一种反硝化滤床进行同步脱氮除磷的方法及处理装置与流程

本发明属于污水处理技术领域，涉及一种反硝化滤床进行同步脱氮除磷的方法及处理装置，具体为一种利用以菱铁矿和天然单质硫矿石颗粒作填料的反硝化滤床进行同步脱氮除磷的方法及处理装置。

背景技术：

水体中n、p元素超标是水体富营养化的主要成因，会造成藻类及其它浮游生物的大量繁殖，水体溶解氧量迅速下降，造成水体恶化和鱼类的大量死亡。并且水体富营养化也会对饮用水水源造成污染，不利于人的身体健康。

传统的异养反硝化脱氮工艺有较高的脱氮效率，能够很好地去除污水中的硝酸盐。但其对水体中有机物含量要求高，一般要求c/n＞5。在污水中有机物含量不足的情况，需要外加有机碳源，运行成本较高。并且异养反硝化菌世代期较短，产泥量较多，污泥处理处置成本较高。

常见的除磷方法有添加化学药剂除磷(石灰、pac等)和微生物除磷法。添加化学药剂除磷的方法除磷效率高，能够适应较高的总磷浓度，但投加大量的化学药剂会加大运行成本，并且产生的污泥量较大。生物除磷法需要创造厌氧和好氧交替的环境，增加了污水处理运行的能耗。并且生物除磷法除磷效率低，受环境温度、水质影响较大，不适用总磷浓度较高的情形。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决传统的反硝化脱氮工艺和除磷工艺存在的问题，而提出的一种利用以菱铁矿(主要成分feco3)和天然单质硫矿石(主要成分s⁰)颗粒作填料的反硝化滤床进行同步脱氮除磷的方法及处理装置。本发明主要包括两个并行的过程，一个是自养反硝化脱氮过程，一个是化学除磷过程。菱铁矿溶出的fe²⁺和s⁰均能够作为自养反硝化过程的电子供体，满足自养反硝化脱氮的需求。s⁰作为电子供体的自养反硝化过程伴随着大量的h⁺的生成，能够降低环境的ph，促进feco3溶出fe²⁺。产生的fe²⁺以及其氧化生成的fe³⁺均能够与污水中的可溶性的磷酸盐生成不溶的磷酸盐沉淀，达到去除总磷的目的。同时，由于进水中存在少量有机物，因而也伴随着异养反硝化过程的进行。本方法与传统的异养反硝化工艺相比，外加有机碳源量少，甚至免外加碳源，运行成本低。与传统的添加化学药剂除磷的方法相比，投加天然矿石的运行成本较低。与微生物除磷方法相比，化学过程除磷效率更高，环境适应性更强，能够适应较高的总磷浓度。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

设计一种反硝化滤床进行同步脱氮除磷的方法，采用的处理装置包括罐体，所述罐体的顶部、底部分别可拆卸连接有上封盖、下封盖，罐体固定设置在支撑架构上；所述罐体内填有以菱铁矿和天然单质硫矿石颗粒作填料的矿石填料床；所述上封盖内设有用于喷淋的布水器，所述布水器上通过进水口连接带有泵和阀门的进水管，所述上封盖的顶部通过排气口连接设有反洗排气管，上封盖的侧部通过反洗出水口连接设有反洗出水管；所述下封盖内通过反洗进水口连接设有布水管，通过反洗进气口连接设有曝气管；所述下封盖的底部通过出水口连接有出水管和带有泵和阀门的回流管，所述回流管并入到进水管上；

包括如下步骤：

1)、处理装置通过接种污泥启动，通过进水管将含有硝酸盐和有机物的污水从罐体顶部的布水器以喷淋的方式均匀浸透矿矿石填料床；

2)、污水由上至下穿过滤床孔隙在矿石填料床内，并在矿石填料床中完成异养反硝化和自养反硝化过程，完成硝酸盐和有机物的沿程衰减，生化过程的脱氮和化学过程的除磷在矿石填料床内部同步完成；异养反硝化过程利用的底物分别为有机物和硝酸盐，自养反硝化过程利用菱铁矿溶出的fe²⁺和s⁰作为电子供体，硝酸盐作为电子受体，同时自养反硝化过程产生大量的h⁺，提供了微酸环境，促进了fe²⁺的溶出，溶出的fe²⁺和氧化生成的fe³⁺均能与水中的可溶性磷酸盐生成不溶的磷酸盐沉淀，被滤床截留，并最终通过反冲洗过程去除,达到去除总磷的目的；

