CN101306904B - 铁内电解与生物耦合的一体化脱氮除磷方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种铁内电解与生物耦合的一体脱氮除磷方法。具体步骤为：铁内电解床的制备，铁内电解-SBR脱氮除磷系统活性污泥的驯化，铁内电解-SBR脱氮除磷系统的正式运行：向驯化好后的污泥中加入待处理废水，废水的加入量为SBR反应器体积的30-50％，进水时间为0.3-0.6h，并根据废水性质，控制污泥质量浓度(MLSS)为3～5g/L；进水完毕后进行曝气反应，根据废水性质控制曝气时间为2～4h，溶解氧浓度为3～4mg/L；曝气结束后，启动搅拌设备，进行反硝化反应，根据进水氨氮浓度控制搅拌时间为1～2h；关闭搅拌设备，进入沉淀阶段，沉淀时间为50-70分钟；从出水口排出上清液，排水量与混合液进水量相同；所得出水达到一级排放标准。本发明占地小，成本低廉，使用方便。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种铁内电解与生物耦合的一体脱氮除磷方法。
背景技术
污水生物处理的目标传统上只有一个，即从污水中去除耗氧性的有机物质(通常以COD表示)，但是无数水污染事例均表明，污水中的氮、磷等营养物质排入水体(尤其是封闭性水域)将产生一系列相当严重的富营养化问题。因此，现代污水生物处理不仅需要从污水中去除COD，而且还要脱氮除磷。这就要求在同一个污水处理工艺系统中同时具备多种处理功能。
一般来说，只要污水中没有大量难降解有机物，COD的去除是比较容易实现的。而氮磷脱除则比较复杂，一般需涉及硝化、反硝化、微生物释磷和吸磷等过程。上述每一个过程的目的不一样，对微生物组成、基质类型及环境条件的要求也不一样。例如，硝化需要长泥龄的硝化菌和好氧条件，反硝化则需要短泥龄的脱氮菌和缺氧条件；释磷需要短泥龄的聚磷菌和厌氧条件，而吸磷则需要好氧条件。由于各过程的要求不同，在同一污水处理工艺系统中就不可避免地产生了各过程间的矛盾关系，即泥龄问题、碳源问题和硝酸盐问题。如何处理好这些矛盾关系，使各自所需的反应条件有机地结合起来从而达到处理目的，是一个重要而艰巨的课题。
生物铁法可在同一反应器的同一时段通过化学除磷和强化生物脱氮来满足同一工艺系统的脱氮与除磷要求，其原理在于：铁是一种很好的混凝剂，水解后形成的氢氧化铁对悬浮物和胶体物质有很强的吸附凝聚作用，实现了化学除磷，从源头上解决了脱氮除磷的各种矛盾关系；铁是微生物生长的必要元素，是生物氧化酶系中细胞色素的重要组成部分，在生物氧化中起着电子传递作用，对细菌繁殖和酶的分泌有着一定的促进作用，有助于提高污泥浓度，并且铁离子能够加大细胞膜的渗透性，从而加快营养物质的吸收速度，促进硝化和反硝化作用。但目前生物铁的培养驯化主要是通过投加铁盐来实现的，存在着几个严重的不足：一是需要增设加药装置，初期投资和动力费较高；二是必须维持活性污泥中铁的平衡，因为出水及污泥中都会带走一部分铁，如若不能保障铁的供给平衡，会严重影响处理的效果。
