CN116395838B - 一种基于pn/a耦合生物炭spd工艺的污水处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，包括PN/A反应器，以及分别位于PN/A反应器左右两侧的前端SPD固定床和后端SPD固定床；前端SPD固定床与PN/A反应器之间通过前端升流/降流槽连接，后端SPD固定床与PN/A反应器之间通过后端升流/降流槽连接；前端SPD固定床的内部结构与后端SPD固定床的内部结构呈左右对称，前端SPD固定床和后端SPD固定床内部的填料区均由多块生物炭砖组成。本发明的污水处理装置有效解决了现有技术存在的深度脱氮碳源成本高，剩余污泥量增多等问题，保证了颗粒污泥的稳定性和生物活性，提高出水水质，具有经济效益高，操作灵活等特点。
Description
技术领域
本发明属于污水脱氮处理技术领域，具体涉及一种基于PN/A（部分硝化-厌氧氨氧化）耦合生物炭SPD（固相反硝化）工艺的污水处理装置。
背景技术
部分硝化-厌氧氨氧化（PN/A）指的是先将氨氮氧化为亚硝态氮，然后利用厌氧氨氧化菌将亚硝态氮和氨态氮转变为氮气的污水脱氮工艺，因其无需曝气和外加碳源，从而可以节省60%的能耗和100%的碳源。然而PN/A工艺中也存在着诸如对高浓度有机物敏感，TN不达标，有残余硝态氮等问题，常采用耦合异养反硝化进行深度脱氮；同时也产生了碳源投入成本、剩余污泥量增多等新的问题。
目前，令国内外学者趋之若鹜的，是如何利用最经济的成本和最高效的脱氮工艺，来满足日益严格的污水厂水质标准。因此，开发新型的脱氮工艺以及研究各种脱氮工艺机理迫在眉睫。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于PN/A（部分硝化-厌氧氨氧化）耦合生物炭SPD（固相反硝化）工艺的污水处理装置，以解决深度脱氮碳源成本高，剩余污泥量增多的问题，保证颗粒污泥的稳定性和生物活性，提高出水水质。
为解决上述技术问题，实现上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，包括PN/A反应器，以及分别位于所述PN/A反应器左右两侧的前端SPD固定床和后端SPD固定床；
所述前端SPD固定床与所述PN/A反应器之间通过前端升流/降流槽连接，所述后端SPD固定床与所述PN/A反应器之间通过后端升流/降流槽连接；
所述前端SPD固定床的内部结构与所述后端SPD固定床的内部结构呈左右对称，所述前端SPD固定床和所述后端SPD固定床内部的填料区均由多块生物炭砖组成。
所述前端SPD固定床和所述后端SPD固定床的内部结构均由上腔体、中腔体和下腔体组成，所述上腔体与所述中腔体之间通过上滤板分隔，所述中腔体与所述下腔体之间通过下滤板分隔；所述上腔体内设置有V型槽，所述上腔体的外侧设置有进/出水渠，所述进/出水渠与所述V型槽连接；所述中腔体内设置有多块所述生物炭砖，作为所述填料区；所述下腔体与所述中腔体之间通过下滤板分隔，所述下腔体内设置有底部水渠，所述底部水渠与所述前端升流/降流槽或所述后端升流/降流槽连接。
进一步的，所述前端SPD固定床和所述后端SPD固定床的长、宽、高比例均为1:1:3；所述填料区的长、宽、高的比例为1：1：2。
进一步的，所述PN/A反应器的内部为对称结构，由沉淀区、主反应区和回流区组成，所述回流区位于所述主反应区的左右两侧，用于将污水引入或引出所述主反应区；所述主反应区内接种亚硝化污泥和全自养脱氮颗粒污泥，用于与污水充分混合进行脱氮；所述沉淀区位于所述主反应区的底部，用于接收反应后所沉淀下来的颗粒污泥。
进一步的，所述PN/A反应器的长、宽、高比例为1:1:3。
