CN112978911B - 一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除cod-n-p的装置及方法 - Google Patents

一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除cod-n-p的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及环境保护和污水处理设备的技术领域，具体涉及一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD、氮和磷营养元素(COD‑N‑P)的装置及方法，装置包括密封的生物膜反应器，生物膜反应器内填充有三价铁矿物和接种污泥并布设有浸没式中空纤维微滤膜组件，所述生物膜反应器设置有进水口，所述浸没式中空纤维微滤膜组件设置有出水口。本发明不需要自控设备实现精确控氧，通过矿物的投加量以及矿物的颗粒大小来控制氧化能力，实现对COD的部分好氧去除和氨氮的亚硝化，进而在反硝化菌作用将产生的亚硝态氮(NO2 ‑‑N)转化为氮气；由三价铁矿物在铁还原菌的作用下产生的亚铁离子能通过沉淀反应更好的去除污水中的磷。

Description

一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装 置及方法
技术领域
本发明涉及环境保护和污水处理设备的技术领域，具体涉及一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装置及方法。
背景技术
随着农业化、工业化的快速发展和人民生活的提高，产生的大量生活污水、畜禽养殖废水以及其他同时含有COD、氨氮和磷等污染物的废水，已成为水环境污染重要因素之一。我国一般采用好氧二级生物处理或包括好氧曝气在内的生物脱氮除磷工艺去除这类废水，但这些常规生物处理工艺普遍存在流程复杂，占地大，能耗高、基建费和运转能耗费用高，污泥产率高等问题，制约其广泛应用。近年来，我国出台了多项政策推动水污染治理，一批以效率高、能耗低、成本少的厌氧氨氧化为代表的新型厌氧生物膜反应器技术在生物除污上脱颖而出。相比于传统好氧曝气除污方法，厌氧生物膜反应器技术处理有机废水不仅动能消耗少，污泥产量低，占地面积小同时还能回收生物能，实现污水的达标排放和可持续运行，有效解决当前条件下的水处理困局。
然而，常见的厌氧生物膜反应器对于含有高浓度COD、氨氮和磷营养元素的废水去除效果较差，主要是无氧情况下，氨氮无法氧化；而要实现厌氧氨氧化等处理目标，又对微生物启动和生化过程管理提出了较高要求，实际工程实施的难度较大。
采用限氧的方式进行COD和氨氮营养元素的脱除，是另一种生化处理思路。这一思路的核心是，通过引入有限的氧，使氨氮优先氧化为硝态氮和亚硝态氮，而废水中的有机物又可以作为反硝化的电子供体，实现反硝化脱氮。这一思路实现的前提是要能够提供合适的限氧的方式来实现较低的氧浓度，通常需要精确的控制氧曝气量，很难工程上实现。同时，这一思路对磷元素的去除也是非常有限的，更达不到目前我国规定的极低的磷排放标准。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装置，该装置不通过氧传感器来实现精确控氧，而是通过矿物的投加来提供氧源。通过控制矿物的量和矿物颗粒大小来控制氧化能力，实现对COD的部分好氧去除和氨氮的亚硝化，进而在反硝化菌作用下，将产生的亚硝态氮(NO2 --N)转化为氮气；同时，体系中的厌氧产甲烷菌将有机碳转化为CH4，从而产生可回收利用的生物气。进一步的，由三价铁矿物在铁还原菌的作用下产生的亚铁离子能通过沉淀反应更好的去除污水中的磷。
本发明的目的之二在于提供一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的方法，能得到高质量的出水水质，满足目前国内的废水处理排放标准，而且做到成本低，操作简便。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装置，包括密封的生物膜反应器，所述生物膜反应器内填充有三价氧化铁的矿物/人工合成原料和含有厌氧产甲烷菌、铁还原细菌和反硝化细菌的接种污泥，并布设有浸没式中空纤维微滤膜组件，所述生物膜反应器设置有的进水口，所述浸没式中空纤维微滤膜组件设置有出水口。
优选地，所述三价氧化铁的矿物为不含其它重金属的天然氧化铁矿物以及人工合成的三价氧化铁原料。所述三价氧化铁的矿物包括赤铁矿、针铁矿。
优选地，所述三价氧化铁的矿物的粒径为100微米-2毫米，每1立方米生物膜反应器有效体积添加1-10千克的三价铁矿物。
优选地，所述接种污泥在生物膜反应器中的浓度维持在12 g/L以上。
优选地，浸没式中空纤维微滤膜组件的体积占整个生物反应器体积的1/4-1/3。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的方法，将污水输入所述的装置进行废水处理。
优选地，进入所述生物膜反应器的废水COD与氨氮的浓度比值不低于10:1，COD的浓度不低于300 mg/L，氨氮浓度为<40 mg/L，总磷浓度为<10 mg/L。
优选地，废水进入所述生物膜反应器的流量范围为3～5 kg·COD·M-3·d-1。
优选地，控制所述生物膜反应器内的温度为30-35℃。
