公布日：2024.06.07
申请日：2024.04.22
分类号：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
本发明公开了一种低C/N污水同步脱氮除磷的装置及方法，装置包括反应器主体，反应器主体内自下而上依次设置有第一布水层、承托层、前滤料层、第二布水层、硫化亚铁层、后滤料层、出水层；反应器本体底部设有进水口，出水层设有出水口；硫化亚铁层布置有不同粒径的硫化亚铁，硫化亚铁粒径自下而上依次为0.45-0.9mm、0.15-0.45mm、小于0.15mm、0.15-0.45mm、0.45-0.9mm。硫化亚铁层接种硫、铁自养反硝化菌以及异养反硝化菌后，低C/N污水同步脱氮除磷的装置可用于处理低C/N污水。本发明构建了硫、铁、碳三基质的硫自养-铁自养-异养耦合反硝化系统，提高了脱氮效率，在没有外加碳源的条件下，实现了对低C/N污水同步脱氮除磷，节约处理成本。
权利要求书
1.一种低C/N污水同步脱氮除磷的装置，其特征在于，包括反应器主体，所述的反应器主体内自下而上依次设置有第一布水层、承托层、前滤料层、第二布水层、硫化亚铁层、后滤料层、出水层；反应器本体底部设有进水口，出水层设有出水口；所述的硫化亚铁层布置有不同粒径的硫化亚铁；所述的硫化亚铁层中，硫化亚铁粒径自下而上依次为0.45-0.9mm、0.15-0.45mm、小于0.15mm、0.15-0.45mm、0.45-0.9mm。
2.根据权利要求1所述的低C/N污水同步脱氮除磷的装置，其特征在于，所述的硫化亚铁层中，不同粒径的硫化亚铁填充高度自下而上依次占总工作高度的3-5％、5-8％、10-15％、5-8％、3-5％。
3.根据权利要求1所述的低C/N污水同步脱氮除磷的装置，其特征在于，所述的第一布水层设有第一布水板，第一布水板上均匀分布有圆孔，开孔率为20-25％；所述的第二布水层设有第二布水板，第二布水板上均匀分布有圆孔，开孔率为15-20％。
4.根据权利要求1所述的低C/N污水同步脱氮除磷的装置，其特征在于，所述的承托层布置有鹅卵石，填充高度占总工作高度的8-12％。
5.根据权利要求1所述的低C/N污水同步脱氮除磷的装置，其特征在于，所述的前滤料层包括第一滤料层和第二滤料层；所述的第一滤料层布置有沸石，填充高度占总工作高度的8-12％；所述的第二滤料层布置有石英砂，填充高度占总工作高度的10-15％。
6.根据权利要求1所述的低C/N污水同步脱氮除磷的装置，其特征在于，所述的后滤料层包括第三滤料层和第四滤料层；所述的第三滤料层布置有沸石，填充高度占总工作高度的8-12％；所述的第四滤料层布置有玻璃棉，填充高度占总工作高度的8-12％。
7.根据权利要求1所述的低C/N污水同步脱氮除磷的装置，其特征在于，所述的出水层布置有pH和温度在线监测装置。
8.一种基于如权利要求1-7任一项所述的低C/N污水同步脱氮除磷的装置进行脱氮除磷的方法，其特征在于，包括：(1)在硫化亚铁层接种硫自养反硝化菌、铁自养反硝化菌以及异养反硝化菌；(2)将待处理的低C/N污水从反应器本体底部的进水口进入反应器本体内部，在硫自养反硝化菌、铁自养反硝化菌以及异养反硝化菌的协同反硝化作用下，实现脱氮；铁离子与磷酸盐反应，实现除磷。
9.根据权利要求8所述的脱氮除磷的方法，其特征在于，步骤(1)包括：(1-1)获取厌氧活性污泥，分别用硫铁自养反硝化培养基和异养反硝化培养基进行驯化，得到硫、铁自养反硝化污泥和异养反硝化污泥；(1-2)根据驯化后泥水总悬浮固体质量，按等污泥质量接种驯化后的硫铁自养反硝化污泥和异养反硝化污泥至硫化亚铁层；(1-3)用低C/N比模拟污水作为进水进行挂膜，挂膜成功后进行步骤(2)。
10.根据权利要求8所述的脱氮除磷的方法，其特征在于，步骤(2)中，反应器本体中，水力停留时间为0.5-4h，出水达排放标准。
发明内容
