CN103183402B

CN103183402B - 一种适用于低碳氮比再生水的强化脱氮除磷方法

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Publication number: CN103183402B
Application number: CN201310138192.8A
Authority: CN
Inventors: 郝瑞霞; 王建超; 孟成成; 任晓克; 王润众; 赵文莉
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-04-21
Filing date: 2013-04-21
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2033-04-21
Also published as: CN103183402A

Abstract

一种适用于低碳氮比再生水的强化脱氮除磷方法，属于环境工程领域。该方法基于三维电极生物膜工艺，通过电化学和生物反硝化作用相耦合的过程强化脱氮除磷，反应器阳极采用石墨棒，阴极采用泡沫镍，阴阳电极间填充海绵铁与活性炭复合填料。在电流作用下,阴极产生氢供氢细菌进行自养反硝化,阳极产生CO₂为微生物提供无机碳源并缓冲体系内的pH值；海绵铁和活性炭复合填料形成大量微原电池，海绵铁腐蚀产氢，为微生物提供更多的电子供体，促进自养微生物的生长代谢，减少对有机碳源的需求；海绵铁有利于体系形成厌氧环境。上述过程强化了微生物自养反硝化脱氮作用。海绵铁腐蚀产生Fe²⁺、Fe³⁺，其水解产物使出水中的磷大幅度降低。

Description

一种适用于低碳氮比再生水的强化脱氮除磷方法

技术领域

本发明涉及一种适用于低碳氮比再生水的强化脱氮除磷方法，特别涉及利用改进的三维电极生物膜工艺对低碳氮比再生水中氮磷的高效去除，属于环境工程技术领域。

背景技术

污水再生回用是解决水资源危机的必然途径。根据已有研究基础，由于受污水处理技术限制，传统的生物脱氮除磷组合方法运行控制条件复杂，常常不能保证很好的脱氮除磷效果，部分再生水厂出水中总氮和总磷含量均不能稳定达到《城市污水再生利用景观环境用水水质》标准的要求；另外，由于再生水标准要求偏低，即使达标也不能完全确保回用水的生态安全，特别是回用于景观补水和地下水回灌时，较高的氮磷对水环境生态系统会造成严重影响。我国目前66%以上的湖泊、水库处于富营养化的水平，其中重富营养和超富营养的占22%，使得富营养化成为我国湖泊目前与今后相当长一段时期内的重大水环境问题。研究表明，对于湖泊、水库等封闭性水域，当水体内无机态总氮含量大于0.2mg/L，总磷大于0.01mg/L时，就有可能引起水华现象的发生。然而污水厂二级出水碳氮比普遍偏低，在深度脱氮方面存在着碳源不足的问题。污水厂在脱氮除磷方面，一般通过生物除磷能将出水总磷控制在1mg/L以下，通过化学除磷可将出水总磷控制在0.5mg/L以下，但其深度去除受限制。因此，再生水处理的关键是开发低碳氮比条件下的强化脱氮除磷技术，其对推动再生水回用和维系生态安全具有十分重要的意义。

三维电极生物膜工艺是电化学作用和生物反硝化作用相耦合的一种脱氮过程。在直流电的作用下，反应器内阴极产生的氢为细菌提供电子受体，使水中的硝酸盐氮还原；阳极发生氧化反应生成CO₂,既可为细菌提供碳源，又可对体系的平pH起到缓冲作用，为反硝化过程提供有利的中性环境和缺氧环境。微弱电流的刺激作用还可以强化微生物代谢和传质过程，促进生物反应进程，提高污染物的去除率。其次，反应器中存在自养反硝化和异养反硝化两种生物脱氮除磷过程。通过自养反硝化菌利用阴极产生的氢气进行自养反硝化，节省有机碳源，适合污水厂二级出水碳氮比低的特点。

