一种用于回收污水中碳、氮、磷和水的系统及方法与流程

本发明涉及一种回收碳、氮、磷和水的系统及方法，特别涉及一种用于回收污水中碳、氮、磷和水的系统及方法。

背景技术：

目前，水是污水处理厂产出的重要资源，也是最多的资源，经适当处理后可用于各种回用目的。目前，通常情况下采用消毒工艺来确保出水水质的生物学安全性，在常用的氯消毒基础上，紫外线消毒以其高效性、安全性、经济等优势在实际得到广泛应用。近年来，城镇污水中除传统有机物、氮磷等污染物质外，还出现了新型微量有机污染物，如内分泌干扰物(edcs)、药品和个人护理品(ppcps)等，这些物质由于具有潜在的风险，在再生水处理过程中也应考虑对这些物质的去除。而膜技术由于高效性、稳定性、安全性等特点在水再生回用中备受青睐。

每立方米城镇污水中约含cod为0.5kg，每年随城镇污水排放流失的碳资源达2000万t，据估算约是处理污水所耗能量的9.3倍；按去除每千克cod产生0.35m³甲烷、甲烷回收率80％计算，可产生甲烷60亿m³，厌氧消化后的有机质残留量按20％计算，可生产有机肥料400万t。可见，从污水中回收碳资源具有非常大的潜能。最为常见的也是应用最为广泛的碳物质回收技术是厌氧消化技术。目前，将初沉池和二沉池的剩余污泥进行厌氧消化，将污泥中的有机物物质转化为甲烷，并通过沼气发电机进一步转化为电能，以补充污水处理厂的用电量。但是，污泥在消化过程中残余有非生物质成分，仅有约一半的污泥可以被转化，因此，污泥中的有机物大约只有20％被转化为能源再利用。

磷属于一种不可再生的且不可替代的战略性资源，具有耗竭性。典型城镇污水中的无机氮主要以氨氮(游离氨nh3与离子态铵盐nh4⁺)形式存在，无机磷主要以磷酸盐形式(po4^3-，hpo4^2-，h2po4^-)存在。氨氮的回收方法主要有化学沉淀(鸟粪石)法、吸附法、离子交换法和膜分离(反渗透、电渗析等)法。化学沉淀法需额外投加磷和镁；吸附或离子交换法投资少能耗低，但需频繁再生；反渗透、电渗析等运行能耗均较高。磷资源的回收技术有多种，主要以化学沉淀法、强化生物除磷法、吸附法为主。强化生物除磷法，需要二次处理；吸附法具有工艺简单，运行可靠等优点，若要回收吸附剂中的磷资源则需要额外进行解吸。

技术实现要素：

本发明的主要目的是为了能够实现高效回收城镇污水中水、碳、氮和磷等资源而提供的一种用于回收污水中碳、氮、磷和水的系统及方法。

本发明提供的用于回收污水中碳、氮、磷和水的系统包括有集水池、沉砂池、第一反应器、第二反应器、原料液储存器、汲取液储存器、渗透膜组件和沉淀池，其中集水池与污水管网相连通，集水池通过管路与沉砂池相连接，沉砂池通过管路还与第一反应器相连接，第一反应器分别通过管路与原料液储存器和第二反应器相连接，第二反应器通过管路还与沉淀池相连接，原料液储存器通过管路也与沉淀池相连接，原料液储存器和汲取液储存器通过两条管路相连接，渗透膜组件装配在原料液储存器和汲取液储存器的两条连接管路上。

集水池内设置有格栅用于截留污水中的悬浮物和漂浮物，集水池与沉砂池的连接管路上装配有提升泵用于集水池内的污水泵入沉砂池内，沉砂池与第一反应器的连接管路上装配有第一蠕动泵，沉砂池为曝气沉砂池。

