申请日2019.02.28
公开(公告)日2019.05.17
IPC分类号C02F3/28; C02F101/16; C02F101/38
摘要
本发明公开了一种基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮方法及装置，该方法包括如下步骤：1)在污水脱氮装置内设置气体传质膜组件，并在气体传质膜组件的周围填充改性凝胶生物炭填料;所述改性凝胶生物炭填料由生物炭经凝胶物质固定得到;2)将含有硝态氮的污水引入污水脱氮装置;3)向气体传质膜组件的内侧通入可作为反硝化反应的电子供体的气体有机物;4)反硝化细菌利用气体传质膜组件界面两侧的硝态氮和气体有机物进行反硝化反应，将污水中的硝态氮还原为氮气。该装置包括装置本体，其内设置有气体传质膜组件，并在气体传质膜组件的周围填充改性凝胶生物炭填料。本发明具有脱氮效率高，减少温室气体的排放，操作要求低，运行相对稳定，管理方便等优点。
权利要求书
1.一种基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮方法，其特征在于：
包括如下步骤：
1)在污水脱氮装置内设置气体传质膜组件(2)，并在气体传质膜组件(2)的周围填充改性凝胶生物炭填料(3);所述改性凝胶生物炭填料(3)由生物炭经凝胶物质固定得到;
2)将含有硝态氮的污水引入污水脱氮装置，污水中含有或添加有可以进行反硝化反应的反硝化细菌，反硝化细菌进入污水脱氮装置后附着在气体传质膜组件(2)的外侧表面上;
3)向气体传质膜组件(2)的内侧通入可作为反硝化反应的电子供体的气体有机物;
4)附着在气体传质膜组件(2)外侧表面的反硝化细菌利用界面两侧的硝态氮和气体有机物进行反硝化反应，将污水中的硝态氮还原为氮气。
2.根据权利要求1所述的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮方法，其特征在于：
所述改性凝胶生物炭填料(3)的制备包括如下步骤：
1.1)由生物质制备生物炭粉;
1.2)将生物炭粉浸渍于含有凝胶物质的凝胶悬液中，采用超声处理使两者充分混合;
1.3)过滤收集沉淀，将所得沉淀干燥处理，即得到颗粒状的改性凝胶生物炭填料(3)。
3.根据权利要求2所述的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮方法，其特征在于：所述步骤1.1)中，生物炭粉的制备过程如下：以生物质为原料，在200～800℃下热解1～6h，将得到的生物炭进行去灰，然后进行球磨处理，得到粒径在400～1000目以下的生物炭粉。
4.根据权利要求2所述的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮方法，其特征在于：所述生物质为棉花壳、黍糠、秸秆、稻壳中的一种或几种组合;所述凝胶物质为卡拉胶或海藻酸钠;所述改性凝胶生物炭填料(3)的粒度在50～80mm。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮方法，其特征在于：所述步骤4)中，部分气体有机物穿过气体传质膜组件(2)分散并进入污水中，进入改性凝胶生物炭填料的微孔结构中;部分反硝化细菌附着在改性凝胶生物炭填料(3)上，利用附近的气体有机物与硝态氮进行反硝化反应，将污水中的硝态氮还原为氮气。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮方法，其特征在于：所述气体有机物为甲烷。
7.一种专为权利要求1～6中任一项所述污水脱氮方法而设计的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮装置，其特征在于：包括装置本体(1)，所述装置本体(1)为整体密封的容器，所述容器内设置有气体传质膜组件(2)，并在气体传质膜组件(2)的周围填充改性凝胶生物炭填料(3)，所述装置本体(1)上设置有用于输入含硝态氮污水的污水入口(4)、用于输出经过脱氮后的水的净化水出口(6)和用于排出反硝化反应中生成的气体的气体排出口(7)，所述气体传质膜组件(2)上设置有用于输入反硝化反应电子供体的供气接口(5)，所述装置本体(1)上设置有用于外部气体管道与所述供气接口(5)进行连接的安装口。
