專利名稱：一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及污水處理并回收領域，尤其涉及一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法。
背景技術：
磷作為地球上一種不可自然再生的有限資源，全球范圍內普遍存在著陸地磷礦產資源日益匱乏與水環(huán)境中磷含量過高而導致水體富營養(yǎng)化這一矛盾。水體富營養(yǎng)化問題是當前主要的環(huán)境問題之一，嚴重制約了社會和經濟的可持續(xù)發(fā)展。磷作為營養(yǎng)因子是誘發(fā)水體富營養(yǎng)化的重要因素之一。其中水體中的磷主要來源于生活污水、洗滌劑和工業(yè)廢水，如何有效地去除廢水中的磷一直是世界各國環(huán)境工程研究者研究的熱點問題。國內外研究者對除磷理論、技術及其相關工藝進行了大量的研究。但大部分以消耗大量資源、能量為代價將污水中的氮、磷等污染物去除，存在“以能耗能”污染轉嫁的缺點。所以，打破傳統(tǒng)污水 除磷工藝，實現污水中磷的資源化成為是科學界關注的焦點。近年來以鳥糞石(MAP =MgNH4PO4 6H20)形式回收為研究熱點。以鳥糞石形式回收的除磷技術可以用來處理高濃度氨氮廢水和高濃度磷酸鹽廢水以及同時含有高濃度氨氮和磷酸鹽廢水，還能減少廢水中產生一些氮氧化物類型的大氣溫室氣體。但是這些研究主要側重于化學法回收處理，化學法除磷不僅是藥劑價格昂貴、運行費用較高、另外使大量陰離子殘留在水中，導致水的鹽度增加，造成二次污染，同時出水的氮、磷含量都還未達到排放標準，還需用做進一步的處理。而生物除磷耦合磷資源化過程是經濟合理的技術路線，這種技術也逐漸成為可能。在研究污水處理廠磷的總量遷移變化規(guī)律時，首次發(fā)現其總磷損失達30%-45%，并證實了磷的損失多以氣態(tài)磷化氫形式進入大氣。進而在濕地、垃圾填埋場、養(yǎng)殖場等地方都檢測到磷化氫，甚至在南極的生物圈中均有磷化氫的存在。現有研究表明，污水中的磷完全可能作為磷化氫的前體物，在厭氧微生物作用下，被還原生成磷化氫，以自由態(tài)、基質吸附態(tài)磷化氫(matrix-bound )形式存在。根據我們前期對廢水厭氧處理過程中磷的調查研究發(fā)現，其中總磷損失最大達78%。這些發(fā)現對污水除磷以及磷回收循環(huán)過程提供了思路，它不但表明污水除磷過程中，磷可以以氣態(tài)形式進行去除，還表明磷可以以氣態(tài)形式在循環(huán)過程中進行資源化回收。所以磷化氫在污水處理過程中的發(fā)現立刻引起了人們的普遍關注，它在污水除磷工藝中如何產生？它如何參與污水磷的去除和資源化循環(huán)？磷化氫產生后進入水體、大氣如何搜集、資源化？對于揭示污水磷的厭氧生物去除、資源化機制、開發(fā)污水磷去除、循環(huán)的新途徑具有重要的科學意義和應用前景。在磷的生物地球化學循環(huán)中，長期以來一直認為氣態(tài)磷化氫在自然界是不存在的。直到1988年，研究者首次發(fā)現污水處理廠損失的磷是以氣態(tài)磷化氫形式進入大氣的。隨后，在垃圾填埋場、養(yǎng)殖場、河流和生物體中陸續(xù)檢測出了以游離態(tài)形式存在的磷化氫，隨著磷化氫在不同環(huán)境中紛紛被檢出，磷化氫最終被確認為一種廣泛存在于大氣中的痕量氣體。自然環(huán)境中磷化氫的發(fā)現是對磷循環(huán)理論的重要補充，改變了過去認為大氣中的磷是由附著在大氣飄塵或降塵顆粒上的無機磷酸鹽所構成的不正確看法。