CN111302504A - 利用固相碳源去除养殖海水中硝酸盐的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种利用固相碳源去除养殖海水中硝酸盐的方法及装置，该方法包括将固相碳源与种泥混合后对种泥中的菌种驯化使其在固相碳源表面形成生物膜，完成菌种驯化；将该表面形成生物膜的固相碳源与待处理养殖海水反应后即完成了对所述待处理养殖海水去除硝酸盐。本发明在无需预处理与外加液相碳源条件下，利用PHBV固相碳源可以实现养殖海水内NO3 ‑的去除，同时解决了出水可溶解性有机碳浓度波动与NO3 ‑波动等问题。

Description

利用固相碳源去除养殖海水中硝酸盐的方法及装置
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种利用固相碳源去除养殖海水中硝酸盐的方法及装置。
背景技术
近年来循环海水养殖系统已逐渐取代传统开放式养殖系统，循环海水养殖系统是使已利用过的海水经过完整的水处理工艺处理后再循环利用与外排，有利于节约水资源和调控水质，具有经济和生态的双重优势。然而在水处理过程中的化学氧化作用和微生物的硝化作用将食物残渣、动物排泄物、腐烂生物体中的含氮物质逐渐转化为NO3 -，现有水处理工艺中并无有效降低NO3 -的工艺，导致NO3 -浓度不断累积与升高，严重影响水质，威胁养殖生物的健康，养殖海水系统内藻类滋生，同时对近岸海域造成污染。目前针对循环养殖海水水质与养殖海水尾水排放有更高的要求，《水产养殖尾水排放标准一级标准》中要求总氮浓度小于3.0mg L-1。异养反硝化生物脱氮工艺因NO3 -去除效率高、能耗与成本低、设备运行简单等优势而得到广泛的研究与应用。然而液相碳源(甲醇、乙醇等)的投加可能导致出水中可溶解性有机碳和NO3 -浓度较大波动。此外，液相碳源的运输、储存、需精准的投加与监测系统等使得工艺运行与维护较困难。因此，固相反硝化工艺将不溶性固相碳源应用于反硝化工艺中，可避免液相碳源投加过量或不足的问题，固相碳源在微生物作用下降解为可溶解性小分子，作为反硝化作用的供体，经过反硝化作用使得NO3 -浓度显著降低。同时养殖海水尾水与循环养殖海水具有高盐度、高NO3 -浓度、高溶解氧(DO)浓度，低可溶解性有机碳(DOC)浓度以及较高出水水质要求以保证养殖海水内养殖动物健康，因此，亟需开发高效安全的固相反硝化工艺应用于养殖海水生物脱氮以保证养殖海水水质与养殖动物健康。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种利用固相碳源去除养殖海水中硝酸盐的方法及装置，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种利用固相碳源去除养殖海水中硝酸盐的方法，包括：
将固相碳源与种泥混合后对种泥中的菌种驯化使其在固相碳源表面形成生物膜，完成菌种驯化；
将该表面形成生物膜的固相碳源与待处理养殖海水反应后即完成了对所述待处理养殖海水去除硝酸盐。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种利用固相碳源去除养殖海水中硝酸盐的装置，包括：
进水单元，引入待处理养殖海水；
固相反硝化单元，包括装有固相碳源的固相反硝化反应器，待处理养殖海水在其内发生反硝化反应以去除硝酸盐；以及
出水单元，将经过去硝酸盐化的养殖海水排出。
基于上述技术方案可知，本发明的利用固相碳源去除养殖海水中硝酸盐的方法及装置相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明在无需预处理与外加液相碳源条件下，利用PHBV固相碳源可以实现养殖海水内NO3 -的去除，同时解决了出水可溶解性有机碳浓度波动与NO3 -波动等问题；
2、本发明可避免由外部投加液相碳源所带来的二次污染、运输储存、需要精确的碳源投加与监控设备、运行与维护困难等问题，同时可实现有效降低养殖海水的NO3 -浓度且无亚硝酸盐(NO2 -)的积累，达到提高养殖海水水质、保护养殖海水内养殖动物生长与健康的目的。
附图说明
图1为本发明实施例提供的利用PHBV为固相碳源去除养殖海水高浓度NO3 -的装置结构示意图。
图中各标记如下：