第一反应器为高负荷膜生物反应器，第一反应器内设置有超滤膜组件和曝气石，超滤膜组件中的超滤膜有效面积为0.1m²，膜片尺寸长×宽×高＝320×220×5mm³，膜孔径为0.1μm，第一反应器与第二反应器之间的连接管路上设有第二蠕动泵，第一反应器与原料液储存器之间的连接管路上装配有第三蠕动泵，第二反应器上还设有一条连通管与第一反应器和原料液储存器之间的连接管路相连接，该连通管上装配有第四蠕动泵，第二反应器与沉淀池之间的连接管路上装配有第五蠕动泵。

原料液储存器内设置有电导率仪和ph值测试仪，原料液储存器与沉淀池的连接管路上装配有第六蠕动泵，原料液储存器与渗透膜组件的连接管路上装配有第七蠕动泵，渗透膜组件与汲取液储存器的连接管路上装配有第八蠕动泵，渗透膜组件由正渗透膜组成，正渗透膜的有效面积为30cm²，流道深度为2mm。

沉淀池内装配有搅拌器和ph值测试仪。

上述的提升泵、第一蠕动泵、第二蠕动泵、第三蠕动泵、第四蠕动泵、第五蠕动泵、电导率仪、ph值测试仪、第六蠕动泵、第七蠕动泵、第八蠕动泵和搅拌器均为现有设备的组装，因此具体型号和规格没有进行赘述。

本发明提供的用于回收污水中碳、氮、磷和水的方法，其方法如下所述：

步骤1、城市污水通过污水管网进入集水池，进入集水池内的污水通过格栅截留大部分悬浮物和漂浮物后，通过提升泵进入沉砂池；

步骤2、进入沉砂池的污水被泵入第一反应器进行处理，第一反应器内设置有超滤膜组件和曝气石，经过超滤膜组件过滤后分离出的水被泵入原料液储存器，经过第一反应器处理后的浓缩液富含被分离出的有机物通过管路进入第二反应器进行厌氧消化产出甲烷；

步骤3、原料液储存器内的进水作为原料液，以常用农业肥料钾肥中主成分kcl的高盐溶液作为汲取液储存器中的汲取液，随着正渗透系统的运行，利用高低渗透压差，使得原料液储存器中的原料液不断地通过渗透膜组件进入汲取液储存器中，稀释后的汲取液可直接运用于农田灌溉，实现水资源的灌溉回用，原料液储存器中浓缩后的原料液中氮、磷资源不断被浓缩富集后进入沉淀池；

步骤4、进入沉淀池的浓缩液通过调节ph值、氮镁磷比条件，在沉淀池中生成鸟粪石沉淀，作为缓释肥回收利用，沉淀池中的上清液再被泵入回流至第二反应器中进行厌氧消化，实现碳资源的完全回收；

步骤5、第二反应器中厌氧消化产生甲烷后，残存的氮、磷资源可被继续回收，将第二反应器中的上清液回流至原料液储存器内重新进行处理利用。

步骤1中的沉砂池为曝气沉砂池。

步骤2中的超滤膜组件所用超滤膜为平板膜，单片膜的有效面积为0.1m²，膜片尺寸长×宽×高＝320×220×5mm³，膜孔径为0.1μm，膜材质为聚偏氟乙烯，支撑板材质为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。

步骤3中的渗透膜组件所用正渗透膜属于不对称膜，由活性层和支撑层组成，其中活性层的材质为三醋酸纤维，支撑层材质为聚酯，正渗透膜的有效面积30cm²，流道深度为2mm。

步骤4中的鸟粪石为一种缓释肥料，含mg：n：p的比例为1:1:1，ph值控制在5-9.5，有利于这种复合肥料的形成。

本发明的工作原理：

城市污水通过市政管网进入集水池。污水通过格栅截留大部分悬浮物和漂浮物后，通过提升泵进入沉砂池。沉砂池出水水质：cod浓度为270mg/l，tn浓度为56.9mg/l，nh4⁺-n浓度为47.8mg/l，tp浓度为4.9mg/l，po4^3--p浓度为4.14mg/l。