本发明提供了一种低C/N污水同步脱氮除磷的装置及方法，采用本发明的装置及方法对低C/N污水进行同步脱氮除磷时，对氮和磷的去除比较彻底，不需要再进行深度脱氮除磷，处理出水中亚硝酸盐氮含量低。
本发明的技术方案如下：
第一方面，本发明提供了一种低C/N污水同步脱氮除磷的装置，包括反应器主体，所述的反应器主体内自下而上依次设置有第一布水层、承托层、前滤料层、第二布水层、硫化亚铁层、后滤料层、出水层；反应器本体底部设有进水口，出水层设有出水口；
所述的硫化亚铁层布置有不同粒径的硫化亚铁；所述的硫化亚铁层中，硫化亚铁粒径自下而上依次为0.45-0.9mm、0.15-0.45mm、小于0.15mm、0.15-0.45mm、0.45-0.9mm。
硫化亚铁层接种硫自养反硝化菌、铁自养反硝化菌以及异养反硝化菌后，低C/N污水同步脱氮除磷的装置可用于处理低C/N污水。
待处理的低C/N污水从反应器底部进入反应器内部，在硫化亚铁层硫自养反硝化菌、铁自养反硝化菌以及异养反硝化菌的协同反硝化作用下，实现脱氮；同时铁与磷酸盐反应，实现除磷。
待处理的低C/N比的硝酸盐污水从反应器本体底部进入反应器内部，经第一布水层均匀布水后依次流经承托层、前滤料层，通过滤料截留污水中的固体颗粒物，再经第二布水板重新均匀布水后进入硫化亚铁层，在硫化亚铁层硫自养反硝化菌、铁自养反硝化菌分别以硫化亚铁中的硫、铁作为电子供体，硝酸盐作为电子受体进行自养反硝化脱氮；异养反硝化菌以污水中的有机物作为电子供体，硝酸盐作为电子受体进行异养反硝化脱氮；硫化亚铁在水中释放的亚铁离子以及铁自养反硝化产生的铁离子和磷酸根离子反应形成沉淀，实现同步除磷。
硫铁自养反硝化过程NO3-到NO2-转化慢，NO2-到N2转化快，异养反硝化过程与之相反，NO3-到NO2-转化快，NO2-到N2转化慢，将二者耦合形成互补，提高反硝化各阶段反应速率，进而提高整体脱氮效率。
本发明中的硫化亚铁层是经过特殊设计的。如果只用较大粒径硫化亚铁，硫化亚铁比表面积小，不利于反硝化菌附着和繁殖，导致处理效果较差；如果只用较小粒径硫化亚铁，致使硫化亚铁反应层孔隙率较低，容易出现堵塞和死区，也会导致处理效果变差，同时增加反应器维护频率，提高运行难度。鉴于此，本发明中硫化亚铁粒径梯度变化的设计，既保证较高的比表面积，又降低发生堵塞的概率，实现稳定、高效、低能耗处理低C/N污水，处理出水中硝酸盐和磷去除彻底，不需要再进行深度处理，同时出水中亚硝酸盐氮含量低，没有亚硝酸盐氮的积累。
所述的进水口通过进水泵和管道与存储污水的污水水箱相连，污水水箱中的污水通过进水泵从反应器主体底部的进水口进入反应器本体内。
所述的第一布水层设有第一布水板，第一布水板上均匀分布有圆孔，开孔率为20-25％。
第一布水层用于将污水均匀分布流入承托层。
所述的承托层布置有鹅卵石，填充高度占总工作高度的8-12％。
承托层用于支撑前滤料层。
所述的前滤料层包括第一滤料层和第二滤料层；所述的第一滤料层布置有沸石，填充高度占总工作高度的8-12％；所述的第二滤料层布置有石英砂，填充高度占总工作高度的10-15％。
第一滤料层用于初步过滤去除污水中较大的固体颗粒物，第二滤料层用于进一步过滤去除污水中细小的固体颗粒物。
所述的第二布水层设有第二布水板，第二布水板上均匀分布有圆孔，开孔率为15-20％。
第二布水层用于将污水均匀分布流入硫化亚铁层。
所述的硫化亚铁层中，不同粒径的硫化亚铁填充高度自下而上依次占总工作高度的3-5％、5-8％、10-15％、5-8％、3-5％。
硫化亚铁颗粒的筛分步骤为：将块状硫化亚铁放入球磨机中充分研磨，再用孔径为0.9mm、0.45mm和0.15mm的筛网依次进行筛选，获得不同粒径的硫化亚铁，然后将不同粒径的硫化亚铁分别用稀盐酸溶液浸泡12-48h，最后用水冲洗干净。
所述的后滤料层包括第三滤料层和第四滤料层；所述的第三滤料层布置有沸石，填充高度占总工作高度的8-12％。用于防止硫化亚铁因水流作用向上发生扰动，同时初步过滤粒径较大的硫化亚铁和脱落的活性污泥。
