CN102897918B - 一种利用恒定磁场进行污水强化处理的装置及其污水处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用恒定磁场进行污水强化处理的装置及其污水处理方法，属于生活污水净化领域。本发明的利用恒定磁场进行污水强化处理的装置，包括反应器，还包括磁场强化装置，所述的磁场强化装置包括磁铁和铁板，所述磁铁、铁板分别对称设置在反应器的两侧，且所述磁铁位于所述铁板的内侧，分别位于反应器两侧的磁铁在活性污泥区内所形成的磁场方向一致。本发明充分利用磁生物效应，提高了微生物活性，并利用磁场力提高了传质效率，弥补了现有低温生活污水处理中反应器运行不稳定、有机物降解速率不高等缺陷。
Description
技术领域
本发明属于生活污水净化领域，更具体地说，涉及一种利用恒定磁场对低温下生活污水进行生物强化处理的装置及其污水处理方法。
背景技术
城市生活污水产生量大、排放集中、影响人口多、范围广。对集中排放的城市污水进行净化处理对于全国污染物排放量的消减和水环境质量的改善具有十分重要的作用。污水处理标准日益提高，我国在《国务院关于落实科学发展观加强环境保护的决定》中提出，全国城市生活污水处理率不得低于70%。生活污水包括冲厕排水、厨房排水、洗衣排水、泳池排污水及淋浴和盥洗排水，污水中含有大量的有机污染物和无机污染物，会对环境造成极大危害。
生活污水的主要特点是可生化性好，氮、磷含量高，处理的方法主要以生化法为主。目前常用的生活污水处理方法有氧化沟、序批式活性污泥法（SBR）、生物接触氧化法、曝气生物滤池（BAF）、A/O工艺、膜生物反应器（MBR）等。但是，在我国冬季，北方的大部分地区以及南方的部分地区，由于温度对生物个体的生长、繁殖、新陈代谢、生物种群分布和种群数量起着决定性作用，以生化法为主要工艺的污水处理厂的处理效果受到严重的影响，直接影响着冬季污水处理效率的高低。此外，温度对活性污泥的絮凝沉降性能以及水的粘度也有较大影响。总之，低温条件下，污水处理工艺及工程设计参数同常温条件下有很大区别。
中国专利申请号：200410044041.7，发明名称为适用于低温生活污水处理的耐低温菌种的培养方法，该申请案公布了一种可应用于低温生活污水处理，在人工条件下从自然界中筛选出耐低温菌种并加以培养和驯化的方法。该发明是这样实现的：a.当污水温度低于15℃时，取检查井的底泥在低温生化培养箱中的反应器内进行闷曝；b.加入新鲜的粪便水并加水稀释，缓慢曝气，每天换水1次；c.重复b步骤，8天后形成适于15℃时细菌的菌胶团；d.改变系统运行周期和营养液的配比，降低反应器内污水温度；e.10d后当水温降至10℃时改变系统运行周期和营养液的配比，降低反应器内污水温度，完成菌种的培养和驯化。该发明的技术进步是操作简便，材料选取方便，培养和驯化菌种的过程可在由有机玻璃和塑料制成的反应器中进行。
中国专利申请号：200410044169.3，发明名称为漂浮填料分格式工艺处理分散型低温生活污水的方法，该方法的步骤为：a.将反应池埋入地下，反应池上端距地表0.5m；b.控制反应池每个运行周期的过程依次为：进水6小时，进水的同时进行曝气，然后静止沉淀2小时，再滗水排泥，滗水及排泥时间为2.5小时，最后闲置1.5小时，出水即可。该发明克服了分散型生活污水处理工程在低温运行时处理效果差的缺点，适用于寒冷地区分散型生活污水的处理工程，利于推广应用。该申请案克服了分散型生活污水处理工程在低温运行时处理效果差的缺点，适用于寒冷地区分散型生活污水的处理工程。
以上研究虽能从一定程度上提高废水的生物降解性能，但随着污水处理标准的不断提高，上述研究对于低温条件下生活污水的处理效果已不能很好地满足标准要求，低温下微生物新陈代谢能力下降所导致的生化反应速率降低并不能完全通过以上工艺的优点得到弥补。
