CN115367871A - 一种硫自养反硝化移动床及脱氮方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硫自养反硝化移动床，该硫自养反硝化移动床包括反应器进水端(2)、进水筛板(4)、填料层区域(5)、螺旋输送杆件(6)和反应器出水端(7)，该反应器移动床的底部呈漏斗状；螺旋输送杆件(6)位于填料层区域，本发明通过设置螺旋输送杆件，在螺旋输送杆件的转动过程中，填料自下而上缓慢移动，当填料移动至螺纹最上方时，填料又从螺杆与反应器内壁的空隙中回落。在此期间，填料颗粒间相互摩擦，氮气在填料摩擦过程中被不断排出，填料之间也不会粘黏板结，还可以有效控制生物膜的厚度，使得主要功能菌群定向富集，有效提高基质传质效率及污水实际接触停留时间，提升污水处理效果，降低了亚硝酸盐的积累和温室气体N2O的排放。此外，随着脱氮效能的提升，反应池体的填料使用量、占地面积、吨水投资成本也相应降低。

Description

一种硫自养反硝化移动床及脱氮方法
技术领域
本发明涉及污水深度脱氮技术领域，具体涉及硫自养反硝化填充式床层滤池脱氮方法。
背景技术
近年来，随着我国经济的发展和对水资源保护的重视，监管部门及各行业对水处理标准都在逐渐提高，主要表现在对给水水质和废水排放的高要求，这使得对水处理系统的投资和需求都大幅增加。与此同时，各类废水和生活污水的排放不断增加,水域环境严重污染,使得河流、湖泊等水域中的营养元素过多使其趋于富营养化。水体富营养化能够引起水华、赤潮等藻类恶性爆发事件，进而造成一系列诸如水体缺氧、浊度增加、恶臭散发、藻毒素水平提升等问题，严重影响着水环境质量和水生态安全。其中氮污染物既是水体营养水平的关键评价指标又是水华爆发的关键诱因。因此，从源头上深度削减总氮是控制城市水体富营养化、保障生态用水安全的重要途径。
随着《水污染防治行动计划》的印发，对我国水环境改善和污水处理目标提出了明确且具有时限性的要求，突显出了污水氮污染物深度去除的紧迫性。
传统反硝化滤池采用石英砂、陶粒等载体作为反硝化生物的挂膜介质，利用适量碳源进行反硝化反应，同时利用过滤介质的截留作用去除拦截污水中的悬浮物以及脱落的生物膜。传统反硝化滤池工作原理是反硝化菌在缺氧环境下，将硝酸盐转化为氮气，该反应以有机碳源作为电子供体。为获得较高的反硝化效率，传统的做法是补充碳源，但会增加药剂成本，长远来看对于污水处理厂的运营不利。
硫自养反硝化主要是硫自养反硝化菌以硫极其相关还原态化合物为电子供体，将硝酸盐还原为氮气的过程。硫自养反硝化因不需要外加碳源而得到广泛关注。该反应无需外加碳源，且脱氮效率高，是针对低碳源废水脱氮的重要技术。反应过程通常以硫磺颗粒作为填料，提供反应所需的硫源，并添加石灰石平衡硫单质型自养反硝化反应产生的酸。但是传统填料中石灰石的添加可能造成出水硬度增加，且碱量消耗较大，导致硫与石灰石的浪费；近年来，一些硫基复合填料例如硫铁复合填料的出现很好地克服了单独硫自养反硝化过程消耗碱度、单独铁自养反硝化产生碱度的问题，逐渐实现了硫自养反硝化技术的工程化应用。
目前该工艺反应器主要采用固定床形式，在固定床反应器中，固体颗粒物料层始终处于静止状态，随着反应器的连续运行，氮气的不断产生会占据填料之间的空隙，导致反应器实际空隙变小，水力停留时间变短，反应器传质效率变低，不能稳定地高效运行。而填料表面不断累积沉淀物质，生物膜过厚结团，活死细菌比例失衡，死细菌增多，导致填料间的空隙逐渐变小，形成板结造成堵塞。
目前解决以上硫自养反硝化固定床反应体系问题的方法主要是反冲洗：
(1)专利202021404064.5公开了一种硫铁复合双层滤料反硝化滤池，该滤池包括自上而下依次分布的硫自养反硝化层、中间水层、铁自养反硝化层和卵石承托层。该滤池将硫自养反硝化过程和铁自养反硝化过程相结合，平衡了出水的碱度，通过在硫填料层和铁填料层下方分别安装反冲洗管也解决了填料长期使用后发生堵塞的问题。该方法所需的建设成本过大，且反冲洗管的维护与运行操作复杂。
