CN112919732A - 一种基于硫自养的uad生物滤塔系统及脱氮方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污水处理脱氮技术领域，公开了一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统及方法，生物滤塔系统包括进水混合单元、驱氮均布单元、生物膜反应单元和集水排水单元。进一步，本发明公开了一种基于该系统的脱氮方法。该方法将自养反硝化菌固定在升流生物滤塔的高比表面积填料中，利用硫粉作为自养反硝化所需的电子供体，在无需外加有机碳源的情况下对污水中的硝态氮进行降解去除。本发明具有脱氮效率高、处理负荷高、出水水质优、运行控制智能化等优点，适用于高硝态氮工业废水的脱氮处理和市政污水二级出水的脱氮提标。
Description
技术领域
本发明涉及污水脱氮处理技术领域，公开了一种基于硫自养的UAD (Up-flowAutotrophic Denitrification)生物滤塔系统及脱氮方法。
背景技术
水体富营养化是近几十年来的一个全球现象，受人类活动的影响，河流、湖泊等水体中营养元素的排放量的增加使之趋于富营养化。水体发生富营养化发生时，某些藻类暴发，造成水质缺氧恶化，到处充斥鱼腥臭味，破坏了水体生态系统的稳定性，这将严重影响城市供水和饮水安全。水体富营养化的根本成因是营养元素氮和磷的增加。城镇污水厂二级处理出水和高硝态氮工业废水是污水氮元素排放的主要来源。
现有老旧污水处理厂(站)二级生化段中可生物降解的有机物含量低，即低 C/N时，水中原有碳源已无法满足生物反硝化脱氮时的要求，这时就需要向水中额外投加有机碳源。由此带来高运行成本、二次污染等问题，并且往往难以达到理想的脱氮处理效果。太阳能电池生产废水、铀矿矿区地下水等硝态氮含量较高，目前对于高浓度硝态氮废水多采用物理化学法处理，如反渗透、电渗析、离子交换法等，但处理成本较高，且维护较难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统及脱氮方法。装置中生物膜反应单元的菌群以生物膜型式存在，且菌群均为专性无机化能自养型的硫杆菌属，其代谢过程为在无氧或缺氧的环境下利用单质硫 (S)、硫化物(S2-)等为电子供体，以硝酸盐为电子受体将硝氮(NO3 -)还原为氮气(N2)同时将硫氧化为硫酸盐的自养反硝化过程。该装置以硫粉或废弃的硫化物沉淀为电子供体，无需外加有机碳源，既能满足资源化的利用，又能达到脱氮的目的；同时本发明具有脱氮效率高、处理负荷高、出水水质优、运行控制智能化等优点，适用于高硝态氮工业废水的脱氮处理和市政污水二级出水的脱氮提标。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统，包括UAD生物滤塔、进水混合单元，所述UAD生物滤塔内自下而上依次设置驱氮均布单元、生物膜反应单元和集水排水单元，所述生物膜反应单元包括固定有自养反硝化菌的硫自养滤料，所述硫自养滤料为陶瓷滤料，其比表面积为1m2/g以上，堆积空隙率≥40％，堆积密度在800～1100kg/m3；所述进水混合单元用于混合硫粉和经过二级生化处理后的，TN≤20mg/L，pH为6-9的污水，并将混合液输入所述UAD生物滤塔的位于所述生物膜反应单元下方的进水口；所述驱氮均布单元用于对所述硫自养滤料进行反冲洗。
进一步的，所述UAD生物滤塔的出水口布置有氧化还原电位仪、pH检测仪，进水口和出水口分别布置有硝氮检测仪表，进水前段布置压力检测仪表。 UAD生物滤塔连接的各条管路上分别设置电动阀门。通过氧化还原电位仪数值监测，能够判断UAD内反应是否处于缺氧状态；通过检测进出水pH变化，及时调整UAD内pH值，达到最佳的生物反应条件，当监测到出水pH低于6.5时，向水中添加碱度，以提高进水pH；通过检测进出水硝氮去除率及出水硝氮出水浓度，当发现出水硝氮值高于5mg/L或去除率低于40％时，即会向水中添加硫粉浑浊液。氧化还原电位仪、pH检测仪、压力检测仪表和硝氮检测仪表均与PLC 控制器连接，所述PLC控制器控制所述UAD生物滤塔系统的各个电动阀门的开关。
进一步的，所述驱氮均布单元包括反冲洗进水管和反冲洗空气管，其中反冲洗空气管位于反冲洗进水管上方，且上下中心线间距200mm。
进一步的，所述反冲洗进水管和反冲洗空气管采用大阻力配水系统，其配水形式为带有干管和穿孔支管的“丰”字形配水结构。
进一步的，穿孔管上的开孔率为0.2％～0.5％，支管下开两排小孔，孔口直径为3～12mm，与中心线呈45°角交错排列。
进一步的，所述生物膜反应单元包括滤板、配水滤头、承托层和硫自养滤料，所述配水滤头均布安装在滤板上；所述承托层位于滤板上方；所述硫自养滤料位于承托层上方。
进一步的，所述承托层按级配自下而上从大到小设置两级，下层第一级平均粒径宜为8～16mm，上层第二级平均粒径宜为4～8mm，每级高度≥100mm。
