本發(fā)明涉及污水處理和精細(xì)化工，具體為一種污水處理中的甲醇原位制備和投加裝置及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1、在水資源與能源有限的背景下，實(shí)現(xiàn)水循環(huán)利用和能量資源回收對(duì)于減少污染、實(shí)現(xiàn)健康發(fā)展、應(yīng)對(duì)氣候變化及可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。在污水處理領(lǐng)域，生物法相較于物理化學(xué)法，無(wú)需大量化學(xué)藥劑投加，運(yùn)行成本更低，且能避免二次污染風(fēng)險(xiǎn)，尤其適用于低濃度至中高濃度有機(jī)廢水的深度處理。因具備成本經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境友好性及污染物降解徹底性等核心優(yōu)勢(shì)，成為市政污水、工業(yè)有機(jī)廢水處理的主流技術(shù)路徑。
2、在生物脫氮等工藝中，碳源作為微生物生長(zhǎng)代謝的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，直接影響脫氮效率與系統(tǒng)穩(wěn)定性。甲醇作為常用的外加有機(jī)碳源，具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)：其一，甲醇碳氮比（c/n）適宜，可精準(zhǔn)匹配反硝化菌的營(yíng)養(yǎng)需求，脫氮效率高且反應(yīng)速率快；其二，甲醇化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易溶于水，投加后無(wú)沉淀、無(wú)異味，不會(huì)對(duì)水體造成二次污染，且與葡萄糖等碳源相比，甲醇分子量小，微生物易吸收利用，可減少污泥產(chǎn)量；其三，甲醇來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，規(guī)?；瘧?yīng)用時(shí)經(jīng)濟(jì)性突出，尤其適用于市政污水等大規(guī)模處理場(chǎng)景。
3、然而，甲醇作為一種外加碳源，雖具有運(yùn)行費(fèi)用低和污泥產(chǎn)量小的優(yōu)勢(shì)，但其在實(shí)際應(yīng)用中存在明顯缺陷：甲醇具有揮發(fā)性和易燃性，儲(chǔ)存、運(yùn)輸及投加過(guò)程中需采取防爆、通風(fēng)等安全措施，增加了操作管理成本；甲醇作為碳源時(shí)，存在投加量控制要求嚴(yán)格的問(wèn)題——投加不足會(huì)導(dǎo)致脫氮不完全，過(guò)量則會(huì)造成出水cod超標(biāo)，增加后續(xù)處理負(fù)荷。
4、本發(fā)明所述的污水經(jīng)甲醇作碳源處理得純水，大部分純水為可回用的高品質(zhì)水，小部分純水二次處理后電解得氫與氧，氫與二氧化碳反應(yīng)生成甲醇，甲醇作為碳源回用于污水處理，形成了一個(gè)面向上述需求的自循環(huán)式污水碳源再生的閉環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)旨在通過(guò)新材料新技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用和污染物循環(huán)利用，構(gòu)建多目標(biāo)精細(xì)化工新模式，實(shí)現(xiàn)污染物處理回用閉環(huán)，高效可持續(xù)發(fā)展，為工業(yè)廢水治理與碳資源循環(huán)提供系統(tǒng)性解決方案。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于提供一種污水處理中的甲醇原位制備和投加裝置及應(yīng)用，以解決上述背景技術(shù)中提出的傳統(tǒng)污水處理高能耗、資源未循環(huán)、甲醇投加存在缺陷及技術(shù)孤立缺乏系統(tǒng)整合的問(wèn)題。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種污水處理中的甲醇原位制備和投加裝置，包括如下部分：
3、污水處理單元，用于對(duì)污水進(jìn)行曝氣生物濾池處理，其內(nèi)部裝填有以鋼渣、鋁鹽化學(xué)污泥等廢棄物為主要原料制備的高性能微球?yàn)V料；
4、純水制備單元，與污水處理單元出水端連接，用于將處理后的污水進(jìn)一步凈化產(chǎn)出純水；
5、電解水制氫單元，利用純水制備單元產(chǎn)出的純水進(jìn)行電解，采用質(zhì)子交換膜技術(shù)產(chǎn)生氫和純氧；該氫氣作為進(jìn)入膜反應(yīng)器co2加氫制甲醇單元的新鮮氫氣，與外部輸入的二氧化碳以及未反應(yīng)的循環(huán)反應(yīng)氣進(jìn)行反應(yīng)；
6、膜反應(yīng)器co2加氫制甲醇單元，接收電解水制氫單元產(chǎn)生的氫以及外部輸入的二氧化碳以及未反應(yīng)的循環(huán)反應(yīng)氣，在銅基催化劑作用下合成甲醇；