铁内电解法通过电化学腐蚀过程的综合作用，实现大分子有机污染物的断链、发色与助色基团的脱色，提高污水的可生化性，增加了污水中易降解有机碳源的数量，并且可以连续溶出有利于除磷固磷、微生物生长和提高生物脱氮效率的铁离子。因此，在生化池中适当位置安装铁内电解床形成的生物铁填料法，不同于投加铁盐的方法，它无需另设加药装置，仅仅通过铁内电解作用就可以提高污水的可生化性并向生化池中源源不断的供给铁离子，既节省基建费用，又降低了运行的成本。但是，生物铁填料法目前仅在含抗生素、中药等难降解有机污水的处理中有所应用，目的是强化有机物的去除，对于强化污水同时脱氮除磷的研究未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种铁内电解与生物耦合的一体化脱氮除磷方法。
本发明提出的铁内电解与生物耦合的一体化脱氮除磷方法，采用铁内电解-SBR脱氮除磷装置对废水进行脱氮除磷处理，由SBR反应器、铁内电解床、压缩空气输入设备、曝气设备、搅拌设备组成，铁内电解床通过多孔隔板置于SBR反应器上部；SBR反应器上侧部设有进水口，中、下侧部设有取样口，SBR反应器底部设有排泥放空管和曝气管；曝气设备位于SBR反应器下方，压缩空气输入设备通过管道连接曝气设备；搅拌设备从上部进入SBR反应器；具体步骤如下：
(1)铁内电解床的制备：将铁内电解材料采用油压机压制成单元化填料，并根据废水的不同情况，单元化填料以充填率为0.1～0.5置于SBR反应器内；或者将单元化填料先放入由铜材、不锈钢、碳钢制成的箱式或笼式反应器内，再将该箱式或笼式反应器放入SBR反应器内；
(2)铁内电解-SBR脱氮除磷系统活性污泥的驯化：
A、向待处理废水中加入200～800mg/L葡萄糖和40～200mg/LNH4Cl，混合均匀得到混合液，使混合液中的COD质量浓度为500～600mg/L，NH4 +-N质量浓度为40～80mg/L；
B、将步骤(A)所得混合溶液加入SBR池反应器内，同时向SBR反应器中加入经过静止沉淀并弃出上清液的种污泥，其中废水的加入量为SBR反应器体积的40％-55％，种污泥的加入量为SBR反应器体积的20-35％；
C、将步骤(B)所得产物在SBR反应器内曝气12-16小时，再沉淀1.5-2.5小时，所得上清液排放，上清液排出量与步骤(B)中混合溶液的加入量相同；保持SBR反应器内混合物中溶解氧为4.5-5.5g/L；
D、重复步骤(C)，直至污泥镜检发现其外观呈浅褐色，菌胶团紧密，有许多游泳型纤毛虫、钟虫等丝状菌；出水COD去除率达90％以上；30min沉降比(SV30)为30％～35％，表明污泥驯化培养完全；
(3)铁内电解-SBR脱氮除磷系统的正式运行：
向步骤(2)所得驯化好后的污泥中加入待处理废水，废水的加入量为SBR反应器体积的30-50％，进水时间为0.3-0.6h，并根据废水性质，控制污泥质量浓度(MLSS)为3～5g/L；进水完毕后进行曝气反应，根据废水性质控制曝气时间为2～4h，溶解氧浓度为3～4mg/L；曝气结束后，启动搅拌设备，进行反硝化反应，根据进水氨氮浓度控制搅拌时间为1～2h；关闭搅拌设备，进入沉淀阶段，沉淀时间为50-70分钟；从出水口排出上清液，排水量与进水量相同；所得出水达到一级排放标准。
本发明中，步骤(1)中，所述单元化填料的表观密度为0.2～0.4kg/m3。
本发明中，步骤(1)中，所述铁内电解材料可以是铁屑、铁刨花、铁与铜屑混合物或铁与铜刨花混合物中任一种，铜与铁的重量比为(0.1～0.3)∶1。
本发明的有益效果在于：
(1)铁内电解床可以直接安装在SBR反应器内，大大节省了空间，节省了基建费用。
(2)通过铁内电解作用提高了污水中难降解有机物的降解效果，提高了污水的可生物降解性。
(3)铁内电解过程对废水pH值具有缓冲作用，缓解了废水pH值低于6.0或高于8.0时硝化和反硝化反应受到的强烈抑制。