3)、矿石填料床正常工作时，出水从出水管排出，出水回流通过回流管并入进水管；

4)、定期对矿石填料床进行反冲洗，进入反洗程序时，反洗气从穿孔的曝气管进入处理装置，反洗水从穿孔的布水管进入处理装置内部，反洗气从处理装置上部的反洗排气管排出，反洗水从处理装置上部的反洗出水管排出。

进一步的，所述支撑架构包括底座和立柱，所述立柱固定设置在底座上，所述上封盖和下封盖分别固定在支撑架构上，所述罐体的一侧通过连接块连接有旋转轴座，所述旋转轴座可转动连接在一侧的立柱上，所述罐体与上封盖和下封盖的对接处设有密封组件。

进一步的，所述密封组件包括套设在罐体两端的密封套，所述密封套可沿罐体长度方向上下滑动，用于罐体对接上封盖和下封盖，密封套的周向上设有多个锁紧螺栓，上封盖和下封盖上均设有用于限位密封套的限位凸缘，密封套的内环设有软化的密封垫圈。

进一步的，所述菱铁矿石粒径为4～6mm，天然单质硫矿石粒径为2～3mm。适宜尺寸的矿石粒径既能够保证足够的微生物附着面，满足传质的需求，又能够有较多的空隙，存留足够数量的活性污泥。注意控制矿石中细长及扁平颗粒的含量，以保证滤床结构的孔隙率和稳定性。

进一步的，所述矿石填料床中设有体积百分比在15％～20％惰性填料的支撑骨架，惰性填料选择粒径在10～12mm的石英石、无烟煤或其混合料。当菱铁矿和天然单质硫矿石随着反应粒径和数量逐渐减少，惰性填料将承担起骨架支撑的作用，维持滤床内部的空隙结构稳定。

进一步的，所述罐体上位于矿石填料床下部和上部分别设有多空结构的承托板和压板,承托板的空隙率为35％～55％，孔径为1～1.5mm，保证足够的结构强度。压板采用金属网，网孔尺寸小于单质硫矿石颗粒填料的粒径。天然单质硫矿石颗粒的质量较轻，在滤床反洗时容易随水流溢出，因而需要在矿石填料床顶部设置一层金属网。

进一步的，所述处理装置的进水口和出水口位于均设有在线ph计，用于ph在线监测。ph降低值宜为1.5～2.5。ph降低值小于1时应开启反冲洗。ph降低值一定程度上是自养反硝化微生物活性的反映，ph降低值过小，可能意味着活性污泥中无机组分含量过大，微生物活性降低，此时应通过反冲洗除去低活性组分。ph降低值过大，可能对功能菌的活性造成永久性抑制。应对ph可能降低过大的情形，可采取进水添加适量碱性药剂(如naoh)的措施。

进一步的，在步骤1)中，所述接种污泥为异养反硝化和自养反硝化污泥皆的单一富集培养污泥。矿石填料床中培养的主要微生物为以fe²⁺和s⁰为电子供体的自养反硝化菌和以有机物为电子供体的异养反硝化菌，用于驯化培养的污泥来自于市政污水处理厂a2o工艺的反硝化池。异养反硝化菌以乙酸钠为电子供体培养，富集培养时间不小于30天。自养反硝化菌以硫代硫酸钠和硫酸亚铁为电子供体培养，富集培养时间不小于70天。富集培养完成的异养反硝化污泥为灰色，呈现絮状和微颗粒状。富集培养完成的自养反硝化污泥为淡黄色偏灰色，呈现较大颗粒状(直径2mm左右)。异养反硝化污泥可直接均匀填充至矿石填料床空隙内。自养反硝化污泥由于其粒径较大，难以与矿物填料表面产生较大的接触面，所以在填充前应将颗粒状污泥碾碎成细小颗粒。单一驯化富集培养的目的在于快速启动反应器，减少反应器达到正常处理功能的时间。

进一步的，在步骤3)中，所述矿石填料床的高径比在4～6:1，滤床区hrt≥6，较高的高径比能够有效地延长活性污泥与基质的接触时间，有利于污染物的沿程衰减，回流管的回流比为3～3.5:1，回流的目的在于延长水力停留时间，强化了传质的过程。

