CN113354076B - 一种基于磁感热效应的低温低氨氮污水同步亚硝化-Anammox装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于磁感热效应的低温低氨氮污水同步亚硝化‑Anammox装置，包括污水处理容器、污水处理容器内的复合填料、污水处理容器外部的磁场发生装置；所述的复合填料内部为金属导体，中层为保护层，外层为多孔吸附载体层，在所述的多孔吸附载体层内部与表面生长有厌氧氨氧化细菌和亚硝化细菌。本发明装置采用一段式Canon工艺，通过外部交变磁场与复合填料内部金属导体的磁感热效应产生局部高温，同时外部吸附载体选择性吸附氨氮创造局部高氮碳比环境，高效筛选厌氧氨氧化细菌和亚硝化细菌并保持其竞争优势，低耗高效提升生物活性，显著提高亚硝化‑Anammox工艺对低温、低氨氮城市污水的脱氮能力，大大降低了处理污水的基建与运行成本。
Description
技术领域
本发明属于污水生物脱氮处理技术领域，特别涉及一种基于磁感热效应和载体吸附的生物膜同步亚硝化-Anammox城市低温、低氨氮污水脱氮装置。
背景技术
现有的脱氮工艺中，厌氧氨氧化是最为节能的生物脱氮技术，厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐为电子受体，在厌氧条件下将氨转化为氮气和少量硝酸盐，节省曝气量、碳源需求低、污泥产量少，是最具前景的新型脱氮技术，在垃圾渗滤液等高氮碳比污水脱氮方面应用已经较为成熟。
但城市低温、低氨氮污水会对同步亚硝化-Anammox过程产生影响，我国北方地区春冬污水水温为7-15℃，部分地区最低可达5℃以下，低温显著降低了亚硝化细菌AOB与厌氧氨氧化细菌（Anammox）AnAOB的活性，同时低温条件下AOB对硝化细菌NOB无竞争优势导致亚硝化过程不稳定且亚硝化积累率较低，一方面无法为AnAOB提供较高浓度的亚硝酸盐，另一方面NOB会与AnAOB竞争亚硝酸盐从而抑制AnAOB的生长。低氨氮浓度会对AOB与NOB的生长与活性产生抑制，同时AOB对NOB竞争优势较小，无法产生稳定的亚硝化效果。
针对城市污水低温、低氨氮问题，当前大多采用淘洗获得高浓度AOB和AnAOB污泥、提高氮碳比、污水加热或增加保温等措施提升脱氮效果。但高浓度功能菌污泥后续微生物组成易发生变化导致脱氮效果下降，加热保温等措施导致能耗显著增加，极大的限制了厌氧氨氧化技术的工程化应用。因此，探究在低温、低氨氮下提升AOB、AnAOB活性和促进同步亚硝化-Anammox处理效果具有了巨大的现实意义。
发明内容
（一）要解决的技术问题
针对采用Canon工艺处理城市低温、低氨氮污水过程中存在AOB和AnAOB活性低，AOB对NOB无竞争优势导致亚硝化过程不稳定，加热保温等措施导致能耗显著增加的问题，本发明提供了一种基于磁感热效应和载体吸附的生物膜同步亚硝化-Anammox城市低温、低氨氮污水脱氮装置及脱氮方法。
（二）技术方案
本发明的第一个目的是提供一种基于磁感热效应和载体吸附的生物膜同步亚硝化-Anammox城市低温、低氨氮污水脱氮装置。
所述的一种基于磁感热效应的低温低氨氮污水同步亚硝化-Anammox装置，其特征在于，包括污水处理容器，填充在所述污水处理容器内的复合填料和所述污水处理容器外部的磁场发生装置；在所述污水处理容器下部设有进水口与进气孔，在所述污水处理容器上部设有出水口与出气孔；所述的复合填料内部为金属导体，中层为保护层，外层为多孔吸附载体层，在所述的多孔吸附载体层从内到外生长有厌氧氨氧化细菌和亚硝化细菌。
所述污水处理容器为非金属导体或磁导率极低的材料，防止交变磁场与污水处理容器产生磁感热效应，影响污水处理容器的正常工作。