(4)连续产生铁离子及其水解产物实现化学除磷固磷，从源头上解决脱氮除磷的各种矛盾关系。
(5)增加了易生物降解有机碳源的数量，并且连续溶出有利于提高硝化细菌的活性和生物硝化效率的铁离子，使铁内电解-SBR工艺具有较好的脱氮效果和较好的抗冲击负荷能力，而且不需要投加碱度，节省了运行费用。
附图说明
图1为本发明装置的结构图示。
图2为活性污泥中磷的形态提取结果。
图中标号：1为SBR反应器；2为铁内电解床；3为多孔隔板；4为进样口；5为取样口；6为排泥放空管；7为曝气设备；8为压缩空气输入设备；9为搅拌设备。
具体实施方式
实施例1：城市生活污水的脱氮除磷
试验所用污水取自上海某城市污水处理厂，进水氨氮浓度为10～25mg/L，总氮15～35mg/L，COD浓度为120～250mg/L，总磷1.2～4mg/L，正磷酸盐0.9～3mg/L，pH6.5～7.6。试验所采用的铁内电解-SBR工艺装置见附图1，由SBR反应器1、铁内电解床2、压缩空气输入设备8、曝气设备7、搅拌设备9组成，铁内电解床2通过多孔隔板3置于SBR反应器1上部；SBR反应器1上侧部设有进水口4，中、下侧部设有取样口5，SBR反应器1底部设有排泥放空管6和曝气管；曝气设备7位于SBR反应器下方，压缩空气输入设备8通过管道连接曝气设备7；搅拌设备9从上部进入SBR反应器1；并与单纯的SBR装置进行对比。具体步骤如下：
(1)铁内电解床的制备：将铁刨花称好，采用油压机压制成表观密度为0.2kg/m3的单元化填料，以充填率为0.2直接放入SBR反应器。
(2)铁内电解-SBR脱氮除磷系统活性污泥的驯化：
A、向待处理废水中加入600mg/L葡萄糖和120mg/LNH4Cl，混合均匀得到混合液，使混合液中的COD质量浓度为500～600mg/L，NH4 +-N质量浓度为30～40mg/L；
B、将步骤(A)所得混合溶液加入SBR池反应器内，同时向SBR反应器中加入种污泥，其中废水的加入量为SBR反应器体积的50％，种污泥的加入量为SBR反应器体积的30％；
C、将步骤(B)所得产物在SBR反应器内曝气12小时，再沉淀2小时，所得上清液排放，上清液排出量与步骤(B)中混合溶液的加入量相同；保持SBR反应器内混合物中溶解氧为5g/L；
D、重复步骤(C)，直至污泥镜检发现其外观呈浅褐色，菌胶团紧密，有许多游泳型纤毛虫、钟虫等丝状菌；出水COD去除率达90％以上；30min沉降比(SV30)为30％～35％，表明污泥驯化培养完全；
(3)铁内电解-SBR脱氮除磷系统的正式运行：
向步骤(2)所得驯化好后的污泥中加入待处理废水，废水的加入量为SBR反应器体积的50％，进水时间为0.5h，控制污泥质量浓度(MLSS)为3g/L；进水完毕后进行曝气反应，根据废水性质控制曝气时间为2h，溶解氧浓度为3mg/L；曝气结束后，启动搅拌设备，进行反硝化反应，根据进水氨氮浓度控制搅拌时间为1h；关闭搅拌设备，进入沉淀阶段，沉淀时间为60分钟；从出水口排出上清液，排水量与进水量相同。
测定进、出水水质指标，结果如表1所示，经铁内电解-SBR工艺处理后出水远优于城镇污水处理厂一级B排放标准，基本接近城镇污水处理厂一级A排放标准，氮、磷污染物排放浓度低于城镇污水处理厂一级A排放标准，且装置运行稳定。
表1城市生活污水脱氮除磷效果
