CN107151050B - 一种混合营养型反硝化填料及其制备和应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种混合营养型的反硝化生物填料及其制备和应用方法。本发明的技术原理是以活性炭、硫磺及固体碳源为原料制成反硝化生物填料，并与阴离子粘土混合装填于适配反应器中；填料同时具有异养和自养反硝化效果，可有效避免液体碳源添加造成的二次污染问题，同时灵活控制硫自养副产物的产生。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术的应用领域，涉及一种废水脱氮处理工艺，具体涉及一种混合营养型的反硝化生物填料及其制备和应用方法。
背景技术
随着工业的发展，水体污染的情况越来越严重，其中氮素污染占相当大的比例。生活污水及某些工业废水中都含有一定的氮，特别是煤加压气化废水、焦化废水、氮肥废水等。大量未经处理或未经适当处理的各种含氮废水排入江河，会给环境造成严重的破坏，不仅污染饮用水水源，也给河、湖等造成富营养化的危害。水体中氮的存在形式多样，包括氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、有机氮等。现有工艺能对氨氮、亚硝酸盐氮、有机氮等都具有良好的去除效果，但对硝酸盐氮的去除效果不理想。随着硝酸盐污染问题的日趋尖锐化以及公众环境意识的增强，越来越多的国家和地区都制定了严格的排放限制和标准，对脱氮技术的发展提出了更为迫切的要求。
由于传统的废水生物处理工艺如活性污泥法以含碳有机物和悬浮固体为主要处理目标，对多数生活污水和含氮的工业废水来说，由于污水本身C/N比较低，脱氮效果不理想，出水仍含有大量的硝酸盐。这就促使人们对常规的活性污泥工艺流程进行改造，以提高氮的去除率。A/O及A2/O工艺是由传统活性污泥法发展而来的，该工艺将反硝化段设置在系统的前面，反硝化反应以污水中的有机物为碳源，曝气池混合液中含有大量的硝酸盐，通过内循环回流至缺氧池中，在缺氧池内进行反硝化脱氮。A/O及A2/O工艺的脱氮效率一般在70%左右，缺氧池中有机物不足导致反硝化效率下降是影响总氮去除的主要原因。
当前，较成熟的脱除硝酸盐工艺有物理法、生物法和化学还原法三种。物理法主要有吸附法、离子交换法和膜分离法，但只是发生了污染物的转移或浓缩，并没有对其进行彻底的转化。化学催化法常使用昂贵催化剂，反应条件苛刻且存在着催化剂易失活的缺点。生物法是指在微生物在电子供体存在的条件下发生反硝化反应将硝酸盐转化成氮气，目前得到了较为广泛的应用。根据微生物所需碳源的不同，反硝化作用分为异养反硝化和自养反硝化法。自养还原法常采用硫磺、氢气作为电子供体。单质硫磺不溶于水，与氢气相比，其使用更为安全，是一种理想的电子供体。硫自养反硝化具有细菌增殖缓慢，避免有机碳源残余造成二次污染的优点，但该过程会产生硫酸盐副产物，消耗水中碱度，出水pH值降低。异养反硝化反应速率快，但有机碳源添加量不易控制，若添加不足，硝酸盐去除有限，若添加过量，有机碳源会残余水中造成二次污染，同时，异养反硝化会造成出水pH值的升高。
发明内容
针对常规污水处理工艺反硝化脱氮效果不理想的问题，结合上述背景技术，本发明提供了一种混合营养型反硝化填料及其制备和应用方法。与该填料适配的反应器包含两种构型，分别为ZHDN-B1型和ZHBN-B2型，其中：ZHDN-B1型反应器高径比为0.5~3，适用于处理10-30mg/L低浓度含氮废水；ZHDN-B2型反应器高径比介于3~6之间，适用于处理30-80mg/L高浓度含氮废水。本发明除用于污水处理强化脱氮方面，还可用于地下水硝酸盐的去除工艺。
本发明的技术原理是：以活性炭、硫磺及固体碳源为原料制成反硝化生物填料并与阴离子粘土混合装填于适配反应器中，污水进入反应器后，在异养微生物的作用下，利用填料中的缓释碳源，发生异养反硝化作用；自养微生物以硫磺为电子供体，将废水中的硝酸盐转化为氮气，发生自养反硝化作用；混合装填的阴离子黏土具有吸附硝酸根的功能，延长了硝酸根在反应器内的停留时间，强化了反硝化过程，提高了反应器的脱硝效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