目前，国内外对三维电极生物膜工艺的研究尚处于实验研究阶段，其研究主要集中在低碳氮比水质水体中氨氮和硝酸盐氮的去除率上。在三维电极生物膜法中，电极与填料的选择对反硝化效果有重要影响。常用的填充介质为无烟煤和活性炭颗粒，或者活性炭和玻璃珠的混合物。海绵铁作为填料的研究主要集中在去除地下水中的硝酸盐氮以及机污染物和高浓度废水上。氢自养反硝化菌可以利用铁腐蚀产生的氢气进行自养反硝化，从而将硝酸盐降解为无害的氮气，而且微生物可以提高铁腐蚀产氢的性能。一般自养反硝化脱氮需要较长的水力停留时间，增加氢的产量能提高硝酸盐的去除率并缩短水力停留时间。国内也有许多研究表明，在适当的条件下，海绵铁对硝酸盐具有较高的去除率，海绵铁可以作为填料应用于生物反应当中，以增加对水中污染物的去除效果。

因此，三维电极生物膜工艺作为新型的处理工艺，仍存在着一些方面需要优化，如合理地选择电极材料、填料和反应器的空间布置方式以及节约电耗等；海绵铁在硝酸盐氮去除上也存在着由于腐蚀产氢量不足而限制自养反硝化过程的问题。

发明内容

本发明提出一种适用于低碳氮比再生水的强化脱氮除磷方法，该方法针对污水厂二级出水碳氮比偏低，深度生物脱氮需要外加碳源的问题。具体内容是优化填料为海绵铁和活性炭复合填料，并在阴阳极复加黏胶基活性炭纤维。海绵铁具有比表面积大、比表面能高的特点，具有较强的电化学富集、氧化还原、物理吸附以及絮凝沉淀性能，海绵铁的疏松结构等特征可用作生物膜的载体，适合硝化菌、反硝化菌的固着生长，可以形成硝化和反硝化过程所需的宏观与微观环境，同时海绵铁具有还原性，能够提供生物反硝化过程所需的电子供体，将海绵铁与活性炭复合作为三维电极生物膜工艺的填料可以有效防止海绵铁的板结问题，并且海绵铁与活性炭颗粒之间会形成大量微原电池，促进海绵铁的腐蚀产生氢和铁离子，从而强化反硝化脱氮除磷过程。海绵铁复合填料应用于三维电极生物膜工艺可以提供更多的氢，两者可以达到很好的协同作用，从而提高硝酸盐氮和磷的去除率并且缩短水力停留时间。因此，本发明方法有很好的应用前景。

该方法采用的技术方案是复合填料由海绵铁颗粒和活性炭颗粒复配而成，按体积比计，海绵铁颗粒与活性炭颗粒配比为1:6-1:4，填料粒径为3-4mm。

所述的阴阳极附加活性炭纤维的方法是：由于海绵铁为活泼金属，要防止海绵铁被电极快速电解，在阳极石墨棒上包裹电导率较小的黏胶基活性炭纤维4-6层，从而增大阳极表面积，并可承担较大电势差从而保护海绵铁填料不被快速电解，在阴极泡沫镍内侧附加一层活性炭纤维，增大阴极表面积。

具体的操作方法是：通过驯化挂膜后，控制进水水质为：NO₃ ^--N=30mg/L、COD=45mg/L、TP=1.5mg/L、pH=7.00、C/N=1.5:1，水力停留时间HRT为10h，改变电流强度I，检测进出水水质变化。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明利用海绵铁和活性炭复合填料，在体系中形成大量的原电池，通过三维电极电极电解和海绵铁腐蚀联合产生氢和电子，促进微生物的生长代谢，并增强体系的自养反硝化脱氮过程。

（2）本发明在阴极和阳极表面附加活性炭纤维，有效的增加了阴阳极的表面积，增强了电极反应过程，有利于产生氢和二氧化碳，增加体系中的无机碳源；同时更多微生物能够附着在电极附近，更好的利用电极产物。

（3）海绵铁填料应用于三维电极生物膜工艺，电解产生的二氧化碳和铁离子对pH均有很好的缓冲作用；海绵铁电解产生的Fe²⁺和进一步氧化生成的Fe³⁺以及它们的水化物，在沉淀、絮凝、吸附和卷扫等作用下,使出水中的磷大幅度降低。

（4）本发明对低碳氮比的再生水水质深度脱氮除磷效率高，无需外加碳源。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为实施例1出水硝氮去除率和TN去除率氮对比图。

