公布日：2024.06.07
申請日：2024.04.22
分類號：C02F3/28(2023.01)I;C02F3/34(2023.01)I;C02F1/00(2023.01)I;C02F101/10(2006.01)N;C02F101/16(2006.01)N
摘要
本發明公開了一種低C/N污水同步脫氮除磷的裝置及方法，裝置包括反應器主體，反應器主體內自下而上依次設置有第一布水層、承托層、前濾料層、第二布水層、硫化亞鐵層、后濾料層、出水層；反應器本體底部設有進水口，出水層設有出水口；硫化亞鐵層布置有不同粒徑的硫化亞鐵，硫化亞鐵粒徑自下而上依次為0.45-0.9mm、0.15-0.45mm、小于0.15mm、0.15-0.45mm、0.45-0.9mm。硫化亞鐵層接種硫、鐵自養反硝化菌以及異養反硝化菌后，低C/N污水同步脫氮除磷的裝置可用于處理低C/N污水。本發明構建了硫、鐵、碳三基質的硫自養-鐵自養-異養耦合反硝化系統，提高了脫氮效率，在沒有外加碳源的條件下，實現了對低C/N污水同步脫氮除磷，節約處理成本。
權利要求書
1.一種低C/N污水同步脫氮除磷的裝置，其特征在于，包括反應器主體，所述的反應器主體內自下而上依次設置有第一布水層、承托層、前濾料層、第二布水層、硫化亞鐵層、后濾料層、出水層；反應器本體底部設有進水口，出水層設有出水口；所述的硫化亞鐵層布置有不同粒徑的硫化亞鐵；所述的硫化亞鐵層中，硫化亞鐵粒徑自下而上依次為0.45-0.9mm、0.15-0.45mm、小于0.15mm、0.15-0.45mm、0.45-0.9mm。
2.根據權利要求1所述的低C/N污水同步脫氮除磷的裝置，其特征在于，所述的硫化亞鐵層中，不同粒徑的硫化亞鐵填充高度自下而上依次占總工作高度的3-5％、5-8％、10-15％、5-8％、3-5％。
3.根據權利要求1所述的低C/N污水同步脫氮除磷的裝置，其特征在于，所述的第一布水層設有第一布水板，第一布水板上均勻分布有圓孔，開孔率為20-25％；所述的第二布水層設有第二布水板，第二布水板上均勻分布有圓孔，開孔率為15-20％。
4.根據權利要求1所述的低C/N污水同步脫氮除磷的裝置，其特征在于，所述的承托層布置有鵝卵石，填充高度占總工作高度的8-12％。
5.根據權利要求1所述的低C/N污水同步脫氮除磷的裝置，其特征在于，所述的前濾料層包括第一濾料層和第二濾料層；所述的第一濾料層布置有沸石，填充高度占總工作高度的8-12％；所述的第二濾料層布置有石英砂，填充高度占總工作高度的10-15％。
6.根據權利要求1所述的低C/N污水同步脫氮除磷的裝置，其特征在于，所述的后濾料層包括第三濾料層和第四濾料層；所述的第三濾料層布置有沸石，填充高度占總工作高度的8-12％；所述的第四濾料層布置有玻璃棉，填充高度占總工作高度的8-12％。
7.根據權利要求1所述的低C/N污水同步脫氮除磷的裝置，其特征在于，所述的出水層布置有pH和溫度在線監測裝置。
8.一種基于如權利要求1-7任一項所述的低C/N污水同步脫氮除磷的裝置進行脫氮除磷的方法，其特征在于，包括：(1)在硫化亞鐵層接種硫自養反硝化菌、鐵自養反硝化菌以及異養反硝化菌；(2)將待處理的低C/N污水從反應器本體底部的進水口進入反應器本體內部，在硫自養反硝化菌、鐵自養反硝化菌以及異養反硝化菌的協同反硝化作用下，實現脫氮；鐵離子與磷酸鹽反應，實現除磷。
9.根據權利要求8所述的脫氮除磷的方法，其特征在于，步驟(1)包括：(1-1)獲取厭氧活性污泥，分別用硫鐵自養反硝化培養基和異養反硝化培養基進行馴化，得到硫、鐵自養反硝化污泥和異養反硝化污泥；(1-2)根據馴化后泥水總懸浮固體質量，按等污泥質量接種馴化后的硫鐵自養反硝化污泥和異養反硝化污泥至硫化亞鐵層；(1-3)用低C/N比模擬污水作為進水進行掛膜，掛膜成功后進行步驟(2)。
10.根據權利要求8所述的脫氮除磷的方法，其特征在于，步驟(2)中，反應器本體中，水力停留時間為0.5-4h，出水達排放標準。
