一种基于厌氧氨氧化包埋生物活性填料处理稀土尾水的方法

1.本发明属于污、废水生物脱氮处理的技术领域，具体涉及一种基于厌氧氨氧化包埋生物活性填料处理稀土尾水的方法，该方法适用于氨氮浓度大于70mg/l和低cod的稀土尾水的氨氮和总氮的去除。


背景技术：

2.中国是世界上稀土资源最丰富的国家之一，在分布上南以重稀土为主，北以轻稀土为主。南方稀土矿床类型为“风化壳型”，富含钇、镝、铽等现代高技术和国防等尖端领域所必需的中重稀土元素，是我国的优势矿产资源和战略资源。江西赣州稀土资源丰富，素有“稀土王国”美誉。
3.随着我国稀土产业逐步扩大，污染的问题也日趋严重。在很多稀土矿区被开采完后，残留了大量的铵盐和稀土元素，随着雨水的冲刷作用进入附近的河流或者湖泊，严重影响周围环境及人民身体健康。氨氮在水体中硝化作用的产物亚硝酸盐和硝酸盐对饮用水有很大危害，亚硝酸盐和硝酸盐浓度高的饮用水可能对人体造成两种健康危害，长期饮用对身体极为不利即诱发高铁血红蛋白症和产生致癌的亚硝胺。农作物在含有氨氮的稀土尾水环境中只会疯狂长高而不结穗，造成减产。河流中的藻类利用稀土尾水中的氨氮大量繁殖，造成河中do浓度下降，最终河中生物大量死亡。
4.目前关于稀土尾水的处理主要分为物理化学法和生物处理法两种，物理化学法虽然有一定的处理效果，但是价格昂贵，而生物处理法处理成本较低，没有二次污染，被广泛用于各种废水处理。生物处理法主要是采用传统的硝化反硝化脱氮工艺，其属于全程硝化反硝化生物脱技术。传统的硝化反硝化脱氮技术存在具有脱氮效率低、能耗大、需要大量投加有机碳源和污泥产率高等缺点。同时稀土尾水中除了含有氨氮和硝酸盐氮，可能还有钙离子、镁离子、锰离子、氟化物、溴离子、亚硫酸盐和硫酸盐和多种稀土元素，这也为生物处理带来了难题。因此需要一种新型的处理工艺，既能克服稀土尾水的影响，又能实现高效脱氮、节约能源和有机碳源。