进一步的，所述PN/A反应器还配备有空气压缩机、曝气头、DO监测器和硝态氮监测器；所述硝态氮监测器和所述DO监测器的探头均插入所述PN/A反应器的内部，所述曝气头布设在所述PN/A反应器的内部，所述空气压缩机为所述曝气头提供气源。
进一步的，所述硝态氮监测器、所述DO监测器和所述空气压缩机均与控制器信号连接，所述控制器用于根据所述硝态氮监测器、所述DO监测器的检测数据控制污水的进、出水方向以及控制曝气头的曝气时间。
进一步的，所述前端升流/降流槽的结构与所述后端升流/降流槽的结构呈左右对称，均由并排的外侧槽和内侧槽组成，所述外侧槽和所述内侧槽通过顶部的溢流口连接，所述外侧槽通过底部的外侧过水孔与所述前端SPD固定床或所述后端SPD固定床连接，所述内侧槽通过中下部的内侧过水孔与所述PN/A反应器连接；所述外侧槽和所述内侧槽中的一个槽作为升流区，另一个槽作为降流区。
进一步的，所述外侧过水孔、所述内侧过水孔和所述溢流口的长、宽比例均为为1：1.5。
进一步的，所述生物炭砖的形制为内部具有蜂窝状孔洞的立方型生物炭砖，其长、宽、高的比例为1：1：1。
本发明的有益效果为：
1、单一的短程硝化-厌氧氨氧化（PN/A）工艺最大理论上去除89%的氨氮，有10%-20%的氮转化为硝态氮不能被去除，单一的固相反硝化（SPD）对于低浓度的硝酸盐有较好的去除效果，但是高浓度的硝酸盐去除效果较差，因此本发明的装置将两者耦合从而对污水进行深度脱氮处理，降低出水硝态氮的浓度，提高了出水水质。
2、本发明的装置选用剩余污泥烧制而成生物炭作为SPD的填料，与传统的溶解性有机碳源相比具有成本低，来源广。生物炭具有较好的吸附性能，吸附污水中有机物并储存为可用碳源，既维持了PN/A颗粒污泥的稳定性，又将有机物资源化利用，经济效益高。同时，也可以起到为微生物提供生长载体的作用，为厌氧氨氧化菌和反硝化菌等菌群创造一个更稳定的生存环境，具有广泛的开发应用前景。
3、本发明的整个装置都是对称结构，两端既可以进水也可以出水，并且通过DO检测器和硝态氮监测器进行实时检测，当生物炭吸附饱和后自动改变进水方向，有效利用生物炭吸附的有机物作为碳源，资源化程度高。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，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。在附图中：
图1为本发明的污水处理装置的正面视角的透视图；
图2为本发明的污水处理装置的俯视图；
图3为本发明的污水处理装置中的生物炭砖的示意图。
实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
参见图1-3所示，一种基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，包括PN/A反应器1，以及分别位于所述PN/A反应器1左右两侧的前端SPD固定床2a和后端SPD固定床2b；所述前端SPD固定床2a与所述PN/A反应器1之间通过前端升流/降流槽3a连接，所述后端SPD固定床2b与所述PN/A反应器1之间通过后端升流/降流槽3b连接；所述前端SPD固定床2a的内部结构与所述后端SPD固定床2b的内部结构呈左右对称，所述前端SPD固定床2a和所述后端SPD固定床2b内部的填料区201均由多块生物炭砖组成。
参见图1所示，所述前端SPD固定床2a和所述后端SPD固定床2b的内部结构均由上腔体、中腔体和下腔体组成，所述上腔体与所述中腔体之间通过上滤板202分隔，所述中腔体与所述下腔体之间通过下滤板分隔；所述上腔体内设置有V型槽203，所述上腔体的外侧设置有进/出水渠204，所述进/出水渠204与所述V型槽203连接；所述中腔体内设置有多块所述生物炭砖，作为所述填料区201；所述下腔体与所述中腔体之间通过下滤板205分隔，所述下腔体内设置有底部水渠206，所述底部水渠206与所述前端升流/降流槽3a或所述后端升流/降流槽3b连接。
