一种超声波辅助回收城市污水中碳、氮、磷资源的系统及方法

本发明涉及废水资源化技术领域，特别是涉及一种超声波辅助回收城市污水中碳、氮、磷资源的系统及方法。

背景技术：

随着社会的不断发展，由耗能型水处理技术向资源化和能源化技术转变已经成为未来发展的趋势。目前，研究者们更注重的是从污水或污泥单线对其碳氮磷资源的回收，而在污水处理过程中同步回收污水及污泥中的资源的资源化工艺还鲜有报道。污水资源化技术也没有考虑到污水中资源的回收过程中其污染物转移到污泥后导致的资源回收的绝对量的降低，而污泥资源化往往是在污水经过生物处理后单独对污泥进行资源化回收，没有考虑到可以在生物处理过程中将污泥中的有机物及营养物进行回收利用。

城市污水中含有大量的资源和能源，逐渐被认为是“放错了地方的资源”，有研究表明城市污水中蕴含的潜能(热能、化学能)值可能为污水处理耗能的9-10倍。城市污水中还含有丰富的再生水资源，它经过适当的处理后，其出水可以转化为高质量的再生水回用。而且城市污水中的有机物含有大量的化学能，若尽可能将其转化为能源(如ch4)被污水厂加以利用，则有望实现污水厂的“碳中和”运行。城市污水中也含有大量的氮资源，主要来源于人类的排泄物及农业化肥。除了氮资源，城市污水中也存在大量磷，我国城市污水中磷的浓度普遍在4～7mg/l范围内。

膜分离技术是一种高效的物理分离技术，由于其对污水中营养物质的高效截留和能耗小等优势进入了我们的视野，而膜污染控制是膜技术关注的重点。目前，关于膜污染控制主要有三个方向：其一，通过改变膜材料性质控制膜污染；其二，通过改变反应器内混合液的性质控制膜污染；其三，通过膜清洗控制膜污染。其中膜清洗是工程上最普遍采用的膜污染控制方法，但物理清洗膜通量恢复效果有限，化学清洗成本高且对膜组件有损伤；而关于改变膜材料及其性质的研究还处于研究状态。已有研究表明超声能有效的控制膜污染，提高膜的过滤性能，也能改变混合液的性质，但长时间不间断使用会对膜造成损伤，需要控制在合理的超声强度和辐射时间范围内。

厌氧消化技术能在去除污染物的同时回收甲烷，是主流的污泥处理技术，可实现污泥的无害化和资源化，但是传统厌氧消化存在着厌氧消化时间长、底物利用率低等缺点，成为制约厌氧消化系统处理效率的重要因素。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种超声波辅助回收污水中碳、氮、磷资源的系统及方法。以解决上述现有技术存在的问题，通过构建高负荷生物絮凝反应器捕集浓缩城市污水中的碳资源，并通过超声波在线-离线辅助高负荷生物絮凝反应器，减小反应器内超滤膜的膜污染，减小运行成本；对部分高负荷生物絮凝反应器浓缩液进行超声波处理，利用超声波进一步破解污泥释放其中的有机物和营养物，本系统提高了污水中碳氮磷资源的回收率，为后续资源回收提供了保障。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种超声波辅助回收城市污水中碳、氮、磷资源的系统，包括集水池、高负荷生物絮凝反应器、超声池、厌氧消化池和蠕动泵，所述集水池与所述高负荷生物絮凝反应器通过管道连接，所述高负荷生物絮凝反应器底部出口与所述超声池入口通过管道连接，所述高负荷生物絮凝反应器入口和超声池通过管道连接，所述高负荷生物絮凝反应器入口和超声池连接的管道上设置有所述蠕动泵，超声处理后污水通过蠕动泵驱动经管道回流至所述高负荷生物絮凝反应器入口处，所述厌氧消化池底入口与所述超声池池底出口通过管道连接，所述高负荷生物絮凝反应器底部出口与所述超声池入口管道和所述厌氧消化池底入口与所述超声池池底出口管道上安装有阀门。