《低强度磁场对污水处理的效应研究》（朱雪松，哈尔滨工业大学工学硕士学位论文，2009），该研究采用序批式活性污泥法（SBR）工艺，以几组永磁铁作为磁场发生装置，以磁感应强度、磁场位型等作为调节参数（投加磁粉时以磁粉数量为调节参数），以zeta电位，污泥好氧速率（OUR）以及脱氢酶活性作为污泥胶体稳定性及活性评价指标，系统地研究了磁化处理、磁场作用形式及磁场强度等因素对活性污泥的性质及其降解污染物效率的影响。该研究结果表明，在一定强度的磁场作用下，水中污染物COD、氨氮以及硝氮的去除率有所提高，当磁场强度介于90～120mT之间时，COD去除效果明显提高，而当磁感应强度处于30～60mT之间时，对氨氮的去除有促进作用。磁场对好氧反硝化过程作用比较明显，从0～150mT范围内，随着磁场强度的增加，硝氮的去除率也有逐渐上升趋势。该文献虽研究了弱磁场的相关污染物去除规律，但并未提出低温条件下的污水处理工艺，同时带电粒子容易在磁场一侧堆积，影响传质效率，另外还存在磁场强化与反应器未实现一体化、没有相关的磁场屏蔽设计的问题。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对低温生活污水生物处理中，生化反应效率低导致出水不达标，以及反应器低温运行不稳定等缺陷，本发明提供了一种利用恒定磁场进行污水强化处理的装置及其污水处理方法，它所采用的磁场-微生物强化体系，充分利用磁生物效应，提高了微生物活性，并利用磁场力提高了传质效率，弥补了现有低温生活污水处理中反应器运行不稳定、有机物降解速率不高等缺陷。
2.技术方案
本发明的原理：在磁场-微生物的处理体系中，由于微生物酶活性中心存在Co、Fe、Cu、Mn、Mo等未填满电子壳层的过渡金属离子，表现顺磁性，磁场作用会导致整个酶分子的构象发生变形或扭曲，将酶活性中心外露或内包，从而改变酶的活性，同时在磁场中水的渗透压和菌体膜的通透性增强，有利于微生物吸收营养；另外磁场还可以提高氧的溶解度，可以直接促进一些小分子有机物直接降解为C、N等营养元素，为微生物的生长提供养料。磁场力作用会促使反应体系中的带电粒子运行，提高传质效率，促进生化反应进行。本发明通过对污泥区微生物施加弱磁场（≤200mT），使反应区同时发生生化反应、磁生物效应以及磁场力运动，对微生物降解有机物起到强化作用。
实现本发明目的技术解决方案为：
本发明的一种利用恒定磁场进行污水强化处理的装置，包括反应器，所述的反应器包括搅拌器、曝气装置、活性污泥区、进水口、出水口及排泥口，所述的反应器上端为进水口，侧壁上设置有出水口，底部设置有排泥口，所述的反应器内设置有活性污泥区，所述搅拌器、曝气装置均设置在活性污泥区的活性污泥内，所述曝气装置位置低于所述搅拌器，所述的反应器外设置有磁场强化装置，所述的磁场强化装置包括磁铁和铁板，所述磁铁、铁板分别对称设置在反应器的两侧，且所述磁铁位于所述铁板的内侧，分别位于反应器两侧的磁铁在活性污泥区内所形成的磁场方向一致。磁铁外围安装铁板，是为了借助其磁导性减弱磁铁外部磁场扩散，防止干扰其它装置运行。
进一步地，所述的磁场强化装置还包括固定板，所述的磁铁、铁板的上端和下端分别固定在水平的上、下固定板上，所述磁铁、铁板在固定板上的位置可调。所述的磁铁、铁板之间的距离均可以通过调节磁铁、铁板在固定板上的位置而进行调节，最终达到控制反应器中心磁场强度的目的。通过调节间距控制中心场强在0-200mT之间。
进一步地，所述的磁铁为永久磁铁。一般采用铁氧体磁铁，主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19，磁性适中。
进一步地，所述的曝气装置采用射流曝气。搅动混合能力强，氧传递效率高，保证活性污泥沉降性能。
进一步地，所述的反应器内设置有磁场测定仪。
采用上述的利用恒定磁场进行污水强化处理的装置的污水处理方法，其步骤为：