作为本发明的一种实施例，所述前端SPD固定床2a和所述后端SPD固定床2b中优势菌门为Proteobacteria（20%-50%）、Bacteroidetes（10%-30%）、Firmicutes（5%-20%）和Patescibacteria（2%-10%）等。
作为本发明的一种实施例，所述前端SPD固定床2a和所述后端SPD固定床2b的长、宽、高比例均优选1:1:3。
作为本发明的一种实施例，所述填料区的长、宽、高的比例优选为1：1：2。
参见图1所示，所述PN/A反应器1的内部为对称结构，由沉淀区101、主反应区102和回流区103组成，所述回流区103位于所述主反应区102的左右两侧，用于将污水引入或引出所述主反应区102；所述主反应区102内接种亚硝化污泥和全自养脱氮颗粒污泥，用于与污水充分混合进行脱氮；所述沉淀区101位于所述主反应区102的底部，用于接收反应后所沉淀下来的颗粒污泥；
所述PN/A反应器1还配备有空气压缩机4、曝气头5、DO监测器6和硝态氮监测器7；所述硝态氮监测器7和所述DO监测器6的探头均插入所述PN/A反应器1的内部，所述曝气头布设在所述PN/A反应器1的内部，所述空气压缩机4为所述曝气头5提供气源；
且所述硝态氮监测器7、所述DO监测器6和所述空气压缩机4均与控制器8信号连接，所述控制器8用于根据所述硝态氮监测器7、所述DO监测器6的检测数据控制污水的进、出水方向以及控制曝气头5的曝气时间。
作为本发明的一种实施例，所述PN/A反应器1内的颗粒污泥中，AOB、AMX和共生异养菌是驱动自养脱氮反应的核心菌群，其中AMX所属的浮霉菌门（Planctomycetes）占到总量的20%-40%，随后是变形菌门（Proteobacteria，10%-30%）、拟杆菌门（Bacteroidetes，10%-20%）和绿弯菌门（Chloroflexi，5%-15%）等。
作为本发明的一种实施例，所述PN/A反应器1的长、宽、高比例优选1:1:3。
参见图1所示，所述前端升流/降流槽3a的结构与所述后端升流/降流槽3b的结构呈左右对称，均由并排的外侧槽301和内侧槽302组成，所述外侧槽301和所述内侧槽302通过顶部的溢流口303连接，所述外侧槽301通过底部的外侧过水孔304与所述前端SPD固定床2a或所述后端SPD固定床2b连接，所述内侧槽302通过中下部的内侧过水孔305与所述PN/A反应器1连接；所述外侧槽301和所述内侧槽302中的一个槽作为升流区，另一个槽作为降流区。
作为本发明的一种实施例，所述外侧过水孔304、所述内侧过水孔（305）和所述溢流口的长、宽比例优选为1：1.5。
参见图3所示，作为本发明的一种实施例，所述生物炭砖的形制为内部具有蜂窝状孔洞的立方型生物炭砖，长、宽、高的比例优选1：1：1；且所述生物炭的孔隙半径为50mm，比表面积为80-120m2/g，孔隙率为50%-70%，孔内流速为0.8-1.2m/s，有机物去除率75-90%。
作为本发明的一种实施例，所述内部具有蜂窝状孔洞的立方型生物炭砖的制备步骤如下：
步骤1）先将市政污泥进行调理改型，再高干脱水成为脱水泥饼，然后将脱水泥饼经过破碎机破碎成市政污泥颗粒，再将市政污泥颗粒送入干化炉内，在120℃下干燥60min，之后通过马弗炉对市政污泥颗粒进行热解，热解温度为600℃，氮气流速为0.5L/min，升温速率为10℃/min，在惰性N2气氛下热解2-3h，产生污泥炭，最后将污泥炭自然放置冷却至室温；
其中，添加的药剂为无机混凝剂、有机混凝剂、添加剂中的一种或几种；
