申请日2021.09.09
公开日期2021.11.26
IPC分类C01B25/45;C02F101/16;C02F101/10;C02F9/14;C02F101/30
摘要
本发明公开了一种资源化协同处理生活污水及餐厨垃圾的系统及方法，本发明通过设置有机连接的强化预处理单元、碳磷回收单元、强化生物处理单元、深度处理单元和能量回收单元，以硝化和反硝化脱氮处理为基础，辅之以污染物深度处理，前端进行碳和磷的高效回收，末端采用水源热泵和热电联产实现能源回收利用，对生活污水进行了污染物的深度处理和产出高品质回用水的同时，协同处理了部分餐厨垃圾，最大化地回收利用了生活污水及餐厨垃圾中的能源和资源，降低了污水厂的运行成本，且为减少碳排放、解决磷危机作出贡献。
权利要求
1.一种资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的系统，其特征在于，包括：强化预处理单元、碳磷回收单元、强化生物处理单元、深度处理单元和能量回收单元；
强化预处理单元用于去除生活污水中的悬浮物及砂砾；
碳磷回收单元包括絮凝沉淀池、水热反应釜、MAP法回收装置、第一阶厌氧反应釜、第二阶厌氧反应釜、沉淀池、磷酸亚铁沉淀池及污泥脱水装置；
经强化预处理单元处理后的生活污水进入絮凝沉淀池进行絮凝沉淀得到PFC污泥；絮凝沉淀池产生的上清液进入强化生物处理单元，强化生物处理单元出水进入深度处理单元，深度处理单元出水达标排放；
强化生物处理单元包括依次连接的缺氧池、好氧池、后缺氧池、后好氧池及二沉池；
絮凝沉淀池产生的浓缩污泥与二沉池产生的剩余污泥一起进入水热反应釜；
水热反应釜产生的上清液进入MAP法回收装置，在MAP法回收装置中生成磷酸铵镁晶体；MAP法回收装置产生的含碳上清液进入缺氧池、后缺氧池及第二阶厌氧反应釜；水热反应釜产生的富磷污泥与餐厨垃圾一起进入第一阶厌氧反应釜；第一阶厌氧反应釜的水解酸化产物进入沉淀池；
沉淀池产生的水解上清液进入磷酸亚铁沉淀池，在磷酸亚铁沉淀池中生成磷酸亚铁晶体，磷酸亚铁沉淀池产生的上清液进入第二阶厌氧反应釜；沉淀池产生的水解污泥进入第二阶厌氧反应釜；第二阶厌氧反应釜产生的沼气进入能量回收单元进行发电；第二阶厌氧反应釜产生的污泥进入污泥脱水装置生成泥饼。
2.根据权利要求1所述的一种资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的系统，其特征在于，强化预处理单元包括依次连接的粗格栅、细格栅及旋流沉砂池，旋流沉砂池出水进入絮凝沉淀池。
3.根据权利要求2所述的一种资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的系统，其特征在于，深度处理单元包括依次连接的高密度沉淀池、V型滤池和臭氧接触氧化池，二沉池出水进入高密度沉淀池，臭氧接触氧化池出水达标排放。
4.根据权利要求3所述的一种资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的系统，其特征在于，臭氧接触氧化池出水部分进入能量回收单元回收热能。
5.根据权利要求4所述的一种资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的系统，其特征在于，能量回收单元包括水源热泵和热电联产系统，臭氧接触氧化池出水部分进入水源热泵生产热水，第二阶厌氧反应釜产生的沼气进入热电联产系统发电。
6.一种用于权利要求1所述系统的资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)生活污水进入强化预处理单元，通过格栅过滤去除水中的悬浮物后，通过沉淀去除水中砂砾；
(2)经强化预处理单元预处理过的生活污水进入碳磷回收单元的首先在絮凝沉淀池中通过加入聚合氯化铁将原水中大部分的SS、COD和TP进行絮凝沉淀，得到PFC污泥和上清液；
(3)步骤(2)所得上清液进入强化生物处理单元，在缺氧池及好氧池中进行硝化和反硝化反应，硝态氮直接还原为氮气排出系统，好氧池出水进入二沉池进行沉降分离；
(4)二沉池分离的上清液进入深度处理单元，依次经混凝沉淀、过滤和高级氧化，得到达标排放水；
(5)二沉池中产生的剩余污泥与步骤(2)中所得PFC污泥进入水热反应釜进行热水解得到上清液和富磷污泥；
(6)步骤(5)所得上清液进入MAP法回收装置，通过在MAP法回收装置中投加氯化镁使得上清液中的磷酸根离子和部分铵根离子转化为磷酸铵镁晶体，MAP法回收装置产生的含碳上清液作为补充碳源供给碳磷回收单元和强化生物处理单元；
(7)步骤(5)所得富磷污泥与餐厨垃圾一起进入第一阶厌氧反应釜进行水解酸化反应；
