CN113104978A - 一种强化低碳氮比污水处理的系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理系统，具体涉及一种强化低碳氮比污水处理的系统及工艺。该系统包括：光生物反应器和人工湿地；所述人工湿地设置有异养反硝化区层和自养反硝化区层；光生物反应器处理后的污水依次进入人工湿地的异养反硝化区层和自养反硝化区层进一步处理。该系统将生物反应器与人工湿地相结合，通过生物反应器对污水中的氮磷进行脱除，并同时产生碳源，促进人工湿地内进行脱氮，而且，在人工湿地内设置异养反硝化区跟自养反硝化区协同进行高效除氮，有效提升了污水净化效率，解决了高浓度低碳氮比污水脱氮除磷的处理难题。

Description

一种强化低碳氮比污水处理的系统及工艺

技术领域

本发明属于污水处理系统，具体涉及一种强化低碳氮比污水处理的系统及工艺。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

随着我国经济迅猛发展，人民生活水平日益提高，畜禽养殖这类高浓度污水的排放量日益增长，并且呈现出低碳氮比的趋势。低C/N污水中有机碳源含量低，不易被反硝化细菌利用，所以难以满足反硝化作用对碳源的要求，脱氮效果不理想。目前，污水处理厂出水NH4+-N难以达到污水排放一级标准，因此如何提高高浓度低C/N污水脱氮处理效果，降低运行成本，成为目前水处理领域的所要解决的问题之一。

人工湿地污水处理系统具有投资少、效率高、抗冲击、处理效果稳定、运行费用低、维护方便和景观生态相容性好的优点，目前已被用于处理各种类型的废水。然而，随着日益加严的环境管控标准，人工湿地在低碳氮比污水处理中，尚存在生物脱氮效率低、运行效果不稳定等诸多问题。

微藻能够净化废水中污染物质，通过物理吸附，生物同化，吸收降解，生物富集等作用，将废水中的各种营养物质减量或资源化，包括氮、磷、有机、无机化合物等，微藻处理废水还具有明显的优势，如生长速度快、光合效率高和节能等。采用微藻培养与人工湿地相结合的处理技术，能有效结合微藻培养与人工湿地的优势，对低碳氮比污水进行有效处理。如现有技术公开了多种藻类氧化塘和水平潜流人工湿地组成的污水处理系统，能够在一定程度上提高低碳氮比污水的净化效率，但发明人发现，这些系统中COD去除率仅在70％左右，存在净化效果较差，污染物去除率低的问题，难以满足现有低碳氮比污水高效处理的需求。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种强化低碳氮比污水处理的系统及工艺，该系统将生物反应器与人工湿地相结合，通过生物反应器对污水中的氮磷进行脱除，并同时产生碳源，促进人工湿地内进行脱氮。而且，在人工湿地内设置异养反硝化区跟自养反硝化区协同进行高效除氮，能有效提升污水净化效率，解决高浓度低碳氮比污水脱氮除磷的处理难题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种强化低碳氮比污水处理的系统，包括：光生物反应器和人工湿地；

所述人工湿地设置有异养反硝化区层和自养反硝化区层；

光生物反应器处理后的污水依次进入人工湿地的异养反硝化区层和自养反硝化区层进一步处理。

本发明第二方面提供一种强化低碳氮比污水处理的工艺，具体包括：

待处理的污水注入光生物反应器中，向光生物反应器中添加培养好的微藻，对污水进行处理，处理后的污水进入藻水分离调剂池，分离掉污水中的藻泥，然后经布水管依次进入人工湿地异养反硝化区层和自养反硝化区层，在处理达标后排放或回用。

本发明的一个或多个实施方式至少具有以下有益效果：

(1)本发明将光生物反应器与人工湿地相结合，将污水先通入光生物反应器处理，光生物反应器能够通过光合作用消耗污水中的氮磷，并产生有机物，为人工湿地反硝化提供碳源。

(2)本发明在人工湿地中设置异养反硝化区跟自养反硝化区，异养反硝化区能够利用剩余碳源进行反硝化脱氮，自养反硝化区可在没有碳源消耗的情况下去除氮污染，自养与异养协同反硝化深度脱氮，能够在低碳源条件下进一步高效脱氮。

(3)本发明所提供的系统具有污水处理效果好，运行成本低，管理简单，不易堵塞等优点，解决了高浓度低碳氮比污水脱氮除磷的处理难题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1所提供的强化低碳氮比污水处理的系统正视图；

