CN109928511B - 基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷方法及反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于铁碳微电解的物化‑生物耦合脱氮除磷方法及反应器，方法包括：自养反硝化污泥的驯化富集、生物菌剂的制备、陶粒的制备、生物挂膜、反应器运行。反应器包括在装置本体中的下层滤板、下层承托层、下层填料、隔板、上层滤板、上层承托层和上层填料；在下层滤板和上层滤板分别连通有若干进水口，装置本体的上方侧壁设有出水口。在不用外加碱度的情况下，使氧化的Fe³⁺形成絮凝性极强的Fe(OH)₃，去除水体中的TP、悬浮物及重金属离子等，降低成本。设备整体结构简单，便于操作。

Description

基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷方法及反应器

技术领域

本发明涉及污水深度处理技术领域，具体涉及一种基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷方法及反应器。

背景技术

随着我国经济的不断发展，城镇生活污水排放数量增大且呈增长趋势，污水的成分也日趋复杂，大量富含磷、氨氮等的生活污水直接排放，导致水体环境恶化，造成越来越严重的环境污染问题。根据我国的《污水综合排放标准》(GB8978-1996)一级A标准，污水厂处理出水的TN浓度标准为15mg/L，氨氮浓度标准为5(8)mg/L，TP浓度标准为0.5mg/L。这种情况之下，迫切需要一种经济、高效、技术可靠的城镇污水深度处理工艺和技术。

目前硝酸盐的去除技术根据硝酸盐的去除场所分为原位修复技术和异位修复技术；根据硝酸盐的去除机理可分为化学法，生物法，以及电化学-生物法等。化学法主要以吹脱法和折点加氯法为主，但这两种方法会造成环境的二次污染。而生物法周期较长，且受污水pH值、C/N比的影响较大。

铁碳微电解法是近期应用于处理污废水中污染物的最常用的电化学方法之一。但铁碳微电解法具有一定的缺点，如长时间运行会形成一层钝化膜，阻碍电极之间形成稳定的原电池；且铁碳填料容易板结，形成短流；另外，运行过程中需两次调节pH值，成本较高。

因此，采用何种技术才能降低C/N比对生物脱氮的影响以及改良铁碳法一直是研究者致力于该领域的焦点。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于克服现有铁碳微电解方法的缺陷和生物脱氮法的不足，综合利用电解产H₂产Fe²⁺和水体中的有机物，提供一种基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷方法，以及该方法所采用的反应器；本发明将电化学与反硝化相结合，构建可提供Fe²⁺、H₂、有机物作为电子供体的混合养反硝化设备，同时利用物化法除磷，该方法能降低C/N比对生物脱氮的影响以及改良铁碳法。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷方法，包括如下步骤：

1)自养反硝化污泥的驯化富集：

取污水处理厂待处理污水与FTF培养液按照质量比为3～5:1混匀，于混合物的富集反应器中通入氢气在常温下富集培养，7天为一培养周期，静置，更换一半上清液为FTF培养液；搅拌震荡富集3～4周后，测定混合液中硝酸盐去除率在70％以上，得到驯化富集；

2)生物菌剂的制备：

收集驯化富集后的污水沉淀物，按照质量比为3～5:1向污水沉淀物中加入FTF培养液，常温下培养3～4天，之后每3天用液体培养液更换一次FTF培养液，当该反应器底部形成深黑色、散状污泥，测定液体培养液中硝酸盐去除率为70％以上，得到生物菌剂；

3)陶粒的制备：

取污水处理厂剩余污泥，按质量配比为55～65％污泥，4～5％三氯化铁，1～5％粉煤灰，3～5％Fe₃O₄，20～35％黏土，加水搅拌并混合均匀，制成颗粒；将得到的颗粒在渐进式升温回转窑内焙烧，冷却后得到陶粒；

4)生物挂膜：

按照生物菌剂：FTF培养液的质量比为1:47～52配制挂膜培养液，在每公斤陶粒中加入2～3L的挂膜培养液；利用氢气间隔曝气，连续挂膜，定时将30％的挂膜培养液换成FTF培养液；

