CN101696057B - 牡蛎壳填料生物滤池污水除磷装置 - Google Patents
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Abstract
牡蛎壳填料生物滤池污水除磷装置，涉及一种污水处理装置。提供一种以废弃牡蛎壳为填料的牡蛎壳填料生物滤池污水除磷装置。设有缺氧滤池和好氧滤池，缺氧滤池和好氧滤池的结构相同，缺氧滤池和好氧滤池均设有池体、牡蛎壳填料、承托板、排泥口和出气口。承托板设于池体内下部，承托板上设有至少1个通孔，承托板与池体底部之间设有进水布水管和曝气布气管，牡蛎壳填料填入承托板上，排泥口位于承托板下方，出气口位于池体顶部。选择牡蛎壳作为缺氧与好氧滤池的填料，通过优化组合和合理设计操作条件构筑一种高效的污水生物除磷装置；与传统同类除磷装置相比，具有除磷效果好，运行费用低，管理方便等优点，同时实现废弃牡蛎壳的再利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种污水处理装置，尤其是涉及一种牡蛎壳填料生物滤池污水除磷装置。
背景技术
近年来，我国政府对各类污水中磷酸盐的排放制定了更严格的标准，以遏制包括内陆与海域的水体富营养化污染([1]《污水综合排放标准》GB 8978-1996.国家环境保护总.1996)。然而，由于多数城市污水处理系统中所采用的除磷技术，存在着工艺复杂，运行成本高，处理稳定性较低等问题，因此急需开发出简易高效的污水除磷设备([2]Comeau Y.Biochemicalmodel for enhanced biological phosphorus removal[J].Wat.Res.，1986，20(12)：1511-1521；[3]Bortone G.，Malaspina F.Biological nitrogen and phosphorus removal in an anaerobic/anoxicsequencing batch reactor with separated biofilm nitrification[J].Wat.Sci.Tech，1994，30：303-313；[4]Mino T.Microbiology and biochemistry of the enhanced biological phosphate removalprocess[J].Wat.Res，1997，32：3193-3207；[5]van Loosdrecht M C M.Biological phosphorusremoval processes[J].Microbiol Biotechnol，1997，48：289-296)。
根据Kuba T等人([6]Kuba T.A metabolic model for biological phosphorus removal bydenitrifying organisms[J].Biotech&Bioeng，1995，52：685-695；[7]Kuba T.，M.C.M.Phosphorusand nitrogen removal with minimal COD requirement by integration of denitrifying dephosphatatonand nitrification in a two-sludge system[J].Wat.Res，1996，30(7)：1702-1710)的研究报道，反硝化除磷是利用反硝化除磷菌(Denitrifying phosphorus removing bacteria)可以在缺氧条件下利用硝酸盐作为电子受体将污水中的磷酸盐吸收，从而进行缺氧条件下的脱磷。硝酸盐是在好氧条件下，在亚硝酸菌和硝酸菌的作用下污水中的氨氮被氧化而生成，其反应式如下：
NH4 ++1.5O2→NO2 -+2H++H2O
