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CN116119874A - 一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统及相关方法 - Google Patents

一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统及相关方法 Download PDF

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CN116119874A
CN116119874A CN202310062539.9A CN202310062539A CN116119874A CN 116119874 A CN116119874 A CN 116119874A CN 202310062539 A CN202310062539 A CN 202310062539A CN 116119874 A CN116119874 A CN 116119874A
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sewage
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sludge
biogas
unit
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姚宏
蔡伟伟
韩翔宇
张静静
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Beijing Jiaotong University
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Beijing Jiaotong University
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Abstract

本发明提供了一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统及相关方法。该处理系统包括顺次相连的热能回收模块、预处理除杂模块、污水厌氧消化模块、深度脱氮模块、深度处理模块、污泥减量消化模块和沼气净化模块；其中，热能回收模块用于回收污水和热水解污泥中的热能；预处理除杂模块用于去除大型悬浮固体物质并调节污水pH；污水厌氧消化模块用于对污水进行碳磷回收；深度脱氮模块用于脱除污水中残存氮元素；深度处理模块用于进一步去除水体中难降解污染物后达到回用标准；污泥减量消化模块用于对污泥减量、产沼及资源化处理；沼气净化模块用于对沼气进行干化、储存、发电以及硫回收，满足了污水处理厂用电需求的同时实现了污水处理厂的产能作用。

Description

一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统及相关方法
技术领域
本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统及相关方法。
背景技术
污水中本身蕴含了巨大的化学能，其中预估可以提取出来的能量达到了28％，而大部分污水处理厂运行过程中消耗的能量通常不到可提取能量的50％，说明实现污水厂的能量中性甚至是能量输出是完全可行的。同时，现阶段多数污水厂依然利用传统处理工艺进行脱氮处理，其具有高能耗的缺点外，还需要额外投加乙酸盐、葡萄糖等药剂来满足处理需求，并且由于剩余污泥产量高而增加了后续处理的难度。而现阶段推行的一体式厌氧氨氧化工艺在主流运行中由于依然存在诸多技术瓶颈，出水水质存在波动并且难以调控，常常会造成剩余氨氮浓度过高或硝酸盐积累的情况。
现阶段的污水处理厂多以高能耗为代价去除水体中的污染物，由于传统污水处理工艺中的生物除磷过程与生物脱氮过程对于氧气的需求相矛盾，且诸如厌氧氨氧化等新型工艺不具备除磷的功能，因此，大多数污水厂采用投加除磷药剂的方式进行化学除磷，这不仅提高了运行成本，也有悖于“磷危机”的资源危机意识，更与“资源回收”的趋势背道而驰。
