申請日2016.05.17

　　公開(公告)日2016.08.17

　　IPC分類號C02F9/14; C02F11/04

　　摘要

　　本發明屬于污水處理和固廢資源化領域，是一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝。本發明通過將高含固污泥厭氧消化后的沼液回流，調控系統氨氮濃度以促進乙酸利用型產甲烷菌系統向氫利用型產甲烷菌系統轉化，充分利用CO2/H2產甲烷途徑，節省以短鏈脂肪酸(乙酸等)為代表的有機碳源。同時，利用厭氧消化系統產生的沼氣對沼液進行氨氮吹脫，降低沼液中氨氮濃度并實現沼氣的凈化，用水或酸性溶劑吸收氨氣，以氯化銨或硫酸銨的形式進行回收。氨氮吹脫后富含短鏈脂肪酸的沼液回流至污水處理系統中，補充反硝化階段的碳源，促進脫氮除磷。沉淀池出水中所剩余的NO2‑/NO3‑，進入穩定運行的甲烷厭氧氧化反應池，以污泥厭氧消化過程中產生的甲烷為碳源來實現深度脫氮。

　　權利要求書

　　1.一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝，其特征在于所述污水處理工藝通過處理單元實現，所述處理單元包含：污水處理系統(1)、沉淀池(2)、甲烷厭氧氧化池(3)、厭氧消化系統(4)、氨氮吹脫池(5)和氨吸收池(6)，其中：污水處理系統(1)的進水口連接進水管，出水口通過管道連接沉淀池(2)的進水口，沉淀池(2)的出水口通過管道連接甲烷厭氧氧化池(3)，沉淀池(2)的脫水污泥口通過管道連接厭氧消化系統(4)，厭氧消化系統(4)的沼液出口通過管道部分流到氨氮吹脫池(5)，其余部分回流至厭氧消化系統(4);厭氧消化系統(4)的沼氣出口通過管道連接氨氮吹脫池(5)，氨氨吹脫池(5)的氣體出口通過管道連接氨吸收池(6)，氨吸收池(6)的沼氣出口通過三通閥分別連接甲烷厭氧氧化池(3)和氨氮吹脫池(5);具體步驟如下：

　　(1)、污水進入污水處理系統(1)，經化學生物處理后，出水進入沉淀池(2)，進行泥水分離;

　　(2)、步驟(1)中沉淀池的出水中剩余硝態氮亞硝態氮(NO2-/NO3-)進入甲烷厭氧氧化池(3)，以厭氧消化系統(4)中產生的沼氣中的甲烷為碳源，通過甲烷厭氧氧化進行深度脫氮;步驟(1)中沉淀池的剩余污泥進入厭氧消化系統(4)，于35±2 ℃或55±2 ℃恒溫條件下進行厭氧消化;厭氧消化系統(4)消化后的沼液一部分作為污泥稀釋液，將脫水污泥稀釋至含固率為15%，隨脫水污泥返回厭氧消化系統(4)，以實現部分回流;控制厭氧消化系統(4)中氨氮濃度達到5000-7000 mg/L，pH值穩定在8-8.5，抑制厭氧消化系統(4)中的乙酸利用型產甲烷菌，富集氫利用型產甲烷菌，充分利用CO2/H2途徑產甲烷，減少碳排放，同時節省以短鏈脂肪酸為代表的有機碳源;

　　(3)、厭氧消化系統(4)產生的剩余部分的沼液進入氨氮吹脫池(5)，利用厭氧消化系統(4)產生的沼氣進行氨氮吹脫(CH4、CO2)，并實現沼氣的初步凈化，吹脫后氣體(含NH3、CH4、CO2)進入氨吸收池(6)，用水或酸性溶液進行吸收，以氯化銨或硫酸銨的形式進行回收，并實現沼氣的深度凈化，凈化后的沼氣分流進入甲烷厭氧氧化池(3)補充甲烷厭氧氧化碳源或匯入厭氧消化系統(4)產生的沼氣中進行氨氮吹脫;

　　(4)、經過氨氮吹脫后的沼液進入污水處理系統(1)，利用其中的以短鏈脂肪酸為代表的有機碳源補充反硝化過程中碳源，促進脫氮除磷。

　　說明書

　　一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝

　　技術領域

　　本發明屬于污水處理和固廢資源化領域，是將污泥高含固厭氧消化過程中產生的沼液進行回流以對系統中氨氮濃度進行合理調控，充分利用CO2/H2途徑產甲烷，減少碳排放，同時將所節省的以短鏈脂肪酸(乙酸等)為代表的有機碳源直接應用于主流污水處理系統中，補充反硝化過程中碳源，促進脫氮除磷的一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝。