生物陶粒上形成黄色生物膜后挂膜结束，采用连续自来水流冲掉陶粒表面吸附的细菌；

5)反应器运行：

将挂膜后的生物陶粒和铁碳填料分别放入反应器的上下层，打开进水阀，污水处理厂待处理污水经进水口进入反应器，在反应器进水处和出水处连接氮磷监测装置，对进出水的氮磷含量进行实时监控。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述FTF培养液包括下述质量比的原料：

NaHCO₃ 0.8～1.2g/L、FeSO₄ 0.4～0.6g/L、NaNO₃ 0.1～0.3g/L、KH₂PO₄ 0.1～0.2g/L、MgSO₄ 0.1～0.3g/L、CaCl₂ 0.1～0.2g/L和微量元素0.0075～0.0125g/L。

进一步，所述微量元素包括下述质量比的原料：

EDTA 0.8～1.2g/L、ZnSO₄ 0.4～0.6g/L、MnCl₂ 0.3～0.7g/L。

进一步，步骤2)中，液体培养液为FTF培养液与灭菌待处理污水按照体积比为1：1～3配制而成，更换次序按照FTF培养液与灭菌待处理污水体积比依次为：1：1、1：2、1：3。

进一步，步骤3)中，所述污水处理厂剩余污泥含水率为60～70％；制成颗粒粒径为25～40mm；将得到的颗粒在1100～1200℃的渐进式升温回转窑内焙烧35～45min。

进一步，步骤4)中，每隔7～9小时利用氢气进行一次曝气，气水比为1:2；连续挂膜5d，每隔2天将30％的挂膜培养液换成FTF培养液。

本发明进而给出了所述方法采用的基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷反应器，包括装置本体，在装置本体中自下而上依次布置有下层滤板、下层承托层、下层填料、隔板、上层滤板、上层承托层和上层填料；在所述下层滤板和上层滤板底部分别通过水管连通有若干进水口，装置本体的上方侧壁设有出水口；所述装置本体顶板上分布2个排气孔。

进一步，所述上、下层承托层采用粒径为20～25mm的鹅卵石，铺设厚度为0.2～0.3m；所述下层填料为铁碳颗粒，铺设厚度为1.3～1.8m；所述上层填料为生物陶粒，铺设厚度为1.3～1.8m。

上述反应器的运行方法，包括如下步骤：

(1)打开进水阀，污水处理厂待处理水经进水泵通过进水口进入装置本体；同时，移走上下层反应区之间的隔板，打开出水阀门；

(2)待处理水流经下层滤板和下层承托层进入铁碳填料区；

(3)水流进入上层反应区，经上层滤板和上层承托层进入填料区，与填料表面的反硝化污泥相接触；

(4)填料层采用生物陶粒，去除待处理水中硝酸盐和有机物；反硝化过程在上层反应区进行；反应器中产生的气体通过排气孔直接排入大气；

(5)处理后的出水经出水口流入出水管；

(6)反应器运行2～3d后需进行反冲洗，利用隔板将上下反应区分隔开；关闭进水阀门，打开上层和下层反冲洗阀门，调节反冲洗水量和反冲洗时间；反冲洗完成后关闭反冲洗阀门，重新启动系统。

进一步，步骤(6)中，反冲洗水量为12～15L/s·m²，反冲洗时间为5～10min。反冲洗频率为2～3d/次；反应器的水力停留时间为2～8h。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

将铁碳微电解过程和生物反硝化过程分隔开，不影响电解反应去除污染物的同时，能够利用铁碳微电解的副产物Fe²⁺、H₂以及原水中有机物作为电子供体，进一步去除水中硝酸盐。同时，利用生物反硝化过程产生碱度的原理，在不用外加碱度的情况下，使氧化的Fe³⁺生成絮凝性极强的Fe(OH)₃，达到去除水体中的TP、悬浮物及重金属离子等的效果。

本发明具有如下优点：

1、本发明基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷方法，将电化学与反硝化相结合，构建可提供Fe²⁺、H₂、有机物作为电子供体的混合养反硝化设备，达到去除硝酸盐的目的。同时利用氧化后的Fe³⁺形成絮凝性极强的Fe(OH)₃通过物化法去除水体中的TP、悬浮物及重金属离子等。

2、本发明的一种基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷反应器，其优点如下：

(1)本发明采用的新型陶粒填料，在利用污泥进行资源化的同时，相比传统的陶粒，具有表面孔隙率高，比表面积大，另外其中的Fe₃O₄具有富集Fe²⁺的功能。该陶粒填料能够承受较大的载荷，不易破碎和磨损，降低了水处理过程中的物理损失。

