申请日2018.12.18
公开(公告)日2019.02.22
IPC分类号C02F9/14; C01B25/45; C05B7/00; C02F101/10; C02F101/16; C02F101/30
摘要
本发明公开一种船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统，该系统包括依次相连的污水混合箱、主功能箱体(厌氧区，鸟粪石结晶区，膜生物反应区、沉淀区)和紫外消毒系统;上述系统还包括海水贮存池和镁离子纳滤浓缩装置，镁离子纳滤浓缩装置分别连接鸟粪石结晶区和海水贮存池。本发明还公开了使用上述系统进行船舶生活污水处理及氮磷回收的方法。本发明遵循目前可持续发展理念下的现代污水处理技术应同时具有水质改善、低能耗和实现污染物资源化等功能的要求，结合船舶生活污水有机物和氮磷浓度高的特性，解决了现有工艺脱氮除磷效率低、能耗较高以及资源浪费等问题，可为新型船舶污水深度处理及资源回收工艺和装备的推广应用提供理论和技术支撑。
权利要求书
1.一种船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统，其特征在于，该系统包括依次相连的污水混合箱(1)、主功能箱体(21)和消毒装置(6);所述系统还包括海水贮存池(7)和镁离子纳滤浓缩装置(8);所述主功能箱体(21)内设有依次相互连通的厌氧区(2)、鸟粪石结晶区(3)和膜生物反应区(4);所述污水混合箱(1)与所述厌氧区(2)相连，所述膜生物反应区(4)与所述消毒装置(6)相连，所述镁离子纳滤浓缩装置(8)分别与所述鸟粪石结晶区(3)和海水贮存池(7)相连。
2.根据权利要求1所述的船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统，其特征在于，所述污水混合箱(1)内设有粉粹泵(10);所述厌氧区(2)设有搅拌装置(12);所述污水混合箱(1)与所述厌氧区(2)通过蠕动泵相连。
3.根据权利要求1所述的船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统，其特征在于，所述鸟粪石结晶区(3)设有曝气装置(16)、用于诱导结晶的晶种(18)和布水管(19)，所述布水管(19)与所述镁离子纳滤浓缩装置(8)通过管道和水泵(13)相连;所述镁离子纳滤浓缩装置(8)的纳滤膜为SS-NF2-4040-G2，MgSO4脱盐率≥99%，产水回收率为80%～95%。
4.根据权利要求3所述的船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统，其特征在于，所述鸟粪石结晶区(3)中，所述用于诱导结晶的晶种(18)为颗粒尺寸为0.15～0.21mm的方解石或石英砂，晶种投加浓度为30～60g/L;所述布水管(19)为PVC材质，布水管(19)孔径0.02～0.05mm;所述曝气装置(16)设置在所述鸟粪石结晶区(3)底部。
5.根据权利要求1所述的船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统，其特征在于，所述膜生物反应区(4)设有中空纤维浸没式膜组件(20)和曝气装置(17)，且所述中空纤维浸没式膜组件(20)出水口与所述消毒装置(6)通过管道和蠕动泵(15)相连。
6.根据权利要求5所述的船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统，其特征在于，所述中空纤维浸没式膜组件(20)的膜材料为高维网状结构聚偏氟乙烯，所述曝气装置(17)设置在所述膜生物反应区(4)的底部。
7.根据权利要求1所述的船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统，其特征在于，所述厌氧区(2)、鸟粪石结晶区(3)和膜生物反应区(4)中设有活性污泥，所述活性污泥的浓度为8000～12000mg/L;所述系统还包括沉淀区(5)，所述沉淀区(5)与所述膜生物反应区(4)通过上部开口的隔板隔开，且所述沉淀区(5)底部分别连接有污泥回流泵(14)和排泥泵(24)，所述污泥回流泵(14)连接所述厌氧区(2)，所述排泥泵(24)连接排泥口(25)。
