生活污水的处理系统和处理方法

文档序号：29078 发布日期：2021-09-24 浏览：43次 >En<

阅读说明：本技术 生活污水的处理系统和处理方法 (Treatment system and treatment method for domestic sewage ) 是由周文栋谢永新李锐敬陈益成雒怀庆徐波黄睦凯李小强曾诗林杨炜雯于 2021-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种生活污水的处理系统和处理方法,涉及污水处理的技术领域,该处理系统包括磁粉-生物絮凝区、固液分离区、填料-微生物燃料电池区以及厌氧消化区。本发明的磁粉-生物絮凝区、固液分离区能强化碳源分离效果；填料-微生物燃料电池区通过设置多层不同填料的结构,并设置镁砂作为燃料电池的阳极填料,强化了对于废水中氮和磷的去除效果。本发明通过燃料电池和厌氧消化回收能源,不仅能有效降低系统的能耗,还能提高其能源利用效率。(The invention provides a treatment system and a treatment method for domestic sewage, and relates to the technical field of sewage treatment. The magnetic powder-biological flocculation area and the solid-liquid separation area can enhance the carbon source separation effect; the filler-microbial fuel cell area is provided with a structure of multiple layers of different fillers and magnesite as anode filler of the fuel cell, so that the removal effect of nitrogen and phosphorus in wastewater is enhanced. The invention recovers energy through the fuel cell and anaerobic digestion, not only can effectively reduce the energy consumption of the system, but also can improve the energy utilization efficiency.)

生活污水的处理系统和处理方法

技术领域

本发明涉及污水处理的

技术领域

，尤其是涉及一种生活污水的处理系统和处理方法。

背景技术

目前，农村污水的处理技术主要包括生物处理系统和生态处理系统等，其中，生物处理系统主要包括厌氧沼气池处理、生物膜技术以及高效微生物处理技术等；生态处理技术主要包括稳定塘技术、蚯蚓生态滤池、土壤渗滤技术以及人工湿地技术等。人工湿地技术在农村污水处理中的应用最为广泛，但是，单独的人工湿地存在易堵塞和处理效果不稳定等的问题，因此，开发人工湿地技术与其他生物技术或者物理化学技术联合的处理工艺迫在眉睫。

现有技术中主要以预处理+生态处理的组合工艺为处理基础，例如专利CN112479477A中采用了电絮凝、沉淀法以及人工湿地技术处理农村污水，并在电絮凝和沉淀单元中采用了中空曝气，通过电絮凝和沉淀法降低了进水有机负荷，采用中空曝气保持后端人工湿地进水的溶解氧量的稳定，提升人工湿地的氨氮及磷的去除效果。然而，上述技术方案主要存在以下几个缺点：第一，由于农村废水本身含有较丰富的有机质，它是优良的生物质能源，而上述方案中未设计相应的能量回收的方案，导致了系统的运行能效较低；第二，电絮凝产生的污泥采用芦苇生态床进行干化处理，主要依靠植物蒸腾及太阳光照过程实现污泥干化，其易受植物生长状态及环境气候条件变化的影响，导致污泥的脱水效果不稳定；第三，电絮凝和沉淀的过程主要去除了生活污水中的悬浮物和胶体污染物，而主要的溶解性有机物并未预先浓缩分离，从而导致了大量CO₂的产生以及排出，降低了有机碳的有效转化率，同时也对气候环境造成了不良的影响。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种生活污水的处理系统，不仅解决了生活污水中碳源分离效率差的问题，还解决了生活污水中氮和磷去除效果不佳的问题，同时也避免了传统工艺在污泥转运的过程中产生的臭气对周边环境的影响，也解决了生活污水中能源回收利用的问题。

本发明的目的之二在于提供一种生活污水的处理方法，该方法操作稳定、高效且控制灵活。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种生活污水的处理系统，包括磁粉-生物絮凝区、固液分离区、填料-微生物燃料电池区以及厌氧消化区；

