CN111547936A - 一种自养反硝化连续砂滤脱氮装置及其处理废水的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自养反硝化连续砂滤脱氮装置及其处理废水的工艺。步骤如下：废水自进水管进入系统，随进水管自布水系统，废水经过填料床，经微生物进行自养反硝化脱氮后自装置上部出水口排出；废水中SS及老化脱落的生物膜被填料截留在装置底部，通过提砂管提升到顶部，经洗砂迷宫进行清洗，利用洗砂器外壳内液位差清洗底部提升上去的含SS及老化脱落的生物膜；利用填料及洗砂水的密度差，填料经洗砂迷宫清洗后回落壳体底部；洗砂水自洗砂水出口排出，实现同一系统内去除SS同时脱氮。本发明脱氮利用自养反硝化原理，建立以石英砂、还原性无机物颗粒、碳酸钙类矿物质为生物载体的优化组合方式，达到去除总氮的目的，且不降低出水pH值，无二次污染产生。

Description

一种自养反硝化连续砂滤脱氮装置及其处理废水的工艺

技术领域

本发明涉及废水处理应用技术领域，具体涉及一种自养反硝化连续砂滤脱氮装置及其处理废水的工艺。

背景技术

随着今年来水质排放标准的提高，氨氮污染越来越受到重视，氨氮是引起水质恶化的重要原因，随着我国农业生产的发展，工业化进程的加快，污水排放总量的不断增加，以及化肥、合成洗涤剂及农药的广泛应用，环境污染日益加剧，尤其是水污染问题更为突出。

常规生物脱氮过程由硝化和反硝化反应组成。在硝化反应中，废水中的有机氮经过氨化生产氨氮，氨氮在化能自养菌的作用下，经亚硝氮转化为硝态氮。为进一步除氮，在厌氧条件下，硝态氮作为电子受体，有机物作为电子供体，由反硝化的异养菌将硝态氮还原为氮气，排入大气，实现对废水中总氮的去除。由于传统的废水生物处理工艺以含碳有机物和悬浮固体为主要处理目标，通过微生物同化去除污水中的氮素量很少，通常只有10%-13%，因此对生活污水和含氮的工业废水采用常规的活性污泥法处理，由于碳源不足，出水仍含有大量的氮素。

常规反硝化属于异样反硝化，由于我国生活污水低碳氮比的特性，需要另外加碳源，增加运行费用；为维持较高生物浓度及获得良好的脱氮效果，必须同时进行污泥回流和硝化液回流，增加了动力消耗及运行费用。为克服这一问题，需要寻找一种厌氧自养型工艺。

近年来，自养反硝化以无机碳（CO₃ ^2-和HCO^3-）为碳源，以无机物（H₂、S、S^2-、S₂O₃ ^2-、Fe、Fe²⁺，NH⁴⁺等）作为硝酸盐还原的电子供体完成微生物的新陈代谢，将硝酸盐还原为氮气。因其原理以无机物为电子供体，不产生有机物污染、无需额外投加碳源运行便宜，自养型细菌增长率低降低出水生物污染、缺氧运行、工艺简单稳定成为研究热门。

连续砂滤是一种集絮凝、澄清、过滤、反硝化为一体的连续过滤设备，采用升流式流动床过滤原理，过滤与清洗同时进行，无需停机反洗以及维护简单，能耗低的优点，广泛应用于污水深度处理，连续砂滤反硝化依靠外投碳源进行反硝化脱氮。

发明内容

要解决的技术问题：本发明提供一种自养反硝化连续砂滤脱氮工艺，以解决现有技术中存在的连续砂滤脱氮需投加碳源及自养反硝化脱氮填料易堵塞、碳源及无机盐连续投加易流失造成出水化学需氧量（COD）、水质中悬浮物（SS）过高的技术问题，适用于工业污水、市政废水等深度脱氮处理。

