一种反硝化方法及其装置

1.本发明属于污水生物处理技术领域，尤其涉及一种反硝化方法及其装置。


背景技术：

2.作为全球性环境问题，水污染最常见的现象为水体富营养化，其能够影响水体水质、造成鱼类大量死亡，进而危害人体健康。氮污染作为水体富营养化的主要成因之一，主要以硝酸盐形式存在，具有可溶性高、稳定性强和迁移性快的特点，能够长期存在于水环境中并积累至较高浓度。当硝酸盐积累量超过环境承载力时，会对地下水、地表水水质和生态系统稳定性造成严重的侵害。针对以硝酸盐为代表的氮污染问题，市政污水处理厂主要通过生物脱氮过程进行解决。其中反硝化菌起到了关键作用，其以水体中的硝酸根离子为电子受体，有机碳源为电子供体，将硝态氮通过反硝化过程转化为氮气，有效去除水体中的氮元素。但反硝化菌在常规工程系统中以絮状污泥的形式存在，容易流失。
3.作为污水处理技术的典型代表之一，生物膜法具有生物量高、剩余污泥量少、群落组成丰富、维护管理方便和工艺运行稳定等优势，被广泛应用于国内外不同类型的污水处理工艺中，如生物滤池、生物转盘和生物流化床等。其中，生物载体作为生物膜法的重要组成部分，对工艺整体的运行情况、处理效果和管理维护等方面起到决定性作用，且生物载体成本投入也是工艺建设投资的重要考虑因素之一。目前，生物膜法的发展主要存在如下瓶颈：1)工艺运行初期，生物量较少导致碳源利用效率低，同时微生物生长缓慢且生物膜初步形成，膜状污泥适应能力较差，进水负荷波动往往导致污泥大片脱落，挂膜速度慢，延长了工艺启动时间；2)工艺长期运行后，生物载体容易出现破损、堵塞、板结等问题，不利于微生物附着生长，影响了工艺的稳定性且维护成本较高。
4.生物膜法常用的生物载体大致分为无机和有机两大类，工艺中多采用有机生物载体。无机生物载体主要有沙子、沸石、陶粒、活性炭以及硅藻土等，具有化学性质稳定、机械强度高、比表面积大等特点，但其密度相对较大，较难实现悬浮生长且不利于进行反冲洗过程，应用范围存在一定的局限性；有机生物载体则主要由有机高分子材料组成，多为圆柱体和球体颗粒，其拥有无机生物载体优势的同时兼备密度较小的优点，适用于不同场合下悬浮生长或固定床生物膜工艺。但总体而言，现有生物载体的挂膜方式多为被动式挂膜，菌群与载体表面发生接触后方有附着生长的可能，挂膜效率极低，污泥流失量大，工艺启动时间长。因此探寻高效可行的新型生物载体和挂膜方法，对解决生物膜挂膜速度慢，实现生物膜工艺快速启动具有一定的指导意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种能够快速主动动挂膜的反硝化方法及其装置。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种反硝化装置，所述装置包括依次相连的进水池1、反硝化反应器3、浓缩碳源桶5；所述反硝化反应器3为连续流生物膜反应
器，其中设有固定式中空生物膜载体8。
7.本发明提供的一种反硝化装置中包括反硝化反应器3，其中反硝化反应器3为连续流生物膜反应器，其中设有固定式中空生物膜载体8，本发明提供的中空生物膜载体8能够代替传统填料充当微生物载体，将液体碳源从中空生物膜载体8内部向外释放到反应器中，在连续运行条件下反硝化菌定向附着在中空生物膜载体8的表面生长并逐渐形成生物膜，然后以有机碳源为电子供体，将污水中硝酸盐氮高效还原为氮气。
8.作为本发明所述反硝化方法的优选实施方式，所述中空生物膜载体8的填充比为50-60％，比表面积＞300m2/m3。
9.优选中空生物膜载体8的填充比为50-60％，比表面积＞300m2/m3能够为反硝化菌形成生物膜提供充分的环境，有助于快速挂膜，提高处理效率。