填料制备方法：将硫磺、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯及羧甲基纤维素按质量比为10~1：20~1：15~1：15~1混合后加热至112-160°C，此时混合物为熔融态，而后将粉末状活性炭（10-600目）投加至熔融态混合物中，其中，添加活性炭的质量与硫磺质量比为：30~1：10~1。将该熔融态的混合物混匀，以其为原料，制备出粒径范围为1~30mm的填料。
应用方法：将该填料与阴离子粘土以20~1：5~1的比例混合装填入适配反应器中。
适配反应器构建：反应器进出水为下进上出升流式，底部设配水区和承托层，主体反应区即填料层，填料层根据填料粒径的不同可分为2~5层，其中下层粒径大上层粒径小，每层内填料以确定的粒径均匀分布，反应器内布置导气罩，反硝化产气由导气罩收集，经导气管引出反应器，从而防止排气不畅造成反应器内部堵塞。
被处理的原废水从设备底部经配水孔板进入配水区，之后进入填料层进行生物脱氮。不同级配的填料层同时具有生物滤池的功能，能截留废水中的悬浮物及由于生物膜脱落形成的生物污泥。当填料层内的截污量达到某种程度时，对填料层进行自动化冲洗，冲洗进水管道布置在设备底部（具体图示见附图2），冲洗流量适当放大，通过水力冲刷作用去除填料层内的被截留物，冲洗水通过冲洗水排放管道排出。
在反硝化过程中，由于硝酸氮不断被还原为氮气，深床滤池中会集聚大量的氮气，这些气体会使污水绕窜介质之间，这样增强了微生物与水流的接触，同时也提高了过滤效率。但是当池体内积聚过多的氮气气泡时，则会造成水头损失；本设备设置导气管、导气罩和水封收集反应产生的氮气，以防积气影响反应条件，减少水利损失。
本发明具有以下各项特征：
1）所制备的填料以成本较低的固体碳源（聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯、羧甲基纤维素）和硫磺为主，并添加有吸附作用的活性炭和阴离子黏土，使硝酸根水力停留时间延长且无需另外投加碳源，充分利用异养反硝化与自养反硝化的优势，提高了脱氮效率的同时解决了原水碳源投加量难以控制的问题；
2）适配反应器通过设置不同级配填料层进行生物脱氮，反应器内保留大量生物量，废水处理效果好；
3）无需污泥回流，也无污泥膨胀之虑，降低设备及运行费用；
4）冲洗过程全部自动化，及时地冲刷过厚和老化的生物膜，避免填料层堵塞，加速生物膜更新，使生物膜经常保持较高的活性，维护管理方便；
5）本设备设专门的导气系统，水力损失降低，水力条件较好；
6）不同孔隙率的填料层允许固体杂质透过滤床的表层，深入填料中，达到整个填料层纵深截留固体物；
7）滤料级配分别设置为1-30mm，由下向上分层装填，下层粒径大，上层粒径小，填料布置更合理，反应器运行效果更好；
8）针对低浓度和高浓度废水分别设计ZHDN-B1和ZHDN-B2两种构型的反应器，使反应器使用更有针对性；
9）ZHDN-B1型反应器占地面积较大，但可以累层组建，且每层反应器独立运行。
附图说明：
图1为ZHDN-B1型反应器立面图；
图2为ZHDN-B2型反应器立面图；
附图标记：
图1：1.进水管 2.布水区 3.填料区 4.上清液分布区 5.出水口 6.冲洗进水 7.冲洗出水
图2：1.进水管 2.布水区 3.填料区 4.上清液分布区 5.出水口 6.导气管7.集气罩 8.水封瓶 9.冲洗进水 10.冲洗出水。
具体实施方式：
实施例1
采用本发明的填料和反应器对模拟硝酸盐污水进行处理。将活性炭、硫磺、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯和羧甲基纤维素按照20：5：1：1：1的质量比制成不同粒径的填料，装填至高3m，内径0.5m的ZHDN-B1型反应器内，填料按照30mm,20mm,15mm,10mm,5mm的粒径由下到上依次分层装填，填料与阴离子粘土按照10：1的比例混合装入反应器内。将驯化好的活性污泥接种到反应器内，用自来水加入硝酸钠配制成硝酸盐氮的浓度为80mg/L的水模拟污水水质，原水经蠕动泵由反应器底端打入反应器内，污水在反应器内的水力停留时间为60min，检测出水硝态氮含量低于3mg/L，去除率大于95%。经过长时间运行检测，出水水质稳定，能够达到排放标准，监测数据见表1：