技术实现要素：

5.本发明为解决传统生物脱氮技术处理稀土尾水普遍存在的脱氮效率低，需消耗大量有机碳源的问题，旨在提供一种基于厌氧氨氧化包埋生物活性填料处理稀土尾水的方法，以实现氨氮和总氮的快速去除和节省运行成本。
6.本次发明的主要内容为：
7.本发明的目的：使稀土尾水中的总氮尽可能通过厌氧氨氧化包埋生物活性填料去除，以节约有机碳源的消耗。同时厌氧氨氧化和反硝化包埋生物活性填料的功能菌群活性较强，面对进水氨氮和总氮浓度变化时，可以保证稳定的脱氮，不会出现出水不达标的状况。
8.本发明是通过以下技术方案实现的：
9.一种基于厌氧氨氧化包埋生物活性填料处理稀土尾水的方法，采用的装置包括离心风机(1)、布气管路(2)、搅拌装置(3)、部分亚硝化池(4)、ph探头(5)、原水箱(6)、原水离心泵(7)、闸阀(8)、碱液箱(9)、碱液隔膜式计量泵(10)、ph自控系统(11)、排泥口(12)、部分亚硝化池反应区(13)、部分亚硝化池沉淀区(14)、碳酸氢钠水箱(15)、碳酸氢钠泵(16)、布水系统(17)、厌氧氨氧化包埋生物活性填料(18)、厌氧氨氧化反应池(19)、有机碳源水箱(20)、有机碳源计量泵(21)、反硝化池网格(22)、反硝化包埋生物活性填料(23)、反硝化池(24)；部分亚硝化池反应区(13)是部分亚硝化池(4)中心的一部分区域，部分亚硝化池反应区(13)四周侧面上部为直立的直桶状结构，四周侧面下部为斜面桶状结构，斜面桶状结构下端口直径大于上端口直径；斜面桶状结构下端口桶壁下面对应的是斜底面环，斜面桶状结构下端口桶壁与斜底面环之间具有缝隙，部分亚硝化池(4)的直立的侧面桶壁经由所述的斜底面环与部分亚硝化池(4)水平底面进行连接；部分亚硝化池反应区(13)对应的直桶状结构的上端口外侧通过同轴外套的悬桶壁组成溢流口，直桶状结构的上端口与悬桶壁之间具有空隙；部分亚硝化池(4)内部分亚硝化池反应区(13)的外侧为部分亚硝化池沉淀区(14)；
10.部分亚硝化池反应区(13)内设有部分亚硝化活性污泥；厌氧氨氧化反应池(19)内下端设有布水系统(17)；反硝化池(24)内底部设有反硝化池网格(22)用以支撑反硝化包埋生物活性填料(23)；
11.原水箱(6)的稀土尾水经闸阀(8)和碱液箱(9)的碱液经碱液隔膜式计量泵(10)均进入部分亚硝化池反应区(13)，在搅拌装置(3)的作用下，使部分亚硝化池反应区(13)的基质混合均匀；离心风机(1)通过部分亚硝化池反应区(13)底部的布气管路(2)向部分亚硝化池反应区(13)供氧；ph自控系统(11)通过ph探头(5)的反馈启闭碱液隔膜式计量泵(10)以维持部分亚硝化池反应区(13)适宜的ph；部分亚硝化池沉淀区(14)的出水、碳酸氢钠水箱(15)经碳酸氢钠泵(16)将碳酸氢钠溶液一同进入厌氧氨氧化反应池(19)，在厌氧氨氧化反应池(19)内与厌氧氨氧化包埋生物活性填料(18)接触反应；之后厌氧氨氧化反应池(19)的出水、有机碳源水箱(20)经有机碳源计量泵(21)将乙酸钠溶液一同进入反硝化池(24)，在反硝化池(24)内与反硝化包埋生物活性填料(23)接触反应。
12.部分亚硝化池(4)：该装置的核心为部分亚硝化活性污泥，混合液悬浮物浓度mlss为5000mg/l。活性污泥含有大量的氨氧化菌(高通量测其菌群相对丰度为50.51％)，亚硝酸盐氧化菌含量较低(高通量测其菌群相对丰度为2.91％)，氨氧化菌对亚硝酸盐氧化菌形成绝对优势，该装置没有包埋生物活性填料。所述部分亚硝化是指将56.9％的氨氮氧化亚硝酸盐氮，从而为厌氧氨氧化菌提供基质，不产生硝酸盐氮，剩余43.1％的氨氮不被氧化。部分亚硝化活性污泥是抵挡稀土尾水复杂的离子和稀土元素的第一道屏障，可以减少对后续厌氧氨氧化菌和反硝化菌的抑制作用。部分亚硝化池的沉淀区不需要专门的污泥设备就可以有效保留部分亚硝化活性污泥。
13.厌氧氨氧化池(19)：该装置的核心材料为厌氧氨氧化包埋生物活性填料，该装置不存在活性污泥。反应体系中仅含有包埋的厌氧氨氧化菌。在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌利用剩余的氨氮和部分亚硝化过程产生的亚硝酸盐氮和以碳酸氢根为无机碳源进行反应生成氮气和硝酸盐氮，实现出水氨氮的达标。
14.反硝化池(24)：该装置的核心材料为反硝化包埋生物活性填料，该装置不存在活
性污泥。反应体系中仅含有包埋的反硝化菌。在缺氧条件下，反硝化菌利用稀土尾水中原有的硝酸盐氮和厌氧氨氧化反应生成的硝酸盐氮和以乙酸钠作为电子受体进行反硝化，实现出水总氮的达标。
15.所述的一种基于厌氧氨氧化包埋生物活性填料处理稀土尾水的方法，包括以下步骤：
16.1)每日定时检测稀土尾水的氨氮浓度，根据氨氮浓度确定do是否要改变。
17.2)配制碱液，根据厌氧氨氧化池的进水氨氮浓度配制碳酸氢钠溶液和根据反硝化池进水总氮浓度配制乙酸钠溶液。
18.3)稀土尾水首先进入部分亚硝化池，在搅拌装置作用下，使反应区的do、碱液和稀土尾水混合均匀。ph自控系统根据部分亚硝化池的ph变化情况自动加碱。
19.4)部分亚硝化池反应区的混合泥水进入部分亚硝化池沉淀区，进水泥水分离，污泥重新回到部分亚硝化池反应区底部，参与部分亚硝化池反应区的反应。
20.5)部分亚硝化池沉淀区的上清液和碳酸氢钠溶液一同进入厌氧氨氧化反应池，与厌氧氨氧化包埋生物活性填料接触反应。
