CN108017227A - 一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统及其运行方式 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统，该系统包括四层不同的生物炭层；所述生物炭层按照从上到下的顺序填充，分别是大颗粒生物炭层、生物炭/海绵复合材料层、生物炭/粘土矿物复合材料层和活化生物炭层四层组成。在整个过滤系统由上而下形成好氧区、缺氧‑厌氧区和厌氧区三个层次，污水中的含氮污染物一方面被生物炭吸附，另一方面被微生物利用进行硝化反硝化。本发明的工艺要求和设备投资简单易行，无需大功率增氧设备，系统构建无需专业环保设备，工期短，建设和运行成本低。

Description

一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统及其运行方式
技术领域
本发明属于生态环保技术领域，具体涉及一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统及其运行方式。
背景技术
水体富营养化是指湖泊、河流、水库等水体中氮磷等植物营养物质含量过多所引起的整个水体生态平衡改变一种污染现象，它已成为我国水环境污染、水体生态功能退化的最主要原因之一。水体富营养化的根本原因是营养物质的增加，主要是氮、磷及其它养分元素的输入，其中氮是最严重的污染物质。未被植物利用的氮素极大多数通过地表径流、地下水等进入水体。与此同时，畜牧、渔业等养殖废水、生活污水、工业废水中氮素的排放量也在日益增加，如以畜禽粪便为原料的沼气工程每年沼液排放量高达1.3亿吨，沼液的氮含量高达600-1200mgkg-1，而城市生活污水的氮排放量每年超过10万吨。传统的污水处理方式存在占地面积大、工程造价和运行成本操作管理复杂以及出水水质不稳定的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种工程造价和运行成本低，运行操作简单，处理效果好的高氮废水过滤系统。本发明提出利用四种不同的生物炭过滤高氮污水，在整个过滤系统由上而下形成好氧区、缺氧-厌氧区和厌氧区三个层次，污水中的含氮污染物一方面被生物炭吸附，另一方面被微生物利用进行硝化反硝化。
为达到上述目的，本发明的具体技术方案为：
一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统，该系统包括四层不同的生物炭层；所述生物炭层按照从上到下的顺序填充，分别是大颗粒生物炭层、生物炭/海绵复合材料层、生物炭/粘土矿物复合材料层和活化生物炭层四层组成。
其中生物炭为农林废物(秸秆、竹屑等)在400-600℃下热裂解的产物。
作为优选，所述大颗粒生物炭、生物炭/海绵复合材料、生物炭/粘土矿物复合材料和活化生物炭的厚度比为7∶5∶3∶1，在整个过滤系统由上而下形成好氧区、缺氧-厌氧区、厌氧区三个层次，总高度为0.8-2m。
作为又一优选，所述大颗粒生物炭为竹质生物炭，粒径为2-5mm，比表面积大于150m2/g。
作为又一优选，所述的生物炭/海绵复合材料是由生物炭和亲水聚氨酯复合而成，其中生物炭粒径为小于1mm，比表面积大于300m2/g，生物炭占总复合物重量的50-70％。
作为又一优选，所述的生物炭/粘土矿物复合材料是由生物炭、氧化铁、凹凸棒和膨润土组成，其中生物炭粒径小于0.1mm，比表面积大于150m2/g，氧化铁、凹凸棒和膨润土粒径小于2mm，生物炭/粘土矿物复合材料中生物炭含量为40-60％，氧化铁含量为5-10％，其余为凹凸棒或膨润土或两者任意组合。
作为又一优选，所述的活化生物炭粒径小于0.01mm，比表面积大于700m2/g。
进一步地，所述高氮废水是指氨氮含量为100-300mg/L，COD含量为500-2000mg/L。
本发明还提供另一种技术方案：
一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统的运行方式，所述过滤系统使用过程采用驯化-过滤-再驯化-再过滤的运行方式，其中驯化采用活化的含硝化细菌和反硝化细菌为主的菌液通入系统，菌液至少包含地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、乳酸菌、双歧杆菌、酵母菌和放线菌中的三种任意比例混合，驯化周期为4d，驯化过程中菌液注入系统的时间与流出系统的时间比为1∶5-8；整个系统驯化结束后，静置1d通入高氮污水进行过滤，过滤时调节高氮污水的配水时间和落干时间比为1∶5-8；系统每运行30d，用活化的菌液再驯化后再运行，保证过滤系统的良性循环和高效运行。
本发明具有如下优点：
1)本发明中，制备生物炭的原料来源广泛，价格低廉，还能够实现农林废弃物的再利用。
2)本发明脱氮效果好。本发明由不同的生物炭填充，生物炭具有孔隙度好、比表面积大、吸附能力强的特点，能有效降低水体氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮含量。第二层为生物炭/海绵复合材料，海绵能延长水力停留时间，增加污水中氮素向填料微孔表面扩散和向吸附点位靠近的机会；第三层为生物炭/粘土矿物复合材料，粘土矿物是层状硅酸盐矿物，比表面积大，可以有效去除污水中的氮磷含量；第四层为活化生物炭，活化的生物炭吸附能力增加。本发明在整个生物炭过滤系统中由上而下形成好氧区、缺氧/厌氧区和厌氧区，为微生物硝化和反硝化脱氮创造条件。同时系统中的生物炭材料可为微生物提供适宜的寄居场所，而微生物又可降解生物炭材料吸附的污染物，使得生物炭材料恢复较强的吸附性能。本发明将物理吸附和生物降解有机结合，实现了对污染物边物理吸附边生物降解，大大提高了污水处理效率。