进一步的，在步骤4)中，所述矿石填料床每隔20～35天反冲洗一次，反冲洗方式选用汽水反冲洗，流程为气洗-汽水联合反洗-水漂洗，气洗强度为10l/(m2·s)，水洗强度为5l/(m2·s)。反洗总时间控制在10min以下，避免活性污泥流失过大。曝气方式采用穿孔的曝气管(13)。布水采用穿孔的布水管(14)。反洗的目的主要在于去除一定量的剩余污泥和化学除磷产生的磷酸盐沉淀，维持滤床整体较高的微生物活性。

该方法和处理装置主要针对的是含有硝酸盐和较高总磷(可达10mg/l)的污水的处理。通过小试实验证明，应用该方法的反应装置稳定运行所要求的硝酸盐浓度需达到150mg-n/l以上，但不能高于400mg-n/l。当反应装置的硝酸盐浓度低于150mg-n/l时，自养反硝化微生物的活性较低，污泥无机化严重。当硝酸盐的浓度高于400mg/l时，自养反硝化菌功能受到明显抑制。短期(≤3d)高硝酸盐浓度的对微生物活性的抑制可以恢复，长期(＞15d)高硝酸盐浓度的环境则会造成不可恢复的微生物活性丧失，表征为生物膜变黑、解体脱落。进水的磷酸盐浓度不宜高于10mg/l，过高的总磷浓度会造成活性污泥无机组分增加过快，活性降低。有机物浓度不宜高于80mg/l，有机物含量过高会造成异养反硝化菌增殖速率过快，在底物和生存空间上对自养反硝化菌造成竞争性抑制。

本发明提出的一种反硝化滤床进行同步脱氮除磷的方法及处理装置，有益效果在于：

(1)、本发明相对于传统的反硝化工艺，该工艺更能适应污水中有机物含量低的情形。矿物填料溶出的fe²⁺和s⁰替代有机物作为反硝化脱氮过程的电子供体，在c/n＜5的情况下可减少甚至免投加有机碳源作为电子供体，运行成本显著降低。

(2)、本发明自养反硝化产生的和微酸环境下溶出的fe²⁺及其氧化生成的fe³⁺均能够与水中溶解性的磷酸盐生成不溶的磷酸盐沉淀，相对于传统的添加化学药剂除磷的方式，显著降低了运行成本。相对于传统的微生物除磷工艺，除磷效率更高，并且适应进水总磷浓度更高的情形。

(3)、本发明利用单一富集培养活性污泥的方式能够快速的达到足够的微生物量和微生物活性，使得反应器能够快速启动。

(4)、本发明利用大比例的出水回流强化了传质过程，相当于延长了水力停留时间，强化了传质过程。

(5)、本发明利用处理装置较大的高径比同样延长了水力停留时间，有利于污染物在滤床内部的沿程衰减。

(6)本发明的矿石填料床合适的反洗频率、反洗时间和强度的控制有利于及时去除活性污泥的无机性组分，恢复活性污泥的活性和反硝化功能。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明关于反硝化滤床进行同步脱氮除磷用到的处理装置处结构示意图；

图2是图1关于a处局部放大结构示意图；

图3是本发明关于处理装置与支撑架构的结构示意图；

图4是本发明关于罐体旋出后的结构示意图。

图中标记为：罐体1、上封盖2、排气口21、反洗出水口22、进水口23、反洗出水管24、反洗排气管25、进水管26、下封盖3、出水口31、反洗进水口32、反洗进气口33、出水管34、限位凸缘4、密封套5、密封垫圈51、锁紧螺栓6、底座7、立柱8、旋转轴座9、连接块10、矿石填料床11、承托板12、曝气管13、布水管14、压板15、回流管16、在线ph计17、布水器18。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。

参见图1-4，一种反硝化滤床进行同步脱氮除磷的方法，采用的处理装置包括罐体1，罐体1的顶部、底部分别可拆卸连接有上封盖2、下封盖3，罐体1固定设置在支撑架构上；罐体1内填有以菱铁矿和天然单质硫矿石颗粒作填料的矿石填料床11；上封盖2内设有用于喷淋的布水器18，布水器18上通过进水口23连接带有泵和阀门的进水管26，上封盖2的顶部通过排气口21连接设有反洗排气管25，上封盖2的侧部通过反洗出水口22连接设有反洗出水管24；下封盖3内通过反洗进水口32连接设有布水管14，通过反洗进气口33连接设有曝气管13；下封盖3的底部通过出水口31连接有出水管34和带有泵和阀门的回流管16，回流管16并入到进水管26上。