(2)铁碳微电解过程与生物反硝化过程在不同反应区域进行，可以减少两过程之间的相互影响；可在更换铁碳填料时不用更换上层填料，操作简便，成本降低；生物反硝化过程为Fe(OH)₃的形成提供了充足的碱度，无需外加碱度，成本降低。

(3)铁碳微电解过程不仅能够去除处理水中的污染物，还能提供微生物反硝化所需的电子供体Fe²⁺、H₂，解决处理水中有机碳源不足的情况，降低了低C/N比对生物反硝化的影响。

(4)反应器上下层的结构，待处理水由下至上的推流形式，改良了铁碳填料运行较长时间易板结的缺陷，也解决了铁碳微电解处理出水含有Fe²⁺、Fe³⁺，以及出水“反色”的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明反应器结构示意图；

图2(a)为实施例1硝酸盐去除效果示意图；

图2(b)为实施例1P去除效果示意图；

图3(a)为实施例2P去除效果示意图；

图3(b)为实施例2硝酸盐去除效果示意图；

图4(a)为实施例3硝酸盐去除效果示意图；

图4(b)为实施例3P去除效果示意图。图中：1、进水泵；2、进水阀门；3、布水装置；4、第一反冲洗阀；5、反冲洗进水泵；6-1、下层滤板；7-1、下层承托层；6-2、上层滤板；7-2、上层承托层；8、铁碳颗粒；9、第二反冲洗阀；10、隔板；11、填料；12、出水口；13、排气孔；14、止回阀。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本实施例的一种基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷反应器，其设计思想是给出一种利用铁碳微电解产Fe²⁺、H₂作为反硝化电子供体，利用反硝化过程提供碱度，为避免铁碳填料板结，将铁碳微电解过程和生物反硝化过程分隔开，同步去除待处理水中硝酸盐、TP、有机物等的物化-生物耦合脱氮除磷反应器。

如图1所示，该反应器包括上层反应区、下层反应区。在反应器装置本体中自下而上依次布置有下层滤板6-1、下层承托层7-1、下层填料8、隔板10、上层滤板6-2、上层承托层7-2和上层填料11；在下层滤板6-1和上层滤板6-2底部分别通过水管连通有若干进水口，装置本体的上方侧壁设有出水口12；装置本体顶板上分布2个排气孔。

在一个实施例中，反应器呈圆柱形，采用混凝土材料，直径0.7～1.7m，反应器总高4～8m；下层反应区占高2～4m，下层反应区承托层采用粒径为20mm的鹅卵石，铺设厚度0.2m，填料层采用铁碳颗粒，粒径25～40mm，铺设厚度1.3～1.8m，进水管与反冲洗进水管共用布水装置，埋于地下，反冲洗出水管高出填料层1～1.5m；上层反应区占高2～4m，承托层采用粒径为20mm的鹅卵石，铺设厚度0.2m，填料层为生物陶粒，铺设厚度1.3～1.8m，出水管与反冲洗出水管共用一个出水口，出水口高出填料层1～1.5m。

上层反应区与下层反应区之间设置一隔板，将反应器分为上下两个相同的反应区。该反应器的水力停留时间为2～8h。

该反应器运行步骤如下：

(1)打开进水阀，同时移走上下层反应区之间的隔板，打开出水阀门。待处理水通过进水泵经过布水装置进入下层反应区，依次通过下层滤板6-1、下层承托层7-1、填料层，承托层为粒径为20mm的鹅卵石，填料层为铁碳颗粒。

(2)待处理水流经下层滤板和承托层进入铁碳填料区，为铁碳颗粒提供了传导性的电解质溶液，使铁碳颗粒形成原电池，产生H₂和副产物Fe²⁺，同时，下层反应区的电解反应降解难生物降解的有毒物质、并去除部分重金属离子。

(3)Fe²⁺、H₂随待处理水流进入上层反应区经过滤板和承托层后与填料表面的反硝化污泥相接触；

(4)填料层采用生物陶粒，反硝化污泥以H₂、Fe²⁺为电子供体，待处理水中的硝酸氮为电子受体，利用原水中的CO₂或HCO₃ ^-作为无机碳源，达到去除待处理水中硝酸盐和有机物的目的。反硝化过程在上层反应区进行；反应器中产生的气体通过排气孔直接排入大气；