　　背景技術

　　污水處理中的碳中和運行是實現整個污水處理過程的能源自給自足的技術要求，是未來污水處理的核心內容。歐美甚至周邊一些亞洲國家相繼頒布了面向21世紀污水處理碳中和運行的路線圖并付諸實踐。

　　隨著污水產生和處理量的快速增長，剩余污泥產生量也隨之大幅增加。污泥作為一種潛在的能源載體物質，需要徹底改變以污泥減量方式為主的現行觀念，而視其為碳中和運行的原料。同時，我國所面臨的碳減排壓力越來越嚴峻，通過技術層面實現碳減排是十分必要的。目前，世界污泥處理處置的主流技術有厭氧消化、好氧堆肥、干化焚燒、土地利用等，厭氧消化以污泥穩定化、能源化的良好效果得到了國內外的青睞，成為了目前國際上應用最廣泛的污泥處理方法之一。污泥高含固厭氧消化技術由于具有反應器體積小、加熱能耗低、單位容積處理量高、單位容積產氣率較高等優勢，在歐美日本等發達國家已經得到了廣泛應用。但是，該技術路線中，污泥中的碳源并沒有得到充分利用。在大部分的反應器中，有機碳源經乙酸脫羧途徑產生的甲烷占其來源的72%左右。而CO2/H2產甲烷途徑沒有得到充分的利用。且高含固污泥厭氧消化沼液中的氨氮濃度較高，C/N 比低，如果將其直接回流到污水處理廠進行處理，會對出水水質有顯著影響，從而引起水體的富營養化污染。

　　氫利用型產甲烷菌以CO2和H2為原料產甲烷，與乙酸利用型產甲烷菌相比，它的氨氮耐受能力和乙酸耐受能力都更強。當系統的氨氮濃度提高至5000~7000 mg/L左右時，乙酸利用型產甲烷菌的活性會被抑制，氫利用型產甲烷菌富集，微生物群落從乙酸利用型產甲烷系統向氫利用型產甲烷系統轉化，CO2/H2產甲烷途徑成為主要的產甲烷途徑，并且在一定濃度范圍內，可以維持產甲烷過程的穩定進行，實現CO2減排，同時節省系統中以短鏈脂肪酸為代表的有機碳源。

　　在中小型污水處理廠中，普遍存在反硝化脫氮處理過程中碳源不足的問題。由于大部分的反硝化微生物均為異養菌，碳源不足時，系統中會發生NO2-的積累現象，抑制包括反硝化菌在內的多種微生物的活性。而且，NO2-氧化生成的NOX(NO2)是導致大氣酸沉降、臭氧、灰霾等一系列環境問題的重要根源，對環境有不利影響。因此需要通過外加碳源(如乙酸、甲醇、乙醇等)促進反硝化的順利進行。然而，這些物質的投加無疑增加了污水處理的成本。

　　反硝化型甲烷厭氧氧化(denitrifying anaerobic methane oxidation，DAMO)是在厭氧條件下以甲烷作為電子供體，NO2-/NO3-作為電子受體的反硝化過程，近年來被證實廣泛存在于各種環境中。反應方程式為：

　　5CH4+8NO3-+8H+ →5CO2+4N2+14H2O(△Gθ’= -765 kJmol-1CH4)

　　3CH4+8NO3-+8H+ →3CO2+4N2+10H2O(△Gθ’= -928 kJmol-1CH4)

　　在傳統的反硝化工藝之后，利用甲烷作為碳源進行深度脫氮，是低物耗廢水處理和節能減排的新思路。推進DAMO 污水脫氮工藝的應用是未來的主要研究熱點和發展方向。而且甲烷作為反硝化脫氮的新型碳源，具有廉價無毒、儲備充足、溶解度低不會引起出水COD 增加的優點，與甲醇、乙酸等碳源相比具有明顯的優勢。

　　發明內容

　　本發明的目的在于提供一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝，本發明利用乙酸利用型產甲烷菌和氫利用型產甲烷菌對氨氮耐受能力不同的特點，通過將污泥高含固厭氧消化沼液回流，調控系統氨氮濃度，使其成為氫利用型產甲烷系統，充分利用CO2/H2產甲烷途徑，節省以短鏈脂肪酸(乙酸等)為代表的有機碳源，并用于補充污水處理中反硝化過程的碳源，促進脫氮除磷。同時，利用厭氧消化過程中產生的甲烷為碳源，通過甲烷厭氧氧化進一步實現深度脫氮，整體提高污泥中碳源在污水處理中的綜合利用率。