10.作为本发明所述装置的优选实施方式，所述固定式中空生物膜载体8由孔径范围为0.1-1.0μm的中空纤维复合薄膜材料组成。
11.本发明优选孔径范围为0.1-1.0μm的中空纤维复合薄膜材料，其具有比表面积大、稳定性强的特点，容易被反硝化细菌附着生长形成紧密的生物膜，能够有效减少反硝化污泥絮体的流失，有助于反硝化脱氮过程的进行。
12.作为本发明所述装置的优选实施方式，所述中空纤维复合薄膜材料包括聚丙烯腈多孔聚合物薄膜材料、聚偏氟乙烯多孔聚合物薄膜材料、聚醚砜多孔聚合物薄膜材料中的任意一种。
13.优选上述几种中空纤维复合薄膜材料是由于其稳定性较强，能够长期使用，无需频繁更换填料，能够最大程度的发挥中空生物膜载体的利用价值，有效的减少固体废物的产生。
14.作为本发明所述装置的优选实施方式，所述反硝化反应器3底部还含有排泥口9。
15.通过排泥口9进行定期排泥，能够保持反硝化反应器3中的反硝化菌的活性。
16.作为本发明所述装置的优选实施方式，所述进水池1与反硝化反应器3相连，两者的连接管路上设有污水泵2；所述反硝化反应器3与浓缩碳源桶5相连，两者的连接管路上设有碳源泵4和时间继电器11。
17.作为本发明所述装置的优选实施方式，所述装置还包括出水池6，所述出水池6与反硝化反应器3相连。
18.具体的，进水池1中的废水经由污水泵2经进水口7进入到反硝化反应器3中，碳源经由碳源泵4经碳源进水口10进入到反硝化反应器3，经过了反硝化反应器3中的废水再经由溢流管12流入出水池6。
19.另外，本发明还提供了一种反硝化方法，所述方法包括以下步骤：
20.(ⅰ)挂膜阶段：废水由进水池1通过进水口7连续进入反硝化反应器3，再从反硝化反应器3的溢流管12流入出水池6；碳源从浓缩碳源桶5通过碳源进口10间断进入中空生物膜载体8的中空部分，废水上升期间，反硝化细菌在碳源诱导下主动附着在中空生物膜载体8表面，形成生物膜；
21.(ⅱ)运行阶段：运行阶段与挂膜阶段的操作一致，在运行的过程中，对出水的水质进行监测，合格后，得处理后的水。
22.本发明提供的反硝化方法中利用中空生物膜载体8，其中，废水自下而上流动，液
体碳源加入到中空生物膜载体8的中空结构部分，其能够由内向外释放，即垂直方向泵入，碳源为水平方向投加，从而实现异向传质，此种传质方式能够诱导反硝化菌附着在中空生物膜载体8的表面生长，从而促进主动式挂膜的进行，能够有效提高碳源利用效率和中空生物膜载体8的利用价值，同时能够减少污泥絮体的流失，进而实现高效低耗的反硝化生物膜脱氮过程。
23.作为本发明所述反硝化方法的优选实施方式，所述碳源的cod值为10000-15000mg/l。
24.作为本发明所述反硝化方法的优选实施方式，所述碳源为浓缩液体碳源。
25.加入浓缩液体碳源并保证碳源的cod值在上述范围内时，能够有利于反硝化菌在中空生物膜载体8的表面进行快速富集生长从而形成生物膜。
26.作为本发明所述反硝化方法的优选实施方式，所述间断进入的模式为碳源从浓缩碳源桶(5)通过碳源进口(10)进入连续进入5分钟后再停止进入55分钟，交替运行。
27.作为本发明所述反硝化方法的优选实施方式，所述间断进入通过时间继电器11进行控制。
28.作为本发明所述反硝化方法的优选实施方式，所述挂膜阶段的水力停留时间为12h，运行周期为3-7天。
29.作为本发明所述反硝化方法的优选实施方式，所述运行阶段反硝化反应器3内的do浓度＜0.5mg/l，所述运行阶段的水力停留时间为6h。
30.作为本发明所述反硝化方法的优选实施方式，所述方法中还包括污泥的接种，所述污泥浓度为2000-2200mg/l，停留时间为25-30天。