高干脱水后的脱水泥饼的含水率≤60%，所述脱水泥饼经破碎机粉碎后的市政污泥颗粒的粒径大小≤50mm；
所述干化炉为内热式干化炉，温度范围为120℃，停留时间60min；
步骤2）将冷却后的污泥炭用去离子水进行清洗，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，得到除杂污泥炭，再使用机械研磨机对除杂污泥炭进行研磨，然后通过0.6mm筛网进行筛分；
其中，加入去离子水目的是去除污泥炭中多余的无机盐杂质离子，然后优选通过超声、加热、搅拌相结合的方式对污泥炭进行清洗，超声时间优选为30-90min，并加以搅拌；加热温度优选为40-80℃，同时加以搅拌；
步骤3）将沸石用去离子水进行清洗，清洗至洗涤液为中性后进行固液分离，所得固相经烘干后，得到除杂沸石，再使用机械研磨机对对除杂沸石进行研磨，然后通过0.6mm筛网进行筛分；
其中，在对沸石进行清洗时，加入去离子水的目的是去除沸石中包括碳酸盐、有机物在内的杂质；
步骤4）在球磨机中以800rpm的转速研磨纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭20min，再将研磨后的混合物添加到悬浮液中，并在磁力搅拌器上搅拌3h，然后从中分离处出经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，并在80℃下干燥，得到污泥炭原料；
其中，纳米二氧化硅的粒径为5-50nm，纳米二氧化硅与除杂污泥炭的质量比为1:5；
除杂沸石占纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的的2-4%；
所述悬浮液是由蒙脱石或高岭土粉末中的一种或两种加入到去离子水中后，用超声波发生器超声处理后制得，蒙脱石和/或高岭土粉末的质量是纳米二氧化硅改性污泥炭材料总质量的20%；
若，球磨后的纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭混合物的质量为10g，则所述悬浮液可以由2g蒙脱石或高岭土粉末加入到500mL去离子水中后，用超声波发生器超声处理30min后制得；
步骤5）将经粘土处理的污泥炭原料置于管式炉内的石英管中，在惰性气体N2氛围，热解温度600-800℃下进行热解，缓慢热解1h制得纳米二氧化硅改性污泥炭材料；然后将制得纳米二氧化硅改性污泥炭材料在电控研钵杵中研磨30min，之后在涡轮磨砂机50Hz，1000转/min下研磨3h，制得微米级纳米二氧化硅改性污泥炭材料；
其中，所述微米级纳米二氧化硅改性污泥炭材料的粒径优选为1-5μm；
步骤6）将制得的微米级纳米二氧化硅改性污泥炭材料采用3D打印技术制成内部具有蜂窝状孔洞的立方型生物炭砖；所述立方型生物炭砖的长、宽、高比例优选为1：1：1，所述立方型生物炭砖内部蜂窝状孔洞的孔隙半径为50mm，比表面积为80-120m2/g，孔隙率为50%-70%，孔内流速优选0.8-1.2m/s，有机物去除率75-90%。
本发明的基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置的工作原理及过程如下：
系统启动阶段：
在PN/A反应器1中按一定比例接种亚硝化污泥和全自养脱氮颗粒污泥，使PN/A反应器1内污泥浓度维持在一定范围内；
2、通过DO检测器和硝态氮检测器实时检测PN/A反应器1中DO（溶解氧）浓度和硝态氮浓度；
3、在前端SPD固定床2a和后端SPD固定床2b内部的填料区201分别码放多块内部具有蜂窝状孔洞的立方型生物炭砖；
运行调控阶段：
1、污水由前端进/出水渠204进入前端SPD固定床2a，前端SPD固定床2a利用其内部的立方型生物炭砖的吸附作用，将污水中的有机物去除；