氧化的Fe³⁺在反硝化提供的碱性环境下生成絮凝性极强的Fe(OH)₃，达到去除水体中的TP、悬浮物及重金属离子等的目的。

(5)处理后的出水经出水口流入出水管；

(6)反应器运行2～3d后进行反冲洗，打开隔板10，将上下反应区分隔开。关闭进水阀门，打开上层和下层反冲洗阀门，调节反冲洗水量至12-15L/s·m²，反冲洗时间为5-10min；反冲洗频率为2～3d/次；反应器的水力停留时间为2～8h。反冲洗完成后，关闭反冲洗阀门，重新启动系统。

在反应器顶板上分布2个排气孔，排出反应器中产生的气体。

下层反应区发生的电化学反应过程如下：

阳极(Fe):Fe-2e^-→Fe²⁺

阴极(C):2H⁺+2e^-→2[H]→H₂

在下层反应区通过电化学过程产生反硝化的电子供体Fe²⁺、H₂。

在上层反应器内实现生物脱氮，其反应式表示为：

NO₃ ^-+H₂→H₂O+NO₂ ^-

NO₂ ^-+H⁺+0.5H₂→H₂O+NO

2NO+H₂→H₂O+N₂O

N₂O+H₂→H₂O+N₂

2NO₃ ^-+12H⁺+10Fe²⁺→N₂+10Fe³⁺+6H₂O

本发明的基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷方法，包括如下步骤：

1)自养反硝化污泥的驯化富集：

取污水处理厂待处理水作为菌源，密闭容器作为反应器，以FTF培养液作为驯化富集培养基，混匀后，置于500mL的厌氧瓶中，然后置于恒温培养箱(25-30℃)。每天向反应器通氢气4～6min排出反应器内其他气体，保证在厌氧过程中进行驯化并有足量的氢气。富集培养过程中，以7天为一个培养周期，更换一半的培养基，在富集过程中开启磁力搅拌器，以140～170r/min的转速震荡。富集3～4周后，当硝酸盐的去除率在70％以上的时候，表明富集驯化完成，采用上述方法可完成污泥驯化富集；

FTF培养液包括下述质量比的原料：

NaHCO₃ 0.8～1.2g/L、FeSO₄ 0.4～0.6g/L、NaNO₃ 0.1～0.3g/L、KH₂PO₄ 0.1～0.2g/L、MgSO₄ 0.1～0.3g/L、CaCl₂ 0.1～0.2g/L和微量元素0.0075～0.0125g/L。

其中，微量元素包括下述质量比的原料：

EDTA 0.8～1.2g/L、ZnSO₄ 0.4～0.6g/L、MnCl₂ 0.3～0.7g/L。

2)生物菌剂的制备：

收集富集反应器中的沉淀物质。按照质量比为3～5:1向沉淀物质中加入FTF培养液，25-30℃培养3～4天，之后每3天更换一次液体培养液，更换次序依次为：1体积FTF培养液与1体积灭菌待处理污水组成的液体培养基、1体积FTF培养液与2体积灭菌待处理污水组成的液体培养基、1体积FTF培养液与3体积灭菌待处理污水组成的液体培养基。当该反应器底部形成深黑色、散状污泥，测定硝酸盐去除率为70％以上，表明生物菌剂制备成功，得到生物菌剂；

3)陶粒的制备：

取含水率为60～70％的污水处理厂剩余污泥，按质量配比为55～65％污泥，4～5％三氯化铁，1～5％粉煤灰，3～5％Fe₃O₄，20～35％黏土，加水搅拌并混合均匀，制成25～40mm的颗粒；将得到的颗粒并在1100～1200℃的渐进式升温回转窑内焙烧35～45min，冷却后得到陶粒；

新型陶粒填料中，在采用污泥进行资源化的同时，相比传统的陶粒，具有表面孔隙率高，比表面积大，Fe₃O₄具有富集Fe²⁺的功能。

4)生物挂膜：

采用FTF培养液按照生物菌剂：FTF培养液的质量比为1:47～52配制挂膜培养液，在每公斤陶粒中加入2～3L的挂膜培养液；每隔8小时利用氢气进行一次曝气，气水比为1:2，以便加速挂膜并保持反应器的厌氧环境。连续曝气挂膜5d，每隔2天换水，倒掉30％的挂膜培养液换成FTF培养液；生物陶粒上形成黄色生物膜后挂膜结束，采用连续水流冲掉陶粒表面吸附的细菌；