技术方案：一种自养反硝化连续砂滤脱氮装置，包括壳体，所述壳体外设有进水管，压缩空气管，压力调节控制系统，出水口，洗砂水出口和排空伐，所述壳体内设有提砂及洗砂器，洗砂水可调节出水管、橡胶套管、填料、布水系统；

其中，所述进水管设置于壳体上部一端，所述出水口和洗砂水出口设置于壳体上部的另一端，洗砂水出口位于出水口的下方，进水管一端与布水系统相连接；

所述压缩空气管通过压力调节控制系统设置于壳体顶部；

所述排空伐置于所述壳体底部；

所述填料填充于壳体内；

所述提砂及洗砂器与洗砂水可调节出水管相连接，洗砂水可调节出水管与洗砂水出口相连接，洗砂水可调节出水管上包覆有橡胶套管；

所述提砂及洗砂器包括提砂管、洗砂迷宫和洗砂器外壳。

进一步的，所述洗砂水可调节出水管通过调节出水及洗砂水液位差，实现调节洗砂水量可控制在3~5%。

进一步的，针对连续砂滤5%石英砂年损失量，通过运行观察，初期石英砂累积在本装置底部，当洗砂器内集满后才随洗砂水排出，通过对提砂及洗砂器进行结构优化，扩大洗砂迷宫口，将洗砂迷宫顶部角度设置为60°，与洗砂器外壳之间留有2cm间隙，可将连续砂年损失量减少至1~3%。

进一步的，所述填料由石英砂、还原性无机物颗粒（S、S^2-、S₂O₃ ^2-、Fe、Fe²⁺等）、碳酸钙类矿物质组成，直径为0.8-1.2mm；所述石英砂密度为2.63g/cm³，硬度为7；所述还原性无机物颗粒密度为2-5g/cm³，硬度为1~5；所述碳酸钙类矿物质密度为2.93g/cm³，硬度为2.5~5。

进一步的，所述还原性无机物颗粒为硫磺及硫化物，硫磺密度为2.07 g/cm³。

填料由石英砂、还原性无机物颗粒（S、S^2-、S₂O₃ ^2-、Fe、Fe²⁺等）、碳酸钙类矿物质等组成，其中石英砂作为生物载体，以还原性无机物作为电子供体，NO³中的N作为电子受体，利用脱氮菌将水中的NO^3-转化为氮气。通过填料直接轻微流动摩擦及微生物胞外酶的水解溶解填料中的还原性无机物，脱氮菌利用该部分还原性无机物进行自养反硝化。碳酸钙类矿物质摩擦及水解提供Ca²⁺及CO²，Ca²⁺与自养反硝化产生的SO₄ ^2-等反应生成沉淀，CO₂提供自养反硝化所需的碱度，从而实现反硝化脱氮的同时不产生二次污染。

一种自养反硝化连续砂滤脱氮装置处理废水的工艺，步骤如下：

第一步：废水自进水管进入系统，随进水管自布水系统，废水经过填料床，经微生物进行自养反硝化脱氮后自装置上部出水口排出；

第二步：废水中SS及老化脱落的生物膜被填料截留在装置底部，通过提砂管提升到顶部，经洗砂迷宫进行清洗，利用洗砂器外壳内液位差清洗底部提升上去的含SS及老化脱落的生物膜；

第三步：利用填料及洗砂水的密度差，填料经洗砂迷宫清洗后回落壳体底部；

第四步：洗砂水自洗砂水出口排出，实现同一系统内去除SS同时脱氮。

以硫自养反硝化反应公式55S+20CO₂+50NO₃-+38H₂O+4NH₄+→4C₅H₇O₂N+25N₂+55SO₄ ²-+64H+为例，填料由石英砂为主，硫、碳酸钙类矿物质为辅，质量比按 20:1:1~2，经过30d左右微生物培养，稳定运行后，反应1~4h出水总氮指标稳定小于10mg/L，增加停留时间可达到地表Ⅳ类水总氮1.5mg/L标准。