2、去除有机物后的污水由前端SPD固定床2a进入前端升流/降流槽3a，污水在前端升流/降流槽3a中经过升流和降流后进入PN/A反应器1；
3、PN/A反应器1利用其内部接种的亚硝化污泥和全自养脱氮颗粒污泥对污水进行脱氮，并通过DO检测器和硝态氮检测器实时检测PN/A反应器1中DO（溶解氧）浓度和硝态氮浓度；
4、脱氮后的污水由PN/A反应器1进入后端升流/降流槽3b，出水在后端升流/降流槽3b中经过升流和降流后进入后端SPD固定床2b；
5、反硝化菌利用后端SPD固定床2b内部的立方型生物炭砖所吸附的有机物作为碳源，将污水中残留的硝酸盐去除，经深度脱氮后的出水最后由后端的进/出水渠204排出；
6、控制器根据DO检测器和硝态氮检测器实时监测到的DO浓度和硝态氮浓度数据，来判断前端SPD固定床2a内的生物炭砖是否处于有机物吸附饱和状态；当前端SPD固定床2a内的生物炭砖吸附饱和后，控制器改变污水的进出水方向，污水改为由后端的进/出水渠204进入后端SPD固定床2b；
此时，后端SPD固定床2b负责利用其内部的立方型生物炭砖的吸附作用去除污水中的有机物，而前端SPD固定床2a负责利用其内部的立方型生物炭砖所吸附的有机物作为碳源，供反硝化菌去除污水中残留的硝酸盐，在完成深度脱氮的同时，实现了污水中有机物的资源化利用。
下面通过2个具体实施例来说明本发明污水处理装置的处理效果。
实施例
处理水：某工业废水污染物均值浓度为COD 160mg/L，NH4+-N 200mg/L，pH 7.6-8.0，运行温度为30-32℃。实验装置如图1-3所示，实现短程硝化和厌氧氨氧化的场所是有效体积为500L的CSTR反应器，进行反硝化深度脱氮的反应器是有效体积为714L的固定床。
系统启动：PN/A反应器中接种亚硝化污泥和全自养脱氮颗粒污泥，颗粒污泥粒径优选0.5-3mm，按照体积比1：1的比例接种，使PN/A反应器的污泥浓度MLSS在3000-9000mg/L，通过DO检测器和硝态氮检测器实时检测PN/A反应器内的DO浓度和硝态氮浓度；前端SPD固定床和后端SPD固定床均不在外加接种污泥，而是在前端SPD固定床和后端SPD固定床内部的填料区分别码放多块内部具有蜂窝状孔洞的立方型生物炭砖；所选用的生物炭砖长宽高为30cm×30cm×30cm，孔隙半径为50mm，孔隙率为70%，表面孔的数量约713个，有机物去除率75-90%；
正向运行调控：污水由前端进/出水渠流入前端SPD固定床的V型槽，V型槽通过上滤板向填料区均匀布水，HRT为2.9h，COD负荷1.3kg·m-3·d-1，填料区利用生物炭砖的吸附作用将污水中的有机物去除，水流在生物炭砖内的流速为1m/s，之后通过下滤板流入前端SPD固定床的底部水渠；然后经去除有机物的污水通过外侧过水孔流入前端升流/降流槽的外侧槽，水流在外侧槽升流后通过顶部的溢流口流入前端升流/降流槽的内侧槽，水流在内侧槽降流后通过内侧过水孔流入PN/A反应器；污水在PN/A反应器内先经过回流区流入主反应区，主反应区利用其内部接种的亚硝化污泥和全自养脱氮颗粒污泥对污水进行脱氮，水力停留时间2h，NLR=2.4kg·m-3·d-1，其中曝气阶段通过空气压缩机和曝气头保证反应器内污水和颗粒污泥完全混合，并维持 DO浓度2mg/L，通过DO检测器和硝态氮检测器实时检测PN/A反应器中DO（溶解氧）浓度和硝态氮浓度；反应后的颗粒污泥落入沉淀区，而经脱氮后的污水通过另一侧的内侧过水孔流入后端升流/降流槽的内侧槽，水流在内侧槽升流后通过顶部的溢流口流入后端升流/降流槽的外侧槽，水流在外侧槽降流后通过外侧过水孔流入后端SPD固定床的底部水渠；后端SPD固定床的设置与前端SPD固定床一致，HRT为2.9h，污水通过下滤板从底部水渠流入填料区，反硝化菌利用填料区的生物炭砖所吸附的有机物作为碳源，将污水中残留的硝酸盐去除，经深度脱氮后的出水通过上滤板从填料区进入V型槽，最终从后端进/出水渠排出，最终出水TN＜15mg/L，NO3-＜3mg/L；