(8)第一阶厌氧反应釜的水解酸化产物进入沉淀池进行沉淀分离得到水解上清液和水解污泥；
(9)步骤(8)所得水解上清液进入磷酸亚铁沉淀池通过加碱调节pH生成磷酸亚铁晶体沉淀及含有机酸的上清液；
(10)步骤(8)所得水解污泥与步骤(9)所得上清液一起进入第二阶厌氧反应釜进行厌氧消化反应生产甲烷，厌氧消化反应过程中产生的污泥进入污泥脱水装置生成泥饼。
7.根据权利要求6所述的一种资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的方法，其特征在于，步骤(5)中水热反应釜热水解的温度为160～180℃，压力为1.4～2.6MPa，时间为0.5～2小时。
8.根据权利要求6所述的一种资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的方法，其特征在于，步骤(6)中MgCl2的投加量为：镁磷摩尔比1:1。
9.根据权利要求6所述的一种资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的方法，其特征在于，步骤(7)的水解酸化反应时间为48小时以上，温度为35～37℃，初始pH范围6～7，水解酸化结束后的pH范围为4～5。
10.根据权利要求6所述的一种资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的方法，其特征在于，步骤(10)中厌氧消化反应的温度为35～37℃，水力停留时间为25～30天，pH范围为7～7.5。
说明书
一种资源化协同处理生活污水及餐厨垃圾的系统及方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种资源化协同处理生活污水及餐厨垃圾的系统及方法。
背景技术
近年来水体富营养化日趋严重，直接影响了人们的日常生活和工业企业的正常生产活动，造成了巨大的直接和间接经济损失，同时对整个社会的和谐稳定发展产生了不利影响。氮和磷是造成水体富营养化的主要原因，同时磷也是非常重要的、难以再生的非金属矿产资源之一。据估计，目前地球上经济可开采的磷矿石将在本世纪末全部耗尽，磷危机已迫在眉睫。研究表明，每年在污水中被处理掉的磷占全球磷需求量的15％左右。因此，从污水回收磷是缓解磷危机的一种十分有效的方法。
现有大多数污水处理厂去除磷污染物的方法主要依靠化学除磷，并且现有污水处理工艺大多是通过硝化反硝化的生物过程来去除污水中的氮元素，但污水中存在碳源不足的问题，因此需要额外补充碳源来确保出水水质，外加碳源和除磷药剂大大增加了污水处理厂的运行成本。不仅如此，污水处理过程通常还需要消耗大量的能量来实现出水水质的达标排放，这使得污水处理成为了一个高能耗高成本的行业。
同时，污水处理厂在运行过程中还会产生大量的污泥。目前在我国，污泥主要通过脱水、干化等方式进行减量化处理，然后外送填埋或焚烧。然而，污泥中含有大量的有机质，可以作为厌氧发酵的基质。之所以污泥的厌氧消化没得到广泛的应用，主要是因为污泥的碳氮比低，易降解的有机物含量低，直接单独进行厌氧发酵效益低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种资源化协同处理生活污水及餐厨垃圾的系统及方法。
本发明采用的技术方案是：
一种资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的系统，包括：强化预处理单元、碳磷回收单元、强化生物处理单元、深度处理单元和能量回收单元；
强化预处理单元用于去除生活污水中的悬浮物及砂砾；
碳磷回收单元包括絮凝沉淀池、水热反应釜、MAP法回收装置、第一阶厌氧反应釜、第二阶厌氧反应釜、沉淀池、磷酸亚铁沉淀池及污泥脱水装置；
经强化预处理单元处理后的生活污水进入絮凝沉淀池进行絮凝沉淀得到PFC污泥；絮凝沉淀池产生的上清液进入强化生物处理单元，强化生物处理单元出水进入深度处理单元，深度处理单元出水达标排放；
强化生物处理单元包括依次连接的缺氧池、好氧池、后缺氧池、后好氧池及二沉池；
絮凝沉淀池产生的浓缩污泥与二沉池产生的剩余污泥一起进入水热反应釜；
水热反应釜产生的上清液进入MAP法回收装置，在MAP法回收装置中生成磷酸铵镁晶体；MAP法回收装置产生的含碳上清液进入缺氧池、后缺氧池及第二阶厌氧反应釜；水热反应釜产生的富磷污泥与餐厨垃圾一起进入第一阶厌氧反应釜；第一阶厌氧反应釜的水解酸化产物进入沉淀池；
沉淀池产生的水解上清液进入磷酸亚铁沉淀池，在磷酸亚铁沉淀池中生成磷酸亚铁晶体，磷酸亚铁沉淀池产生的上清液进入第二阶厌氧反应釜；沉淀池产生的水解污泥进入第二阶厌氧反应釜；第二阶厌氧反应釜产生的沼气进入能量回收单元进行发电；第二阶厌氧反应釜产生的污泥进入污泥脱水装置生成泥饼。