有益效果：

1、本发明以连续砂滤耦合自养反硝化工艺，连续砂滤去除SS，同时以填料作为生物载体，进行自养反硝化脱氮。

2、本发明脱氮利用自养反硝化原理，建立以石英砂、还原性无机物颗粒（S、S^2-、S₂O₃ ^2-、Fe、Fe²⁺等，优选硫磺）、碳酸钙类矿物质为生物载体的优化组合方式，达到去除总氮的目的，且不降低出水pH值，无二次污染产生。将石英砂、硫磺、碳酸钙按质量比设置为5~10:1:1~2，该方案耦合了自养反硝化脱氮能力及连续砂滤，在同一个系统中脱氮去除SS，如外投加PAC，可同时实现除磷。

3、填料以石英砂为主，还原性无机物颗粒、碳酸钙为消耗型，当填料消耗到一定程度后，从顶部直接补充。

4、实验中还原性无机物选择硫磺，经生化后的尾水经过改工艺处理后总氮20mg/L，经水力停留时间1~2h出水可稳定小于10mg/L，出水pH值变化小于0.1，设备周围空气检测无硫化氢气体，硫酸根浓度小于150mg/L。经水力停留时间1~2h出水可稳定可稳定小于1.5mg/L，出水pH值变化小于0.1，设备周围空气检测无硫化氢等有害气体，利用还原性硫为填料产生的硫酸根浓度小于150mg/L。

5、对比例异样反硝化脱氮碳源投加（60%乙酸钠）实际消耗量8.5g/gNO₃-N，碳源投加费用0.008元/gNO₃-N，本发明自养反硝化脱氮还原性物质实际投加（硫磺）实际消耗量2.6g/gNO₃-N，硫磺及碳酸钙投加费用0.003元/gNO₃-N，直接药剂费用节省62.5% 。

6、对比例乙酸钠需定量连续投加，需与进水NO₃-N控制连锁，由于仪表检测的滞后性，有出水COD超标风险，本发明为定时投加，通过微生物胞外酶及填料摩擦溶解被利用，无需增加仪表控制，无COD超标风险。

7、通过砂滤结构的优化，实现调节洗砂水量可控制在3~5%，石英砂年损失量减少至1~3%。

附图说明：

图1为自养反硝化连续砂滤脱氮装置结构示意图。

图中标号：

1.进水管；2.压缩空气管；3.压力调节控制系统；4.提砂及洗砂器；401.提砂管；402.洗砂迷宫；403.洗砂器外壳；5.洗砂水可调节出水管；6.橡胶套管；7.填料；8.壳体；9.出水口；10.洗砂水出口；11.布水系统；12.排空阀。

图2为洗砂迷宫结构示意图。

图3为洗砂迷宫俯视图。

图4为实施例1的TN去除效果。

图5为实施例2的TN去除效果。

图6为对比例的TN去除效果。

图7为对比例中进出水的COD。

具体实施方式

下面结合附图1、图2和图3对本发明作进一步说明。

一种自养反硝化连续砂滤脱氮装置，包括壳体8，壳体8外设有进水管1，压缩空气管2，压力调节控制系统3，出水口9，洗砂水出口10和排空伐12，所述壳体8内设有提砂及洗砂器4，洗砂水可调节出水管5、橡胶套管6、填料7、布水系统11；其中，进水管1设置于壳体8上部一端，出水口9和洗砂水出口10设置于壳体8上部的另一端，洗砂水出口10位于出水口9的下方，进水管1一端与布水系统11相连接；压缩空气管2通过压力调节控制系统3设置于壳体8顶部；排空伐12置于所述壳体8底部；填料7填充于壳体8内；提砂及洗砂器4与洗砂水可调节出水管5相连接，洗砂水可调节出水管5与洗砂水出口10相连接，洗砂水可调节出水管5上包覆有橡胶套管6；提砂及洗砂器4包括提砂管401、洗砂迷宫402和洗砂器外壳403。

