CN105776771A - 去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮装置及方法，装置由相互连接的生物颗粒流化床反应池及UV+次生O3消毒曝气池组成，生物颗粒流化床反应池的底部进口连接布水管，反应池内设有处理氨氮或硝酸氮的生物颗粒，顶部出水口与UV+次生O3消毒曝气池进口连接，UV+次生O3消毒曝气池内置UV+次生O3发生器，底部设置出水管，需要处理的地表、地下及水产养殖水从生物颗粒流化床反应池的底部布水管流入反应池，向上流动穿过生物颗粒层，再经过格栅流到UV+次生O3曝气池，再从其底部出水管流出。与现有技术相比，本发明具有启动快、处理效果好、处理成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，尤其是涉及一种去除地表、地下及水产养殖池水中氨氮及硝酸氮的装置及方法。
背景技术
在利用地下水或者地表水(河水、水库水、湖水)作为用水的水源或者使水产养殖池水循环利用时，这些水中所含有的氨氮或者硝酸氮浓度常常超过了用水的水质标准，而需要进行特别的处理(一般的用水处理只是对水源水进行除浊度和消毒处理)。
现有技术的采取加次氯酸钠化学药剂的方法去除地表、地下及水产养殖池水中的氨氮，但是当氮浓度超过2mg/L时，会消耗过多的化学药剂，造成处理成本升高。同时当次氯酸钠化学药剂加量较多时，会造成氯酸盐浓度超标而不符合饮用水的标准。地表、地下及水产养殖水中硝酸氮的去除通常采用离子交换法或者反渗透膜过滤法，这两种方法的处理成本高，装置的造价也高。
生物硝化除氨氮及反硝化除硝酸氮的方法，是一种公认的即廉价又安全的方法，它在污水处理领域已经普遍应用。但是由于地表、地下及水产养殖水中的氨氮浓度只有1-10mg/L并且可供反硝化反应利用的碳源几乎没有，所以现行的生物处理方法难以适用。
关于可以采用同一种方法将地表、地下及水产养殖池水中的氨氮和硝酸氮进行去除的报道尚未查到。中国专利CN103613199A公开了一种氨氮污染地下水的修复装置，包括：一抽水管，安装在抽水井内；抽水管的上部呈圆形辐射状地连接多个设有微孔的导水管；导水管置于一级填料层中；一级填料层下方设置有二级填料层，一级填料层和二级填料层均以抽水井为中心；二级填料层的侧面和底部设有渗水孔形成渗流装置；覆土层内垂直布设有多个导气管，多个导气管的底端插入一级填料层内；覆土层内垂直布设有多个水质监测井，多个水质监测井的底端插入二级填料层内。该专利是对地下水进行所谓“原位”修复的一种方法，属于环境保护范畴。本专利是将受到氨氮或者硝酸氮污染的水进行净化，去除其中的氨氮或者硝酸氮的方法，属于用水处理范畴。所实施的目的不同，并且该专利只是对地下水(不能应用于地表水)中的氨氮进行处理，对于硝酸氮不能处理。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种灵活方便、启动快、处理效果好、处理成本低的去除地表、地下及水产养殖水中氨氮及硝酸氮的装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种去除地表、地下及水产养殖水中氨氮及硝酸氮的装置，由相互连接的生物颗粒流化床反应池及UV+次生O3消毒曝气池组成，
所述的生物颗粒流化床反应池的底部进口连接布水管，反应池内设有处理氨氮或硝酸氮的生物颗粒，顶部出水口与UV+次生O3消毒曝气池进口连接，
所述的UV+次生O3消毒曝气池内置UV+次生O3发生器，底部设置出水管。
处理氨氮的生物颗粒为含有硝化细菌的颗粒，进水时水中DO浓度大于4mg/L；处理硝酸氮的生物颗粒为含有反硝化细菌的颗粒，进水时水中DO浓度小于1mg/L。
