申请日2021.01.15
公开（公告）日2021.05.18
IPC分类号C02F3/30; C02F3/34
摘要
本发明公开了一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统及运行方法，涉及污水处理技术领域。该系统包括反应池、总进水管路和总出水管路，待处理水从总进水管路进入，依次经过第一好氧区、初沉区、Feammox反应区、第二好氧区、Fe自养反硝化区、第三好氧区、二次沉淀区后，通过总出水管路排出；还包括设置于第三好氧区与第一好氧区、Feammox反应区之间的回流管路，以及二次沉淀区和Feammox反应区之间的污泥回流管路。本发明通过将Feammox与Fe自养反硝化技术结合，可实现快速启动，且具有运行简单、处理效果稳定、处理成本低、抗冲击性好等优点。
权利要求书
1.一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统，其包括反应池、总进水管路和总出水管路，其特征在于：
所述的反应池从前往后依次被分隔为第一好氧区、初沉区、Feammox反应区、第二好氧区、Fe自养反硝化区、第三好氧区及二次沉淀区；
所述的总进水管路连接在所述的第一好氧区的池体上，所述的总出水管路连接在所述的二次沉淀区的池体上，待处理水从所述的总进水管路进入，依次经过第一好氧区、初沉区、Feammox反应区、第二好氧区、Fe自养反硝化区、第三好氧区及二次沉淀区后，通过所述的总出水管路排出；
在所述的第一好氧区和第三好氧区之间设置有第一回流管路，回流液由第三好氧区流向第一好氧区的下部；在所述的Feammox反应区和第三好氧区之间设置有第二回流管路，回流液由第三好氧区流向Feammox反应区的下部；在所述的Fe自养反硝化区设置有Fe自养反硝化区内回流管路，回流液由Fe自养反硝化区的上部流向Fe自养反硝化区的下部；在所述的二次沉淀区和Feammox反应区之间设置有污泥回流管路，回流污泥由二次沉淀区的下部流向Feammox反应区的上部；
在所述的Fe自养反硝化区的下部设置有布水器和反冲洗装置，所述的反冲洗装置包括气冲和水冲管；
在所述的Fe自养反硝化区内装配有铁基固定床，所述的铁基固定床按单元分布，可通过放置不同的单元数改变区体滤料填充率。
2.根据权利要求1所述的一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统，其特征在于：在所述的第一好氧区、Feammox反应区、第二好氧区内均投加有悬浮载体，其中，位于第一好氧区与第二好氧区内悬浮载体的密度为0.95-0.97g/cm3，位于Feammox反应区内悬浮载体的密度为0.96-0.98g/cm3，悬浮载体有效比表面积为450-1200m2/m3。
3.根据权利要求1所述的一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统，其特征在于：所述的总进水管路连接在所述的第一好氧区的下部的池体上，所述的总出水管路连接在所述的二次沉淀区的上部的池体上；所述的第一好氧区与初沉区通过设置于第一好氧区出水端上部的第一拦截筛网保持连通，所述的初沉区和Feammox反应区通过设置于初沉区出水端上部的第二拦截筛网保持连通；所述的Feammox反应区和第二好氧区通过设置于Feammox反应区出水端下部的第三拦截筛网保持连通；所述的第二好氧区和Fe自养反硝化区通过设置于第二好氧区出水端上部的第四拦截筛网互相连通，所述的Fe自养反硝化区和第三好氧区通过设置于Fe自养反硝化区出水端上部的第五拦截筛网互相连通，所述的第三好氧区与二次沉淀区通过设置于第三好氧区出水端下部的过水孔洞互相连通。
4.根据权利要求1所述的一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统，其特征在于：在所述的初沉区和Fe自养反硝化区的进水端分别设置有第一导流墙和第二导流墙，所述的第一导流墙和第二导流墙的上端高于系统内液面，下端与池底距离为池深的10％-30％。
5.根据权利要求1所述的一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统，其特征在于：在所述的初沉区和二次沉淀区的下部均设有排泥管路，在各自的排泥管路上对应设置有初沉区排泥阀和二次沉淀区排泥阀。