所述磁粉-生物絮凝区内包含磁粉和微生物菌胞外酶絮凝剂的混合物；

所述磁粉-生物絮凝区的下部与所述固液分离区的下部连通；

所述固液分离区的上层出水口与所述填料-微生物燃料电池区的下层进水口连通，所述固液分离区的下层污泥出口与所述厌氧消化区连通；

所述填料-微生物燃料电池区自下往上依次设置碎石填料层、沸石填料下层、镁砂填料层、沸石填料上层以及水生植物层；

所述填料-微生物燃料电池区设有阳电极和阴电极，所述阳电极置于所述镁砂填料层，所述阴电极部分置于所述水生植物层，所述阴电极剩余部分露出水面与外部空气连通，所述阳电极和所述阴电极通过导线连接外部储能部件；

进一步的，所述磁粉-生物絮凝区的顶部设有加药装置，用于加入磁粉和微生物菌胞外酶絮凝剂；

所述磁粉-生物絮凝区的顶部设有絮凝搅拌浆，用于混合磁粉和微生物菌胞外酶絮凝剂；

进一步优选地，所述絮凝搅拌浆的搅拌速率为100-300r/min；

进一步优选地，所述磁粉的投加量为20-100mg/L，所述微生物菌胞外酶絮凝剂的投加量为1-3mL/100mL。

进一步的，所述微生物菌胞外酶絮凝剂的制备方法包括如下步骤：

A、将微生物菌活化，得到活化后的微生物菌；

B、培养所述活化后的微生物菌，得到菌液；

C、将所述菌液加入到无机盐培养基中进行培养，得到培养液；

D、将所述培养液固液分离得到上层清液，再沉淀，得到微生物菌胞外酶絮凝剂；

优选地，步骤B中所述培养的时间为48-56h；

优选地，步骤C中所述培养的时间为72-80h；

优选地，步骤C中所述菌液的加入量为5-7mL；

优选地，步骤D中所述固液分离的方式包括离心；

优选地，步骤D中所述沉淀的方式包括乙醇沉淀。

进一步的，所述磁粉-生物絮凝区和所述固液分离区之间设有隔墙，用于分隔固液分离区和磁粉-生物絮凝区。

进一步的，所述固液分离区设有固液分离膜，用于分离水和污泥。

进一步的，所述填料-微生物燃料电池区的碎石填料层的碎石粒径为20-40mm，碎石填料层的厚度为800-900mm；沸石填料下层的沸石粒径为8-16mm，沸石填料下层的厚度为600-700mm；镁砂填料层的镁砂粒径为1-3mm，镁砂填料层的厚度为300-400mm；沸石填料上层的沸石粒径为3-5mm，沸石填料上层的厚度为100-200mm；

进一步优选地，所述填料-微生物燃料电池区的阳电极、阴电极的结构均独立的为活性炭加不锈钢网的结构。

进一步的，所述厌氧消化区的底部设有污泥搅拌浆，用于搅拌污泥；

进一步优选地，所述污泥搅拌浆的搅拌速率为300-500r/min；

所述厌氧消化区的侧壁设有恒温装置，用于调节温度；

所述厌氧消化区的外部设有排空系统，用于排空空气；

所述厌氧消化区的顶部设有闸门，用于控制污泥进入所述厌氧消化区。

进一步的，所述处理系统还包括消毒池和集水池；

所述填料-微生物燃料电池区与所述消毒池连通；

所述消毒池用于对脱氮除磷后的水进行消毒；

所述消毒池与所述集水池连通；

所述集水池用于收集消毒后的水。

进一步的，所述处理系统还包括气体收集装置；

所述厌氧消化区的上层出气口与所述气体收集装置的进气口连通。

第二方面，本发明提供了一种生活污水的处理方法，利用上述的处理系统进行处理，包括以下步骤：

(a)预处理后的生活污水进入磁粉-生物絮凝区进行絮凝处理，得到废水和絮凝浓缩污泥；

(b)步骤(a)得到的废水和絮凝浓缩污泥进入固液分离区进行固液分离，得到碳源分离出水和碳源浓缩污泥；

(c)步骤(b)得到的碳源分离出水进入填料-微生物燃料电池区进行脱氮除磷，得到脱氮除磷后的水；

(d)步骤(b)得到的碳源浓缩污泥进入厌氧消化区进行厌氧消化，得到甲烷。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果:

本发明的生活污水的处理系统包括磁粉-生物絮凝区、固液分离区、填料-微生物燃料电池区以及厌氧消化区，其中的磁粉-生物絮凝区采用磁粉与菌胞外酶制备的生物絮凝剂联合对废水进行絮凝处理，磁粉作为絮凝介体，可强化其有机物絮凝的效果，提升碳源的分离效率，同时也强化了固液分离的效果；填料-微生物燃料电池区的生物燃料电池系统通过设置多层不同填料的结构，并设置镁砂作为燃料电池的阳极填料，强化了系统对于废水中氮和磷的去除效果；絮凝区与厌氧消化区在同一系统内，可将絮凝污泥直接排放到厌氧消化区，避免了传统工艺在污泥转运的过程中产生的臭气对周边环境的影响。本发明通过燃料电池和厌氧消化回收能源，不仅能有效降低系统的能耗，还能提高其能源利用效率。

本发明的生活污水的处理方法操作稳定、高效且控制灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施方式提供的生活污水的处理工艺流程图；

图2为本发明一种实施方式提供的生活污水的处理工艺系统装置图。

图示：1-自动加药装置；2-絮凝搅拌浆；3-隔墙；4-固液分离膜；5-电动闸门；6-污泥搅拌浆；7-恒温装置；8-排空系统；9-气体收集装置；10-碎石填料；11-沸石填料；12-镁砂填料；13-沸石填料；14-水生植物；15-阳电极；16-阴电极；17-储能部件。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明的第一个方面，一种生活污水的处理系统包括磁粉-生物絮凝区、固液分离区、填料-微生物燃料电池区以及厌氧消化区；

本发明处理系统的磁粉-生物絮凝区内包含磁粉和微生物菌胞外酶絮凝剂的混合物；本发明处理系统的磁粉-生物絮凝区的下部与固液分离区的下部连通；本发明处理系统的固液分离区的上层出水口与填料-微生物燃料电池区的下层进水口连通，所述固液分离区的下层污泥出口与所述厌氧消化区连通；本发明处理系统的填料-微生物燃料电池区自下往上依次设置碎石填料层、沸石填料下层、镁砂填料层、沸石填料上层以及水生植物层，阳电极置于所述镁砂填料层，阴电极部分置于所述水生植物层，阴电极剩余部分露出水面与外部空气连通，阳电极和阴电极通过导线连接外部储能部件。

本发明填料层的沸石和碎石还可以为陶粒、石灰石、火山岩、页岩、炉渣；本发明填料层的镁砂还可以为滑石粉、蛭石；本发明的填料碎石层、填料沸石层主要是过滤水中SS(悬浮污染物)，为微生物提供生长空间，实现废水脱氮除磷；本发明的填料镁砂主要是提供Mg²⁺，在燃料电池作用下，与废水中的氮磷反应形成鸟粪石，鸟粪石可回收利用；本发明的水生植物层通过自身的生命活动将水中的污染物质分解转化或富集到体内，然后除去，恢复水域中的养分平衡，同时通过水生植物的光合作用放出氧气，增加水中溶解氧含量，从而改善水质，减轻或消除水污染；本发明的阳电极置于镁砂填料层，主要是利用镁砂填料层Mg²⁺在阳电极合成鸟粪石，阴电极置于水生植物层，部分露出水面是因为要接触空气，以空气作为阴电极反应材料。

本发明的磁粉-生物絮凝区利用微生物菌胞外酶絮凝剂进行絮凝处理，同时以磁粉作为絮凝介体，可强化生活污水中有机物的絮凝效果，以提升碳源的分离效率。本发明的生物燃料电池系统通过设置多层不同填料的结构，并设置镁砂作为燃料电池的阳极填料，强化了该系统对于废水中氮和磷的去除效果；本发明将磁粉-生物絮凝区与厌氧消化区设置在同一系统内，以便碳源浓缩污泥直接排放到厌氧消化区内进行厌氧消化，避免了传统工艺在污泥转运的过程中产生的臭气对周边环境的影响。本发明的处理系统通过燃料电池和厌氧消化两个过程进行能源回收，能有效降低系统能耗，以提高该项处理工艺的能源利用效率。