發明內容
本發明提供了一種低C/N污水同步脫氮除磷的裝置及方法，采用本發明的裝置及方法對低C/N污水進行同步脫氮除磷時，對氮和磷的去除比較徹底，不需要再進行深度脫氮除磷，處理出水中亞硝酸鹽氮含量低。
本發明的技術方案如下：
第一方面，本發明提供了一種低C/N污水同步脫氮除磷的裝置，包括反應器主體，所述的反應器主體內自下而上依次設置有第一布水層、承托層、前濾料層、第二布水層、硫化亞鐵層、后濾料層、出水層；反應器本體底部設有進水口，出水層設有出水口；
所述的硫化亞鐵層布置有不同粒徑的硫化亞鐵；所述的硫化亞鐵層中，硫化亞鐵粒徑自下而上依次為0.45-0.9mm、0.15-0.45mm、小于0.15mm、0.15-0.45mm、0.45-0.9mm。
硫化亞鐵層接種硫自養反硝化菌、鐵自養反硝化菌以及異養反硝化菌后，低C/N污水同步脫氮除磷的裝置可用于處理低C/N污水。
待處理的低C/N污水從反應器底部進入反應器內部，在硫化亞鐵層硫自養反硝化菌、鐵自養反硝化菌以及異養反硝化菌的協同反硝化作用下，實現脫氮；同時鐵與磷酸鹽反應，實現除磷。
待處理的低C/N比的硝酸鹽污水從反應器本體底部進入反應器內部，經第一布水層均勻布水后依次流經承托層、前濾料層，通過濾料截留污水中的固體顆粒物，再經第二布水板重新均勻布水后進入硫化亞鐵層，在硫化亞鐵層硫自養反硝化菌、鐵自養反硝化菌分別以硫化亞鐵中的硫、鐵作為電子供體，硝酸鹽作為電子受體進行自養反硝化脫氮；異養反硝化菌以污水中的有機物作為電子供體，硝酸鹽作為電子受體進行異養反硝化脫氮；硫化亞鐵在水中釋放的亞鐵離子以及鐵自養反硝化產生的鐵離子和磷酸根離子反應形成沉淀，實現同步除磷。
硫鐵自養反硝化過程NO3-到NO2-轉化慢，NO2-到N2轉化快，異養反硝化過程與之相反，NO3-到NO2-轉化快，NO2-到N2轉化慢，將二者耦合形成互補，提高反硝化各階段反應速率，進而提高整體脫氮效率。
本發明中的硫化亞鐵層是經過特殊設計的。如果只用較大粒徑硫化亞鐵，硫化亞鐵比表面積小，不利于反硝化菌附著和繁殖，導致處理效果較差；如果只用較小粒徑硫化亞鐵，致使硫化亞鐵反應層孔隙率較低，容易出現堵塞和死區，也會導致處理效果變差，同時增加反應器維護頻率，提高運行難度。鑒于此，本發明中硫化亞鐵粒徑梯度變化的設計，既保證較高的比表面積，又降低發生堵塞的概率，實現穩定、高效、低能耗處理低C/N污水，處理出水中硝酸鹽和磷去除徹底，不需要再進行深度處理，同時出水中亞硝酸鹽氮含量低，沒有亞硝酸鹽氮的積累。
所述的進水口通過進水泵和管道與存儲污水的污水水箱相連，污水水箱中的污水通過進水泵從反應器主體底部的進水口進入反應器本體內。
所述的第一布水層設有第一布水板，第一布水板上均勻分布有圓孔，開孔率為20-25％。
第一布水層用于將污水均勻分布流入承托層。
所述的承托層布置有鵝卵石，填充高度占總工作高度的8-12％。
承托層用于支撐前濾料層。
所述的前濾料層包括第一濾料層和第二濾料層；所述的第一濾料層布置有沸石，填充高度占總工作高度的8-12％；所述的第二濾料層布置有石英砂，填充高度占總工作高度的10-15％。
第一濾料層用于初步過濾去除污水中較大的固體顆粒物，第二濾料層用于進一步過濾去除污水中細小的固體顆粒物。
所述的第二布水層設有第二布水板，第二布水板上均勻分布有圓孔，開孔率為15-20％。
第二布水層用于將污水均勻分布流入硫化亞鐵層。
所述的硫化亞鐵層中，不同粒徑的硫化亞鐵填充高度自下而上依次占總工作高度的3-5％、5-8％、10-15％、5-8％、3-5％。
硫化亞鐵顆粒的篩分步驟為：將塊狀硫化亞鐵放入球磨機中充分研磨，再用孔徑為0.9mm、0.45mm和0.15mm的篩網依次進行篩選，獲得不同粒徑的硫化亞鐵，然后將不同粒徑的硫化亞鐵分別用稀鹽酸溶液浸泡12-48h，最后用水沖洗干凈。