6.根据权利要求1所述的一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统，其特征在于：在Feammox反应区的池体内壁上安装有潜水搅拌器，在所述的第一好氧区、第二好氧区及第三好氧区的下部均安装有曝气管路。
7.根据权利要求1～6任一项所述的一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统的运行方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
a、待处理污水首先进入第一好氧区，进水有机物在曝气条件下通过悬浮载体上附着生长的异养菌去除，进水中的SS与磷酸盐等与回流液中的Fe3+发生接触絮凝而生成絮凝体，第一回流管路回流比10％-100％；
b、第一好氧区出水进入初沉区，絮凝体得到沉降并通过初沉区的排泥管路排放；
c、初沉区出水进入Feammox反应区，悬浮载体上附着生长的Feammox菌以回流液中携带的Fe3+作为电子供体完成对进水中携带的部分NH4+-N去除，并生成少量NO2--N，第二回流管路回流比50％-200％，Feammox反应区出水NH4+-N＜50mg/L，与进水相比，Feammox反应区出水氨氧化率＞50％；
d、Feammox反应区出水进入第二好氧区，通过悬浮载体上附着生长的硝化菌完成原水剩余NH4+-N和NO2--N的去除，并生成NO3--N，第二好氧区出水NH4+-N＜1.5mg/L；
e、第二好氧区出水进入Fe自养反硝化区，通过铁基固定床上附着生长的自养反硝化细菌完成深度总氮去除，并生成Fe2+，Fe自养反硝化区内回流比为200％-400％；
f、Fe自养反硝化区出水进入第三好氧区，在曝气条件下将Fe2+全部氧化为Fe3+，并随回流液分别回流至第一好氧区和Feammox反应区；
g、第三好氧区出水进入二次沉淀区，出水携带的剩余Fe3+和SS沉降后一部分经污泥回流管路回流至Feammox反应区使Fe3+重复利用，污泥回流比10％-100％，另一部分经二次沉淀区排泥阀排出，上清液达到污水的排放标准，由二次沉淀区上部的总出水管路排出。
8.根据权利要求7所述的一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统的运行方法，其特征在于：步骤a中，在第一好氧区内的水力停留时间为1-4h。
9.根据权利要求7所述的一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统的运行方法，其特征在于：Feammox反应区、Fe自养反硝化区、第一好氧区、第二好氧区及第三好氧区的污泥浓度均小于500mg/L；第一好氧区、第二好氧区的悬浮载体填充率在30-60％，DO为3-6mg/L，第三好氧区DO为1-3mg/L，Feammox反应区悬浮载体填充率为10-50％，Feammox反应区、Fe自养反硝化区DO＜0.4mg/L。
说明书
一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统及运行方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统及运行方法。
背景技术
自养脱氮技术作为近年来发展迅速的新型脱氮工艺，受到全世界废水生物脱氮领域研究者的关注，该工艺通过厌氧氨氧化进行脱氮，相比传统的硝化反硝化可节约100％的有机碳源投加，因而被认为是最经济有效的废水生物脱氮方式。但是常规的亚硝酸盐型厌氧氨氧化(ANAMMOX)在将NH4+氧化过程中需要NO2-作为电子受体，因此需要和短程硝化过程结合在一起才能实现。而短程硝化的加入，一方面需提供适量的曝气，增加了曝气能耗；另一方面在，在运行控制过程中易面临系统失稳导致短程硝化效果被破坏从而造成出水超标等问题，增加了控制难度，因此导致亚硝酸盐型厌氧氨氧化目前仍未实现大规模的工程应用。
铁作为地壳中含量第二高的过渡金属，其参与的氧化还原反应驱动着全球的生物化学循环。而当前，以Fe驱动的自养脱氮工艺也逐渐被发现并引起人们的关注，主要包括铁铵氧化(Feammox)和Fe自养反硝化工艺。
Feammox是近些年来新发现的生物脱氮过程。在厌氧和含铁的环境下，微生物以Fe3+为电子受体，以NH4+为电子供体来实现NH4+-N的氧化，同时将Fe3+还原为Fe2+，相比ANAMMOX，Feammox无需与好氧工艺联用，理论上可进一步降低曝气能耗，同时降低运行难度，但是Feammox过程仍存在一些问题需要解决，如Fe3+的来源问题、铁元素如何实现循环利用、如何稳定富集Feammox微生物等。