优选地，所述生物膜反应器内的溶解氧浓度低于0.5 mg/L。
采用本发明的基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装置处理多组分COD-N-P类污水前，污水处理区内需要填充适量的三价铁矿物以及投入一定量的含有铁还原细菌和反硝化细菌的的接种污泥。在污染物通过进水管进入生物膜反应器内时，进水管需要设计到厌氧生物膜反应器液面底部进行水封隔绝外部空气。在基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的工艺方法中，氨氮主要是以短程生物硝化-反硝化途径脱氮：（1）铁矿物作为供“氧”方式，在地杆菌、希瓦氏菌等的作用下，三价铁矿物被还原产生了亚铁离子的同时也使氨氮被氧化产生亚硝态氮；而且，在厌氧条件下，氨氮与一般的有机物相比，与铁矿物有更好的反应性，能够优先获得三价铁矿物中的氧；（2）以COD以及CH4等还原性有机物作为电子供体，通过中空纤维膜截留固体颗粒，形成高浓度污泥，能够强化反硝化菌的作用，最终将亚硝态氮转化为氮气。（3）体系内产生的亚铁离子有效的去除污水中的磷富营养元素，同时厌氧微生物亦能去除部分含磷类污染物。（4）体系的COD主要以厌氧生化方式去除，主要是产CO2和产甲烷过程。
(1) NH4 +-N + Fe(Ⅲ)OXNO2 --N + Fe(Ⅱ) + H2O
(2) NO2 --N + 2COD N2↑+ 2CO2↑
(3) 2NO2 --N + CH4 2N2↑+ CO2↑+ 2H2O
(4) 3Fe2+ + 2HPO4 2- + 8H2O Fe3(PO4)2•8H2O↓+ 2H+
中空纤维膜组件的每个分件顶端均通过出水管连接在出水自吸泵上，这种中空纤维膜组件外层形成较厚的生物膜，能够截留生化污泥，有效的防止污泥流失，提高污水处理效率，从而有效的缩小了处理设备的规模。为防止污泥堵塞造成清洗频率增加，膜组件的设计通量可以为常规的生物膜反应器的一半。
本发明具有以下优点和有益效果：针对目前国内厌氧生物膜技术去除COD、氨氮和磷的污水存在的问题，本发明通过研究提出三价铁矿物供“氧”的方式，不需要自控设备实现精确控氧，通过矿物的投加量以及矿物的颗粒大小来控制氧化能力，实现对氨氮的亚硝化，进而在反硝化菌作用将产生的亚硝态氮(NO2 --N)转化为氮气；同时，体系中的厌氧产甲烷菌将COD转化为CH4。进一步的，由三价铁矿物在铁还原菌的作用下产生的亚铁离子能通过沉淀反应更好的去除污水中的磷。
本发明的方法，只需在污水处理区填充适量的三价铁矿物（例如钢铁工业生产的氧化铁），而不需要昂贵的控氧及曝氧装置技术，极大的降低了处理污水的设备成本同时也优化了污水处理工艺的操作。在浸没式中空纤维膜的高效分离下，富集的厌氧微生物被截留在中空纤维膜组件上，大大减少了厌氧污泥的流失，保证厌氧生物膜反应处在较高的厌氧微生物浓度下进行。这种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的工艺方法不仅能得到高质量的出水水质，满足目前国内排污标准，而且该设备成本低，操作简便。
附图说明
图1是本发明的装置的结构示意图。
图中：1、污水箱，2、进水管，3、进水自吸泵，4、自动电加热元件，5、投料口，6、监测/控制元件，7、溶解氧测定仪，8、三价铁矿物和接种污泥，9、中空纤维膜组件，10、出气管，11、抽气泵，12、气体流量计，13、出水流量计，14、出水自吸泵，15、生物膜反应器。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1所示，一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装置，包括密封的生物膜反应器15，所述生物膜反应器15内填充有三价铁矿物和接种污泥8并布设有浸没式中空纤维微滤膜组件9，所述生物膜反应器设置有进水口，所述浸没式中空纤维微滤膜组件设置有出水口，进水口通过进水管2和进水自吸泵3连通污水箱1，出水口连通有出水自吸泵14和出水流量计13，生物膜反应器还设置有自动电加热元件4、监测/控制元件6、溶解氧测定仪7，通过监测/控制元件6、溶解氧测定仪7实时监控污水处理区内部氧含量的变化，生物膜反应器15还设置投料口5，用于添加三价铁矿物和接种污泥，在生物膜反应器15的顶部设置有出气管10、连通出气管10的抽气泵11和气体流量计12。
实施例2
一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的方法，通过进水自吸泵3将污水箱1中的污水通过进水管2抽至生物膜反应器15中。其有效容积为100cm × 50cm ×20cm，中空纤维膜的总面积为0.6 m2，内部填充0.8 kg且颗粒尺寸在20微米左右的针铁矿和投入1.2 kg的接种污泥，注入的污水流量控制为3 kg·COD·M-3·d-1且初水含COD浓度为400 mg/L，氨氮浓度为40 mg/L，总磷浓度为10 mg/L。自动电加热元件4保持污水处理区内水温在34±1 ℃范围，检测/控制元件6和溶解氧测定仪7实时监控污水处理区内部氧含量的变化。在注入污水初期，水力停留时间为48小时，当反应稳定后水力停留时间为24小时。然后通过出水自吸泵14对抽出的水质进行检测，得到的出水COD浓度减弱为15.20 mg/L，氨氮浓度降低到4.36 mg/L，总磷TP浓度为0.82 mg/L，表明经过生物膜反应器15处理后COD去除率达到96.2%，氨氮去除率达到89.1%同时对总磷也有较强的去除能力，总磷去除率达到91.8%。通过抽气泵11经过出气管10收集产生的气体并结合气相色谱相分析，得出CO2和CH4排放量分别占总COD去除率的21.2%和68.7%，产生的N2占总氨氮去除率的71.2%。通过对产生的污泥进行分析，得出污水中的6.3%的碳，17.9%的氮以及98%的磷转化到固型物（污泥、矿物及沉淀）。