因此，在磷的生物地球化學循環(huán)中，必須考慮磷化氫的存在及其地位和作用。由于自然環(huán)境中磷化氫含量甚微，受樣品的采集、保存、富集和檢測技術等條件的影響，早期的分析方法和技術手段難以實現對環(huán)境中痕量磷化氫的定量測定，有關環(huán)境中磷化氫行為的研究還沒有廣泛開展起來。磷化氫是一種有毒并可致癌的活潑還原性氣體，人體吸入少量便會導致惡心、嘔吐、胸悶、腹瀉等癥狀，嚴重時會導致肺部水腫甚至昏迷死亡。所以這一化合物在環(huán)境中的發(fā)現立刻引起人們的普遍關注，建立靈敏可靠的分析方法是開展環(huán)境中磷化氫研究的前提。因此研究污水除磷厭氧反應器系統(tǒng)及其工藝中的磷如何轉化成磷化氫、磷化氫又如何向廢水水體釋放、它在反應器中如何產生以及最終如何穩(wěn)定資源化等問題，進而揭示廢水中磷的轉化過程和去除機理，建立資源化再生工藝技術，對拓寬污水除磷生物技術的應用范圍，改變傳統(tǒng)“以能耗能”的技術具有重大意義。已有研究表明湖泊、濕地、水稻田既是大氣中氣態(tài)磷化氫的來源之一，也是氣態(tài)磷 化氫最重要的匯。Gassmann首次在德國漢堡港和德國灣底層未過濾水體中檢測到PH3，其濃度最高達到12. 5 pg L-1，而相同水體過濾后卻沒有檢測到PH3。本申請人在太湖和烏龍?zhí)哆^濾和未過濾水體中均檢測到PH3存在，未過濾湖水比過濾湖水中的PH3含量高2 14倍，湖水中PH3的垂直變化很小，同時還發(fā)現沉積物中吸附態(tài)磷化氫的濃度比湖水中的濃度高達103-105倍。這些研究者均認為水體中PH3主要以基質結合態(tài)磷化氫(MBP)的形式存在。2002年俞志明等首次在膠州灣典型養(yǎng)殖海域沉積物中檢測到ng/kg(干重)數量級的基質結合態(tài)磷化氫，其濃度最高可達685ng/kg。母清林等也調查分析了膠州灣沉積物中基質結合態(tài)磷化氫的含量和分布，檢測結果顯示磷化氫最高濃度達43. 75ng/kg (干重)。污水磷化氫的產生、污泥吸附不僅直接影響除磷效率，而且也直接與其資源化過程密切相關，因此，很有必要對污泥中基質結合態(tài)磷化氫進行深入研究。在污水磷處理過程中，厭氧微生物等產生釋放的氣態(tài)磷化氫釋放到大氣之前首先要與污泥達到吸附-脫附平衡，不被吸附的過量氣態(tài)磷化氫才釋放到大氣中。污水中磷經過微生物的還原作用可生成磷化氫，污水中的磷化氫很容易被吸附到污泥顆粒上，形成基質結合態(tài)磷化氫(MBP)。因此，深入開展污泥中基質結合態(tài)磷化氫的脫附，對于污水中磷化氫的搜集、穩(wěn)定資源化研究，尋找提高污水磷去除率的途徑，構建厭氧條件下污水中磷的資源化工藝，發(fā)展可持續(xù)的污水處理、資源再生技術均有重要的意義，目前這方面的研究國內外鮮見報道。磷是土壤中最重要的元素之一。在我國，74%的耕地土壤缺磷，土壤中95%以上的磷為無效形式，農作物很難直接吸收利用，所以磷的生物可利用性一直是科學界關注的焦點。磷化氫很容易被吸附到土壤顆粒上，形成基質結合態(tài)磷化氫，Han等研究發(fā)現土壤中總磷的0. 74%被轉化為磷化氫儲藏在土壤中，產生的磷化氫極易被土壤顆粒所吸附儲藏。在污水除磷耦合磷的資源化過程中，如果能將污水中的磷轉化為磷化氫，通過磷化氫在土壤吸附劑的高吸附儲藏，并施用到土壤中，土壤吸附劑中的磷化氫將轉變?yōu)橐妆晦r作物吸收利用的活性磷酸鹽，對于磷限制土壤尤顯重要。對于促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義，目前國內外尚未有這方面的研究報道。