磁粉-生物絮凝区

在一种优选的实施方式中，本发明处理系统的磁粉-生物絮凝区的顶部设有加药装置，该加药装置用于加入磁粉和微生物菌胞外酶絮凝剂。

在一种优选的实施方式中，本发明处理系统的磁粉-生物絮凝区的顶部设有絮凝搅拌浆，该絮凝搅拌浆用于混合磁粉和微生物菌胞外酶絮凝剂，絮凝搅拌浆的搅拌速率为100-300r/min，其典型但非限制性的搅拌速率例如为100r/min、150r/min、200r/min、250r/min、300r/min。

在一种优选的实施方式中，本发明的磁粉的投加量为20-100mg/L，其典型但非限制性的投加量例如为20mg/L、40mg/L、80mg/L、100mg/L；本发明的微生物菌胞外酶絮凝剂的投加量为1-3mL/100mL，其典型但非限制性的投加量例如为1mL/100mL、2mL/100mL、3mL/100mL。

微生物菌胞外酶絮凝剂是采用微生物菌代谢产生的胞外酶物质制成的絮凝剂，主要通过培养基培养微生物菌，让其代谢产生胞外酶物质，然后通过离心分离、乙醇沉淀等方法，收集提纯胞外酶物质作为絮凝剂。

在一种优选的实施方式中，本发明的微生物菌胞外酶絮凝剂的制备方法包括如下步骤：

A、将微生物菌活化，得到活化后的微生物菌；

B、培养活化后的微生物菌，得到菌液；

C、将菌液加入到无机盐培养基中进行培养，得到培养液；

D、将培养液固液分离得到上层清液，再沉淀，得到微生物菌胞外酶絮凝剂；

其中，步骤B中培养的时间为48h-56h，其典型但非限制性的培养时间例如为48h、50h、52h、56h；步骤C中培养的时间为72h-80h，其典型但非限制性的培养时间例如为72h、74h、76h、80h；步骤C中菌液的加入量为5mL-7mL，其典型但非限制性的菌液加入量例如为5mL、6mL、7mL；步骤D中固液分离的方式包括但不限于离心；步骤D中沉淀的方式包括但不限于乙醇沉淀。

在一种优选的实施方式中，本发明处理系统的磁粉-生物絮凝区和固液分离区之间设有隔墙，该隔墙用于分隔固液分离区和磁粉-生物絮凝区。

固液分离区

在一种优选的实施方式中，本发明处理系统的固液分离区设有固液分离膜，该固液分离膜用于分离废水和絮凝浓缩污泥得到碳源分离出水和碳源浓缩污泥。

填料-微生物燃料电池区

在一种优选的实施方式中，本发明处理系统的填料-微生物燃料电池区的碎石填料层的碎石粒径为20-40mm，其典型但非限制性的粒径例如为20mm、25mm、30mm、35mm、40mm；碎石填料层的厚度为800-900mm，其典型但非限制性的厚度例如为800mm、900mm；沸石填料下层的沸石粒径为8-16mm，其典型但非限制性的粒径例如为8mm、10mm、12mm、14mm、16mm；沸石填料下层的厚度为600-700mm，其典型但非限制性的厚度例如为600mm、650mm、700mm；镁砂填料层的镁砂粒径为1-3mm，其典型但非限制性的粒径例如为1mm、2mm、3mm；镁砂填料层的厚度为300-400mm，其典型但非限制性的厚度例如为300mm、350mm、400mm；沸石填料上层的沸石粒径为3-5mm，其典型但非限制性的粒径例如为3mm、4mm、5mm；沸石填料上层的厚度为100-200mm，其典型但非限制性的厚度例如为100mm、150mm、200mm。