(2)专利CN202110452114.X描述了一种硫自养反硝化生物脱氮的渗滤床反应装置，将反冲洗系统连接于反应池底端，填料层连接于反应池内部，解决了填料脱膜后易堵塞的问题，实现不停机反洗进程。该方法需要定期反冲洗，但需要额外增设一个反冲洗提示装置，提醒工作人员反冲维护，增加了建造成本、管理成本。
(3)文献(Wang Y,Bott C,Nerenberg R.Sulfur-based denitrification:Effectof biofilm development on denitrification fluxes.Water Research,2016,100(sep.1):184-193.)描述了一种以硫磺薄片为载体的升流式反应器，实验结果显示随着生物膜不断增厚，体系传质效率在不断下降，其中二号反应装置表现明显，在其运行至50d后，脱氮负荷开始出现下降趋势。
在实际滤池维护应用中，反冲洗往往分为气洗、水洗、气水联合洗三种方式。普通水洗的强度较小，一般用作填料层内氮气的去除，以驱氮作用为主；而气洗给填料带来的冲击较大，可以有效去除板结。反冲洗是目前解决深床滤池板结、氮气积累的主要方式，但对填料来说也存在一些负面作用：(1)反硝化过程是一个厌氧的过程，而气洗会引入大量氧气，破坏滤层已有的厌氧环境。(2)由于反冲洗过程的存在，滤池运行方式和本身结构会发生变动，降低了滤池的产水率。(3)气洗和水洗所产生的水流和气泡都会优先通过滤料层中阻力较小的空隙，而冲击阻力较小的空隙通道，并不能全面地打散板结，因此深床滤池的反冲洗往往不能够彻底。
发明内容
基于上述技术背景，本发明人进行了锐意进取，结果发现：通过在硫自养反硝化移动床的填料层中安装螺旋输送杆件，填料在螺旋输送杆件的转动下自下而上缓慢移动，当移动至螺旋杆件有效程末端时，填料向四周紧贴反应器内壁回落，形成循环，有效减少反硝化产生的氮气泡在填料层的积累，填料层中生物膜的厚度也会在填料颗粒间的相互摩擦下降低，无需反冲洗即可防止填料板结，同时提高基质传质效率及污水实际接触停留时间，提高污水处理效果、处理效率和硝态氮去除负荷。与此同时，消除填料板结带来的负面影响后，随着填料颗粒之间的摩擦，填料表面的生物膜厚度得到了有效控制，生物膜厚度的降低促进了生物膜的更新，提升了有效活细菌的比例，帮助硫自养反硝化细菌成为优势菌种。同时，氮气在填料摩擦过程中不断被排出，有效提高基质传质效率及污水实际接触停留时间，提升污水处理效果，降低了亚硝酸盐的积累和温室气体N2O的排放。此外，随着脱氮效能的提升，有效减少池体体积的初始填料使用量，极大的降低了运行管理成本，在污水处理方面具有良好的应用前景，从而完成本发明。
本发明第一方面在于提供一种硫自养反硝化移动床，该反硝化移动床包括反应器进水端2、均匀布水孔板4、承托层区域5、填料层区域6、螺旋输送杆件7和反应器出水端9；
螺旋输送杆件7垂直安装在填料层区域6的中间位置，其包括直杆和螺旋部件，螺旋部件呈螺旋状，直杆位于螺旋部件的中间位置，螺旋部件的首端和末端固定在直杆上。
本发明第二方面在于提供一种采用本发明第一方面所述硫自养反硝化移动床进行污水脱氮的方法，
废水由进水端2输送入硫自养反硝化移动床中，自均匀布水孔板4通入承托层区域5，然后经填料层区域6处理后由反应器出水端9流出，污水处理过程中螺旋输送杆件7处于转动状态。
附图说明
图1示出本发明一种优选实施方式地硫自养反硝化移动床示意图；
图2示出本发明一种优选实施方式地脉动床反应器的结构示意图；
图3示出本发明一种优选实施方式地脉动床反应器的俯视图；
图4示出实施例1和对比例1填料的16S基因群落测试图；
图5示出实施例1和对比例1填料的活细菌和死细菌测试图。
附图标号说明
1-进水蠕动泵；
2-反应器进水端；
3-数显压力表；
4-进水筛板；
5-填料层区域；
6-螺旋输送杆件；