优选地，所述集水池用于储存污水，所述集水池内部设有格栅，格栅用于截留污水中的悬浮物和漂浮物，底部安装有提升泵，所述提升泵与所述高负荷生物絮凝反应器内的管道连接。

优选地，所述高负荷生物絮凝反应器包括圆形反应器、超滤膜组件、曝气砂盘、第一超声波发生器、曝气泵和气体流量计，所述高负荷生物絮凝反应器以圆形反应器为构架，所述曝气砂盘安装在所述圆形反应器底部，所述曝气泵与所述曝气砂盘之间通过管道连接，所述曝气池与所述曝气砂盘之间连接的管道上设置有所述气体流量计，所述圆形反应器内设有若干卡槽，所述卡槽内安装有所述超滤膜组件。所述气体流量计用于控制曝气气体流量，曝气砂盘用于提供冲刷膜丝表面和保证浓缩液混合均匀的空气。

优选地，所述圆形反应器直径10-12cm，高30-35cm。更优选地，所述圆形反应器直径10cm，高30cm，圆形反应器于25cm高处设有卡槽，用于安装超滤膜组件。

优选地，所述超滤膜组件中超滤膜采用孔径为0.03-0.05μm的中空纤维膜。更优选地，所述超滤膜组件中超滤膜采用孔径为0.03μm的中空纤维膜(聚偏氟乙烯(pvdf))，膜面积为0.28m²。所述第一超声波发生器安装于所述圆形反应器中，所述第一超声波发生器探头于水中，该超声波发生器为间歇在线运行。高负荷生物絮凝反应器底部设有出口，与超声池池底入口通过管道相连，管道上安装有第一阀门，此处为本系统的泥线。超滤膜组件上方设出水口，处理后的污水会从超滤膜组件上方的出水口出水，此处为本系统的水线。

优选地，所述第一超声波发生器间歇离线运行。

优选地，所述超声池为圆形构筑物，内设有第二超声波发生器。所述超声池池底入口与所述高负荷生物絮凝反应器底部出口相连，两反应器连接管道上设有第二阀门。

优选地，所述第二超声波发生器间歇离线运行。

优选地，所述厌氧消化池为圆形构筑物，所述厌氧消化池内部设有搅拌器。所述厌氧消化池池底入口与所述超声池池底出口管道连接，两反应器连接管道上设有阀门。

本发明还提供一种所述超声波辅助回收城市污水中碳、氮、磷资源的系统回收城市污水中碳、氮、磷资源的方法，包括以下步骤：

s1、城市污水通过污水管网进入所述集水池，进入所述集水池内的污水通过所述格栅截留大部分悬浮物和漂浮物，通过所述提升泵将所述集水池出水提升至所述高负荷生物絮凝反应器中；

s2、所述集水池出水进入所述高负荷生物絮凝反应器后，通过污水中自带的微生物的生长繁殖及后续产生的生物絮凝现象将污水中的碳资源捕集浓缩，经所述超滤膜组件将污水中的碳资源截留下来，处理后的污水经由所述高负荷生物絮凝反应器中所述超滤膜组件上方出口出水，被截留下的部分(30％)高含碳浓缩液由所述高负荷生物絮凝反应器底部出口进入所述超声池，所述负荷生物絮凝反应器内的所述第一超声发生器视超滤膜膜污染情况开启；

s3、所述高负荷生物絮凝反应器捕集的高含碳浓缩液进入所述超声池，关闭所述超声池通往所述厌氧消化池的第二阀门，打开所述超声池中的所述第二超声波发生器，对进入的高含碳浓缩液进行超声波处理；

s4、经过超声波处理后的浓缩液回流至所述高负荷生物絮凝反应器：关闭所述超声池与所述厌氧消化池之间的第二阀门，打开浓缩液回流系统的蠕动泵，将经过超声波处理后的浓缩液回流至所述高负荷生物絮凝反应器；或

经过超声波处理后的浓缩液进入所述厌氧消化池：关闭所述超声池中浓缩液回流系统蠕动泵，所述超声池出水进入所述厌氧消化池，让经过超声波处理后的浓缩液进入厌氧消化产甲烷，厌氧消化池上清液进行出水处理，所述出水处理为与水线富含氮磷资源的出水混合，可用于灌溉农田或后续资源回收厌氧消化；污泥从池底排出，进行厌氧发酵处理。