此外，现阶段污水厂的控制方法多是基于各功能单元污染物指标的人工判断，主观性较强且缺乏前瞻性，往往是出水水质出现波动后才进行控制，并且过分依赖于从业人员的相关经验。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统及相关方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明第一方面提供一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统，该处理系统包括顺次相连的热能回收模块、预处理除杂模块、污水厌氧消化模块、深度脱氮模块、深度处理模块、污泥减量消化模块和沼气净化模块；其中，所述热能回收模块用于回收污水中的热能并降低进水温度，以及对经污泥热水解后的高温污泥回收热能并降温；所述预处理除杂模块用于先去除污水中的大型悬浮固体物质，再去除污水中相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质，同时调节污水pH至6～9；所述污水厌氧消化模块用于对污水进行产沼并去除COD，再除磷并回收生产磷酸铵镁；所述深度脱氮模块用于对污水中残存的氨氮、亚硝态氮以及硝态氮进行去除；所述深度处理模块用于去除污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，去除污水中残余的难降解有机物以及致病菌，去除污水中残留磷酸盐，并进一步去除水体中微粒后达到回用标准；所述污泥减量消化模块用于对污泥进行浓缩处理、热水解处理和厌氧消化处理，对出料进行脱水处理；所述沼气净化模块用于收集沼气，并使沼气依次进行湿法脱硫和干法脱硫，之后对经过处理的沼气进行干化、储存。
进一步的，所述污水厌氧消化模块包括依次相连的第一厌氧消化单元、氮磷回收单元和第一沉淀池；所述第一厌氧消化单元用于对经过预处理除杂模块的污水进行产沼并去除COD，产生的沼气进入所述沼气净化模块；其中，所述厌氧消化单元对COD的去除效率达为85％～95％；所述氮磷回收单元和第一沉淀池用于对经过所述第一厌氧消化单元的污水除磷并回收生产磷酸铵镁，之后所述污水后进入深度脱氮模块。
进一步的，所述深度脱氮模块包括泥膜共生的一体式厌氧氨氧化单元和好氧颗粒污泥单元，以及设置在所述一体式厌氧氨氧化单元之后的第二沉淀池；其中，所述一体式厌氧氨氧化单元中的微生物由海绵填料上附着的厌氧氨氧化菌生物膜及絮体污泥中的氨氧化菌组成，其中，絮体污泥用于将经过污水厌氧消化模块的污水中的部分氨氮氧化为亚硝态氮，以供厌氧氨氧化菌进行后续氨氮和亚硝态氮同步脱除，使所述污水的总氮去除率达到90％以上；所述沉淀池用于保持污泥回流至所述一体式厌氧氨氧化单元的回流比为100％～300％；所述好氧颗粒污泥单元以SBR模式运行，用于对经过所述一体式厌氧氨氧化单元的污水中氮元素进行深度处理，并将处理后的污水排入所述深度处理模块。
进一步的，所述所述深度处理模块包括依次相连的高效过滤器、电-多相臭氧催化装置、磁絮凝沉淀池及膜处理单元；所述高效过滤器用于去除经过深度脱氮模块的污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，以使所述污水中固体颗粒物浓度小于30mg/L；所述电-多相臭氧催化装置用于去除经过所述高效过滤器的污水中残余的难降解有机物以及致病菌，并使所述污水的出水COD保持在50mg/L以下；所述磁絮凝沉淀池用于通过除磷剂的添加形成磷酸盐絮凝物，并经超磁分离技术去除经过所述电-多相臭氧催化装置的污水中残留磷酸盐，以使所述污水水体中总磷小于0.5mg/L，形成的磷酸盐絮体物与剩余污泥一同进入所述污泥减量模块；所述膜处理单元为孔径为0.1μm～1μm的微滤膜，用于去除经过所述磁絮凝沉淀池的污水中的微粒以达到回用标准。
进一步的，所述所述污泥减量消化模块包括依次相连的污泥浓缩池、污泥热水解单元、第二厌氧消化单元、脱水单元和沼渣干化单元；所述污泥浓缩池用于对所述深度脱氮模块和深度处理模块产生的污泥进行浓缩处理，得到泥饼；所述污泥热水解单元用于对所述泥饼进行热水解处理，再次得到污泥，并将所述污泥排入所述热能回收模块以进行降温，再将降温后的污泥与制浆后的餐厨垃圾混匀通入所述厌氧消化单元中；所述第二厌氧消化单元用于对降温后的污泥与制浆后的餐厨垃圾进行厌氧消化处理，并产出沼渣；所述脱水单元用于对所述沼渣进行脱水处理，以使所述沼渣含水率小于50％；所述沼渣干化单元用于对经过所述脱水单元的沼渣进行干化处理，以使所述沼渣含水率小于10％；所述第一厌氧消化单元和第二厌氧消化单元之后还设置有水封器，用于防止反应器压力异常。
进一步的，所述沼气净化模块包括依次相连的湿法脱硫塔、干法脱硫塔、脱水罐和双膜气柜；所述湿法脱硫塔用于将沼气中含硫气体与碳酸钠进行反应进行吸收，将硫化物氧化为单质硫析出；所述干法脱硫塔用于对经过所述湿法脱硫塔的沼气中硫化氢进一步去除，使所述沼气中硫化氢含量小于50mg/m3；所述脱水罐用于对经过所述干法脱硫塔的沼气进行干化；所述双膜气柜用于对经过脱水罐的沼气进行储存。
