一种节能型废水污泥协同生物处理系统和方法

技术领域

本发明涉及废水处理装置领域，尤其是涉及一种节能型废水污泥协同生物处理系统和方法。

背景技术

随着工业的发展，人类在进行选矿开采、尾矿堆放等生产中会产生并排放酸性矿山废水(Acid Mine Drainage，AMD)，呈现出水量大、水流时间较长，pH低(最低可达2)、含多种重金属离子、硫酸根浓度高的特点。

目前，一般通过微生物法进行重金属去除和酸碱度调节，微生物法具有成本低、可去除重金属离子且无二次污染的优点。硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria，SRB)利用有机物作为碳源将硫酸盐还原为硫化氢(SO

但是，碳源是硫酸盐还原菌生长的限制因子，也是硫酸盐还原菌处理矿山酸性废水的重要经济因素之一，现有技术需要为还原菌单独提供碳源，而常规碳源投加的成本较高，提高了处理成本。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在为还原菌提供常规碳源的成本高，导致AMD处理成本较高的缺陷而提供一种节能型废水污泥协同生物处理系统和方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本方案提供了一种节能型废水污泥协同生物处理系统，包括用于对污泥进行发酵并获取污泥发酵液的污泥发酵模块，用于混合污泥发酵液和污水的预处理罐，生物反应器、换热器和用于获取硫单质的硫制备模块；

所述污泥发酵模块的出水口连接预处理罐的入口，所述预处理罐的入口还连接污水管道，所述预处理罐的出口连接生物反应器的入口，所述生物反应器的出水口连接有出水管道，所述生物反应器的出气口连接硫制备模块，所述换热器连接污泥发酵模块硫制备模块。

优选地，所述硫制备模块包括催化氧化单元、硫冷凝单元与硫分离单元；

所述催化氧化单元的入口连接生物反应器的出气口，所述催化氧化单元的出口连接硫冷凝单元，所述硫冷凝单元的出口连接硫分离单元的入口，所述换热器分别连接催化氧化单元与硫冷凝单元。

优选地，所述污泥发酵模块包括污泥发酵罐、污泥发酵液离心机和发酵液储存罐；

所述污泥发酵罐的入口连接污泥输送管道，所述污泥发酵罐的出料口连接污泥发酵液离心机的入口，所述发酵液储存罐污泥发酵液离心机的出口连接发酵液储存罐的入口，所述换热器连接污泥发酵罐。

优选地，所述污泥发酵罐上设有第一搅拌结构，所述第一搅拌结构包括依次连接的驱动电机、搅拌转轴和搅拌桨，所述驱动电机固定在污泥发酵罐上，所述搅拌桨位于污泥发酵罐内部。

优选地，所述污泥发酵罐内部还设有用于监测污泥发酵罐内部污泥温度的温度传感器以及用于监测污泥酸碱度的第一酸碱度检测计，所述污泥发酵罐的发酵温度的范围为28℃-32℃。