（a）在反应器内填充活性污泥，则在反应器底部形成活性污泥区，再在反应器两侧分别安装磁铁，保持两磁铁相对平行放置且在反应器内形成的磁场方向一致，设计磁铁面积使活性污泥区均处于磁场作用范围中，磁铁外围设置有铁板；
（b）在4-15℃的低温条件下接种污泥，进水模拟生活废水，逐渐提高有机负荷，从0.03kg/(m3·d)等梯度提高至0.8kg/(m3·d)，对活性污泥区进行射流曝气和搅拌，实现对反应器底部污泥的低温磁场驯化；
（c）反应器为序批式运行，待污泥驯化第一个10-15d的污泥停留时间后，调转反应器两侧磁铁方向，使活性污泥区磁场方向逆转进行进一步强化，驯化第二个10-15d的污泥停留时间后再进行调转，如此反复4-5次直至反应器出水COD去除率达到80%以上，达到稳定状态；反应器为序批式运行，曝气与搅拌相互配合，可有效防止反应器形成死角。通过翻转变换磁铁的磁极，避免同极电荷在同侧堆积，增强传质效果；在反应器内形成恒定磁场，磁场强度由磁场测定仪指示。
（d）反应器的污泥经1-2个月完成驯化后，加入经格栅过滤的实际生活污水进行处理，控制有机负荷进水速率为0.4-1.0kg/(m3·d)，运行过程中磁铁每10-15d调转一次，污水处理过程中磁铁持续周期调转，形成磁场-微生物强化体系。
3.有益效果
与现有技术相比，本发明的显著优点为：
（1）本发明在反应器的底部设置有活性污泥区，在反应器外设置有磁场强化装置，污泥反应区与磁场相互作用，形成磁场-微生物强化体系，利用磁场影响微生物酶中蛋白质的活性位点，提高酶的活性，增加微生物的生化反应速率，特别是在低温条件下补偿温度对酶活性的影响；利用磁场力作用增加了带电粒子运动速度进而提高了传质效率，弥补了现有低温生活污水处理中反应器运行不稳定、有机物降解速率不高等缺陷，实现了反应器在低温条件下有效降解生活污水有机物，稳定运行；
（2）本发明的技术方案中，反应器为序批式运行，曝气与搅拌相互配合，可有效防止反应器形成死角；曝气采用射流曝气，可有效避免曝气孔阻塞，有利于提高反应器的污泥负荷及有机负荷，缩短污水停留时间，降低运行成本；
（3）本发明的技术方案中，在反应器中形成的磁场-微生物强化体系为利用恒定磁铁产生的磁场，充分利用磁场能，减少电能消耗，减少了环境污染。
附图说明
图1为本发明的利用恒定磁场进行污水强化处理的装置的结构示意图；
图2为本发明的利用恒定磁场进行污水强化处理的工艺流程图。
图中：1、反应器；2、固定板；3、磁铁；4、搅拌器；5、曝气装置；6、活性污泥区；7、磁场测定仪；8、铁板；9、进水口；10、出水口；11、排泥口。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
结合图1，图2，在某污水厂建立生活污水处理强化工艺，其污水处理步骤为：
（a）设计方形的反应器1高：长：宽=2:1:1，反应器1上端为进水口9，侧壁上设置有出水口10，反应器1内设置有活性污泥区6，在低温（4℃）条件下接种污泥，反应器1底部设置有排泥口11，搅拌器4、曝气装置5均设置在活性污泥区6的活性污泥内，曝气装置5位于搅拌器4下方。在反应器1的两侧安装铁氧体磁铁3，保持两磁铁3相对平行放置，设计磁铁3面积使活性污泥区6均处于磁场作用范围中，并通过磁场测定仪7指示磁场强度，磁铁3、铁板8的上下端分别固定在固定板2上且在固定板2上的位置可调，调整两磁铁3的间距，使得活性污泥区6的中心场强为20mT，磁铁3外围安装铁板8，其厚度为25mm，用于减弱磁场向外围扩散；
（b）将模拟废水引流至反应器1内，逐渐提高模拟废水进水浓度，有机负荷由0.03kg/(m3·d)等梯度提高至0.4kg/(m3·d)，对污泥区进行射流曝气、搅拌，曝气量为每单位进水2.5kg O2/kg BOD，对反应器1污泥进行低温和磁场同步驯化；