洗砂水可调节出水管5通过调节出水及洗砂水液位差，实现调节洗砂水量可控制在3~5%。

将所述洗砂迷宫402顶部角度设置为60°，与洗砂器外壳403之间留有2cm间隙，可将连续砂年损失量减少至1~3%。

填料7由石英砂、还原性无机物颗粒、碳酸钙类矿物质组成，直径为0.8-1.2mm；所述石英砂密度为2.63g/cm³，硬度为7；所述还原性无机物颗粒密度为2-5g/ cm³，硬度为1~5；所述碳酸钙类矿物质密度为2.93g/cm³，硬度为2.5~5。

还原性无机物颗粒为硫磺及硫化物。

石英砂、硫磺、碳酸钙按质量比为5~10:1:1~2。

上述自养反硝化连续砂滤脱氮装置处理废水的工艺，步骤如下：

第一步：废水自进水管1进入系统，随进水管1自布水系统11，废水经过填料床7，经微生物进行自养反硝化脱氮后自装置上部出水口9排出；

第二步：废水中SS及老化脱落的生物膜被填料7截留在装置底部，通过提砂管401提升到顶部，经洗砂迷宫402进行清洗，利用洗砂器外壳403内液位差清洗底部提升上去的含SS及老化脱落的生物膜；

第三步：利用填料7及洗砂水的密度差，填料7经洗砂迷宫402清洗后回落壳体8底部；

第四步：洗砂水自洗砂水出口10排出，实现同一系统内去除SS同时脱氮。

实施例1：

以农村生活污水经一体化设备处理后尾水试运行该工艺，尾水总氮为19.4~24.9mg/L，pH为7.1~7.7，SS为10.19~12.55mg/L，SO₄ ^2-为93.8-123.5mg/L。在反应器高径比3:1，填料高度为反应器高度的1/2~2/3，以石英砂为主填料，还原性无机物颗粒（硫磺）、碳酸钙类矿物质为消耗性填料，主填料与消耗性填料按质量比（5~10）:1，还原性无机物与碳酸钙类按质量比1:（1~2）投加，在缺氧，常温，pH6.5~8条件下，培养微生物，初期控制水力停留时间4h，当进水中总氮去除大于50%，逐渐提高进水量，直至水力停留时间1~2h后，稳定运行后连续检测出水1个月。

如图4所示，经过1个月连续检测，尾水经实施例1处理后出水TN优于国标一级A出水标准，去除率稳定在60%左右，反硝化不采用外加碳源，COD与进水几乎一致，SO₄ ^2-、pH等指标与进水稍有变化，满足国标一级A排放标准，出水SS经该工艺处理后，稳定小于10mg/L，满足国标一级A排放标准。

实施例2：

步骤与实施例1相同，将水力停留时间稳定在4h，稳定运行后连续检测出水1个月。

如图5所示，经过1个月连续检测，尾水经实施例2处理后出水TN满足地表水环境水环境质量标准Ⅳ类水标准，去除率在90%以上。反硝化不采用外加碳源，COD与进水几乎一致，SO₄ ^2-、pH等指标与进水稍有变化，满足国标一级A排放标准，出水SS经该工艺处理后，稳定小于10mg/L，满足国标一级A排放标准。

对比例：

以农村生活污水经一体化设备处理后尾水试运行该工艺，尾水总氮为19.4~24.9mg/L，pH为7.1~7.7，SS为10.19~12.55mg/L，SO₄ ^2-为93.8-123.5mg/L。在反应器高径比3:1，填料高度为反应器高度的1/2~2/3，以石英砂为填料，不添加消耗性填料，连续定量投加碳源，按碳氮比3：1投加，在缺氧，常温，pH6.5~8条件下，培养微生物，初期控制水力停留时间4h，当进水中总氮去除大于50%，逐渐提高进水量，直至水力停留时间1~2h后，稳定运行后连续检测出水1个月。