优选地，所述污泥发酵罐在无氧条件下进行发酵，所述污泥发酵罐内加入污泥后，向污泥发酵罐内通入氮气用于排出污泥发酵罐内的氧气，所述氮气的通入时间大于等于一分钟。

优选地，所述预处理罐上设有用于使污泥发酵液和污水混合均匀的第二搅拌结构以及用于监测预处理罐内酸碱度的第二酸碱度检测计。

优选地，所述预处理罐内的污泥发酵液和废水以一定比例混合，所述污泥发酵液的化学需氧量和废水中硫酸根的比值范围为1.5-2.5。

优选地，所述生物反应器为厌氧膨胀颗粒污泥床反应器或上流式厌氧污泥床反应器。

本方案还提供了一种节能型废水污泥协同生物处理方法，包括以下步骤：

通过污泥发酵罐对污泥进行发酵；

通过发酵液分离机对发酵后的污泥进行离心处理，获取的污泥发酵液通过发酵液储存罐进行临时储存；

通过预处理罐对一定比例的污泥发酵液和废水进行混合，并调节混合液的酸碱度；

通过生物处理器对混合液进行生物处理，去除混合液中的重金属，并将生成的硫化氢气体输送至催化氧化单元；

通过催化氧化单元对硫化氢气体和空气的混合物进行氧化反应，得到含有硫的产品；

依次通过硫冷凝单元与硫分离单元对含有硫的产品进行处理，得到硫单质。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本方案通过污泥发酵模块对污泥发酵以获取作为碳源的发酵液，通过生物反应器对污泥发酵液和污水混合液进行生物处理，去除污水中的重金属，去除率达到了95％以上，重金属去除效果良好，以污泥发酵液作为碳源，降低了成本，且能够调节酸性矿山废水的酸碱度，减少了酸碱度调节药剂的使用，进一步降低了废水处理的成本。

(2)本方案通过催化氧化单元对生物反应器产生的硫化氢气体进行氧化处理，并通过硫冷凝单元与硫分离单元对还原产物进行冷凝分离，得到硫单质，系统的适用范围更广功能更强；整个过程换热器为催化氧化单元与硫冷凝单元提供冷却水，并利用硫制备模块产生的热量对生物反应器和污泥发酵模块加热，实现资源的循环利用，节约能源，进一步降低处理成本。

附图说明

图1为本发明提供的废水污泥协同生物处理系统的结构框图；

图中：1、污泥发酵罐，2、污泥发酵液离心机，3、发酵液储存罐，4、预处理罐，5、生物反应器，6、催化氧化单元，7、硫冷凝单元，8、硫分离单元，9、换热器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种节能型废水污泥协同生物处理系统，包括用于对污泥进行发酵并获取污泥发酵液的污泥发酵模块，用于混合污泥发酵液和污水的预处理罐4，生物反应器5、换热器9和用于获取硫单质的硫制备模块；

污泥发酵模块的出水口连接预处理罐4的入口，预处理罐4的入口还连接污水管道，预处理罐4的出口连接生物反应器5的入口，生物反应器5的出水口连接有出水管道，生物反应器5的出气口连接硫制备模块，换热器9连接污泥发酵模块硫制备模块。

工作原理：污泥输送至污泥发酵模块，通过换热器9的加热，污泥发酵模块对内部污泥进行发酵，并将发酵后获取的发酵液输送至预处理罐4，预处理罐4对发酵液和污水进行混合，并将混合均匀的液体输送至生物反应器5，生物反应器5内的硫酸盐还原菌以污泥发酵液为碳源对污水中的硫进行还原反应，反应后与污水中的重金属形成沉淀，达到去除重金属的目的，生物反应器5产生的气体混合空气输送至硫制备模块，通过换热器9降温，硫制备模块获取硫单质。

本方案通过污泥发酵模块对污泥发酵以获取作为碳源的发酵液，通过生物反应器5对污泥发酵液和污水混合液进行生物处理，去除污水中的重金属，去除率达到了95％以上，重金属去除效果良好，以污泥发酵液作为碳源，降低了成本，且能够调节酸性矿山废水的酸碱度，减少了酸碱度调节药剂的使用，进一步降低了废水处理的成本。

作为一种优选的实施方式，硫制备模块包括催化氧化单元6、硫冷凝单元7与硫分离单元8；催化氧化单元6的入口连接生物反应器5的出气口，催化氧化单元6的出口连接硫冷凝单元7，硫冷凝单元7的出口连接硫分离单元8的入口，换热器9分别连接催化氧化单元6与硫冷凝单元7。

本方案通过催化氧化单元6对生物反应器5产生的硫化氢气体进行氧化处理，并通过硫冷凝单元7与硫分离单元8对还原产物进行冷凝分离，得到硫单质，系统的适用范围更广功能更强；整个过程换热器9为催化氧化单元6与硫冷凝单元7提供冷却水，并利用硫制备模块产生的热量对生物反应器5和污泥发酵模块加热，实现资源的循环利用，节约能源，进一步降低处理成本。

