CN103359894A - 一种地下水微生物脱氮系统 - Google Patents

Abstract

一种地下水微生物脱氮系统，包括依次连接的脱氮处理池、活性炭滤池和消毒池；脱氮处理池由异养生物脱氮池和氢自养生物脱氮池串联组成，异养生物脱氮池和氢自养生物脱氮池的体积比为1:3，异养生物脱氮池内悬挂有填料，氢自养生物脱氮池中设置有中空纤维膜组件、pH在线监测仪和硝酸盐在线监测仪、氢气管路和二氧化碳管路，氢气管路和二氧化碳管路上均设置有控制阀门，氢气管路与中空纤维膜组件连接，氢自养生物脱氮池内设置有颗粒填料，氢气管路上的控制阀门、二氧化碳管路上的控制阀门、pH在线监测仪和硝酸盐在线监测仪均与PLC控制器连接。该系统实现了自动调控，处理效率高，操作安全方便，具有氢气利用效率高、成本低、无二次污染的特点。

Description

一种地下水微生物脱氮系统

技术领域

本发明涉及一种用于处理地下水中微生物脱氮的系统，属于水处理技术领域。

背景技术

地下水是满足人类日常饮水的重要来源之一。化肥施用、污水灌溉、垃圾粪便、工业含氮废弃物、燃料燃烧排放的含氮废气等在自然条件下，经降水淋溶分解后形成硝酸盐，流入河、湖并渗入地下，从而造成地下水的硝酸盐污染。含有高浓度硝酸盐的水在人类饮用后，会在还原菌的作用下生成亚硝酸盐，容易引起高铁血红蛋白，使血液失去携氧功能。亚硝酸盐在人体内与仲胺类作用形成亚硝胺类，它在人体内达到一定剂量时是致癌、致畸、致突变的物质，可严重危害人体健康。中国浅层地下水约有50％地区遭到一定程度的硝酸盐污染，鉴于地下水硝酸盐污染的现状及对人体的危害，地下水硝酸盐污染的处理技术得到越来越多的关注。

目前研究和应用最多的的硝酸盐处理方法有物理分离法、化学还原法、生物反硝化法。物理化学法如离子交换、反渗透、电渗析等，处理效率高，但其所需装置复杂，技术成本高，处理后产生的浓缩废液还需要进一步处理；异养生物反硝化常常因地下水中有机物含量较低而受到限制。

氢基质膜生物技术是一种自养生物还原技术，该技术采用氢气作为电子受体，中空纤维膜作为生物膜载体，氢气从中空纤维膜内部扩散到膜外的过程中，被膜面的微生物利用，同时硝酸盐被还原氮气，从而达到净水的目的。CN101407363B公开的《一种处理饮用水中氧化性污染物质的装置》用于处理地下水中的硝酸盐，去除效率高，且膜组件安装与拆卸方便。但是，脱落的生物膜没法及时得到清除，容易对出水口造成堵塞；水中存在的少量有机物对氢自养微生物存在一定干扰；不能根据进水污染负荷调节膜组件数量及相关工况参数，处理效果有限。

发明内容

本发明针对现有地下水硝酸盐处理技术存在的无法根据进水污染负荷对工艺运行工况进行调节、脱氮效率低、出水存在二次污染的问题，提供一种脱氮效率高、成本低、无二次污染的地下水微生物脱氮系统。

本发明的地下水微生物脱氮系统，采用以下技术方案：

该地下水中微生物脱氮处理系统，包括依次连接的脱氮处理池、活性炭滤池和消毒池；脱氮处理池由异养生物脱氮池和氢自养生物脱氮池串联组成，异养生物脱氮池和氢自养生物脱氮池的体积比为1:3，异养生物脱氮池内悬挂有填料，氢自养生物脱氮池中设置有中空纤维膜组件、pH在线监测仪和硝酸盐在线监测仪、氢气管路和二氧化碳管路，氢气管路和二氧化碳管路上均设置有控制阀门，氢气管路与中空纤维膜组件连接，氢自养生物脱氮池的中空纤维膜组件间隙内设置有颗粒填料，氢气管路上的控制阀门、二氧化碳管路上的控制阀门、pH在线监测仪和硝酸盐在线监测仪均与PLC控制器连接。

中空纤维膜组件，包括腔体和中空纤维膜，各个中空纤维膜的一端与腔体连接，另一端封闭，腔体通过阀门与支管连接，支管与氢气管路连接，中空纤维膜的侧壁上分布有孔径为0.01μm-0.1μm的微孔，孔隙率为80％。