图2为本发明实施例1所提供的强化低碳氮比污水处理的系统俯视图；

图3为本发明实施例1所提供的搅拌器的结构示意图；

图4为本发明实施例1所提供的人工湿地结构示意图；

其中，1、曝气池；2、曝气管道；3、曝气风机；4、光反应器箱体；5、搅拌电机；6、通气口；7、搅拌器；8、光源；9、藻水分离调剂池；10、污泥泵；11、人工湿地布水管；12、人工湿地系统；13、表面基质；14、异养反硝化区层；15、过渡层；16、自养反硝化区层；17承托层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有的低碳氮比污水处理工艺均存在净化效果差，污染物去除率低的问题，难以满足现有低碳氮比污水高效处理的需求。

为了解决如上的技术问题，本发明第一方面提供一种强化低碳氮比污水处理的系统，包括：光生物反应器和人工湿地；

所述人工湿地设置有异养反硝化区层和自养反硝化区层；

光生物反应器处理后的污水依次进入人工湿地的异养反硝化区层和自养反硝化区层进一步处理。

其中，低C/N污水中有机碳源含量低，如果直接采用人工湿地进行处理，难以满足反硝化细菌对碳源的要求，导致污水中的氮不易被利用，脱氮效果不理想。本发明将光生物反应器与人工湿地相结合，将污水先通入光生物反应器处理，光生物反应器能够通过光合作用消耗污水中的氮磷，并产生有机物，为人工湿地反硝化提供碳源。

然而，仅仅凭借光生物反应器提供的碳源，难以支撑高量氮的消耗，因此，本发明还针对人工湿地进行的改进，在人工湿地中设置异养反硝化区跟自养反硝化区，异养反硝化区能够利用剩余碳源进行反硝化脱氮，自养反硝化区可在没有碳源消耗的情况下去除氮污染。光生物反应器处理后的污水进入人工湿地，依次通过异养反硝化区层和自养反硝化区层，能够实现自养与异养协同反硝化深度脱氮，高效进行污水的处理。

在本发明的一个或多个实施方式中，光生物反应器连接有曝气池，污水经曝气池进行预曝气处理后再进入光生物反应器；将污水预曝气处理，能够将大分子有机物降解为小分子有机物，提高难降解有机物的生物可利用性，提高后续工艺的处理效能。其中，曝气过程可以通过多种曝气手段来实现，例如鼓风曝气装置、机械曝气装置；所述鼓风曝气装置分为：(微)小气泡型、中气泡型、大气泡型、水力剪切型、水力冲击型；所述机械曝气装置包括泵型叶轮曝气器、K型叶轮曝气器、倒伞型叶轮曝气器、平板型叶轮曝气器、曝气转刷、和曝气转盘等。

本发明优选用鼓风曝气装置；进一步的，所述曝气池的池底设置多个曝气头，曝气头通过曝气管道连接有曝气风机；

更进一步优选的，曝气池内安装溶解氧检测仪、pH计、温度计，从而便于控制曝气过程中的溶氧量进行控制，同时还能检测曝气过程中的污水的pH和温度，为污水进入光生物反应器前控制适宜的酸碱度和温度。

在本发明的一个或多个实施方式中，光生物反应器和人工湿地之间设置有藻水分离调剂池，光生物反应器处理后的污水先经藻水分离调剂池分离掉藻泥，再进入人工湿地进一步处理；设置沉淀调节池分离出污水中的藻泥，能够防止湿地堵塞。

进一步的，所述藻水分离调剂池底部为椎体，中心预留排泥口，排出的藻泥回流至光反应器中或排出；排泥口的大小可根据实际需要进行设定，例如：10-12cm。进一步优选的，藻水分离调剂池和光生物反应器内均设置pH计、温度检测仪，从而对其内部的污水进行酸碱度和温度的调控。

在本发明的一个或多个实施方式中，所述光生物反应器为能够利用光照对污水中氮磷进行脱除，并同时产生碳源的装置，光生物反应器内设置有光源和微藻，通过微藻在光照条件下进行光合作用来脱除污水中的氮磷，并生成有机物，提供碳源；

具体的，光生物反应器中的微藻为能够发生光合作用的藻类生物，可以进行单一藻类培养，也可以进行多种藻类混合培养；优选为小球藻、链带藻、鞭金藻、斜生栅藻中的一种或多种混合培养；