进一步的，所述热能回收模块包括换热器和热电联产单元，所述换热器用于对回收进入该处理系统的污水中的热能并降低进水温度，还对经过所述污泥减量消化模块的高温污泥进行回收热能并降温；所述热电联产单元用于同步产电产热，与所述换热器回收的热能一同作为高品质热源输出；所述预处理除杂模块包括粗细格栅和沉砂池，所述粗细格栅用于去除经过所述换热器的污水中的大型悬浮固体物质；所述沉砂池用于去除经过所述粗细格栅的污水中的去除相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质，并调节所述污水的pH至6～9。
进一步的，该处理系统还包括场内自发电模块和智慧化控制模块，所述场内自发电模块以经所述热电联产单元的沼气发电；所述智慧化控制模块用于利用神经网络算法，通过该处理系统中各模块的水质传感器记录各项水质指标以及人工调节数据进行权重核算，完成控制行为建模，以实现对该处理系统的智慧化管控。
本发明第二方面提供一种实现资源回收和负碳排放的废水处理方法，该处理方法包括：回收污水中的热能并降低进水温度，以及对经污泥热水解后的高温污泥回收热能并降温；先去除所述污水中的大型悬浮固体物质，再去除污水中相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质，同时调节污水pH至6～9；对所述污水进行产沼并去除COD，再除磷并回收生产磷酸铵镁；对所述污水中残存的氨氮、亚硝态氮以及硝态氮进行去除；去除所述污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，去除污水中残余的难降解有机物以及致病菌，去除污水中残留磷酸盐，并进一步去除水体中微粒后达到回用标准；对污泥进行浓缩处理、热水解处理和厌氧消化处理，对出料进行脱水处理；收集沼气，并使沼气依次进行湿法脱硫和干法脱硫，之后对经过处理的沼气进行干化、储存。
本发明第三方面提供一种用于实现资源回收和负碳排放的废水处理系统的智能化控制方法，该控制方法包括学习和验证阶段，以及运行阶段：其中，所述学习和验证阶段包括：S1、监测并记录该处理系统中各单元的污染物指标及自然环境指标；S2、对所述各单元中处理效果异常的参数进行调节操作，并将所述处理效果参数的指标作为训练学习样本不断优化算法权重；利用移动平均值模型，基于现有水质数据对未来水质波动进行预测，并对可能出现的水质异常情况进行预警，得到确定的模型权重参数以及水质预测模型，形成数据库；S3、监测学习和验证过程中的参数是否达标；S4、若参数达标，则记录所述参数；若参数不达标，则返回所述步骤S2；所述运行阶段包括：S5、监测并记录该处理系统中各单元的进水指标及温度情况；S6、根据所述数据库自动预测调整运行参数；S7、监测运行过程中的参数是否达标；S8、若参数达标，则排放并记录所述参数；S9、若参数不达标，则在进行故障诊断后返回所述步骤S2。
相较于现有技术，本发明提供的技术方案至少具有以下优点：
本发明提供一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统及相关方法。利用厌氧消化和污水热量交换等技术广泛提取污水中的能量，并耦合风-光发电等可再生能源为以厌氧氨氧化和好氧颗粒污泥为核心的低能耗深度脱氮工艺，以及磷、硫回收工艺中的耗电设备供电，使污水厂在不依靠外接电力供应的情况下，实现碳磷硫高效回收的同时，满足负碳排放，并使出水达到回用标准。并通过神经网络算法构建污水厂智慧控制系统，实现智慧化高效运维及管理。
本发明通过两个厌氧消化单元分别提取污水和污泥中的有机碳，最大限度地回收污水中的化学能。相较于传统工艺中对于污水中有机物通过曝气去除的方式，本发明在回收沼气产能的同时，大大减小了由于曝气等操作造成的运行能耗；相对于传统污泥处理工艺中的压缩-干化-焚烧导致的占地面积大、运输困难、空气污染等问题，本发明利用污泥热水解技术使作为底物的污泥中微生物细胞破壁，使其产甲烷更彻底，最大化地提取了其中的化学能并对污泥进行减量化处理，减小后端处理的负担。同时可将沼渣高温干化，作为景观园林用肥料进行资源利用。
本发明增设了氮磷回收单元和沼气中的湿法脱硫(硫回收)单元，与传统污水处理工艺中以去除为目的的设计相比，减少了药剂投加导致的成本和碳排放量。回收产物可作为化肥等工业原材料产出，在满足污染物去除和处理达标的基础上，最大程度地实现了资源回收。
