CN102531176A - 受污染地表水生物膜同时硝化反硝化脱氮工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种受污染地表水生物膜同时硝化反硝化脱氮工艺。本发明提出的受污染地表水生物膜同时硝化反硝化脱氮装置由填料框架、可降解填料和曝气装置组成。本发明中，在曝气和填料释碳的作用下，生物膜内存在硝化菌和反硝化菌分层分布结构，同时在外层发生硝化反应和在内层发生反硝化反应。本发明中，同时硝化反硝化反应稳定，并且能有效防止可降解填料释碳的二次污染风险。一方面，可降解填料向外层生物膜的释碳，保护底层反硝化生物膜不被外层溶解氧侵入，使反应可以耐受外界溶解氧波动；另一方面，外层异养菌和溶解氧有效防止了填料释碳穿透生物膜进入水体。本发明流程简单、管理容易、材料易得、造价低廉，适用于受氮污染地表水的治理。

Description

受污染地表水生物膜同时硝化反硝化脱氮工艺

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种受污染地表水生物膜同时硝化反硝化脱氮工艺。

背景技术

氮是组成生命的重要元素。地表水中若含有过量的氮，会导致水体富营养化增加蓝藻爆发水华的风险。

当前，我国水污染问题比较严重，水体水质达标率远低于发达国家水平。在常规指标中，氨氮经常成为超标的项。因此，去除水中的氮一直是环境工程领域的热点问题。

水中的离子态的氮，主要以氨氮(NH₄ ⁺)和硝态氮(NO₃ ^-)的形式存在。氨氮经过生物硝化作用转化为硝态氮，硝态氮经过生物反硝化作用转化为氮气从(N₂)水中逸出，即完成硝化反硝化脱氮过程。

生物膜法是常采用的地表水生物硝化方法。

利用生物膜修复水体的方法及专用生物膜反应器(CN200610117391.0)，利用生物膜法修复水体水质，其关键部件为一种薄壁大孔道蜂窝状陶瓷作为生物膜载体。将该载体悬挂于反应器内，通过在反应器底部曝气，形成了气升式内循环生物反应器。将受污染的地表水通入该反应器内，可以在停留时间1小时内，使其中的氨氮去除95%以上。该发明适用于受氨氮污染地表水的生物硝化。

用于水体修复的抗水力负荷微生物成膜装置及反应系统(CN201020049736.5)，是一种用于水体修复的抗水力负荷微生物成膜装置及反应系统，包括硬壁箱体和挡板，箱体内盛放有多孔生物填料，箱体的侧壁设有与所述填料相匹配的填料孔，侧壁中的迎水壁还设有疏水孔，迎水壁的两侧分别设有滑槽轨道，挡板倾斜安装于滑槽轨道上位于迎水壁的下端。该实用新型可借助水体流动本身的水力负荷形成多个漩涡带，能够在水力负荷小于等于45m³m^-2.d^-1的条件下成功实现挂膜并达到修复效果，适用于受氨氮污染地表水的生物硝化。

这一类方法中的载体或填料不参加反应，仅起到提供生物膜附着生长点的作用。由于缺乏反硝化环境和反硝化碳源，这一类方法能有效进行生物硝化反应去除氨氮，却不能将氨氮变成氮气从水中逸出。

地表水中发生生物反硝化作用并不容易，除非提供缺氧反应环境和合适的C/N。

一种利用聚乳酸作为碳源和生物膜载体的脱氮方法(CN200910076445.7)，利用可生物降解的聚乳酸同时作为生物反硝化碳源和生物膜载体，而且可降解聚乳酸的释放有利于在生物膜内形成缺氧环境，对进水溶解氧浓度具有较强的适应性，硝酸盐的去除率可达到90％以上。该发明适用于含硝酸盐水的反硝化。

