从污水中提取物质和能量的方法及系统

中国污水处理工程网时间：2018-2-24 15:30:42

　　申请日2016.06.15

　　公开(公告)日2016.08.17

　　IPC分类号C02F9/14; C02F11/18; C02F11/12; C05F7/00; C01B25/45; C10L3/08; C02F101/16

　　摘要

　　一种从污水中提取物质和能量的方法及系统，该方法包是利用正渗透膜将原污水进行浓缩，被稀释的碳酸氢铵汲取液利用蒸发浓缩得以再生重新利用，去除碳酸氢铵后的汲取液经过反渗透膜提纯为净化水回收利用，被浓缩的原污水经过厌氧消化过程产生沼气、上清液和污泥，沼气可作为蒸汽锅炉的燃料，上清液经超滤提纯后与氧化镁反应生成磷酸铵镁缓释肥，污泥经加热消毒及脱水后成为有机肥料;该系统包括原污水浓缩池、汲取液蒸发器、汲取液浓缩器、低压反渗透水回收器、厌氧消化反应器、超滤分离器、磷回收池、MAP收集池、污泥灭菌装置和脱水机。本发明实现了从污水中回收净化水和能量以及制得磷酸铵镁缓释肥和有机肥的目的，降低了环境污染。

　　权利要求书

　　1.一种从污水中提取物质和能量的方法，其特征是：包括原污水浓缩、汲取液再生、净化水回收、能量回收、有机肥回收以及磷回收六个阶段，具体过程如下所述：

　　(1)原污水浓缩阶段：

　　使经过格栅及沉砂池处理的原污水进入正渗透膜的一侧，正渗透膜另一侧的汲取液采用碳酸氢铵溶液，利用正渗透膜的选择透过性及正渗透膜两侧的渗透压差，使得污水中的水分子透过正渗透膜进入碳酸氢铵溶液，污水中的悬浮物质及有机物被截留，这样原污水被浓缩，碳酸氢铵溶液被稀释;

　　(2)汲取液再生阶段：

　　被稀释的碳酸氢铵溶液抽出后利用蒸汽间接加热，使溶液中的碳酸氢铵受热分解，得到氨气和二氧化碳气体，蒸汽来源于能量回收阶段;在加压的作用下，这两种气体再与水反应生成浓度能够作为汲取液的碳酸氢铵溶液，流回正渗透膜的汲取液一侧，实现汲取液的再生;

　　(3)净化水回收阶段：

　　在汲取液再生阶段中，碳酸氢铵受热分解后的被稀释的碳酸氢铵溶液通过抽吸作用穿过反渗透膜，利用反渗透膜的选择透过性，使得水分子透过反渗透膜，得到净化出水，其它大分子不能透过膜，则被截留;

　　(4)能量回收阶段：

　　原污水浓缩阶段中被浓缩的原污水经预热后进行厌氧消化反应，在厌氧微生物的作用下，污水中的部分有机物被转化成甲烷气体，部分有机物被微生物利用进行自身的增殖，使得厌氧微生物的数量增加，得到含有植物性营养元素的污泥，并产生上清液;同时甲烷被送入蒸汽锅炉，产生蒸汽;蒸汽用来预热厌氧消化反应前的浓缩原污水、加热被稀释的碳酸氢铵溶液的热源以及消毒污泥;

　　(5)肥料回收阶段：

　　利用能量回收阶段产生的高温蒸汽对能量回收阶段产生的污泥进行污泥灭菌，以杀灭污泥中的致病菌，灭菌之后的污泥经脱水处理后得到肥料;

　　(6)磷回收阶段：

　　对能量回收阶段产生的上清液通过超滤膜进行超滤提纯，允许小于超滤膜孔径的组分透过，大于超滤膜孔径的组分被超滤膜截留，在抽吸作用下上清液中的水分子及溶解性物质透过超滤膜，成为透过液，上清液中的固体物质则被超滤膜截留;被超滤膜截留的固体物质送回原污水浓缩池;对透过液进行磷回收，投加NaOH将pH调至8～8.5，然后加入氧化镁，在碱性条件下，透过液中的磷和氨与氧化镁反应生成磷酸铵镁。