然后，沉砂池出水通过第一蠕动泵进入第一反应器，第一反应器内设置有超滤膜组件以及曝气石。超滤膜组件有效面积为0.1m²，膜片尺寸长×宽×高＝320×220×5mm³，膜孔径为0.1μm。运行结束后得到原水体积的1/11.5的浓缩液，10.5/11.5的超滤膜组件出水。在实现污水中悬浮物和胶体有机物的低碳回收的同时，得到富含氮、磷物质的膜出水，第一反应器中的浓缩液通过第二蠕动泵进入第二反应器厌氧消化产甲烷，实现能源的回收；第一反应器中超滤膜组件出水因不含固体物质和病原体且富含氮磷元素，通过第三蠕动泵进入原料液储存器，回收污水中氮、磷资源。运行期间控制第一反应器中的曝气量50l/h、温度25℃、通量20lmh等参数条件。超滤膜组件中的超滤膜的清洗方法简单方便，将膜片上的有机物轻刮除，返回至浓缩液，再用一定体积的纯水清洗膜表面，清洗液回到浓缩液中，然后用水冲洗膜表面以看不到明显残留污染物为准，最后用次氯酸钠溶液(有效氯浓度2000mg/l)浸泡2h，再用水冲洗膜表面残余的化学药剂，即可恢复最初状态的75％。碳资源的回收率可达80％左右。超滤段出水cod浓度为42.89mg/l，tn浓度为24.3mg/l，nh4⁺-n浓度为16.5mg/l，tp浓度为6.43mg/l，po4^3--p浓度为6.4mg/l。

原料液储存器中的出水通过第七蠕动泵引入渗透膜组件。在渗透膜组件的正渗透过程中，以原料液储存器进水作为原料液，以常用农业肥料钾肥中主成分kcl的高盐溶液作为汲取液储存器中的汲取液，原料液与汲取液分别通过第七蠕动泵和第八蠕动泵进入渗透膜组件，然后再分别回到原料液储存器与汲取液储存器中，浓缩液的体积为原料液的1/10。利用高低渗透压差，原料液储存器中的水不断地通过渗透膜组件进入汲取液储存器中，渗透膜组件中的正渗透膜的有效面积30cm²(50mm×60mm)，流道深度为2mm。汲取液储存器中稀释后的汲取液可直接用于农田灌溉，实现水资源的回收，水的回用率为85％以上；原料液储存器中浓缩后的原料液中氮、磷资源不断浓缩富集，以便后续鸟粪石回收。在原料液储存器中，设置有电导率仪以及ph值测试计。运行期间控制错流速度15cm/s、温度25℃、汲取液浓度2mol/l等参数条件。渗透膜组件中的正渗透膜运行完成后膜污染小，易于清洗，只需要进行15min物理清洗(气水比：240l/h：40l/h)膜通量即可恢复75％以上。正渗透段浓缩液cod浓度为220.88mg/l，tn浓度为123.93mg/l，nh4⁺-n浓度为84.15mg/l，tp浓度为57.23mg/l，po4^3--p浓度为56.96mg/l。

原料液储存器中的浓缩液通过第六蠕动泵进入沉淀池进行鸟粪石化学沉淀。沉淀池中设有ph值测试仪和搅拌器。通过调节ph值控制在5-9.5，反应时间为20min，n(nh4⁺)∶n(mg²⁺)∶n(po3^4－)为4：1.2：1，搅拌速度为200rpm，沉淀时间为1h，收集上清液后沉淀部分在40℃条件下烘干48h。污水中的氮、磷资源不断浓缩，以鸟粪石沉淀形式存在，可作为缓释肥回收利用，实现氮、磷资源的回收，氮回收率达80％以上，磷回收率达75％以上，其回收磷产品中有效磷含量达15％以上。沉淀池上清液cod浓度为220.88mg/l，tn浓度为48.35mg/l，nh4⁺-n浓度为12.44mg/l，tp浓度为10.31mg/l，po4^3--p浓度为10.2mg/l。