上述系统在地下水脱氮处理之前，取城市生活污水处理厂的缺氧池污泥作为接种污泥，分别接种到异养生物脱氮反应池和氢自养生物脱氮池，然后开始挂膜及驯化阶段，间歇进出水10-30天使异养生物脱氮反应池中的填料和氢自养生物脱氮池中的中空纤维膜的表面初步形成生物膜；

硝酸盐污染的地下水进入到异养生物脱氮池，异养生物处理池内填料上的生物膜利用水体中的有机物作为碳源和能源，NO₃  ^–作为电子受体进行反硝化，将NO₃  ^–还原成N₂，去除水中有机物和部分NO₃  ^–，消除水中有机物对后续氢自养反硝化的干扰，同时去除水体中部分NO₃ ^–；

在氢自养生物脱氮池中，氢气进入中空纤维膜组件中的中空纤维膜，由中空纤维膜侧壁上的微孔向膜外扩散，氢气在向膜外扩散的过程中，中空纤维膜上附着的氢自养还原菌利用氢气作为电子受体，将流经膜外的水体中的NO₃  ^-还原为N₂，达到去除NO₃ ^-的目的；当pH在线监测仪检测氢自养生物处理池内的pH值大于8.5时，PLC控制器控制二氧化碳管路上的控制阀门打开，向氢自养生物处理池内通入CO₂，当pH在线监测仪检测pH值小于6.5时，PLC控制器控制二氧化碳管路上的控制阀门关闭，停止通入CO₂；当硝酸盐在线监测仪检测到氢自养生物处理池内硝酸盐的处理负荷为1.0-1.5g N/m²d（单位中空纤维膜膜表面积单位时间（天）内处理的硝酸盐氮的质量）时，控制进入中空纤维膜的氢气压力为0.04-0.05MPa（通过PLC控制器控制氢气管路上控制阀门的开启度实现）；当硝酸盐的处理负荷为0.5-1.0g N/m²d时，控制进入中空纤维膜的氢气压力为0.03-0.04MPa；当硝酸盐的处理负荷为小于0.5g N/m²d时，控制H₂分压为0.02MPa；中空纤维膜表面自养反硝化过程中，会有少部分氢气经过中空纤维膜扩散，未被氢自养生物膜利用而释放进入水中，这时，中空纤维膜间隙悬浮的颗粒填料表面的自养生物膜可以继续利用水体中的溶解性氢气，进行反硝化反应，氢气的利用效率高，反硝化效果好。

地下水经生物脱氮处理后进入到活性炭滤池，利用活性炭吸附污水中的脱落生物膜及微生物次生代谢物；活性炭滤池的出水进入消毒池，消毒池采用二氧化氯消毒，杀灭出水中残余的微生物。

本发明利用异养与自养串联脱氮、活性炭滤池去除脱落生物膜及次生代谢物等技术单元，实现了自动调控，节省运行费用，处理效率高，操作更安全方便，具有氢气利用效率高、处理效果好、成本低、无二次污染的特点。

附图说明

图1 是本发明中异养与氢自养串联的脱氮处理池的结构示意图。

图2是脱氮处理池中空纤维膜组件的结构示意图。

图中：1、异养生物脱氮池，2、氢自养生物脱氮池，3、填料，4、中空纤维膜组件，5、颗粒填料，6、支管，7、主管，8、pH在线监测仪，9、硝酸盐在线监测仪，10、PLC控制器，11、二氧化碳储存罐，12、二氧化碳管，13、氢气储存罐，14、氢气管，15、三通阀门，16、腔体，17、中空纤维膜。

具体实施方式

本发明的地下水中微生物脱氮处理系统，包括依次连接的异养与氢自养串联的脱氮处理池、活性炭滤池和消毒池。图1给出了异养与氢自养串联的脱氮处理池的结构，包括异养生物脱氮池1和氢自养生物脱氮池2，异养生物脱氮池1和氢自养生物脱氮池2的体积比为1:3。异养生物脱氮池1内悬挂有塑料填料3，塑料填料3选用静电改性亲水性纤维（PE或PVC）填料，多根填料组成纤维束，再通过尼龙绳索串联起来构成纤维素组件，串联间距5cm -20cm；尼龙绳索纤维束组件的安装采用悬挂式，安装间距10cm-30cm。纤维填料比表面积极大，生物亲和性强，附着生物量较高，而且对微生物的增殖无抑制作用。氢自养生物脱氮池2中设置有中空纤维膜组件4，氢自养生物脱氮池2内设置有颗粒填料5，颗粒填料5采用直径1-3cm的PE（聚乙烯）立体多面球体，比表面积大，挂膜后可悬浮在水体中。氢自养生物脱氮池2的上部设置主管7，主管7通过氢气管14与氢气储存罐13连接，氢自养生物脱氮池2内通入有二氧化碳管12，二氧化碳管12与二氧化碳储存罐11连接，氢自养生物脱氮池2内设置有pH在线监测仪8和硝酸盐在线监测仪9。氢气储存罐13的启闭阀门、二氧化碳储存罐11的启闭阀门、pH在线监测仪8和硝酸盐在线监测仪9均与PLC控制器10连接。

