CN114590888A

CN114590888A - 一种用于源分离尿液污水的高效生物硝化方法

Info

Publication number: CN114590888A
Application number: CN202210060492.8A
Authority: CN
Inventors: 詹承博; 张良长; 艾为党; 董文艺
Original assignee: Spacenter Space Science And Technology Institute; Shenzhen Taike Feitian Technology Co ltd; 63919 Troops of PLA
Current assignee: Spacenter Space Science And Technology Institute; Shenzhen Taike Feitian Technology Co ltd; 63919 Troops of PLA
Priority date: 2022-01-19
Filing date: 2022-01-19
Publication date: 2022-06-07

Abstract

本发明的一种用于源分离尿液污水的高效生物硝化方法，属于污水处理及氮素回收技术领域；本方法的工艺步骤为：在反应池底部布置曝气出口后，将生物填料装入筐体后整体浸入反应池中，在接种好氧活性污泥并通过稀释的尿液污水逐步驯化后，污泥硝化效率逐渐升高，最终可直接处理实际尿液污水；运行阶段污水通过连续或间歇方式进入反应池，保持曝气的连续工作，并通过潜水泵或外加循环泵的方式保持反应池水的充分混合；本工艺方法可长期保持反应器的稳定运作，可直接处理尿液体积分数最高达到40％的污水，运行期间TOC去除率可达95‑98％，氨氮转化率可达72‑99％；处理后的出水含大量硝酸盐，配合其他矿质营养元素可直接用作植物培养液。

Description

一种用于源分离尿液污水的高效生物硝化方法

技术领域

本发明属于污水处理及氮素回收领域，具体涉及一种将尿液污水中有机污染物降解并将氨氮转化为硝酸盐回收领域。

背景技术

本发明涉及一种将尿液污水中有机污染物降解并将氨氮转化为硝酸盐回收的技术，目的在于将尿液污水中的营养物质回收利用，使其无害化的同时产生附加价值，为生活污水处理与氮素回收领域提供新思路。

随着生活水平的提高，社会对良好生态环境的需求更加显著，因此以低消耗方式对污水进行无害化、资源化处理成为水处理领域的重点。污水的一大主要来源是人们生活产生的市政污水，其中的主要污染物包括有机物以及氮、磷等无机营养成分。污水中营养成分过高会导致水体富营养化，使水质迅速恶化。当前主流的生活污水处理技术目标为去营养化，氮经过硝化-反硝化过程转化为氮气，磷通过微生物富集作用随底泥离开水体；由于反硝化过程大多由异养微生物在缺氧环境下利用碳源作为电子给体，硝酸根作为电子受体完成，使得此工艺对于碳源需求较高。根据运营经验，进水的碳氮比为4-5:1时脱氮的效率最高，但实际情况中，我国市政污水中碳氮比普遍无法达到这一比例，使得大多数情况下需要投入额外的碳源(甲醇、乙酸钠等)促进反硝化过程以使出水水质达标，使其占据了污水处理厂运营成本中的较大部分。但另一方面，污水中的营养物质有回收利用的潜力，而去营养化处理则使污水丧失了资源化的潜力，因此若可以利用特定工艺将污水中的营养物质进行资源化处理，则可以在将其无害化的同时产生附加价值，降低运营成本。

我们认为，有效的处理技术结合污水的分流处理是实现高效营养回收的关键。市政污水中无机营养物质主要来自尿液，其含氮量可达8000mg/L，氮素存在形式以尿素为主，尿素易由微生物降解生成氨氮。当前，尿液在污水中所占据的体积分数不到2％，其包含的氮素却超过70％，因此在污水处理流程的前段将尿液与其他污水分离可极大减轻污水主体的污染程度，进而降低整体处理成本。而尿液污水中包含的大量氨氮通过硝化作用得到的硝酸根是优质的无机肥料，是植物生长必需的营养物质，因此通过对尿液污水进行硝化处理后将硝酸盐回收在农业领域具有应用价值，与传统工艺相比又可省去后续的反硝化过程，节约碳源投入，实现物质的高效利用，提高工艺的可持续性。传统农业生产中，人与牲畜的排泄物均可作为肥料的原料，因此对含尿液污水进行生物处理并再利用在技术方面与社会接受度方面均具有可行性。

