CN109019870A - 一种以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理装置及方法。所述装置主要包括圆柱型反应器、搅拌系统、进水系统、温控系统、出水系统和自动控制系统，采用聚丁二酸丁二醇酯材料作为反硝化碳源和载体。本发明所述方法包括：启动初期，反应器接种活性污泥浓度控制在3~3.5 g/L；进水后通入氮气保持缺氧环境，对反硝化微生物驯化富集；运行温度为23~28℃；反应器搅拌速度为250~350 rpm/min，搅拌结束污泥沉淀30 min，出水由电磁阀和电子式计时器控制，反应器体积交换比设定为50%，周期设定为10 h连续运行直至出水澄清，完成活性污泥的快速挂膜。本发明具有占地面积小，抗冲击负荷能力强，启动时间快，碳源量易控制，出水水质稳定等优点。

Description

一种以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理 装置及方法

技术领域

本发明涉及一种以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理装置及方法，属于废水生物处理领域，适用于废水深度处理中硝酸盐和有机物的同步去除。

背景技术

随着社会经济的飞速发展，工业和农业用水量日趋增加，污水排放总量逐渐增大，导致许多地区的地下水资源都受到不同程度的硝酸盐污染，硝酸盐对人体和环境和危害极大，高浓度的硝酸盐还能诱发癌症。面对这一环境现状，国家对于城市污水制定的处理排放标准也逐渐提高，因而污水的深度处理也日益受到人类的关注。我国GB18918—2002《城镇污水处理厂排放标准》中一级标准A规定的TN(以N计)排放限值为15 mg/L，NH₃-N(以N计)为5 mg/L，而其中的COD质量浓度排放限值为50 mg/L。通常由于生物处理对COD的去除较为容易，造成了城镇污水厂出水碳素和氮素的比例无法达到生物处理所需的碳氮比，使生物脱氮产生了一定难度。为了使低C/N比废水能够顺利地进行生物反硝化，传统反硝化工艺需向反硝化体系中添加液体碳源，例如葡萄糖、甲醇、乙醇、乙酸等。液态有机物作为外加碳源，添加量的调控比较困难，尤其是在进水硝酸氮的浓度有波动的情况下，碳源的投加量存在少量或过量的风险。这不仅会增加脱氮的成本，还会导致系统运行复杂、二次污染等问题突出。

“固相反硝化”是一种新型的生物脱氮工艺。相比于传统反硝化工艺，该工艺的优点主要体现在固体缓释既可作为活性污泥生长的载体，又能在微生物酶的作用下释放有机物为反硝化提供碳源，能有效避免传统工艺中液体碳源的投加量不易控制影响出水水质和造成浪费的风险，有利于系统的控制及稳定运行，并且投加的固体碳源可长期被微生物利用，降低了成本。此外，由于污泥能够固相表面形成生物膜，表面生物密度非常大，对其内部的反硝化细菌形成很好的保护作用，从而增强反应器的抗冲击能力。固体缓释碳源可分为天然材料碳源和人工合成聚合物。 CN102923854A公开了一种以木屑为碳源的异养与硫自养集成反硝化去除地下水硝酸盐的方法，其以木屑作为复合式厌氧折流板反应器的反硝化碳源和生物膜载体，实现反硝化过程，但是该工艺存在木屑中杂质较多，降解产物会造成二次污染等问题。人工合成可生物降解聚合物是将聚酯与易于生物降解的淀粉共混后作为反硝化固体碳源，可以显著缩短系统启动时间、提高反硝化速率，并且降解产物无二次污染。本发明选取聚丁二酸丁二醇酯作为反硝化碳源，研究固体碳源反硝化脱氮工艺的快速实现方法及稳定运行问题具有重要的理论意义和应用前景。

发明内容

本发明的目的在于解决以聚丁二酸丁二醇酯作为固体碳源的生物膜污水深度处理技术难以实现和稳定运行的问题，设计一种以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理装置及方法，实现活性污泥的快速挂膜并降解利用固体碳源的目的。