1 流量计、2 压力传感器、3 均匀布水器、4 进水单元、5 多孔隔板、6 固相碳源、7固相反硝化反应器、8 取样口、9 pH在线监测组件、10 温度在线监测组件、11 尾气排放吸收组件、12 过滤单元、13 出水口、14 活性炭、15 启动/停止按钮、16 监测仪表、17 显示屏、18 电控系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种利用固相碳源去除养殖海水中硝酸盐的方法，包括：
将固相碳源与种泥混合后对种泥中的菌种驯化使其在固相碳源表面形成生物膜，完成菌种驯化；
将该表面形成生物膜的固相碳源与待处理养殖海水反应后即完成了对所述待处理养殖海水去除硝酸盐。
在本发明的一些实施例中，所述待处理养殖海水的盐度为25至35wt.‰；
在本发明的一些实施例中，所述待处理养殖海水中NO3 -浓度大于或等于500mgL-1；
在本发明的一些实施例中，所述待处理养殖海水中溶解氧浓度为5至8mgL-1。
在本发明的一些实施例中，所述固相碳源包括3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯共聚物。
在本发明的一些实施例中，当所述出水NO3 -浓度小于100mgL-1时菌种驯化成功。
在本发明的一些实施例中，所述反应温度为15至30℃，所述反应的pH为7.0至8.5。
本发明还公开了一种利用固相碳源去除海水中硝酸盐的装置，用于执行如上所述的方法，包括：
进水单元，引入待处理海水；
固相反硝化单元，包括装有固相碳源的固相反硝化反应器，待处理养殖海水在其内发生反硝化反应以去除硝酸盐；以及
出水单元，将经过去硝酸盐化的养殖海水排出。
在本发明的一些实施例中，所述出水过滤单元包括固体过滤组件；
在本发明的一些实施例中，所述固体过滤组件包括砂滤池、活性碳柱、泡沫分离器中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述固相反硝化反应器为填料式生物反应器，其填充率为40％至80％；
在本发明的一些实施例中，所述固相反硝化单元还包括尾气排放吸收组件，所述尾气排放吸收组件设置在固相反硝化反应器上；
在本发明的一些实施例中，所述固相反硝化单元还包括起承托作用的多孔隔板，所述多孔隔板与进水单元连接。
在本发明的一些实施例中，所述固相反硝化单元还包括用于监测固相反硝化反应器内pH的pH在线监测组件；
在本发明的一些实施例中，所述固相反硝化单元还包括用于监测固相反硝化反应器内温度的温度在线监测组件；
在本发明的一些实施例中，所述同相反硝化单元还包括用于监测同相反硝化反应器内氧化还原电位的氧化还原电位在线监测组件。
在本发明的一些实施例中，所述进水单元包括均匀布水装器；
在本发明的一些实施例中，所述进水单元还包括用于监测进水流量的流量计；
在本发明的一些实施例中，所述进水单元还包括用于监测进水压力的压力传感器。
为解决养殖海水中高NO3 -浓度问题，传统异养反硝化工艺需要持续投加液相碳源且易造成二次污染的技术问题，在一个示例性实施例中，本发明利用PHBV为固相碳源去除养殖海水高浓度NO3 -的装置由进水单元、固相反硝化单元、出水过滤单元构成。
所述进水单元包括均匀布水装器；
所述固相反硝化单元包括固相反硝化反应器、承托层多孔隔板、气体收集组件，固相反硝化反应器内设有固相碳源，其侧壁上设有多个取样口；
所述出水过滤单元包括固体过滤组件，该固体过滤组件可为砂滤池(砂滤过滤器)、活性碳柱、泡沫分离器等。
所述装置依次为进水单元、固相反硝化单元、出水过滤单元。进水单元与固相反硝化单元由多孔隔板所隔开，下部分为进水单元，上部分为固相反硝化单元。固相反硝化单元与出水单元通过连接组件(PVC管、硅胶管、防腐不锈钢管)相连，形成所述的固相反硝化装置。
所述固相反硝化反应器为填料式生物反应器，其填充率为40％-80％。
所述固相反硝化反应单元的填料为3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物(PHBV)，作为微生物的载体与反硝化工艺的固相碳源。
所述尾气排放吸收组件设置于所述固相反硝化器上。
所处理养殖海水尾水或循环养殖海水具有高盐度(25wt.‰-35wt.‰)、高NO3 -浓度(500mgL-1以上)、高溶解氧(DO)浓度(5-8mgL-1)，低可溶解性有机碳(DOC)浓度特点，同时要求较高出水水质以保证养殖海水内养殖动物健康。