本发明以上的特定填料和填料层厚度，强化了该系统对于废水中氮和磷的去除效果。

在一种优选的实施方式中，本发明处理系统的填料-微生物燃料电池区的阳电极、阴电极的结构均独立的为活性炭加不锈钢网的结构，其是以不锈钢网为骨架，活性炭包覆在上面。

厌氧消化区

在一种优选的实施方式中，本发明处理系统的厌氧消化区的底部设有污泥搅拌浆，该污泥搅拌浆用于搅拌碳源浓缩污泥，污泥搅拌浆的搅拌速率为300-500r/min，其典型但非限制性的搅拌速率例如为300r/min、350r/min、400r/min、450r/min、500r/min；

其中，本发明的厌氧消化区的侧壁设有恒温装置，该恒温装置用于调节温度；本发明的厌氧消化区的外部设有排空系统，该排空系统用于排空空气；本发明的厌氧消化区的顶部设有闸门，该闸门用于控制碳源浓缩污泥进入厌氧消化区。

本发明的厌氧消化区设置了恒温装置、排空系统以及多个污泥搅拌浆，能有效提升系统对碳源浓缩污泥的厌氧消化效果，维持较高的产气量。

本发明的处理系统还包括消毒池和集水池，具体的，本发明的填料-微生物燃料电池区与该消毒池连通，该消毒池对脱氮除磷后的水进行消毒；本发明的消毒池与该集水池连通，该集水池收集消毒后的水。

本发明的处理系统还包括气体收集装置，具体的，本发明的厌氧消化区的上层出气口与该气体收集装置的进气口连通，该气体收集装置收集厌氧消化得到的甲烷。

根据本发明的第二个方面，一种生活污水的处理方法，利用上述的处理系统进行处理，包括以下步骤：

(a)预处理后的生活污水进入磁粉-生物絮凝区进行絮凝处理，得到废水和絮凝浓缩污泥；

(b)步骤(a)得到的废水和絮凝浓缩污泥进入固液分离区进行固液分离，得到碳源分离出水和碳源浓缩污泥；

(c)步骤(b)得到的碳源分离出水进入填料-微生物燃料电池区进行脱氮除磷，得到脱氮除磷后的水；

(d)步骤(b)得到的碳源浓缩污泥进入厌氧消化区进行厌氧消化，得到甲烷。

本发明生活污水的处理方法中，生活污水经预处理后依次进入磁粉-生物絮凝区处理和固液分离区处理，得到碳源分离出水和碳源浓缩污泥；固液分离区得到的碳源分离出水排入填料-生物燃料电池区进行脱氮除磷处理，得到脱氮除磷后的水，随后排入到消毒池，经消毒后再排入集水池，得到净化水；而固液分离区剩余的絮凝污泥进入下部的厌氧消化区，经厌氧消化后产生甲烷，并通过气体收集装置回收，实现资源化应用。本发明的生活污水的处理方法操作稳定、高效且控制灵活。