本发明的技术方案如下：

1.一种以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理装置，所述装置设有圆柱型反应器和贯穿反应器的机械搅拌系统、进水系统、温控系统、出水系统和自动控制系统；搅拌系统在反应器内部，搅拌轴由空心管包裹穿过填料层；装置底部的带孔圆盘将填料层与搅拌头分隔，形成相互独立的搅拌层和填料层；温控系统为反应装置提供稳定的运行温度，选择微生物最适温度提高反应器处理效果和污泥的快速挂膜；自动控制装置通过电子式计时器和继电控制器控制反应周期不间断运行，实现活性污泥对待处理废水的快速适应和快速挂膜。

2.上述1所述的以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理装置，所述填料层由聚丁二酸丁二醇酯圆柱形颗粒组成，聚丁二酸丁二醇酯圆柱形颗粒的直径为2.5~3.5 mm，高为3.5~4.5 mm，密度为1.0~1.3 kg/L，聚丁二酸丁二醇酯材料的拉伸强度为35~40 MPa，投加体积占反应器有效容积的30%~50%。

3.上述1所述的生物膜污水深度处理装置，其用途是用于进行以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理，包括以下步骤：

（1）启动阶段活性污泥的快速挂膜

接种污泥浓度控制在3~3.5 g/L；进水通过抽水泵和液面控制器完成，当水位低于液面控制器时，抽水泵将二沉池出水泵入反应器；进水完成后向反应器通入氮气，使之保持缺氧环境，对反硝化微生物进行驯化富集；打开温控系统，设定温度在23~28℃；打开搅拌系统，设定搅拌速度为250~350 rpm/min；搅拌550 min后，污泥沉淀30 min；出水系统通过电磁阀和电子式计时器控制，反应器体积交换比设定为50%；单个运行周期设定为10 h，不间断运行直至出水澄清，反应器完成活性污泥的快速挂膜；

（2）稳定运行阶段性能

通过反应器持续稳定运行20~60天，活性污泥以生物膜形式存在，生物膜以二沉池出水和聚丁二酸丁二醇酯固体碳源为基质，实现硝酸盐去除率95~99%。

4. 所述的待处理废水取自二沉池出水，硝酸氮浓度为20~30 mg/L，COD浓度为25~35 mg/L。

本发明的有益成果

本发明所提供的一种以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理装置和方法同现有生物反硝化工艺相比，具有下列优势：

（1）碳源量易控制

本发明利用可生物降解的聚丁二酸丁二醇酯材料作为固体碳源，其在微生物酶的作用下才能分解，实现了微生物自身调节碳源量的释放，解决了传统反硝化过程中投加葡萄糖、乙酸钠等液体碳源数量不易控制的问题，保证了出水水质的稳定。

（2）抗冲击负荷能力强

本发明利用聚丁二酸丁二醇酯为生物膜载体，活性污泥依靠其释放的胞外聚合物的粘合作用粘附在在颗粒表面形成生物膜，生物膜依靠其本身厚度和结构优势，对其内部的反硝化细菌形成很好的保护作用，克服了传统反硝化工艺污泥抗冲击能力差的问题。

（3）出水浊度低，水质良好

本发明利用聚丁二酸丁二醇酯为生物膜载体，活性污泥以生物膜形式附着于载体表面，水中几乎无悬浮污泥，达到了泥水分离的目的，反应器出水澄清，出水浊度≤ 2.0 NTU，解决了传统反硝化需要污泥沉降的缺陷。

（4）运行效果逐渐变好

本发明利用可生物降解的聚丁二酸丁二醇酯作为固体碳源，保证了碳源的供应，同时随着微生物对固体碳源利用的程度加深，在颗粒表面腐蚀形成凹陷，为微生物提供了更大的附着面积，利于生物膜的生长和碳源的释放。因此，随着运行时间的增长，反应器的运行效果呈现越来越好的趋势，硝酸盐去除率从最初的95%升高到99%，相比于传统反硝化85-95%的硝酸盐去除率有了明显提高。

（5）快速实现载体挂膜

本发明采用搅拌系统和填料层分隔的设置，解决了传统反硝化反应器水流剪切力对污泥挂膜的影响，达到快速挂膜的目的，挂膜周期小于10天，与传统连续流反应器15-30天的挂膜期相比，挂膜效率显著提高。

附图说明

图1本发明中一种以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理装置示意图。

图1中：1继电控制器；2机械搅拌器；3电子式计时器；4温度控制器；5液面控制器；6抽水泵；7取样口；8填料层；9带孔隔板；10搅拌头；11电磁阀；12中空管；13进水管；14出水管；15出水桶；16原水桶；17搅拌器底座；18搅拌器控制器；19圆柱型反应器；20氮气瓶。

