CN113044976A - 一种强化厌氧氨氧化的水处理装置及处理方法 - Google Patents
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Abstract
一种强化厌氧氨氧化的水处理装置及处理方法属于水处理技术领域，装置包括：反应器筒体，在反应器筒体的底部设置有进水口，在反应器筒体的顶部设置有排气口；在反应器筒体内设置有厌氧氨氧化反应区，在所述厌氧氨氧化反应区内投加有铁粉；所述水处理装置还设置有超声波装置，所述超声波装置向所述厌氧氨氧化反应区发射超声波辐照。本发明中超声波与铁粉的联合使用能够从化学、生物两个方面强化厌氧氨氧化反应器，既强化了厌氧氨氧化菌的活性，又可以减少出水中硝态氮的含量，还能节约铁粉。本申请中的水处理方法操作简便、成本低、脱氮效果好且不会产生有害副产物，具有较强的使用价值。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种强化厌氧氨氧化的水处理装置及处理方法。
背景技术
厌氧氨氧化菌能够在缺氧条件下将铵氮和亚硝酸盐还原为氮气并生成11％的硝酸盐。与传统的生物脱氮工艺相比，厌氧氨氧化能够有效节约能源，可减少约60％的耗氧量以及100％的碳源，同时还具有产泥量少的优点，是一种具有广泛应用前景的生物脱氮技术。但是在现阶段，厌氧氨氧化工艺仍未全面普及，这主要是因为厌氧氨氧化工艺还存在着厌氧氨氧化菌世代时间长(7-14天)、反应器启动时间长以及出水中总氮过高等问题。
铁元素是微生物必不可少的营养元素，尤其是对厌氧氨氧化菌而言。厌氧氨氧化菌含有亚铁血红素以及Fe-S蛋白、亚硝酸盐还原酶以及肼脱氢酶等，这些物质的形成均需要铁离子与亚铁离子的参与。因此投加铁能通过刺激这些关键酶的活性，增强厌氧氨氧化菌活性从而强化厌氧氨氧化反应器的。除此之外，铁具有较强的还原性，能够将水溶液中的氧气、硝态氮等物质还原进而生成亚铁离子，这不仅能够降低出水中硝酸盐的浓度，而且还能创造对厌氧氨氧化菌有利的厌氧环境，释放出对厌氧氨氧化菌有促进作用的亚铁离子。
投加铁粉能够从多方面强化厌氧氨氧化反应器的脱氮性能，但是其仍旧存在的问题在于，投加到反应器之中的铁粉在与残留的溶解氧以及硝酸盐反应的过程中会被逐渐腐蚀，导致其表面被一层氧化物膜所覆盖，阻碍了铁粉与硝态氮的持续反应以及亚铁离子的释放，缩减了铁粉的使用寿命。这种情况下，为了实现铁粉强化厌氧氨氧化反应器的长期性，则需要较为频繁地更换反应器中的铁粉，从而增加了工艺的运行成本。
发明内容
本发明解决的是现有技术中铁粉强化厌氧氨氧化反应装置中的铁粉易被氧化的技术问题，进而提供一种能够有效延长铁粉使用寿命，同时提高厌氧氨氧化反应效率的强化厌氧氨氧化的水处理装置，本发明同时提供了基于该水处理装置的水处理方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种强化厌氧氨氧化的水处理装置，包括：反应器筒体，在所述反应器筒体的底部设置有进水口，顶部设置有排气口，所述反应器筒体的出水口位于所述进水口的上方；在所述反应器筒体内设置有厌氧氨氧化反应区，所述厌氧氨氧化反应区内的厌氧氨氧化污泥颗粒层对废水进行厌氧氨氧化处理，在所述厌氧氨氧化反应区内投加有铁粉；所述水处理装置还设置有超声波装置，所述超声波装置向所述厌氧氨氧化反应区发射超声波辐照。
在所述厌氧氨氧化反应区内设置有两端开口的圆柱形筒体，所述超声波装置安装在所述圆柱形筒体的上方，由上向下向所述厌氧氨氧化反应区发射超声波辐照。
在所述反应器筒体内安装有阴离子树脂填料。
所述阴离子树脂填料安装在所述厌氧氨氧化反应区内。
与所述排气口连通设置有氮气收集装置，所述氮气收集装置通过抽气管道与所述反应器筒体的底部连通。