基于PHBV降解速率与反硝化利用速率可建立动力学模型，分析碳、氮耦合机制，可实现有效降低养殖海水中NO3 -浓度的同时保证出水DOC浓度不影响养殖海水内养殖动物的生长与健康。
利用该装置去除养殖海水高浓度NO3 -的方法包括：(1)将PHBV与异养反硝化污泥种泥均匀混合，同时养殖海水与淡水混合，养殖海水比例不断增大，养殖海水比例分别为进水比例25％、50％、75％、100％，随着养殖海水比例的增大NO3 -浓度也随之提高。驯化期间微生物在固相碳源表面逐渐形成生物膜，形成了内部缺氧外部好氧的环境，随着固相碳源在微生物作用下降解，表面的多孔结构更加有利于生物膜的生长与附着，为缺氧反硝化提供了更好的反硝化条件。当固相碳源反硝化单元出水NO3 -浓度小于进水NO3 -浓度的30％或者出水NO3 -浓度小于100mgL-1时即菌种驯化成功，完成固相碳源反硝化步骤。
(2)固相反硝化步骤成功启动后，进水为待处理养殖海水，通过进水单元后进入固相反硝化单元，养殖海水内的NO3 -在固相反硝化单元逐步还原为亚硝酸盐(NO2 -)、一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N2O)及最终产物氮气(N2)，固相反硝化单元出水进入出水过滤单元降低悬浮物浓度，最终实现所述养殖海水中的NO3 -去除。
步骤(1)中，所述种泥为可为市政污水处理厂活性污泥、养殖海水底部污泥、海底底泥等富含生物菌体的污泥。
步骤(1)中的菌种驯化，菌种驯化阶段对溶解氧无控制措施。
步骤(1)中可投加营养盐以提供反硝化菌所必需的生长元素与微量营养元素。
步骤(2)中的固相反硝化工艺对NO3 -的去除，对溶解氧并无控制，因在固相碳源表面形成生物膜具有外部好氧与内部缺氧的特性，因此对养殖海水中溶解氧具有较好的适应性。
步骤(2)中，运行过程中需控制温度与pH，温度控制范围为15-30℃，pH控制范围为7.0-8.5。同时固相反硝化工艺需根据NO3 -浓度调控水力停留时间，进水NO3 -浓度越高所需要的水力停留时间越长。
所述步骤(2)中，可根据PHBV在无生物条件下TOC释放速率模型、PHBV在不同NO3 -浓度条件下释放速率模型，根据NO3 -浓度负荷选择PHBV填充率。
所述方法还包括需定期对固相反硝化单元进行同相碳源颗粒的补充，定期对固相反硝化单元进行反冲洗。
作为本发明的进一步改进，在本发明的一些实施例中，可在固相反硝化单元内安装pH、温度、氧化还原电位(ORP)、压力传感器、流量计、出水安装在线NO3 -监测系统等，在线监测反应器内pH、温度、ORP、进水流量与压力、出水NO3 -浓度。采用HMI+PLC+变频器+传感器模式，通过自动控制系统可控制泵和阀实现系统的启动、流速调节、反冲洗和停机，监测系统运行状况并发出报警信息，可实现固相反硝化工艺的在线监测与自动化控制。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
下述实施例中使用的化学药品和原料均为市售所得或通过公知的制备方法自制得到。
实施例1
如图1所示，本发明PHBV固相反硝化工艺去除循环养殖海水中NO3 -，它包括进水单元、固相反硝化单元、出水过滤单元。
固相反硝化单元包括固相反硝化反应器7与尾气排放吸收组件11。固相反硝化反应器7为填料式反应柱，其内部填料为固相碳源6，固相反硝化反应器7底部为多孔隔板5与进水单元4相连接，进水通过均匀布水器3进水，后通过溢流的方式通过多孔隔板5进入固相反硝化反应器7。固相反硝化反应器7侧面开口为取样口8，其最顶端取样口同时为出水口8，经固相反硝化反应器7后出水通过出水口8进入过滤单元12。固相反硝化反应器7顶端包括尾气吸收组件11，用于收集固相反硝化反应器7中所产生的气体。
固相反硝化反应器7的出水口8与过滤单元12的进水口13由一管路(如PVC管、硅胶管、防腐不锈钢管)相连接。
固相反硝化反应器7的出水由出水口8进入过滤单元12，过滤单元12为填料式反应柱，包括过滤器2与出水口13，填料为活性炭14。固相反硝化反应器7出水由下而上进入过滤单元12过滤后由出水口13排出。