沉淀池上清液通过第五蠕动泵进入第二反应器厌氧消化产甲烷。厌氧消化产甲烷后，收集气体产能，实现碳资源的回收；底泥可直接作固废处理。由于超滤段浓缩液以及鸟粪石回收段上清液中氮、磷资源并没有被完全回收，因此第二反应器厌氧消化产甲烷后的上清液通过第四蠕动泵回流至原料液储存器，继续进行浓缩富集。

本发明的有益效果：

本发明提供的技术方案相比于现有技术，实现了在流程简单、低能耗、碳排放少的条件下，仍具有所需要的污水处理效果。实现了水、碳、氮、磷资源的完全回收：高效回收水资源，水的回用率为85％以上；高效回收碳资源，甲烷回收率可达80％；高效回收氮、磷资源，氮回收率达80％以上，磷回收率达75％以上，其回收磷产品中有效磷含量达15％以上；正渗透膜膜污染小，易于清洗，进行15min物理清洗后膜通量可恢复75％以上；具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明所述回收系统整体结构示意图。

上图中的标注如下：

1、集水池2、沉砂池3、第一反应器4、第二反应器5、原料液储存器6、汲取液储存器7、渗透膜组件8、沉淀池9、格栅10、提升泵11、第一蠕动泵12、超滤膜组件13、曝气石14、第二蠕动泵15、第三蠕动泵16、连通管17、第四蠕动泵18、第五蠕动泵19、电导率仪20、ph值测试仪21、第六蠕动泵22、第七蠕动泵23、第八蠕动泵24、搅拌器。

具体实施方式

请参阅图1所示：

本发明提供的用于回收污水中碳、氮、磷和水的系统包括有集水池1、沉砂池2、第一反应器3、第二反应器4、原料液储存器5、汲取液储存器6、渗透膜组件7和沉淀池8，其中集水池1与污水管网相连通，集水池1通过管路与沉砂池2相连接，沉砂池2通过管路还与第一反应器3相连接，第一反应器3分别通过管路与原料液储存器5和第二反应器4相连接，第二反应器4通过管路还与沉淀池8相连接，原料液储存器5通过管路也与沉淀池8相连接，原料液储存器5和汲取液储存器6通过两条管路相连接，渗透膜组件7装配在原料液储存器5和汲取液储存器6的两条连接管路上。

集水池1内设置有格栅9用于分离出污水中的杂物，集水池1与沉砂池2的连接管路上装配有提升泵10用于集水池1内的污水泵入沉砂池2内，沉砂池2与第一反应器3的连接管路上装配有第一蠕动泵11，沉砂池2为曝气沉砂池。

第一反应器3为高负荷膜生物反应器，第一反应器3内设置有超滤膜组件12和曝气石13，超滤膜组件12中的超滤膜有效面积为0.1m²，膜片尺寸长×宽×高＝320×220×5mm³，膜孔径为0.1μm，第一反应器3与第二反应器4之间的连接管路上设有第二蠕动泵14，第一反应器3与原料液储存器5之间的连接管路上装配有第三蠕动泵15，第二反应器4上还设有一条连通管16与第一反应器3和原料液储存器5之间的连接管路相连接，该连通管16上装配有第四蠕动泵17，第二反应器4与沉淀池8之间的连接管路上装配有第五蠕动泵18。

原料液储存器5内设置有电导率仪19和ph值测试仪20，原料液储存器5与沉淀池8的连接管路上装配有第六蠕动泵21，原料液储存器5与渗透膜组件7的连接管路上装配有第七蠕动泵22，渗透膜组件7与汲取液储存器6的连接管路上装配有第八蠕动泵23，渗透膜组件7由正渗透膜组成，正渗透膜的有效面积为30cm²，流道深度为2mm。