对尿液污水进行硝化处理以实现营养回收是对当前营养回收技术的一项补充。目前用于尿液污水营养回收的主要技术包括：物理方法，如利用某些改性沸石对氨氮进行选择性吸附，利用吹脱促使氨气挥发并通过吸收液回收；化学方法，如生成鸟粪石沉淀法，通过向污水中加入镁盐与氨氮、磷酸根按1:1:1的化学计量比生成鸟粪石(MgNH₄PO₄·6H₂O)。生物方法，通过微生物燃料电池、微生物电解池等工艺在处理污染物的同时回收部分氮素。这些方法具有各自的优势特点，但其原理均未实现氮素形态的转化，其回收的氮素形式基本为氨氮。植物对不同形态的氮肥利用途径不同，一般而言，尿素、铵盐等适合以缓释的方式长效作用，而硝酸盐则更易被植物直接吸收，适合在特定生长时期施用。以硝酸盐形式回收氮素可与当前已有的营养回收技术实现互补。

此外，对尿液污水进行硝化处理可以实现更高的氮素回收率。由于尿液中氮含量远高于磷含量(5-10:1)，投入镁盐生成鸟粪石(MgNH₄PO₄·6H₂O)后依然有大量氨氮留存。因此该方法更适合于回收尿液污水中的磷元素。而吸附法或吹脱法的效率与氨氮浓度正相关，在尿液污水的氨氮浓度下降至一定程度时，需增加吸附剂用量或提高吹脱温度才能将氨氮完全回收。但微生物硝化技术则不受氨氮浓度的限制，在合适的条件下可将氨氮高效地转化为硝酸盐。

发明内容

本发明的目的是利用通过梯度升高进水浓度逐步驯化得到的活性污泥，将含尿液污水中的含氮污染物高效转化为硝态氮，从而将尿液污水中的氮素以较高效率回收利用；并通过生物膜技术将微生物固定于填料表面，降低过程污泥产量，从而降低运行成本及环境影响。

本发明的技术方案如下：

(1)制备反应池，反应池设有污水进口、出水口、投料口和底部的曝气出口；

(2)将生物填料装入筐体后整体浸入反应池中，随后接种活性污泥；以稀释后的尿液污水将污泥驯化，通过逐渐降低尿液污水的稀释倍数完成驯化过程。驯化起始阶段将尿液污水稀释至总氮浓度处于50-100mg/L作为进水，水力停留时间约为2天；每运行5-8个水力停留时间后，可将氨氮浓度提升1.5-2倍，并适当调节进水速率，使进水总氮负荷不超过200mg L^-1d^-1；最终直接使用无稀释的尿液污水。

(3)运行阶段，通过水泵连续将尿液污水输送进入反应池。所述尿液污水含有卫生废水及尿液，卫生废水由清洁用品与自来水配制，清洁用品包含牙膏、洗手液、沐浴露、洗发露、洗面乳、洗衣液，清洁用品总浓度约为0.65g/L；尿液体积分数最高可达40％。调节进水速率，使进水总氮负荷处于200-300mg L^-1d^-1范围。

(4)污水通过连续或间歇方式进入反应池，保持曝气的连续工作，将反应池溶氧控制在1.5-3.0mg/L范围内。空气通过潜水泵或外加循环泵的方式进入反应池并保持反应池水的充分混合，通过加入碱性物质保持池内稳定的pH值。运行期间TOC去除率可达95-98％，氨氮转化率可达72-99％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：(1)通过计划性的驯化过程，获得了具有较高硝化效率的活性污泥，并可直接处理含有高浓度氨氮的尿液污水。通过控制工艺条件，反应池可以长期保持稳定运作，运行期间TOC去除率可达95-98％，氨氮转化率可达72-99％，同时完全不需投入外部碳源。(2)利用生物填料作为微生物生长提供了附着的表面，悬浮固体浓度很低，运行过程中出水浊度低于10NTU。与传统生物污泥法相比，省去了沉淀池等将污泥与出水分离的步骤，简化了流程并降低了建造成本。(3)出水具有高浓度硝酸盐，配合其他矿质营养元素可直接用作植物培养液。

附图说明

图1尿液污水硝化处理流程示意图。

具体实施方式

我们认为传统生物污水处理技术的硝化段工艺可作为对尿液污水进行硝化处理参照，但需作出以下改变：(1)通常情况下，市政污水氨氮浓度低于50mg/L，而尿液污水的氨氮浓度远远超过这一范围；由于氨氮浓度超过200mg/L时，硝化细菌的生长受到抑制，导致污泥处理效率下降，因此需控制进水氨氮负荷，逐步将污泥驯化使其适应；(2)传统生物污泥技术对空间、设施建设要求高；运行过程中污泥产出量大，污泥处理及分离将产生额外成本；针对上述问题，我们认为必须通过一定的驯化过程令污泥逐渐适应并处理含高浓度氨氮的尿液污水；当硝化细菌富集至一定程度，且将进水氨氮负荷始终控制在污泥承受范围之内时，反应器将可以有效处理尿液污水。而利用生物膜技术，将污泥固定于填料表面生长后，可以较大程度地限制悬浮污泥的产量，从而易于以溶液形式直接利用出水，省去将其与悬浮污泥分离的过程。