5)反应器运行：

将挂膜后的生物陶粒和铁碳填料分别放入反应器的上下层，打开进水阀，待处理污水经进水口进入反应器，在反应器进水处和出水处连接氮磷监测装置，对进出水的氮磷含量进行实时监控。

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

该实施例中待治理的污水来自于陕西省西安市某污水处理厂二沉池出水，遵从本发明的技术方案，对水体进行深度处理，包括以下步骤：

(1)自养反硝化污泥的驯化富集：

取10L污水处理厂待处理水作为菌源，密闭容器作为反应器，以FTF培养液作为驯化培养基，混匀后，置于500mL的厌氧瓶中，然后置于恒温培养箱(25℃)。每天向反应器通氢气5min排出反应器内其他气体，保证在厌氧过程中进行驯化并有足量的氢气。富集培养过程中，以7天为一个培养周期，更换一半的培养基，在富集过程中开启磁力搅拌器，以160r/min的转速震荡。富集3周后，当硝酸盐的去除率在70％以上的时候，表明富集完成，采用上述方法可完成污泥富集；

FTF培养液包括下述质量比的原料：

NaHCO₃ 0.8g/L、FeSO₄ 0.5g/L、NaNO₃ 0.1g/L、KH₂PO₄ 0.2g/L、MgSO₄ 0.1g/L、CaCl₂ 0.2g/L和微量元素0.001g/L。

其中，微量元素包括下述质量比的原料：

EDTA 1.0g/L、ZnSO₄ 0.5g/L、MnCl₂ 0.5g/L。

(2)生物菌剂的制备：

收集富集反应器中的沉淀物质。按照质量比为3:1向沉淀物质中加入FTF培养液，25℃培养3天，之后每3天更换一次液体培养液，更换次序依次为：1体积FTF培养液与1体积灭菌待处理污水组成的液体培养基、1体积FTF培养液与2体积灭菌待处理污水组成的液体培养基、1体积FTF培养液与3体积灭菌待处理污水组成的液体培养基。当地下水底部形成深黑色、散状污泥，测定硝酸盐去除率为70％以上，表明生物菌剂制备成功；

(3)陶粒的制备：

取含水率为60％的污水处理厂剩余污泥，按质量配比，60％污泥，5％三氯化铁，2％粉煤灰，3％Fe₃O₄，30％黏土，加水搅拌并混合均匀，制成25mm的颗粒；将得到的颗粒并在1100℃的渐进式升温回转窑内焙烧40min，冷却后得到陶粒；

步骤四，生物挂膜：采用FTF培养液按照生物菌剂：FTF培养液的质量比为1:47配制挂膜培养液，在每公斤陶粒中加入3L的挂膜培养液；每隔8小时利用氢气进行一次曝气，气水比为1:2，以便加速挂膜并保持反应器的厌氧环境。连续曝气挂膜5d，每隔2天换水，倒掉30％的驯化培养液换成FTF培养液；

生物陶粒上形成黄色生物膜后挂膜结束，采用连续水流冲掉陶粒表面吸附的细菌；

步骤五，反应器运行：将挂膜后的生物陶粒和铁碳填料分别放入反应器的上下两层，打开进水阀，待处理污水经进水口进入反应器，在反应器进水处和出水处连接氮磷监测装置，对进出水的氮磷含量进行实时监控。

处理时，上层反应区内承托层铺设厚度0.2m，填料层铺设厚度1.4m；下层反应区内承托层铺设厚度0.2m，填料层铺设厚度1.4m；设置该反应器的水力停留时间为2h。

从图2(a)、(b)可以看出，反应器运行初期脱氮除磷效率较低，随着时间的延长，反应器脱氮除磷效率逐渐增加，反应器稳定期对硝酸盐的去除率可以达到88.79％，对磷的去除率可以达到84.27％，表现出较很好的脱氮除磷能力。