沉淀池8内装配有搅拌器24和ph值测试仪20。

上述的提升泵10、第一蠕动泵11、第二蠕动泵14、第三蠕动泵15、第四蠕动泵17、第五蠕动泵18、电导率仪19、ph值测试仪20、第六蠕动泵21、第七蠕动泵22、第八蠕动泵23和搅拌器24均为现有设备的组装，因此具体型号和规格没有进行赘述。

本发明提供的用于回收污水中碳、氮、磷和水的方法，其方法如下所述：

步骤1、城市污水通过污水管网进入集水池1，进入集水池1内的污水通过格栅9截留大部分悬浮物和漂浮物后，通过提升泵10进入沉砂池2；

步骤2、进入沉砂池2的污水被泵入第一反应器3进行处理，第一反应器3内设置有超滤膜组件7和曝气石13，经过超滤膜组件7过滤后分离出的水被泵入原料液储存器5，经过第一反应器3处理后的浓缩液富含被分离出的有机物通过管路进入第二反应器4进行厌氧消化产出甲烷；

步骤3、原料液储存器5内的进水作为原料液，以常用农业肥料钾肥中主成分kcl的高盐溶液作为汲取液储存器6中的汲取液，随着正渗透系统的运行，利用高低渗透压差，使得原料液储存器5中的原料液不断地通过渗透膜组件7进入汲取液储存器6中，稀释后的汲取液可直接运用于农田灌溉，实现水资源的灌溉回用，原料液储存器5中浓缩后的原料液中氮、磷资源不断被浓缩富集后进入沉淀池8；

步骤4、进入沉淀池8的浓缩液通过调节ph值、氮镁磷比条件，在沉淀池8中生成鸟粪石沉淀，作为缓释肥回收利用，沉淀池8中的上清液再被泵入回流至第二反应器4中进行厌氧消化，实现碳资源的完全回收；

步骤5、第二反应器4中厌氧消化产生甲烷后，残存的氮、磷资源可被继续回收，将第二反应器4中的上清液回流至原料液储存器5内重新进行处理利用。

步骤1中的沉砂池2为曝气沉砂池。

步骤2中的超滤膜组件12所用超滤膜为平板膜，单片膜的有效面积为0.1m²，膜片尺寸长×宽×高＝320×220×5mm³，膜孔径为0.1μm，膜材质为聚偏氟乙烯，支撑板材质为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。

步骤3中的渗透膜组件7所用正渗透膜属于不对称膜，由活性层和支撑层组成，其中活性层的材质为三醋酸纤维，支撑层材质为聚酯，正渗透膜的有效面积30cm²，流道深度为2mm。

步骤4中的鸟粪石为一种缓释肥料，含mg：n：p的比例为1:1:1，ph值控制在5-9.5，有利于这种复合肥料的形成。

本发明的工作原理：

城市污水通过市政管网进入集水池1。污水通过格栅9截留大部分悬浮物和漂浮物后，通过提升泵10进入沉砂池2。沉砂池2出水水质：cod浓度为270mg/l，tn浓度为56.9mg/l，nh4⁺-n浓度为47.8mg/l，tp浓度为4.9mg/l，po4^3--p浓度为4.14mg/l。