如图6和图7所示，经过1个月连续检测，尾水经对比例1处理后出水TN优于国标一级A出水标准，去除率稳定在60%左右，通过碳源精准投加，TN能满足地表水环境水环境质量标准Ⅳ类水标准。反硝化需外加碳源，导致出水COD波动较大，有出水超标风险。SO₄ ^2-、pH等指标与进水一致，出水SS经该工艺处理后，稳定小于10mg/L，满足国标一级A排放标准。

Claims (7)

1.一种自养反硝化连续砂滤脱氮装置，包括壳体（8），其特征在于：所述壳体（8）外设有进水管（1），压缩空气管（2），压力调节控制系统（3），出水口（9），洗砂水出口（10）和排空伐（12），所述壳体（8）内设有提砂及洗砂器（4），洗砂水可调节出水管（5）、橡胶套管（6）、填料（7）、布水系统（11）；

其中，所述进水管（1）设置于壳体（8）上部一端，所述出水口（9）和洗砂水出口（10）设置于壳体（8）上部的另一端，洗砂水出口（10）位于出水口（9）的下方，进水管（1）一端与布水系统（11）相连接；

所述压缩空气管（2）通过压力调节控制系统（3）设置于壳体（8）顶部；

所述排空伐（12）置于所述壳体（8）底部；

所述填料（7）填充于壳体（8）内；

所述提砂及洗砂器（4）与洗砂水可调节出水管（5）相连接，洗砂水可调节出水管（5）与洗砂水出口（10）相连接，洗砂水可调节出水管（5）上包覆有橡胶套管（6）；

所述提砂及洗砂器（4）包括提砂管（401）、洗砂迷宫（402）和洗砂器外壳（403）。

2.根据权利要求1所述的自养反硝化连续砂滤脱氮装置，其特征在于，所述洗砂水可调节出水管（5）通过调节出水及洗砂水液位差，实现调节洗砂水量可控制在3~5%。

3.根据权利要求1所述的自养反硝化连续砂滤脱氮装置，其特征在于，将所述洗砂迷宫（402）顶部角度设置为60°，与洗砂器外壳（403）之间留有2cm间隙，可将连续砂年损失量减少至1~3%。

4.根据权利要求1所述的自养反硝化连续砂滤脱氮装置，其特征在于，所述填料（7）由石英砂、还原性无机物颗粒、碳酸钙类矿物质组成，直径为0.8-1.2mm；所述石英砂密度为2.63g/cm³，硬度为7；所述还原性无机物颗粒密度为2-5g/ cm³，硬度为1~5；所述碳酸钙类矿物质密度为2.93g/cm³，硬度为2.5~5。

5.根据权利要求4所述的自养反硝化连续砂滤脱氮装置，其特征在于，所述还原性无机物颗粒为硫磺及硫化物。

6.根据权利要求5所述的自养反硝化连续砂滤脱氮装置，其特征在于，所述石英砂、硫磺、碳酸钙按质量比为5~10:1:1~2。

7.一种自养反硝化连续砂滤脱氮装置处理废水的工艺，其特征在于：步骤如下：

第一步：废水自进水管（1）进入系统，随进水管（1）自布水系统（11），废水经过填料床（7），经微生物进行自养反硝化脱氮后自装置上部出水口（9）排出；

第二步：废水中SS及老化脱落的生物膜被填料（7）截留在装置底部，通过提砂管（401）提升到顶部，经洗砂迷宫（402）进行清洗，利用洗砂器外壳（403）内液位差清洗底部提升上去的含SS及老化脱落的生物膜；

第三步：利用填料（7）及洗砂水的密度差，填料（7）经洗砂迷宫（402）清洗后回落壳体（8）底部；

第四步：洗砂水自洗砂水出口（10）排出，实现同一系统内去除SS同时脱氮。

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