗粒污泥作为ao的替代工艺，可再次减少50％的能耗(由回流泵和搅拌器产生)和75％的占地面积，高效低碳地实现氨氮脱除。

18、本专利以多相电-臭氧催化技术作为深度处理的核心工艺，有效地氧化降解了难以生物处理脱除的毒害物质，并包括杀菌作用，以防污水中的病原微生物进入自然水体或回用水体。与传统工艺中的加氯消毒相比，本专利中所述技术可以避免水体中余氯问题，防止对后续工艺构筑物或回用水管路造成腐蚀。无需额外购买加氯消毒剂，节省了成本的同时减少了碳排放量。而与传统臭氧消毒相比，本专利所用技术可高效去除臭氧惰性的新型污染物(如布洛芬等)，并将传统臭氧工艺难氧化的污染物去除率提高了40％以上。同时，在后端添加膜处理系统，提高了污水过滤效果和效率，达到了回用标准。

19、本专利包括热电联产、污水换热等热回收技术，提高了甲烷产电的能量效率，同时利用换热器对如发酵、煤化工等高温工业废水进水进行热交换，为反应器保温、污泥热水解、厂区供热等工作需求提供高品质热源。