　　2.根据权利要求1所述的从污水中提取物质和能量的方法，其特征是，所述原污水浓缩阶段中碳酸氢铵溶液的浓度为200～250g/L。

　　3.根据权利要求1所述的从污水中提取物质和能量的方法，其特征是，所述正渗透膜朝向原污水一侧通过柱状填料的流动对正渗透膜的表面刷洗，实现对正渗透膜的清洗。

　　4.根据权利要求1所述的从污水中提取物质和能量的方法，其特征是，所述汲取液再生阶段中被稀释的碳酸氢铵溶液的加热温度为55℃～60℃。

　　5.根据权利要求1所述的从污水中提取物质和能量的方法，其特征是，所述汲取液再生阶段中的加压压力为0.5～0.6MPa。

　　6.根据权利要求1所述的从污水中提取物质和能量的方法，其特征是，所述汲取液再生阶段中氨气和二氧化碳的混合气体与水的体积比为1000～1200：1。

　　7.根据权利要求1所述的从污水中提取物质和能量的方法，其特征是，所述能量回收阶段原污水的预热温度为35℃～37℃。

　　8.根据权利要求1所述的从污水中提取物质和能量的方法，其特征是，所述肥料回收阶段中污泥灭菌是将污泥加热到70℃～72℃，并停留5～8分钟。

　　9.一种从污水中回收物质和能量的系统，包括原污水浓缩池、汲取液蒸发器、汲取液浓缩器、低压反渗透水回收器、厌氧消化反应器、蒸汽锅炉、超滤分离器、磷回收池、污泥灭菌装置和脱水机;其特征是：

　　原污水浓缩池内设置有正渗透膜，正渗透膜将原污水浓缩池分为污水侧和汲取液侧，污水侧的上部设置有原污水进水管、反渗透浓缩液回流管、超滤浓水回流管和MAP(磷酸铵镁)池回流管;污水侧内还设置有内隔板，内隔板两侧的底部分别设置有内循环进水管和内循环出水管，内隔板与正渗透膜之间的空间底部设置有筛网，内循环出水管位于该筛网的下部，内循环进水管和内循环出水管之间设有循环水泵;汲取液侧的底部设置有稀释汲取液排出管，上部设置有汲取液加注管;

　　汲取液蒸发器内设有第一加热盘管，第一加热盘管的一端通过第一蒸汽管与蒸汽锅炉相连，另一端通过第一冷凝回水管与蒸汽锅炉相连;汲取液蒸发器的一侧通过所述稀释汲取液排出管与原污水浓缩池相连，另一侧通过反渗透进水管与低压反渗透水回收器相连;汲取液蒸发器的上部通过蒸发汲取液出汽管与汲取液浓缩器连接，汲取液浓缩器通过所述汲取液加注管与原污水浓缩池相连;

　　低压反渗透水回收器中设置有反渗透膜，反渗透膜的出口端通过净水回收管与反渗透抽吸泵相连，低压反渗透水回收器通过反渗透浓缩液回流管与原污水浓缩池相连，低压反渗透水回收器通过所述反渗透进水管与汲取液蒸发器相连;

　　厌氧消化反应器的顶部设有沼气管，底部设有污泥排出管，厌氧消化反应器的上部通过消化液排出管与超滤分离器相连，厌氧消化反应器的下部通过浓缩污水出水管与所述循环水泵相连，浓缩污水出水管穿过汽水换热器;汽水换热器的上部连接有第二蒸汽管，下部通过第二冷凝回水管与蒸汽锅炉连接;

　　超滤分离器中设有超滤膜，超滤膜的出口端通过超滤抽吸泵及超滤液进水管与磷回收池相连;超滤分离器通过消化液排出管与厌氧消化反应器相连，并通过所述超滤浓水回流管与原污水浓缩池相连;