废水进入水处理装置的反应器筒体，在所述反应器筒体内的厌氧氨氧化反应区进行厌氧氨氧化反应；在所述厌氧氨氧化反应区内投加有铁粉，所述铁粉在废水中的投加量为200-400mg/L；使用超声波装置对所述厌氧氨氧化反应区进行超声波辐照，辐照强度为0.2-0.4w/ml。
厌氧氨氧化反应区的废水的pH值为7.3-7.7，反应温度为34-36℃。
每隔7天使用超声波装置对所述厌氧氨氧化反应区进行一次超声波辐照操作；超声波辐照操作采用间歇式辐照的方式，间歇式辐照的工作时间为4-8秒钟；相邻两次工作时间之间的间隔时间也为4-8秒钟，单次超声波辐照操作的辐照总时长为3-5min。
还包括使用阴离子树脂填料对废水进行吸附处理。
所述阴离子树脂填料安装在所述厌氧氨氧化反应器区。
本申请所述的强化厌氧氨氧化的水处理装置及处理方法，优点在于：
本申请在厌氧氨氧化反应区投加铁粉，同时设置超声波装置进行辐照，超声波是一种机械波，在这种机械力的作用下，金属表面的氧化膜会遭到破坏，从而延缓了厌氧氨氧化反应器中铁的腐蚀，延长了铁粉的使用寿命。此外超声对厌氧氨氧化菌活性也有增强作用，低强度低频率的超声波不会使细胞因空化而失活，反而可以起到增强细胞壁通透性、强化酶活性、刺激胞外聚合物分泌的。超声波与铁粉的联合使用能够从化学、生物两个方面强化厌氧氨氧化反应器，既强化了厌氧氨氧化菌的活性，又可以减少出水中硝态氮的含量，还能节约铁粉。本申请中的水处理方法操作简便、成本低、脱氮效果好且不会产生有害副产物，具有较强的使用价值。
作为优选的实施方式，本申请在所述反应器筒体内还安装有阴离子树脂填料。一方面，所述阴离子树脂填料可吸附废水中的硝酸盐离子，减少出水中硝酸盐的含量。另一方面，其吸附效果也可减少废水中游离态的硝酸盐，从而减少硝酸盐与铁离子之间的反应，减缓铁盐的氧化，提高铁盐的使用寿命。本申请优选所述阴离子树脂填料安装在所述厌氧氨氧化反应区内，在所述厌氧氨氧化反应区内，厌氧氨氧化菌会在所述阴离子树脂填料的表面挂膜，从而结合所述阴离子树脂填料表面废水中的亚硝酸盐离子对废水中的氨氮进行处理，提升厌氧氨氧化处理的效率。
为了使本发明所述的强化厌氧氨氧化的水处理装置及处理方法的技术方案及更加清楚明白，以下结合附图和具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。
附图说明
如图1所示是本发明所述的强化厌氧氨氧化的水处理装置的结构示意图；
如图2所示是本发明所述的设置有阴离子树脂填料的强化厌氧氨氧化的水处理装置的结构示意图；
其中附图标记为；
1-超声波装置；2-出水口；3-反应器筒体；4-进水管；5-排气口；6-超声波装置的振子；7-厌氧氨氧化反应区；8-圆柱形筒体；9-厌氧氨氧化污泥颗粒层；10-收缩部；11-集气室；12-排气阀；13-气压监测仪器；14-抽气管道；15-抽气泵；16-阴离子树脂填料。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种强化厌氧氨氧化的水处理装置，如图1所示，包括：反应器筒体3，在所述反应器筒体3的底部设置有进水口，废水通过与所述进水口连通进水管4进入筒体。在所述反应器筒体3的顶部设置有排气口5，反应器筒体3的出水口2设置在进水口的上方，本实施方式中所述反应器筒体3的底部设置为收缩部10，进水口位于所述收缩部10的底端，出水口2设置在反应器筒体3的侧壁上，且设置有多个，从而形成升流式反应器。在所述反应器筒体3内设置有厌氧氨氧化反应区7，所述厌氧氨氧化反应区7内的厌氧氨氧化污泥颗粒层9对废水进行厌氧氨氧化处理，在所述厌氧氨氧化反应区7内投加有铁粉。