　　為實現上述目的，本發明的技術方案如下：

　　一種高效利用污泥中碳源的污水處理工藝，所述污水處理工藝通過處理單元實現，所述處理單元包含：污水處理系統1、沉淀池2、甲烷厭氧氧化池3、厭氧消化系統4、氨氮吹脫池5和氨吸收池6，其中：污水處理系統1的進水口連接進水管，出水口通過管道連接沉淀池2的進水口，沉淀池2的出水口通過管道連接甲烷厭氧氧化池3，沉淀池2的脫水污泥口通過管道連接厭氧消化系統4，厭氧消化系統4的沼液出口通過管道部分流到氨氮吹脫池5，其余部分回流至厭氧消化系統4;厭氧消化系統4的沼氣出口通過管道連接氨氮吹脫池5，氨氨吹脫池5的氣體出口通過管道連接氨吸收池6，氨吸收池6的沼氣出口通過三通閥分別連接甲烷厭氧氧化池3和氨氮吹脫池5;具體步驟如下：

　　(1)污水進入污水處理系統1，經化學生物處理后，出水進入沉淀池2，進行泥水分離;

　　(2)步驟(1)中沉淀池的出水中剩余硝態氮亞硝態氮(NO2-/NO3-)進入甲烷厭氧氧化池3，以厭氧消化系統4中產生的沼氣甲烷為碳源，通過甲烷厭氧氧化進行深度脫氮;步驟(1)中沉淀池的剩余污泥進入厭氧消化系統4，于35±2 ℃或55±2 ℃恒溫條件下進行厭氧消化;厭氧消化系統4消化后的沼液一部分作為污泥稀釋液，將脫水污泥稀釋至含固率為15%，隨脫水污泥返回厭氧消化系統4，以實現部分回流;控制厭氧消化系統4中氨氮濃度達到5000-7000 mg/L，pH值穩定在8-8.5，抑制厭氧消化系統4中的乙酸利用型產甲烷菌，富集氫利用型產甲烷菌，充分利用CO2/H2途徑產甲烷，減少碳排放，同時節省以短鏈脂肪酸(乙酸等)為代表的有機碳源;

　　(3)厭氧消化系統4產生的剩余部分的沼液進入氨氮吹脫池5，利用厭氧消化系統4產生的沼氣進行氨氮吹脫(CH4、CO2)，并實現沼氣的初步凈化，吹脫后氣體(含NH3、CH4、CO2)進入氨吸收池6，用水或酸性溶液進行吸收，以氯化銨或硫酸銨的形式進行回收，并實現沼氣的深度凈化，凈化后的沼氣分流進入甲烷厭氧氧化池3補充甲烷厭氧氧化碳源或匯入厭氧消化系統4產生的沼氣中進行氨氮吹脫;

　　(4)經過氨氮吹脫后的沼液進入污水處理系統1，利用其中的以短鏈脂肪酸(乙酸等)為代表的有機碳源補充反硝化過程中碳源，促進脫氮除磷。

　　本發明具有以下優點：

　　1.利用污泥高含固厭氧消化后沼液氨氮濃度高的特點，通過沼液回流的方式使厭氧消化系統中氨氮濃度達到5000-7000 mg/L，促進其從乙酸利用型產甲烷系統向氫利用型轉化，充分利用體系中產生的CO2和H2產甲烷，減少碳排放，節約有機碳源。

　　2.本方法在保持并提高甲烷產量的基礎上，充分利用剩余短鏈脂肪酸實現脫氮，使A2/O，EBPR等脫氮除磷工藝不再需要外加碳源，有效解決反硝化過程中碳源不足的問題，實現了碳源的充分利用，具有較好的經濟效益，是一個綠色循環，低排放的工藝。

　　3.沼液回流后污泥厭氧消化系統pH穩定在8-8.5，堿度在10000mg/L以上，系統穩定，抗沖擊能力強。

　　4.由于沼液中氨氮濃度較高，本方法利用污泥厭氧消化過程中產生的沼氣(CH4、CO2)對沼液中的氨氮進行吹脫，吹脫后氣體(含NH3、CH4、CO2)用水或酸性溶液進行吸收，以氯化銨或硫酸銨的形式回收，降低了消化液中的氨氮濃度。

　　5.本方法利用系統產生的CH4，通過甲烷厭氧氧化反應，對處理后的出水進行深度脫氮，進一步降低出水含氮量，提高污泥中碳源的綜合利用率。