本发明公开了以下技术效果：

1.本发明从水线和泥线同步回收污水和污泥中的有机物和营养物，从物质转移角度，全系统地捕集和回收水线和泥线中的资源。

2.在线-离线超声系统中两处超声发生器相互协同工作，利用超声波空化作用破解后浓缩液回流至高负荷生物絮凝反应器可缓解超滤膜组件的膜污染20％，使反应器稳定运行，降低膜清洗频率，降低运行成本15％。调控浓缩液无法缓解超滤膜组件膜污染时，开启间歇在线超声波发生器对膜组件进行清理，可大大减少对膜的损伤，延长膜组件的使用寿命20％。

3.浓缩液通过在线-离线超声系统处理后进一步释放其中有机物和营养物，更大程度地提高了资源回收率。在厌氧消化池中，破解后的浓缩液释放其中的有机物和营养物，在污泥浓度为3000mg/l时碳资源浓度为超声破解前的10倍以上，产甲烷量可以提高28％；氮磷资源释放至厌氧消化池上清液的浓度为超声破解前的12倍以上，提高了厌氧消化中底物的利用率。

4.高负荷生物絮凝反应器捕获城市污水中的碳资源，超滤膜组件出水富含氮磷资源，与厌氧消化池上清液的高含氮磷出水混合，有利于提高灌溉水的肥效或在后续氮磷营养物回收单元变成肥料的经济性，提高整个系统的资源回收率100％以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明超声辅助捕集城市污水中碳、氮、磷资源的系统整体结构示意图，其中，集水池1，高负荷生物絮凝反应器2，超声池3，厌氧消化池4，蠕动泵5，第一超声波发生器6，圆形反应器7，超滤膜组件8，曝气砂盘9，曝气泵10，气体流量计11，第二超声波发生器12，第一阀门13，搅拌器14，第二阀门15，格栅16，提升泵17。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

高负荷生物絮凝反应器2内的超声发生器在反应器内运行称为在线超声，而高负荷生物絮凝反应器2捕集碳资源的浓缩液进入超声池3进行超声波处理为离线超声，在本发明中称此组合超声系统为在线-离线超声系统。

实施例1

本发明提供了一种超声波辅助回收污水中碳、氮、磷资源的系统，如图1所示，该系统包括集水池1，高负荷生物絮凝反应器2，超声池3，厌氧消化池4，蠕动泵5，第一超声波发生器6，圆形反应器7，超滤膜组件8，曝气砂盘9，曝气泵10，气体流量计11，第二超声波发生器12，第一阀门13，搅拌器14，第二阀门15，格栅16，提升泵17。其中，集水池1与高负荷生物絮凝反应器2通过管道连接，集水池1用于储存污水，且内部设有格栅16用于截留污水中的悬浮物和漂浮物，集水池1底部安装有提升泵17，将污水通过管道提升至高负荷生物絮凝反应器2。污水进入高负荷生物絮凝反应器2后，污水中自带的微生物的生长繁殖及后续产生的生物絮凝现象将污水中的碳资源捕集浓缩；圆形反应器7底部安装有曝气砂盘9，由曝气泵10曝气，气体流量计11控制曝气气体流量，控制在70l/min，曝气用于冲刷膜丝表面和保证浓缩液混合均匀。在圆形反应器7高25cm处设有卡槽，用于安装超滤膜组件8，由于超滤膜的高效截留作用，将高含碳资源的生物絮体截留下来，将污水中的有机物浓缩捕集，经超滤膜处理后的水从超滤膜组件8上方出水口出水，该出水不含病原体且高含碳氮资源，与后续厌氧消化池4的上清液混合，可用于灌溉农田或后续资源回收；圆形反应器7内安装有第一超声波发生器6，在高负荷生物絮凝反应器2运行一段时间后，超滤膜组件8的膜污染通过混合液调控措施无法得到有效缓解时，可开启圆形反应器7内的在线第一超声波发生器6对膜组件进行清理，此时超声发生器的频率为25khz，功率为15w，辐射时间3min。打开高负荷生物絮凝反应器2与超声池3之间的第一阀门13，高负荷生物絮凝反应器2内浓缩捕集下来的30％浓缩液通过圆形反应器7的底部出口经管道通往超声池3。