反向运行调控：控制器会根据DO检测器和硝态氮检测器实时监测到的DO浓度和硝态氮浓度数据，来判断前端SPD固定床内的生物炭砖是否处于有机物吸附饱和状态；当控制器认为前端SPD固定床内的生物炭砖吸附饱和后，会改变污水的进出水方向，污水改为由后端进/出水渠进入后端SPD固定床；此时，后端SPD固定床负责利用其内部的立方型生物炭砖的吸附作用去除污水中的有机物，而前端SPD固定床负责利用其内部的立方型生物炭砖所吸附的有机物作为碳源，供反硝化菌去除污水中残留的硝酸盐，整个处理过程如正向运行调控的处理过程一致。
实施例
处理水：某工业废水污染物均值浓度为COD 160mg/L，NH4+-N 60mg/L，pH 7.6-8.0，运行温度为30-32℃。实验装置如图1-3所示，实现短程硝化和厌氧氨氧化的场所是有效体积为500L的CSTR反应器，进行反硝化深度脱氮的反应器是有效体积为850L的固定床。
（1）系统启动：PN/A反应器中接种亚硝化污泥和全自养脱氮颗粒污泥，颗粒污泥粒径优选0.5-3mm，按照体积比1：1的比例接种，使PN/A反应器的污泥浓度MLSS在3000-9000mg/L，通过DO检测器和硝态氮检测器实时检测PN/A反应器内的DO浓度和硝态氮浓度；前端SPD固定床和后端SPD固定床均不在外加接种污泥，而是在前端SPD固定床和后端SPD固定床内部的填料区分别码放多块内部具有蜂窝状孔洞的立方型生物炭砖；所选用的生物炭砖长宽高为30cm×30cm×30cm，孔隙半径为50mm，孔隙率为70%，表面孔的数量约713个，有机物去除率75-90%；
（2）正向运行调控：污水由前端进/出水渠流入前端SPD固定床的V型槽，V型槽通过上滤板向填料区均匀布水，HRT为1.7h，COD负荷1.3kg·m-3·d-1，填料区利用生物炭砖的吸附作用将污水中的有机物去除，水流在生物炭砖内的流速为1m/s，之后通过下滤板流入前端SPD固定床的底部水渠；然后经去除有机物的污水通过外侧过水孔流入前端升流/降流槽的外侧槽，水流在外侧槽升流后通过顶部的溢流口流入前端升流/降流槽的内侧槽，水流在内侧槽降流后通过内侧过水孔流入PN/A反应器；污水在PN/A反应器内先经过回流区流入主反应区，主反应区利用其内部接种的亚硝化污泥和全自养脱氮颗粒污泥对污水进行脱氮，水力停留时间1h，NLR=1.44kg·m-3·d-1，其中曝气阶段通过空气压缩机和曝气头保证反应器内污水和颗粒污泥完全混合，并维持 DO浓度2mg/L，通过DO检测器和硝态氮检测器实时检测PN/A反应器中DO（溶解氧）浓度和硝态氮浓度；反应后的颗粒污泥落入沉淀区，而经脱氮后的污水通过另一侧的内侧过水孔流入后端升流/降流槽的内侧槽，水流在内侧槽升流后通过顶部的溢流口流入后端升流/降流槽的外侧槽，水流在外侧槽降流后通过外侧过水孔流入后端SPD固定床的底部水渠；后端SPD固定床的设置与前端SPD固定床一致，HRT为1.7h，污水通过下滤板从底部水渠流入填料区，反硝化菌利用填料区的生物炭砖所吸附的有机物作为碳源，将污水中残留的硝酸盐去除，经深度脱氮后的出水通过上滤板从填料区进入V型槽，最终从后端进/出水渠排出，最终出水TN＜15mg/L，NO3-＜3mg/L；