通过活性污泥中磷的分类提取，进而研究铁内电解-SBR反应系统的除磷机理。研究表明，对于铁内电解-SBR反应器而言，含量最高的为Fe-P，占到总磷的46.94％，其次为闭蓄态磷，然后为Al-P。对于对比反应器而言，含量最高的为有机磷，占到了37％，Al-P的含量占到了29.73％，其次为溶解性磷酸盐，主要是由于对比反应器的除磷效果差所致，然后为闭蓄态磷，占到总磷的10.85％。对于铁内电解-SBR反应器而言，虽然有机磷的含量很高，但是各种无机磷的含量总和还是远大于有机磷含量的，因此，其除磷机理主要为化学法除磷，同时伴有生物除磷现象。试验结果如附图2所示。
实施例2：混合化工废水的脱氮除磷
试验所用废水取自上海某工业区污水处理厂，该厂污水为混合化工废水，约80％是染料、涂料、医药、香料、油墨等精细化工企业所排放的工业废水，20％为居民生活污水，废水成分复杂，有机物含量较高，其中生物难降解物质所占的比例高，进水氨氮浓度为25～45mg/L，总氮35～55mg/L，COD浓度为300～500mg/L，总磷2.5～7mg/L，正磷酸盐1.5～5mg/L，pH6～9。试验所采用的铁内电解-SBR工艺装置见附图1，采用铁内电解-SBR脱氮除磷装置对废水进行脱氮除磷处理，由SBR反应器1、铁内电解床2、压缩空气输入设备8、曝气设备7、搅拌设备9组成，铁内电解床2通过多孔隔板3置于SBR反应器1上部；SBR反应器1上侧部设有进水口4，中、下侧部设有取样口5，SBR反应器1底部设有排泥放空管6和曝气管；曝气设备7位于SBR反应器下方，压缩空气输入设备8通过管道连接曝气设备7；搅拌设备9从上部进入SBR反应器1；并与单纯的SBR装置进行对比。具体步骤如下：
(1)铁内电解床的制备：将铁刨花称好，采用油压机压制成表观密度为0.3kg/m3的单元化填料，以充填率为0.2直接放入SBR反应器。
(2)铁内电解-SBR脱氮除磷系统活性污泥的驯化：
A、向待处理废水中加入300mg/L葡萄糖120mg/L和NH4Cl，混合均匀得到混合液，使混合液中的COD质量浓度为500～600mg/L，NH4 +-N质量浓度为50～60mg/L；
B、将步骤(A)所得混合溶液加入SBR池反应器内，同时向SBR反应器中加入种污泥，其中废水的加入量为SBR反应器体积的50％，种污泥的加入量为SBR反应器体积的30％；
C、将步骤(B)所得产物在SBR反应器内曝气12小时，再沉淀2小时，所得上清液排放，上清液排出量与步骤(B)中混合溶液的加入量相同；保持SBR反应器内混合物中溶解氧为5g/L；
D、重复步骤(C)，直至污泥镜检发现其外观呈浅褐色，菌胶团紧密，有许多游泳型纤毛虫、钟虫等丝状菌；出水COD去除率达90％以上；30min沉降比(SV30)为30％～35％，表明污泥驯化培养完全；
(3)铁内电解-SBR脱氮除磷系统的正式运行：
向步骤(2)所得驯化好后的污泥中加入待处理废水，废水的加入量为SBR反应器体积的50％，进水时间为0.5h，控制污泥质量浓度(MLSS)为4g/L；进水完毕后进行曝气反应，根据废水性质控制曝气时间为2h，溶解氧浓度为4mg/L；曝气结束后，启动搅拌设备，进行反硝化反应，根据进水氨氮浓度控制搅拌时间为2h；关闭搅拌设备，进入沉淀阶段，沉淀时间为60分钟；从出水口排出上清液，排水量与进水量相同。
测定进、出水水质指标，结果如表2所示，经铁内电解-SBR工艺处理后出水优于城镇污水处理厂二级排放标准，基本接近城镇污水处理厂一级B排放标准，氮、磷污染物排放浓度低于城镇污水处理厂一级B排放标准，且装置运行稳定。