為了克服目前排泥除磷主要技術存在的以下問題一、污泥排放量大，剩余污泥處置難度大。針對目前磷化氫有效轉化這方面技術的空白，提出了本發(fā)明。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現有技術存在的不足，提供一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法，具體技術方案如下。一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法，包括以下步驟
a)初步沉淀
將污水管道收集的污水通過粗格柵過濾去除固體雜物后進入沉砂集水池，通過水泵將沉砂集水池污水抽取提升通過細格柵過濾少量泥砂后進入調整池，通過循環(huán)水泵及連接的射流器，向池底部裝敷設的穿孔曝氣管通水曝氣及攪動水體，保持水質相對 穩(wěn)定;
b)將污水中的磷轉化為磷化氫除磷
通過將曝氣量集中分布于膜-生物反應器(Membrane Bio-Reactor, MBR)的膜區(qū)下方，在所述膜區(qū)局部形成溶解氧濃度大于2. 02mg/L的好氧區(qū)，其它區(qū)域溶解氧濃度小于I. 02mg/L,并通過形成循環(huán)流場形態(tài)(通過攪拌或者加設循環(huán)泵)，形成好氧-兼氧-厭氧的交替分布流場形態(tài)，實現好氧吸磷-厭氧釋磷的生化反應環(huán)境；通過維持所述膜-生物反應器內污泥濃度為15000 25000mg/L，提高了污泥的自身消化速率，促進了兼性菌消化死亡釋磷；磷在厭氧區(qū)被微生物釋放出來后，在所述膜-生物反應器中的磷酸鹽還原菌的作用下，轉化為磷化氫釋放，并經曝氣系統(tǒng)吹脫經管道存入儲氣缸，將上述除磷后的水沉淀60-80分鐘后得上清液；
c)磷化氫的轉化
將步驟b)所得到的儲氣缸中的磷化氫用管道接入污泥池并攪拌，磷化氫很容易被吸附到污泥顆粒上，形成基質結合態(tài)磷化氫MBP，再加入土壤吸附劑，通過磷化氫在土壤吸附劑的高吸附儲藏，施用到土壤中，土壤吸附劑中的磷化氫將轉變?yōu)橐妆晦r作物吸收利用的活性磷酸鹽，即磷肥，用于缺磷土壤或者磷以無效形式存在的土壤；
d)凈化水的回收
將步驟b)得到的上清液經管道送入消毒池，經過快速混合法氯化消毒，即次氯酸鈉或漂白粉或氯片消毒，后沉淀1-1. 2小時，精濾，去除水中的剩余雜質，得到處理回收的凈化水。優(yōu)選地，按質量百分比其所述土壤吸附劑還可以是由75、2%氧化劑、5 20%
膨松劑、(T2%吸附劑、(T2%防結塊劑、(T2%分散劑組成；
進一步的，所述土壤吸附劑為草炭與腐殖酸的混合物。所述土壤吸附劑中草炭與腐殖酸的重量比混合比例為I :1。所述氧化劑為高錳酸鉀；
所述膨松劑為木屑或白炭黑；所述防結塊劑為石墨粉；所述分散劑為二氧化硅及粉煤灰。優(yōu)選地，按質量百分比其所述土壤吸附劑還可以是由25 33%草木泥炭、20 33%水蘚泥炭和25 50%氮肥混合而成。優(yōu)選地，按質量百分比其所述防結塊劑還可以是由80 82%硬脂酸、15 22%工業(yè)石蠟混合而成。與現有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和效果