图3为实施例1出水磷处理效果对比图。

图4为实施例2出水硝氮去除率和TN去除率氮对比图。

其中，图1中，1-石墨棒阳极；2-阳极活性炭纤维；3-泡沫镍阴极；4-阴极活性碳纤维；5-复合填料；6-承托层；7-承托板；8-布水板；9-出水口；10-反应器盖；11-直流稳压电源；12-进水泵；13-反应器池体。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实例旨在说明本发明，并不限制本发明的范围。

本发明主要适用于处理低碳氮比再生水水质，参见图1，反应器池体13采用圆筒结构，池体上下分别设进水口和出水口9；石墨棒阳极1设在池体中心部分，并包裹4-6层黏胶基活性炭纤维2；泡沫镍阴极3围绕石墨棒阳极1环绕一圈，紧贴池体内壁设置，并在泡沫镍阴极3内侧附加一层活性炭纤维4；在池体底部设置承托板7，承托板上均匀设置圆孔，圆孔直径5mm，布水板8中心设直径3cm的圆孔用于固定石墨棒阳极1；承托板与布水板之间填充石灰石做为承托层6；在石墨棒阳极1和泡沫镍阴极3之间填充海绵铁和活性炭复合填料5，其中海绵铁颗粒与活性炭颗粒的体积比例为1:6-1:4；直流稳压电源正负极分别连接石墨棒阳极1和泡沫镍阴极3。

进水采用模拟再生水水质的人工配水，进水经进水泵12从反应器底部流入池体经布水板7均匀布水流经承托层6，进入主反应区，通过直流稳压电源11通入20-60mA的电流，通过电化学作用和生物反硝化作用相耦合的过程实现深度脱氮除磷，出水经出水口9流出。经过上述处理过的再生水能够达到《城市污水再生利用景观环境用水水质》标准。

具体实施过程中做单因素试验，对照组的填料采用传统工艺中的活性炭颗粒，粒径与试验组复合填料相同，其他控制条件均与试验组相同。

实施例1

直接处理pH=7，COD=45mg/L，NO₃ ^--N=30mg/L,H₂PO₄ ^--P=1.5mg/L的模拟再生水水质的人工配水。控制水力停留时间为10h，电流强度为40mA，温度15℃。进水从反应器底部进水，经过石灰石承托层均匀流进主体反应区，在反应器上部出水口出水。在这种方式下，实验组出水NO₃ ^--N=3.84mg/L，TN=8.70mg/L，COD=10mg/L，TP小于0.3mg/L。试验组硝氮去除率比对照组高16%-18%左右，TN去除率比对照组高8%-14%左右。

实施例2

直接处理pH=7，COD=45mg/L，NO₃ ^--N=30mg/L,H₂PO₄ ^--P=1.5mg/L的模拟再生水水质的人工配水。控制水力停留时间为10h，电流强度为60mA，温度15℃。进水从反应器底部进水，经过石灰石承托层均匀流进主体反应区，在反应器上部出水口出水。在这种方式下，实验组出水NO₃ ^--N=2.65mg/L，TN=5.90mg/L，COD=10mg/L，TP小于0.3mg/L。试验组硝氮去除率比对照组高16%-18%左右，TN去除率比对照组高10%-12%左右。

在以上两种实施方式下，将海绵铁与活性炭复合填料应用于三维电极生物膜工艺均可强化低碳氮比再生水中的氮磷的去除。相比同条件下进行对比试验的仅填加活性炭填料的三维电极生物膜反应器在脱氮除磷效率上有很大程度的提高，该方法用于低碳氮比再生水水质强化脱氮除磷效果明显。

Claims

1.一种适用于低碳氮比再生水的强化脱氮除磷方法，其特征在于：以海绵铁和活性炭复合填料作为三维电极生物膜反应器的填料，石墨棒为阳极，泡沫镍电极为阴极；复合填料中海绵铁颗粒和活性炭颗粒体积配比为1:6-1:4；所述电极材料阳极石墨棒需包裹厚1-3mm的黏胶基活性炭纤维4-6层。