NO2 -+1.5O2→NO3 -
反硝化除磷作为缺氧好氧工艺中的一种生物除磷方式，与传统的好氧条件下聚磷菌过剩吸磷的生物除磷方式协同作用，并采用合理的优化设计，可有效地提高缺氧好氧工艺的除磷效果([8]马勇，彭永臻.新型高效反硝化除磷工艺[M].环境科学，2003：51-54；[9]李军，彭永臻.序批式生物膜法反硝化除磷特性及其机理[J].中国环境科学，2004，24(2)：219-223)。
根据M.Maurer等人([10]M.Maurer，D.abramovich.Kinetics of biologically inducedphosphorus precipitation in waste-water treatment[J].1999，33(2)：484-493)的研究报道，化学除磷是根据M.Maurer等研究中得出的在pH为7～8条件下，磷酸根可与Ca2+能够形成较稳定的沉淀物Ca2HPO4(OH)2与Ca5(PO4)3OH，通过定期排泥被去除。其反应式如下：
CaCO3+H+→Ca2++HCO3 -
Ca2++HPO4 2-+OH-→Ca2HPO4(OH)2+H2O
Ca2HPO4(OH)2→Ca5(PO4)3OH+Ca2++OH-+H2O
在缺氧生物滤池中使用牡蛎壳填料，由于牡蛎壳中含有丰富的CaCO3可在弱酸性条件下逐渐溶出Ca2+，通过结合水中的H+而游离出OH-，因此，污水中的部分磷酸盐可通过化学除磷方式被去除([11]熊小京，黄智贤，洪华生，等.淹没式贝壳填料生物滤池的除磷效应[J].中国给水排水，2003，19(8)：44-45)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以废弃牡蛎壳为填料的牡蛎壳填料生物滤池污水除磷装置。
本发明设有缺氧滤池和好氧滤池，缺氧滤池和好氧滤池的结构相同，缺氧滤池和好氧滤池均设有池体、牡蛎壳填料、承托板、排泥口和出气口。承托板设于池体内下部，承托板上设有至少1个通孔，承托板与池体底部之间设有进水布水管和曝气布气管，牡蛎壳填料填入池体内的承托板上，排泥口位于承托板下方，出气口位于池体顶部。
本发明是一种以废弃牡蛎壳为填料的缺氧/好氧生物滤池生物除磷装置。生物填料的选择直接影响着A/O工艺的除磷效果，本发明针对污水中磷酸盐的深度处理，基于缺氧/好氧生物滤池反硝化除磷工艺，采用海产废弃牡蛎壳作为生物滤池的填料，一方面利用牡蛎壳粗糙的表面作为滤池生物膜的载体，另一方面利用牡蛎壳在缺氧酸化过程中碳酸钙成分的不断溶出，可将污水中的磷酸盐通过化学除磷方式去除。本发明利用好氧生物滤池的硝化反应产物硝酸盐，于缺氧滤池进行反硝化反应，促成反硝化除磷菌吸收污水中的磷酸盐，同时利用牡蛎壳中碳酸钙成分不断溶出的钙离子，促成化学沉淀除磷。
本发明基于缺氧/好氧(简称A/O)生物除磷工艺，选择海产废弃牡蛎壳作为缺氧与好氧生物滤池的填料，通过优化组合和合理设计操作条件构筑一种高效的污水生物除磷装置；与传统的砂石，陶粒，玻璃钢，聚氯乙烯，聚丙烯维尼伦等填料设计的同类除磷装置相比，具有除磷效果好，运行费用低，管理方便等优点，同时实现废弃牡蛎壳的再利用。该发明特别适用于沿海地区的污水中营养化污染物的高效处理。
附图说明
图1为本发明实施例的主体结构示意图。
图2为本发明实施例的布水管与布气管的结构示意图。在图2中，单位为mm。
图3为本发明实施例的承托板结构示意图。
图4为本发明的进水氨氮浓度与碳氮比对缺氧滤池出水硝酸态氮浓度的关系图(C∶N和NH4-N分别代表碳氮比和氨氮浓度)。在图4中，横坐标为时间/周，纵坐标为硝氮/mg/L；◆为C∶N＝2∶1，□为C∶N＝3∶1，▲为C∶N＝7∶1；左栏为NH4-N 50mg/L，中栏为NH4-N75mg/L，右栏为NH4-N 100mg/L。