7-反应器出水端；
8-电机；
9-转速调频器。
12-进水端；
14-布水板；
15-承托层；
16-填料层；
17-螺旋杆件；
18-自动导轨；
19-出水管。
具体实施方式
下面将对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明第一方面在于提供一种硫自养反硝化移动床，该反硝化移动床包括反应器进水端2、进水筛板4、填料层区域5、螺旋输送杆件6和反应器出水端7，进水筛板4位于反硝化移动床底部的中间位置，反硝化移动床底部围绕进水筛板4向下倾斜，整体呈漏斗状，如图1所示，有利于螺旋输送杆件6在移动床中转动时，位于移动床底部的填料发生“流动”，避免填料板结。
反硝化移动床底部与其侧面之间的夹角为钝角，优选夹角角度为95～150°，更优选为95～120°。
传统的硫自养反硝化固定床中，随着反硝化过程的进行，产生的氮气会积累在填料层空隙中，生物在挂膜成功后会在填料表面不断生长，当生物膜积累过厚时会影响基质向填料表面扩散，同时不断生长的生物膜还会相互连结，形成板结。由于填料板结，导致污水与生物的传质受到影响，造成反应器脱氮效能的下降。与此同时，随着生物膜增厚，板结大量累计，部分细菌由于难以接触到硫基填料表面，不断死亡，这也导致了生物膜内的死细菌比例升高。
本发明所述的硫自养反硝化移动床设置螺旋输送杆件6，该螺旋输送杆件呈螺旋状，是一种推移物料输送的机械装置，利用电机带动螺旋回转，通过实现填料间的缓慢摩擦移动，使填料缓慢“流动”，可避免填料板结，同时可有效控制生物膜厚度，使得主要功能菌群定向富集，且氮气在填料摩擦过程中被不断排出，有效提高基质传质效率及污水实际接触停留时间，降低了亚硝酸盐的积累和温室气体N2O的排放，使得该反应体系具有较高的反硝化负荷，此外，该螺旋输送杆件还具有结构简单、横截面积小、密封性好、操作方便等优点。
所述反应器进水端2位于该反硝化移动床的最下端，与进水蠕动泵1相连，将待处理的废水由反应器进水端2输送至反硝化移动床中，螺旋输送杆件6呈螺旋状，垂直安装在填料层区域5的中间位置，反应器出水端7位于填料层区域5上方，进水筛板4位于填料层区域5和反应器进水端2之间，防止填料掉落。
反应器出水端7与填料层区域5之间的垂直距离为5～300cm，优选垂直距离为7～200cm，更优选为10～200cm。
该硫自养反硝化移动床采用升流模式，运行后待处理废水经进水蠕动泵1自反应器进水端2流入移动床中，然后流入填料层区域5中，最后从反应器出水端7中流出。
所述螺旋输送杆件6的上端与电机8相连，电机8的另一端与转速调频器9相连，电机8驱动螺旋输送杆件6旋转，填料自螺旋输送杆自下而上缓慢移动，当移动至螺旋杆件有效程末端时，填料向四周紧贴反应器内壁回落，形成循环，反硝化产生的积累氮气气泡随着填料移动至螺旋杆件有效程末端时向上自反应器出水端7排出，填料上过厚的生物膜也在填料颗粒间的相互摩擦下得以脱落漂浮至反应器出水端7排出，减小生物膜厚度，转速调频器9用于对螺旋输送杆件6的转速进行调节。
经试验发现，螺旋输送杆件6的转动还可以及时更新生物膜，填料之间的相互摩擦可以有效剔除过厚的老化死细菌，提升生物膜整体活细菌比例，使相关适硫菌的比例提高，如脱氮硫杆菌(Thiobacillus)、嗜硫单胞菌(Sulfurimonas)等比例提高。
所述螺旋输送杆件6的转速为1～30r/min，优选转速为5～20r/min，更优选转速为6～10r/min。
螺旋输送杆件6包括直杆和螺旋部件，螺旋部件呈螺旋状，直杆位于螺旋部件的中间位置，螺旋部件的首端和末端固定在直杆上。
螺旋输送杆件6中直杆和螺旋部件的材质选自尼龙、304不锈钢、302不锈钢、铝合金中的一种或几种，优选为304不锈钢。相同条件下，304不锈钢所制螺杆体积更小，更有利于填料填充。
螺旋输送杆件6螺旋部件的螺距为1～50mm，优选为3～40mm，更优选为5～35mm。