超声池3为圆形构筑物，内设有第二超声波发生器12。其入口与高负荷生物絮凝反应器底部2出口相连，两反应器连接管道上设有第一阀门13。将超声池3中的浓缩液在超声频率为25khz，功率为600w运行5min，处理后的浓缩液经蠕动泵5回流至高负荷生物絮凝反应器2，利用超声混合液缓解膜分离系统中的膜污染。

特别注意的是在线-离线超声系统中超声波发生器相互协同工作，高负荷生物絮凝反应器浓缩捕集的浓缩液进入超声池后，经超声池中离线超声波空化作用，浓缩液中的生物絮体破碎，生物絮体颗粒尺寸变小，改变浓缩液的性质，回流至负荷生物絮凝反应器可缓解超滤膜的膜污染且有利于反应器的稳定运行；当高负荷生物絮凝反应器2内超滤膜的膜污染通过浓缩液调控措施无法得到有效缓解时(跨膜压差到达20mpa-30mpa时)，需要开启高负荷生物絮凝反应器2的超声波发生器进行在线超声，对超滤膜进行清理，本发明中超声辐射为间歇超声辐射，减少了长时间在线超声辐射产生的声流和声振动等作用对膜的损伤，可延长膜组件的使用寿命。超声池3内的浓缩液中生物絮体内的有机物及营养物经超声波作用后大量释放出来，提高后续厌氧消化资源回收率。

厌氧消化池4为圆形构筑物，内部设有搅拌器14，厌氧消化池4入口与超声池3出口管道相连，两反应器连接管道上设有第二阀门15。

本发明提供回收城市污水中碳、氮、磷资源的方法，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16截留大部分悬浮物和漂浮物，通过提升泵17将污水由集水池1提升至高负荷生物絮凝反应器2中；

步骤2、集水池1出水进入高负荷生物絮凝反应器2后，通过污水中自带的微生物的生长繁殖及后续产生的生物絮凝现象将污水中的碳资源捕集浓缩，经超滤膜组件8将污水中的碳资源截留下来；处理后的污水经超滤膜组件8上方出口出水，此时超滤膜出水不含病原体且高含碳氮资源；而被截留下的部分(30％)高含碳浓缩液由高负荷生物絮凝反应器2底部出口进入超声池3。高负荷生物絮凝反应器2内的第一超声发生器6视超滤膜膜污染情况开启，第一超声发生器6的超声频率为25khz，功率15w下运行3min。

步骤3、高负荷生物絮凝反应器2捕集的浓缩液每隔24h排入超声池3，打开池中安装的第二超声波发生器12，此时超声池3中的浓缩液在超声频率为25khz,功率为600w下运行5min。

超声波处理后的浓缩液有两种去处，分别在实施例1与下面的实施例2体现。

一、经过超声波处理后的浓缩液回流至高负荷生物絮凝反应器2；

二、经过超声波处理后的浓缩液进入厌氧消化池4；

步骤4、关闭超声池3通往厌氧消化池4的第二阀门15，将经过超声波处理后的浓缩液回流至所述高负荷生物絮凝反应器2，利用超声混合液缓解膜分离系统中的膜污染。

超声池3基本原理：超声波在污泥中传播时，会使污泥中的物质的发生一系列物理化学生物的变化，表现为热学上的、力学上的作用效果。主要包括：机械效应、热效应、空化效应。机械效应超声波作为一种机械波，处理污泥时可使污泥中的物质随波的传播而作交替压缩伸张运动，引起压力的变化，机械效应产生。由于污泥中质点的加速度与超声波的振动频率的平方成正比，超声波的频率越高，污泥质点的加速度就更大，可达重力加速度的数万倍，增强污泥中物质的传递，使菌胶团能够分散，细胞裂解。热效应由于物质具有声吸收的特性，超声波传入污泥后，部分超声能将转变成热能，使污泥内物质温度升高。超声波的热学效应产生的机理主要有：超声振动传入污泥介质时能量发生转变；超声波通过污泥时，会使污泥颗粒发生周期性紧缩，以致超声波的压缩相位中的质点温度增高；超声波在不同污泥组织分界面上发生发射，形成驻波。驻波上的污泥分子相对运动，摩擦产生热，局部温度升高。这三个因素里污泥介质的声吸收是热效应形成的主要因素。空化作用超声空化是超声波在污泥中引起的一种特有的物理变化过程。在理论上，纯净液体分子的结合力强，具有极高的抗拉强度。但由于实际污泥液体中混有一些微小气泡，在超声波交变声压作用下，气泡迅速被拉开、膨胀，随后突然收缩、破裂。污泥中微小气泡随超声波振动迅速膨胀、收缩、破裂的动力学过程称为超声空化。