8.根据权利要求7所述的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮装置，其特征在于：所述容器的上部设置有三相分布器(8)，并以其水相出口为所述净化水出口(6)，以其气相出口为所述气体排出口(7)。
9.根据权利要求7或8所述的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮装置，其特征在于：所述气体传质膜组件(2)由中空纤维膜组成。
10.根据权利要求7或8所述的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮装置，其特征在于：所述气体传质膜组件(2)的数量为一个，垂直设置在装置本体(1)居中位置;或者，所述气体传质膜组件(2)的数量为多个，垂直并分散设置在装置本体(1)内。
说明书
基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮方法及装置
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体是指一种基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮方法及装置。
背景技术
氮以有机氮和无机氮两种形态存在于水体中，有机氮在水体中经微生物分解后转化为无机氮，而无机氮主要以硝态氮(包括NO3-、NO2-)为主。
我国作为农业大国，化肥被大量的投入使用，因而硝态氮广泛存在于地下水和地表水中，引起了水体富营养化现象，使藻类大量增殖，造成水体缺氧，引发水质恶化，最终破坏水环境的生态平衡。此外，高浓度硝酸盐易于与人体血液发生反应，威胁人类身体健康。同时，污水排放标准的一再提高，尤其是地表水III类标准要求TN≤1mg/L，给深度脱氮技术提出了很大的挑战。
目前常用的硝态氮脱氮手段是厌氧微生物反硝化技术，其利用大量存在于污水处理系统中的反硝化细菌，在无分子氧的条件下，利用NO2-和NO3-中的N+5和N+3作为能量代谢中的电子受体，O2作为受氢体生成H2O和OH-碱度，有机物作为碳源及电子供体提供能量并得到氧化稳定。有关反硝化反应的具体机理详见https://wenku.baidu.com/view/e606c80e571252d380eb6294dd88d0d232d43c02.html。
甲烷是一种自然界广泛存在的可再生能源，也是一种强温室气体，其引发的温室效应是CO2的21倍，对全球变暖有巨大影响。其主要来源于城市污水处理和垃圾填埋中的厌氧发酵过程，自然界中湿地、海洋、土壤等也会有大量甲烷产生。大量实验证明，甲烷可以充当反硝化反应的电子供体，同时为反硝化细菌的生长提供足够的能量。与其他有机电子供体相比，甲烷具有高效、毒性小的特点，在产物无害化的前提下又可消耗甲烷缓解温室效应。
但甲烷在水中难溶，使得反硝化细菌利用效率很低。采用乙烷等其他气体有机物作为电子供体也存在相同的技术问题。随着世界各国对污水处理厂出水水质标准的不断提高，对污水的脱氮要求也越来越严格，现有的脱氮手段已无法满足出水水质要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脱氮效率高的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮方法及装置。
为实现上述目的，本发明所提供的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮方法，包括如下步骤：
1)在污水脱氮装置内设置气体传质膜组件，并在气体传质膜组件的周围填充改性凝胶生物炭填料;所述改性凝胶生物炭填料由生物炭经凝胶物质固定得到;
2)将含有硝态氮的污水引入污水脱氮装置，污水中含有或添加有可以进行反硝化反应的反硝化细菌，反硝化细菌进入污水脱氮装置后附着在气体传质膜组件外侧表面上;
3)向气体传质膜组件的内侧通入可作为反硝化反应的电子供体的气体有机物;
4)附着在气体传质膜组件外侧表面的反硝化细菌利用界面两侧的硝态氮和气体有机物进行反硝化反应，将污水中的硝态氮还原为氮气。