然后，沉砂池2出水通过第一蠕动泵11进入第一反应器3，第一反应器3内设置有超滤膜组件12以及曝气石13。超滤膜组件12中的超滤膜有效面积为0.1m²，膜片尺寸长×宽×高＝320×220×5mm³，膜孔径为0.1μm。运行结束后得到原水体积的1/11.5的浓缩液，10.5/11.5的超滤膜组件12出水。在实现污水中悬浮物和胶体有机物的低碳回收的同时，得到富含氮、磷物质的膜出水，第一反应器3中的浓缩液通过第二蠕动泵14进入第二反应器4厌氧消化产甲烷，实现能源的回收；第一反应器3中超滤膜组件12出水因不含固体物质和病原体且富含氮磷元素，通过第三蠕动泵15进入原料液储存器5，回收污水中氮、磷资源。运行期间控制第一反应器3中的曝气量50l/h、温度25℃、通量20lmh等参数条件。超滤膜组件12中的超滤膜的清洗方法简单方便，将膜片上的有机物轻刮除，返回至浓缩液，再用一定体积的纯水清洗膜表面，清洗液回到浓缩液中，然后用水冲洗膜表面以看不到明显残留污染物为准，最后用次氯酸钠溶液(有效氯浓度2000mg/l)浸泡2h，再用水冲洗膜表面残余的化学药剂，即可恢复最初状态的75％。碳资源的回收率可达80％左右。超滤段出水cod浓度为42.89mg/l，tn浓度为24.3mg/l，nh4⁺-n浓度为16.5mg/l，tp浓度为6.43mg/l，po4^3--p浓度为6.4mg/l。

原料液储存器5中的出水通过第七蠕动泵22引入渗透膜组件7。在渗透膜组件7的正渗透过程中，以原料液储存器5进水作为原料液，以常用农业肥料钾肥中主成分kcl的高盐溶液作为汲取液储存器6中的汲取液，原料液与汲取液分别通过第七蠕动泵22和第八蠕动泵23进入渗透膜组件7，然后再分别回到原料液储存器5与汲取液储存器6中，浓缩液的体积为原料液的1/10。利用高低渗透压差，原料液储存器5中的水不断地通过渗透膜组件7进入汲取液储存器6中，渗透膜组件7中的正渗透膜的有效面积30cm²(50mm×60mm)，流道深度为2mm。汲取液储存器6中稀释后的汲取液可直接用于农田灌溉，实现水资源的回收，水的回用率为85％以上；原料液储存器5中浓缩后的原料液中氮、磷资源不断浓缩富集，以便后续鸟粪石回收。在原料液储存器5中设置有电导率仪19以及ph值测试仪20。运行期间控制错流速度15cm/s、温度25℃、汲取液浓度2mol/l等参数条件。渗透膜组件7中的正渗透膜运行完成后膜污染小，易于清洗，只需要进行15min物理清洗(气水比：240l/h：40l/h)膜通量即可恢复75％以上。正渗透段浓缩液cod浓度为220.88mg/l，tn浓度为123.93mg/l，nh4⁺-n浓度为84.15mg/l，tp浓度为57.23mg/l，po4^3--p浓度为56.96mg/l。

原料液储存器5中的浓缩液通过第六蠕动泵21进入沉淀池8进行鸟粪石化学沉淀。沉淀池8中设有ph值测试仪20和搅拌器24。通过调节ph值控制在9.2，反应时间为20min，n(nh4⁺)∶n(mg²⁺)∶n(po3^4－)为4：1.2：1，搅拌速度为200rpm，沉淀时间为1h，收集上清液后沉淀部分在40℃条件下烘干48h。污水中的氮、磷资源不断浓缩，以鸟粪石沉淀形式存在，可作为缓释肥回收利用，实现氮、磷资源的回收，氮回收率达80％以上，磷回收率达75％以上，其回收磷产品中有效磷含量达15％以上。沉淀池8上清液cod浓度为220.88mg/l，tn浓度为48.35mg/l，nh4⁺-n浓度为12.44mg/l，tp浓度为10.31mg/l，po4^3--p浓度为10.2mg/l。

沉淀池8上清液通过第五蠕动泵18进入第二反应器4厌氧消化产甲烷。厌氧消化产甲烷后，收集气体产能，实现碳资源的回收；底泥可直接作固废处理。由于超滤段浓缩液以及鸟粪石回收段上清液中氮、磷资源并没有被完全回收，因此第二反应器4厌氧消化产甲烷后的上清液通过第四蠕动泵17回流至原料液储存器5，继续进行浓缩富集。