Fe自养反硝化可利用Fe、Fe2+等作为电子供体，将NO2-或NO3-还原为N2，同时将Fe、Fe2+氧化为Fe3+，且研究报道，其脱氮速率较氢自养反硝化或硫自养反硝化更高，但目前Fe自养反硝化在应用上也存在NO2-或NO3-的来源、Fe3+的回收及Fe3+沉积影响传质等问题。
现有技术相关方面的研究报道主要有：
CN 105271514 A公开了一种基于厌氧铁氧化氨的生物脱氮方法，包括如下步骤：在厌氧反应器中加入含有Feammox微生物的污泥，将含氨污水通入反应器中，利用Fe(III)氧化污水中的NH4+生成NO2-，再进行深度脱氮处理，该发明针对Feammox产生的NO2-副产物需另设深度脱氮工艺，增加了工艺流程及运行复杂性，而关于Fe3+的来源也未进行说明。
CN 109650536 A提供一种基于铁循环驱动的氨氮厌氧原位处理的装置及方法，其特征在于：向含有铁的Feammox系统中添加硝酸盐，引发硝酸盐依赖性铁氧化(NDFO)，通过定期向Feammox系统内添加NO3-，氧化Fe2+生成的Fe3+继续参与Feammox，产生的Fe2+又被外加的新的NO3-氧化，这样通过定期添加NO3-就会使有限的铁带来更多的氮素去除。但是该工艺需外投硝酸盐，一方面引入新的氮素，另一方面也增加了运行成本，无深度脱氮工艺，仅靠Feammox无法实现较高的总氮去除。
张宁博等(张宁博,李祥,黄勇,等.零价铁自养反硝化过程活性污泥矿化及解决措施[J].环境科学,2017,38(9):3793-3800.DOI:10.13227/j.hjkx.201703032.)通过接种生活污水处理厂活性污泥，在升流式厌氧反应器内启动了零价铁自养反硝化反应，并且运行过程中逐渐形成的三价铁及铁氧化物对污泥的包裹，致使污泥矿化，导致活性降低的问题，进行了流加污泥和改变回流两种防矿化方式的可行性研究，采用改变回流方式,反应柱外部设置回流池，利用回流池上部水进行水力循环和上升冲刷，将生成的三价铁及铁氧化物随出水流出并沉积在外部回流池内，实现了长期运行中污泥矿化问题的解决。但是该工艺如何实现硝氮的来源未做过多探究，实际应用可能受阻。
因此，针对以Fe为反应物的自养脱氮工艺均面临着基质来源及Fe元素的循环等问题，且工艺仅能实现脱氮，而无法实现同步除磷，从而制约了相关工艺的应用与发展。若能通过不同工艺耦合，在成本及工艺复杂性最小的基础上解决上述问题，则以Fe为反应物的自养脱氮工艺必将有更好的应用前景。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统，该系统的反应区通过Feammox与铁自养反硝化二者结合的方式对污水进行处理，具有运行简单、处理效果稳定、处理成本低、抗冲击性好的优点。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统，其包括反应池、总进水管路和总出水管路，所述的反应池从前往后依次被分隔为第一好氧区、初沉区、Feammox反应区、第二好氧区、Fe自养反硝化区、第三好氧区及二次沉淀区；
所述的总进水管路连接在所述的第一好氧区的池体上，所述的总出水管路连接在所述的二次沉淀区的池体上，待处理水从所述的总进水管路进入，依次经过第一好氧区、初沉区、Feammox反应区、第二好氧区、Fe自养反硝化区、第三好氧区、二次沉淀区后，通过所述的总出水管路排出；
在所述的第一好氧区和第三好氧区之间设置有第一回流管路，回流液由第三好氧区流向第一好氧区的下部；在所述的Feammox反应区和第三好氧区之间设置有第二回流管路，回流液由第三好氧区流向Feammox反应区的下部；在所述的Fe自养反硝化区设置有Fe自养反硝化区内回流管路，回流液由Fe自养反硝化区的上部流向Fe自养反硝化区的下部；在所述的二次沉淀区和Feammox反应区之间设置有污泥回流管路，回流污泥由二次沉淀区的下部流向Feammox反应区的上部；
在所述的Fe自养反硝化区的下部设置有布水器和反冲洗装置，所述的反冲洗装置包括气冲和水冲管；
在所述的Fe自养反硝化区内装配有铁基固定床，所述的铁基固定床按单元分布，可通过放置不同的单元数改变区体滤料填充率。