所述螺旋部件的倾斜角度为5～20°，优选为8～15°，更优选为10～12°。
螺旋部件的直径与反应器直径比为1:1.05～1:5，优选为1：1.2～1:4，更优选为1:1.5～1:3。可保证反应器填料层区域的填料均能在螺旋输送杆件的搅动下“流动”，也可使得螺杆和反应器内壁之间有足够的空隙保证填料流过，同时更是避免部分填料因不能被搅动而产生板结。
螺旋部件的倾斜角度为上述范围时，有利于填料在螺旋部件的旋转下向上缓慢移动，同时使气泡在上升过程中不断排出，降低氮气泡积累，防止填料板结。
填料层区域5包括硫磺填料、硫铁矿填料和含有硫磺的复合填料中的一种或几种，优选包括硫磺、硫铁复合填料中的一种或两种，更优选包括2～8mm的球形硫磺填料。
填料层区域5的填充高度为20～500cm，优选为30～200cm，更优选为40～70cm。
填料层区域5的孔隙率为37～42％，优选为38～41％，更优选为39～40％。
本发明第二方面在于提供一种采用本发明第一方面所述硫自养反硝化移动床进行污水脱氮的方法，该方法将废水由反应器进水端2输送入硫自养反硝化移动床中，经进水筛板4然后输送至填料层区域5，最后经处理后由反应器出水端7流出，污水处理过程中螺旋输送杆件6处于间歇转动状态，优选转动0.1～8h，停转0.1～8h，更优选转动6h停止6h。
采用间歇转动的方式不仅可以降低污水处理成本，还可较大幅度的提高污水处理效果，提高传质效果。
根据实际水质硝氮浓度的去除需求，一般来说，空床停留时间为0.1～6h，优选停留时间为0.3～4h，更优选为0.5～2h。
污水处理温度为10～40℃，优选处理温度为20～35℃，更优选处理温度为25～30℃。上述处理温度是脱氮硫杆菌最适宜的温度。
所述螺旋输送杆件6的转速为1～30r/min，优选转速为5～20r/min，更优选转速为6～10r/min。
经试验发现，螺旋输送杆件的转速为上述范围时，有利于避免填料板结并将氮气泡从反应器中排出，有效降低出水氮含量，提高污水处理效果。
本发明第三方面在于提供一种脉动床反应器，该脉动床反应器呈长方体状。所述脉动床反应器包括螺旋杆件17和自动导轨18，自动导轨18安装在脉动床反应器的顶部，螺旋杆件17安装在自动导轨18上，螺旋杆件17可随自动导轨18沿着脉动床反应器的长边方向与短边方向做往复移动，如图2和图3所示，在螺旋杆件17往复移动的过程中不断进行旋转，不仅可以实现填料的局部扰动，还可使反应器内填料整体充分移动，使其具备更好的工业化放大应用能力。
经试验发现，机械搅拌能有效维持脉动床反应器的脱氮效果，同时利用自动导轨反复移动，能使反应器中各部分填料搅动更均匀，降低填料层中的氮气泡积累，提升脱氮效果。
所述自动导轨18安装在脉动床反应器的顶部，自动导轨18呈工字型，如图3所示，包括沿反应器长边安装的长导轨，位于反应器顶部的两侧，还包括安装在两个长导轨之间的短导轨，短导轨与长导轨垂直，如图3所示，长导轨平行于脉动床反应器的长边，短导轨平行于脉动床反应器的短边。
螺旋杆件17的转速为5～40r/min，优选为15～30r/min，更优选为15-25r/min。
螺旋杆件17在自动导轨18上的水平移动速度为0.01～11cm/s，优选为0.05～5.0cm/s，更优选为0.1～1cm/s。
自动导轨的移动速度为上述范围时，有利于使填料整体充分移动，避免脉动床中各部分填料发生黏连、板结，并及时更新生物膜，将生物膜保持在较低厚度，使该反硝化移动床具有较高的脱氮负荷。
自动导轨18长导轨的长度与脉动床反应器长边的比值为(1～1.3)：1，优选比值为(1～1.2):1，更优选比值为(1～1.05):1。
自动导轨18短导轨的长度与脉动床反应器短边的比值为(1～1.3)：1，优选比值为(1～1.2):1，更优选比值为(1～1.05):1。
本发明人发现，自动导轨长导轨与短导轨的长度与脉动床反应器长边与短边的比值为上述范围时，螺旋输送杆件即可最大程度的对整个脉动床中的填料进行搅动，及时更新填料层的生物膜。