本发明以一体式厌氧氨氧化和好氧颗粒污泥为核心构建了深度脱氮系统，其中，厌氧氨氧化系统由于代谢途径存在优势，相较于传统污水处理工艺可降低60％的曝气能耗，并且无需额外投加碳源，因此具有显著的的低碳排优势。而现有一体式厌氧氨氧化工艺在实际运行过程中会存在出水水质波动(氨氮去除不完全或硝酸盐积累等)的情况，因此其后端往往伴随一级AO工艺来进一步脱氮。而本专利提出以好氧颗粒污泥作为AO的替代工艺，可再次减少50％的能耗(由回流泵和搅拌器产生)和75％的占地面积，高效低碳地实现氨氮脱除。
本专利以多相电-臭氧催化技术作为深度处理的核心工艺，有效地氧化降解了难以生物处理脱除的毒害物质，并包括杀菌作用，以防污水中的病原微生物进入自然水体或回用水体。与传统工艺中的加氯消毒相比，本专利中所述技术可以避免水体中余氯问题，防止对后续工艺构筑物或回用水管路造成腐蚀。无需额外购买加氯消毒剂，节省了成本的同时减少了碳排放量。而与传统臭氧消毒相比，本专利所用技术可高效去除臭氧惰性的新型污染物(如布洛芬等)，并将传统臭氧工艺难氧化的污染物去除率提高了40％以上。同时，在后端添加膜处理系统，提高了污水过滤效果和效率，达到了回用标准。
本专利包括热电联产、污水换热等热回收技术，提高了甲烷产电的能量效率，同时利用换热器对如发酵、煤化工等高温工业废水进水进行热交换，为反应器保温、污泥热水解、厂区供热等工作需求提供高品质热源。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是本发明实施例提供的一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种用于实现资源回收和负碳排放的废水处理系统的智能化控制方法的流程图。
图中，1-换热器，2-粗细格栅、3-沉砂池、4-第一厌氧消化单元、5-氮磷回收单元、6-第一沉淀池、7-一体式厌氧氨氧化单元、8-第二沉淀池、9-好氧颗粒污泥单元、10-高效过滤器、11-电-多相臭氧催化装置、12-磁絮凝沉淀池、13-膜处理单元、14-污泥浓缩池、15-污泥热水解单元、16-第二厌氧消化单元、17-脱水单元、18-沼渣干化单元、19-水封器、20-湿法脱硫塔、21-干法脱硫塔、22-脱水罐、23-双膜气柜、24-热电联产单元、25-风-光发电单元。
具体实施方式
发明人发现，现有污水处理工艺多以“高能耗”为代价去除多种含氮、碳、磷、硫的污染物，虽然已经达到了较好的去除效果，未来污水处理工艺的发展更趋于在“低能耗”去除污染物的同时做到“资源回收”、“能源回收”。本发明提供了一种能够实现污水中碳磷硫元素高效回收，并耦合低碳脱氮工艺，从而达到负碳排放的污水处理系统。
现阶段的专利中污水处理流程没有同时兼顾碳、磷、硫高效回收，同时，脱氮单元能耗大，造成了大量的能源浪费。如中国国家发明专利(CN111875152A)中设计了一套能够实现碳磷回收、再生水回用的市政污水处理系统，但是其中没有考虑到硫的同步回收，可能导致沼气中的硫化氢气体在后续燃烧使用中造成大气污染。此外，该专利中的高效复合脱氮单元使用了五个好/缺/厌氧反应池，占地面积大的同时需要曝气能耗较高。同时，其中深度处理单元的次氯酸钠消毒系统难以去除以布洛芬等惰性药物为例的新型污染物。与上述专利不同的是，该专利在流程设计中通过前置污水厌氧消化(厌氧消化1)回收沼气，减小后续生物处理单元由于微生物呼吸造成的碳损失，使该工艺能够适应高有机负荷进水条件(COD>3000mg/L)，并通过污泥厌氧消化(厌氧消化2)对固定在生物体系内的有机物进行回收。同时对沼气利用湿法脱硫装置回收硫膏，实现硫回收，并减小沼气使用过程中造成的有害气体排放。针对于脱氮单元，本发明采用泥膜共生的一体式厌氧氨氧化(IFAS-CANON)工艺，相较于传统污水处理工艺可降低60％的曝气能耗，占地面积小，并且无需额外投加碳源。在后续深度处理阶段采用了电-多项臭氧催化工艺，可以有效去除多种臭氧惰性污染物，且无余氯问题。
如中国国家发明专利(CN114149143A)中设计了一种低碳污水处理系统，该系统可以通过污泥热水解及共消化工艺提高了剩余污泥的提取程度，同时采用了厌氧氨氧化为核心的脱氮系统，大大减小了占地面积以及曝气能耗，但是该系统的设计中没有考虑到对磷、硫的高效回收，且对于高有机负荷污水的处理具有极大的局限性。除了上述优势外，本发明针对于厌氧氨氧化工艺出水中氨氮、硝氮难以直接达标的问题，后续增设了好氧颗粒污泥处理单元进行深度处理，与常规厌氧氨氧化工艺后端布置AO工艺进行深度脱氮相比，该工艺可再次减少50％的能耗和75％的占地面积。该系统出水接膜处理系统(微滤膜处理，孔径为0.1μm～1μm)，对污水中颗粒物及微生物进一步处理，使出水达到回用标准的同时减小了传统工艺流程中沉淀池的占地面积。