具体地，污泥发酵模块包括污泥发酵罐1、污泥发酵液离心机2和发酵液储存罐3；污泥发酵罐1的入口连接污泥输送管道，污泥发酵罐1的出料口连接污泥发酵液离心机2的入口，发酵液储存罐3污泥发酵液离心机2的出口连接发酵液储存罐3的入口，换热器9连接污泥发酵罐1。

污泥通过污泥输送管道输送至污泥发酵罐1，并在污泥发酵罐1内发酵一定的时间，将发酵后的污泥输送至发酵液分离机2进行发酵液分离，将分离产生的发酵液输送至发酵液储存罐3内，将发酵液和废水输送至预处理罐4内进行混合，即可进行之后的操作，污泥发酵模块结构简单，无特殊要求，制造成本低。

进一步地，污泥发酵罐1上设有第一搅拌结构，第一搅拌结构包括依次连接的驱动电机、搅拌转轴和搅拌桨，驱动电机固定在污泥发酵罐1上，搅拌桨位于污泥发酵罐1内部。通过搅拌桨对污泥发酵罐1内的污泥进行搅拌，提高发酵效率。

更进一步地，污泥发酵罐1内部还设有用于监测污泥发酵罐1内部污泥温度的温度传感器以及用于监测污泥酸碱度的第一酸碱度检测计。污泥发酵罐1的罐壁上设有用于污泥发酵罐1加热的加热层，加热层为三明治夹层结构，换热器9连接加热层。污泥发酵罐1的发酵温度的范围为28℃-32℃。

通过温度传感器对污泥发酵罐1内部污泥温度进行检测，通过加热层配合换热器9对污泥发酵罐1进行加热，保证污泥发酵罐1内部的污泥的温度在要求范围内，进一步提高污泥发酵效率。

作为一种优选的实施方式，预处理罐4上设有用于使污泥发酵液和污水混合均匀的第二搅拌结构以及用于监测预处理罐4内酸碱度的第二酸碱度检测计。

通过第二搅拌结构对输送至预处理罐4内的发酵液和废水进行搅拌，使二者混合均匀，使检测的混合液的酸碱度更精确，便于后续的调节，均匀搅拌和更合适的酸碱度提高生物反应器5中的生物处理效率。

进一步地，生物反应器5上还设有气体收集结构，气体收集结构的入口连接生物反应器5的出气口，气体收集结构的出口连接催化氧化单元6的入口。通过气体收集结构对生物反应器5产生的硫化氢气体进行收集，通过换热器9加热后输送至催化氧化单元6进行硫的还原。

生物反应器5的型号包括但不限于厌氧膨胀颗粒污泥床反应器或上流式厌氧污泥床反应器。

结合上述优选的实施方式，本实施例还提供了一种可选的实施方式，具体为：

市政污泥经污泥管路进入污泥发酵罐1，污泥管路设有阀门和泥浆泵；污泥发酵罐1上设置了发酵罐搅拌结构，该搅拌结构包括电机，搅拌转轴和搅拌叶；污泥发酵罐1上部还设置了加药装置，用于向罐体内加入药物调节污泥发酵罐1内污泥的pH值，罐体内还设置检测装置温度感应器和pH计；污泥发酵罐1的边内设置加热夹层；污泥发酵罐1的下部出料口与发酵液离心机2连接，通过泥浆泵实现污泥的转移；发酵液离心机1进料口与污泥发酵罐1连接，出口与发酵液储存罐3连接。

发酵液储存罐3的出料口管路与矿山废水来水管路分别与预处理罐4连接，所述预处理罐4上设置第二搅拌结构和第二酸度检测计；预处理罐4通过管路与生物反应器5连接，所述生物反应器类型多样，包括但不限于UASB、EGSB，，生物反应器5上还设置了气体收集结构和回流结构，生物反应器1处理后的出水经溢流堰上部溢出，然后排出生物反应器，进入出水管道。