作为可选的实施例，所述微藻培养过程如下：配置好的BG-11培养基以10％的接种比例将藻种倒入其中，对微藻进行扩大化培养，并置于5000lux，25℃，光暗比12:12的培养箱中，每天震荡三次。待微藻处于对数生长期后，进行离心，弃去上清液，将藻渣置于光生物反应器中。

进一步的，为了使污水在光生物反应器内与微藻更充分地接触，光生物反应器内设置有搅拌器，搅拌器通过电机提供动力，电机固定在光生物反应器外部；优选的，搅拌器设置为2-3组，搅拌器的转叶由不锈钢焊接而成。

具体的，光生物反应器内部的光源可设置在光生物反应器中任意能够使微藻充分接受光照的位置，优选为搅拌器中部，并进行固定，具体可采用PC管进行固定；将搅拌器与光源结合，不仅节省空间，便于维修操作，而且光照均匀，有利于微藻生长，提高净化效果。其中，光生物反应器可以根据不同藻种设置不同的搅拌力度及光照时间，达到最优处理效果。

进一步的，所述光源优选为白炽灯或荧光灯，光照强度在3000-10000lux之间，光照强度低于3000lux，会导致微藻光合作用效率过低，而光照强度高于10000lux则会在一定程度上影响微藻的活性。

更进一步的，光生物反应器的材质优选为不锈钢或铝合金，厚度优选为10mm，且光生物反应器上开设进水口、出水口和通气口；

在本发明的一个或多个实施方式中，人工湿地，自上而下依次设置有挺水植物、表面基质、异养反硝化区层、过渡层、自养反硝化区层和承托层；藻水分离调剂池处理后的污水通过布水管送至人工湿地；

具体的，所述挺水植物选用鸢尾、菖蒲、美人蕉、石菖蒲、芦苇、水芹中的一种或多种交错种植；

所述表面基质层为细沙，厚度为10-20cm；

所述异养反硝化区层为20-40cm厚的基质，基质材料为凹凸棒土或石油焦，这些材料均能够释放碳源并强化吸附，有助于促进异养脱氮过程；基质材料的平均粒径为3-4cm；异养反硝化区能够利用剩余碳源进行反硝化脱氮；

所述过渡层为砾石碎块，厚度为10-20cm，平均粒径为3-4cm；过渡层的设置能够有效将异养反硝化区和自养反硝化区分隔开，是二者各自能相对独立发挥各自的功能。

所述自养反硝化区层为20-40cm厚的基质，基质材料为黄铁矿、磁铁矿、硫磺、锰铁矿中的一种或多种，这些材料能够释放铁、锰、硫等元素，进而促进自养脱氮过程；基质材料的平均粒径为3-4cm；自养反硝化区可在没有碳源消耗的情况下脱氮。

所述承托层，由8-10cm的砾石碎块组成，厚度20-25cm。

本发明第二方面提供一种强化低碳氮比污水处理的工艺，具体包括：

待处理的污水注入光生物反应器中，向光生物反应器中添加培养好的微藻，对污水进行处理，处理后的污水进入藻水分离调剂池，分离掉污水中的藻泥，然后经布水管依次进入人工湿地异养反硝化区层和自养反硝化区层，在处理达标后排放或回用。

进一步的，待处理的污水先注入曝气池进行预曝气处理，曝气结束后再送入光生物反应器中；进一步优选的，曝气时间为1-1.5h，曝气过程中溶解氧1.5-3mg L^-1。

进一步的，光生物反应器中，温度为18-25℃，pH为6-7，在该温度和pH下，微藻能够保持最佳生长活性；污水停留时间在3-4天，在该时间下，污水中的氮磷能够被微藻自身生长所充分利用，达到污水净化的效果；更进一步的，当藻类生物量超过0.5mg Chl-a/L时，需要及时打捞过剩的微藻以减少处理负荷，控制光生物反应器的溶剂和进出水速率；

优选的，藻水分离调剂池中处理时间为8-14小时，污水温度20-25℃，pH在6.5-7.5。

优选的，藻水分离调剂池底的藻泥根据需求继续回流至光生物反应器或排出。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1