图2 处理装置运行效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

装置参见附图1，一种以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理装置，设有圆柱型反应器、进水系统、搅拌系统、出水系统、温控系统和自动控制系统。圆柱型反应器19设有带孔隔板9、固体填料层、搅拌层和清水层，在反应器有效体积的25%、50%、75%、100%处设置4个取样口7。反应器底部设有搅拌头10，通过空心管12贯穿反应器与机械搅拌器2相连，搅拌器底座17支撑机械搅拌器2，转速由搅拌器控制器18控制；液面控制器5通过继电控制器3控制抽水泵6进水，进水由储水桶16经过进水管13进入反应器；进水后由氮气罐20通过氮气保持缺氧环境；出水通过电子式计时器1与电磁阀11相连控制，经出水管14进入出水桶15；反应器的温度通过温度控制器4调控。所述填料层由聚丁二酸丁二醇酯圆柱形颗粒组成，聚丁二酸丁二醇酯圆柱形颗粒的直径为2.5 mm，高为3.5 mm，密度为1.0 kg/L，聚丁二酸丁二醇酯材料的拉伸强度为35 MPa，投加体积占反应器有效容积的30%。

（1）反应器启动

接种污泥浓度控制在3 g/L；待处理废水，硝酸氮浓度为20 mg/L，COD浓度为25 mg/L；进水通过抽水泵和液面控制器完成，当水位低于液面控制器时，抽水泵将待处理废水泵入反应器；进水完成后向反应器通入氮气使之保持缺氧环境，对反硝化微生物进行驯化富集；打开温控系统，设定温度在23℃；打开搅拌系统，设定搅拌速度为250 rpm/min；搅拌550min后，污泥沉淀30 min；出水系统通过电磁阀和电子式计时器控制，反应器体积交换比设定为50 %；单个运行周期设定为10 h，不间断运行直至出水澄清，反应器完成活性污泥的快速挂膜。

（2）反应器稳定运行

通过反应器持续稳定运行30天，活性污泥以生物膜形式存在，生物膜以二沉池出水和聚丁二酸丁二醇酯固体碳源为基质，实现硝酸盐去除率95%以上。

稳定运行期间反应器运行良好，出水硝酸盐浓度低于1.5 mg/L，亚硝酸盐基本检测不到，COD浓度低于10 mg/L，具有优良的有机物去除和脱氮能力。稳定运行期间，聚丁二酸丁二醇酯材料提供碳源能力稳定，硝酸盐去除效率稳定。实施例结束时，聚丁二酸丁二醇酯材料表面出现微小凹陷，材料仅仅利用很小部分，预估材料使用寿命大于2年。

实施例2

装置参见附图1，所述填料层由聚丁二酸丁二醇酯圆柱形颗粒组成，聚丁二酸丁二醇酯圆柱形颗粒的直径为3.0 mm，高为4.0 mm，密度为1.2 kg/L，聚丁二酸丁二醇酯材料的拉伸强度为38 MPa，投加体积占反应器有效容积的40%。

（1）反应器启动

接种污泥浓度控制在3.2 g/L；待处理废水，硝酸氮浓度为25 mg/L，COD浓度为28 mg/L；进水通过抽水泵和液面控制器完成，当水位低于液面控制器时，抽水泵将待处理废水泵入反应器；进水完成后向反应器通入氮气使之保持缺氧环境，对反硝化微生物进行驯化富集；打开温控系统，设定温度在25℃；打开搅拌系统，设定搅拌速度为300 rpm/min；搅拌550min后，污泥沉淀30 min；出水系统通过电磁阀和电子式计时器控制，反应器体积交换比设定为50 %；单个运行周期设定为10 h，不间断运行直至出水澄清，反应器完成活性污泥的快速挂膜。

（2）反应器稳定运行

通过反应器持续稳定运行30天，活性污泥以生物膜形式存在，生物膜以二沉池出水和聚丁二酸丁二醇酯固体碳源为基质，实现硝酸盐去除率95%以上。

稳定运行期间反应器运行良好，出水硝酸盐浓度低于1.5 mg/L，亚硝酸盐基本检测不到，COD浓度低于10 mg/L，具有优良的有机物去除和脱氮能力。稳定运行期间，聚丁二酸丁二醇酯材料提供碳源能力稳定，硝酸盐去除效率稳定。实施例结束时，聚丁二酸丁二醇酯材料表面出现微小凹陷，材料仅仅利用很小部分，预估材料使用寿命大于2年。