进一步的，所述硫自养滤料平均粒径为6～9mm，总高度为1.5～2.0m。
进一步的，所述集水排水单元包括稳流区和集排水渠，所述稳流区高度为 1.0～1.5m；所述集排水渠为三角堰，形式为周边布置，其上还布置有出水口、回流出口和反冲洗口。
进一步地，所述进水混合单元为管道式静态混合器，其内设多节固定螺旋叶片，使水流对称分流，同时产生涡流反向旋转及交叉流动，从而获得较好的硫粉混合效果。
一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统脱氮方法，包括如下步骤：将自养反硝化菌固定在升流生物滤塔的硫自养滤料中，利用硫粉作为自养反硝化所需的电子供体，在无需外加有机碳源的情况下对污水中的硝态氮进行降解去除，滤速为 3～7m/h。
本发明的有益效果是：
(1)运行成本低。不同于传统的污水处理异养脱氮方式，硫自养反硝化是一种新型的生物脱氮技术，该技术无需投加有机碳源，利用硫单质作为电子供体、无机碳为碳源，实现硝态氮的去除。
(2)脱氮效率高、处理负荷高。硫自养反硝化得益于生物膜法的特点，摆脱了因硝化菌世代期长而造成的泥龄限制，硫自养反硝化菌浓度得以增加，从而处理负荷得到提高。另外，由于UAD生物滤塔具有较高的高径比，且硫自养滤料优选陶瓷滤料，该滤料颗粒圆、均匀、表面粗糙、多微孔、内部空隙发达，比表面积大，可达到1m2/g以上，堆积空隙率≥40％，堆积密度在800～1100kg/m3。因此，其具有生物菌附着力强，繁殖快，挂膜效率高等优点，在低温低浊条件下仍具有较高的氨氮去除率。另外，该滤料还有化学性质稳定，寿命长等优点。得益于滤料的优异特点，在同等体积下，微生物浓度得到有效提高，使得脱氮效果提高，同等条件下，脱氮效果提升20％～40％。脱氮效果的提升，进一步增加了处理负荷，使得设备体积得以降低，因此具有节约占地面积的巨大优势。
(3)反冲洗方面，得益于滤料的有益特点，反冲洗耗水量低，仅为石英滤料的30％～40％。因此冲洗能耗低，冲洗时间缩短，使得设备能够更快的投入运行中。另外，UAD生物滤塔反冲洗频次约为1次/天，每次反冲洗后0.5h内即可恢复80％以上的脱氮效率，可稳定实现深度脱氮功能。此外，硫自养微生物利用硫单质作为电子供体进行反硝化，在实际运行中硫的损失量极少，硫粉悬浊液配置周期可延长至半月以上，因此，运行操作简单，可完全实现自动化控制。
(4)水力停留时间短、占地面积小。UAD生物滤塔采用智能模块化结构，其结构紧凑，较高的高径比，因此具有节约占地面积的巨大优势。同时基于硫自养反硝化的技术，还能取得较高的脱氮去除效率。此外，设备还设置有氧化还原电位仪、pH检测仪、压力检测仪表和硝氮检测仪表以及各种电动阀门，不仅能够判断生物反应的效率，还能够自动化的运行，运行操作简单。
(5)实际运行进水水质：pH6～9，TNTN≤20mg/L，出水TN能够稳定达到 5mg/L以下。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中各个标号的含义为：1、进水单元；2、硫粉混合器；3、进水口；4、驱氮均布单元；5、反冲洗进水管；6、反冲洗空气管；7、生物膜反应单元；8、滤板；9、配水滤头；10、承托层；11、硫自养滤料；12、集水排水单元；13、稳流区； 14、集排水渠；15、出水口；16、回流出口；17、反冲洗口；18回流进口。
图2为“丰”字形配水管结构示意图。
图中各个标号的含义为：19、进水口；20、母管；21、支管。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进一步说明：
如图1所示，一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统，包括进水单元、驱氮均布单元、生物膜反应单元、集水排水单元。
基于该装置，前期需进行培菌驯化UAD生物滤塔进行微生物培养，采用的微生物取自菌种，使用含氮废水来培养启动。污泥经过两周左右培养后，在UAD 生物滤塔中投加硫进行富集培养，驯化培养出具有自养特性的反硝化污泥。培养期间，每隔两天添加一次营养液并更换一次上清液，营养液主要成分为废水混合碳酸钠、硫溶液，驯化时间为14d左右，经测定出水NO3-N低于2mg/L，认为完成硫自养反硝化污泥的定向驯化。
UAD生物滤塔为周期运行，从开始过滤至反冲洗完毕为一个完整周期。具体过程为：经过二级生化后的污水与经过硫自养反硝化后的UAD生物滤塔出水按照回流比(50％～150％)及硫粉悬浊液在硫粉混合器中混合后进入UAD底部。硫粉混合器型式为管式静态混合器，其内设多节固定叶片，使水流称对分流，同时产生涡流反向旋转及交叉流动，从而获得较好的混合效果。
混合后的污水向上流动，通过布置在滤板上的配水滤头，在生物膜反应单元整个硫自养滤料截面上均匀分布，之后进入硫自养滤料缺氧区，缺氧区内的污水流速可达到3～7m/h。缺氧区内，硫自养反硝化菌，以单质硫(S)、硫化物(S2-) 等为电子供体，以硝酸盐为电子受体将硝氮(NO3 -)还原为氮气(N2)，实现反硝化脱氮。反应式如下式所示：