作为本发明的一个优选方案，在所述的第一好氧区、Feammox反应区、第二好氧区内均投加有悬浮载体，其中，位于第一好氧区与第二好氧区内悬浮载体的密度为0.95-0.97g/cm3，位于Feammox反应区内悬浮载体的密度为0.96-0.98g/cm3，悬浮载体有效比表面积为450-1200m2/m3。
作为本发明的另一个优选方案，所述的总进水管路连接在所述的第一好氧区的下部的池体上，所述的总出水管路连接在所述的二次沉淀区的上部的池体上；所述的第一好氧区与初沉区通过设置于第一好氧区出水端上部的第一拦截筛网保持连通，所述的初沉区和Feammox反应区通过设置于初沉区出水端上部的第二拦截筛网保持连通；所述的Feammox反应区和第二好氧区通过设置于Feammox反应区出水端下部的第三拦截筛网保持连通；所述的第二好氧区和Fe自养反硝化区通过设置于第二好氧区出水端上部的第四拦截筛网互相连通，所述的Fe自养反硝化区和第三好氧区通过设置于Fe自养反硝化区出水端上部的第五拦截筛网互相连通，所述的第三好氧区与二次沉淀区通过设置于第三好氧区出水端下部的过水孔洞互相连通。
进一步优选，在所述的初沉区和Fe自养反硝化区的进水端分别设置有第一导流墙和第二导流墙，所述的第一导流墙和第二导流墙的上端高于系统内液面，下端与池底距离为池深的10％-30％。
进一步优选，在所述的初沉区和二次沉淀区的下部均设有排泥管路，在各自的排泥管路上对应设置有初沉区排泥阀和二次沉淀区排泥阀。
优选的，在Feammox反应区的池体内壁上安装有潜水搅拌器，在所述的第一好氧区、第二好氧区及第三好氧区的下部均安装有曝气管路。
本发明的另一目的在于提供上述的基于MBBR的铁基自养脱氮除磷系统的运行方法，依次包括以下步骤：
a、待处理污水首先进入第一好氧区，进水有机物在曝气条件下通过悬浮载体上附着生长的异养菌去除，进水中的SS与磷酸盐等与回流液中的Fe3+发生接触絮凝而生成絮凝体，第一回流管路回流比10％-100％；
b、第一好氧区出水进入初沉区，絮凝体得到沉降并通过初沉区的排泥管路排放；
c、初沉区出水进入Feammox反应区，悬浮载体上附着生长的Feammox菌以回流液中携带的Fe3+作为电子供体完成对进水中携带的部分NH4+-N去除，并生成少量NO2--N，第二回流管路回流比50％-200％，Feammox反应区出水NH4+-N＜50mg/L，与进水相比，Feammox反应区出水氨氧化率＞50％；
d、Feammox反应区出水进入第二好氧区，通过悬浮载体上附着生长的硝化菌完成原水剩余NH4+-N和NO2--N的去除，并生成NO3--N，第二好氧区出水NH4+-N＜1.5mg/L；
e、第二好氧区出水进入Fe自养反硝化区，通过铁基固定床上附着生长的自养反硝化细菌完成深度总氮去除，并生成Fe2+，Fe自养反硝化区内回流比为200％-400％；
f、Fe自养反硝化区出水进入第三好氧区，在曝气条件下将Fe2+全部氧化为Fe3+，并随回流液分别回流至第一好氧区和Feammox反应区；
g、第三好氧区出水进入二次沉淀区，出水携带的剩余Fe3+和SS沉降后一部分经污泥回流管路回流至Feammox反应区使Fe3+重复利用，污泥回流比10％-100％，另一部分经二次沉淀区排泥阀排出，上清液达到污水的排放标准，由二次沉淀区上部的总出水管路排出。
进一步的，步骤a中，在第一好氧区内的水力停留时间为1-4h。
进一步的，Feammox反应区、Fe自养反硝化区、第一好氧区、第二好氧区及第三好氧区的污泥浓度均小于500mg/L；第一好氧区、第二好氧区的悬浮载体填充率在30-60％，DO为3-6mg/L，第三好氧区DO为1-3mg/L，Feammox反应区悬浮载体填充率为10-50％，Feammox反应区、Fe自养反硝化区DO＜0.4mg/L。
与现有技术相比，本发明带来了以下有益技术效果：
(1)运行费用省，本发明将Feammox和Fe自养反硝化工艺相结合进行高效自养脱氮，可节省100％碳源投加；
(2)兼顾脱氮除磷，Fe自养反硝化产生的一部分Fe3+回流至进水端，作为凝聚药剂实现化学除磷，同时保证系统氮磷的去除，实现了一铁多用；
(3)处理负荷高，Feammox和铁自养反硝化均采用MBBR形式，载体上高度富集有效菌种，处理负荷高。
(4)加入第一好氧池可通过反硝化作用降低进水COD对后续Feammox和Fe自养反硝化微生物的不利影响，为生化反应池创造良好环境，Fe自养反硝化出水可以为Feammox反应池补充一定碱度，强化脱氮效果。
（发明人：韩文杰;吴迪;周家中;管勇杰;杨忠启;孙庆花）