（3）反向运行调控：控制器会根据DO检测器和硝态氮检测器实时监测到的DO浓度和硝态氮浓度数据，来判断前端SPD固定床内的生物炭砖是否处于有机物吸附饱和状态；当控制器认为前端SPD固定床内的生物炭砖吸附饱和后，会改变污水的进出水方向，污水改为由后端进/出水渠进入后端SPD固定床；此时，后端SPD固定床负责利用其内部的立方型生物炭砖的吸附作用去除污水中的有机物，而前端SPD固定床负责利用其内部的立方型生物炭砖所吸附的有机物作为碳源，供反硝化菌去除污水中残留的硝酸盐，整个处理过程如正向运行调控的处理过程一致。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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 (9)
1.一种基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，其特征在于：包括PN/A反应器（1），以及分别位于所述PN/A反应器（1）左右两侧的前端SPD固定床（2a）和后端SPD固定床（2b）；
所述前端SPD固定床（2a）与所述PN/A反应器（1）之间通过前端升流/降流槽（3a）连接，所述后端SPD固定床（2b）与所述PN/A反应器（1）之间通过后端升流/降流槽（3b）连接，所述PN/A反应器（1）中接种用于对污水进行脱氮的亚硝化污泥和全自养脱氮颗粒污泥，氨氧化细菌AOB、厌氧氨氧化细菌AMX和共生异养菌是驱动自养脱氮反应的核心菌群；
所述前端升流/降流槽（3a）的结构与所述后端升流/降流槽（3b）的结构呈左右对称，均由并排的外侧槽（301）和内侧槽（302）组成，所述外侧槽（301）和所述内侧槽（302）通过顶部的溢流口（303）连接，位于前端的所述外侧槽（301）通过底部的外侧过水孔（304）与所述前端SPD固定床（2a）连接，位于后端的所述外侧槽（301）通过底部的外侧过水孔（304）与所述后端SPD固定床（2b）连接，所述内侧槽（302）通过中下部的内侧过水孔（305）与所述PN/A反应器（1）连接；所述外侧槽（301）和所述内侧槽（302）中的一个槽作为升流区，另一个槽作为降流区；
所述前端SPD固定床（2a）的内部结构与所述后端SPD固定床（2b）的内部结构呈左右对称，所述前端SPD固定床（2a）和所述后端SPD固定床（2b）内部的填料区（201）均由多块生物炭砖组成；所述前端SPD固定床（2a）和所述后端SPD固定床（2b）的内部结构均由上腔体、中腔体和下腔体组成，所述上腔体与所述中腔体之间通过上滤板（202）分隔，所述中腔体与所述下腔体之间通过下滤板分隔；所述上腔体内设置有V型槽（203），所述上腔体的外侧设置有进/出水渠（204），所述进/出水渠（204）与所述V型槽（203）连接；两端的所述进/出水渠（204）交替进出水从而改变污水的进出方向；所述中腔体内设置有多块所述生物炭砖，作为所述填料区（201）；
所述生物炭砖的形制为内部具有蜂窝状孔洞的立方型生物炭砖，是由微米级纳米二氧化硅改性污泥炭材料经过3D打印，微米级纳米二氧化硅改性污泥炭材料的制备方法如下：
在球磨机中以800rpm的转速研磨纳米二氧化硅、除杂沸石和除杂污泥炭20min，再将研磨后的混合物添加到悬浮液中，并在磁力搅拌器上搅拌3h，然后从中分离出经纳米二氧化硅和沸石浸渍的污泥炭，并在80℃下干燥，得到污泥炭原料；所述悬浮液是由蒙脱石或高岭土粉末中的一种或两种加入到去离子水中后，用超声波发生器超声处理后制得；
将经粘土处理的污泥炭原料置于管式炉内的石英管中，在N2氛围，热解温度600-800℃下进行热解，缓慢热解1h制得纳米二氧化硅改性污泥炭材料；然后将制得纳米二氧化硅改性污泥炭材料在电控研钵杵下研磨30min，之后在涡轮磨砂机以50Hz，1000转/min研磨3h，制得微米级纳米二氧化硅改性污泥炭材料。
2.根据权利要求1所述的基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，其特征在于：所述下腔体与所述中腔体之间通过下滤板（205）分隔，所述下腔体内设置有底部水渠（206），位于前端的所述底部水渠（206）与所述前端升流/降流槽（3a）连接，位于后端的所述底部水渠（206）与所述后端升流/降流槽（3b）连接。