所述的复合填料结构共三层，内层为三维实心或空心金属导体，所述金属导体材料为铸铁，所述金属导体尺寸为2-12mm，用于与磁场产生磁感热效应从内部供热，创造局部高温微环境，为AOB和AnAOB提供适宜温度同时形成竞争优势；中层为具有传热、隔水、弹性减压性能的保护层包裹内部金属导体，所述保护层材料为三元乙丙橡胶EPDM或热塑弹性体TPE或热塑性硫化橡胶TPV，用于保温、均匀传递热量，补偿因内部金属热胀冷缩产生的内部压力变化，所述保护层厚度为2-10mm；外层为粒径0.178~2mm的D113 或D301或D001或天然沸石组成的多孔吸附载体层，所述D113 或D301或D001或天然沸石颗粒采用胶结剂粘连或采用聚乙烯PE球壳包裹或涤纶纤维布包裹，所述胶结剂为525水泥、625水泥、环氧树脂胶，所述PE球壳或涤纶纤维布孔直径小于5mm，所述外层多吸附孔载体厚度为5-40mm，所述D113树脂 、D301树脂、D001树脂、天然沸石可高效选择性吸附低浓度氨氮，在复合填料内部与表面形成高氨氮、高氮碳比环境，为AOB和AnAOB提供适宜的营养环境同时形成竞争优势，所述D113树脂 、D301树脂、D001树脂、天然沸石组成的多孔吸附载体层为微生物生长提供空间。
所述的保护层完全包裹所述的内部金属导体，用于保护金属导体不被水流与微生物腐蚀，所述的外层多孔吸附载体完全包裹所述中层保护层，减少复合填料与水流的热量交换。
所述污水处理容器的下部设有用于支撑所述复合填料的带孔承托层，承托层由3-10mm的鹅卵石堆积而成，共三层，底层与上层由6-10mm鹅卵石堆积而成，中层由3-6mm的鹅卵石堆积而成，所述入水口和进气孔均位于所述承托层的下方。
所述磁场发生装装置由螺线圈、调压器、变频器串联而成。
所述的污水处理容器内壁上设有温度计、高斯计，用于测量填料表面温度与磁场强度。
所述的螺线圈内部磁场强度与交变频率通过螺线圈匝数、调压器和变频器调节。
本发明的另一目的是利用本发明所述的基于磁感热效应和载体吸附的生物膜同步亚硝化-Anammox城市低温、低氨氮污水脱氮装置，提供一种城市低温、氨氮污水脱氮的方法，包括如下步骤：
1）将氨氮浓度为45-50 mg/L、化学需氧量COD浓度为40-50 mg/L的污水从下部进水口通入污水控制水力停留时间为2-4h至出水氨氮≥5mg/L即停止进水，排空污水处理容器，完成初次氨氮吸附；
2）将含有AnAOB、AOB、NOB三种功能菌的污泥从所述污水处理容器的上部加入到填充了复合填料的反应器中，通过曝气和污水水流促进微生物与复合填料混合均匀，维持溶解氧DO浓度为0.5-1.5mg/L，同时为螺线圈通电，调整到复合填料内部温度为30-35℃，pH7.0-7.5，控制水利停留时间为2-5天，完毕后关闭曝气，排空所述污水处理容器内的解吸水；
3）上述1）2）过程为一个周期，重复做8-12周期，至功能菌在所述复合填料上成功挂膜生长且AnAOB和AOB形成竞争优势；
4)将氨氮浓度为45-50 mg/L，COD浓度为40-50 mg/L的污水从所述污水处理容器下部通入，维持DO浓度为0.5-1.2mg/L ，pH 7.0-7.5，螺线圈通电调整复合填料内部温度为30-35℃，控制水力停留时间为2-4h，得到处理完成的污水。
（三）本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于磁感热效应和载体吸附的生物膜同步亚硝化-Anammox城市低温、低氨氮污水脱氮装置，通过所述外部螺线圈产生的交变磁场与所述复合填料内部金属作用产生涡流从而产生热量，创造了复合填料局部高温的微环境，一方面为AOB和AnAOB提供适宜温度，提升微生物活性；另一方面有利于 AOB在与 NOB 的竞争中胜出，扩大了AOB的占比，提高了亚硝氮积累率，同时减少了NOB与AnAOB对亚硝酸盐的竞争，促进了AnAOB的生长；最后局部高温的微环境维持了AOB 比 NOB 之间的比增长速率的显著差异，使得后续复合填料内部AOB的优势性稳定，而AnAOB由于填料内部的厌氧环境与温度选择也形成稳定优势，低耗高效的提升了同步亚硝化-Anammox工艺的脱氮能力。
