CN103626293B - 一种天然磁黄铁矿生物滤池以及利用其同步去除水中硝氮和磷的方法 - Google Patents

一种天然磁黄铁矿生物滤池以及利用其同步去除水中硝氮和磷的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天然磁黄铁矿生物滤池以及利用其同步去除水中硝氮和磷的方法，属于污水深度处理领域。其方法的步骤为：（1）生物滤池填料制备与构建；（2）生物滤池的启动；（3）生物滤池的运行。其利用硫自养反硝化菌以磁黄铁矿为电子供体，将水中的硝酸根还原为氮气，去除水中硝氮；磁黄铁及其氧化产物通过吸附、化学沉淀等方式除磷，从而实现同步去除水中的硝氮和磷。本发明的生物滤池构造简单、启动方便、运行稳定、脱氮除磷效率高，不用添加其它辅助材料，用于对污水的深度处理。

Description

一种天然磁黄铁矿生物滤池以及利用其同步去除水中硝氮和磷的方法
技术领域
本发明属于污水深度处理领域，具体地说，涉及一种天然磁黄铁矿生物滤池以及利用其同步去除水中硝氮和磷的方法。
背景技术
传统的水处理生物脱氮过程是消化菌在好氧的情况下将铵氮转化为硝氮，异养反硝化菌在缺氧的情况下将硝氮转化为氮气，实现水中氮的去除。传统的水处理生物除磷过程是除磷菌在厌氧的情况下释放磷，在好氧的情况下过量吸收磷，并大量繁殖，最终通过排出过量吸收磷的除磷菌生物体实现磷从水中去除。生物脱氮和生物除磷这两个过程都有好氧和缺氧（厌氧）两个阶段，当将它们串联使用或者合并使用（即为A2/O同步脱氮除磷工艺）时，整个水处理工艺非常长而复杂。脱氮和除磷这两个过程分别以脱氮菌和除磷菌的生命活动为基础，在除磷过程中它们的污泥龄不同，对厌氧环境的要求不同，都需要溶解氧和碳源。因此当将这两种微生物整合在一个工艺里进行同步脱氮除磷时，不可避免地存在污泥龄与厌氧条件的平衡问题、微生物之间不可避免地存在对溶解氧和有机物的竞争。这种平衡与竞争使得在水处理过程中工艺控制困难，脱氮效果和除磷效果难以兼得。而且这个工艺都依赖于水中的有机物，当水中有机物不足（低C/N比）时，为了取得好的脱氮除磷效果不得不向水中添加甲醇等有机物，这又增加了水处理成本，而且也带来了出水COD不达标的风险。
针对低C/N比污水的脱氮问题，人们研发了硫自养反硝化技术，如硫黄/石灰石自养反硝化系统（SLAD），该技术不需要碳源就可实现反硝化脱氮。但是该技术存在出水中钙离子、硫酸盐浓度过高，除磷效果差的问题。
针对SLAD存在的问题，中国专利“黄铁矿作为生化填料脱氮除磷的方法（ZL201010524339.3）”公开了黄铁矿和石灰石配合实现同步脱氮除磷的方法。该方法依靠黄铁矿的厌氧生物氧化过程实线了硫自养反硝化脱氮和化学除磷的有机结合。但是存在需要石灰石中和水的pH、钙离子含量仍然很高、脱氮能力不高，需要5天时间才能将30mg/L硝氮从污水中完全去除，且低于20℃时效果不佳。
无论是SLAD还是利用黄铁矿的同步脱氮除磷方法，其反应器中都有辅助材料石灰石，其用途主要是中和所产生的H+，保证脱氮除磷过程的正常进行。石灰石本身并不起到同步脱氮除磷的作用却占据了反应器相当大的体积，减少了单位体积反应器同步脱氮除磷的效率。
中国专利“一种含氮磷污水同步脱氮除磷的方法（专利申请号：201210095370.9）”公开了利用工业产品硫化亚铁同步去除水中氮和磷的方法。该方法利用硫化亚铁在间歇反应器中在严格控制厌氧条件下实现水中氮和磷的同步去除。对于含53mg/L硝氮，1.14mg/L磷的废水，经该方法处理2d后，硝氮去除率为73.6%，磷的去除率为97.4%，取得了较好的同步脱氮除磷效果。但是该方法不能连续运行、需要使用二氧化碳吹脱保持严格的厌氧条件、处理完毕后还需要固液分离的工序等问题，实用性较差。
发明内容
1、要解决的问题
针对处理低碳氮比污水时传统生物水处理工艺如A2/O等同步脱氮除磷效果不佳；硫黄/石灰石系统具有很好的脱氮效果，但是基本没有除磷效果；黄铁矿/石灰石系统有很好的脱氮除磷效果，但是脱氮速率很低，而且需要添加辅助材料石灰石；利用工业品硫化亚铁的硫自养脱氮除磷系统在保持较高脱氮除磷效果的情况下提高了脱氮速率，但是该技术对厌氧环境要求较高，只能间歇运行，处理水的能力不佳，微生物培养液复杂，处理成本较高，实际应用价值低等现有技术存在的问题，本发明提供了一种天然磁黄铁矿生物滤池以及利用其同步去除水中硝氮和磷的方法，其利用单一磁黄铁矿，在连续进水的情况下，脱氮硫杆菌以磁黄铁矿为硫源还原硝酸根为氮气，代谢产物铁离子及磁黄铁矿本身用来去除水中的磷，实现高效同步脱氮除磷，在磁黄铁矿进行同步脱氮除磷的过程中产生的H+很少，不需要添加石灰石进行中和，从而大大提高了单位反应器处理能力。
2、技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种天然磁黄铁矿生物滤池以及利用其同步去除水中硝氮和磷的方法，其步骤为：
（1）生物滤池填料制备与构建：将磁黄铁矿制备成颗粒材料，粒度在2-20mm之间；将颗粒状磁黄铁矿装填于反应器之中，然后用清水冲洗反应器，当冲洗出水的pH在6-7之间则停止冲洗，实际使用时，等出水口的出水基本不带颜色则可以停止冲洗；所述的反应器底部设有进水口，顶部设有出水口；反应器为圆柱形反应柱时效果最佳；
（2）生物滤池的启动：将厌氧污泥与营养液混合成混合营养液，用泵将混合营养液从进水口泵入反应器的底部，混合营养液从出水口流出后再从进水口泵入反应器，循环泵入，直到硝氮去除率基本稳定；
（3）生物滤池的运行：将待处理污水通过进水口泵入经过步骤（2）中完成启动的反应器，根据污水硝氮浓度调节水力停留时间在12-48小时之间，完成污水中硝氮与磷的同步去除，出水达标排放。
优选地，所述的步骤（2）中厌氧污泥为普通的污水处理厌氧污泥。
优选地，所述的步骤（2）中生物滤池的启动过程中混合营养液的水力停留时间为12-24小时。
优选地，所述的步骤（2）中营养液的成分及含量为：Na2S2O3·5H2O5g/L、KNO32g/L、KH2PO40.1g/L、NaHCO32g/L。本发明人意外的发现，在磁黄铁矿的粒度在2-20mm之间时，由于天然磁黄铁矿微溶于水，能够提供微生物所需的其它营养元素，营养液只需提供微生物生长所需的主要元素，因此相比中国专利“黄铁矿作为生化填料脱氮除磷的方法（ZL201010524339.3）和“一种含氮磷污水同步脱氮除磷的方法（专利申请号：201210095370.9）中的微生物培养液，本发明中的微生物营养液成分得到大幅度的简化。
本发明的技术原理是利用硫自养反硝化细菌的生理生化特性，通过控制磁黄铁矿的粒度、生物滤池的启动参数控制，使得本发明一方面可以使硫自养反硝化细菌呼吸硝酸根脱氮，另一方面该类细菌以天然磁黄铁矿为能源，天然磁黄铁矿的代谢产物用来除磷，实现生物脱氮与化学脱氮的自然耦合。磁黄铁矿在微生物的作用下与硝酸根的反应式如下：
中国专利“黄铁矿作为生化填料脱氮除磷的方法（ZL201010524339.3）中黄铁矿在微生物的作用下与硝酸根的反应式如下：
从中可见去除同样多的硝酸根，使用磁黄铁矿时所产生的H+只有使用黄铁矿时产生的H+的三分之一，极大地减少了碱度的需求量，因而只需利用水中的碱度就可以保持系统的pH变化不大，因此在本发明的磁黄铁矿生物滤池中无需再使用石灰石。
一种利用天然磁黄铁矿同步去除水中硝氮和磷的生物滤池，为上面经过步骤（1）和步骤（2）处理后的反应器。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
（1）本发明将磁黄铁矿制备成颗粒材料，粒度在2-20mm之间；将颗粒状磁黄铁矿装填于反应器之中，然后反应器经过启动，可以同步去除低碳氮比污水中的硝酸盐和磷，适合于污水脱氮除磷深度处理，以及富营养化水体的处理；
（2）本发明所用的磁黄铁矿廉价易得，经过本发明的启动步骤启动后反应器在处理低碳氮比污水时，反应过程中基本不产生H+，无需添加中和剂，自养反硝化脱氮与化学除磷有机结合，同时去除水中的硝酸盐和磷；
（3）本发明脱氮除磷效率高、效果好，只需消耗天然磁黄铁矿，方法简单、实用，单位反应器处理能力高。
附图说明
图1是本发明实施例1中处理人工配水同步脱氮除磷效果；
图2是本发明实施例2中处理人工配水同步脱氮除磷效果；
图3是本发明实施例3中处理人工配水同步脱氮除磷效果；
图4是本发明实施例4中处理污水处理厂二级出水的脱氮效果；
图5是本发明实施例4中处理污水处理厂二级出水的除磷效果。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
处理对象由自来水、磷酸二氢钾和硝酸钾组成的人工配制污水，其中部分污染物的含量为：NO3 --N27mg/L，PO4 3--P6mg/L，水温18℃。其处理步骤为：
（1）生物滤池填料制备与构建：将磁黄铁矿制备成颗粒材料，粒度在2-20mm之间；将颗粒状磁黄铁矿装填于反应器之中，然后用清水冲洗反应器，等出水口的出水基本不带颜色则可以停止冲洗；测量发现冲洗水pH为6，反应器底部设有进水口，顶部设有出水口；反应器为圆柱形反应柱，其高径比为3︰1。圆柱体上连接圆锥体，便于均匀进出水；
（2）生物滤池的启动：将厌氧污泥与营养液混合成混合营养液，用泵将混合营养液从进水口泵入反应器的底部，水力停留时间为12小时，混合营养液从出水口流出后再从进水口泵入反应器，循环泵入，直到硝氮去除率基本稳定；营养液的成分及含量为：Na2S2O3·5H2O5g/L、KNO32g/L、KH2PO40.1g/L、NaHCO32g/L；混合营养液的水力停留时间为12小时；
（3）生物滤池的运行：将待处理人工配制污水通过进水口泵入经过步骤（2）中完成启动的反应器，本实施例的水力停留时间为12小时，运行一个月，每2天取样分析，结果如图1所示；完成污水中硝氮与磷的同步去除，出水达标排放。最终出水硝氮稳定在7mg/L，磷酸盐磷稳定在0.3mg/L，硝氮去除率74%，磷去除率95%。
实施例2
同实施例1，所不同的是：步骤（2）中生物滤池的启动过程中混合营养液的水力停留时间为24小时。将完成启动后的反应器泵入待处理废水，水力停留时间为24小时，运行一个月，每2天取样分析，结果如图2所示。最终出水硝氮稳定在1.13mg/L，磷酸盐磷稳定在0.22mg/L，硝氮去除率95.8%，磷去除率96.3%。
实施例3
同实施例1，所不同的是：步骤（2）中生物滤池的启动过程中混合营养液的水力停留时间为20小时。反应器的外形结构为长方体，则长方体长与宽之比等于3︰1。
试验用水由自来水、磷酸二氢钾和硝酸钾组成的人工配制污水，NO3 --N28mg/L，PO4 3--P12mg/L，水温18℃；将完成启动后的反应器泵入待处理废水，水力停留时间为24小时，运行一个月，每2天取样分析，结果如图3所示。最终出水硝氮稳定在2.03mg/L，磷酸盐磷稳定在0.47mg/L，硝氮去除率92.8%，磷去除率96.1%。
实施例4
同实施例1，所不同的是：磁黄铁矿生物滤池处理的是某污水处理厂的二级出水，该二级出水硝氮与磷平均浓度分别为29.99±17.58mg/L和3.99±2.36mg/L。每两天采集一次样本，测量结果如图4和图5所示，出水硝氮、磷浓度分别为4.02±3.61mg/L和0.37±0.25mg/L，对硝氮、磷的平均去除率分别为88.39±6.08%和86.99±11.4%。反应器的外形结构为长方体，长与宽之比等于3︰1。

Claims (4)

1.一种利用天然磁黄铁矿生物滤池同步去除水中硝氮和磷的方法，其步骤为：
(1)生物滤池填料制备与构建：将磁黄铁矿制备成颗粒材料，粒度在2-20mm之间；将颗粒状磁黄铁矿装填于反应器之中，然后用清水冲洗反应器，当冲洗出水的pH在6-7之间则停止冲洗；所述的反应器底部设有进水口，顶部设有出水口；
(2)生物滤池的启动：将厌氧污泥与营养液混合成混合营养液，用泵将混合营养液从进水口泵入反应器的底部，混合营养液从出水口流出后再从进水口泵入反应器，循环泵入，直到硝氮去除率基本稳定；所述的步骤(2)中营养液的成分及含量为：Na2S2O3·5H2O5g/L、KNO32g/L、KH2PO40.1g/L、NaHCO32g/L。
(3)生物滤池的运行：将待处理污水通过进水口泵入经过步骤(2)中完成启动的反应器，调节水力停留时间在12-48小时之间，完成污水中硝氮与磷的同步去除，出水达标排放。
2.按照权利要求1所述的一种利用天然磁黄铁矿生物滤池同步去除水中硝氮和磷的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中厌氧污泥为普通的污水处理厌氧污泥。
3.按照权利要求1所述的一种利用天然磁黄铁矿生物滤池同步去除水中硝氮和磷的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中生物滤池的启动过程中混合营养液的水力停留时间为12-24小时。
4.一种利用天然磁黄铁矿同步去除水中硝氮和磷生物滤池，为权利要求1-3中任意一项中经过步骤(1)和步骤(2)处理后的反应器。
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