实施例3

装置参见附图1，所述填料层由聚丁二酸丁二醇酯圆柱形颗粒组成，聚丁二酸丁二醇酯圆柱形颗粒的直径为3.5 mm，高为4.5 mm，密度为1.3 kg/L，聚丁二酸丁二醇酯材料的拉伸强度为40 MPa，投加体积占反应器有效容积的50%。

（1）反应器启动

接种污泥浓度控制在3.5 g/L；待处理废水，硝酸氮浓度为30 mg/L，COD浓度为35 mg/L；进水通过抽水泵和液面控制器完成，当水位低于液面控制器时，抽水泵将待处理废水泵入反应器；进水完成后向反应器通入氮气使之保持缺氧环境，对反硝化微生物进行驯化富集；打开温控系统，设定温度在28℃；打开搅拌系统，设定搅拌速度为350 rpm/min；搅拌550min后，污泥沉淀30 min；出水系统通过电磁阀和电子式计时器控制，反应器体积交换比设定为50 %；单个运行周期设定为10 h，不间断运行直至出水澄清，反应器完成活性污泥的快速挂膜。

（2）反应器稳定运行

通过反应器持续稳定运行30天，活性污泥以生物膜形式存在，生物膜以二沉池出水和聚丁二酸丁二醇酯固体碳源为基质，实现硝酸盐去除率95%以上。

稳定运行期间反应器运行良好，出水硝酸盐浓度低于1.5 mg/L，亚硝酸盐基本检测不到，COD浓度低于10 mg/L，具有优良的有机物去除和脱氮能力。稳定运行期间，聚丁二酸丁二醇酯材料提供碳源能力稳定，硝酸盐去除效率稳定。实施例结束时，聚丁二酸丁二醇酯材料表面出现微小凹陷，材料仅仅利用很小部分，预估材料使用寿命大于2年。

Claims (5)

1.一种以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理装置，其特征在于，该装置设有圆柱型反应器和贯穿反应器的机械搅拌系统、进水系统、温控系统、出水系统和自动控制系统；搅拌系统在反应器内部，搅拌轴由空心管包裹穿过填料层；装置底部的带孔圆盘将填料层与搅拌头分隔，形成相互独立的搅拌层和填料层。

2.根据权利要求1所述的以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理装置，其特征在于，所述填料层由聚丁二酸丁二醇酯圆柱形颗粒组成，聚丁二酸丁二醇酯圆柱形颗粒的直径为2.5~3.5 mm，高为3.5~4.5mm，密度为1.0~1.3kg/L，聚丁二酸丁二醇酯材料的拉伸强度为35~40 MPa，投加体积占反应器有效容积的30%~50%。

3.根据权利要求1所述的生物膜污水深度处理装置用于进行以聚丁二酸丁二醇酯为固体碳源的生物膜污水深度处理的用途。

4.根据权利要求3所述的生物膜污水深度处理的用途，其特征在于，包括以下步骤：

（1）启动阶段活性污泥的快速挂膜（标题改为“活性污泥的快速挂膜”是不是更好）

接种污泥浓度控制在3~3.5 g/L；进水通过抽水泵和液面控制器完成，当水位低于液面控制器时，抽水泵将二沉池出水泵入反应器；进水完成后向反应器通入氮气，使之保持缺氧环境，对反硝化微生物进行驯化富集；打开温控系统，设定温度在23~28℃；打开搅拌系统，设定搅拌速度为250~350 rpm/min；搅拌550 min后，污泥沉淀30 min；出水系统通过电磁阀和电子式计时器控制，反应器体积交换比设定为50%；单个运行周期设定为10 h，不间断运行直至出水澄清，反应器完成活性污泥的快速挂膜；

（2）稳定运行阶段性能

通过反应器持续稳定运行20~60天，活性污泥以生物膜形式存在，生物膜以二沉池出水和聚丁二酸丁二醇酯固体碳源为基质，实现硝酸盐去除率95~99%。

5.所述的待处理废水取自二沉池出水，硝酸氮浓度为20~30 mg/L，COD浓度为25~35mg/L。