该脉动床反应器还包括进水端12、出水管19、承托层15、填料层16和布水板14，该脉动床反应器采用升流模式，所述进水端12位于脉动床反应器的底部，承托层15和布水板14位于填料层16和进水端12之间，承托层15位于填料层16和布水板14之间，螺旋杆件17呈螺旋状，位于填料层16中，出水管19位于填料层16的上方。
螺旋杆件17包括直杆和螺旋部件，螺旋部件呈螺旋状，直杆位于螺旋部件的中间位置，螺旋部件的首端和末端固定在直杆上。
螺旋杆件17直杆的材质选自尼龙或304不锈钢中的一种或两种，优选为304不锈钢。相同条件下，304不锈钢所制螺杆体积更小，更有利于填料填充。
所述螺旋部件的材质选自尼龙或304不锈钢中的一种或两种，优选为304不锈钢。
螺旋杆件17螺旋部件的螺距为1～50mm，优选为3～40mm，更优选为5～35mm。
所述螺旋部件的倾斜角度为5～20°，优选为8～15°，更优选为10～15°。
由于螺旋杆件17可随自动导轨18沿着脉动床反应器的长边方向与短边方向做往复移动，保证了螺旋杆件17对填料各个点位的影响，可最大范围的“搅动”反应器中的填料，有效避免脉动床中部分填料因未被搅动而发生板结。
所述承托层15的材质为鹅卵石、石头、陶粒和砂子中的一种或几种，优选为鹅卵石和陶粒中的一种或两种，更优选为粒径3～8mm的鹅卵石。
承托层15的填充高度为3～150cm，优选为5～120cm，更优选为8～100cm。
所述承托层15的孔隙率为30～50％，优选为33～48％，更优选为38～46％。
填料层16包括硫磺填料、硫铁矿填料和含有硫磺的复合填料中的一种或几种，优选包括硫磺，更优选包括粒径3～5mm的球形硫磺。
所述填料层16的填充高度为5～500cm，优选为10～300cm，更优选为12～250cm。
填料层16的孔隙率为37～42％，优选为38～41％，更优选为39～40％。填料层16的孔隙率为上述范围时，待处理废水在脉动床中的停留时间适宜，脱氮效果和脱氮效率高。
出水管19与填料层16之间的垂直距离为2～50cm，优选垂直距离为6～30cm，更优选为8～20cm。
所述布水板14上均匀分布安装短柄滤头，使进水端流入的污水由布水板14上的短柄滤头均匀布水流入承托层15中，所述布水板14上的短柄滤头柄径为0.5～50mm，优选为0.6～40mm，更优选为0.8～30mm。
布水板14上相邻短柄滤头之间的距离相等，从而保证安装的短柄滤头在整体滤池内可布水均匀，相邻短柄滤头之间的距离为0.1～10cm，优选为0.5～8cm，更优选为1～6cm。
本发明第四方面在于提供一种采用本发明第三方面所述脉动床反应器污水脱氮的方法，该方法将待处理废水由进水端输送至脉动床反应器中，自下而上经均匀布水板14、承托层15和填料层16，最后由脉动床反应器出水端19流出。
空床停留时间取决于所需处理的污水硝氮浓度，通常为0.1～6h
污水处理温度为8～40℃，优选处理温度为15～35℃，更优选处理温度为20～30℃。
螺旋杆件17的转速为5～40r/min，优选转速为15～30r/min，更优选转速为15～25r/min。持续转动或间歇转动状态。
螺旋杆件17在自动导轨上的水平移动速度为0.01～11cm/s，优选为0.05～5.0cm/s，更优选为0.1～1cm/s。持续往复运动或间歇转动状态。
本发明所具有的有益效果：
(1)本发明所述反硝化移动床体系，是在已成熟应用的固定床体系中加入了螺旋输送杆件，通过该装置的添加可实现填料的流化和填料间的相互摩擦，即使排出填料层间的氮气，降低生物膜厚度，使填料表面的硫自养反硝化细菌比例提高，可使反应体系维持高效稳定的脱氮性能。将该反硝化移动床体系用于污水脱氮处理，一方面可以提升污水处理的稳定性，另一方面相比于固定床体系，其脱氮速率显著提升，且由于填料的稳定流动，使本工艺无需依赖反冲洗，规避了气洗时氧气对填料层造成的破坏、反洗时造成的产水率下降、反冲洗不均匀不彻底等问题。