本发明第一方面提供一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统，该处理系统包括顺次相连的热能回收模块、预处理除杂模块、污水厌氧消化模块、深度脱氮模块、深度处理模块、污泥减量消化模块和沼气净化模块；其中，所述热能回收模块用于回收污水中的热能并降低进水温度，以及对经污泥热水解后的高温污泥回收热能并降温；所述预处理除杂模块用于先去除污水中的大型悬浮固体物质，再去除污水中相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质，同时调节污水pH至6～9；所述污水厌氧消化模块用于对污水进行产沼并去除COD，再除磷并回收生产磷酸铵镁；所述深度脱氮模块用于对污水中残存的氨氮、亚硝态氮以及硝态氮进行去除；所述深度处理模块用于去除污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，去除污水中残余的难降解有机物以及致病菌，去除污水中残留磷酸盐，并进一步去除水体中微粒后达到回用标准；所述污泥减量消化模块用于对污泥进行浓缩处理、热水解处理和厌氧消化处理，对出料进行脱水处理；所述沼气净化模块用于收集沼气，并使沼气依次进行湿法脱硫和干法脱硫，之后对经过处理的沼气进行干化、储存。
本发明第二方面提供一种实现资源回收和负碳排放的废水处理方法，该处理方法包括：回收污水中的热能并降低进水温度，以及对经污泥热水解后的高温污泥回收热能并降温；先去除所述污水中的大型悬浮固体物质，再去除污水中相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质，同时调节污水pH至6～9；对所述污水进行产沼并去除COD，再除磷并回收生产磷酸铵镁；对所述污水中残存的氨氮、亚硝态氮以及硝态氮进行去除；去除所述污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，去除污水中残余的难降解有机物以及致病菌，去除污水中残留磷酸盐，并进一步去除水体中微粒后达到回用标准；对污泥进行浓缩处理、热水解处理和厌氧消化处理，对出料进行脱水处理；收集沼气，并使沼气依次进行湿法脱硫和干法脱硫，之后对经过处理的沼气进行干化、储存。
本发明第三方面提供一种用于实现资源回收和负碳排放的废水处理系统的智能化控制方法，该控制方法包括学习和验证阶段，以及运行阶段：其中，所述学习和验证阶段包括：S1、监测并记录该处理系统中各单元的污染物指标及自然环境指标；S2、对所述各单元中处理效果异常的参数进行调节操作，并将所述处理效果参数的指标作为训练学习样本不断优化算法权重；利用移动平均值模型，基于现有水质数据对未来水质波动进行预测，并对可能出现的水质异常情况进行预警，得到确定的模型权重参数以及水质预测模型，形成数据库；S3、监测学习和验证过程中的参数是否达标；S4、若参数达标，则记录所述参数；若参数不达标，则返回所述步骤S2；所述运行阶段包括：S5、监测并记录该处理系统中各单元的进水指标及温度情况；S6、根据所述数据库自动预测调整运行参数；S7、监测运行过程中的参数是否达标；S8、若参数达标，则排放并记录所述参数；S9、若参数不达标，则在进行故障诊断后返回所述步骤S2。
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种实现资源回收和负碳排放的工业污水处理系统，如图1所示，包括：
(一)热能回收模块：该污水处理系统的热能回收模块一共由两部分组成。首先，对于温度>35℃的工业废水(如淀粉废水、焦化废水、煤化工废水、制药废水等)进入处理流程前首先需要经过列管式换热器1换热，回收污水中的热能并降低进水温度(<25℃)，以防影响后续微生物处理系统的效果；其次，经污泥热水解后的高温污泥(120℃～200℃)也需要换热器1回收热能并降温；最后，本发明在甲烷发电系统中利用了热电联产单元24，可同步产电产热，与上述回收热能一同作为高品质热源输出。
(二)预处理除杂模块：污水在经过换热器1换热后进入该模块，首先经过粗细格栅2去除水中的大型悬浮固体物质，再进入沉砂池3以去除相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质(如无机砂粒、果核等)，同时调节pH至6～9。
(三)污水厌氧消化模块：污水经预处理除杂模块后流入第一厌氧消化单元4进行产沼，水力停留时间～20h，对COD的去除效率为85％～95％。所产沼气进入沼气净化模块进行进一步除杂，所述污水经氮磷回收单元5和第一沉淀池6除磷并回收生产磷酸铵镁(鸟粪石)后，进入深度脱氮模块。