所述水处理装置还设置有超声波装置1，所述超声波装置1具体采用超声波细胞粉碎仪。为了增强超声效果，本实施方式中，在所述厌氧氨氧化反应区7内设置有两端开口的圆柱形筒体8，所述超声波装置1安装在所述圆柱形筒体8的上方，由上向下向所述厌氧氨氧化反应区7发射超声波辐照。所述圆柱形筒体8的顶端边缘位于废水液面的下方，同时位于所述厌氧氨氧化污泥颗粒层9的上方，比所述厌氧氨氧化污泥颗粒层9高出1-2cm，下沿则延伸至所述厌氧氨氧化污泥颗粒层9内部，所述铁粉投加在所述圆柱形筒体8内部。
所述的强化厌氧氨氧化的水处理装置在运行时，需要先接种污泥，本实施方式中以厌氧氨氧化污泥为接种污泥，在接种前用35℃的储备液冲洗三次以去除污泥自身所携带的含氮物质。接种污泥容积占反应器总容积的25％-30％，污泥浓度为1.68g/VSS/L。其中所述储备液的溶质组成为:氨氮，45-55mg/L；亚硝态氮，45-55mg/L；KHCO3，125mg/L；KH2PO4，54mg/L；FeSO4·7H2O，9mg/L；EDTA，5mg/L；溶剂为自来水。所述储备液中还添加有第一微量元素水溶液和第二微量元素水溶液。其中所述第一微量元素水溶液的溶质组成为：NaCl，500mg/L；KCl，700mg/L；CaCl2·2H2O，700mg/L；MgSO4·7H2O,500mg/L。所述第二微量元素水溶液的溶质组成为:CuSO4·5H2O,0.25mg/L；ZnSO4·7H2O，0.43mg/L；CoCl2·6H20，0.24mg/L；MnCl2·4H2O，0.99mg/L；NaMoO4·2H2O，0.22mg/L；NiCl2·6H2O，0.19mg/L；NaSeO4，0.11mg/L；H3BO4，O.O14mg/L。储备液中第一微量元素水溶液的添加量为2ml/L；第二微量元素水溶液的添加量为1ml/L。
基于本实施例中所述的强化厌氧氨氧化的水处理装置的水处理方法，包括以下步骤：
将废水的pH值调节至7.3-7.7后，由进水口送入所述反应器筒体3，在所述反应器筒体3内的厌氧氨氧化反应区7进行厌氧氨氧化反应，本实施例中初始废水中的亚硝态氮和氨氮浓度均为75mg/L，溶解氧(DO)浓度小于0.5mg/L。在运行过程中，通过酸碱调节，控制所述厌氧氨氧化反应区7的废水的pH值为7.3-7.7，反应温度为34-36℃。在所述厌氧氨氧化反应区7内投加有铁粉，本实施例中所述铁粉投加在圆柱形筒体8内部。述铁粉在废水中的投加量为300mg/L，所投加铁粉的粒径范围为30-60um，纯度为99％；铁粉在被投加到反应器内之前，先用0.5mol/L的HCl溶液浸泡30分钟，以去除铁粉表面的氧化物。在运行过程中每隔7天使用超声波装置对所述厌氧氨氧化反应区进行一次超声波辐照操作；超声波频率为30kHz，辐照强度为0.4w/ml。使用超声波装置1对所述厌氧氨氧化反应区7进行超声波辐照操作时，采用间歇式辐照的方式，所述超声波装置1的工作时间为5秒钟；每两次工作时间之间的间隔时间也为5秒钟，单次超声波辐照操作的辐照总时长为4min。为了扩大辐照范围，本实施例中所述超声波细胞粉碎仪的振子6浸入液面之下1-3cm，以使所有厌氧氨氧化污泥颗粒都能被超声波辐射到。
本实施例中所述水处理方法处理后的出水中，氨氮含量为2.99mg/L，亚硝氮含量为1.76mg/L，硝氮含量为2.44mg/L。
实施例2
本实施例提供了一种强化厌氧氨氧化的水处理装置，如图2所示，包括：反应器筒体3，在所述反应器筒体3的底部设置有进水口，废水通过与所述进水口连通进水管4进入筒体。在所述反应器筒体3的顶部设置有排气口5，反应器筒体3的出水口2设置在进水口的上方，本实施方式中所述反应器筒体3的底部设置为收缩部10，进水口位于所述收缩部10的底端，出水口2设置在反应器筒体3的侧壁上，且设置有多个，从而形成升流式反应器。在所述反应器筒体3内设置有厌氧氨氧化反应区7，具体位于所述收缩部10的上方，所述厌氧氨氧化反应区7内的厌氧氨氧化污泥颗粒层9对废水进行厌氧氨氧化处理，在所述厌氧氨氧化反应区7内投加有铁粉。