如图1-4所示，一种强化低碳氮比污水处理的系统，包括曝气池1、光生物反应器4、藻水分离调剂池9和人工湿地系统14；所述曝气池1底部安装设置曝气头通过曝气管道与外部的曝气风机3相连，所述光生物反应器内安装两台搅拌器4，搅拌转叶由不锈钢焊接而成，并中部设置PC管固定光源，光源为白炽灯或荧光灯，光照强度为7000lux，顶部设置有两处通气口6，并将搅拌电机5安装在光生物反应器的外部顶端，所述藻水分离调剂池底部呈锥形，并与污泥泵10相连，内部安装温度计和pH计，所述人工湿地12从上至下依次包括表层基质13、异养反硝化区层14、过渡层15、自养反硝化区层16和砾石承托层17，所述表层基质为10cm厚的细沙覆盖，表面种植选用一种或多种挺水植物交错种植，如：鸢尾、菖蒲、美人蕉、石菖蒲、芦苇、水芹等，所述异养反硝化区层为20cm厚的基质，如凹凸棒土、石油焦等，平均粒径为3cm，所述过渡层为10cm厚的砾石碎块，平均粒径为3cm，所述自养反硝化区层的为20cm厚的基质，如黄铁矿、磁铁矿、硫磺、锰铁矿等，或多种填料按特定的比例组合搭配，平均粒径为3cm，所述砾石承托层，厚度20cm，由8cm的砾石碎块组成。

实施例2

一种采用实施例1中的系统进行低碳氮比污水处理的工艺：

待处理的污水进水泵注入曝气池中，经曝气1小时，维持溶解氧1.5mg L^-1，随后进入光生物反应器中，通过pH计、温度检测仪控制光生物反应器中的温度在20℃，pH为6，向光生物反应器中添加培养好的微藻，开启光生物反应器中的搅拌器及光源，水力停留时间在3天，处理后的污水经排水管进入藻水分离调剂池，处理时间为8小时将污水与藻泥的分离，池底的藻泥根据需求继续回流至光生物反应器或排出，污水通过pH计、温度检测仪控制污水温度25℃，pH在6.5，经布水管进入人工湿地，在处理达标后排放或回用。所述微藻培养液的组成为：硝酸钠1500mg L^-1，磷酸氢二钾40mg L^-1，七水合硫酸镁75mg L^-1，柠檬酸铁铵6mgL^-1，二水合氯化钙36mg L^-1，碳酸钠20mg L^-1，柠檬酸6mg L^-1，乙二胺四乙酸二钠1mg L^-1，A₅溶液1ml。将藻培养装置放入恒温培养箱中，光照强度5000lux，温度25℃，光照周期L：D＝12h：12h，选择处于对数生长期的斜生栅藻用于处理污水。

采用该工艺处理某小型养猪场养殖污水，经检测待处理废水中COD含量为200mgL^-1，氨氮含量为864mg L^-1，，总磷含量为12mg L^-1。将上述待处理废水依次通过上述光生物反应器及耦合人工湿地系统，处理后检测出水中COD含量为21mg L^-1，氨氮含量41mg L^-1，总磷含量为1.8mg L^-1，处理效果显著。

实施例3

一种采用实施例1中的系统进行低碳氮比污水处理的工艺：

待处理的污水进水泵注入曝气池中，经曝气1小时，维持溶解氧3mg L^-1，随后进入光生物反应器中，通过pH计、温度检测仪控制光生物反应器中的温度在25℃，pH为7，向光生物反应器中添加培养好的微藻，开启光生物反应器中的搅拌器及光源，水力停留时间在4天，处理后的污水经排水管进入藻水分离调剂池，处理时间为14小时将污水与藻泥的分离，池底的藻泥根据需求继续回流至光生物反应器或排出，污水通过pH计、温度检测仪控制污水温度25℃，pH在7，经布水管进入人工湿地，在处理达标后排放或回用。所述微藻培养液的组成为：硝酸钠1500mg L^-1，磷酸氢二钾40mg L^-1，七水合硫酸镁75mg L^-1，柠檬酸铁铵6mgL^-1，二水合氯化钙36mg L^-1，碳酸钠20mg L^-1，柠檬酸6mg L^-1，乙二胺四乙酸二钠1mg L^-1，A₅溶液1ml。将藻培养装置放入恒温培养箱中，光照强度5000lux，温度25℃，光照周期L：D＝12h：12h，选择处于对数生长期的斜生栅藻用于处理污水。

采用该工艺处理某市农村污水，经检测废待处理水质COD为80mg L^-1，氨氮含量为375mg L^-1，总磷含量为30mg L^-1，处理后检测出水中COD的含量为15mg L^-1，氨氮含量为5mgL^-1，，总磷含量为去1.2mg L^-1，处理效果显著。