本發(fā)明通過對曝氣系統(tǒng)布設進行優(yōu)化，將曝氣強度幾種分布在膜組件下部，形成膜區(qū)局部為好氧區(qū)，為微生物好氧吸磷提供了生化反應條件；污水從膜區(qū)經循環(huán)流場形態(tài)上升至膜區(qū)上部，由于溶解氧在膜區(qū)中下部被微生物快速利用，在膜區(qū)上部及膜組件外部基本形成兼氧區(qū)，微生物在兼氧區(qū)釋放磷；通過微濾膜的截留作用，實現了磷化氫還原菌在系統(tǒng)的富集生長，為磷的氣化去除提供了條件，通過構造適合磷的氣化去除生化反應環(huán)境，實現了磷的新的去除方式，避免了傳統(tǒng)的排泥除磷的傳統(tǒng)工藝路線。克服傳統(tǒng)生物除磷污水處理工藝為實現磷在兼氧條件系磷的釋放，防止磷在污泥中的積累，需要采用兼氧+好氧的組合處理模式，構筑物分置，占地大，運行管理復雜的缺陷。克服現有常規(guī)生化處理工藝及膜生物反應器工藝通過排泥除磷存在的污泥處置 難度大、占地大的缺陷。
具體實施例方式實施例I
一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法，包括以下步驟
a)初步沉淀
將污水管道收集的污水通過粗格柵過濾去除固體雜物后進入沉砂集水池，通過水泵將沉砂集水池污水抽取提升通過細格柵過濾少量泥砂后進入調整池，通過循環(huán)水泵及連接的射流器，向池底部裝敷設的穿孔曝氣管通水曝氣及攪動水體，保持水質相對穩(wěn)定;
b)將污水中的磷轉化為磷化氫除磷
通過將曝氣量集中分布于膜-生物反應器(Membrane Bio-Reactor, MBR)的膜區(qū)下方，在所述膜區(qū)局部形成溶解氧濃度大于2. 02mg/L的好氧區(qū)，其它區(qū)域溶解氧濃度小于I. 02mg/L,并通過形成循環(huán)流場形態(tài)(通過攪拌或者加設循環(huán)泵)，形成好氧-兼氧-厭氧的交替分布流場形態(tài)，實現好氧吸磷-厭氧釋磷的生化反應環(huán)境；通過維持所述膜-生物反應器內污泥濃度為15000 25000mg/L，提高了污泥的自身消化速率，促進了兼性菌消化死亡釋磷；磷在厭氧區(qū)被微生物釋放出來后，在所述膜-生物反應器中的磷酸鹽還原菌的作用下，轉化為磷化氫釋放，并經曝氣系統(tǒng)吹脫經管道存入儲氣缸，將上述除磷后的水沉淀60分鐘后得上清液；
通過微濾膜的截留作用，實現了磷化氫還原菌在系統(tǒng)的富集生長，為磷的氣化去除提供了條件，形成如下的連續(xù)式生化反應
磷的吸收
adp+h3po4+ 能量一atp+h2o (好氧環(huán)境)
磷的釋放
atp+h2o — adp+h3po4+ 能量 (厭氧環(huán)境)
磷的氣化轉化
H3PO4+磷酸鹽還原菌一磷化氫(厭氧環(huán)境)c)磷化氫的轉化
將步驟b)所得到的儲氣缸中的磷化氫用管道接入污泥池并攪拌，磷化氫很容易被吸附到污泥顆粒上，形成基質結合態(tài)磷化氫(MBP matrix-bound phosphine),再加入土壤吸附齊U，通過磷化氫在土壤吸附劑的高吸附儲藏，施用到土壤中，土壤吸附劑中的磷化氫將轉變?yōu)橐妆晦r作物吸收利用的活性磷酸鹽，即磷肥，用于缺磷土壤或者磷以無效形式存在的土壤；所述土壤吸附劑為草炭與腐殖酸的混合物，混合比例為I :1 ；
d)凈化水的回收
將步驟b)得到的上清液經管道送入消毒池，經過快速混合法氯化消毒，即次氯酸鈉或漂白粉或氯片消毒，后沉淀I小時，精濾，去除水中的剩余雜質，得到處理回收的凈化水。
NO:
權利要求