　　磷回收池通过磷回收池出水管与MAP收集池相连，MAP收集池通过MAP池回流管与原污水浓缩池相连，MAP收集池中设有格网;

　　污泥灭菌装置中设置有第二加热盘管，第二加热盘管的一端通过第三蒸汽管同蒸汽锅炉相连，另一端通过第三冷凝回水管与蒸汽锅炉相连;污泥灭菌装置的一侧通过污泥排出管与厌氧消化反应器相连，另一侧通过脱水机进泥管与脱水机相连。

　　10.根据权利要求9所述的从污水中回收物质和能量的系统，所述原污水浓缩池的污水侧空间内装填有柱状填料，柱状填料占污水侧空间体积的5～10%。

　　说明书

　　一种从污水中提取物质和能量的方法及系统

　　技术领域

　　本发明涉及一种应用膜处理技术及厌氧生物技术从生活污水中回收物质和能量的方法，属于污水处理技术领域。

　　背景技术

　　人们在日常生活过程中产生的污水中含有大量的有机物、氮、磷等营养物质。其中氮、磷等物质作为植物生长必须的营养成分，如果能够加以回收，可以作为微生物肥料，促进作物的生长。如果能够对污水中的含碳物质加以利用，将其转化成为能量，可以有效缓解目前存在的能源紧张问题。

　　然而，目前生活污水的主要去向是经过长距离的管道输送后在集中式污水处理厂中通过物理化学过程及生物处理过程将污水中的有机物氧化成无机物，一部分以二氧化碳的形式排入到大气中，另一部分转化成微生物细胞，最终以剩余污泥的形式排出系统;污水中的大部分含氮物质转化成氮气从污水中脱除;同时，污水中所含有的磷转移到污泥中，这部分污泥在后续的处置过程中大部分被作为固体废物进行废弃或填埋处理，使得本可以从污水中回收的磷资源无法进行有效回收，加剧了磷资源短缺的危机。

　　因此，目前的生活污水处理处置方式一方面无法有效回收污水中潜在的有价值物质和能量，另一方面还会造成对环境的污染，如在生物处理过程中会产生温室气体等。

　　发明内容

　　针对生活污水中含有的大量有价值物质及能源的回收问题，本发明提供一种从污水中提取物质和能量的方法，能够从原污水中回收物质和能源，同时提供一种实现该方法的系统。

　　本发明的从污水中提取物质和能量的方法，包括原污水浓缩、汲取液再生、净化水回收、能量回收、有机肥回收以及磷回收六个阶段，具体过程如下所述：

　　(1)原污水浓缩阶段：

　　使经过格栅及沉砂池处理(去除掉其中所含的大块漂浮物及砂粒)的原污水进入正渗透膜的一侧，正渗透膜另一侧的汲取液采用碳酸氢铵溶液，利用正渗透膜的选择透过性及正渗透膜两侧的渗透压差，使得污水中的水分子透过正渗透膜进入碳酸氢铵溶液，污水中的悬浮物质及有机物被截留，这样原污水被浓缩，碳酸氢铵溶液被稀释;

　　碳酸氢铵溶液的浓度为200g/L～250g/L。

　　正渗透膜朝向原污水一侧通过柱状填料的流动对正渗透膜的表面刷洗，实现对正渗透膜的清洗。

　　通过这一阶段的浓缩，污水中的悬浮物及有机物等可以被浓缩4倍以上。

　　(2)汲取液再生阶段：

　　被稀释的碳酸氢铵溶液抽出后利用蒸汽间接加热，使溶液中的碳酸氢铵受热分解，得到氨气和二氧化碳气体，蒸汽来源于能量回收阶段;在加压的作用下，氨气和二氧化碳的混合气体再与水反应生成浓度能够作为汲取液的碳酸氢铵溶液，流回正渗透膜的汲取液一侧，实现汲取液的再生;