(四)深度脱氮模块：该模块由泥膜共生的一体式厌氧氨氧化(IFAS-CANON)单元7和好氧颗粒污泥单元9组成。IFAS-CANON单元7中填充海绵状填料，其表面的厌氧氨氧化细菌组成生物膜，该生物膜同步去除氨氮及亚硝态氮，该单元可以在不添加外部碳源的情况下，使污水的总氮去除率>90％，其中，亚硝态氮来自于IFAS-CANON单元7中絮体污泥所包含的氨氧化细菌。该单元中仅需要微量曝气，保持溶解氧浓度在0.3mg/L～0.8mg/L即可，若出水硝态氮过高或者出现亚硝态氮积累则调整溶解氧浓度<0.5mg/L。后部设有第二沉淀池8，保持污泥回流至IFAS-CANON单元的回流比为100％～300％。该工艺出水仍含有少部分氨氮<40mg/L，以及硝态氮<100mg/L，因此在后端设置好氧颗粒污泥单元9对氮元素进行深度处理。好氧颗粒污泥单元9以SBR模式运行，曝气阶段溶解氧保持在4mg/L～6mg/L，厌氧阶段溶解氧<0.5mg/L，运行时体系中污泥浓度不低于4000mg/L(其中颗粒占比>75％)。由于好氧颗粒污泥单元9具有较好的沉降性能(沉速>50m/h)，因此在后端无需设置沉淀池。
(五)深度处理模块：深度处理模块包含高效过滤器10、电-多相臭氧催化装置11、磁絮凝沉淀池12及膜处理单元13。高效过滤器10去除污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，使固体颗粒物浓度<30mg/L，大大降低了后续处理难度。电-多相臭氧催化装置11内不断由阳极通入臭氧发生器产生的气体(臭氧浓度～100mg/L)，并在电极表面形成大量羟基自由基，其可以有效去除污水中残余的难降解有机物(比单纯臭氧催化去除率高40％，并可去除臭氧惰性物质)以及致病菌，该单元出水COD可保持在<50mg/L。磁絮凝沉淀池12可通过除磷剂的添加形成磷酸盐絮凝物，并经超磁分离技术去除污水中残留磷酸盐(使水体中总磷<0.5mg/L)，磷酸盐絮体物与剩余污泥一同进入污泥减量消化模块，而污水经膜处理单元13(微滤膜，孔径为0.1μm～1μm)处理，进一步去除水体中微粒后达到回用标准。
(六)污泥减量消化模块：上述过程中的IFAS-CANON单元7后端沉淀池排泥，好氧颗粒污泥单元9排泥，高效过滤器10截留物以及磁絮凝沉淀池12排泥均进入污泥减量消化模块进行“资源回收”、“能量提取”以及“无害化处理”。上述污泥首先进入污泥浓缩池14进行浓缩处理，优选的处理后泥饼含水率约为80％～88％，泥饼进入污泥热水解单元15反应30min～60min，期间保持温度120℃～200℃。热水解后污泥经换热器1降温至40℃～45℃后，与制浆后的餐厨垃圾混匀通入第二厌氧消化单元16中。厌氧消化水力停留时间约为7d～12d，期间保持运行温度35℃～40℃，并不断收集沼气至沼气净化模块。厌氧消化后出料(沼渣)经脱水单元17处理至含水率<50％，其沼液与污水混合进入第二厌氧消化单元16再次处理，沼渣则进入沼渣干化单元18，保持干化系统温度为100℃～200℃使其含水率<10％后作为营养土进行资源化利用。
(七)沼气净化模块：第一厌氧消化单元4和第二厌氧消化单元16的末端接水封器19以防止反应器压力异常，随后沼气进入湿法脱硫塔20，通过沼气中含硫气体与碳酸钠进行反应进行吸收，随后溶液以25m/s的速度在反应器内喷出并与空气完全混合，将硫化物氧化为单质硫析出，实现污水中硫元素的高效回收，析硫量占硫总量的>75％。随后再经过干法脱硫塔21对气体中硫化氢进一步去除，使沼气中硫化氢含量<50mg/m3。随后沼气通过脱水罐22进行干化，并进入双膜气柜23储存。
(八)场内自发电模块：上述所产沼气经热电联产单元24发电，电力供应厂区电网，此外还配有风-光发电单元25，可以在满足污水处理流程中各模块、单元设备稳定运行，以及厂区办公楼、食堂、宿舍使用外，还可并入电网外供。
(九)智慧化控制模块：该处理系统还包括上述流程设施的智慧化控制模块，该模块能够通过各模块、单元中水质传感器记录各项水质指标，以及人工调节方式，并通过神经网络模型算法使之互相匹配，最终实现智慧化管控的功能。该模块一共分为三个阶段：如图2所示，学习和验证阶段，在学习阶段中，该模块通过不断记录各处理单元的污染物指标及自然环境指标，以及针对处理效果异常的人为调节操作情况，并将其作为训练学习样本不断优化算法权重；在验证阶段中，依然需要人为对整个污水处理模块进行调节与操作，算法会停止记录数据并根据现有权重验证模型的准确性，如果异常情况出现过多则会重新进入学习阶段，当记录天数大于50d，且准确度高于98％时则视为阶段结束。