优选地，所述改性凝胶生物炭填料的制备包括如下步骤：
1.1)由生物质制备生物炭粉;
1.2)将生物炭粉浸渍于含有凝胶物质的凝胶悬液中，采用超声处理使两者充分混合;
1.3)过滤收集沉淀，将所得沉淀干燥处理，即得到颗粒状的改性凝胶生物炭填料。
优选地，所述步骤1.1)中，生物炭粉的制备过程如下：以生物质为原料，在200～800℃下热解1～6h，将得到的生物炭进行去灰，然后进行球磨处理，得到粒径在400～1000目以下的生物炭粉(过相应目数标准筛)。球磨处理可增加生物炭比表面积和孔隙率，提高吸附能力，有利于后续脱氮处理。
优选地，所述生物质为棉花壳、黍糠、秸秆、稻壳中的一种或几种组合;所述凝胶物质为卡拉胶或海藻酸钠;所述改性凝胶生物炭填料的粒度在50～80mm。
优选地，所述步骤4)中，部分气体有机物穿过气体传质膜组件分散并进入污水中，进入改性凝胶生物炭填料的微孔结构中;部分反硝化细菌附着在改性凝胶生物炭填料上，利用附近的气体有机物与硝态氮进行反硝化反应，将污水中的硝态氮还原为氮气。
优选地，所述气体有机物为甲烷。采用甲烷作为反硝化反应电子供体，一方面可以直接利用污水处理、垃圾填埋过程中大量产出甲烷，污水处理厂不需要从外部购买甲烷，因而可大幅节约成本;另一方面，甲烷是一种温室气体，作为电子供体和NO3-反应，产物不会对环境造成危害，降低水中硝态氮含量的同时缓解了温室效应。
本发明同时提供了一种为实现前述方法而设计的基于厌氧微生物反硝化的污水厂尾水深度脱氮装置，包括装置本体，所述装置本体为整体密封的容器，所述容器内设置有气体传质膜组件，并在气体传质膜组件的周围填充改性凝胶生物炭填料，所述装置本体上设置有用于输入含硝态氮污水的污水入口、用于输出经过脱氮后的水的净化水出口和用于排出反硝化反应中生成的气体的气体排出口，所述气体传质膜组件上设置有用于输入反硝化反应电子供体的供气接口，所述装置本体上设置有用于外部气体管道与所述供气接口进行连接的安装口。
优选地，所述容器的上部设置有三相分布器，并以其水相出口为所述净化水出口，以其气相出口为所述气体排出口。当气、液、固的混合液上升到三相分离器内，三相分离器可以将反应生成的气体、处理后的水与改性凝胶生物炭填料进行分离，分离后的气体经气体排出口排出，分离后的水经净化水出口排出。
优选地，所述气体传质膜组件由中空纤维膜组成。膜组件形式有许多，主要有平板膜、卷式膜、中空纤维膜等，近年来中空纤维膜的研究受到学术界和工业界的广泛关注。本方案采用中空纤维膜，与其它膜相比，中空纤维膜具有以下优点：1)单位体积膜组件的膜面积更大，膜组件具有较高的装填密度，增加气体的传质性能;2)中空纤维膜的结构具有良好的自支撑作用;3)膜组件易于制备。
优选地，所述中空纤维膜的材质为聚酰亚胺中空纤维膜。聚酰亚胺是一类耐热性能良好、机械性能优异、化学性能稳定的高性能聚合物材料，具有优良的气体传质性能。
优选地，所述气体传质膜组件的数量为一个，垂直设置在装置本体居中位置;或者，所述气体传质膜组件的数量为多个，垂直并分散设置在装置本体内。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)反硝化细菌附着在气体传质膜组件上，能够直接利用从膜内侧传递来的电子供体与模外侧污水中的硝态氮进行反应，解决了甲烷等气体电子供体在水中溶解度低、反应利用率低的问题。
2)改性凝胶生物炭填料采用生物质为原料烧制的生物炭为原料，生物炭是一种集低成本、多功能、环境友好等优点于一身的环保材料，已被广泛用于温室气体减排、重金属和有机污染物的环境修复等领域，但游离的生物炭往往催化活性不足且难以回收，从而限制了其应用。本发明中将生物炭进行固定，即经改性后使其成为凝胶状，提高了生物炭的催化性和重复使用效率，进一步增强了装置的脱氮效果，起到了协同作用。
3)本发明在现有的反硝化技术的基础上，增加改性凝胶生物炭填料，强化了脱氮能力，使出水中TN指标达到地表水Ⅳ类～III类水体标准，具有脱氮效率高，操作要求低，运行相对稳定，管理方便等优点。
4)本发明主要针对硝态氮(NO3-、NO2-)进行设计，但由于有机氮、氨态氮(NH3，NH4+)均可经由现有技术转化为硝态氮，故本发明结合相关转化工艺也可以实现对有机氮、氨态氮的处理。