8.根据权利要求1所述的船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统，其特征在于，所述鸟粪石结晶区(3)由多孔有机玻璃箱体围成，所述多孔有机玻璃箱体的孔径为0.12～0.20mm，开孔率30～65%;所述消毒装置(6)为管道过流式紫外杀菌器。
9.一种使用权利要求1～8中任意一项所述的船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统进行船舶生活污水处理及氮磷回收的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将船舶生活污水引入污水混合箱(1)，用粉粹泵(10)将船舶生活污水破碎混合后引入厌氧区(2)，在厌氧区(2)中进行厌氧反应;
2)步骤1)处理得到的混合液进入鸟粪石结晶区(3)，镁离子纳滤浓缩装置(8)浓缩海水中的镁离子后将浓缩液引入鸟粪石结晶区(3)，通过曝气装置(16)向鸟粪石结晶区(3)进行曝气，使混合液中的氨氮、磷酸盐和由镁离子纳滤浓缩装置(8)引入的镁离子在晶种(18)诱导下发生鸟粪石结晶反应，结晶产物吸附在晶种表面，随晶种(18)一起沉淀回收;
3)经步骤2)处理的混合液进入膜生物反应区(4)，并通过曝气装置(17)向膜生物反应区(4)进行曝气，使污水中剩余污染物在活性污泥和中空纤维浸没式膜组件(20)的作用下被去除;
4)将中空纤维浸没式膜组件(20)出水引入消毒装置(6)进行消毒处理，达标排放或回用;膜生物反应区(4)剩余混合液进入沉淀区(5)，其中活性污泥由沉淀区(5)底部回流至厌氧区(2)或通过排泥泵(24)进行外排(25)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤1)中，所述厌氧区(2)水力停留时间为4.0～5.0h;步骤2)中，鸟粪石结晶区(3)中的曝气装置(16)的曝气量为20～30m3/(m2·h);通过更换晶种的方式回收吸附在晶种(18)表面的鸟粪石结晶产物，更换晶种的周期为30～60天;步骤3)中，膜生物反应区(4)中溶解氧浓度维持在2.5～3.5mg/L;步骤4)中，活性污泥由沉淀区(5)底部回流至厌氧区(2)的污泥回流比为100%～200%。
说明书
船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统及方法
技术领域
本发明涉及船舶生活污水生物处理技术与资源回收，具体涉及船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统及方法。
背景技术
随着航运业和海洋开发的空前发展，船舶数量急剧增加，海洋环境的污染越来越严重。由海运所带来的船舶生活污水污染问题也逐渐引起人们的关注。船舶污水作为一种流动性污染源，如果直接排入海洋、内河水环境(湖泊、水库)将会造成水体富营养化，严重的会导致水质恶化和鱼类的死亡或迁徙。氮、磷是造成水体富营养化的主要元素，但也属于稀缺资源。随着世界人口增长和工农业生产的扩大，氮、磷资源日渐枯竭，而船舶生活污水由生产生活中产生的“黑水”和“灰水”组成，含有“较丰富”的氮、磷，回收潜力巨大。如果能将船舶污水中的氮、磷回收，不仅能避免水体富营养化的产生，还能实现资源的循环利用，符合当前我国建设环境友好型和资源节约型社会的要求，具有经济和环境双重效益。
鸟粪石(MAP)结晶法可以高效的去除船舶生活污水中高浓度的氨氮和磷酸盐，具有反应速度快，受水力条件和废水中悬浮物的影响小等特点。生成物MAP沉降性能好，可作为一种高效的农业缓释肥料，具有很高的利用价值，是目前回收废水中氮磷领域的研究热点。但是，由于镁源的投加成本较高，MAP法的应用受到了限制，研究人员正在寻找价廉高效的沉淀剂。而海水中含有丰富的Mg2+，并且船舶上海水的取用非常方便，利用海水作为MAP法的镁源处理氮磷废水可以降低处理成本，提高处理效率，具有很高的实用价值。