通过高通量测序技术对浸没式生物膜上富集的厌氧微生物进行分析，分析结果证实了以地杆菌Geobacter和功能型厌氧反硝化菌Euryarchaeota和Candidatus在内的菌落大量富集，有助于提高氨氮的亚硝化和亚硝态氮的反硝化效率。试验证明，据此开发的基于铁矿物的厌氧生物膜反应器能有效的同步去除污水中的COD-N-P污染物。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
实施例3
一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的方法，将含有COD浓度为500 mg/L，氨氮浓度为30 mg/L，总磷浓度为8 mg/L的污水以5 kg·COD·M-3·d-1的流量输送至生物膜反应器15内，生物膜反应器15中填充1 kg的大颗粒状赤铁矿（平均颗粒尺寸为200微米）和投入1.2 kg的接种污泥，保持水温在34±1℃范围内。在注入污水初期，水力停留时间为24小时，当反应稳定后水力停留时间为12小时。分别检测出水水质中的COD、氨氮以及总磷含量。测得结果分别为出水COD浓度为29.7 mg/L，氨氮浓度是4.28 mg/L，总磷TP浓度为0.98 mg/L，表明经过铁矿物的厌氧生物膜反应器处理后COD去除率达到94.06%，氨氮去除率达到85.73%。同时对总磷也有较强的去除能力，总磷去除率达到87.75%。通过抽气泵11经过出气管10收集产生的气体并结合气相色谱相分析，实验结果表面CO2 和CH4排放量分别占总COD去除率的17.6%和68.9%，产生的N2占总氨氮去除率的64.2%，同样污水中总磷的22.5%是以磷酸铁、磷酸亚铁的沉淀形式被去除。通过对产生的污泥进行烘干再分析，得出污水中7.56%的碳，21.53%的氮以及95.25%的磷转化到污泥相。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装置，其特征在于：包括密封的生物膜反应器，所述生物膜反应器内填充有三价氧化铁的矿物/人工合成原料和含有厌氧产甲烷菌、铁还原细菌和反硝化细菌的接种污泥，并布设有浸没式中空纤维微滤膜组件，所述生物膜反应器设置有的进水口，所述浸没式中空纤维微滤膜组件设置有出水口。
2.根据权利要求1所述的基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装置，其特征在于：所述三价氧化铁的矿物为不含其它重金属的天然氧化铁矿物以及人工合成的三价氧化铁原料。
3.根据权利要求2所述的基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装置，其特征在于：所述三价氧化铁的矿物包括赤铁矿、针铁矿。
4.根据权利要求1所述的基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装置，其特征在于：所述三价氧化铁的矿物的粒径为100微米-2毫米，每1立方米生物膜反应器有效体积添加1-10千克的三价铁矿物。
5. 根据权利要求1所述的基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装置，其特征在于：所述接种污泥在生物膜反应器中的浓度维持在12 g/L以上。
6.根据权利要求1所述的基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的装置，其特征在于：浸没式中空纤维微滤膜组件的体积占整个生物反应器体积的1/4-1/3。
7.一种基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的方法，其特征在于：将污水输入权利要求1-6中任一项所述的装置进行废水处理。
8. 根据权利要求7所述的基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的方法，其特征在于：进入所述生物膜反应器的废水COD与氨氮的浓度比值不低于10:1，COD的浓度不低于300 mg/L，氨氮浓度为<40 mg/L，总磷浓度为<10 mg/L。
9. 根据权利要求7所述的基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的方法，其特征在于：废水进入所述生物膜反应器的流量范围为3～5 kg·COD·M-3·d-1。
10.根据权利要求7所述的基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的方法，其特征在于：控制所述生物膜反应器内的温度为30-35℃。
11. 根据权利要求7所述的基于铁矿物的厌氧生物膜反应器同步去除COD-N-P的方法，其特征在于：所述生物膜反应器内的溶解氧浓度低于0.5 mg/L。
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