实施例2：

该实施例中待治理的污水来自于陕西省西安市长安区某污水处理厂二沉池出水，遵从本发明的技术方案，对待处理水体进行生物处理，包括以下步骤：

(1)自养反硝化污泥的驯化富集：

取10L污水处理厂待处理水作为菌源，密闭容器作为反应器，以FTF培养液作为驯化培养基，混匀后，置于500mL的厌氧瓶中，然后置于恒温培养箱(28℃)。每天向反应器通氢气6min排出反应器内其他气体，保证在厌氧过程中进行驯化并有足量的氢气。富集培养过程中，以7天为一个培养周期，更换一半的培养基，在富集过程中开启磁力搅拌器，以170r/min的转速震荡。富集4周后，当硝酸盐的去除率在70％以上的时候，表明富集完成，采用上述方法可完成污泥富集；

FTF培养液包括下述质量比的原料：

NaHCO₃ 1.2g/L、FeSO₄ 0.4g/L、NaNO₃ 0.3g/L、KH₂PO₄ 0.1g/L、MgSO₄ 0.3g/L、CaCl₂ 0.1g/L和微量元素0.0125g/L。

其中，微量元素包括下述质量比的原料：

EDTA 1.2g/L、ZnSO₄ 0.6g/L、MnCl₂ 0.7g/L。

(2)生物菌剂的制备：

收集富集反应器中的沉淀物质。按照质量比为5:1向沉淀物质中加入FTF培养液，25℃培养4天，之后每3天更换一次液体培养液，更换次序依次为：1体积FTF培养液与1体积灭菌待处理污水组成的液体培养基、1体积FTF培养液与2体积灭菌待处理污水组成的液体培养基、1体积FTF培养液与3体积灭菌待处理污水组成的液体培养基。当地下水底部形成深黑色、散状污泥，测定硝酸盐去除率为70％以上，表明生物菌剂制备成功；

(3)陶粒的制备：

取含水率为70％的污水处理厂剩余污泥，按质量配比，55％污泥，4％三氯化铁，1％粉煤灰，5％Fe₃O₄，35％黏土，加水搅拌并混合均匀，制成40mm的颗粒；将得到的颗粒并在1200℃的渐进式升温回转窑内焙烧35min，冷却后得到陶粒；

步骤四，生物挂膜：采用FTF培养液按照生物菌剂：FTF培养液的质量比为1:52配制挂膜培养液，在每公斤陶粒中加入2.2L的挂膜培养液；每隔8小时利用氢气进行一次曝气，气水比为1:2，以便加速挂膜并保持反应器的厌氧环境。连续曝气挂膜5d，每隔2天换水，倒掉30％的驯化培养液换成FTF培养液；

生物陶粒上形成黄色生物膜后挂膜结束，采用连续水流冲掉陶粒表面吸附的细菌；

步骤五，反应器运行：将挂膜后的生物陶粒和铁碳填料分别放入反应器的上下两层，打开进水阀，待处理污水经进水口进入反应器，在反应器进水处和出水处连接氮磷监测装置，对进出水的氮磷含量进行实时监控。

处理时，上层反应区内承托层铺设厚度0.2m，填料层铺设厚度1.8m；下层反应区内承托层铺设厚度0.2m，填料层铺设厚度1.8m；设置该反应器的水力停留时间为5h。

从图3(a)、(b)可以看出，反应器运行初期脱氮除磷效率较低，随着时间的延长，反应器脱氮除磷效率逐渐增加，反应器稳定期对硝酸盐的去除率可以达到88.57％，对磷的去除率可以达到82.36％，表现出较很好的脱氮除磷能力。

实施例3：

该实施例中待治理的污水来自于陕西省西安市某污水处理厂二沉池出水，遵从本发明的技术方案，对待处理水体进行生物处理，包括以下步骤：

(1)自养反硝化污泥的驯化富集：

取10L污水处理厂待处理水作为菌源，密闭容器作为反应器，以FTF培养液作为驯化培养基，混匀后，置于500mL的厌氧瓶中，然后置于恒温培养箱(30℃)。每天向反应器通氢气4min排出反应器内其他气体，保证在厌氧过程中进行驯化并有足量的氢气。富集培养过程中，以7天为一个培养周期，更换一半的培养基，在富集过程中开启磁力搅拌器，以140r/min的转速震荡。富集4周后，当硝酸盐的去除率在70％以上的时候，表明富集完成，采用上述方法可完成污泥富集；