运行时，将待处理循环养殖海水由进水单元均匀进水后由下至上进入固相反硝化单元，固相反硝化单元中PHBV为反硝化过程的电子供体，而NO3 -为电子受体，在微生物的作用下将NO3 -最终转化为N2，出水经过过滤单元降低水中悬浮物、生物膜等，完成循环养殖海水的NO3 -的去除。
实施例2
利用实施例1中所述装置降低养殖海水尾水中的NO3 -浓度，具体步骤如下：
(1)PHBV固相反硝化工艺的启动
以市政污水处理厂中回流污泥为种泥，将种泥与固相碳源均匀混合后置于固相反硝化反应器中，将养殖海水尾水与淡水按照比例25％、50％、75％、100％相混合后依次进入固相反硝化装置进行菌种驯化，当进水为100％养殖海水尾水时，出水NO3 -浓度小于50mg L-1且稳定运行时即完成固相反硝化工艺的启动，此时反应器运行为序批式运行，水力停留时间为12h。
(2)养殖海水尾水中NO3 -的去除
固相反硝化工艺启动成功后，将PHBV固相反硝化工艺应用于养殖海水尾水处理中，步骤如下：(1)工艺成功启动后，将固相反硝化单元通过PVC软管与过滤单元相连接。(2)待处理的养殖海水尾水依次经过进水单元、固相反硝化单元、过滤单元。(3)在固相反硝化单元中，PHBV表面形成生物膜，PHBV在微生物作用下水解的可溶解性有机小分子作为反硝化作用的电子供体，NO3 -为电子受体，进行反硝化作用。固相反硝化单元出水进入过滤单元经过滤后降低悬浮物与生物膜浓度后，最终达到有效降低养殖尾水中NO3 -浓度的目的。
进出水的平均水质及运行参数如下，进水水质：NO3 -浓度为400-800mg L-1，TOC浓度为10-50mg L-1，pH为7.0-8.5，DO浓度为5-7mg L-1，盐度29％0-35‰，Cl-浓度为16.5-17.0g L-1，SO4 2-浓度为1.8-2.0g L-1；出水水质：NO3 -浓度10-30mg L-1，TOC浓度为10-30mgL-1，pH为7.0-8.5，溶解氧浓度为4-7mg L-1，Cl-浓度为16.5-17.0g L-1，SO4 2-浓度为1.8-2.0g L-1；运行参数：以PHBV为固相碳源，温度约25℃，HRT为8h，反应器运行90d。
实施例3
利用实施例1中所述装置对北京海洋馆中哺乳池养殖海水进行处理，具体步骤如下：
(1)PHBV固相反硝化工艺的启动：
将市政污水回流污泥与海洋馆哺乳池底部活性污泥1∶1混合作为固相反硝化工艺的种泥，将种泥与PHBV混合后置于固相反硝化装置中，将哺乳池中养殖海水与淡水分别按照50％、75％、100％比例混合后作为进水，固相反硝化单元采用序批式运行，水力停留时间为8h，20d后固相反硝化工艺出水NO3 -浓度小于进水20％，PHBV固相反硝化工艺完成快速启动。经驯化后固相反硝化工艺中存在固现碳源降解与反硝化功能菌群，固相碳源表面形成生物膜结构，具有一定抗冲击负荷能力，固相碳源在微生物作用下降解为有机小分子与哺乳池养殖海水其它溶解性有机小分子共同作为反硝化过程的电子供体，NO3 -作为电子受体，在反硝化功能菌群作用下实现NO3 -逐步转化为N2。
(2)工艺耦合
海洋馆哺乳池内循环养殖海水现有水处理工艺为泡沫分离器、砂滤、臭氧接触池后经过消毒后循环回至哺乳池内。固相反硝化工艺成功稳定运行后与现有水处理工艺相耦合，通过PVC管接入原有水处理工艺的泡沫分离工艺与砂滤工艺之间，循环养殖海水出水后经过泡沫分离工艺去除水中悬浮物、藻类等，泡沫分离工艺出水进入固相反硝化工艺有效降低水中NO3 -浓度后出水进入砂滤工艺中，砂滤工艺进一步去除水中悬浮物与悬浮污泥后进行二氧化氯消毒循环回至海洋馆哺乳池内。
(3)养殖海水中NO3 -的去除
固相反硝化工艺接入海洋馆水处理原有工艺后，哺乳池养殖海水经过泡沫分离单元降低水中悬浮物、氨氮、有机物浓度后进入固相反硝化单元降低养殖海水NO3 -浓度，固相碳源在生物膜内部在微生物作用下降解为小分子有机物，小分子有机物作为反硝化过程的电子受体，通过生物膜传质到生物膜表面，NO3 -在固相碳源的生物膜表面在微生物作用下被还原为NO2 -、NO、N2O、N2，由此降低养殖海水内NO3 -浓度。