包括如下步骤：

步骤1)、处理装置通过接种污泥启动，通过进水管26将含有硝酸盐和有机物的污水从罐体1顶部的布水器18以喷淋的方式均匀浸透矿矿石填料床11；为帮助反应器的快速启动，所添加的污泥均为单一富集培养污泥。接种污泥为异养反硝化和自养反硝化污泥皆的单一富集培养污泥。异养反硝化菌以乙酸钠为电子供体培养，富集培养时间不小于30天。自养反硝化菌以硫代硫酸钠和硫酸亚铁为电子供体培养，富集培养时间不小于70天。异养反硝化污泥可直接均匀填充至滤床空隙内。自养反硝化污泥由于其粒径较大，难以与矿物填料表面产生较大的接触面，所以在填充前应将颗粒状污泥碾碎成细小颗粒。

步骤2)、污水由上至下穿过滤床孔隙在矿石填料床11内，并在矿石填料床11中完成异养反硝化和自养反硝化过程，完成硝酸盐和有机物的沿程衰减，生化过程的脱氮和化学过程的除磷在矿石填料床11内部同步完成；异养反硝化过程利用的底物分别为有机物和硝酸盐，自养反硝化过程利用菱铁矿溶出的fe²⁺和s⁰作为电子供体，硝酸盐作为电子受体，同时自养反硝化过程产生大量的h⁺，提供了微酸环境，促进了fe²⁺的溶出，溶出的fe²⁺和氧化生成的fe³⁺均能与水中的可溶性磷酸盐生成不溶的磷酸盐沉淀，达到去除总磷的目的；

步骤3)、矿石填料床11正常工作时，出水从出水管34排出，出水回流通过回流管16并入进水管26；矿石填料床11的高径比在4～6:1，滤床区hrt≥6，较高的高径比能够有效地延长活性污泥与基质的接触时间，有利于污染物的沿程衰减，回流管16的回流比为3～3.5:1，回流的目的在于延长水力停留时间，强化了传质的过程。

步骤4)、定期对矿石填料床11进行反冲洗，进入反洗程序时，反洗气从穿孔的曝气管13进入处理装置，反洗水从穿孔的布水管14进入处理装置内部，反洗气从处理装置上部的反洗排气管25排出，反洗水从处理装置上部的反洗出水管24排出，矿石填料床11每隔20～35天反冲洗一次，反冲洗方式选用汽水反冲洗，流程为气洗-汽水联合反洗-水漂洗，气洗强度为10l/(m2·s)，水洗强度为5l/(m2·s)，反洗总时间控制在10min以下。

参见图1-4，进一步说，支撑架构包括底座7和立柱8，立柱8固定设置在底座7上，上封盖2和下封盖3分别固定在支撑架构上，罐体1的一侧通过连接块10连接有旋转轴座9，旋转轴座9可转动连接在一侧的立柱8上，罐体1与上封盖2和下封盖3的对接处设有密封组件。罐体1可从处理装置中旋出，因菱铁矿石颗粒每隔90～140天添加一次，天然单质硫矿石颗粒每隔50～70天添加一次，为了方便添加菱铁矿石和天然单质硫矿石，采用可旋出结构的罐体1，方便矿石填料床11的加料以及处理装置内部的维护。

密封组件包括套设在罐体1两端的密封套5，密封套5可沿罐体1长度方向上下滑动，用于罐体1对接上封盖2和下封盖3，密封套5的周向上设有多个锁紧螺栓6，上封盖2和下封盖3上均设有用于限位密封套5的限位凸缘4，密封套5的内环设有软化的密封垫圈51。

进一步说，矿石填料床11中菱铁矿石粒径为4～6mm，天然单质硫矿石粒径为2～3mm，适宜尺寸的矿石粒径既能够保证足够的微生物附着面，满足传质的需求，又能够有较多的空隙，存留足够数量的活性污泥。注意控制矿石中细长及扁平颗粒的含量，以保证滤床结构的孔隙率和稳定性，矿石填料床11中设有体积百分比在15％～20％惰性填料的支撑骨架，惰性填料选择粒径在10～12mm的石英石、无烟煤或其混合料，当菱铁矿和天然单质硫矿石随着反应粒径和数量逐渐减少，惰性填料将承担起骨架支撑的作用，维持滤床内部的空隙结构稳定。