3.根据权利要求2所述的基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，其特征在于：所述前端SPD固定床（2a）和所述后端SPD固定床（2b）的长、宽、高比例均为1:1:3；所述填料区的长、宽、高的比例为1：1：2。
4.根据权利要求1所述的基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，其特征在于：所述PN/A反应器（1）的内部为对称结构，由沉淀区（101）、主反应区（102）和回流区（103）组成，所述回流区（103）位于所述主反应区（102）的左右两侧，用于将污水引入或引出所述主反应区（102）；所述沉淀区（101）位于所述主反应区（102）的底部，用于接收反应后所沉淀下来的颗粒污泥。
5.根据权利要求4所述的基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，其特征在于：所述PN/A反应器（1）的长、宽、高比例为1:1:3。
6.根据权利要求1所述的基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，其特征在于：所述PN/A反应器（1）还配备有空气压缩机（4）、曝气头（5）、DO监测器（6）和硝态氮监测器（7）；所述硝态氮监测器（7）和所述DO监测器（6）的探头均插入所述PN/A反应器（1）的内部，所述曝气头（5）布设在所述PN/A反应器（1）的内部，所述空气压缩机（4）为所述曝气头提供气源。
7.根据权利要求6所述的基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，其特征在于：所述硝态氮监测器（7）、所述DO监测器（6）和所述空气压缩机（4）均与控制器（8）信号连接，所述控制器（8）用于根据所述硝态氮监测器（7）、所述DO监测器（6）的检测数据控制污水的进、出水方向以及控制曝气头（5）的曝气时间。
8.根据权利要求1所述的基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，其特征在于：所述外侧过水孔（304）、所述内侧过水孔（305）和所述溢流口（303）的长、宽比例均为1：1.5。
9.根据权利要求1所述的基于PN/A耦合生物炭SPD工艺的污水处理装置，其特征在于：所述生物炭砖的长、宽、高的比例为1：1：1。
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| CN203625123U (zh) * | 2013-07-02 | 2014-06-04 | 浙江工业大学 | 具有储碳反硝化的两端交替进出水污水处理装置 |
| CN111362514A (zh) * | 2020-04-02 | 2020-07-03 | 西安建筑科技大学 | 一种厌氧发酵液深度处理系统及方法 |
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2023
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| CN203625123U (zh) * | 2013-07-02 | 2014-06-04 | 浙江工业大学 | 具有储碳反硝化的两端交替进出水污水处理装置 |
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