（c）反应器1为序批式运行，设计HRT（水力停留时间）为8h，待污泥驯化一个污泥停留时间10d后，调转两磁铁3方向，使活性污泥区6磁场方向逆转进行进一步强化，第二个污泥停留时间10d后再进行翻转，如此反复4次，反应器1出水COD去除率达81%，达到稳定状态，驯化完成；
（d）待反应器1污泥驯化完成后，加入经格栅过滤的实际生活污水进行处理，有机负荷为0.4kg/(m3·d)，曝气量调整为每单位进水1.5kg O2/kg BOD，运行过程中磁铁3保持每10d周期性地翻转一次，形成磁场-微生物强化体系处理有机物。
通过以上步骤处理，磁场强化反应器1在低温条件下运行良好，可节约电能500-600元/年，COD去除率可以提高25-30％，氨氮去除率可以提高10-15%。
实施例2
结合图1，图2，在污水厂建立该污水处理强化工艺，其步骤为：
（a）设计方形的反应器2高：长：宽=4：2：1，池底为长方形，所述的反应器1包括搅拌器4、曝气装置5、活性污泥区6、进水口9、出水口10及排泥口11，所述的反应器1上端为进水口9，侧壁上设置有出水口10，所述的反应器1内设置有活性污泥区6，底部设置有排泥口11，所述搅拌器4、曝气装置5均设置在活性污泥区6的活性污泥内，所述曝气装置5位置低于所述搅拌器4。在反应器1的活性污泥区6两侧安装铁氧体磁铁3，保持两磁铁3相对平行放置，设计磁铁3面积使活性污泥区6均处于磁场作用范围中，通过磁场测定仪7指示及磁铁3间距调整，使得反应器1内中心磁场强度为200mT，磁铁3外围安装铁板8，其厚度为50mm，用于减弱磁场向外围扩散；在低温（15℃）条件下接种污泥，在反应器1底部形成活性污泥区6，在活性污泥区6内设置有搅拌器4、曝气装置5；
（b）将模拟废水引流至反应器1内，逐渐提高模拟废水进水浓度，有机负荷由0.03kg/(m3·d)等梯度提高至0.8kg/(m3·d)，对活性污泥区6进行射流曝气、搅拌，曝气量为每单位进水3.0kg O2/kg BOD，对反应器1内污泥进行低温和磁场同步驯化；
（c）反应器1为序批式运行，设计HRT为10h，待污泥驯化一个污泥停留时间15d后，翻转两磁铁3方向，使污泥区磁场方向逆转进行进一步强化，第二个污泥停留时间15d后再进行翻转，如此反复5次后出水COD去除率达91%，达到稳定状态，驯化完成；
（d）待反应器1污泥驯化完成后，加入经格栅过滤的实际生活污水进行处理，有机负荷为1.0kg/(m3·d)，曝气量调整为每单位进水2.0kg O2/kg BOD，运行过程中磁铁3持续每15d周期性地翻转一次，以磁场-微生物强化体系处理有机物。
通过以上步骤处理，磁场强化反应器1在低温条件下运行良好，可节约电能900-1200元/年，COD去除率可以提高30-35％，氨氮去除率可以提高15-20%。
实施例3
本实施例3的污水强化处理的装置结构同实施例1，其不同之处在于反应器中心磁场强度控制为100mT。其生活污水处理步骤为：
（a）在10℃条件下，向反应器1内填充活性污泥，则在反应器1底部形成活性污泥区6，再在反应器1两侧分别安装磁铁3，保持两磁铁3相对平行放置且在反应器1内形成的磁场方向一致，设计磁铁3面积使活性污泥区6均处于磁场作用范围中，磁铁3外围设置有铁板8；
（b）将模拟废水引流至反应器1内，逐渐提高模拟废水进水浓度，有机负荷由0.03kg/(m3·d)等梯度提高至0.5kg/(m3·d)，对活性污泥区6进行射流曝气、搅拌，曝气量为每单位进水2.7kg O2/kg BOD，对反应器1内污泥进行低温和磁场同步驯化；
（c）反应器1为序批式运行，设计HRT为9h，待污泥驯化一个污泥停留时间12d后，翻转两磁铁3方向，使活性污泥区6磁场方向逆转进行进一步强化，第二个污泥停留时间12d后再进行翻转，如此反复4次后，出水COD去除率达85%，达到稳定状态，驯化完成；