1.一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法，其特征在于該工藝包括以下步驟 a)初步沉淀 將污水管道收集的污水通過粗格柵過濾去除固體雜物后進入沉砂集水池，通過水泵將沉砂集水池污水抽取提升通過細格柵過濾泥砂后進入調整池，通過循環(huán)水泵及與循環(huán)水泵連接的射流器，向調整池底部敷設的穿孔曝氣管通水曝氣及攪動水體； b)將污水中的磷轉化為磷化氫除磷 通過將曝氣量集中分布于膜-生物反應器的膜區(qū)下方，在所述膜區(qū)局部形成溶解氧濃度大于2. 02 (mg/L)的好氧區(qū)，其它區(qū)域溶解氧濃度小于I. 02 (mg/L)，并通過形成循環(huán)流場形態(tài)，形成好氧-兼氧-厭氧的交替分布流場形態(tài)，實現好氧吸磷-厭氧釋磷的生化反應環(huán)境；通過維持所述膜-生物反應器內污泥濃度為15000 25000(mg/L);磷在厭氧區(qū)被微 生物釋放出來后，在所述膜-生物反應器中的磷酸鹽還原菌的作用下，轉化為磷化氫釋放，并經曝氣系統(tǒng)吹脫經管道存入儲氣缸，將上述除磷后的水沉淀60-80分鐘后得上清液； c)磷化氫的轉化 將步驟b)所得到的儲氣缸中的磷化氫用管道接入污泥池并攪拌，磷化氫很容易被吸附到污泥顆粒上，形成基質結合態(tài)磷化氫MBP，再加入土壤吸附劑，通過磷化氫在土壤吸附劑的吸附儲藏，施用到土壤中，土壤吸附劑中的磷化氫將轉變?yōu)楸晦r作物吸收利用的活性磷酸鹽，即磷肥，用于缺磷土壤或者磷以無效形式存在的土壤；d)凈化水的回收 將步驟b)得到的上清液經管道送入消毒池，經過快速混合法氯化消毒，即次氯酸鈉或漂白粉或氯片消毒，后沉淀1-1. 2小時，精濾，去除水中的剩余雜質，得到處理回收的凈化水。
2.根據權利要求2所述的一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法，其特征在于所述土壤吸附劑為草炭與腐殖酸的混合物。
3.根據權利要求3所述的一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法，其特征在于所述土壤吸附劑中草炭與腐殖酸的重量比混合比例為I :1。
4.根據權利要求1-3所述的一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法，其特征在于按質量百分比計，所述土壤吸附劑由75 92%氧化劑、5 20%膨松劑、0 2%吸附劑、0 2%防結塊劑、(T2%分散劑組成；所述氧化劑為高錳酸鉀；所述膨松劑為木屑或白炭黑；所述防結塊劑為石墨粉；所述分散劑為二氧化硅及粉煤灰。
5.根據權利要求4所述的一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法，其特征在于按 質量百分比計所述防結塊劑由80 82%硬脂酸、15 22%工業(yè)石蠟混合而成。
6.根據權利要求I所述的一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法，其特征在于按質量百分比計所述土壤吸附劑由25 33%草木泥炭、20 33%水蘚泥炭和25 50%氮肥混合而成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高效除磷的耦合式污水凈化再生處理方法，以城市污水為處理對象；該再生處理方法包括a)初步沉淀、b)將污水中的磷轉化為磷化氫除磷、c)磷化氫的轉化、d)凈化水的回收。本發(fā)明將城市污水回收利用，并將污水處理后的污泥全部回收利用，去除有機污染物和脫氮，填補了目前磷化氫有效轉化利用的技術空白。
文檔編號C02F9/14GK102775020SQ20121025935
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月25日 優(yōu)先權日2012年7月25日
發(fā)明者牛曉君 申請人:華南理工大學