所述的第四滤料层布置有玻璃棉，填充高度占总工作高度的8-12％。用于过滤粒径较小的硫化亚铁和脱落的活性污泥。
优选的，所述的出水层布置有pH和温度在线监测装置。用于实时监测反应系统的pH和温度，确保pH和温度在适合硫铁自养反硝化菌和异养反硝化菌生长和代谢的范围内；所述出水层布置有出水口，通过出水管道连接至清水池。
优选的，所述的反应器主体顶部设有出气口。用于采集气体样品，检测氮气、硫化氢等气体浓度。
优选的，所述的反应器主体外壁设有保温层。用于维持反应器主体内部温度稳定。
优选的，所述的反应器主体底部设有排水口，排水口上连接有排水阀和排水管。用于反应器检修、维护时将内部污水排空。
第二方面，本发明提供了一种基于低C/N污水同步脱氮除磷的装置进行脱氮除磷的方法，包括：
(1)在硫化亚铁层接种硫自养反硝化菌、铁自养反硝化菌以及异养反硝化菌；
(2)将待处理的低C/N污水从反应器本体底部的进水口进入反应器本体内部，在硫自养反硝化菌、铁自养反硝化菌以及异养反硝化菌的协同反硝化作用下，实现脱氮；铁离子与磷酸盐反应，实现除磷。
在硫化亚铁层，硫自养反硝化菌、铁自养反硝化菌分别以硫化亚铁中的硫、铁作为电子供体，硝酸盐作为电子受体进行自养反硝化脱氮；异养反硝化菌以污水中的有机物作为电子供体，硝酸盐作为电子受体进行异养反硝化脱氮；硫化亚铁在水中释放的亚铁离子以及铁自养反硝化产生的铁离子和磷酸根离子反应形成沉淀，实现同步除磷。
优选的，步骤(1)包括：
(1-1)获取厌氧活性污泥，分别用硫铁自养反硝化培养基和异养反硝化培养基进行驯化，得到硫、铁自养反硝化污泥和异养反硝化污泥；
(1-2)根据驯化后泥水总悬浮固体(TSS)质量，按等污泥质量接种驯化后的硫铁自养反硝化污泥和异养反硝化污泥至硫化亚铁层；
(1-3)用低C/N比模拟污水作为进水进行挂膜，挂膜成功后进行步骤(2)。
优选的，步骤(2)中，维持反应体系中pH值为6-8，温度为25-35℃。
优选的，步骤(2)中，反应器本体中，水力停留时间为0.5-4h，出水达排放标准。
优选的，待处理的低C/N污水的C/N为1-4。
进一步的，待处理的低C/N污水中，硝酸盐氮浓度为1-100mg/L，磷酸盐浓度为0.5-5mg/L。
进一步优选的，待处理的低C/N污水中，硝酸盐氮浓度为10-50mg/L，磷酸盐浓度为0.5-5mg/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明以硫化亚铁中的硫、铁以及污水中的有机物作为电子供体，构建硫、铁、碳三基质的硫自养-铁自养-异养耦合反硝化系统，不需要任何形式的外加碳源，可以节省100％的外加碳源，降低运行成本，提高脱氮效率。
(2)本发明硫化亚铁在水中释放的亚铁离子以及铁自养反硝化产生的铁离子能和磷酸根离子反应形成沉淀，实现同步除磷。
(3)本发明构建的硫自养-铁自养-异养耦合反硝化系统，利用异养反硝化过程NO3-到NO2-转化快和硫铁自养反硝化过程NO2-到N2转化快的机制，将二者耦合形成互补，提高反硝化各阶段反应速率，进而大幅提升整体脱氮效能。
(4)本发明构建的硫自养-铁自养-异养耦合反硝化系统，利用铁自养反硝化产酸和硫自养、异养反硝化产碱的机制，在反硝化反应过程中形成酸碱平衡，无需额外调节酸碱度。
(5)本发明的装置结构简单、操作方便，作为硫源、铁源的硫化亚铁无需改良，易获取，表面粗糙，便于菌种附着，提供的处理低C/N污水同步脱氮除磷的方法运行成本低、实用性强。
(6)本发明中硫化亚铁粒径梯度变化的设计，既保证较高的比表面积，处理出水中硝酸盐和磷去除彻底，不需要再进行深度处理，同时出水中亚硝酸盐氮(NO2--N)含量低；又降低发生堵塞的概率，长期运行未发生堵塞，实现稳定、高效、低能耗处理低C/N污水。
（发明人：刘锐;张志鹏;兰亚琼）