CN112811585B - 一种强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜工艺及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜工艺及装置，包括SBR反应器，SBR反应器包括器体，器体外侧设有光照组件，器体内设有厌氧氨氧化生物膜脱氮系统，厌氧氨氧化生物膜脱氮系统包括填料架，填料架内固定有碳布，碳布与光照组件对应设置，填料架中部穿设有搅拌组件，本发明通过光热效应实现厌氧氨氧化生物膜系统的快速启动，并且光刺激促进微生物的离子信号传导，不仅减少加热所需能耗，还提高了系统的脱氮效率。

Description

一种强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜工艺及装置
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别是涉及一种强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜工艺及装置。
背景技术
近些年大量含氮废水的超标排放引起了水体富营养化，对水生态环境和饮水安全造成了极大的危害。生物脱氮由于其经济效益高，是污水脱氮最常采用的技术。目前污水处理厂普遍采用硝化反硝化工艺，但其工艺流程长，耗氧量大，需要外加碳源，运行费用较高。因此可节省碳源和能源并能够高效脱氮的厌氧氨氧化技术是目前脱氮研究的一个热点。但是厌氧氨氧化技术由于反应温度高、微生物生长缓慢、启动时间长等缺点，限制了其应用。虽然可以采用厌氧氨氧化和生物膜耦合，通过形成厌氧氨氧化生物膜工艺促进微生物富集，但温度的影响仍是其应用的主要限制因素之一，特别是在气温较低的地区无法实现有效应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜工艺及装置，以解决上述现有技术存在的问题，通过光热效应，促进微生物在载体表面快速形成生物膜，缩短厌氧氨氧化生物膜系统的启动时间。同时，当微生物表面发生光刺激时，细胞膜上离子信号传导加快，微生物的生存能力与活性得到提高。本发明能够实现厌氧氨氧化生物膜系统的快速启动，并通过光热效应维持反应所需的温度，不仅能够提高系统的脱氮效率，还可以减少加热所需的能耗，为厌氧氨氧化生物膜系统在中低温地区的应用提供新思路。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜工艺及装置，包括SBR反应器，所述SBR反应器包括器体，所述器体外侧设有光照组件，所述器体内设有厌氧氨氧化生物膜脱氮系统，所述厌氧氨氧化生物膜脱氮系统包括填料架，所述填料架内固定有碳布，所述碳布与所述光照组件对应设置，所述填料架中部穿设有搅拌组件；
所述器体两端分别连通有进水机构和出水机构；
所述厌氧氨氧化生物膜脱氮系统包括监测组件，所述监测组件用于测量pH值和温度值。
优选的，所述进水机构包括依次连通的进水箱、进水管、进水泵，所述出水机构包括依次连通的出水泵、出水管、出水箱，所述器体两端分别连通所述进水泵的输出端和所述出水泵的输入端。
优选的，所述搅拌组件包括依次连接的搅拌桨、连杆和电机，所述电机固定在所述器体的顶部，所述连杆贯穿所述填料架，所述搅拌桨位于所述填料架底部。
优选的，所述监测组件包括pH计和温度计，所述pH计和所述温度计的探头端伸入至所述器体内。
优选的，所述光照组件包括支架和固定在所述支架上的LED灯，所述LED灯与所述碳布对应设置。
优选的，所述LED灯的功率为30-50W。
优选的，所述器体由透光材料制成。
一种强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜工艺，包括以下步骤：
打开光照组件，通过光照组件的照射，碳布温度逐渐上升，通过进水机构引入含氮废水，开启搅拌组件对SBR反应器内的含氮废水进行搅拌，使得水温逐渐升高，根据监测组件监测水温，当水温较高时，光照组件远置，当水温较低时，光照组件近置；
含氮废水进入SBR反应器后，在搅拌组件的作用下与碳布上的微生物接触，微生物将大部分的氨氮和亚硝态氮转化为氮气脱除，少量以硝态氮形式留在含氮废水中，当含氮废水中存在有机物时，微生物会进行反硝化作用进一步脱除总氮；
反应过程中，水的pH值会先上升，当出现下降拐点时，关闭光照组件并关闭搅拌组件，静置半小时后通过排水机构排水50％，进入下一个反应周期。
优选的，所述水温控制在30±2℃。
优选的，所述微生物为厌氧氨氧化菌。