31.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
32.第一：本发明提供的技术方案中通过引入中空生物膜载体8，并通过在其中空结构内部投加碳源，外部流经废水，在中空生物膜载体8的表面形成适宜反硝化菌生长代谢的微环境，通过异向传质的方式诱导反硝化菌在载体表面进行主动式挂膜，加快生物膜形成速度，提高了液体碳源的利用效率，减少了污泥絮体的流失，提高了生物膜工艺的脱氮性能和运行稳定性；
33.第二：本发明提供的技术方案中采用的中空生物膜载体8能够替代传统的生物载体，也能起到渗透扩散的作用，并且本发明中选用的材料稳定性强，能够长期使用，无需频繁的更换填料，从而减少固体废物的产生；
34.第三：本发明提供的技术方案中投加碳源的方法简单易行，能够实现碳源扩散与生物膜形成在膜表面同步进行，且无需配置额外辅助设备往载体表面补充碳源，能够最大效率的实现反硝化功能，从而缩短挂膜时间并减少物料成本；
35.第四：本发明提供的中空生物膜载体8应用场景广泛，可应用于多种类型的反硝化生物膜工艺，也可以和多种类型的污水处理工艺耦合使用，高效低耗的实现污水的脱氮除磷过程。
附图说明
36.图1为本发明反硝化装置示意图；
37.1-进水池、2-污水泵、3-反硝化反应器、4-碳源泵、5-浓缩碳源桶、6-出水池、7-进
水口、8-中空生物膜载体、9-排泥口、10-碳源进水口、11-时间继电器、12-溢流管；
38.图2为中空生物膜载体8的结构及运行物质位置流向示意图；
39.(a)为中空生物膜载体8的立体结构示意图，(b)为中空生物膜载体8的俯视结构示意图。
具体实施方式
40.为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
41.实施例1
42.本实施例的一种反硝化方法，所用装置为如图1所示装置，包括进水池1、反硝化反应器3、浓缩碳源桶5和出水池6；其中，进水池1与反硝化反应器3的下端一侧相连，两者的连接管路上设有污水泵2，反硝化反应器3下端的另一侧与浓缩碳源桶5相连，两者的连接管路上设有碳源泵4和时间继电器11，反硝化反应器3的上端还与出水池6相连，反硝化反应器3的最下端还设置有排泥口9；其中，反硝化反应器3为连续流生物膜反应器，内置固定式中空生物膜载体8充当微生物填料，填充比为50％，中空生物膜载体8选用聚偏氟乙烯多孔材料，比表面积为350m2/m3。当反应器开始进水时，污水泵2开启，将进水池1中污水通过进水口7泵入反硝化反应器3内，此时时间继电器11控制碳源泵4周期性开启，将浓缩碳源桶5中液体碳源通过碳源泵4泵入中空生物膜载体8，借助中空生物膜载体8完成碳源定量投加；出水经溢流管12进入出水池6；与此同时，为保持反硝化反应器3中反硝化菌的活性，通过排泥口9进行定期排泥。
43.采用本发明的装置进行反硝化的方法具体包括以下步骤：
44.(1)快速挂膜
45.取50ml的反硝化菌污泥，其中污泥浓度维持在2000～2200mg/l，作为反硝化反应器的接种污泥，人工合成污水，其中no
3-‑
n(提供物为硝酸钾)浓度约为15～20mg/l，由进水池1经污水泵2进入反硝化反应器3(进入中空生物膜载体8与反硝化反应器3的外壳的间隙部分)，连续进水；cod浓度约为10000mg/l的浓缩碳源(葡萄糖作为浓缩碳源)从浓缩碳源桶5经碳源泵4，在时间继电器11控制下周期性(所述周期性是指：投加液体碳源5min，停止投加55min，两者交替运行)进入充当生物载体的中空生物膜载体8的中空结构中，借助载体由内向外释放液体碳源；运行过程中，污水由进水口7自下而上流动到出水口，通过溢流的方式从溢流管12进入出水池6；污水上升期间，反硝化细菌在碳源诱导下主动附着在中空生物膜载体8表面形成生物膜，快速挂膜阶段，水力停留时间(hrt)设为12h，经过3～7d的运行，即可在载体表面观察到一层清晰可见的生物膜；其中人工合成污水和液体碳源的流动方面如图2中(a)的示意图所示；液体碳源的扩散方向和反硝化过程的示意图如图2中(b)所示；