（d）待反应器1污泥驯化完成后，加入经格栅过滤的实际生活污水进行处理，有机负荷为0.8kg/(m3·d)，曝气量调整为每单位进水2.0kg O2/kg BOD，运行过程中磁铁3持续每12d周期性地翻转一次，以磁场-微生物强化体系处理有机物。
通过以上步骤处理，磁场强化反应器1在低温条件下运行良好，可节约电能900-1200元/年，COD去除率可以提高28-30％，氨氮去除率可以提高17-19%。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性地设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。
Claims (6)
1.一种利用恒定磁场进行污水强化处理的装置，包括反应器（1），所述的反应器（1）包括搅拌器（4）、曝气装置（5）、活性污泥区（6）、进水口（9）、出水口（10）及排泥口（11），所述的反应器（1）上端为进水口（9），侧壁上设置有出水口（10），底部设置有排泥口（11），所述的反应器（1）内设置有活性污泥区（6），所述搅拌器（4）、曝气装置（5）均设置在活性污泥区（6）的活性污泥内，所述曝气装置（5）位置低于所述搅拌器（4），所述的反应器（1）外设置有磁场强化装置，其特征在于，所述的磁场强化装置包括磁铁（3）和铁板（8），所述磁铁（3）、铁板（8）分别对称设置在反应器（1）的两侧，且所述磁铁（3）位于所述铁板（8）的内侧，分别位于反应器（1）两侧的磁铁（3）在活性污泥区（6）内所形成的磁场方向一致。
2.根据权利要求1所述的一种利用恒定磁场进行污水强化处理的装置，其特征在于，所述的磁场强化装置还包括固定板（2），所述的磁铁（3）、铁板（8）的上端和下端分别固定在水平的上、下固定板（2）上，所述磁铁（3）、铁板（8）在固定板（2）上的位置可调。
3.根据权利要求2所述的一种利用恒定磁场进行污水强化处理的装置，其特征在于，所述的磁铁（3）为永久磁铁。
4.根据权利要求3所述的一种利用恒定磁场进行污水强化处理的装置，其特征在于，所述的曝气装置（5）采用射流曝气。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种利用恒定磁场进行污水强化处理的装置，其特征在于，所述的反应器（1）内设置有磁场测定仪（7）。
6.一种采用权利要求1所述的利用恒定磁场进行污水强化处理的装置的污水处理方法，其步骤为：
（a）在反应器（1）内填充活性污泥，则在反应器（1）底部形成活性污泥区（6），再在反应器（1）两侧分别安装磁铁（3），保持两磁铁（3）相对平行放置且在反应器（1）内形成的磁场方向一致，设计磁铁（3）面积使活性污泥区（6）均处于磁场作用范围中，磁铁（3）外围设置有铁板（8）；
（b）在4-15℃的低温条件下接种污泥，进水模拟生活废水，逐渐提高有机负荷，从0.03kg/(m3·d)等梯度提高至0.8kg/(m3·d)，对活性污泥区（6）进行射流曝气和搅拌，实现对反应器（1）底部污泥的低温磁场驯化；
（c）反应器（1）为序批式运行，待污泥驯化第一个10-15d的污泥停留时间后，调转反应器（1）两侧磁铁（3）方向，使活性污泥区（6）磁场方向逆转进行进一步强化，驯化第二个10-15d污泥停留时间后再进行调转，如此反复4-5次直至反应器（1）出水COD去除率达到80%以上，达到稳定状态；
（d）反应器（1）的污泥经1-2个月完成驯化后，加入经格栅过滤的实际生活污水进行处理，控制有机负荷进水速率为0.4-1.0kg/(m3·d)，运行过程中磁铁（3）每10-15d调转一次，污水处理过程中磁铁（3）持续周期调转，形成磁场-微生物强化体系。
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