本发明公开了以下技术效果：开启进水机构向SBR反应器中引入含氮废水，打开光照组件，可通过调整光照组件与SBR反应器间的距离来调整SBR反应器内水温，通过光热效应提高SBR反应器内温度，能够节省传统加热所消耗的能源；开启搅拌组件对SBR反应器内的含氮废水进行搅拌，在搅拌组件的作用下含氮废水与碳布上的微生物充分接触，微生物将大部分的氨氮和亚硝态氮转化为氮气脱除；光照组件的照射使得微生物表面发生光刺激，促进细胞间的离子通道进一步开放，促进细胞内外如钙离子，钾离子等离子信号的传导，同时提高微生物的生存能力与活性，随着碳布温度逐渐上升，碳布上的电子有助于细胞信号离子的传导，使得微观电化学与生物膜进行结合，促进了碳布上的微生物之间的信息传导，从而提高厌氧氨氧化生物膜系统的脱氮效率；剩余少量的氨氮和亚硝态氮以硝态氮形式留在含氮废水中，当含氮废水中存在有机物时，微生物会进行反硝化作用进一步脱除总氮；选择具有吸收光谱宽、光热性能好、有良好生物相容性的碳布作为生物膜载体，通过光热效应，能够使反应器内快速升温，增加微生物活性，促进微生物的附着生长，有利于生物膜的快速形成，缩短厌氧氨氧化生物膜系统的启动时间；根据监测组件监测水温，当水温较高时，光照组件远置，当水温较低时，光照组件近置；反应过程中，监测组件用来检测并记录反应器内的反应状况，同时判定反应时间，水的pH值会先上升，当出现下降拐点时，表明反应结束，关闭光照组件并关闭搅拌组件，静置沉淀半小时后通过排水机构排水50％，进入下一个反应周期。本发明结构简单，操作方便，通过光热效应实现厌氧氨氧化生物膜系统的快速启动，并且光刺激促进微生物的离子信号传导，不仅减少加热所需能耗，还提高了系统的脱氮效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜的装置的结构示意图。
其中，1为进水箱，2为进水管，3为进水泵，4为LED灯，5为SBR反应器，6为填料架，7为碳布，8为搅拌桨，9为出水泵，10为出水管，11为出水箱，12为pH计，13为温度计，14为器体，15为连杆，16为电机，17为支架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，本发明提供一种强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜工艺及装置，包括SBR反应器5，所述SBR反应器5包括器体14，所述器体14外侧设有光照组件，所述器体14两端分别连通有进水机构和出水机构；开启进水机构向SBR反应器5中引入含氮废水，打开光照组件，可通过调整光照组件与SBR反应器5间的距离来调整SBR反应器5内水温，通过光热效应提高SBR反应器5内温度，能够节省传统加热所消耗的能源，所述器体14内设有厌氧氨氧化生物膜脱氮系统，所述厌氧氨氧化生物膜脱氮系统包括填料架6，所述填料架6内固定有碳布7，选择具有吸收光谱宽、光热性能好、有良好生物相容性的碳布7作为生物膜载体，通过光热效应，能够使SBR反应器5内快速升温，增加微生物活性，促进微生物的附着生长，有利于生物膜的快速形成，缩短厌氧氨氧化生物膜系统的启动时间；所述碳布7与所述光照组件对应设置，光照组件使得碳布7温度逐渐上升，碳布7上的电子有助于细胞信号离子的传导，使得微观电化学与生物膜进行结合，促进了碳布7上的微生物之间的信息传导，从而提高厌氧氨氧化生物膜系统的脱氮效率，所述填料架6中部穿设有搅拌组件；开启搅拌组件对SBR反应器5内的含氮废水进行搅拌，在搅拌组件的作用下含氮废水与碳布7上的微生物充分接触，微生物将大部分的氨氮和亚硝态氮转化为氮气脱除，光照组件的照射使得微生物表面发生光刺激，促进细胞间的离子通道进一步开放，促进细胞内外如钙离子，钾离子等离子信号的传导，同时提高微生物的生存能力与活性，所述厌氧氨氧化生物膜脱氮系统包括监测组件，所述监测组件用于测量pH值和温度值，同时监测组件还可以检测并记录反应器内的反应状况，并判定反应时间。
进一步优化方案，所述进水机构包括依次连通的进水箱1、进水管2、进水泵3，所述出水机构包括依次连通的出水泵9、出水管10、出水箱11，所述器体14两端分别连通所述进水泵3的输出端和所述出水泵9的输入端。
进一步优化方案，所述搅拌组件包括依次连接的搅拌桨8、连杆15和电机16，所述电机16固定在所述器体14的顶部，所述连杆15贯穿所述填料架6，所述搅拌桨8位于所述填料架6底部。
进一步优化方案，所述监测组件包括pH计12和温度计13，所述pH计12和所述温度计13的探头端伸入至所述器体14内，对器体14内的含氮废水进行测量，pH计12用来检测并记录SBR反应器5内的反应状况，同时判定反应时间。
进一步优化方案，所述光照组件包括支架17和固定在所述支架上的LED灯4，所述LED灯4与所述碳布7对应设置，所述LED灯4的功率为30-50W，LED灯4距SBR反应器5外壁10-40cm，可通过调整此距离来维持SBR反应器5内水温在30±2℃左右。
进一步优化方案，所述器体14由透光材料制成，便于光照透过器体14。
一种强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜工艺，包括以下步骤：
打开光照组件，通过光照组件的照射，碳布7温度逐渐上升，通过进水机构引入含氮废水，开启搅拌组件对SBR反应器5内的含氮废水进行搅拌，使得水温逐渐升高，根据监测组件监测水温，当水温较高时，光照组件远置，当水温较低时，光照组件近置，优选的，水温控制在30±2℃；
含氮废水进入SBR反应器5后，在搅拌组件的作用下与碳布7上的微生物接触，SBR反应器5有效体积为3.5L，SBR反应器5中填充由碳布7组成的填料，碳布7打结作为载体的投加量约为0.3m3/m3，优选的，微生物为厌氧氨氧化菌，微生物将大部分的氨氮和亚硝态氮转化为氮气脱除，少量以硝态氮形式留在含氮废水中，当含氮废水中存在有机物时，微生物会进行反硝化作用进一步脱除总氮；