所述的生物颗粒是一种含有硝化细菌或者反硝化细菌的高分子基纳米活性炭水溶胶颗粒，其中，颗粒的含水率为88wt％-89.5wt％，硝化细菌或者反硝化细菌的含量为5g-20g/kg颗粒，纳米活性炭的粒径为10-100纳米、含量为100g-300g/kg颗粒，纳米活性炭的原料可以采用市售的任何一种，其碘值大于900。
所述的高分子预聚体为在水相条件下通过加引发剂可以凝固成水凝胶固体的高分子材料，包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺或水性聚氨酯预聚体等，
所述的硝化细菌及反硝化细菌的种类与水处理技术领域所常用的硝化细菌及反硝化细菌相同，可以从自然土壤或者活性污泥中提取出来，并采用NH4Cl+Na2CO3或NaNO3+NaAc基质进行培养。
生物颗粒的用量为颗粒处于沉淀堆积状态所占的体积为流化床反应池的总有效容积的10-40％，其中，用于去除氨氮时为10-25％，用于去除硝酸氮时为25-40％。
所述的生物颗粒流化床反应池的出水口处设有格栅，该格栅的间隙小于2mm，对垂直方向的倾斜度小于45°。
UV+次生O3消毒曝气池由外壳、开设在外壳上的进水口、出水口、空气进口以及设置在外壳内的中心外套管、中心内套管、紫外灯管及曝气穿孔管构成，进水口开设在外壳的下方，出水口开设在外壳的上方，紫外灯管、中心内套管、中心外套管自内向外依次套设并设在外壳内的中心位置，空气进口连通中心外套管，曝气穿孔管连接在中心内套管及中心外套管的下端，可以采用专利号为ZL201310220447.5所公开的专利技术。
一种去除地表、地下及水产养殖池水中氨氮及硝酸氮的方法，将需要处理的水从生物颗粒流化床反应池的底部布水管流入反应池，向上流动穿过生物颗粒层，再经过格栅流到UV+次生O3曝气池，再从其底部出水管流出。
在生物颗粒流化床反应池中，生物颗粒依靠水流的上升作用被流态化，使颗粒与流水保持良好的接触并不使水流发生短路而影响处理效果，颗粒层的膨胀高度为没有发生膨胀时的两倍。颗粒中所含有的硝化细菌或者反硝化细菌不会因为水流的冲刷而流失，具有很高的生物量保持稳定性。
在生物颗粒流化床反应池中，颗粒的去除速率始终大于20-50mgN/kg颗粒/h，比一般以生物膜或者活性污泥状态所含有的细菌的去除速率大数倍。如，将进水中的氨氮浓度从5mg/L处理到0.5mg/L以下，本发明的生物颗粒流化床反应池的HRT只需要10-25min，而一般以生物膜或者活性污泥状态反应池的HRT则需要60-90min。
本发明的生物颗粒中所含有的纳米活性炭的粒径为10-100纳米，其形状为短纤维状或针状，它既起到了增加颗粒弹性强度作用，又起到了吸附聚集反应物、强化反应速率的作用，同时还具有脱色、除味的功能。同时，活性炭有益于细菌的生长和保存，并可以去除细菌代谢所产生的腥味，使生物颗粒没有异味。
本发明的在生物颗粒流化床反应池后面所采用的UV+次生O3曝气池，其特点在于既利用了UV本身的杀菌功能，同时又利用了空气通过时其中含有的氧气收到UV照射而转变为O3，当这些含有了O3的空气进入到UV照射范围的水中产生曝气时，又发生了O3+UV高级氧化反应，使杀菌和除去异味、色度的效果更进一步得到了强化。在本发明中，O3不是来自通常的O3发生器，而是由UV照射空气产生的次生效果。因此是一种不需要O3发生器的O3+UV高级氧化装置。具有成本低、安全(不发生O3发生器经常出现O3泄露的问题)的优点。
因此，与现有技术相比，本发明具有系统简单、成本低、启动快、处理效果好等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为采用本发明同时处理水产养殖池中的氨氮和硝酸氮的系统示意图。