进一步说，罐体1上位于矿石填料床11下部和上部分别设有多空结构的承托板12和压板15,承托板12的空隙率为35％～55％，孔径为1～1.5mm，保证足够的结构强度，压板15采用金属网，网孔尺寸小于单质硫矿石颗粒填料的粒径。矿石填料床1中的天然单质硫矿石颗粒的质量较轻，在滤床反洗时容易随水流溢出，因而需要在滤床顶部设置一层金属网。

进一步说，处理装置的进水口23和出水口31位于均设有在线ph计17，用于ph在线监测。在处理装置的进水口23和出水口31设在线ph计17，计算出通过滤床后的ph降低值，ph降低值宜为1.5～2.5。ph降低值小于1时应开启反冲洗。ph降低值一定程度上是自养反硝化微生物活性的反映，ph降低值过小，可能意味着活性污泥中无机组分含量过大，微生物活性降低，此时应通过反冲洗除去低活性组分。ph降低值过大，可能对功能菌的活性造成永久性抑制。应对ph可能降低过大的情形，可采取进水添加适量碱性药剂(如naoh)的措施。

菱铁矿石颗粒每隔90～140天添加一次，天然单质硫矿石颗粒每隔50～70天添加一次。以ph降低值为控制点，当ph降低值小于1，通过反冲洗仍然不能有效地恢复反硝化的活性，并且硝酸盐和总磷的去除率都出现下降的趋势，此时应及时添加矿物填料。从表征上看，滤床区域高度轻微压缩，空隙明显增大。菱铁矿石粒径显著降低(降低率＞50％)，天然单质硫矿石颗粒数量和粒径都出现显著降低(数量降低率＞20％，粒径降低率＞50％)。

本发明主要包括两个并行的过程，一个是自养反硝化脱氮过程，一个是化学除磷过程。菱铁矿溶出的fe²⁺和s⁰均能够作为自养反硝化过程的电子供体，满足自养反硝化脱氮的需求。s⁰作为电子供体的自养反硝化过程伴随着大量的h+的生成，能够降低环境的ph，促进feco3溶出fe²+。产生的fe²⁺以及其氧化生成的fe³⁺均能够与污水中的可溶性的磷酸盐生成不溶的磷酸盐沉淀，达到去除总磷的目的。同时，由于进水中存在少量有机物，因而也伴随着异养反硝化过程的进行。本方法与传统的异养反硝化工艺相比，外加有机碳源量少，甚至免外加碳源，运行成本低。与传统的添加化学药剂除磷的方法相比，投加天然矿石的运行成本较低。与微生物除磷方法相比，化学过程除磷效率更高，环境适应性更强，能够适应较高的总磷浓度。

实施例一

生化反应小试装置的尺寸为外径30cm，高160cm，高径比5.3:1。菱铁矿石填料平均粒径为4mm，天然单质硫矿石填料的平均粒径为2mm，惰性填料的平均粒径为10mm，含量为15％。滤床顶部金属网网孔尺寸为1mm。多孔承托层的孔隙率为40％，孔径为1.5mm。菱铁矿石填料每100天补充添加一次，天然单质硫矿石填料每70天补充添加一次。

进水条件为：进水硝态氮浓度为200mg-n/l，有机物浓度为50mg/l，hrt＝8h。回流比为3:1。

反冲洗条件为：滤床每隔20天反冲洗一次，反冲洗方式选用汽水反冲洗。流程为气洗→汽水联合反洗→水漂洗，气洗强度为10l/(m2·s)，水洗强度为5l/(m2·s)。反洗总时间控制在8min。

反应器经过6个月的运行，在反应器启动的45天后进入稳定状态，并在其后的时间内一直保持稳定运行。后三个月的平均硝态氮去除率超过97％，总磷去除率超过99％。

从上述小试装置实验可以看出，这种利用以菱铁矿(主要成分feco3)和天然单质硫矿石(主要成分s0)颗粒作填料的反硝化滤床进行同步脱氮除磷的工艺及处理装置在有机物含量较低的情况下，能够有效地去除污水中的硝酸盐和总氮。反应器启动方法选择能够使反应装置快速达到工作状态，并且反应器的运行十分稳定可靠。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。