所述水处理装置还设置有超声波装置1，所述超声波装置1具体采用超声波细胞粉碎仪。为了增强超声效果，本实施方式中，在所述厌氧氨氧化反应区7内设置有两端开口的圆柱形筒体8，所述超声波装置1安装在所述圆柱形筒体8的上方，由上向下向所述厌氧氨氧化反应区7发射超声波辐照。所述圆柱形筒体8的顶端边缘位于废水液面的下方，同时位于所述厌氧氨氧化污泥颗粒层9的上方，比所述厌氧氨氧化污泥颗粒层9高出1-2cm，下沿则延伸至所述厌氧氨氧化污泥颗粒层9的内部，所述铁粉投加在所述圆柱形筒体8内部。
本实施例在所述反应器筒体3内还安装有阴离子树脂填料16，作为优选的实施方式，所述阴离子树脂填料16安装在所述厌氧氨氧化反应区7内。本实施例中，所述阴离子树脂填料16安装在所述圆柱形筒体8的上方，贴近所述反应器筒体的内壁设置，所述阴离子树脂采用苯乙烯系强碱阴离子交换树脂，可吸附水体中的硝酸盐和亚硝酸盐，所述阴离子树脂封装在透水材料中，形成阴离子树脂填料16，本实施例中所述透水材料采用无纺布，所述阴离子树脂填料16为沿竖直方向延伸的柱状体。作为可选择的实施方式，所述阴离子树脂填料16适宜采用现有技术中任意能够去除硝酸盐的树脂材料。
作为优选的实施方式，本实施例中的反应器筒体3的所述排气口5与氮气收集装置连通，本实施例中所述氮气收集装置为集气室11，所述集气室11通过抽气管道14与所述反应器筒体3的底部连通。所述集气室11设置有排气阀12和气压监测仪器13，用于监控集气室11内的气压，并在气压过高时进行排气操作。在抽气管道14上设置有抽气泵15，用于将集气室11内收集的氮气通入所述反应器筒体3的底部，本实施例中所述抽气管道14的出气口与废水的进水管4连通。
所述的强化厌氧氨氧化的水处理装置在运行时，需要先接种污泥，接种方法同实施例1。
基于本实施例中所述的强化厌氧氨氧化的水处理装置的水处理方法，包括以下步骤：
将废水的pH值调节至7.3-7.7后，由进水口送入所述反应器筒体3，在所述反应器筒体3内的厌氧氨氧化反应区7进行厌氧氨氧化反应，本实施例中初始废水中的亚硝态氮和氨氮浓度均为75mg/L，溶解氧(DO)浓度小于0.5mg/L。在运行过程中，通过酸碱调节，控制所述厌氧氨氧化反应区7的废水的pH值为7.3-7.7，反应温度为34-36℃。在所述厌氧氨氧化反应区7内投加有铁粉，铁粉在废水中的投加量为300mg/L，所投加铁粉的粒径范围为30-60um，纯度为99％；铁粉在被投加到反应器内之前，先用0.5mol/L的HCl溶液浸泡30分钟，以去除铁粉表面的氧化物。同时每隔7天使用超声波装置1对所述厌氧氨氧化反应区7进行一次超声波辐照操作，超声波频率为20kHz，辐照强度为0.2w/ml。使用超声波装置1对所述厌氧氨氧化反应区7进行超声波辐照操作时，采用间歇式辐照的方式，所述超声波装置1每次的工作时间为8秒钟；每两次工作时间之间的间隔时间也为8秒钟，单次超声波辐照操作的辐照总时长为5min。为了扩大辐照范围，本实施例中所述超声波细胞粉碎仪的振子6浸入液面之下1-3cm，以使所有厌氧氨氧化污泥颗粒都能被超声波辐射到。
本实施例中，厌氧氨氧化反应产生的氮气被收集到集气室11内，并定期通过所述抽气管道14输送至所述圆柱形筒体8的底部，氮气在上升过程中可促进污泥颗粒与废水的混合，从而提升对废水的处理效果。
本实施例中所述水处理方法处理后的出水中，氨氮含量为2.64mg/L，亚硝氮含量为0.81mg/L，硝氮含量为0.27mg/L。