D113树脂 、D301树脂、D001树脂、天然沸石高效选择性吸附低浓度氨氮，在填料内部与表面形成高氨氮环境，创造局部高氮碳比微环境，NOB 游离氨抑制浓度阈值低于AOB，有利于 AOB在与 NOB 的竞争中胜出，同时为AOB和AnAOB提供适宜的营养环境同时形成竞争优势
本发明所述的装置创造了局部高温-高氨氮比微环境显著提高了AOB和AnAOB的竞争力，加快了污泥培养过程。
本发明同时实现多孔吸附载体层生物再生,保证了工艺的连续运行，同时仅填料产生局部高温，极大降低了低温污水处理的运行成本与基础建设。
附图说明
图1为本发明的基于磁感热效应和载体吸附的生物膜同步亚硝化-Anammox城市低温、低氨氮污水脱氮装置。
图2为复合填料结构与外层吸附载体层功能菌分布以及微生物同步亚硝化-Anammox脱氮过程示意图。
1为进水口；2为复合填料；3为承托层；4为螺线圈；5为污水处理容器；6为出气孔；7为出水口；8为红油温度计；9为高斯计；10为进气孔；11为调压器；12为变频器；2-1为金属导体；2-2为保护层；2-3为吸附载体层。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的结构与特点：
实施例1
本实施例涉及一种基于磁感热效应的低温低氨氮污水同步亚硝化-Anammox装置，其具体结构如图1所示：
包括污水处理容器5，填充在所述污水处理容器5内的复合填料2和所述污水处理容器5外部的磁场发生装置；在所述污水处理容器5下部设有进水口1与进气孔10，在所述污水处理容器5上部设有出水口7与出气孔6；所述的复合填料2内部为金属导体2-1，中层为保护层2-2，外层为多孔吸附载体层2-3，在所述的多孔吸附载体层2-3从内到外生长有厌氧氨氧化细菌和亚硝化细菌；所述螺线圈4串联连接调压器11与变频器12。
本实施例中，所述污水处理容器5为材料为有机玻璃。
本实施例中，所述金属导体2-1为粒径为8mm的实心铸铁球。
本实施例中，所述保护层2-2材料为TPE，厚度为3mm。
本实施例中，所述吸附载体颗粒为粒径为0.178mm的天然沸石，所述胶结剂为环氧树脂胶，所述多孔吸附载体层2-3厚度为15mm。
本实施例中，所述污水处理容器5的下部设有用于支撑所述复合填料2的带孔承托层3，承托层3由3-10mm的鹅卵石堆积而成，共三层，底层与上层由6-10mm鹅卵石堆积而成，中层由3-6mm的鹅卵石堆积而成，所述进水口1和进气孔10均位于所述承托层3的下方。
本实施例中，螺线圈4导线规格为0.75mm铜漆包线，螺线圈4匝数为2500匝，交流电频率为50Hz，电流为2.2A，对应磁场强度为168Gs，对应内部金属导体2-1为8mm的实心不铸铁球，对应复合填料2内部温度最高温度为38℃，外部最高温度为28℃。
本实施例中，红油温度计8、高斯计9、调压器11、变频器12均为常规产品。
实施例2
实施例涉及的基于磁感热效应的低温低氨氮污水同步亚硝化-Anammox工艺的具体应用，步骤如下：
1）将氨氮浓度为45-50 mg/L、COD浓度为40-50 mg/L的污水从下部进水口通入污水控制水力停留时间为2-4h至出水氨氮≥5mg/L即停止进水，排空污水处理容器，完成初次氨氮吸附；