　　被稀释的碳酸氢铵溶液的加热温度为55℃～60℃。

　　加压的压力为0.5～0.6MPa。

　　氨气和二氧化碳的混合气体与水的体积比为1000～1200：1。

　　(3)净化水回收阶段：

　　通过净化水回收阶段可以实现污水中净水资源的回收。

　　(4)能量回收阶段

　　原污水浓缩阶段中被浓缩的原污水经预热后进行厌氧消化反应，在厌氧微生物的作用下，污水中的部分有机物被转化成甲烷气体(沼气)，部分有机物被微生物利用进行自身的增殖，使得厌氧微生物的数量增加，得到含有植物性营养元素(氮、磷等)的污泥，并产生一部分上清液;同时甲烷被送入蒸汽锅炉，产生蒸汽;蒸汽用来预热厌氧消化反应前的浓缩原污水、加热被稀释的碳酸氢铵溶液的热源以及消毒污泥;多余的能量(蒸汽)可以驱动发电机产生电能。

　　原污水的预热温度为35℃～37℃。

　　通过能量回收阶段可以实现污水中能量的回收利用。

　　(5)肥料回收阶段：

　　利用能量回收阶段产生的高温蒸汽对能量回收阶段产生的污泥进行污泥灭菌，以杀灭污泥中的致病菌，灭菌之后的污泥经脱水处理后得到肥料(富含氮、磷等营养元素);

　　污泥灭菌是将污泥加热到70℃～72℃，并停留5～8分钟。

　　通过肥料回收阶段可以实现从原污水中回收氮、磷等营养元素的目的。

　　(6)磷回收阶段

　　对能量回收阶段产生的上清液通过超滤膜进行超滤提纯，允许小于超滤膜孔径的组分透过，大于超滤膜孔径的组分被超滤膜截留，在抽吸作用下上清液中的水分子及溶解性物质透过超滤膜，成为透过液，上清液中的固体物质则被超滤膜截留;被超滤膜截留的固体物质送回原污水浓缩池;对透过液进行磷回收，投加NaOH将pH调至8～8.5，然后加入氧化镁(MgO)，在碱性条件下，透过液中的磷和氨与氧化镁反应生成磷酸铵镁(鸟粪石)。

　　鸟粪石中富含氮、磷等营养物质，是一种优质的肥料，可以作为缓释肥。通过磷回收阶段，可以实现从污水中大量回收氮、磷元素的目的。

　　实现上述方法的从污水中回收物质和能量的系统，采用以下技术方案：

　　该系统，包括原污水浓缩池、汲取液蒸发器、汲取液浓缩器、低压反渗透水回收器、厌氧消化反应器、蒸汽锅炉、超滤分离器、磷回收池、污泥灭菌装置和脱水机;

　　磷回收池通过磷回收池出水管与MAP收集池相连，MAP收集池通过MAP池回流管与原污水浓缩池相连，MAP收集池中设有格网;

　　所述原污水浓缩池的污水侧空间内装填有柱状填料，柱状填料占污水侧空间体积的5～10%。

　　本发明主要针对污水中所含有的有价值物质和能源进行回收再利用，采用膜处理技术同厌氧生物技术的结合从原生活污水中回收这些物质和能量，以达到既回收物质、能量，又降低外排污水对环境造成污染的问题。具有如下特点：

　　(1)可以实现从原污水中最大量地回收优质淡水资源、二次能源、有机肥料及优质的磷酸铵镁(MAP);

　　(2)同现有的污水处理方法相比较，占地面积小、操作简单、出水水质好，在降低污水对环境的不利影响的同时，可以获得可观的经济效益等优势;

　　(3)利用正渗透膜对原污水进行浓缩，可以提高进入厌氧消化反应器的污水浓度，降低所需厌氧消化反应器的容积，降低需热量，提高厌氧处理过程的效率;

　　(4)通过正渗透/反渗透组合工艺对污水进行处理，可以得到优质的回收水;

　　(5)可以得到纯度较高的磷酸铵镁(MAP)和经过消毒杀菌处理的有机肥料，这些肥料在应用过程中降低了生态风险。