表1 为实施例1的监测数据
| NO3 --N（mg/L） | TOC（mg/L） | pH值 | |
| 进水 | 79.2 | 3.5 | 7.75 |
| 出水 | 2.8 | 4.3 | 7.68 |
| 去除率% | 96.5 | -- | -- |
实施例2
采用本发明的填料和反应器对模拟硝酸盐污水进行处理。将活性炭、硫磺、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯和羧甲基纤维素按照25：10：1：2：2的质量比制成不同粒径的填料，装填至高3m，内径0.75m的ZHDN-B2型反应器内，填料按照25mm,10mm,5mm,3mm,1mm的粒径由下到上依次分层装填，填料与阴离子粘土按照50：1的比例混合装入反应器内。将驯化好的活性污泥接种到反应器内，用自来水加入硝酸钠配制成硝酸盐氮的浓度为80mg/L的水模拟污水水质，原水经蠕动泵由反应器底端打入反应器内，污水在反应器内的水力停留时间为60min，检测出水硝态氮含量低于3mg/L，去除率大于95%。经过长时间运行检测，出水水质稳定，能够达到排放标准，监测数据见表2：
表2为实施例2的监测数据
| NO3 --N（mg/L） | TOC（mg/L） | pH值 | |
| 进水 | 78.7 | 3.2 | 7.70 |
| 出水 | 2.6 | 4.2 | 7.65 |
| 去除率% | 96.7 | -- | -- |
实施例3
采用本发明的填料和反应器对模拟硝酸盐污水进行处理。将活性炭、硫磺、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯和羧甲基纤维素按照10：10：5：3：3的质量比制成不同粒径的填料，装填至高3m，内径1m的ZHBN-B2型反应器内，填料按照30mm,25mm,10mm,5mm,3mm的粒径由下到上依次分层装填，填料与阴离子粘土按照20：1的比例混合装入反应器内。将驯化好的活性污泥接种到反应器内，用自来水加入硝酸钠配制成硝酸盐氮的浓度为60mg/L的水模拟污水水质，原水经蠕动泵由反应器底端打入反应器内，污水在反应器内的水力停留时间为45min，检测出水硝态氮含量低于2mg/L，去除率为大于95%。经过长时间运行检测，出水水质稳定，能够达到排放标准，监测数据见表3：
表3为实施例3的监测数据
| NO3 --N（mg/L） | TOC（mg/L） | pH值 | |
| 进水 | 59.8 | 3.0 | 7.65 |
| 出水 | 1.6 | 3.3 | 7.63 |
| 去除率% | 97.3 | -- | -- |
实施例4
采用本发明的填料和反应器对模拟硝酸盐污水进行处理。将活性炭、硫磺、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯和羧甲基纤维素按照10：6：5：10：5的质量比制成不同粒径的填料，装填至高1m，内径2m的ZHDN-B1型反应器内，填料按照20mm,15mm,10mm,5mm,2mm的粒径由下到上依次分层装填，填料与阴离子粘土按照5：1的比例混合装入反应器内。将驯化好的活性污泥接种到反应器内，用自来水加入硝酸钠配制成硝酸盐氮的浓度为20mg/L的水模拟污水水质，原水经蠕动泵由反应器底端打入反应器内，污水在反应器内的水力停留时间为20min，检测出水硝态氮含量低于1mg/L，去除率为大于98%。经过长时间运行检测，出水水质稳定，能够达到排放标准，监测数据见表4：
表4为实施例4的监测数据
| NO3 --N（mg/L） | TOC（mg/L） | pH值 | |
| 进水 | 20.2 | 3.8 | 7.60 |
| 出水 | 0.3 | 3.9 | 7.68 |
| 去除率% | 98.5 | -- | -- |
实施例5