淀粉和聚己内酯共混物及其制备方法和应用(CN201110113587.3)，与上一发明的思路相同也是一种反硝化方法，不同的是利用淀粉和聚己内酯共混物制备反硝化生物膜载体。该发明以淀粉和聚己内酯为原料，添加增塑剂等助剂，经搅拌混匀后，用双螺杆挤出机一次性挤出，造粒，即得产品。该淀粉/聚己内酯共混物同时作为反硝化碳源和生物膜载体。该发明在共混物中加入了价格便宜的淀粉，因此与使用聚己内酯作为固体碳源相比具有明显的经济优势。该发明适用于含硝酸盐水的反硝化。

这一类发明适用于含硝酸水的反硝化，对于水中的氨氮则没有效果。此外，对于一般景观型地表水修复来说，运营经费十分有限，这一类发明所制备的反硝化碳源和载体的价格还是太贵了。

本发明针对上述技术要么只能进行硝化反应，要么只能进行反硝化反应的问题，提出一种受污染地表水生物膜同时硝化反硝化脱氮工艺，通过强化生物膜同时硝化反硝化作用，提高对氨氮污染型地表水中总氮有效去除。

发明内容

本发明的目的在于提出一种受污染地表水生物膜同时硝化反硝化工艺。

本发明提出的受污染地表水生物膜同时硝化反硝化工艺，所述工艺在同时硝化反硝化脱氮装置内完成，所述装置包括填料框架1、可降解填料2和曝气装置3，可降解填料2位于填料框架1内，填料框架1起到防止可降解填料2散落漂走的目的，在填料框架1下方安装曝气装置3；填料框架1可采用竹笼、钢网或尼龙等材料制成，可降解填料2可以采用农业废弃物(玉米芯、稻壳等)或可采用其他人工制备的可降解填料，曝气装置3可以采用曝气管、曝气盘或射流曝气等其他曝气方式；所述装置底部进水，上部出水；具体步骤为：

将地表水引入同时硝化反硝化脱氮装置，控制水力停留时间20-50分钟，曝气装置曝气使装置内溶解氧浓度为2~4 mg/L；其中：可降解填料2投加后，只补充不回收，可降解填料2将被完全利用；可降解填料的投加量计算步骤如下：

通过试验获得可降解填料释碳规律，得到单位质量填料随时间变化的释碳速率函数；根据释碳速率函数，把不同批次(时间)投加的填料释碳速率相加，得到反应装置内当前总的释碳量；将释碳量与反硝化理论需碳量比较，得到需补充的填料量。

为减少投加频次，补充投加的填料量可超过需要量30%，并以不超过外层异养菌对有机物的消耗能力，不造成水体二次污染为原则。

本发明中，可降解填料同时作为反硝化碳源和生物膜载体。底层释碳和外层曝气的特殊条件，使生物膜内形成异养菌、自养菌和反硝化菌依次成为优势菌的分层结构，由生物膜外层向内依次进行碳化反应降解进水有机物，硝化反应将水中氨氮(NH₄ ⁺)转化为硝态氮(NO₃ ^-)，反硝化反应将硝态氮(NO₃ ^-) 转化为氮气(                                               

)。因此，生物膜同时硝化反硝化反应可达到将水中氨氮(NH₄ ⁺)转化为氮气()的脱氮效果。

本发明中，如果可降解填料投加方式适当，不会发生玉米芯对水体的二次污染。由于异养菌生长速度高于自养菌，当可降解填料释碳超过底层反硝化反应对碳源的需要时，自养菌生长将受到抑制，使异养菌替代其成为优势菌并利用氧气进行对填料释碳的碳化分解反应。因此，外层异养菌和曝气使生物膜具有防止释碳穿透生物膜的防护层。只有当可降解填料投加过量，且曝气量不足以完成其生化分解所需时，才会出现释碳过量并穿透生物膜到达水体造成水体二次污染的问题。

本发明提出的受污染地表水生物膜同时硝化反硝化技术，具有以下优点：

1)流程简单、管理容易。一步完成硝化和反硝化反应，日常维护简单，定期适量补充可降解填料即可。

2)反应稳定，避免二次污染。可降解填料释碳，可以保护底层反硝化生物膜不被溶解氧侵入，使反应可以耐受外界溶解氧波动。同时，外层异养菌和溶解氧可以有效起到防止释碳穿透生物膜进入水体的作用。