船舶生活污水水量和水质变化大，成分较为复杂，受船舶自身环境和空间的限制，对处理方法和装置有较高的要求。目前，膜生物反应器(MBR)工艺由于其占地面积小，出水水质高等优点被广泛应用于移动式船舶生活污水的处理。MBR主要是通过将膜分离技术和生物反应技术有机结合，提高了系统固液分离效果，从而使系统出水水质和容积负荷都得到大幅度提高，其工艺形式主要有内置式膜生物反应器及分置式膜生物反应器等多种类型。随着国际海事组织(IMO)对船舶生活污水排放标准的提高，目前的污水处理已经不再局限于对单一技术的改进，越来越多的工艺将不同的技术加以组合，以寻求开发出占地面积小，易于控制，且能高效、经济、快速处理污水的新工艺。
发明内容
本发明的目的是：提供一种能同时实现船舶生活污水的净化和氮、磷、镁资源回收的船舶生活污水处理及资源回收一体化系统。
本发明的另一目的是提供使用上述系统进行船舶生活污水处理及氮磷回收的方法。
技术方案：本发明提供一种船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统，该系统包括依次相连的污水混合箱、主功能箱体和消毒装置;上述系统还包括海水贮存池和镁离子纳滤浓缩装置;主功能箱体内设有依次相互连通的厌氧区、鸟粪石结晶区和膜生物反应区;污水混合箱与厌氧区相连，膜生物反应区与消毒装置相连，镁离子纳滤浓缩装置分别与鸟粪石结晶区和海水贮存池相连。
上述污水混合箱内设有粉粹泵;厌氧区设有搅拌装置;污水混合箱与厌氧区通过蠕动泵相连。鸟粪石结晶区内设有曝气装置、用于诱导结晶的晶种和布水管，布水管与镁离子纳滤浓缩装置通过管道和水泵相连;镁离子纳滤浓缩装置的纳滤膜为SS-NF2-4040-G2，MgSO4脱盐率≥99%，产水回收率为80%～95%，镁离子纳滤浓缩装置产生的浓水进入所述鸟粪石结晶区作为镁源，淡水回收;优选地，鸟粪石结晶区中，用于诱导结晶的晶种为颗粒尺寸为0.15～0.21mm的方解石或石英砂，晶种投加量为30～60g/L;布水管为PVC材质，布水管孔径0.02-0.05mm;曝气装置设置在鸟粪石结晶区底部。
上述膜生物反应区设有中空纤维浸没式膜组件和曝气装置，且中空纤维浸没式膜组件出水口与所述消毒装置通过管道和蠕动泵相连;优选地，膜生物反应区中，中空纤维浸没式膜组件的膜材料为高维网状结构聚偏氟乙烯，曝气装置设置在膜生物反应区的底部。
上述厌氧区、鸟粪石结晶区和膜生物反应区中设有活性污泥，活性污泥的浓度为8000～12000mg/L;系统还包括沉淀区，沉淀区与膜生物反应区通过上部开口的隔板隔开，且沉淀区底部分别连接有污泥回流泵和排泥泵，污泥回流泵连接厌氧区，排泥泵连接排泥口。
优选地，鸟粪石结晶区由多孔有机玻璃箱体围成，多孔有机玻璃箱体的孔径为0.12～0.20mm，开孔率30～65%;消毒装置为管道过流式紫外杀菌器。
本发明另一方面提供一种利用上述船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统进行船舶生活污水处理及资源回收的方法，该方法包括以下步骤：
1)将船舶生活污水引入污水混合箱，在污水混合箱中用粉粹泵将船舶生活污水破碎混合后引入厌氧区，在厌氧区中进行厌氧反应;
2)步骤1)处理得到的混合液进入鸟粪石结晶区，镁离子纳滤浓缩装置浓缩海水中的镁离子后将浓缩液引入鸟粪石结晶区，通过曝气装置向鸟粪石结晶区进行曝气，使混合液中的氨氮、磷酸盐和由镁离子纳滤浓缩装置引入的镁离子在晶种诱导下发生鸟粪石结晶反应，结晶产物吸附在晶种表面，随晶种一起沉淀回收;
3)经步骤2)处理的混合液进入膜生物反应区，并通过曝气装置向膜生物反应区中进行曝气，使污水中剩余污染物在活性污泥和中空纤维浸没式膜组件的作用下被去除;