在上述两阶段中，该模块均会利用移动平均值模型，基于现有水质数据对未来水质波动进行预测，并对可能出现的水质异常情况进行预警；第三阶段为运行阶段，该模块可以根据上述阶段确定的模型权重参数，以及水质预测模型对污水处理系统各单元实施预先调控，在处理单元出现异常前完成操作，可大幅度减小出水波动发生次数，并减小应对成本。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本申请的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本申请的精神和范围内，均可作各自更动与修改，因此本申请的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种实现资源回收和负碳排放的废水处理系统，其特征在于，该处理系统包括顺次相连的热能回收模块、预处理除杂模块、污水厌氧消化模块、深度脱氮模块、深度处理模块、污泥减量消化模块和沼气净化模块；
其中，所述热能回收模块用于回收污水中的热能并降低进水温度，以及对经污泥热水解后的高温污泥回收热能并降温；
所述预处理除杂模块用于先去除污水中的大型悬浮固体物质，再去除污水中相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质，同时调节污水pH至6～9；
所述污水厌氧消化模块用于对污水进行产沼并去除COD，再除磷并回收生产磷酸铵镁；
所述深度脱氮模块用于对污水中残存的氨氮、亚硝态氮以及硝态氮进行去除；
所述深度处理模块用于去除污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，去除污水中残余的难降解有机物以及致病菌，去除污水中残留磷酸盐，并进一步去除水体中微粒后达到回用标准；
所述污泥减量消化模块用于对污泥进行浓缩处理、热水解处理和厌氧消化处理，对出料进行脱水处理；
所述沼气净化模块用于收集沼气，并使沼气依次进行湿法脱硫和干法脱硫，之后对经过处理的沼气进行干化、储存。
2.根据权利要求1所述的实现资源回收和负碳排放的废水处理系统，其特征在于，所述污水厌氧消化模块包括依次相连的第一厌氧消化单元(4)、氮磷回收单元(5)和第一沉淀池(6)；
所述第一厌氧消化单元(4)用于对经过预处理除杂模块的污水进行产沼并去除COD，产生的沼气进入所述沼气净化模块；其中，所述厌氧消化单元对COD的去除效率达为85％～95％；
所述氮磷回收单元(5)和第一沉淀池(6)用于对经过所述第一厌氧消化单元(4)的污水除磷并回收生产磷酸铵镁，之后所述污水后进入深度脱氮模块。
3.根据权利要求1所述的实现资源回收和负碳排放的废水处理系统，其特征在于，所述深度脱氮模块包括泥膜共生的一体式厌氧氨氧化单元(7)和好氧颗粒污泥单元(9)，以及设置在所述一体式厌氧氨氧化单元之后的第二沉淀池(8)；
其中，所述一体式厌氧氨氧化单元(7)中的微生物由海绵填料上附着的厌氧氨氧化菌生物膜及絮体污泥中的氨氧化菌组成，其中，絮体污泥用于将经过污水厌氧消化模块的污水中的部分氨氮氧化为亚硝态氮，以供厌氧氨氧化菌进行后续氨氮和亚硝态氮同步脱除，使所述污水的总氮去除率达到90％以上；
所述沉淀池(8)用于保持污泥回流至所述一体式厌氧氨氧化单元(7)的回流比为100％～300％；
所述好氧颗粒污泥单元(9)以SBR模式运行，用于对经过所述一体式厌氧氨氧化单元(7)的污水中氮元素进行深度处理，并将处理后的污水排入所述深度处理模块。
4.根据权利要求1所述的实现资源回收和负碳排放的废水处理系统，其特征在于，所述所述深度处理模块包括依次相连的高效过滤器(10)、电-多相臭氧催化装置(11)、磁絮凝沉淀池(12)及膜处理单元(13)；
所述高效过滤器(10)用于去除经过深度脱氮模块的污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，以使所述污水中固体颗粒物浓度小于30mg/L；
所述电-多相臭氧催化装置(11)用于去除经过所述高效过滤器(10)的污水中残余的难降解有机物以及致病菌，并使所述污水的出水COD保持在50mg/L以下；
所述磁絮凝沉淀池(12)用于通过除磷剂的添加形成磷酸盐絮凝物，并经超磁分离技术去除经过所述电-多相臭氧催化装置的污水中残留磷酸盐，以使所述污水水体中总磷小于0.5mg/L，形成的磷酸盐絮体物与剩余污泥一同进入所述污泥减量模块；
所述膜处理单元(13)为孔径为0.1μm～1μm的微滤膜，用于去除经过所述磁絮凝沉淀池的污水中的微粒以达到回用标准。
5.根据权利要求2所述的实现资源回收和负碳排放的废水处理系统，其特征在于，所述所述污泥减量消化模块包括依次相连的污泥浓缩池(14)、污泥热水解单元(15)、第二厌氧消化单元(16)、脱水单元(17)和沼渣干化单元(18)；
