同步碳减排及氮素资源化回收的污水处理装置及其工艺

本发明属于环境保护与污水处理，尤其涉及一种同步碳减排及氮素资源化回收的污水处理装置及其工艺。

背景技术：

1、传统的污水生物处理法需要额外的能源和化学品来保持污水生物反应池中微生物的高去除率。微生物将聚合物有机物质转化为二氧化碳、水和能量。同时，污水处理的最终产物含有ch4、co2和n2o等温室气体。因此传统的污水处理方法是不可持续的，因为它产生了新的能源和环境问题。

2、目前，氨氮污水处理技术主要包括生物处理、空气汽提和化学沉淀。生物处理技术通常采用硝化-反硝化过程脱氮，具有运行成本低，可与有机物去除相耦合等优点。但是生物处理技术反应时间长，对温度、ph值、碳含量、溶解氧、有毒有害物质等因素要求严格，在用地空间有限的污水脱氮过程中受到了很大的限制。空气汽提法通常用于高浓度氨氮污水处理，但需要加热升温、加碱提升ph等措施，且产生的氨气需要用酸吸收，整体能耗和药耗较高。化学沉淀法操作简单、占地面积小、且可以以鸟粪石为产品回收氮素，但该方法需要大量的沉淀剂和高运营成本。因此，在保证污水氨氮脱除率的前提下，需要提出一种新的氮素回收同步碳减排的方法。

3、目前，“精馏脱氮耦合二氧化碳”技术即可实现脱氮碳减排，实现了氨氮资源化产生碳酸氢铵肥料。该工艺氨氮去除率可达到95％以上，但精馏塔能耗高，且该工艺会排放n2o，造成新的污染。相比之下，本发明提出的工艺虽然氨氮去除率较低，但本工艺为连续流运行，无需达到较高脱氨率；且本工艺能耗不高，不会产生二次污染。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种同步碳减排及氮素资源化回收的污水处理装置及工艺，该工艺具有自动化程度高、能耗和药耗低、不产生二次污染等优点，不仅可以实现污水中氨氮的浓缩富集回收，还可利用污水厂好氧池尾气或者电厂烟气中的二氧化碳将其转化为碳酸氢铵，实现污水脱氮回收与碳减排，具有广阔的应用前景和良好的环境效益。

2、为了实现本发明的目的，本发明提供了一种同步碳减排及氮素资源化回收的污水处理装置，包括：氨氮浓缩模块、脱氨模块和二氧化碳曝气回收模块；

3、所述氨氮浓缩模块包括氨氮离子交换单元、再生液储备箱和脱氨膜进水箱，所述再生液储备箱的出液口通过蠕动泵与氨氮离子交换单元连接，所述氨氮离子交换单元的再生出水口通过管道与脱氨膜进水箱连接；

4、所述脱氨模块包括脱氨膜装置和吸收池，所述脱氨膜进水箱的再生液出水口通过蠕动泵与脱氨膜装置的管侧进水口连接，所述脱氨膜装置的管侧出水口通过管道与再生液储备箱连接，所述吸收池的出水口通过蠕动泵与脱氨膜装置的壳侧进水口连接；

5、所述二氧化碳曝气回收模块包括曝气池、二氧化碳曝气装置和真空干燥装置，所述脱氨膜装置的壳侧出水口通过管道与曝气池连接，所述曝气池的补液口通过管道与吸收池连接，所述曝气池下方通过二氧化碳曝气口与二氧化碳曝气装置连接，所述曝气池的出液口通过管道与真空干燥装置连接，所述真空干燥装置的冷凝水口通过蠕动泵与曝气池的进水口连接。

6、进一步的，所述再生液储备箱上部设置有加药器，即使用加药器将再生剂投加到再生液储备箱中备用。

7、进一步的，所述二氧化碳曝气装置连接微纳米气泡装置，主要是为了解决二氧化碳气体溶解度低的问题。本发明使用的微纳米气泡装置是用来制造二氧化碳微纳米气泡的装置，可选择传统微纳米气泡发生器、文丘里管等。

8、本发明的二氧化碳曝气装置可以连接含二氧化碳气体的污水处理厂尾气或电厂烟气，且这些含有二氧化碳的废气通过微纳米气泡装置处理产生二氧化碳微纳米气泡处理，进而使二氧化碳微纳米气泡进入曝气池，增加了二氧化碳气体在碳酸铵溶液中(即曝气池中)的溶解度。

9、优选的，进入微纳米气泡装置的二氧化碳气体流量为0.1～1.0l/min。

10、进一步的，所述再生液储备箱、脱氨膜进水箱、吸收池和曝气池内设置有搅拌器。

11、进一步的，所述再生液储备箱、脱氨膜进水箱、吸收池以及二氧化碳曝气装置均连接蠕动泵。

12、本发明还提供了一种同步碳减排及氮素资源化回收的污水处理工艺，具体包括以下步骤；

13、(1)待处理低氨氮污水泵入氨氮离子交换单元中，离子交换柱通过离子交换去除污水中的氨氮(nh4+)。

14、(2)待氨氮离子交换结束后，对氨氮离子交换单元进行再生，以氢氧化钠作为再生剂，将氢氧化钠从再生液储备箱中输出并泵入氨氮离子交换单元中，即将氨氮离子交换单元的离子交换柱中交换剂表面的nh4+交换到再生液中(再生处理过程)，实现氨氮离子交换剂的再生，提高再生效率，然后处理后的再生液进入脱氨膜进水箱。