实验例
为了进一步证明本发明中所述的水处理装置和水处理方法的技术效果，设置以下实验对比例，对技术效果进行进一步的说明。
用35℃的储备液将厌氧氨氧化污泥清洗3遍后接种至4个有效容积为100ml的血清瓶中。将35℃的储备液分别注入瓶中使得厌氧氨氧化污泥的底物浓度均为60mg/L，混合物总容积为100ml，此时瓶中MLVSS为1.68g/L。向各瓶中通入纯度99％的氮气10分钟，使其处于无氧状态(DO<0.5mg/L)，并将pH调至7.3-7.7。四个血清瓶中均投加有0.3g/L的零价铁，然后分别用密度为0.2w/ml、0.3w/ml、0.4w/ml的超声波处理3、5、10min，采用间歇式辐照的方式，工作时间和间隔时间均为5s。未经超声波处理的为对照组。本对比例中使用的储备液筒实施例1。
将添加了铁粉并且经过超声处理的水样瓶经避光处理后均放置于35±1℃恒温水浴中反应30h。结果表明，所有经过低频率低强度超声波短时间辐照后的厌氧氨氧化菌活性均高于对照组。以辐照时间为5min，强度0.2w/ml的条件为例，其脱氮效率比对照组高37.85％。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。
Claims (10)
1.一种强化厌氧氨氧化的水处理装置，其特征在于，包括：
反应器筒体，在所述反应器筒体的底部设置有进水口，顶部设置有排气口，所述反应器筒体的出水口位于所述进水口的上方；
在所述反应器筒体内设置有厌氧氨氧化反应区，所述厌氧氨氧化反应区内的厌氧氨氧化污泥颗粒层对废水进行厌氧氨氧化处理，在所述厌氧氨氧化反应区内投加有铁粉；
所述水处理装置还设置有超声波装置，所述超声波装置向所述厌氧氨氧化反应区发射超声波辐照。
2.根据权利要求1所述的强化厌氧氨氧化的水处理装置，其特征在于，在所述厌氧氨氧化反应区内设置有两端开口的圆柱形筒体，所述超声波装置安装在所述圆柱形筒体的上方，由上向下向所述厌氧氨氧化反应区发射超声波辐照。
3.根据权利要求1所述的强化厌氧氨氧化的水处理装置，其特征在于，在所述反应器筒体内安装有阴离子树脂填料。
4.根据权利要求3所述的强化厌氧氨氧化的水处理装置，其特征在于，所述阴离子树脂填料安装在所述厌氧氨氧化反应区内。
5.根据权利要求1所述的强化厌氧氨氧化的水处理装置，其特征在于，与所述排气口连通设置有氮气收集装置，所述氮气收集装置通过抽气管道与所述反应器筒体的底部连通。
6.一种强化厌氧氨氧化的水处理方法，其特征在于，废水进入水处理装置的反应器筒体，在所述反应器筒体内的厌氧氨氧化反应区进行厌氧氨氧化反应；在所述厌氧氨氧化反应区内投加有铁粉，所述铁粉在废水中的投加量为200-400mg/L；使用超声波装置对所述厌氧氨氧化反应区进行超声波辐照，辐照强度为0.2-0.4w/ml。
7.根据权利要求6所述的强化厌氧氨氧化的水处理方法，其特征在于，厌氧氨氧化反应区的废水的pH值为7.3-7.7，反应温度为34-36℃。
8.根据权利要求6所述的强化厌氧氨氧化的水处理方法，其特征在于，每隔7天使用超声波装置对所述厌氧氨氧化反应区进行一次超声波辐照操作；超声波辐照操作采用间歇式辐照的方式，间歇式辐照的工作时间为4-8秒钟；相邻两次工作时间之间的间隔时间也为4-8秒钟，单次超声波辐照操作的辐照总时长为3-5min。
9.根据权利要求6所述的强化厌氧氨氧化的水处理方法，其特征在于，还包括使用阴离子树脂填料对废水进行吸附处理。
10.根据权利要求6所述的强化厌氧氨氧化的水处理方法，其特征在于，所述阴离子树脂填料安装在所述厌氧氨氧化反应器区。
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