所述污泥浓缩池(14)用于对所述深度脱氮模块和深度处理模块产生的污泥进行浓缩处理，得到泥饼；
所述污泥热水解单元(15)用于对所述泥饼进行热水解处理，再次得到污泥，并将所述污泥排入所述热能回收模块以进行降温，再将降温后的污泥与制浆后的餐厨垃圾混匀通入所述厌氧消化单元(16)中；
所述第二厌氧消化单元(16)用于对降温后的污泥与制浆后的餐厨垃圾进行厌氧消化处理，并产出沼渣；
所述脱水单元(17)用于对所述沼渣进行脱水处理，以使所述沼渣含水率小于50％，并将脱水处理产生的污水重新通入所述污水厌氧消化模块进行处理；
所述沼渣干化单元(18)用于对经过所述脱水单元(17)的沼渣进行干化处理，以使所述沼渣含水率小于10％；
所述第一厌氧消化单元(4)和第二厌氧消化单元(16)之后还设置有水封器(19)，用于防止反应器压力异常。
6.根据权利要求1所述的实现资源回收和负碳排放的废水处理系统，其特征在于，所述沼气净化模块包括依次相连的湿法脱硫塔(20)、干法脱硫塔(21)、脱水罐(22)和双膜气柜(23)；
所述湿法脱硫塔(20)用于将沼气中含硫气体与碳酸钠进行反应进行吸收，将硫化物氧化为单质硫析出；
所述干法脱硫塔(21)用于对经过所述湿法脱硫塔(20)的沼气中硫化氢进一步去除，使所述沼气中硫化氢含量小于50mg/m3；
所述脱水罐(22)用于对经过所述干法脱硫塔(21)的沼气进行干化；
所述双膜气柜(23)用于对经过脱水罐(22)的沼气进行储存。
7.根据权利要求1所述的实现资源回收和负碳排放的废水处理系统，其特征在于，所述热能回收模块包括换热器(1)和热电联产单元(24)，所述换热器(1)用于对回收进入该处理系统的污水中的热能并降低进水温度，还对经过所述污泥减量消化模块的高温污泥进行回收热能并降温；所述热电联产单元(24)用于同步产电产热，与所述换热器(1)回收的热能一同作为高品质热源输出；
所述预处理除杂模块包括粗细格栅(2)和沉砂池(3)，所述粗细格栅(2)用于去除经过所述换热器(1)的污水中的大型悬浮固体物质；所述沉砂池(3)用于去除经过所述粗细格栅(1)的污水中的去除相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质，并调节所述污水的pH至6～9。
8.根据权利要求7所述的实现资源回收和负碳排放的废水处理系统，其特征在于，该处理系统还包括场内自发电模块和智慧化控制模块，所述场内自发电模块以经所述热电联产单元(24)的沼气发电；所述智慧化控制模块用于利用神经网络算法，通过该处理系统中各模块的水质传感器记录各项水质指标以及人工调节数据进行权重核算，完成控制行为建模，以实现对该处理系统的智慧化管控。
9.一种实现资源回收和负碳排放的废水处理方法，其特征在于，该处理方法包括：
回收污水中的热能并降低进水温度，以及对经污泥热水解后的高温污泥回收热能并降温；
先去除所述污水中的大型悬浮固体物质，再去除污水中相对密度大于1.5且粒径为0.2mm以上的颗粒物质，同时调节污水pH至6～9；
对所述污水进行产沼并去除COD，再除磷并回收生产磷酸铵镁；
对所述污水中残存的氨氮、亚硝态氮以及硝态氮进行去除；
去除所述污水中大部分悬浮物、污泥及部分难降解有机颗粒物，去除污水中残余的难降解有机物以及致病菌，去除污水中残留磷酸盐，并进一步去除水体中微粒后达到回用标准；
对污泥进行浓缩处理、热水解处理和厌氧消化处理，对出料进行脱水处理；
收集沼气，并使沼气依次进行湿法脱硫和干法脱硫，之后对经过处理的沼气进行干化、储存。
10.一种用于实现资源回收和负碳排放的废水处理系统的智能化控制方法，其特征在于，该控制方法包括学习和验证阶段，以及运行阶段：
其中，所述学习和验证阶段包括：
S1、监测并记录该处理系统中各单元的污染物指标及自然环境指标；
S2、对所述各单元中处理效果异常的参数进行调节操作，并将所述处理效果参数的指标作为训练学习样本不断优化算法权重；利用移动平均值模型，基于现有水质数据对未来水质波动进行预测，并对可能出现的水质异常情况进行预警，得到确定的模型权重参数以及水质预测模型，形成数据库；
S3、监测学习和验证过程中的参数是否达标；
S4、若参数达标，则记录所述参数；若参数不达标，则返回所述步骤S2；
所述运行阶段包括：
S5、监测并记录该处理系统中各单元的进水指标及温度情况；
S6、根据所述数据库自动预测调整运行参数；
S7、监测运行过程中的参数是否达标；
S8、若参数达标，则排放并记录所述参数；
S9、若参数不达标，则在进行故障诊断后返回所述步骤S2。
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