因水力停留时间、NO3 -进水浓度、温度、pH等将影响固相反硝化工艺的出水水质，作为发明的进一步改进，由流量计1监测进水流量，压力传感器2监测进水压力、pH在线监测9与温度在线监测10监测反应器内的pH与温度，固相反硝化工艺的控制系统18由电控柜17、显示屏16、监测仪表15、启停按钮14组成。采用HMI+PLC+变频器+传感器模式，通过自动控制系统可控制各类泵和阀实现系统的启动和停机，监测系统可显示pH、温度等参数，所有系统参数可在HMI实时显示，同时监测系统可发出报警信息。
本实施例中进出水的平均水质及装置的运行参数如下：
进水平均水质：TOC为10-15mg L-1，NO3 -浓度为800-1000mg L-1，Cl-为16.8g L-1，SO4 2-为2.5g L-1，NH4 +为0.01-0.03mg L-1，PO4 3-为40-60mg L-1，pH为7.2-7.8，DO为7.00-7.80mg L-1。
出水平均水质：TOC为10-15mg L-1，NO3 -浓度为20-80mg L-1，Cl-为16.8g L-1，5O4 2-为2.5g L-1，NH4 +为0.01-0.05mg L-1，PO4 3-为40-60mg L-1，pH为7.0-8.0，DO为4.00-7.00mgL-1。
运行参数：HRT为8h，温度为20-30℃，pH为7.2-7.8。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用固相碳源去除养殖海水中硝酸盐的方法，包括：
将固相碳源与种泥混合后对种泥中的菌种驯化使其在固相碳源表面形成生物膜，完成菌种驯化；
将该表面形成生物膜的固相碳源与待处理养殖海水反应后即完成了对所述待处理养殖海水去除硝酸盐。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述待处理养殖海水的盐度为25至35wt.‰；
所述待处理养殖海水中NO3 -浓度大于或等于500mgL-1；
所述待处理养殖海水中溶解氧浓度为5至8mgL-1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述固相碳源包括3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯共聚物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
当所述出水NO3 -浓度小于100mgL-1时菌种驯化成功。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述反应温度为15至30℃，所述反应的pH为7.0至8.5。
6.一种利用固相碳源去除海水中硝酸盐的装置，用于执行如权利要求1至5任一项所述的方法，包括：
进水单元，引入待处理海水；
固相反硝化单元，包括装有固相碳源的固相反硝化反应器，待处理养殖海水在其内发生反硝化反应以去除硝酸盐；以及
出水单元，将经过去硝酸盐化的养殖海水排出。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述出水过滤单元包括固体过滤组件；
其中，所述固体过滤组件包括砂滤池、活性碳柱、泡沫分离器中的至少一种。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述固相反硝化反应器为填料式生物反应器，其填充率为40％至80％；
所述固相反硝化单元还包括尾气排放吸收组件，所述尾气排放吸收组件设置在固相反硝化反应器上；
所述固相反硝化单元还包括起承托作用的多孔隔板，所述多孔隔板与进水单元连接。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述固相反硝化单元还包括用于监测固相反硝化反应器内pH的pH在线监测组件；
所述固相反硝化单元还包括用于监测固相反硝化反应器内温度的温度在线监测组件；
所述固相反硝化单元还包括用于监测固相反硝化反应器内氧化还原电位的氧化还原电位在线监测组件。
10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述进水单元包括均匀布水装器；
所述进水单元还包括用于监测进水流量的流量计；
所述进水单元还包括用于监测进水压力的压力传感器。
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