所述的后濾料層包括第三濾料層和第四濾料層；所述的第三濾料層布置有沸石，填充高度占總工作高度的8-12％。用于防止硫化亞鐵因水流作用向上發生擾動，同時初步過濾粒徑較大的硫化亞鐵和脫落的活性污泥。
所述的第四濾料層布置有玻璃棉，填充高度占總工作高度的8-12％。用于過濾粒徑較小的硫化亞鐵和脫落的活性污泥。
優選的，所述的出水層布置有pH和溫度在線監測裝置。用于實時監測反應系統的pH和溫度，確保pH和溫度在適合硫鐵自養反硝化菌和異養反硝化菌生長和代謝的范圍內；所述出水層布置有出水口，通過出水管道連接至清水池。
優選的，所述的反應器主體頂部設有出氣口。用于采集氣體樣品，檢測氮氣、硫化氫等氣體濃度。
優選的，所述的反應器主體外壁設有保溫層。用于維持反應器主體內部溫度穩定。
優選的，所述的反應器主體底部設有排水口，排水口上連接有排水閥和排水管。用于反應器檢修、維護時將內部污水排空。
第二方面，本發明提供了一種基于低C/N污水同步脫氮除磷的裝置進行脫氮除磷的方法，包括：
(1)在硫化亞鐵層接種硫自養反硝化菌、鐵自養反硝化菌以及異養反硝化菌；
(2)將待處理的低C/N污水從反應器本體底部的進水口進入反應器本體內部，在硫自養反硝化菌、鐵自養反硝化菌以及異養反硝化菌的協同反硝化作用下，實現脫氮；鐵離子與磷酸鹽反應，實現除磷。
在硫化亞鐵層，硫自養反硝化菌、鐵自養反硝化菌分別以硫化亞鐵中的硫、鐵作為電子供體，硝酸鹽作為電子受體進行自養反硝化脫氮；異養反硝化菌以污水中的有機物作為電子供體，硝酸鹽作為電子受體進行異養反硝化脫氮；硫化亞鐵在水中釋放的亞鐵離子以及鐵自養反硝化產生的鐵離子和磷酸根離子反應形成沉淀，實現同步除磷。
優選的，步驟(1)包括：
(1-1)獲取厭氧活性污泥，分別用硫鐵自養反硝化培養基和異養反硝化培養基進行馴化，得到硫、鐵自養反硝化污泥和異養反硝化污泥；
(1-2)根據馴化后泥水總懸浮固體(TSS)質量，按等污泥質量接種馴化后的硫鐵自養反硝化污泥和異養反硝化污泥至硫化亞鐵層；
(1-3)用低C/N比模擬污水作為進水進行掛膜，掛膜成功后進行步驟(2)。
優選的，步驟(2)中，維持反應體系中pH值為6-8，溫度為25-35℃。
優選的，步驟(2)中，反應器本體中，水力停留時間為0.5-4h，出水達排放標準。
優選的，待處理的低C/N污水的C/N為1-4。
進一步的，待處理的低C/N污水中，硝酸鹽氮濃度為1-100mg/L，磷酸鹽濃度為0.5-5mg/L。
進一步優選的，待處理的低C/N污水中，硝酸鹽氮濃度為10-50mg/L，磷酸鹽濃度為0.5-5mg/L。
與現有技術相比，本發明的有益效果為：
(1)本發明以硫化亞鐵中的硫、鐵以及污水中的有機物作為電子供體，構建硫、鐵、碳三基質的硫自養-鐵自養-異養耦合反硝化系統，不需要任何形式的外加碳源，可以節省100％的外加碳源，降低運行成本，提高脫氮效率。
(2)本發明硫化亞鐵在水中釋放的亞鐵離子以及鐵自養反硝化產生的鐵離子能和磷酸根離子反應形成沉淀，實現同步除磷。
(3)本發明構建的硫自養-鐵自養-異養耦合反硝化系統，利用異養反硝化過程NO3-到NO2-轉化快和硫鐵自養反硝化過程NO2-到N2轉化快的機制，將二者耦合形成互補，提高反硝化各階段反應速率，進而大幅提升整體脫氮效能。
(4)本發明構建的硫自養-鐵自養-異養耦合反硝化系統，利用鐵自養反硝化產酸和硫自養、異養反硝化產堿的機制，在反硝化反應過程中形成酸堿平衡，無需額外調節酸堿度。
(5)本發明的裝置結構簡單、操作方便，作為硫源、鐵源的硫化亞鐵無需改良，易獲取，表面粗糙，便于菌種附著，提供的處理低C/N污水同步脫氮除磷的方法運行成本低、實用性強。
(6)本發明中硫化亞鐵粒徑梯度變化的設計，既保證較高的比表面積，處理出水中硝酸鹽和磷去除徹底，不需要再進行深度處理，同時出水中亞硝酸鹽氮(NO2--N)含量低；又降低發生堵塞的概率，長期運行未發生堵塞，實現穩定、高效、低能耗處理低C/N污水。
（發明人：劉銳;張志鵬;蘭亞瓊）