图5为本发明的进水氨氮浓度与碳氮比对好氧滤池出水硝酸态氮浓度的关系图(C∶N和NH4-N分别代表碳氮比和氨氮浓度)。在图5中，横坐标为时间/周，纵坐标为硝氮/mg/L；◆为C∶N＝2∶1，□为C∶N＝3∶1，▲为C∶N＝7∶1；左栏为NH4-N 50mg/L，中栏为NH4-N75mg/L，右栏为NH4-N 100mg/L。
图6为本发明的进水氨氮浓度与碳氮比对缺氧滤池出水磷酸态磷浓度的关系图(C∶N和NH4-N分别代表碳氮比和氨氮浓度)。在图6中，横坐标为时间/周，纵坐标为磷酸态磷/mg/L；◆为C∶N＝2∶1，□为C∶N＝3∶1，▲为C∶N＝7∶1；左栏为NH4-N 50mg/L，中栏为NH4-N75mg/L，右栏为NH4-N 100mg/L。
图7为本发明的进水氨氮浓度与碳氮比对好氧滤池出水磷酸态磷浓度的关系图(C∶N和NH4-N分别代表碳氮比和氨氮浓度)。在图7中，横坐标为时间/周，纵坐标为磷酸态磷/mg/L；◆为C∶N＝2∶1，□为C∶N＝3∶1，▲为C∶N＝7∶1；左栏为NH4-N 50mg/L，中栏为NH4-N75mg/L，右栏为NH4-N 100mg/L。
图8为本发明的不同进水磷酸态磷浓度时缺氧滤池内磷酸态磷的浓度分布图。在图8中，横坐标为滤层深度位置，纵坐标为磷酸态磷/mg/L；横轴中Ain与Aef符号分别表示滤池进水点和出水点；A1，A2，A3，A4和A5符号分别表示距池底20，40，60，80和100cm处滤层中的位置；PO4-P代表磷酸态磷；◆为5mg/L PO4-P，■为7mg/L PO4-P，▲为10mg/L PO4-P。
图9为本发明的不同进水磷酸态磷浓度时缺氧滤池内钙离子的浓度分布图。在图9中，横坐标为滤层深度位置，纵坐标为钙离子浓度/mg/L；横轴中Ain与Aef符号分别表示滤池进水点和出水点；A1，A2，A3，A4和A5符号分别表示距池底20，40，60，80和100cm处滤层中的位置；PO4-P代表磷酸态磷；○为5mg/L PO4-P，□为7mg/L PO4-P，▲为10mg/L PO4-P。
具体实施方式
在以下的实施例中将会结合附图给出本发明在去除污水磷酸盐的突出效果。
如图1～3所示，本发明设有缺氧滤池A和好氧滤池B，缺氧滤池A和好氧滤池B的结构相同，缺氧滤池A设有池体10、牡蛎壳填料9、承托板5、排泥口14和出气口16。承托板5设于池体10内下部，承托板5上设有至少1个通孔，承托板5与池体10底部之间设有进水布水管4和曝气布气管6，牡蛎壳填料9填入池体10内的承托板5上，排泥口14位于承托板5下方，出气口16位于池体10顶部。
好氧滤池B的结构设计与缺氧滤池完全相同。设在好氧滤池B中的曝气布气管用于持续增氧，而设在缺氧滤池中的曝气布气管仅限用于挂膜操作的闷曝和运行操作中的气体反冲洗。
本发明实施例的工艺流程如下。
原水槽1内的含磷废水在蠕动泵2的作用下，经阀门3与由蠕动泵17从好氧滤池B的池体19出水15中的部分回流液合并，送入缺氧滤池A的池体10底部。池体10中填充约80cm高的牡蛎壳填料9(投影面积为1cm×3cm，孔隙率为94％，质量为2.4kg)，牡蛎壳填料9表面生长着反硝化细菌与反硝化除磷菌，在缺氧条件下，反硝化细菌将来自好氧滤池B的回流液中的硝态氮和亚硝态氮转化成氮气，并从缺氧滤池A的出气口16排出，同时反硝化除磷菌将进水中的部分磷酸盐吸收，牡蛎壳的溶出钙离子残留的磷酸盐形成沉淀物进入剩余污泥一起排出，池体10的出水12由顶部出水口101直接溢流至好氧滤池B。阀门15处于常闭状态，仅当池体10在挂膜阶段需要闷曝和运行阶段需要反冲洗时开启使用。阀门7处于常开状态，以保证曝气机8为好氧滤池B的池体19持续通入空气，并通过布气管在池体19内释放出来，好氧滤池B的出水由池体19顶部的出水口191直接溢流13排出。