(2)相较于固定床工艺，本发明所述移动床体系能够显著提升脱氮负荷，实验证明整体提升近50％，反硝化反应的顺利进行也大大降低了中间产物N2O的排放，降低温室效应。在相同的应用场景条件下，能够有效减少池体体积的初始填料使用量，占地面积减少20～30％，吨水投资成本可降低30～40％，此外，本发明无需依赖反冲洗，极大的降低了运行管理成本。
(3)本发明所述脉动床反应器将螺旋输送杆件安装在滤池上方，并配合制动轨道，在面向大型滤池放大开发时，不仅可实现填料的局部循环流化，通过轨道的设置还可实现填料的整体流动，区别于现有的气冲水冲技术，本发明能够更有效的解决现有固定床工艺放大带来的反冲洗产水率低、反冲洗管道管径过大、反冲洗时滤池停止运行等问题。
(4)本发明针对现有技术中固定床反应体系存在的脱氮负荷低、依赖反冲洗、脱氮效率缺乏受控调节等问题，创造性的提出螺旋输送杆驱动的移动床工艺，有望在新工艺技术方面产生突破，为解决我国污水处理厂总氮深度削减的迫切需求提供有力支撑。
实施例
以下通过具体实例进一步阐述本发明，这些实施例仅限于说明本发明，而不用于限制本发明范围。
实施例1
硫自养反硝化移动床包括反应器进水端2、进水筛板4、填料层区域5、螺旋输送杆件6和反应器出水端7，进水筛板4位于反硝化移动床底部的中间位置，反硝化移动床底部围绕进水筛板4向下倾斜，呈漏斗状，反硝化移动床底部与其侧面之间的夹角角度为100°，反应器进水端2位于反硝化移动床的最下端，与进水蠕动泵1相连，填料层区域5位于反应器出水端7和反应器进水端2之间，螺旋输送杆件6呈螺旋状，垂直安装在填料层区域5的中间位置，反应器出水端7位于填料层区域5上方。
硫自养反硝化移动床的填料层区域5采用3～5mm的硫磺球形颗粒，填充高度为50cm，孔隙率为40％，反应器出水端7高出填料层区域5 10cm。螺旋输送杆件6包括直杆和螺旋部件，所述螺旋部件的材质为304不锈钢，螺旋部件的螺距为30mm，螺旋部件的倾斜角度为10°，螺旋部件的直径与反应器直径比为1:2，螺旋输送杆件6的转速为10r/min，电机功率为60W，空床停留时间为1h，进水流速为39.25ml/min，模拟废水组分为：NO3 --N 20mg·L-1、NH4 +-N 2mg·L-1、KH2PO4-P 0.5mg·L-1、NaHCO3 0.3mg·L-1、MgCl2·6H2O 0.4mg·L-1、Na2S2O3 50mg·L-1，再按1mL/L的比例加入微量元素液和维生素液，接种厌氧池污泥按填料层体积1000mg/L，启动工艺，连续进水5天后，将空床停留时间调整为0.5h，进水流速提升至78.5ml/min，5天后去掉进水中的Na2S2O3，运行至出水稳定，控制污水处理温度为30℃，待反应器出水硝酸盐氮和亚硝酸盐氮稳定后，视为启动成功。
实施例2
脉动床反应器包括进水端12、布水板14、承托层15、填料层16、螺旋杆件17、自动导轨18和出水管19，进水端12位于脉动床反应器的底部，与进水蠕动泵相连，承托层15和布水板14位于填料层16和进水端12之间，承托层15位于填料层16和布水板14之间，螺旋杆件17呈螺旋状，位于填料层16中，出水端19位于填料层16上方，自动导轨18安装在脉动床反应器的顶部，螺旋杆件17安装在自动导轨18上，自动导轨18呈工字型，包括沿反应器长边安装的长导轨，位于反应器顶部的两侧，以及安装在两个长导轨之间的短导轨，短导轨与长导轨垂直，长导轨平行于脉动床反应器的长边，短导轨平行于脉动床反应器的短边。