3）将含有AnAOB、AOB、NOB三种功能菌的污泥从所述污水处理容器的上部加入到填充了复合填料的反应器中，通过曝气和污水水流促进微生物与复合填料混合均匀，维持DO浓度为0.5-1.5mg/L，同时为螺线圈通电，调整到复合填料内部温度为30-35℃，pH 7.0-7.5，控制水利停留时间为2-5天，完毕后关闭曝气，排空所述污水处理容器内的解吸水；
3）上述1）2）过程为一个周期，重复做8-12周期，至功能菌在所述复合填料上成功挂膜生长且AnAOB和AOB形成竞争优势；
4)将氨氮浓度为45-50 mg/L，COD浓度为40-50 mg/L的污水从所述污水处理容器下部通入，维持DO浓度为0.5-1.2mg/L ，pH 7.0-7.5，螺线圈通电调整复合填料内部温度为30-35℃，控制水力停留时间为2-4h，出水氨氮浓度为0.5-2mg/L，总氮去除率为88-94%。
实施例3
本实施例涉及复合填料内部与表面AOB、AnAOB、NOB的分布和其对污水中氨氮的具体处理过程。
如图2所示，通过所述外部螺线圈产生的交变磁场与所述复合填料内部金属作用产生涡流从而产生热量，创造了复合填料局部高温的微环境，一方面为AOB和AnAOB提供适宜温度，提升微生物活性；另一方面有利于 AOB在与 NOB 的竞争中胜出（如图中最外层环部分），扩大了AOB的占比，提高了亚硝氮积累率，同时减少了NOB与AnAOB对亚硝酸盐的竞争，促进了AnAOB的生长（如图中中间浅色环部分）。局部高温的微环境维持了AOB 比 NOB之间的比增长速率的显著差异，使得后续复合填料内部AOB的优势性稳定（如图中最外层环部分），而AnAOB由于填料内部的厌氧环境与温度选择也形成稳定优势（如图中中间浅色环部分）。D113树脂 、D301树脂、D001树脂、天然沸石高效选择性吸附低浓度氨氮，在复合填料内部与表面形成高氨氮环境，创造局部高氮碳比微环境，NOB 游离氨抑制浓度阈值低于AOB，有利于 AOB在与 NOB 的竞争中胜出，同时为AOB和AnAOB提供适宜的营养环境同时形成竞争优势。AnAOB比AOB更需要高氨氮环境且生长环境为厌氧环境，AOB以氨氮和DO为反应基质，因此形成了AnAOB在内（如图中中间浅色环部分），AOB和NOB在外的生物膜结构（如图中最外层环部分），外层的AOB和NOB消耗水中的DO，将污水中和吸附材料表面的一部分氨氮转化为亚硝酸盐和少硝酸盐，创造了生物膜内层厌氧微环境，也为AnAOB提供了足量的亚硝酸盐；生物膜内层的AnAOB则在载体高氨氮环境下将氨氮和亚硝酸盐转化为氮气和少许硝酸盐。本发明创造了局部高温+高氨氮比微环境显著提高了AOB和AnAOB的竞争力与活性，同时实现吸附载体层生物再生,保证了工艺的连续运行，同时仅填料产生局部高温，极大降低了低温污水处理的运行成本与基础建设，低耗高效的提升了同步亚硝化-Anammox工艺的脱氮能力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于磁感热效应同步亚硝化-Anammox的城市低温、低氨氮污水脱氮方法，其特征在于：采用基于磁感热效应的低温低氨氮污水同步亚硝化-Anammox装置实施，所述装置包括污水处理容器（5），填充在所述污水处理容器（5）内的复合填料（2）和所述污水处理容器（5）外部的磁场发生装置；在所述污水处理容器（5）下部设有进水口（1）与进气孔（10），在所述污水处理容器（5）上部设有出水口（7）与出气孔（6）；所述的复合填料（2）内部为金属导体（2-1），中层为保护层（2-2），外层为多孔吸附载体层（2-3），在所述的多孔吸附载体层（2-3）从内到外生长有厌氧氨氧化细菌AnAOB和亚硝化细菌AOB；
所述的方法包括如下步骤：