46.(2)稳定运行
47.反硝化反应器3的基本运行条件与快速挂膜阶段相同，人工合成污水自下而上流经中空生物膜载体8时，载体表面的脱氮微生物发生反硝化反应，利用液体碳源将硝态氮转化为氮气；因反硝化过程是在厌氧条件下，以有机碳源为电子供体，以硝酸根为电子受体，故整个反应过程中无需曝气；控制反应器中do浓度低于0.5mg/l，每天测定一次反应器出水的水质情况，待反应器稳定后提高进水流量，通过调节污水泵2的转速使hrt从12h降低到
6h。与此同时，控制反应器内活性污泥浓度为2000～2200mg/l，污泥停留时间为25～30d；稳定运行后对出水进行检测，合格得处理后的水。
48.实施例2
49.本实施例与实施例1的唯一不同在于中空生物膜载体8的填充比为60％。
50.实施例3
51.本实施例与实施例1的唯一不同在于中空生物膜载体8的材料为聚醚砜多孔材料。
52.对比例1
53.对比例1与实施例1的唯一不同在于浓缩碳源不是进入中空生物膜载体8的中空结构中，而是直接进入反硝化反应器3(进入中空生物膜载体8与反硝化反应器3的外壳的间隙部分)。
54.对比例2
55.对比例2与实施例1的唯一不同在于中空生物膜载体8的填充比为30％。
56.对比例3
57.对比例3与实施例1的唯一不同在于中空生物膜载体8比表面积为250m2/m3。
58.效果例
59.本效果例检测实施例1-3和对比1-3例在连续运行40天后去碳脱氮除磷的情况，具体结果见表1，其中实施例和对比例的进水的tn、no
3-‑
n、cod值一样，具体的，tn为15.49mg/l、no
3-‑
n为15.10mg/l，cod值为101.65mg/l；
60.表1：实施例1-3和对比例1-3去碳脱氮除磷的数据结果表
[0061][0062]
本发明实施例1在反应器运行第6天便形成肉眼可见的生物膜，对比例1则在反应器运行第14天才形成肉眼可见的生物膜；说明本发明提供的技术方案中使浓缩碳源进入中空生物膜载体8的中空结构中，能够明显提升生物膜形成速度，进而提升污水处理效率；同时，从对比例1和实施例1的数据中可以看出，当浓缩碳源不是进入中空生物膜载体8的中空结构中，而是直接进入反硝化反应器3不仅会影响生物膜形成的速率，还会降低no
3-‑
n去除率、tn去除率和cod去除率；从实施例1和对比例2中的数据中可以看出，当中空生物膜载体8的填充比过小时，得到的no
3-‑
n去除率、tn去除率和cod去除率也呈现出下降趋势；从实施例1和对比例3中的数据中可以看出，当减少中空生物膜载体8比表面积时，也会在一定程度上降低no
3-‑
n去除率、tn去除率和cod去除率；整体而言，由上表可知，实施例1中的no
3-‑
n去除
率、tn去除率和cod去除率均高于对比例；说明本发明提出的中空生物膜载体中的物质流动方向、膜的比表面积、填充比等都会对反硝化带来影响，采用本发明提供的反硝化工艺有效实现了快速挂膜，提高了碳源利用率，同时强化了反硝化生物膜反应器的脱氮性能，实验结果表明该工艺具有高效低耗进行反硝化脱氮过程的潜力，存在一定的研究价值和工程价值。
[0063]
最后应当说明的是，以上实施例以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。