21.6)厌氧氨氧化反应池的出水和乙酸钠溶液一同进入反硝化反应池，与反硝化包埋生物活性填料接触反应，出水达标排放。
22.7)定期对部分亚硝化池进行排泥。
23.主要适用于氨氮浓度大于70mg/l和低cod的稀土尾水。如氨氮浓度为110
±
10mg/l、总氮浓度为150
±
15mg/l和cod浓度为15
±
5mg/l。
24.所述部分亚硝化池的hrt为6h，do为0.5-1mg/l，ph为8.2-8.3。ph自控系统根据部分亚硝化池的ph探头变化情况自动加碱液，即ph低于8.2时开始加碱液，ph高于8.3时停止加碱液。
25.所述部分亚硝化池反应区的游离氨浓度必须大于5mg/l，如果长期小于5mg/l会出现部分亚硝化转为全程硝化的趋势。
26.根据厌氧氨氧化反应池进水氨氮浓度配制碳酸氢钠溶液，碳酸氢钠浓度和氨氮浓度的比值为3，根据反硝化池进水总氮浓度配制乙酸钠溶液，乙酸钠浓度和总氮浓度的两者的质量比值为4。
27.所述厌氧氨氧化池的hrt为3.1h，进水ph为8.2-8.3，温度为25-30℃。反硝化池的hrt为0.63h。
28.所述厌氧氨氧化池含有厌氧氨氧化包埋生物活性填料，包埋生物活性填料中含有厌氧氨氧化菌，厌氧氨氧化包埋生物活性填料的体积填充率为7.5％。
29.所述反硝化池含有反硝化包埋生物活性填料，包埋生物活性填料中含有反硝化菌，反硝化包埋生物活性填料的体积填充率为8％。
30.当发现部分亚硝化池内超过60％的氨氮氧化为亚硝酸盐氮时，进行适当排泥。
31.本发明主要适用于氨氮浓度大于70mg/l和低cod的稀土尾水。具有如下特点：
32.1.能耗低。只需在低氧条件下将56.9％的氨氮氧化为亚硝酸盐氮，可节省供养动力消耗；
33.2.部分亚硝化装置采用内循环自沉淀反应池，不需要污泥回流系统；
34.3.运行成本低。若稀土尾水中仅含有氨氮，厌氧氨氧化反应去除的总氮约占进水
总氮的88.79％，理论上可以节省88.79％的有机碳源；
35.4.污染低。部分亚硝化阶段较全程硝化污泥产量减小，厌氧氨氧化包埋生物活性填料在运行过程中几乎没有污泥的产生；
36.5.脱氮效率高。本实验中厌氧氨氧化和反硝化包埋生物活性填料的脱氮效率明显高于传统的硝化反硝化脱氮工艺；
37.6.包埋生物活性填料易实现固液分离，且不存在厌氧氨氧化菌和反硝化菌的流失。
附图说明
38.图1是本发明方法的工艺流程图。
39.离心风机(1)、布气管路(2)、搅拌装置(3)、部分亚硝化池(4)、ph探头(5)、原水箱(6)、原水离心泵(7)、闸阀(8)、碱液箱(9)、碱液隔膜式计量泵(10)、ph自控系统(11)、排泥口(12)、部分亚硝化池反应区(13)、部分亚硝化池沉淀区(14)、碳酸氢钠水箱(15)、碳酸氢钠泵(16)、布水系统(17)、厌氧氨氧化包埋生物活性填料(18)、厌氧氨氧化反应池(19)、有机碳源水箱(20)、有机碳源计量泵(21)、反硝化池网格(22)、反硝化包埋生物活性填料(23)、反硝化池(24)。
具体实施方式
40.下面结合附体和具体的实施例作进一步阐述，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但是，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明使用范围的限制。
41.实施例1
42.以江西赣州的稀土尾水为对象，原水水质指标如下：氨氮浓度为110
±
10mg/l、总氮浓度为150
±
15mg/l、cod浓度为15
±
5mg/l、ph变化范围为8.9
±
0.5、稀土总元素浓度为1
±
0.1mg/l、钙离子浓度为120
±
10mg/l、镁离子浓度为12
±
2mg/l、硫酸根离子浓度为940
±
50mg/l，其中氨氮和总氮浓度远超《稀土工业污染物排放标准》gb26451-2011的限制要求。
43.采用本发明的一种基于厌氧氨氧化包埋生物活性填料处理稀土尾水的方法，具体的操作方法如下：
44.稀土尾水首先进入部分亚硝化池进行亚硝化反应，调节部分亚硝化池反应区的ph为8.2-8.3、hrt＝6h、do＝0.5-1mg/l和游离氨浓度大于5mg/l，使约56.9％的氨氮转化为亚硝酸盐氮，形成含亚硝酸盐氮和氨氮(二者浓度的比值约为1.32)的混合液。当出现进水氨氮浓度偏低的状况，一定要维持部分亚硝化池反应区的游离氨浓度大于5mg/l。然后混合液进入部分亚硝化池沉淀区进行泥水分离，和碳酸氢钠溶液混合后再进入厌氧氨氧化池。在hrt为3.1h，温度为30℃的条件下，经厌氧氨氧化包埋生物活性填料(体积填充率为7.5％)脱氮反应去除氨氮和亚硝酸盐氮，出水的主要成分为硝酸盐氮。出水和乙酸钠溶液混合后再进入反硝化池，在hrt为0.63h的条件下，经反硝化包埋生物活性填料(体积填充率为8％)脱氮反应去除硝酸盐氮，最终实现氨氮和总氮的达标排放。
45.按图1所示的装置连续运行82天，厌氧氨氧化包埋生物活性填料的总氮去除速率最高可达1kg n/(m3·
d)，反硝化包埋生物活性填料的总氮去除速率最高可达2.3kg n/
(m3·
d)。工艺出水的水质较好，出水氨氮的平均浓度为3.01mg/l，出水总氮的平均浓度为5.11mg/l，满足《稀土工业污染物排放标准》gb 26451-2011的要求。
46.以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。