脉动床反应器的承托层15包括直径3～5mm的鹅卵石，承托层15的填充高度为10cm，其孔隙率为44％，填料层16采用3～5mm的硫磺球形颗粒，填充高度为30cm，孔隙率为40％，出水管19高出填料层16-15cm。布水板14上的短柄滤头柄径为3cm，相邻短柄滤头之间的距离为5cm，螺旋杆件17包括直杆和螺旋部件，所述直杆和螺旋部件的材质为304不锈钢，螺旋部件的螺距为30mm，螺旋部件的倾斜角度为15°，螺旋部件的直径与脉动床反应器宽度的比为0.533，自动导轨18长导轨的长度与脉动床反应器长边的比值为1：1，自动导轨18短导轨的长度与脉动床反应器短边的比值为1：1，螺旋杆件17的转速为23r/min，螺旋杆件17在自动导轨18上的水平移动速度为0.5cm/s，电机功率为70W，空床停留时间为1h，进水流速为9000ml/min，模拟废水组分为：NO3 --N 20mg·L-1、NH4 +-N 2mg·L-1、KH2PO4-P 0.5mg·L-1、NaHCO3 0.3mg·L-1、MgCl2·6H2O 0.4mg·L-1、Na2S2O3 50mg·L-1，再按1mL/L的比例加入微量元素液和维生素液，接种厌氧池污泥按填料层体积1000mg/L，启动工艺，连续进水5天后，将空床停留时间调整为0.333h，进水流速提升至2250ml/min，5天后去掉进水中的Na2S2O3，运行至出水稳定，控制污水处理温度为30℃，待反应器出水硝酸盐氮和亚硝酸盐氮稳定后，视为启动成功。
对比例
对比例1
以与实施例1相似的方式进行污水脱氮，区别仅在于：硫自养反硝化移动床不包括螺旋输送杆件7。
对比例2
以与实施例2相似的方式进行污水脱氮，区别仅在于：脉动床不包括螺旋杆件17和自动导轨18。
实验例
实验例1脱氮效果测试
对实施例1和对比例1的出水硝态氮、亚硝氮、N2O浓度进行测试，其出水的动态硝态氮浓度如下表1所示。
从表1中可以看出，当实施例1和对比例1出水稳定后，选取两者10天的进出水样本，在相同进水流速下，实施例1的出水硝态氮去除浓度稳定在18mg/L左右，去除率达81％左右，远高于对比例1的进出水硝态氮差值11mg/L，去除率61％左右，而且随着反硝化移动床持续运行，对比例1的出水硝态氮浓度还会不断上升，而实施例1的出水硝态氮保持稳定。
表1
Figure BDA0003828337000000171
同样，实施例1中几乎不存在亚硝酸盐的积累，而对比例1中可以明显地在出水中测到亚硝酸盐，这是由于实施例1中发生的反硝化过程更为顺利，因此实施例1中的亚硝酸盐积累量低。
可见，本发明所述的硫自养反硝化移动床具有较高的硝态氮去除负荷。
实验例2脱氮效果测试
对实施例2和对比例2的出水硝态氮、亚硝氮、DO值(溶氧量)降低浓度进行测试，其出水的动态硝态氮浓度如下表2所示。
从表2中可以看出，当实施例2和对比例2出水稳定后，选取两者10天的进出水样本，在相同进水流速下，实施例2的出水硝态氮去除浓度稳定在6mg/L左右，高于对比例2的进出水硝态氮差值4mg/L，而且随着反硝化脉动床持续运行，对比例的出水硝态氮浓度还会不断上升，而实施例2的出水硝态氮保持稳定。
表2
Figure BDA0003828337000000181
同样，实施例2中几乎不存在亚硝酸盐的积累，而对比例2中可以明显地在出水中检测到亚硝酸盐，这是由于实施例2中发生的反硝化过程更为顺利，因此实施例2中的出水亚硝氮盐浓度更低。
可见，本发明所述的硫自养反硝化脉动床具有较高的硝态氮去除负荷。
实验例3床层堵塞程度分析
对实施例1和对比例1移动床的氮气积累率进行测试，氮气积累率和实际停留时间如表3所示：
表3
Figure BDA0003828337000000182
表3中，实施例1中床层的氮气积累率为14.02％，对比例1中床层的氮气积累率为48.46％，实施例1中床层的氮气积累率远低于对比例1中床层的氮气积累率。相应的，实施例1中的平均实际停留时间为0.264h，对比例1中的平均实际停留时间仅为0.154h。实施例1的有效孔隙率是对比例1的1.668倍，实际停留时间是对比例1的1.714倍，表明本申请所述移动床的氮气积累率降低，污水停留时间延长。
实验例4生物膜厚度测试
对实施例1和对比例1填料中的生物膜厚度进行测试，在反应器稳定运行后，取样检测填料挂膜厚度，测试如表4所示：