生物反应器5产生的硫化氢气体与空气一起进入管道混合器，充分混合后进入催化氧化单元6；气体离开催化氧化装置后进入硫冷凝单元7，然后进入硫分离单元8，最终得到硫产品。换热器9通过热水、热蒸汽的形式，为生物反应器5产生的废气及输送近催化氧化单元6的空气加热，为污泥厌氧发酵装置提供加热，为催化氧化单元6、硫冷凝单元7提供冷却水。

本实施例还提供了一种节能型废水污泥协同生物处理方法，包括以下步骤：

通过污泥发酵罐1对污泥进行发酵；

通过发酵液分离机2对发酵后的污泥进行离心处理，获取的污泥发酵液通过发酵液储存罐3进行临时储存；

通过预处理罐4对一定比例的污泥发酵液和废水进行混合，并调节混合液的酸碱度；

通过生物处理器5对混合液进行生物处理，去除混合液中的重金属，并将生成的硫化氢气体输送至催化氧化单元6；

通过催化氧化单元对硫化氢气体和空气的混合物进行氧化反应，得到含有硫的产品；

依次通过硫冷凝单元7与硫分离单元8对含有硫的产品进行处理，得到硫单质。

结合上述内容，酸性矿山废水与污泥协同的生物处理方法，包括以下步骤：

将脱水处理后的市政污泥经泥浆泵运输至污泥发酵罐1，并进行加碱调节污泥的酸碱度，向污泥内加药抑制产甲烷菌的活性，使用高架电机搅拌器充分搅拌后，使污泥中温厌氧发酵五天，发酵结束后，输送至发酵液离心机2；

发酵液离心机2度发酵过后的污泥进行离心处理，得到泥浆中的浓缩的发酵液，之后通过泵体将浓缩发酵液输送至发酵液储存罐3中，浓缩的发酵液进行冷冻储存，作为生物反应器(UASB或EGSB)的外部有机碳源。

污泥厌氧发酵液与酸性矿山废水在预处理罐4内以一定比例混合，并加药调节混合液的酸碱度，从厌氧污泥床反应器5底部流入与污泥层中污泥进行混合接触，污泥层中的微生物分解混合液中的有机物，并进行SRB硫酸盐还原反应，产生的溶解态S

生物反应器5产生的硫化氢气体通过换热器9预热后与被加热约200℃的空气一起进入管道混合器，充分混合后进入催化氧化单元6，本实施例中催化氧化单元6选用Clinsulf反应器，反应后进入硫冷凝单元7冷却成液态硫，然后进入硫分离单元8，最后得到硫产品，尾气则经过硫磺聚集器和除雾器后，从硫分离器的顶部排出。

本实施例中，产甲烷抑制药物选用0.02mm的氯仿，氯仿的密度为0.06mol/LBES；搅拌装置为高架电机搅拌器，转速为20rpm；污泥的厌氧发酵条件，由污泥发酵罐1提供，待物料全部投加完成后，向污泥发酵罐1中通入氮气60s以排净罐内氧气，且污泥的发酵温度为28–32℃。

可选地，发酵液离心机2转速为8000rpm，离心时间20min；预处理罐4中调节污泥浓缩发酵液与AMD混合比例，其中COD与SO

可选地，生物反应器的温度为33℃，厌氧膨胀颗粒污泥床反应器(EGSB)的水力停留时间HRT为10h，上升流速为3.0m/h，回流比为60：1；上流式厌氧污泥床反应器(UASB)的水力停留时间HRT为60h，回流比为20:1。

实施例2

一种酸性矿山废水与市政污泥协同生物处理的系统及方法，所述方法包括：取未处理的酸性矿山废水，所述酸性矿山废水中SO

铁的重金属去除率为95％，锰为93％，铜为98％，锌为97％，SO

实施例3

一种酸性矿山废水与市政污泥协同生物处理的系统及方法，所述方法包括：取未处理的酸性矿山废水，所述酸性矿山废水中SO

铁的重金属去除率为97％，铜为60％，SO

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。