15、nh4+交换到再生液中，也为后续脱氨膜气体分离提供了合适的反应ph值。再生液储备箱中的氢氧化钠使游离氨转换为氨气，管内氨气气压较高，方便氨气通过脱氨膜进水箱进入到脱氨膜装置中，透过脱氨膜传递到吸收侧。

16、(3)再生结束后，脱氨膜进水箱中的含有氨气的再生液泵入脱氨膜装置中进行脱氨处理，即利用脱氨膜的选择透过性将氨气与再生液分离，脱氨膜只允许氨气自由通过；经脱氨膜处理后的再生液出水返回再生液储备箱，进行循环再生。

17、(4)以碳酸氢铵作为吸收液进入脱氨膜装置的壳侧，再生液进入到脱氨膜装置的管侧，氨气通过脱氨膜装置进入到壳侧，被吸收液吸收，使再生液中的nh4+-n浓度降低，最终在吸收液中实现nh4+-n浓缩。采用碳酸氢铵作为吸收液，碳酸氢铵吸收反应式见下式(1)：

18、nh4hco3+nh3→(nh4)2co3                         (1)

19、碳酸氢铵吸收液与脱氨膜装置中的氨气反应生成碳酸铵，碳酸铵溶液从脱氨膜装置的壳侧出水进入曝气池，待二氧化碳曝气装置向曝气池输送二氧化碳，曝气池中将会产生的反应式如下式(2)：

20、(nh4)2co3+h2o+co2→2nh4hco3                     (2)

21、上述脱氨膜装置的壳侧出水产物(碳酸铵)与曝气池中的二氧化碳反应，曝气池中的一部分产物(碳酸氢铵)通过吸收池进入到脱氨膜装置，以补充脱氨膜装置中消耗的吸收液。

22、(5)将上述曝气池中的剩余产物(即剩余的碳酸氢铵溶液)输送至真空干燥装置中，进行真空干燥，得到碳酸氢铵结晶盐，实现氮回收，作为氮回收产物输出。真空干燥后的冷凝水回流至曝气池维持整个体系水量平衡，实现了测流系统无水零排放。

23、进一步的，所述步骤(1)中，所述待处理低氨氮污水为初期雨水或污水处理厂尾水。

24、进一步的，所述步骤(1)中，所述氨氮离子交换单元中所用的氨氮离子交换剂为天然沸石、改性沸石、分子筛、粉煤灰或离子交换树脂等中的任意一种或多种；

25、所述氨氮离子交换单元中的水力停留时间为0.1～24h。

26、进一步的，所述步骤(2)中的再生处理时间为0.1～72h。

27、进一步的，所述步骤(3)中，所述脱氨膜进水箱泵入脱氨膜装置管侧的流速为50～400mg/l；

28、所述脱氨膜装置的管侧进水ph值为9.0～11.0，进水温度为15～40℃，进水nh4+-n浓度为200～1000mg/l；

29、所述脱氨膜装置的水力停留时间为0.1～24h。

30、进一步的，所述步骤(4)中，曝气池中的一部分产物经吸收池进入到脱氨膜装置中的流速为200～600ml/min。

31、进一步的，所述步骤(4)中，曝气池中二氧化碳为二氧化碳纳米气泡。

32、本发明取得了以下有益效果：

33、1、本发明采用氨氮离子交换-氢氧化钠再生-脱氨膜气体分离-二氧化碳曝气吸收-真空干燥结晶的整体工艺设计，实现了在城镇污水处理中的高效氮回收，同时该连续流工艺整体运行过程中允许高氨氮的存在，脱氨膜管侧进水浓度为200～1000mg/l，经脱氨膜处理后再生液中氨氮脱除率达到75％以上，出水重新返回到再生液储备箱，合理利用了脱氨膜最高效的去除阶段，摒弃了低效的去除阶段。此外，二氧化碳气体引入作为脱氨膜壳侧吸收液，具有成本低、处理效率高等优点，对于污水处理厂的升级改造及碳减排具有重要的实际工程意义。当以纯水做吸收液时，再生液脱氨率为45％；而将二氧化碳引入作为吸收液，再生液脱氨率可达到75％以上。

34、2、本发明在再生液储备箱中投加氢氧化钠，使再生液中的nh4+转化为nh3，完成氮的价态转换，避免了正价态的nh4+累积引起再生效率降低的问题，并有利于再生液的脱氨膜装置的脱氨过程，实现了再生液的重复利用和离子交换剂的高效再生。

35、3、本发明的脱氨膜装置能够在短hrt下快速去除nh4+-n，剩余无法快速去除的部分nh4+-n可以回到再生液储备箱继续再生使用，具有允许高浓度nh4+-n存在、利用脱氨膜高效去除阶段、摒弃低效去除阶段的优点。

36、4、本发明二氧化碳曝气回收模块中加入了微纳米气泡装置，采用二氧化碳微纳米气泡在曝气池中的停留时间比纯二氧化碳时间久，可以防止二氧化碳逸散造成的资源浪费和环境污染；此外，由于微纳米气泡传质性能好，气泡中的二氧化碳能及时与曝气池中的氨反应，提高吸收池的吸收效率。

37、5、本发明的处理工艺可使低浓度污水的氨氮浓度可浓缩20倍以上，经脱氨膜装置吸收后脱氨率稳定在80％以上，吸收率达到90％以上，实现了浓缩低氨氮、去除高氨氮、碳减排和氮回收。