表4
Figure BDA0003828337000000191
从表4中可以看出，对比例1中的生物膜厚度远高于实施例1的生物膜厚度，可见，对比例1中的生物膜在污水处理过程中不断生长过厚所致，表明本发明移动床通过设置螺旋输送杆件，可有效降低生物膜厚度。
实验例5生物群落结构分析
对实施例1和对比例1中的填料进行16S基因群落测试分析，其结果如图4所示：
图4中分析结果可知，在实施例1中，起到硫自养反硝化作用的嗜硫单胞菌(Sulfurimonas)属成为了主要的优势菌属，其群落丰度占比高达47.91％；而对比例中的菌种种类较杂，且硫自养反硝化菌属占比较低，其中优势菌属为铁氧化细菌(Ferritrophicum)，占比为15.8％。由此也可以看出实施例1在螺杆搅动的作用下不断净化反应器内部环境为硫自养反硝化作用带来的增益效果。
实验例6活细菌比例分析
对实施例1和对比例1填料中的活死细胞染色进行测试，在反应器稳定运行后，取样检测填料表面生物，测试如表5和图5所示：
表5
Figure BDA0003828337000000201
从表5和图5中可以看出，对比例1中的生物膜活细菌占比远低于实施例1，而从细菌总体来说，对比例1远高于实施例1，所以可以看出对比例1生物量多，意味着对比例1的死细菌也远大于实施例1，这为反硝化反应带来了更大的传质阻力，表明采用本发明所述的反硝化移动床可有效降低死细菌比例，降低传质阻力。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种硫自养反硝化移动床，该硫自养反硝化移动床包括反应器进水端(2)、进水筛板(4)、填料层区域(5)、螺旋输送杆件(6)和反应器出水端(7)，进水筛板4位于反硝化移动床底部的中间位置，反硝化移动床底部围绕进水筛板4向下倾斜，呈漏斗状；
螺旋输送杆件(6)垂直安装在填料层区域(5)的中间位置，其包括直杆和螺旋部件，螺旋部件呈螺旋状，直杆位于螺旋部件的中间位置，螺旋部件的首端和末端固定在直杆上。
2.根据权利要求1所述的硫自养反硝化移动床，其特征在于，
反应器进水端(2)位于该反硝化移动床的最下端，与进水蠕动泵(1)相连，反应器出水端(7)位于填料层区域(5)上方。
3.根据权利要求1所述的硫自养反硝化移动床，其特征在于，
螺旋输送杆件(6)螺旋部件的螺距为1～50mm；
所述螺旋部件的倾斜角度为5～20°。
4.根据权利要求1所述的硫自养反硝化移动床，其特征在于，
螺旋部件的直径与反应器直径比为1:1.05～1:5。
5.根据权利要求2所述的硫自养反硝化移动床，其特征在于，
反应器出水端(7)与填料层区域(5)之间的垂直距离为5～300cm。
6.根据权利要求2所述的硫自养反硝化移动床，其特征在于，
填料层区域(5)包括硫磺填料、硫铁矿填料和含有硫磺的复合填料中的一种或几种；
填料层区域(5)的填充高度为20～500cm，填料层区域(5)的孔隙率为37～42％。
7.一种采用权利要求1至6之一所述硫自养反硝化移动床进行污水脱氮的方法，其特征在于，
废水由反应器进水端(2)输送入硫自养反硝化移动床中，然后经填料层区域(5)处理后由反应器出水端(7)流出，污水处理过程中螺旋输送杆件(6)处于间歇转动状态。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述螺旋输送杆件(6)的转速为1～30r/min。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
空床停留时间为0.1～6h。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
螺旋输送杆件(6)转动0.1～8h后停转0.1～8h。
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