采用本发明的填料和反应器对模拟硝酸盐污水进行处理。将活性炭、硫磺、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯和羧甲基纤维素按照10：10：5：3：10的质量比制成不同粒径的填料，装填至高1m，内径1m的ZHDN-B1型反应器内，填料按照30mm,20mm,15mm,10mm,5mm的粒径由下到上依次分层装填，填料与阴离子粘土按照40：1的比例混合装入反应器内。将驯化好的活性污泥接种到反应器内，用自来水加入硝酸钠配制成硝酸盐氮的浓度为25mg/L的水模拟污水水质，原水经蠕动泵由反应器底端打入反应器内，污水在反应器内的水力停留时间为20min，检测出水硝态氮含量低于1.5mg/L，去除率为大于95%。经过长时间运行检测，出水水质稳定，能够达到排放标准，监测数据见表5：
表5 为实施例5的监测数据
| NO3 --N（mg/L） | TOC（mg/L） | pH值 | |
| 进水 | 24.6 | 2.9 | 7.72 |
| 出水 | 0.9 | 3.3 | 7.67 |
| 去除率% | 96.3 | -- | -- |
Claims (6)
1.一种混合营养型反硝化填料，其原料包括活性炭、硫磺和固体碳源；所述的固体碳源为聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯和羧甲基纤维素的混合物；
所述反硝化填料的制备方法包括如下步骤：
将硫磺、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯及羧甲基纤维素混合后加热至112～160℃，此时混合物为熔融态；而后将活性炭投加至熔融态混合物中；将该熔融态的混合物混匀，制得所述的填料。
2.一种如权利要求1所述的混合营养型反硝化填料，其特征在于：所述的活性炭、硫磺、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯和羧甲基纤维素的质量比为30～1：10～1：20～1：15～1：15～1。
3.一种如权利要求1所述的混合营养型反硝化填料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
将硫磺、聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯及羧甲基纤维素混合后加热至112～160℃，此时混合物为熔融态；而后将活性炭投加至熔融态混合物中；将该熔融态的混合物混匀，制得所述的填料。
4.一种如权利要求3所述的混合营养型反硝化填料的制备方法，其特征在于：所述活性炭的粒径为10～600目；所述混合营养型反硝化填料的粒径为1～30mm。
5.一种如权利要求1所述的混合营养型反硝化填料的应用方法，其特征在于包括如下步骤：
将所述的混合营养型反硝化填料与阴离子粘土混合装填于适配反应器中，污水进入反应器后，在异养微生物的作用下，利用混合营养型反硝化填料中的缓释碳源，发生异养反硝化作用；自养微生物以硫磺为电子供体，将废水中的硝酸盐转化为氮气，发生自养反硝化作用；所述适配反应器的进出水为下进上出升流式，底部设配水区和承托层，主体反应区即填料层，填料层根据混合营养型反硝化填料粒径的不同可分为2～5层，其中下层粒径大上层粒径小，每层内的混合营养型反硝化填料以确定的粒径均匀分布；反应器内布置导气罩，反硝化产气由导气罩收集，经导气管引出反应器。
6.一种如权利要求5所述的混合营养型反硝化填料的应用方法，其特征在于：将所述的混合营养型反硝化填料与阴离子黏土以20～1：5～1的比例混合装填入适配反应器中。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Haisong Inventor after: Xu Zicong Inventor after: Wan Dongjin Inventor after: Hu Peiji Inventor after: Meng Yao Inventor before: Li Haisong |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |