CN111018132A - 一种脱氮除磷的水处理装置及其处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脱氮除磷的水处理装置及其应用于污水深度脱氮除磷的方法，装置包括生物滤池和硝化反应池；生物滤池内装填有硫铁矿填料，硫铁矿填料表面附着有微生物膜；生物滤池设有进水口、排水口I和排水口II，生物滤池进水口连通两个进水支路，第一进水支路通过进水泵I将待处理污水输入生物滤池，第二进水支路通过进水泵I连通硝化反应液储存池，用于对滤池中的填料进行冲洗。污水经生物滤池处理后由排水口I排出，生物滤池通过排水口II连通冲洗液回收池；硝化反应池设有进水口和排水口，氨氮废水由进水泵II将输入硝化反应池，硝化反应池排水口连通硝化反应液储存池，硝化反应池中接种有活性污泥并通过空气泵进行曝气。
Description
技术领域
本发明涉及一种脱氮除磷的水处理装置，还涉及上述脱氮除磷的水处理装置的污水处理方法，属于污水处理技术领域。
背景技术
近年来，我国经济社会快速发展，人类活动排放的污水量大幅增长，导致水体氮、磷的积累，从而使水体富营养化、水质恶化，影响自然景观和饮用水安全，威胁水生生物的生存，进而导致大量水生生物的缺氧死亡。所以，废水脱氮除磷受到人们的广泛关注，如何提高排放废水中氮、磷的去除率，是提高居民饮用水质量、改善水体环境的重要措施之一。同时，磷元素是工业生产中不可或缺的工业原料。由于地球上的磷矿石资源数量有限，磷的回收对社会发展有着重要意义。
传统生物脱氮途径一般包括硝化和反硝化两个阶段。硝化反应阶段是微生物在好氧条件下将氨氮转化为硝氮，反硝化阶段是微生物在缺氧条件下以有机碳源为电子供体将硝态氮逐步转化为氮气的过程。传统的生物除磷是利用聚磷菌等微生物在好氧的条件下吸收磷、缺氧条件下释放磷完成。因此，传统生物脱氮除磷串联工艺依赖于水中的有机物，当进水有机物不足或水中碳氮比较低时，需要额外添加有机物，如乙酸钠，这种方式除了增加处理成本外还会形成二次污染。
针对低C/N比污水的脱氮问题，自养反硝化脱氮技术是近年兴起的新型生物脱氮工艺，研究人员开发了以铁矿石(硫铁矿、磁黄铁矿等)中还原态硫和铁为电子供体将水中的硝酸盐还原成氮气实现脱氮。该方法不依赖有机碳源，且具有一定了除磷效果，但是在反应器在运行一段时间后，铁矿石表面会发生钝化从而导致脱氮除磷效果明显变差。因此开发一种既能实现自养反硝化同步脱氮除磷，又能解决钝化问题的水处理装置很有必要。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种脱氮除磷的水处理装置，该水处理装置既能实现自养反硝化同步脱氮除磷，又能使反应器在运行过程中始终保持良好的脱氮除磷效果。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术手段为：
一种脱氮除磷的水处理装置，包括生物滤池和硝化反应池；所述生物滤池内装填有硫铁矿填料，硫铁矿填料表面附着有活性污泥微生物膜；所述生物滤池设有进水口I、排水口I和排水口II，生物滤池进水口连通两个进水支路，第一进水支路通过进水泵I将待处理污水输入生物滤池，第二进水支路通过进水泵I连通硝化反应液储存池，第一进水支路和第二进水支路上均设有开关，污水经生物滤池处理后由排水口I排出，生物滤池通过排水口II连通冲洗液回收池；所述硝化反应池设有进水口和排水口，硝化反应池进水口通过进水泵II将氨氮废水输入硝化反应池，硝化反应池通过排水口连通硝化反应液储存池，硝化反应池中接种有活性污泥并通过空气泵进行曝气；生物滤池的进水口I、排水口I和排水口II处以及硝化反应池的进水口和排水口处均设有阀门。
其中，所述硝化反应池还可以设置曝气装置进行曝气。
其中，接种的活性污泥为污水厂曝气池中的活性污泥。
其中，本发明脱氮除磷的水处理装置还包括控制各个阀门、进水泵、空气泵以及开关启闭的PLC控制箱。
上述脱氮除磷的水处理装置的污水处理方法，包括如下步骤：
步骤1，关闭第二进水支路上的开关，打开第一进水支路上的开关，启动进水泵I，待处理污水通过进水泵I进入生物滤池中，污水在生物滤池中通过硫铁矿填料发生硫铁矿自养反硝化反应以及化学除磷反应，经生物滤池脱氮除磷后的水通过排水口I排出；生物滤池运行一段时间后，硫铁矿表面发生钝化现象，此时关闭第一进水支路上的开关，关闭进水泵I，停止生物滤池的运行；
步骤2，启动进水泵II和空气泵，氨氮废水通过进水泵II进入硝化反应池中进行硝化反应，硝化反应池通过底部连通的空气泵进行曝气，污水在硝化反应池中反应一段时间后，污泥经过静置沉淀(污泥静置沉淀的作用是：污泥沉淀之后上清液为溶液，该溶液pH较低，偏酸性，可用于冲洗滤池中的硫铁矿填料，如果污泥不经过沉淀，会发生泥水混合，排出的酸液中含有污泥)，硝化反应池通过排水口将硝化反应产生的酸性溶液排入硝化反应液储存池中；
步骤3，打开第二进水支路上的开关，启动进水泵I，硝化反应液储存池的酸性溶液通过进水泵I进入生物滤池中，酸性溶液对钝化的硫铁矿表面进行浸泡酸洗，浸泡24～48h后酸洗液通过排水口II排入冲洗液回收池中。
其中，步骤1中，生物滤池采用柱状结构，为底部进水、顶部出水的上流式反应器；生物滤池中的硫铁矿填料粒径为2～20mm。
其中，步骤1中，待处理污水在生物滤池中的水力停留时间为12～48h。
其中，步骤2中，硝化反应池为顶部进水、底部出水的柱状反应器，进水的氨氮浓度为20～30mg/L，硝化反应池中溶解氧的浓度为2～4mg/L。
其中，步骤2中，氨氮废水在硝化反应池的水力停留时间为12～72h，硝化反应池采用序批式运行方式运行，当硝化反应池中的酸性溶液pH下降到5.5以下时，停止曝气静置10min，将上清液排出，排水10min后再启动曝气。
其中，步骤3中，冲洗液回收池中的酸洗液通过加入NaOH溶液调节pH值至8左右，回收析出的磷酸盐沉淀。
本发明污水处理方法的原理：在连续进水的情况下，硫自养反硝化细菌以硫铁矿中的还原态硫为电子供体，将污水中的硝态氮还原成氮气实现脱氮，同时将还原态硫氧化成硫酸盐，硫铁矿释放的Fe2+被氧化生成Fe3+，Fe3+的混凝沉淀可实现化学除磷，且硫铁矿本身对磷也有很好的吸附能力；然后再通过硝化细菌硝化过程产生的酸性溶液将附着在硫铁矿表面的含磷物质溶解，从而实现反应器在运行过程中始终保持良好的脱氮除磷效果；最后通过调节回收池中的pH值沉淀含磷化合物，实现磷资源的回收。
相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：
本发明污水处理装置能够解决传统生物水处理工艺在处理低碳氮比污水时存在的脱氮除磷效果不佳和难以实现磷回收的问题，本发明污水处理工艺利用硫铁矿作为反硝化过程的电子供体，在同步去除水中氮、磷的同时再利用硝化反应产酸解决硫铁矿钝化的问题，无需额外采用硫酸、盐酸等化学药剂，本发明污水处理工艺能够用于同步去除低C/N废水中的氮和磷，其不仅脱氮除磷的效果显著还能够实现磷的高效回收。
附图说明
图1为本发明水处理装置的结构示意图；
图2为实施例1装置的脱氮除磷效果；
图3为实施例2装置的脱氮除磷效果；
其中，1-硫铁矿生物滤池，2-第一进水支路上的开关；3-进水泵I；4-进水口I；5-排水口I；6-硫铁矿填料；7-排水口II；8-冲洗液回收池；9-进水泵II；10-硝化反应池；11-进水口；12-空气泵；13-排水口；14-硝化反应液储存池；15-第二进水支路上的开关。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
本发明污水处理方法所采用的实验装置如图1所示，本发明水处理装置，包括生物滤池1和硝化反应池10；生物滤池1内装填有硫铁矿填料6，硫铁矿填料6表面附着有活性污泥微生物膜；生物滤池1设有进水口I4、排水口I5和排水口II7(进水口I4、排水口I5和排水口II7处均设有阀门)，生物滤池1进水口I4连通两个进水支路，第一进水支路通过进水泵I3将待处理污水输入生物滤池1，第二进水支路通过进水泵I3连通硝化反应液储存池14，第一进水支路和第二进水支路上均设有开关(分别为第一进水支路上的开关2和第二进水支路上的开关15)，生物滤池1滤池出水从排水口I5排出，生物滤池1通过排水口II7连通冲洗液回收池8；硝化反应池10设有进水口11和排水口13(进水口11和排水口13处均设有阀门)，氨氮废水通过进水泵II9进入硝化反应池10，硝化反应池10通过排水口13连通硝化反应液储存池14，硝化反应池10中接种有活性污泥；硝化反应池10通过空气泵12进行曝气；本发明脱氮除磷的水处理装置还包括控制各个阀门、进水泵、空气泵以及开关启闭的PLC控制箱。
其中，生物滤池1采用柱状结构，为底部进水、顶部出水的上流式反应器；硫铁矿填料6的粒径为2～20mm，硫铁矿在投加进反应器之前需要经过酸洗去除表面氧化层，生物滤池1的水力停留时间为12～48h。硝化反应池10采用顶部进水、底部出水的柱状反应器，进水为氨氮废水，进水氨氮浓度为20～30mg/L，接种污泥为污水厂曝气池中的活性污泥；该反应池的水力停留时间为12～72h，硝化反应池2采用序批式运行方式，当pH下降到5.5以下时，停止曝气静置10min，出水10min：硝化反应池2的溶解氧浓度控制在2～4mg/L。
采用本发明装置进行污水处理，包括如下步骤：
步骤1，生物滤池的启动和运行：将硫铁矿制成粒径为2～20mm的颗粒材料，先用质量百分浓度为10％的HCl溶液浸泡硫铁矿，去除硫铁矿表面的氧化物质，再用超纯水冲洗干净，至出水pH到7左右；将硫铁矿装填进生物滤池1，用进水泵I3将活性污泥和待处理污水进行挂膜，挂膜成功后，将待处理污水通过进水泵I3输入生物滤池，进水NO3 --N浓度为51.85mg/L，PO4 3--P浓度为11.72mg/L，调节水力停留时间为24h，反应的有效体积为1L，出水从排水口I5排出；每天取生物滤池1中的进出水，测定其水质指标，结果如图2所示，出水硝态氮和磷酸盐浓度分别可达到14.60mg/L和6.13mg/L，说明本发明生物滤池具有良好的脱氮除磷效果；当生物滤池1运行20天后，生物滤池1硝态氮去除效率逐渐下降，直到40天，生物滤池1总氮去除率只有23.59％，说明此时生物滤池1中硫铁矿填料6发生钝化作用，停止运行生物滤池1，启动硝化反应池2：
步骤2，硝化反应池的运行：在序批式运行的硝化反应池10中接种活性污泥，氨氮废水中氨氮浓度为47.89mg/L，硝化反应池10运行期间，通过空气泵12控制硝化反应池10中的溶解氧浓度在4～6mg/L，水力停留时间为12h，待污泥沉淀10min，上清液(酸性溶液)从排水口12排入酸液池14中，出水体积为1.5L，测定出水pH为5.5；
步骤3，硫铁矿酸洗再生以及磷回收：将硝化反应液储存池14中的1L酸性溶液通过进水泵I3输入生物滤池1中，酸性溶液将硫铁矿填料6淹没，硫铁矿填料6在酸性溶液中浸泡酸洗24h后，酸性溶液将硫铁矿表面的附着物质溶解，酸洗液从排水口II7排入冲洗液回收池8中，测定酸洗液的pH为6.2，总磷浓度为130.13mg/L，此时往冲洗液回收池8中加入NaOH固体调节溶液的pH值至8，回收沉淀物0.75g，总磷回收率为55.32％。
实施例2
本实施例的污水处理方法，基本流程同实施例1，所不同的是，本实施例步骤1中，进水NO3 --N浓度为21.88mg/L，PO4 3--P浓度为12.31mg/L，待处理污水在生物滤池1中的水力停留时间为48h，结果如图3所示，测定出水NO3 --N和PO4 3--P浓度分别为8.67mg/L，和6.15mg/L。生物滤池1运行60天后，生物滤池1中硝态氮去除率只有12.49％，此时硫铁矿填料表面发生钝化；步骤2中，氨氮废水中氨氮浓度为47.89mg/L，硝化反应池2中氨氮废水水力停留时间为24h，出水pH为5.2；步骤3中，用pH为5.2的酸液浸泡酸洗硫铁矿24h，从冲洗液回收池8中回收沉淀物1.01g，总磷回收率为58.52％。
实施例3
本实施例的污水处理方法，基本流程同实施例1，所不同的是，本实施例步骤2中，氨氮废水中氨氮浓度为50mg/L，硝化反应池2中氨氮废水水力停留时间为72h，出水pH为4.9；步骤3中，用pH为4.9酸液浸泡酸洗硫铁矿24h，从冲洗液回收池8中回收沉淀物1.14g，总磷回收率为66.22％。
本发明污水处理工艺先采用硫铁矿自养反硝化同步去除水中的氮、磷；然后利用硝化反应产酸，最后利用硝化反应产生的酸性溶液对钝化的硫铁矿填料进行酸洗再生以及磷的回收。本发明以自养反硝化工艺实现同步脱氮和磷回收，其中硫自养反硝化菌以硫铁矿作为电子供体，硝酸盐氮作为电子受体被还原为氮气，在运行过程中，硫铁矿及其氧化产物通过吸附、化学沉淀等方式除磷，从而实现废水的同步脱氮除磷。反应器运行一段时间后，硫铁矿表面钝化，再利用硝化反应产生的酸性溶液对硫铁矿进行酸洗再生，并回收硫铁矿表面的磷，其中酸性溶液由硝化反应提供。
实施例1进水硝态氮浓度为50mg/L左右，水力停留时间为24h，反应器能维持运行时间为40天，而实施例2进水硝态氮浓度为20mg/L左右，水力停留时间为48h，反应器能维持运行时间为60天。实施例1、2说明基质负荷低，硫铁矿钝化的速度慢，反应器能维持运行时间更长。在反应器正常运行的情况下，硝态氮的平均去除率为72％，磷的去除率为48％。随着运行时间增加，硫铁矿逐渐钝化，硝态氮下降到23.6％，磷的去除率也逐渐下降。因此有必要对钝化的硫铁矿进行酸洗再利用，使硫铁矿反硝化反应器能够维持运行。
本发明直接利用硫铁矿为生物滤池填料，没有添加硫磺，因此本生物滤池的出水pH稳定在6.8-7.5，不需要添加石灰石来缓冲pH，从而减轻了出水硬度；同时还能够解决在生物滤池运行一段时间之后，可以方便的对钝化的硫铁矿进行酸洗，然后持续在反应器中使用，同时还对去除的磷进行了回收，回收率可到达66％。因此本发明提出的方法和装置可以有效去除水中的硝酸盐氮并实现磷的回收，运行过程中，无需添加有机碳源，无需使用无机酸液进行反冲洗且可以处理高浓度氨氮废水。
Claims (10)
1.一种脱氮除磷的水处理装置，其特征在于：包括生物滤池和硝化反应池；所述生物滤池内装填有硫铁矿填料，硫铁矿填料表面附着有活性污泥微生物膜；所述生物滤池设有进水口I、排水口I和排水口II，生物滤池进水口连通两个进水支路，第一进水支路通过进水泵I将待处理污水输入生物滤池，第二进水支路通过进水泵I连通硝化反应液储存池，第一进水支路和第二进水支路上均设有开关，污水经生物滤池处理后由排水口I排出，生物滤池通过排水口II连通冲洗液回收池；所述硝化反应池设有进水口和排水口，硝化反应池进水口通过进水泵II将氨氮废水输入硝化反应池，硝化反应池通过排水口连通硝化反应液储存池，硝化反应池中接种有活性污泥并通过空气泵进行曝气。
2.根据权利要求1所述的脱氮除磷的水处理装置，其特征在于：生物滤池的进水口I、排水口I和排水口II处以及硝化反应池的进水口和排水口处均设有阀门。
3.根据权利要求1所述的脱氮除磷的水处理装置，其特征在于：所述硝化反应池还可以设置曝气装置进行曝气。
4.根据权利要求2所述的脱氮除磷的水处理装置，其特征在于：还包括控制各个阀门、进水泵、空气泵以及开关启闭的PLC控制箱。
5.一种权利要求1所述的脱氮除磷的水处理装置的污水处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，关闭第二进水支路上的开关，打开第一进水支路上的开关，启动进水泵I，待处理污水通过进水泵I进入生物滤池中，污水在生物滤池中通过硫铁矿填料发生硫铁矿自养反硝化反应以及化学除磷反应，经生物滤池脱氮除磷后的水通过排水口I排出；生物滤池运行一段时间后，硫铁矿表面发生钝化现象，此时关闭第一进水支路上的开关，关闭进水泵I，停止生物滤池的运行；
步骤2，启动进水泵II和空气泵，氨氮废水通过进水泵II进入硝化反应池中进行硝化反应，硝化反应池通过底部连通的空气泵进行曝气，污水在硝化反应池中反应一段时间后，污泥经过静置沉淀，硝化反应池通过排水口将硝化反应产生的酸性溶液排入硝化反应液储存池中；
步骤3，打开第二进水支路上的开关，启动进水泵I，硝化反应液储存池的酸性溶液通过进水泵I进入生物滤池中，酸性溶液对钝化的硫铁矿表面进行浸泡酸洗，浸泡24～48h后酸洗液通过排水口II排入冲洗液回收池中。
6.根据权利要求5所述的脱氮除磷的水处理装置的污水处理方法，其特征在于：步骤1中，生物滤池采用柱状结构，为底部进水、顶部出水的上流式反应器；生物滤池中的硫铁矿填料粒径为2～20mm。
7.根据权利要求5所述的脱氮除磷的水处理装置的污水处理方法，其特征在于：步骤1中，待处理污水在生物滤池中的水力停留时间为12～48h。
8.根据权利要求5所述的脱氮除磷的水处理装置的污水处理方法，其特征在于：步骤2中，硝化反应池为顶部进水、底部出水的柱状反应器，进水的氨氮浓度为20～30mg/L，硝化反应池中溶解氧的浓度为2～4mg/L。
9.根据权利要求5所述的脱氮除磷的水处理装置的污水处理方法，其特征在于：步骤2中，待处理污水在硝化反应池的水力停留时间为12～72h，硝化反应池采用序批式运行方式运行，当硝化反应池中的酸性溶液pH下降到5.5以下时，停止曝气静置10min，将上清液排出，排水10min后再启动曝气。
10.根据权利要求5所述的脱氮除磷的水处理装置的污水处理方法，其特征在于：步骤3中，冲洗液回收池中的酸洗液通过加入NaOH溶液调节pH值至8，回收析出的磷酸盐沉淀。
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