中空纤维膜组件4的结构如图2所示，包括腔体16和中空纤维膜17，各个中空纤维膜17的一端与腔体16连接，另一端封闭，腔体16通过三通阀门15与支管6连接，支管6在其中部与主管7连接。氢气储存罐13内的气态H₂通过氢气管14进入主管7，再由支管6通过三通阀门15进入各中空纤维膜17。每组中空纤维膜组件中的中空纤维膜数量大约50-100根，中空纤维膜17的侧壁上分布有孔径为0.01μm-0.1μm的微孔，孔隙率为80％，比表面积大，氢气由这些微孔扩散到膜外。中空纤维膜17采用PVC材料，内外径分别为200μm和300μm。中空纤维膜组件在同一支管6上的安装间距为20cm-40cm，支管6的设置间距为20cm-50cm。

在地下水脱氮处理之前，需要进行生物膜的接种与驯化。取城市生活污水处理厂的厌氧池污泥作为接种污泥，接种到异养生物脱氮反应池1和氢自养生物脱氮池2，然后开始挂膜及驯化阶段，间歇进出水10-30天使塑料填料3、颗粒填料5和中空纤维膜17的表面初步形成生物膜，当水中NO₃  ^-的去除速率稳定后确定膜成熟。

硝酸盐污染的地下水进入到异养生物脱氮池。异养生物处理池内塑料填料3上的生物膜利用水体中的有机物作为碳源和能源，NO₃  ^–作为电子受体进行反硝化，将NO₃  ^–还原成N₂，去除水中有机物和部分NO₃  ^–。在20-30℃，水力停留时间2小时-5小时，对进水COD_Mn浓度0.5 mg/L-3.0 mg/L，COD的去除率可达到90%以上，消除水中有机物对后续氢自养反硝化的干扰，同时去除水体中部分NO₃ ^–。

在氢自养生物脱氮池中，氢气储存罐13内的气态H₂以一定的压力进入中空纤维膜组件4中的中空纤维膜17，由中空纤维膜17侧壁上的微孔向膜外扩散，氢气在向膜外扩散的过程中，中空纤维膜上附着的氢自养还原菌利用氢气作为电子受体，将流经膜外的水体中的NO₃  ^-还原为N₂，达到去除NO₃ ^-的目的。部分未被中空纤维膜表面氢自养生物膜充分利用而进入水体的氢气，可被水体中悬浮的颗粒填料5表面的氢自养生物膜再次利用，提高脱氮效率和氢气的利用率。

由于氢自养还原菌将NO₃  ^–还原成N₂，造成水体pH升高，因此在氢自养生物处理池内设置pH在线监测仪8，当pH在线监测仪8检测氢自养生物处理池内的pH值大于8.5时，PLC控制器10控制二氧化碳储存罐11的启闭阀门打开，向氢自养生物处理池内通入CO₂；当pH在线监测仪8检测pH值小于6.5时，PLC控制器10控制二氧化碳储存罐11的启闭阀门关闭，停止通入CO₂。根据进水中硝酸盐负荷情况，还会自动调节进入中空纤维膜的H₂ 压力，当硝酸盐在线监测仪9检测到氢自养生物处理池内硝酸盐的处理负荷为1.0-1.5g N/m²d时，通过PLC控制器10控制氢气储存罐13的启闭阀门的开启度控制进入中空纤维膜的H₂ 压力为0.04-0.05MPa；当硝酸盐的处理负荷为0.5-1.0g N/m²d时，控制进入中空纤维膜的H₂压力为0.03-0.04MPa；当硝酸盐的处理负荷为小于0.5g N/m²d时，控制H₂分压为0.02MPa。氢自养生物脱氮池的氢气利用率可达到99.0%以上，硝酸盐的去除率99.0%以上。

地下水生物脱氮处理后进入到活性炭滤池，利用活性炭吸附污水中的脱落生物膜及微生物次生代谢物。活性炭采用果壳或煤质活性炭，规格为10×16目，碳床厚度1-1.5m，接触时间15分钟，水反冲洗强度8-10L/（s·m²），冲洗时间5-8min。

活性炭滤池出水进入消毒池，消毒池采用二氧化氯消毒，杀灭出水中残余的微生物。消毒池出水可直接进入市政给水管网，供城市生产和生活用水。出水游离性余氯在接触30min后不应低于0.3mg/L，在管网末梢不应低于0.05mg/L。

本发明具有以下特点：

1.采用异养与氢自养串联生物处理脱氮，氢气利用效率高，脱氮效果好。

2.自动调控，节省运行费用，处理效率高，操作更安全方便。

3.中空纤维膜组件数量可根据污染负荷情况及膜污染情况进行调节，且膜组件拆卸方便。

Claims (2)

1.一种地下水微生物脱氮系统，包括依次连接的脱氮处理池、活性炭滤池和消毒池；其特征是：

脱氮处理池由异养生物脱氮池和氢自养生物脱氮池串联组成，异养生物脱氮池和氢自养生物脱氮池的体积比为1:3，异养生物脱氮池内悬挂有填料，氢自养生物脱氮池中设置有中空纤维膜组件、pH在线监测仪和硝酸盐在线监测仪、氢气管路和二氧化碳管路，氢气管路和二氧化碳管路上均设置有控制阀门，氢气管路与中空纤维膜组件连接，氢自养生物脱氮池的中空纤维膜组件间隙内设置有颗粒填料，氢气管路上的控制阀门、二氧化碳管路上的控制阀门、pH在线监测仪和硝酸盐在线监测仪均与PLC控制器连接；

上述系统在地下水脱氮处理之前，取城市生活污水处理厂的缺氧池污泥作为接种污泥，分别接种到异养生物脱氮反应池和氢自养生物脱氮池，然后开始挂膜及驯化阶段，间歇进出水10-30天使异养生物脱氮反应池中的填料和氢自养生物脱氮池中的中空纤维膜的表面初步形成生物膜；

硝酸盐污染的地下水进入到异养生物脱氮池，异养生物处理池内填料上的生物膜利用水体中的有机物作为碳源和能源，NO₃  ^– 作为电子受体进行反硝化，将NO₃  ^– 还原成N₂，去除水中有机物和部分NO₃  ^–，消除水中有机物对后续氢自养反硝化的干扰，同时去除水体中部分NO₃ ^–；

在氢自养生物脱氮池中，氢气进入中空纤维膜组件中的中空纤维膜，由中空纤维膜侧壁上的微孔向膜外扩散，氢气在向膜外扩散的过程中，中空纤维膜上附着的氢自养还原菌利用氢气作为电子受体，将流经膜外的水体中的NO₃  ^-还原为N₂，达到去除NO₃ ^-的目的；当pH在线监测仪检测氢自养生物处理池内的pH值大于8.5时，PLC控制器控制二氧化碳管路上的控制阀门打开，向氢自养生物处理池内通入CO₂，当pH在线监测仪检测pH值小于6.5时，PLC控制器控制二氧化碳管路上的控制阀门关闭，停止通入CO₂；当硝酸盐在线监测仪检测到氢自养生物处理池内硝酸盐的处理负荷为1.0-1.5g N/m²d时，控制进入中空纤维膜的氢气压力为0.04-0.05MPa；当硝酸盐的处理负荷为0.5-1.0g N/m²d时，控制进入中空纤维膜的氢气压力为0.03-0.04MPa；当硝酸盐的处理负荷为小于0.5g N/m²d时，控制H₂分压为0.02MPa；

地下水生物脱氮处理后进入到活性炭滤池，利用活性炭吸附污水中的脱落生物膜及微生物次生代谢物；活性炭滤池的出水进入消毒池，消毒池采用二氧化氯消毒，杀灭出水中残余的微生物。

2.根据权利要求1所述的地下水微生物脱氮系统，其特征是：所述中空纤维膜组件包括腔体和中空纤维膜，各个中空纤维膜的一端与腔体连接，另一端封闭，腔体通过阀门与支管连接，支管与氢气管路连接，中空纤维膜的侧壁上分布有孔径为0.01μm-0.1μm的微孔，孔隙率为80％。

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