FTF培养液包括下述质量比的原料：

NaHCO₃ 1.0g/L、FeSO₄ 0.6g/L、NaNO₃ 0.2g/L、KH₂PO₄ 0.1g/L、MgSO₄ 0.2g/L、CaCl₂ 0.2g/L和微量元素0.0075g/L。

其中，微量元素包括下述质量比的原料：

EDTA 0.8g/L、ZnSO₄ 0.4g/L、MnCl₂ 0.3g/L。

(2)生物菌剂的制备：

收集富集反应器中的沉淀物质。按照质量比为4:1向沉淀物质中加入FTF培养液，30℃培养3天，之后每3天更换一次液体培养液，更换次序依次为：1体积FTF培养液与1体积灭菌待处理污水组成的液体培养基、1体积FTF培养液与2体积灭菌待处理污水组成的液体培养基、1体积FTF培养液与3体积灭菌待处理污水组成的液体培养基。当地下水底部形成深黑色、散状污泥，测定硝酸盐去除率为70％以上，表明生物菌剂制备成功；

(3)陶粒的制备：

取含水率为65％的污水处理厂剩余污泥，按质量配比，65％污泥，5％三氯化铁，5％粉煤灰，5％Fe₃O₄，20％黏土，加水搅拌并混合均匀，制成30mm的颗粒；将得到的颗粒并在1100℃的渐进式升温回转窑内焙烧45min，冷却后得到陶粒；

步骤四，生物挂膜：采用FTF培养液按照生物菌剂：FTF培养液的质量比为1:50配制挂膜培养液，在每公斤陶粒中加入2L的挂膜培养液；每隔8小时利用氢气进行一次曝气，气水比为1:2，以便加速挂膜并保持反应器的厌氧环境。连续曝气挂膜5d，每隔2天换水，倒掉30％的驯化培养液换成FTF培养液；

生物陶粒上形成黄色生物膜后挂膜结束，采用连续水流冲掉陶粒表面吸附的细菌；

步骤五，反应器运行：将挂膜后的生物陶粒和铁碳填料分别放入反应器的上下两层，打开进水阀，待处理污水经进水口进入反应器，在反应器进水处和出水处连接氮磷监测装置，对进出水的氮磷含量进行实时监控。

处理时，上层反应区内承托层铺设厚度0.2m，填料层铺设厚度1.3m；下层反应区内承托层铺设厚度0.2m，填料层铺设厚度1.3m；设置该反应器的水力停留时间为8h。

从图4(a)、(b)可以看出，反应器运行初期脱氮除磷效率较低，随着时间的延长，反应器脱氮除磷效率逐渐增加，反应器稳定期对硝酸盐的去除率可以达到88.74％，对磷的去除率可以达到82.99％，表现出较很好的脱氮除磷能力。

从以上实施例可以看出，采用本发明方法对污水中的硝酸盐去除率不低于88.57％，对磷的去除率不低于82.36％，为一种能降低C/N比对生物脱氮的影响以及改良的铁碳法。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)自养反硝化污泥的驯化富集：

取污水处理厂待处理污水与FTF培养液按照质量比为3～5:1混匀，于混合物的富集反应器中通入氢气在常温下富集培养，7天为一培养周期，静置，更换一半上清液为FTF培养液；搅拌震荡富集3～4周后，测定混合液中硝酸盐去除率在70％以上，得到驯化富集；

2)生物菌剂的制备：

收集驯化富集后的污水沉淀物，按照质量比为3～5:1向污水沉淀物中加入FTF培养液，常温下培养3～4天，之后每3天用液体培养液更换一次FTF培养液，当该反应器底部形成深黑色、散状污泥，测定液体培养液中硝酸盐去除率为70％以上，得到生物菌剂；

3)陶粒的制备：

取污水处理厂剩余污泥，按质量配比为55～65％污泥，4～5％三氯化铁，1～5％粉煤灰，3～5％Fe₃O₄，20～35％黏土，加水搅拌并混合均匀，制成颗粒；将得到的颗粒在渐进式升温回转窑内焙烧，冷却后得到陶粒；

4)生物挂膜：

按照生物菌剂：FTF培养液的质量比为1:47～52配制挂膜培养液，在每公斤陶粒中加入2～3L的挂膜培养液；利用氢气间隔曝气，连续挂膜，定时将30％的挂膜培养液换成FTF培养液；