表2混合化工废水的脱氮除磷效果
实施例3：混合化工废水的脱氮除磷
实施例3所采用的废水与实施例2完全相同，工艺步骤(2)和(3)与实施例2也完全相同，不同之处在于工艺步骤(1)中所使用的铁内电解材料为铁与铜刨花混合物，铜与铁的重量比为0.1∶1。
测定进、出水水质指标，结果如表2所示，经铁内电解-SBR工艺处理后出水达到城镇污水处理厂一级B排放标准，且装置运行稳定。
Claims (3)
1.一种铁内电解与生物耦合的一体化脱氮除磷方法，其特征在于用铁内电解-SBR脱氮除磷装置对废水进行脱氮除磷处理，铁内电解-SBR脱氮除磷装置由SBR反应器、铁内电解床、压缩空气输入设备、曝气设备、搅拌设备组成，铁内电解床通过多孔隔板置于SBR反应器上部；SBR反应器上侧部设有进水口，中、下侧部设有取样口，SBR反应器底部设有排泥放空管和曝气管；曝气设备位于SBR反应器下方，压缩空气输入设备通过管道连接曝气设备；搅拌设备从上部进入SBR反应器；具体步骤如下：
(1)铁内电解床的制备：将铁内电解材料采用油压机压制成单元化填料，并根据废水的不同情况，单元化填料以充填率为0.1～0.5置于SBR反应器内；或者将单元化填料先放入由铜材、不锈钢、碳钢制成的箱式或笼式反应器，再将该箱式或笼式反应器放入SBR反应器内；
(2)铁内电解-SBR脱氮除磷系统活性污泥的驯化：
A、向待处理废水中加入200～800mg/L葡萄糖和40～200mg/LNH4Cl，混合均匀得到混合液，使混合液中的COD质量浓度为500～600mg/L，NH4 +-N质量浓度为40～80mg/L；
B、将步骤(A)所得混合液加入SBR反应器内，同时向SBR反应器中加入经过静止沉淀并弃出上清液的种污泥，其中废水的加入量为SBR反应器体积的40％-55％，种污泥的加入量为SBR反应器体积的20-35％；
C、将步骤(B)所得产物在SBR反应器内曝气12-16小时，再沉淀1.5-2.5小时，所得上清液排放，上清液排出量与步骤(B)中混合液的加入量相同；保持SBR反应器内混合物中溶解氧浓度为4.5-5.5g/L；
D、重复步骤(C)，直至污泥镜检发现其外观呈浅褐色，菌胶团紧密，有游泳型纤毛虫、钟虫；出水COD去除率达90％以上；30min沉降比为30％～35％，表明污泥驯化培养完全；
(3)铁内电解-SBR脱氮除磷系统的正式运行：
向步骤(2)所得驯化好后的污泥中加入待处理废水，废水的加入量为SBR反应器体积的30-50％，进水时间为0.3-0.6h，并根据废水性质，控制污泥质量浓度为3～5g/L；进水完毕后进行曝气反应，根据废水性质控制曝气时间为2～4h，溶解氧浓度为3～4mg/L；曝气结束后，启动搅拌设备，进行反硝化反应，根据进水氨氮浓度控制搅拌时间为1～2h；关闭搅拌设备，进入沉淀阶段，沉淀时间为50-70分钟；从出水口排出上清液，排水量与进水量相同；所得出水达到一级排放标准。
2.根据权利要求1所述的铁内电解与生物耦合的一体化脱氮除磷方法，其特征在于步骤(1)中，所述单元化填料的表观密度为0.2～0.4kg/m3。
3.根据权利要求1所述的铁内电解与生物耦合的一体化脱氮除磷方法，其特征在于步骤(1)中，所述铁内电解材料是铁屑、铁刨花、铁与铜屑混合物或铁与铜刨花混合物中任一种，铜与铁的重量比为(0.1～0.3)∶1。
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