图中，1-生物颗粒流化床反应池、2-布水管、3-生物颗粒、4-格栅、5-UV+次生O3消毒、除味、脱色曝气池、6-空气泵、7-UV+次生O3发生器、8-电源、9-出水管、10-氨氮去除反应池、11-硝酸氮去除反应池。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种去除地下水中氨氮及硝酸氮的装置，其结构如图1所示，由相互连接的生物颗粒流化床反应池1及UV+次生O3消毒、除味、脱色曝气池5组成。生物颗粒流化床反应池1的底部进口连接布水管2，地下水从底部进口进入反应池，在进入之前还可以添加碳源或空气，在生物颗粒流化床反应池1内设有处理氨氮或硝酸氮的生物颗粒3，顶部的出水口处设有格栅4，该格栅的间隙小于2mm，对垂直方向的倾斜度小于45°，出水口与UV+次生O3消毒曝气池5进口连接，可以利用空气泵6向UV+次生O3消毒曝气池5中通入空气，在UV+次生O3消毒曝气池5内设有UV+次生O3发生器7，并且外接电源8，UV+次生O3消毒曝气池5的底部设置出水管。
当利用本装置处理氨氮时，使用的生物颗粒为含有硝化细菌的颗粒，进水时水中DO浓度大于4mg/L。当利用本装置处理硝酸氮时，使用的生物颗粒为含有反硝化细菌的颗粒，进水时水中DO浓度小于1mg/L。
另外，在生物颗粒流化床反应池中，生物颗粒依靠水流的上升作用被流态化，使颗粒与流水保持良好的接触并不使水流发生短路而影响处理效果，颗粒层的膨胀高度为没有发生膨胀时的两倍。颗粒中所含有的硝化细菌或者反硝化细菌不会因为水流的冲刷而流失，具有很高的生物量保持稳定性。
在生物颗粒流化床反应池中，颗粒的去除速率始终大于20-50mgN/kg颗粒/h，比一般以生物膜或者活性污泥状态所含有的细菌的去除速率大数倍。如，将进水中的氨氮浓度从5mg/L处理到0.5mg/L以下，本发明的生物颗粒流化床反应池的HRT只需要10-25min，而一般以生物膜或者活性污泥状态反应池的HRT则需要60-90min。
本发明的生物颗粒中所含有的纳米活性炭的粒径为10-100纳米，其形状为短纤维状或针状，它既起到了增加颗粒弹性强度作用，又起到了吸附聚集反应物、强化反应速率的作用，同时还具有脱色、除味的功能。同时，活性炭有益于细菌的生长和保存，并可以去除细菌代谢所产生的腥味，使生物颗粒没有异味。
本发明的在生物颗粒流化床反应池后面所采用的UV+次生O3曝气池，其特点在于既利用了UV本身的杀菌功能，同时又利用了空气通过时其中含有的氧气收到UV照射而转变为O3，当这些含有了O3的空气进入到UV照射范围的水中产生曝气时，又发生了O3+UV高级氧化反应，使杀菌和除去异味、色度的效果更进一步得到了强化。在本发明中，O3不是来自通常的O3发生器，而是由UV照射空气产生的次生效果。因此是一种不需要O3发生器的O3+UV高级氧化装置。具有成本低、安全(不发生O3发生器经常出现O3泄露的问题)的优点。
生物颗粒的用量为颗粒处于沉淀堆积状态所占的体积为流化床反应池的总有效容积的10-40％，其中，用于去除氨氮时为10-25％，用于去除硝酸氮时为25-40％。
实施例2
一种去除地下水中氨氮及硝酸氮的装置，其结构与实施例1大致相同，不同之处在于，本实施例中，采用的UV+次生O3消毒曝气池由外壳、开设在外壳上的进水口、出水口、空气进口以及设置在外壳内的中心外套管、中心内套管、紫外灯管及曝气穿孔管构成，进水口开设在外壳的下方，出水口开设在外壳的上方，紫外灯管、中心内套管、中心外套管自内向外依次套设并设在外壳内的中心位置，空气进口连通中心外套管，曝气穿孔管连接在中心内套管及中心外套管的下端，具体来说，采用的是专利号为ZL201310220447.5所公开的专利技术。
实施例3