现有取自某城市污水处理厂沉砂池出水，其进水水质为cod：278mg/l，tn：34.9mg/l，tp：6.5mg/l，ss：412mg/l。

该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16截留大部分悬浮物和漂浮物，通过提升泵17将污水由集水池1提升至高负荷生物絮凝反应器2；进入高负荷生物絮凝反应器2后，污水中的碳资源由于污水中自带的微生物的生长繁殖，后续会产生生物絮凝的效果，将污水中的碳资源捕获保留下来；而反应器中的超滤膜组件8具有高效截留作用，将生物絮体高效截留下来；此时超滤膜出水中不含病原体，而含有高浓度的碳氮资源，此处出水水质为cod：34mg/l，tn：33mg/l，tp:6.2mg/l，ss：36mg/l；而被截留下的部分(30％)高含碳浓缩液由反应器底部进入超声池3。超声池3中安装有第二超声波发生器12，进入超声池3的浓缩液在超声频率为25khz，功率为600w下运行5min，关闭超声池3进入厌氧消化池4的第二阀门15，打开蠕动泵5，将经过超声适当处理后的浓缩液回流高负荷生物絮凝反应器2，此处回流浓缩液水质为：cod：21540mg/l，tn：1836mg/l，tp：304mg/l，ss：3240mg/l。利用超声处理后的混合液可缓解膜分离系统中的膜污染，在反应器2运行一段时间后，膜污染通过混合液调控措施无法得到有效缓解时，可开启高负荷生物絮凝反应器(2)内设置的在线超声发生装置对超滤膜组件8进行清理，可大大减少在线超声辐射产生的声流和声振动等作用对膜的损伤，延长膜组件的使用寿命。超声池3出水可也进入厌氧消化池4，利用超声波进一步破解污泥释放其中的有机物和营养物，关闭超声池中浓缩液回流系统的蠕动泵5，打开第二阀门15，让经过超声波处理后的浓缩液进入厌氧消化池4，经过厌氧反应后，厌氧消化池4上清液与高负荷生物絮凝反应器2富含氮磷的出水混合。厌氧消化污泥从池底排出，进行厌氧发酵处理。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例2中超声池3处理后的浓缩液进入厌氧消化池4，关闭超声池3中浓缩液回流系统蠕动泵5，让经过超声波处理后的浓缩液进入厌氧消化产甲烷，厌氧消化池4上清液与高负荷生物絮凝反应器2富含氮磷资源的出水混合，厌氧消化污泥从池底排出，进行厌氧发酵处理。

本实施例2中提供的回收城市污水中碳、氮、磷资源的方法与实施例1的方法中的步骤1、步骤2、步骤3相同，不同的是步骤4，实施例2中具体的步骤4如下。

步骤4、所述超声池3出水进入所述厌氧消化池4，关闭所述超声池3中浓缩液回流系统阀门，让经过超声波处理后的浓缩液进入厌氧消化产甲烷，厌氧消化池4上清液与所述高负荷生物絮凝反应器2富含氮磷资源的出水混合。厌氧消化污泥从池底排出，进行厌氧发酵处理。

厌氧消化基本原理：厌氧消化是在无氧环境下由于污泥中生长的厌氧细菌的作用，使有机物液化、气化分解成稳定物质，病原菌被杀死，污泥达到稳定的方法。厌氧消化过程可分为水解、酸化、和产甲烷3阶段，每个阶段都由一定种类的微生物完成有机物的代谢过程。第一阶段是在水解与发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂肪水解与发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等；第二阶段是在产氢产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸；第三阶段是通过两组生理上不同的产甲烷菌的作用，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组是对乙酸脱羧产生甲烷。

厌氧消化后，池中上清液水质为：cod：40mg/l，tn：1285mg/l，tp：414mg/l，ss：209mg/l。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。