3)材料易得，造价低廉。可降解填料可采用农业废弃物，廉价易得。

附图说明

图1为本发明装置的结构图示。

图2为实施例中各种底物浓度沿生物膜厚度的分布。其中：C_O ₂为溶解氧浓度，C_S为用COD表征的有机物浓度，C_NH ₄为氨氮浓度，C_NO ₃为硝态氮浓度。

图3为实施例中各种微生物占微生物总量的分数沿生物膜厚度的分布。其中：eps_H

为异养菌，eps_A为自养菌，eps_I为死亡的惰性细菌，eps_D为反硝化细菌。

图中标号：1为填料框架，2为可降解填料，3为曝气装置，4为进水，5为出水。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1：受污染地表水生物膜同时硝化反硝化技术，在同时硝化反硝化脱氮装置内完成，装置由填料框架1、可降解填料2和曝气装置3组成。其结构如图1所示。填料框架起到防止可降解填料散落漂走的目的，可采用竹笼、钢网、尼龙等材料制成。可降解填料可以采用农业废弃物(玉米芯、稻壳等)，也可采用其他人工制备的可降解填料。曝气装置可以采用曝气管、曝气盘或射流曝气等其他曝气方式。

将上述装置用于南方某景观水体，该水体受氮污染，主要水质指标按(最大值~最小值, 平均值，单位mg/L)列表如下：

氨氮：        2.60~5.99，4.39

(TN)：5.52~7.54，6.76

溶解氧： 3.74~7.42，4.47

利用本发明的生物膜同时硝化反硝化脱氮技术处理该地表水，将地表水引入反应装置。装置以竹笼为填料框架，农业废弃物玉米芯为可降解填料，水力停留时间30分钟，底部曝气管曝气使溶解氧(DO)保持在2~4 mg/L左右。同时，与以弹性填料作为生物膜载体的传统方法进行了对比。

运行结果表明，采用可降解填料的装置对(TN)的去除率达到32%，采用弹性填料的装置对

(TN)的去除率仅有9%，两者相比，该发明比传统方法提高了23%。采用多种群生物膜数学模型模拟得到的装置对TN的去除率与实测去除率相差低于5%。

图2表征了数学模型模拟得到各种反应底物沿生物膜厚度的分布。表明，生物膜外层发生硝化反应，内层发生反硝化反应，有机物(碳)浓度曲线呈下凹形且底部出现在生物膜内，表明可降解填料释碳未穿透生物膜。

图3表征了数学模型模拟得到各种微生物占微生物总量的分数沿生物膜厚度的分布。表明，生物膜内存在硝化菌和反硝化菌分层分布结构，证明生物膜同时进行硝化和反硝反应。

Claims (1)

1.一种受污染地表水生物膜同时硝化反硝化工艺，其特征在于所述工艺在同时硝化反硝化脱氮装置内完成，所述装置包括填料框架(1)、可降解填料(2)和曝气装置(3)，可降解填料(2)位于填料框架(1)内，填料框架(1)起到防止可降解填料(2)散落漂走的目的，在填料框架(1)下方安装曝气装置(3)；填料框架(1)可采用竹笼、钢网或尼龙等材料制成，可降解填料(2)采用农业废弃物或可采用其他人工制备的可降解填料，曝气装置(3)采用曝气管、曝气盘或射流曝气等其他曝气方式；所述同时硝化反硝化脱氮装置底部进水，上部出水；具体步骤为：

将地表水引入同时硝化反硝化脱氮装置，控制水力停留时间20-50分钟，曝气装置曝气使装置内溶解氧浓度为2~4 mg/L；其中：可降解填料(2)投加后，只补充不回收，可降解填料(2)将被完全利用；可降解填料(2)的投加量计算步骤如下：

通过试验获得可降解填料释碳规律，得到单位质量填料随时间变化的释碳速率函数；根据释碳速率函数，把不同批次投加的填料释碳速率相加，得到反应装置内当前总的释碳量；将释碳量与反硝化理论需碳量比较，得到需补充的填料量。

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