参见图2，缺氧滤池A的池体10和好氧滤池B的池体19均由长1200mm，内径为150mm的有机玻璃管制作而成。承托板5采用有机玻璃板制作而成，并镶入池体低端。承托板直径为150mm，厚度为10mm，承托板上钻多个直径为4mm的小孔(参见图3)。布水与布气室在承托板的下端，由一内径为150mm，高为100mm的有机玻璃管制作而成，下端与排泥室连接。布水管4为一内径8mm的不锈钢短管，并在距布水与布气室顶端40mm处，沿直径方向从左边镶入布水与布气室100mm。在布水管4上，每隔10mm，沿截面45°向下左右各钻φ2mm的布水孔，参见图2中的C。布水管4经φ10mm的塑料软管与蠕动泵2相连接。含氮磷废水由蠕动泵2输送至布水管4，在池体10内进行分布。布气管6在距布水与布气室11低端40mm处，为一内径5mm的不锈钢短管，并沿直径方向从右边镶入布水与布气室100mm。在布气管6上，每隔10mm，沿截面45°向下左右各钻φ1mm的布气孔，参见图2中的D。布气管6通过φ8mm的塑料软管与曝气机8连接，滤池运行时，空气经布气管6在滤池内进行释放。
本发明在用于处理实际污水操作过程包括挂膜阶段和运行阶段。挂膜阶段的操作方法：废弃牡蛎壳取自牡蛎养殖厂或海产垃圾回收站，经水漂洗后晒干使用。种污泥取自城市污水处理厂的曝气池，将污泥与牡蛎壳搅拌均匀后分别装入缺氧与好氧滤池中，首先闷曝3天，然后开始连续通水，此时不启动内部混合液循环。当缺氧滤池的磷酸盐和好氧滤池的氨氮去除率均达到稳定时(约1～2个月)，即完成挂膜操作。之后进入稳定运行阶段。
本发明在运行稳定时的脱氮除磷效果，缺氧滤池中的牡蛎壳钙离子溶出分布情况如图4～9所示。从图4和5可知，当进水氨氮浓度为100mg/L，碳氮比为2∶1时，缺氧滤池出水硝酸态氮为最大的16.8mg/L，对应好氧滤池出水的硝酸态氮浓度也达到最大的66.0mg/L。而在其他各进水氨氮浓度和碳氮比条件下，缺氧滤池出水硝酸态氮均低于检测限。当进水氨氮浓度为100mg/L，碳氮比为7∶1时，好氧滤池出水的硝酸态氮浓度为最小的13.2mg/L。由图6和7可知，当进水氨氮浓度为75mg/L和100mg/L时，缺氧滤池磷酸态磷去除率在碳氮比为3∶1条件下分别为55.0％和53.7％，在碳氮比为7∶1条件下分别为44.3％和41.2％。而当进水氨氮浓度为100mg/L，碳氮比为7∶1时，好氧滤池出水硝酸态氮浓度为最低，此时缺氧滤池除磷效果较佳。从图8可知，对于不同的进水磷酸态磷浓度，缺氧磷酸态磷浓度沿缺氧滤池高呈现逐渐下降趋势。磷酸态磷浓度在缺氧滤池底部降幅较大。在进水磷酸态磷浓度为10mg/L时，缺氧滤池顶部(A5-Aef)出现无效释磷现象，导致出水磷酸态磷浓度增高。在进水磷酸态磷浓度为7mg/L时，该处磷酸态磷浓度基本没有变化，而在进水磷酸态磷浓度为5mg/L时，磷酸态磷浓度在此段仍有一定程度的下降。整个缺氧滤池的除磷效果，随进水磷酸态磷浓度的增大而降低，在磷酸态磷浓度为5mg/L时为最佳。基于整个系统所去除的磷酸态磷仅为5mg/L左右，可以推断，缺氧滤池所去除的磷主要依靠牡蛎壳的化学除磷作用。牡蛎壳钙离子溶出分布情况如图9所示。
经大量的试验证实，本发明所选用的牡蛎壳作为生物膜的载体，比传统的无机与有机填料更适合反硝化细菌，反硝化除磷菌的生长；此外，牡蛎壳中丰富的碳酸钙在酸性条件下会发生溶解，而缺氧滤池中有机的酸化为牡蛎壳溶解创造了有利条件，溶出的钙离子容易与磷酸根形成沉淀物随剩余污泥一起排出，完成化学除磷过程。
Claims (1)
1.牡蛎壳填料生物滤池污水除磷装置，其特征在于设有缺氧滤池和好氧滤池，缺氧滤池和好氧滤池的结构相同，缺氧滤池位于好氧滤池之前，好氧滤池中的部分出水回流，与缺氧滤池中的进水合并，送入缺氧滤池的池体底部；缺氧滤池和好氧滤池均设有池体、牡蛎壳填料、承托板、排泥口和出气口，承托板设于池体内下部，承托板上设有至少1个通孔，承托板与池体底部之间设有进水布水管和曝气布气管，牡蛎壳填料填入池体内的承托板上，排泥口位于承托板下方，出气口位于池体顶部。
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