进一步地，强化预处理单元包括依次连接的粗格栅、细格栅及旋流沉砂池，旋流沉砂池出水进入絮凝沉淀池。
进一步地，深度处理单元包括依次连接的高密度沉淀池、V型滤池和臭氧接触氧化池，二沉池出水进入高密度沉淀池，臭氧接触氧化池出水达标排放。
进一步地，臭氧接触氧化池出水部分进入能量回收单元回收热能。
进一步地，能量回收单元包括水源热泵和热电联产系统，臭氧接触氧化池出水部分进入水源热泵生产热水，第二阶厌氧反应釜产生的沼气进入热电联产系统发电。
一种用于上述系统的资源化协同处理生活污水和餐厨垃圾的方法，包括以下步骤：
(1)生活污水进入强化预处理单元，通过格栅过滤去除水中的悬浮物后，通过沉淀去除水中砂砾；
(2)经强化预处理单元预处理过的生活污水进入碳磷回收单元的首先在絮凝沉淀池中通过加入聚合氯化铁将原水中大部分的SS、COD和TP进行絮凝沉淀，得到PFC污泥和上清液；
(3)步骤(2)所得上清液进入强化生物处理单元，在缺氧池及好氧池中进行硝化和反硝化反应，硝态氮直接还原为氮气排出系统，好氧池出水进入二沉池进行沉降分离；
(4)二沉池分离的上清液进入深度处理单元，依次经混凝沉淀、过滤和高级氧化，得到达标排放水；
(5)二沉池中产生的剩余污泥与步骤(2)中所得PFC污泥进入水热反应釜进行热水解得到上清液和富磷污泥；
(6)步骤(5)所得上清液进入MAP法回收装置，通过在MAP法回收装置中投加氯化镁使得上清液中的磷酸根离子和部分铵根离子转化为磷酸铵镁晶体，MAP法回收装置产生的含碳上清液作为补充碳源供给碳磷回收单元和强化生物处理单元；
(7)步骤(5)所得富磷污泥与餐厨垃圾一起进入第一阶厌氧反应釜进行水解酸化反应；
(8)第一阶厌氧反应釜的水解酸化产物进入沉淀池进行沉淀分离得到水解上清液和水解污泥；
(9)步骤(8)所得水解上清液进入磷酸亚铁沉淀池通过加碱调节pH生成磷酸亚铁晶体沉淀及含有机酸的上清液；
(10)步骤(8)所得水解污泥与步骤(9)所得上清液一起进入第二阶厌氧反应釜进行厌氧消化反应生产甲烷，厌氧消化反应过程中产生的污泥进入污泥脱水装置生成泥饼。
进一步地，步骤(5)中水热反应釜热水解的温度为160～180℃，压力为1.4～2.6MPa，时间为0.5～2小时。
进一步地，步骤(6)中MgCl2的投加量为：镁磷摩尔比1:1。
进一步地，步骤(7)的水解酸化反应时间为48小时以上，温度为35～37℃，初始pH范围为6～7，水解酸化结束后的pH范围为4～5。
进一步地，步骤(10)中厌氧消化反应的温度为35～37℃，水力停留时间为25～30天，pH范围为7～7.5。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过设置有机连接的强化预处理单元、碳磷回收单元、强化生物处理单元、深度处理单元和能量回收单元，以硝化和反硝化脱氮处理为基础，辅之以污染物深度处理，前端进行碳和磷的高效回收，末端采用水源热泵和热电联产实现能源回收利用，对生活污水进行了污染物的深度处理和产出高品质回用水的同时，协同处理部分餐厨垃圾，最大化地回收利用了生活污水及餐厨垃圾中的能源和资源，大大降低了污水厂的运行成本，且为减少碳排放、解决磷危机作出贡献。
(2)本发明对絮凝沉淀池产生的浓缩污泥和二沉池产生的剩余污泥进行高温高压下的热水解反应，不仅可以分解浓缩污泥和剩余污泥中的难降解大分子有机物，产生易降解的可溶性有机物，从而提高后续的甲烷产量；同时也能使得污泥所含的微生物解体，释放大量氮和磷且释放的总磷以磷酸根离子为主。
(3)本发明结合化学法和生物法，不仅对水热反应釜上清液中的磷酸根和铵根离子通过MAP化学沉淀的方式进行回收，同时利用厌氧过程中的微生物异化铁还原作用将磷酸铁转化为磷酸亚铁，并利用厌氧水解酸化提供酸性环境增加磷酸亚铁的溶解度，使得磷元素能从污泥中分离出来。本发明相比于化学法回收磷更加安全、环保，同时减少了酸碱药剂的使用。
(4)本发明通过两阶厌氧反应不仅可以使富磷污泥和餐厨垃圾在第一阶厌氧反应釜内协同快速水解酸化，加快富磷污泥中难降解有机物的水解效率，为磷酸亚铁溶解提供酸性环境，而且可以同时控制第一阶和第二阶厌氧反应釜的反应条件，使得其均处于最优工况，第一阶反应釜所产生的有机酸也可快速在第二阶反应釜内进行乙酸化和甲烷化反应，大大加快了第二阶厌氧反应速度，增加体系内的甲烷菌含量，从而增加整个厌氧体系的处理效率和甲烷产量。
(5)本发明利用污泥热水解技术及污泥和餐厨垃圾的协同厌氧消化技术使得污泥的资源化利用成为了可能。热水解技术可以大大增加污泥的水解速率，提高其中易生物降解的有机物含量；污泥和餐厨垃圾的协同厌氧消化可以平衡体系的碳氮比，提高厌氧发酵过程和稳定性和整体的沼气产量。