本发明的系统和方法是针对农村生活污水的，具体的，一种典型的强化碳源分离-燃料电池湿地系统处理农村污水的系统和方法，如图1-图2所示：

主要包括以下几个步骤：

1、污水经预处理后依次进入磁粉生物絮凝区、固液分离区；

2、固液分离区出水经上层出水口进入填料-生物燃料电池区，经脱氮除磷处理后排入消毒池，经消毒后排入集水池；

3、固液分离区剩余的絮凝污泥进入下部厌氧消化区，经厌氧消化产生甲烷，并通过气体收集装置回收，实现资源化应用。

本发明的处理系统包括磁粉-生物絮凝区、固液分离区、填料-微生物燃料电池区以及厌氧消化区。磁粉生物絮凝区设有自动加药装置1和絮凝搅拌浆2，根据生活污水的进水流量确定磁粉和微生物菌胞外酶絮凝剂的投加量，磁粉和微生物菌胞外酶絮凝剂是通过自动加药装置1投加到磁粉-生物絮凝区的，再利用絮凝搅拌浆2将其进行混合，絮凝搅拌浆2的搅拌速率为100-300r/min，磁粉的投加量为：20-100mg/L(以生活污水为基准)，微生物菌胞外酶絮凝剂的投加量为0.5-3ml/100mL(以生活污水为基准)，其中，微生物菌胞外酶絮凝剂的制备方法包括如下步骤：将微生物菌活化，得到活化后的微生物菌；培养活化后的微生物菌48h，得到菌液；将5mL菌液加入到无机盐培养基中培养72h，得到培养液；将培养液离心，取上清液，并用乙醇沉淀，将上清液中的胞外聚合物沉淀下来，然后将沉淀移入离心管中，用打了小孔的密封胶封口，得到微生物菌胞外酶絮凝剂；本发明的磁粉-生物絮凝区和固液分离区之间设置隔墙3分隔，磁粉-生物絮凝区得到的废水和絮凝浓缩污泥通过隔墙3下部进入固液分离区，固液分离区设置固液分离膜4，通过膜的选择透过性分离废水和絮凝浓缩污泥得到碳源分离出水和碳源浓缩污泥，固液分离区得到的碳源分离出水经上层出水口排入到填料-生物燃料电池区；本发明的填料-生物燃料电池区自下往上依次设置碎石填料10(其粒径为20-40mm，厚度为800-900mm)、沸石填料11(其粒径为8-16mm，厚度为600-700mm)、镁砂填料12(其粒径为1-3mm，厚度为300-400mm)以及沸石填料13(其粒径为3-5mm，厚度为100-200mm)，同时，该填料-生物燃料电池区的表层种植有水生植物14，水生植物14通过沸石填料13固定，填料-生物燃料电池区中分别设置阳电极15和阴电极16，并通过铜导线分别连接到外部储能部件17，其中，阳电极15、阴电极16均采用活性炭加不锈钢网结构，阳电极15设置于镁砂填料层，阴电极16置于水生植物层，部分露出水面与外部空气连通；碳源分离出水经填料-生物燃料电池区脱氮除磷处理后排出，经消毒池消毒后排入集水池；本发明的固液分离区与厌氧消化区之间设置电动闸门5，电动闸门5通过控制系统控制，当固液分离区沉降污泥达到一定重量时，电动闸门5开启，将固液分离区得到的碳源浓缩污泥排入到厌氧消化区进行厌氧消化得到甲烷，该厌氧消化区的内部设有若干污泥搅拌浆6，污泥搅拌浆6用以充分搅拌碳源浓缩污泥，其搅拌的速度为300-500r/min，该厌氧消化区的内部设有恒温装置7，恒温装置7用以调节温度，该厌氧消化区的外部设有排空系统8，排空系统8用于排空空气，该厌氧消化区的外部连接气体收集装置9，气体收集装置9用于收集厌氧消化得到的甲烷。

下面通过实施例对本发明作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。

实施例1

一种生活污水(COD 203mg/L；氨氮＝76mg/L；TP＝31mg/L)排入到磁粉-生物絮凝区进行絮凝处理，其中，絮凝区的搅拌速率为150r/min，磁粉的投加量为：40mg/L，微生物菌胞外酶絮凝剂的投加量为0.5mL/100mL，得到废水和絮凝浓缩污泥；

磁粉-生物絮凝区得到的废水和絮凝浓缩污泥排入到固液分离区，经固液分离区分离，得到碳源分离出水和碳源浓缩污泥；

固液分离区得到的碳源分离出水排入到填料-生物燃料电池区进行脱氮除硫处理，得到脱氮除磷后的水，再经消毒，得到净化水，其中，填料-生物燃料电池区自下往上依次设置碎石层、沸石填料层、镁砂填料层以及沸石填料层，同时，该填料-生物燃料电池区的表层种植水生植物，水生植物通过沸石填料层固定，填料-生物燃料电池区中分别设置阳电极和阴电极，并通过铜导线分别连接到外部储能部件，其中，阳电极、阴电极均采用活性炭加不锈钢网结构，阳电极设置于镁砂填料层，阴电极置于水生植物层，部分露出水面与外部空气连通；