优选陶瓷滤料，该滤料颗粒圆、均匀、表面粗糙、多微孔、内部空隙发达，比表面积大，可达到1m2/g以上，堆积空隙率≥40％，堆积密度在800～1100kg/m3。因此，其具有生物菌附着力强，繁殖快，挂膜效率高等优点，在低温低浊条件下仍具有较高的氨氮去除率。另外，该滤料还有化学性质稳定，寿命长等优点。硫自养滤料平均粒径为2～6mm，总高度为1.5～2.0m。
流出硫自养滤料的净化后污水通过布置在UAD生物滤塔上的集排水渠排出。之后其出路为：①排至UAD生物滤塔外；②按回流比例与二级处理污水混合进入UAD生物滤塔实现硫自养反硝化；③用作反冲洗水。
UAD生物滤塔运行过程中会截留各种颗粒及胶体污染物及老化脱落的微生物膜，因此装置运行一段时间后会出现污堵情况，这时就需要进行反冲洗。UAD 生物滤塔进水前段布置有压力检测仪表，通过收集压力差的变化，自动判断反冲洗。反冲洗的过程如下：①关闭进水阀；②水单独冲洗；③空气单独冲洗；继而②、③步骤交替进行并重复几次；④用水漂洗一次。反冲洗后的UAD生物滤塔进入下一周期运行。
实际运行进水水质：pH6～9，TNTN≤20mg/L，出水TN能够稳定达到5mg/L 以下。
Claims (10)
1.一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统，其特征在于，包括UAD生物滤塔、进水混合单元，所述UAD生物滤塔内自下而上依次设置驱氮均布单元、生物膜反应单元和集水排水单元，所述生物膜反应单元包括固定有自养反硝化菌的硫自养滤料，所述硫自养滤料为陶瓷滤料，其比表面积为1m2/g以上，堆积空隙率≥40％，堆积密度在800～1100kg/m3；所述进水混合单元用于混合硫粉和经过二级生化处理，且TN≤20mg/L，pH为6-9的污水，并将混合液输入所述UAD生物滤塔的位于所述生物膜反应单元下方的进水口；所述驱氮均布单元用于对所述硫自养滤料进行反冲洗。
2.根据权利要求1所述的一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统，其特征在于，所述UAD生物滤塔的出水口布置有氧化还原电位仪、pH检测仪，进水口和出水口分别布置有硝氮检测仪表，进水前段布置压力检测仪表；氧化还原电位仪、pH检测仪、压力检测仪表和硝氮检测仪表均与PLC控制器连接，所述PLC控制器控制所述UAD生物滤塔系统的各个电动阀门的开关。
3.根据权利要求1所述的一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统，其特征在于，所述驱氮均布单元包括反冲洗进水管和反冲洗空气管，其中反冲洗空气管位于反冲洗进水管上方，且上下中心线间距200mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统，其特征在于，所述反冲洗进水管和反冲洗空气管的配水形式均为带有干管和穿孔支管的“丰”字形配水结构。
5.根据权利要求4所述的一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统，其特征在于，穿孔支管上的开孔率为0.2％～0.5％，穿孔支管下开两排小孔，孔口直径为3～12mm，与中心线呈45°角交错排列。
6.根据权利要求1所述的一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统，其特征在于，所述生物膜反应单元包括滤板、配水滤头、承托层和硫自养滤料，所述配水滤头均布安装在滤板上；所述承托层位于滤板上方；所述硫自养滤料位于承托层上方。
7.根据权利要求6所述的一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统，其特征在于，所述承托层按级配自下而上从大到小设置两级，下层第一级平均粒径宜为8～16mm，上层第二级平均粒径宜为4～8mm，每级高度≥100mm。
8.根据权利要求6所述的一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统，其特征在于，所述硫自养滤料平均粒径为6～9mm，总高度为1.5～2.0m。
9.根据权利要求1所述的一种基于硫自养的UAD生物滤塔系统，其特征在于，所述集水排水单元包括稳流区和集排水渠，所述稳流区高度为1.0～1.5m；所述集排水渠为三角堰，形式为周边布置，其上还布置有出水口、回流出口和反冲洗口。
10.基于权利要求1所述UAD生物滤塔系统的脱氮方法，其特征在于，包括如下步骤：将自养反硝化菌固定在升流生物滤塔的硫自养滤料中，利用硫粉作为自养反硝化所需的电子供体，在无需外加有机碳源的情况下对污水中的硝态氮进行降解去除，滤速为3～7m/h。
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