3)本发明的工艺要求和设备投资简单易行，无需大功率增氧设备，系统构建无需专业环保设备，工期短，建设和运行成本低。
4)本发明可实现农林废弃物的资源化，而且没有二次污染，具有极大的社会效益。
具体实施方式
实例1：
采用本发明的生物炭高氮废水过滤系统处理养猪场废水，氨氮浓度150mg/L，系统高度50cm，大颗粒生物炭、生物炭/海绵复合材料、生物炭/粘土矿物复合材料和活化生物炭按照从上到下的顺序填充，厚度比为7∶5∶3∶1。活化的枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和酵母菌等比例混合通入系统，调节菌液注入系统的时间与流出系统的时间比为1∶5，驯化周期为4d。系统驯化结束后静置1d，通入高氮养猪场废水，按照配水时间和落干时间比为1∶5布水，运行30d后再次驯化，然后再运行，用纳氏试剂法测定氨氮含量，系统氨氮去除情况见表1。
表1生物炭过滤系统对养猪场废水中氨氮去除率的影响
实例2：
采用本发明的生物炭高氮废水过滤系统处理竹加工废水，氨氮浓度100mg/L，系统高度50cm。大颗粒生物炭、生物炭/海绵复合材料、生物炭/粘土矿物复合材料和活化生物炭按照从上到下的顺序填充，厚度比为7∶5∶3∶1。活化的菌液(地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、乳酸菌、双歧杆菌、酵母菌和放线菌等比例混合)通入系统，调节调节菌液注入系统的时间与流出系统的时间比为1∶8，驯化4d。驯化好的系统静置1d后，通入高氮竹加工废水，按照配水时间和落干时间比为1∶8布水，运行30d后再次驯化，然后再运行，用纳氏试剂法测定氨氮含量，系统氨氮去除情况见表2。
表2生物炭过滤系统对竹加工废水中氨氮去除率的影响
以上是对本发明进行了实例的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合，均在本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统，其特征在于，该系统包括四层不同的生物炭层；所述生物炭层按照从上到下的顺序填充，分别是大颗粒生物炭层、生物炭/海绵复合材料层、生物炭/粘土矿物复合材料层和活化生物炭层四层组成。
2.根据权利1所述的一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统，其特征在于，所述大颗粒生物炭、生物炭/海绵复合材料、生物炭/粘土矿物复合材料和活化生物炭的厚度比为7∶5∶3∶1，在整个过滤系统由上而下形成好氧区、缺氧-厌氧区、厌氧区三个层次，总高度为0.8-2m。
3.根据权利1所述的一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统，其特征在于，所述大颗粒生物炭为竹质生物炭，粒径为2-5mm，比表面积大于150m2/g。
4.根据权利1所述的一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统，其特征在于，所述的生物炭/海绵复合材料是由生物炭和亲水聚氨酯复合而成，其中生物炭粒径为小于1mm，比表面积大于300m2/g，生物炭占总复合物重量的50-70％。
5.根据权利1所述的一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统，其特征在于，所述的生物炭/粘土矿物复合材料是由生物炭、氧化铁、凹凸棒和膨润土组成，其中生物炭粒径小于0.1mm，比表面积大于150m2/g，氧化铁、凹凸棒和膨润土粒径小于2mm，生物炭/粘土矿物复合材料中生物炭含量为40-60％，氧化铁含量为5-10％，其余为凹凸棒或膨润土或两者任意组合。
6.根据权利1所述的一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统，其特征在于，所述的活化生物炭粒径小于0.01mm，比表面积大于700m2/g。
7.根据权利1所述的一种用于高氮废水处理的生物炭过滤系统，其特征在于，所述高氮废水是指氨氮含量为100-300mg/L，COD含量为500-2000mg/L。
8.一种权利要求1-7用于高氮废水处理的生物炭过滤系统的运行方式，其特征在于，所述过滤系统使用过程采用驯化-过滤-再驯化-再过滤的运行方式，其中驯化采用活化的含硝化细菌和反硝化细菌为主的菌液通入系统，菌液至少包含地衣芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌、乳酸菌、双歧杆菌、酵母菌和放线菌中的三种任意比例混合，驯化周期为4d，驯化过程中菌液注入系统的时间与流出系统的时间比为1∶5-8；整个系统驯化结束后，静置1d通入高氮污水进行过滤，过滤时调节高氮污水的配水时间和落干时间比为1∶5-8；系统每运行30d，用活化的菌液再驯化后再运行，保证过滤系统的良性循环和高效运行。
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