采用本装置去除某地下水中的氨氮，将需要处理的地下水采用水泵从生物颗粒流化床反应池的底部布水管流入反应池，并向上流动穿过生物颗粒层，再经过格栅流到UV+次生O3曝气池，再从其底部出水管流出，采取预曝气或者直接在生物颗粒流化床反应池进行曝气的方式，使生物颗粒流化床反应池中的DO维持在4mg/L以上，并保持生物颗粒层处于流化床状态。
当地下水的进水温度为11-14摄氏度，氨氮浓度为1.2-6mg/L时，生物颗粒的使用量为生物颗粒流化床反应池总有效容积的15％。当进水在生物颗粒流化床反应池和UV+次生O3曝气池中的停留时间(HRT)分别为20-25min和5min时，在系统连续24小时进水历时10天后，处理水中的氨氮浓度稳定小于0.5mg/L，出水的气味和细菌总数均满足饮用水的卫生标准。
实施例4
采用本装置去除某地下水中的硝酸氮，将需要处理的地下水采用水泵从生物颗粒流化床反应池的底部布水管流入反应池，并向上流动穿过生物颗粒层，再经过格栅流到UV+次生O3曝气池，再从其底部出水管流出，采取前置预滞留20-30min除DO的方式，使生物颗粒流化床反应池进水中的DO维持在1mg/L以下，并保持生物颗粒层处于流化床状态。
当地下水的进水温度为11-14摄氏度，硝酸氮浓度为15-50mg/L时，生物颗粒的使用量为生物颗粒流化床反应池总有效容积的40％，并在进水中预先碳氮比为3的投加量投加醋酸钠溶液为反硝化菌提供碳源。当进水在生物颗粒流化床反应池和UV+次生O3曝气池中的停留时间(HRT)分别为20-30min和5min时，在系统连续24小时进水历时10天后，处理水中的硝酸氮浓度稳定小于10mg/L，出水的气味和细菌总数均满足饮用水的卫生标准。
实施例5
采用本装置去除某河流地表水中的氨氮，将需要处理的河水采用水泵从生物颗粒流化床反应池的底部布水管流入反应池，并向上流动穿过生物颗粒层，再经过格栅流到UV+次生O3曝气池，再从其底部出水管流出，采取在生物颗粒流化床反应池中同时曝气的方位维持反应池中的DO浓度在4mg/L以上，并保持生物颗粒层处于流化床状态。
当进水温度为10摄氏度以上、氨氮浓度为10mg/L以下时，生物颗粒的使用量为生物颗粒流化床反应池总有效容积的20％，进水在生物颗粒流化床反应池和UV+次生O3曝气池中的停留时间(HRT)分别为10-20min和2min时，在系统连续24小时进水历时10天后，处理水中的氨氮浓度稳定小于0.5mg/L，出水的气味和细菌总数均满足饮用水的卫生标准。
实施例6
图2是一个由一个氨氮去除反应池10和一个硝酸氮去除反应池11以及UV+次生O3消毒、除味、脱色曝气池5三个串联的系统去除水产养殖池中的氨氮和硝酸氮，并使处理后的水循环回到养殖池中，即，进行养殖水的循环利用处理系统。从养殖池出来的水首先进入到氨氮去除反应池，将其中的氨氮转变为硝酸氮，然后再进入到下一级的硝酸氮去除反应池，将其中的硝酸氮转变为氮气，实现硝化与反硝化处理，最后再进过UV+次生O3曝气池对水进行杀菌消毒、除味、脱色，再使处理后的水返回到养殖池中，实现水的循环利用。当循环水的流量按照HRT对于养殖池和本处理装置分别为4-6h和0.5h时，经过一年的不排水连续运行，养殖池中的氨氮和硝酸氮的浓度分别可以维持在0.1mg/L和10mg/L以下，养殖池的水始终透明、无色、无味，保证了鱼虾的健康生长。
Claims (10)
1.去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮装置，其特征在于，该装置由相互连接的生物颗粒流化床反应池及UV+次生O3消毒曝气池组成，
所述的生物颗粒流化床反应池的底部进口连接布水管，反应池内设有处理氨氮或硝酸氮的生物颗粒，顶部出水口与UV+次生O3消毒曝气池进口连接，
所述的UV+次生O3消毒曝气池内置UV+次生O3发生器，底部设置出水管。