反应过程中，水的pH值会先上升，当出现下降拐点时，关闭光照组件并关闭搅拌组件，静置半小时后通过排水机构排水50％，进入下一个反应周期，当光照10h时，pH出现下降拐点，表明反应结束，关闭光照和搅拌，SBR反应器5静沉半小时后排水。经测定可发现经过10小时光照，SBR反应器5总氮去除率达到70％以上，相比无光照的同等条件下，总氮去除率至少高出31％。可以明显看出在光照条件下碳布7作为填料时脱氮的优势。
反应开始前需进行生物膜挂膜准备阶段：SBR反应器5有效体积为3.5L，SBR反应器5中填充由碳布7组成的填料，碳布7打结作为载体的投加量约为0.3m3/m3，并向SBR反应器5中投入适量的微生物，微生物投入时堆积在一起呈现菌泥的形态。进水箱1中是NH4 +-N浓度约为90mg/L、NO2 --N浓度约为100mg/L的模拟含氮废水，其溶解氧低于0.30mg/L，在进水泵3的动力下进入SBR反应器5中，pH值调为8.0左右，进水时间优选的控制在0.5小时左右；进水完成后，打开光照组件和搅拌组件，随着光照组件的持续光照和搅拌组件的持续搅拌，微生物附着在碳布7上形成生物膜，优选的光照和搅拌时间控制在5小时左右；静置1小时后，打开出水泵9，在出水泵9的动力下将上清液经出水管10排至出水箱11，优选的排出上清液的体积占总含氮废水体积的50％，剩余的部分沉淀物为未附着的微生物菌泥；再进入下一个反应周期，优选的每天进行一个反应周期，直至所有的微生物附着在碳布7上形成完整的生物膜，即完成生物膜挂膜准备阶段。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜装置，其特征在于：包括SBR反应器(5)，所述SBR反应器(5)包括器体(14)，所述器体(14)外侧设有光照组件，所述器体(14)内设有厌氧氨氧化生物膜脱氮系统，所述厌氧氨氧化生物膜脱氮系统包括填料架(6)，所述填料架(6)内固定有碳布(7)，所述碳布(7)与所述光照组件对应设置，所述填料架(6)中部穿设有搅拌组件；
所述器体(14)由透光材料制成；
所述器体(14)两端分别连通有进水机构和出水机构；
所述厌氧氨氧化生物膜脱氮系统包括监测组件，所述监测组件用于测量pH值和温度值。
2.根据权利要求1所述的强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜装置，其特征在于：所述进水机构包括依次连通的进水箱(1)、进水管(2)、进水泵(3)，所述出水机构包括依次连通的出水泵(9)、出水管(10)、出水箱(11)，所述器体(14)两端分别连通所述进水泵(3)的输出端和所述出水泵(9)的输入端。
3.根据权利要求1所述的强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜装置，其特征在于：所述搅拌组件包括依次连接的搅拌桨(8)、连杆(15)和电机(16)，所述电机(16)固定在所述器体(14)的顶部，所述连杆(15)贯穿所述填料架(6)，所述搅拌桨(8)位于所述填料架(6)底部。
4.根据权利要求1所述的强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜装置，其特征在于：所述监测组件包括pH计(12)和温度计(13)，所述pH计(12)和所述温度计(13)的探头端伸入至所述器体(14)内。
5.根据权利要求1所述的强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜装置，其特征在于：所述光照组件包括支架(17)和固定在所述支架上的LED灯(4)，所述LED灯(4)与所述碳布(7)对应设置。
6.根据权利要求5所述的强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜装置，其特征在于：所述LED灯(4)的功率为30-50W。
7.一种强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜工艺，根据权利要求1-6任一项所述的强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜装置，其特征在于：包括以下步骤：打开光照组件，通过光照组件的照射，碳布温度逐渐上升，通过进水机构引入含氮废水，开启搅拌组件对SBR反应器(5)内的含氮废水进行搅拌，使得水温逐渐升高，根据监测组件监测水温，当水温较高时，光照组件远置，当水温较低时，光照组件近置；含氮废水进入SBR反应器(5)后，在搅拌组件的作用下与碳布(7)上的微生物接触，微生物将大部分的氨氮和亚硝态氮转化为氮气脱除，少量以硝态氮形式留在含氮废水中，当含氮废水中存在有机物时，微生物会进行反硝化作用进一步脱除总氮；反应过程中，水的pH值会先上升，当出现下降拐点时，关闭光照组件并关闭搅拌组件，静置半小时后通过排水机构排水50％，进入下一个反应周期。
8.根据权利要求7所述的强化生物脱氮的厌氧氨氧化生物膜工艺，其特征在于：所述水温控制在30±2℃。
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