生物陶粒上形成黄色生物膜后挂膜结束，采用连续自来水流冲掉陶粒表面吸附的细菌；

5)反应器运行：

将铁碳微电解过程和生物反硝化过程分隔开，将挂膜后的生物陶粒和铁碳填料分别放入反应器的上下层，打开进水阀，污水处理厂待处理污水经进水口进入反应器，待处理水流经放有铁碳填料的下层反应区，再流经设有生物陶粒的上层反应区，与填料表面的反硝化污泥相接触实现反硝化反应；

在反应器进水处和出水处连接氮磷监测装置，对进出水的氮磷含量进行实时监控；

所述FTF培养液包括下述质量比的原料：

NaHCO₃ 0.8～1.2g/L、FeSO₄ 0.4～0.6g/L、NaNO₃ 0.1～0.3g/L、KH₂PO₄0.1～0.2g/L、MgSO₄ 0.1～0.3g/L、CaCl₂ 0.1～0.2g/L和微量元素0.0075～0.0125g/L；

所述微量元素包括下述质量比的原料：

EDTA 0.8～1.2g/L、ZnSO₄ 0.4～0.6g/L、MnCl₂ 0.3～0.7g/L。

2.根据权利要求1所述的一种基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷方法，其特征在于，步骤2)中，液体培养液为FTF培养液与灭菌待处理污水按照体积比为1：1～3配制而成，更换次序按照FTF培养液与灭菌待处理污水体积比依次为：1：1、1：2、1：3。

3.根据权利要求1所述的一种基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷方法，其特征在于，步骤3)中，所述污水处理厂剩余污泥含水率为60～70％；制成颗粒粒径为25～40mm；将得到的颗粒在1100～1200℃的渐进式升温回转窑内焙烧35～45min。

4.根据权利要求1所述的一种基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷方法，其特征在于，步骤4)中，每隔7～9小时利用氢气进行一次曝气，气水比为1:2；连续挂膜5d，每隔2天将30％的挂膜培养液换成FTF培养液。

5.一种权利要求1-4任一项所述方法采用的基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷反应器，其特征在于，包括装置本体，在装置本体中自下而上依次布置有下层滤板(6-1)、下层承托层(7-1)、下层填料(8)、隔板(10)、上层滤板(6-2)、上层承托层(7-2)和上层填料(11)；在所述下层滤板(6-1)和上层滤板(6-2)底部分别通过水管连通有若干进水口，装置本体的上方侧壁设有出水口(12)；所述装置本体顶板上分布2个排气孔。

6.根据权利要求5所述的一种基于铁碳微电解的物化-生物耦合脱氮除磷反应器，其特征在于，所述上、下层承托层采用粒径为20～25mm的鹅卵石，铺设厚度为0.2～0.3m；所述下层填料(8)为铁碳颗粒，铺设厚度为1.3～1.8m；所述上层填料(11)为生物陶粒，铺设厚度为1.3～1.8m。

7.一种权利要求6所述的反应器的运行方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)打开进水阀，污水处理厂待处理水经进水泵通过进水口进入装置本体；同时，移走上下层反应区之间的隔板(10)，打开出水阀门；

(2)待处理水流经下层滤板(6-1)和下层承托层(7-1)进入铁碳填料区；

(3)水流进入上层反应区，经上层滤板(6-2)和上层承托层(7-2)进入填料区，与填料表面的反硝化污泥相接触；

(4)填料层采用生物陶粒，去除待处理水中硝酸盐和有机物；反硝化过程在上层反应区进行；反应器中产生的气体通过排气孔直接排入大气；

(5)处理后的出水经出水口流入出水管；

(6)反应器运行2～3d后需进行反冲洗，利用隔板(10)将上下反应区分隔开；关闭进水阀门，打开上层和下层反冲洗阀门，调节反冲洗水量和反冲洗时间；反冲洗完成后关闭反冲洗阀门，重新启动系统。

8.根据权利要求7所述的一种反应器的运行方法，其特征在于，步骤(6)中，反冲洗水量为12～15L/s·m²，反冲洗时间为5～10min；反冲洗频率为2～3d/次；反应器的水力停留时间为2～8h。

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