4)将中空纤维浸没式膜组件出水引入消毒装置进行消毒处理，达标排放或回用;膜生物反应区剩余混合液进入沉淀区，其中活性污泥由沉淀区底部回流至厌氧区或通过排泥泵进行外排。
步骤1)中，厌氧区水力停留时间为4.0～5.0h;在活性污泥中厌氧微生物的作用下，厌氧水解池中的大分子有机物发生水解、酸化反应，有机氮水解成氨氮，吸收污水中的小分子有机物(主要是挥发性脂肪酸，VFA)，将其转化为聚羟基烷酸(PHA)并将其储存在细胞内，同时释放出磷，适宜的污泥浓度和水力停留时间有利于厌氧水解反应的进行。
步骤2)中，鸟粪石结晶区中的曝气装置的曝气量为20～30m3/(m2·h);通过更换晶种的方式回收吸附在晶种表面的鸟粪石结晶产物，更换晶种的周期为30～60天;添加晶种有利于诱导鸟粪石的结晶反应，其中晶种类型、尺寸都会影响鸟粪石的产生，适应的曝气强度不仅可以使晶种流态化，增加反应接触面积，还可以吹脱水中的二氧化碳，提升混合液pH值，有利于鸟粪石结晶反应;镁离子纳滤浓缩装置浓水作为镁源，淡水回用。
步骤3)中，膜生物反应区(MBR)中溶解氧浓度维持在2.5～3.5mg/L;MBR相比传统活性污泥法，运行MLSS可高达12000mg/L，具有高BOD容积负荷，可节省生化池占地，滤膜可以阻止传统活性污泥法中常常出现的因污泥沉降不良造成的污泥流出，减轻维护负担，利用滤膜可以过滤掉污水中悬浮固体(SS)和大肠杆菌;膜生物反应区内为兼氧环境，曝气装置位于中空纤维浸没式膜组件下方，保持对膜的高效冲刷，防止膜污染;膜生物反应区内部中下部形成局部好氧环境，其余区域处于兼氧环境，可完成微生物好氧硝化、吸磷以及缺氧反硝化等生化反应。
步骤4)中，中空纤维浸没式膜组件出水通过蠕动泵输送至紫外消毒系统;紫外消毒系统采用管道过流式紫外杀菌器，工作压力0.8Mpa，杀菌率99.99%，制水量1～5000L/h，利用紫外消毒系统可以杀灭大肠杆菌等有害病菌，提高出水水质;活性污泥由沉淀区底部回流至厌氧区的污泥回流比为100%～200%。
本发明的工作原理是：船舶生产生活中产生的“黑水”和“灰水”进入污水混合箱，经粉碎泵充分破碎混合后和沉淀区回流污泥一起进入厌氧区，在厌氧微生物的作用下将水中有机污染物进行水解，有机氮被氨化，聚磷菌在厌氧条件下将污水中的碳源主要以聚-β-羟基丁酸酯(Poly-β-Hydroxybutyrate，PHB)的形式贮存在体内，同时释放出磷;富含氨氮和磷酸盐的混合液进入鸟粪石结晶区，以海水提供镁源，在晶种表面进行诱导结晶，形成MAP，实现氮、磷、镁资源的回收;剩余的氨氮和磷酸盐则在系统内活性污泥和MBR作用下实现去除;最后沉淀区污泥部分回流至厌氧区，剩余污泥排出;中空纤维浸没式膜组件出水进入紫外消毒装置，经紫外消毒后可实现中水回用。
有益效果：本发明的船舶生活污水处理耦合氮磷回收一体化系统(下称本系统)可在船舶运行在海洋中时就地取材料，利用海水中的镁离子对污水中氮、磷资源进行回收利用，同时实现船舶污水污染物去除，实现海水中镁离子的资源化利用、污水中氮、磷资源的回收以及污水的有机结合;本系统内置MBR，相比传统活性污泥法，活性污泥浓度高，具有高BOD容积负荷，可节省生化池占地;MBR法利用滤膜可以阻止传统活性污泥法中常常出现的因污泥沉降不良造成的污泥流出，同时可以过滤掉部分大肠杆菌等致病微生物，获得高质量的出水水质;MBR内的曝气设备位于膜组件底部，氧气分布不均匀，系统处于兼氧环境，相比好氧活性污泥工艺或单一好氧膜生物反应区具有节约曝气能耗的特点;鸟粪石结晶回收的含氮磷产物可作为农作物的缓释肥料出售，实现船舶污水处理过程的增收。本发明的船舶生活污水处理耦合氮磷回收工艺集污染物去除和资源回收一体，满足现在及未来污水处理技术的需求。本发明遵循目前可持续发展理念下的现代污水处理技术应同时具有水质改善、低能耗和实现污染物资源化等功能的要求，针对船舶生活污水有机物和氮磷浓度高的特性，解决了现有工艺脱氮除磷效率低、能耗较高以及资源浪费等问题，可为新型船舶污水深度处理工艺及资源回收装备的推广应用提供理论和技术支撑。