2.根据权利要求1所述的去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮装置，其特征在于，处理氨氮的生物颗粒为含有硝化细菌的颗粒，进水时水中DO浓度大于4mg/L；处理硝酸氮的生物颗粒为含有反硝化细菌的颗粒，进水时水中DO浓度小于1mg/L。
3.根据权利要求2所述的去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮装置，其特征在于，所述的生物颗粒为含有硝化细菌或者反硝化细菌的高分子基纳米活性炭水溶胶颗粒，其中，颗粒的含水率为88wt％-89.5wt％，硝化细菌或反硝化细菌的含量为5g-20g/kg颗粒，纳米活性炭的粒径为10-100纳米、含量为100g-300g/kg颗粒，纳米活性炭的原料采用市售的任一种，碘值大于900。
4.根据权利要求3所述的去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮装置，其特征在于，所述的生物颗粒是将清水、高分子预聚体、硝化细菌或反硝化细菌、纳米活性炭混合，然后在常压和温度为15-30摄氏度条件下进行模具浇注聚合反应凝固成长100-150mm，宽100-150mm，高200-400mm的块状，然后再切割成边长为1.5-5mm长方体或立方体颗粒。
5.根据权利要求4所述的去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮装置，其特征在于，
所述的高分子预聚体为在水相条件下通过加引发剂可以凝固成水凝胶固体的高分子材料，包括聚乙烯醇、聚丙烯酰胺或水性聚氨酯预聚体等，
所述的硝化细菌及反硝化细菌的种类与水处理技术领域所常用的硝化细菌及反硝化细菌相同，可以从自然土壤或者活性污泥中提取出来，并采用NH4Cl+Na2CO3或NaNO3+NaAc基质进行培养。
6.根据权利要求1所述的去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮装置，其特征在于，生物颗粒的用量为颗粒处于沉淀堆积状态所占的体积为流化床反应池的总有效容积的10-40％，其中，用于去除氨氮时为10-25％，用于去除硝酸氮时为25-40％。
7.根据权利要求1所述的去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮装置，其特征在于，所述的生物颗粒流化床反应池的出水口处设有格栅，该格栅的间隙小于2mm，对垂直方向的倾斜度小于45°。
8.根据权利要求1所述的去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮装置，其特征在于，UV+次生O3消毒曝气池由外壳、开设在外壳上的进水口、出水口、空气进口以及设置在外壳内的中心外套管、中心内套管、紫外灯管及曝气穿孔管构成，进水口开设在外壳的下方，出水口开设在外壳的上方，紫外灯管、中心内套管、中心外套管自内向外依次套设并设在外壳内的中心位置，空气进口连通中心外套管，曝气穿孔管连接在中心内套管及中心外套管的下端。
9.一种去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮的方法，其特征在于，该方法将需要处理的地表或地下水采用水泵从生物颗粒流化床反应池的底部布水管流入反应池，向上流动穿过生物颗粒层，再经过格栅流到UV+次生O3曝气池，再从其底部出水管流出。
10.根据权利要求1所述的去除地表、地下水及养殖池水中氨氮及硝酸氮的方法，其特征在于，采取预曝气或者直接在生物颗粒流化床反应池进行曝气的方式，使生物颗粒处于流化床状态。
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