7、甲醇投加單元，將制備的甲醇作為外加碳源，通過(guò)自動(dòng)精確計(jì)算并投加至污水處理單元。
8、優(yōu)選的，污水處理單元采用曝氣生物濾池工藝，微球?yàn)V料表觀密度為1.6-1.8g/cm3，堆積密度為0.85-0.95g/cm3，孔隙率≥42%，比表面積≥2×104cm2/g。
9、優(yōu)選的，電解水制氫單元為質(zhì)子交換膜電解槽，單位面積貴金屬載量小于0.3mg/cm2，制氫能耗小于100kw，氫氣純度≥99.9%，副產(chǎn)純氧用于污水處理單元的純氧曝氣。
10、優(yōu)選的，膜反應(yīng)器co2加氫制甲醇單元采用銅基催化劑，在反應(yīng)溫度<220℃條件下，二氧化碳單程轉(zhuǎn)化率≥20%，甲醇選擇性≥95%，催化劑壽命>5000h。
11、優(yōu)選的，純水制備單元為日產(chǎn)純水量144噸的純水裝置；甲醇投加單元配備20m3甲醇儲(chǔ)罐，可根據(jù)指令實(shí)現(xiàn)精確投加。
12、本發(fā)明還提供上述系統(tǒng)的一種應(yīng)用，將其用于工業(yè)或市政污水處理，實(shí)現(xiàn)碳源的內(nèi)部循環(huán)利用與二氧化碳的資源化消納。
13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：
14、1、本發(fā)明提出了一種甲醇污水處理循環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)構(gòu)建自循環(huán)式污水碳源再生的閉環(huán)工藝鏈，實(shí)現(xiàn)了甲醇碳源的內(nèi)循環(huán)與二氧化碳的資源化利用，能夠高效消納二氧化碳；配合純氧曝氣技術(shù)大幅提升氧氣利用率，并結(jié)合高性能微球?yàn)V料（孔隙率≥42%，比表面積≥2×104cm2/g）增強(qiáng)截污與掛膜能力，最終在保證水質(zhì)達(dá)標(biāo)基礎(chǔ)上，顯著節(jié)約系統(tǒng)能耗與藥耗，有效降低整體運(yùn)行成本。
15、2、本發(fā)明采用清潔能源驅(qū)動(dòng)的電解水制氫技術(shù)與低溫（<220℃）催化合成甲醇技術(shù)，替代傳統(tǒng)化石原料制甲醇工藝，實(shí)現(xiàn)了碳源的制備，減少了煤炭和天然氣的使用。
16、3、本發(fā)明通過(guò)集成化的工藝設(shè)計(jì)，構(gòu)建了污水處理與資源回收的協(xié)同體系，建立了污水處理產(chǎn)業(yè)化推廣創(chuàng)新模式，并建設(shè)示范工程站點(diǎn)，能夠在不同規(guī)模污水處理場(chǎng)景下快速部署應(yīng)用。該系統(tǒng)為污水處理廠的節(jié)能降耗與碳減排提供了系統(tǒng)解決方案，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。
1.一種污水處理中的甲醇原位制備和投加裝置，其特征在于：包括如下部分：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理中的甲醇原位制備和投加裝置，其特征在于：所述污水處理單元（1）為曝氣生物濾池，其內(nèi)部裝填的微球?yàn)V料以鋼渣、鋁鹽化學(xué)污泥、粉煤灰為原料制備，所述微球?yàn)V料的表觀密度為1.6-1.8g/cm3，堆積密度為0.85-0.95g/cm3，孔隙率≥42%，比表面積≥2×104cm2/g。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理中的甲醇原位制備和投加裝置，其特征在于：所述電解水制氫單元（3）為質(zhì)子交換膜電解槽，其膜電極單位面積貴金屬載量小于0.3mg/cm2，20nm3/hpem制氫裝置能耗小于100kw，壽命達(dá)到50000h，氫氣純度≥99.9%，氧中氫<0.1%，且可作為原料原位輸送至膜反應(yīng)器co2加氫制甲醇單元（4）。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理中的甲醇原位制備和投加裝置，其特征在于：所述膜反應(yīng)器co2加氫制甲醇單元（4）采用銅基催化劑，在反應(yīng)溫度低于220℃的條件下，二氧化碳單程轉(zhuǎn)化率>20%，甲醇選擇性>95%，催化劑壽命>5000h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理中的甲醇原位制備和投加裝置，其特征在于：所述純水制備單元（2）為反滲透膜系統(tǒng)，產(chǎn)水率≥95%；所述甲醇投加單元（5）包含容量為20m3的甲醇儲(chǔ)罐及投加精度為±1%的計(jì)量泵。
6.一種如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的污水處理中的甲醇原位制備和投加裝置的應(yīng)用，其特征在于：該裝置應(yīng)用于工業(yè)廢水或市政污水處理廠，實(shí)現(xiàn)碳源的內(nèi)部循環(huán)利用與二氧化碳的資源化消納。