效果分析：实施例2中采用本发明所提供的污水处理工艺，COD去除率为89.5％，氨氮去除率为95.3％，总磷去除率为85％；而实施例3中，COD去除率为81.3％，氨氮去除率为98.7％；总磷去除率为96％；上述效果显著高于现有水平，这主要归功于生物反应器与人工湿地的结合运用，以及在人工湿地内设置异养反硝化区跟自养反硝化区协同进行高效除氮，有效提升了低碳氮比污水净化效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种强化低碳氮比污水处理的系统，其特征在于：包括光生物反应器和人工湿地；

所述人工湿地设置有异养反硝化区层和自养反硝化区层；

光生物反应器处理后的污水依次进入人工湿地的异养反硝化区层和自养反硝化区层进一步处理。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光生物反应器连接有曝气池，污水经曝气池进行预曝气处理后再进入光生物反应器；

优选的，所述曝气池的池底设置多个曝气头，曝气头通过曝气管道连接有曝气风机；

进一步优选的，曝气池内安装溶解氧检测仪、pH计、温度计。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：光生物反应器和人工湿地之间设置有藻水分离调剂池，光生物反应器处理后的污水先经藻水分离调剂池分离掉藻泥，再进入人工湿地进一步处理；

藻水分离调剂池底部为椎体，中心预留直径10-12cm的排泥口，排出的藻泥回流至光反应器中或排出。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于：藻水分离调剂池和光生物反应器内均设置pH计、温度检测仪。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光生物反应器内设置有光源和微藻；

优选的，所述微藻为小球藻、链带藻、鞭金藻、斜生栅藻中的一种或多种混合培养；

优选的，所述光生物反应器内设置2-3组搅拌器，搅拌器的电机固定在光生物反应器外部，搅拌器的顶部与底部固定在光生物反应器内，转叶由不锈钢焊接而成；

优选的，所述光源设置在搅拌器中部，通过PC管固定；

优选的，光源为白炽灯或荧光灯，光照强度在3000-10000lux之间；

优选的，所述光生物反应器由不锈钢或铝合金制作而成，厚度优选为10mm，且开设进水口、出水口和通气口。

6.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述人工湿地，自上而下依次设置有挺水植物、表面基质、异养反硝化区层、过渡层、自养反硝化区层和承托层；藻水分离调剂池处理后的污水通过布水管送至人工湿地。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述挺水植物选用鸢尾、菖蒲、美人蕉、石菖蒲、芦苇、水芹中的一种或多种交错种植；

或，所述表面基质为细沙，厚度为10-20cm；

或，所述异养反硝化区层为20-40cm厚的基质，基质材料为凹凸棒土或石油焦，平均粒径为3-4cm；

或，所述过渡层为砾石碎块，厚度为10-20cm，平均粒径为3-4cm；

或，所述自养反硝化区层为20-40cm厚的基质，基质材料为黄铁矿、磁铁矿、硫磺、锰铁矿中的一种或多种，平均粒径为3-4cm；

或，所述承托层，由8-10cm的砾石碎块组成，厚度20-25cm。

8.一种采用权利要求1-7任一项所述的系统强化低碳氮比污水处理的工艺，其特征在于：具体包括：

待处理的污水注入光生物反应器中，向光生物反应器中添加培养好的微藻，对污水进行处理，处理后的污水进入藻水分离调剂池，分离掉污水中的藻泥，然后经布水管依次进入人工湿地异养反硝化区层和自养反硝化区层，在处理达标后排放或回用。

9.如权利要求8所述的工艺，其特征在于：待处理的污水先注入曝气池进行预曝气处理，曝气结束后再送入光生物反应器中；

优选的，曝气时间为1-1.5h，曝气过程中溶解氧1.5-3mg L^-1；

或，光生物反应器中，温度为18-25℃，pH为6-7，污水停留时间在3-4天；

或，当藻类生物量超过0.5mg Chl-a/L时，需要及时打捞过剩的微藻以减少处理负荷，控制光生物反应器的溶剂和进出水速率；

或，藻水分离调剂池中处理时间为8-14小时，污水温度20-25℃，pH在6.5-7.5。

10.如权利要求8所述的工艺，其特征在于：藻水分离调剂池底的藻泥继续回流至光生物反应器或排出。

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