1）将氨氮浓度为45-50mg/L、化学需氧量COD浓度为40-50mg/L的污水从下部进水口通入，控制水力停留时间为2-4h至出水氨氮≥5mg/L即停止进水，排空污水处理容器，完成初次氨氮吸附；
2）将含有AnAOB、AOB、硝化细菌NOB三种功能菌的污泥从所述污水处理容器的上部加入到填充了复合填料的反应器中，通过曝气和污水水流促进微生物与复合填料混合均匀，维持溶解氧DO浓度为0.5-1.5mg/L，同时为螺线圈通电，调整到复合填料内部温度为30-35℃，pH7.0-7.5，控制水利停留时间为2-5天，完毕后关闭曝气，排空所述污水处理容器内的解吸水；
3）上述步骤1）和步骤2）过程为一个周期，重复做8-12周期，至功能菌在所述复合填料上成功挂膜生长且AnAOB和AOB形成竞争优势；
4)将氨氮浓度为45-50mg/L，COD浓度为40-50mg/L的污水从所述污水处理容器下部通入，维持DO浓度为0.5-1.2mg/L，pH7.0-7.5，螺线圈通电调整复合填料内部温度为30-35℃，控制水力停留时间为2-4h，得到处理完成的污水。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的污水处理容器（5）为非金属导体材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的复合填料（2）结构共三层，内层为三维实心或空心金属导体（2-1），所述金属导体（2-1）材料为铸铁，所述金属导体（2-1）尺寸为2-12mm；中层为具有传热、隔水和弹性减压性能的保护层（2-2）包裹内部金属导体（2-1），所述保护层（2-2）材料为三元乙丙橡胶EPDM或热塑弹性体TPE或热塑性硫化橡胶TPV，所述保护层（2-2）厚度为2-10mm；外层为粒径0.178~2mm的D113树脂或D301树脂或D001树脂或天然沸石组成的多孔吸附载体层（2-3），所述D113树脂或D301树脂或D001树脂或天然沸石颗粒采用胶结剂粘连或采用聚乙烯PE球壳包裹或采用涤纶纤维布包裹，所述胶结剂为525水泥、625水泥或环氧树脂胶，所述PE球壳或涤纶纤维布孔直径小于5mm，外层多孔吸附载体（2-3）厚度为5-40mm。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的保护层（2-2）完全包裹所述金属导体（2-1），外层多孔吸附载体（2-3）完全包裹所述保护层（2-2）。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述污水处理容器（5）的下部设有用于支撑所述复合填料（2）的承托层（3），承托层（3）由3-10mm的鹅卵石堆积而成，共三层，底层与上层由6-10mm鹅卵石堆积而成，中层由3-6mm的鹅卵石堆积而成，所述进水口（1）和进气孔（10）均位于所述承托层（3）的下方。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述的污水处理容器（5）内壁上设有温度计（8）和高斯计（9）。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述温度计（8）为红油温度计。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁场发生装置由螺线圈（4）、调压器（11）和变频器（12）串联而成。
9.根据权利8所述的方法，其特征在于，所述的螺线圈（4）内部磁场强度与交变频率通过螺线圈（4）匝数、调压器（11）和变频器（12）调节。
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