基于以上背景，针对实际产生的尿液污水，我们开发了利用硝化工艺进行处理的方法，通过在生物填料表面生长、驯化的活性污泥，对由真实尿液配制的污水进行了硝化处理，得到了含高浓度硝酸盐的出水。

以下举出一些具体实施事例以阐明本发明的技术方案。

例1

制备了有效体积为12L的反应池。通过真实尿液与清洁用品配制了pH值约9.0，TOC约373mg/L，总氮约523mg/L的含尿液污水。污水通过蠕动泵连续进入反应池中，水力停留时间为41h。平均每天向反应池中投加碳酸氢钠使pH维持在6.0-8.0范围内，通过进气泵向反应池中泵入空气，曝气量为4L/min，将反应池溶氧控制在1.5-3.0mg/L范围内。30天稳定运行期的监测数据显示，系统出水pH值6.0～8.0，TOC平均值约15mg/L，氨氮平均值约146mg/L，硝酸根平均值约251mg/L，实现约96％的TOC去除率、约72％的氨氮转化率。出水浊度低于10NTU。

例2

制备了有效体积为12L的反应池。通过真实尿液与清洁用品配制了pH值约9.0，TOC约385mg/L，总氮约600mg/L的含尿液污水。污水通过蠕动泵连续进入反应池中，水力停留时间为52h。平均每天向反应池中投加碳酸氢钠使反应液pH维持在6.0-8.0范围内，通过进气泵向反应池中泵入空气，曝气量为4.7L/min，将反应池溶氧控制在2.0-3.0mg/L范围内。30天稳定运行期的监测数据显示，系统出水pH值6.0～8.0，TOC平均值约18mg/L，氨氮平均值约74mg/L，硝酸根平均值约456mg/L，实现约95％的TOC去除率、约88％的氨氮转化率。出水浊度低于10NTU。

例3

制备了有效体积为12L的反应池。通过真实尿液与清洁用品配制了pH值约9.0，TOC约1383mg/L，总氮约2292mg/L的含尿液污水。污水通过蠕动泵连续进入反应池中，水力停留时间为206h。平均每天向反应池中投加质量分数5％氢氧化钠使反应液pH维持在6.0-8.0范围内，通过进气泵向反应池中泵入空气，曝气量为5L/min，将反应池溶氧控制在1.5-3.0mg/L范围内。30天稳定运行期的监测数据显示，系统出水pH值6.0～8.0，TOC平均值约22mg/L，氨氮平均值约8mg/L，硝酸根平均值约1945mg/L，实现约98％的TOC去除率、约99％的氨氮转化率。出水浊度低于10NTU。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于源分离尿液污水的高效生物硝化方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

(1)制备反应池，反应池设有污水进口、出水口、底部的曝气出口和投料口；

(2)将生物填料装入筐体后整体浸入反应池中，随后接种活性污泥；以稀释后的尿液污水将污泥驯化，通过逐渐提升尿液污水的体积分数完成驯化过程，最终直接使用无稀释的尿液污水；

(3)运行阶段，通过水泵连续将尿液污水输送进入反应池；所述尿液污水含有卫生废水及尿液，卫生废水由清洁用品与自来水配制，清洁用品包含牙膏、洗手液、沐浴露、洗发露、洗面乳、洗衣液；

(4)污水通过连续或间歇方式进入反应池，保持曝气的连续工作，空气通过潜水泵或外加循环泵的方式进入反应池并保持反应池水的充分混合，通过加入碱性物质保持池内稳定的pH值。

2.根据权利要求1所述的用于源分离尿液污水的高效生物硝化方法，其特征在于，所述的反应池，通过曝气与酸碱调节，使运行条件保持稳定。

3.根据权利要求1或2所述的用于源分离尿液污水的高效生物硝化方法，其特征在于，添加的碱性物质为碳酸氢钠或氢氧化钠溶液。

4.根据权利要求1或2所述的用于源分离尿液污水的高效生物硝化方法，其特征在于，接种污泥为二沉池回流污泥。