专利名称：一种生化去除饮用水硝酸盐的方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及环境保护，具体的说是一种生化去除饮用水硝酸盐的方法及其装置。
背景技术：
由于农业生产中氮肥的过多使用，以及工业、生活污水的不当处理与排放，使许多国家和地区饮用水受到不同程度的硝酸盐污染，尤其在农耕区，地下饮用水中硝酸盐含量严重超标。硝酸盐随饮用水和食物进入人体后，在一定条件下可以转化为亚硝酸盐，而亚硝酸盐能与人体内有输氧功能的血红蛋白结合，造成缺氧甚至死亡，对三个月以下婴儿危害更大；亚硝酸盐在人体中还能促成致癌物亚硝基胺等的形成。因此，安全高效地脱除饮用水中的硝酸盐已成为一项迫切需要解决的问题。物理化学法不能彻底去除硝酸盐，只能将其进行浓缩或转移；化学方法反应条件难以控制，容易产生副产物氨氮等，反应产物金属离子会带来污染。生化法按电子供体的不 同分为自养反硝化除硝法和异养反硝化除硝法。自养反硝化的反应速度较慢，而且氢自养反硝化过程中用到的氢气易燃易爆，在水中溶解度低，不易用于大规模处理硝酸盐污染饮用水；硫自养反硝化容易使处理体系和出水pH偏低,生成的硫酸盐也会降低出水水质。相对与自养反硝化，异养反硝化的速率较快，但是异养反硝化去除饮用水硝酸盐存在着碳源添加量和出水水质难以控制以及处理系统PH不稳定等难题。因为饮用水的出水水质要求高，一般用于污水处理的活性污泥法很难直接应用于饮用水异养反硝化除硝。已有的异养反硝化除硝工艺中，生物流动床工艺的处理能力较高，但运行成本高，生物固定床的出水水质较好，但运行负荷相对较低，长期运行过程也需要克服堵塞问题的发生。
发明内容
本发明目的在于提供一种生化去除饮用水硝酸盐的方法及其装置。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种生化去除饮用水硝酸盐的方法，待处理原水通入添加有混合碳源的TiO2改性反硝化活性污泥反应器内进行序批式运行处理，将原水中部分硝酸盐还原，同时产生亚硝酸盐；然后经石英砂过滤后，进入添加混合碳源的活性炭固定床反应器内进行序批式运行处理，将原水中硝酸盐和产生的亚硝酸盐还原；而后经由臭氧消毒/活性炭过滤，即得到去除硝酸盐的能够饮用的原水。所述TiO2改性反硝化活性污泥反应器中混合碳源的添加量占异养反硝化完全去除待处理原水硝酸盐所需碳源的65% -85% ;序批式条件下，外加TiO2改性培养常规反硝化活性污泥至污泥体积指数(SVI)在80mL/g以下，得TiO2改性反硝化活性污泥，其中，活性污泥中的TiO2质量分数为20% -60 。所述序批式活性炭固定床反应器中颗粒活性炭体积占固定床反应器总有效体积的 50% -70% ；固定床反应器中混合碳源添加量占异养反硝化完全去除待处理原水硝酸盐所需碳源的15% -35%。所述TiO2改性反硝化活性污泥反应器与活性炭固定床反应器中原水进行序批式处理均在各反应器底部进行间歇式缺氧曝气搅拌下进行。所述混合碳源为乙酸和乙醇，其中乙酸和乙醇的摩尔比为2-1:1。所述TiO2改性反硝化活性污泥反应器每经过5-25周期的运行，便将TiO2改性反硝化活性污泥反应器中活性污泥转移出质量的10-30 %，转移出的活性污泥经过10-50mM的NaOH和10-50mM的HCl处理6_24h、清水清洗后，再次注入TiO2改性反硝化活性污泥反应器。生化去除饮用水硝酸盐的方法的专用装置，装置包括原水池UTiO2改性反硝化活性污泥反应器2、石英砂过滤器3、固定床反应器4、臭氧消毒/活性炭过滤池5、储水池6、混·合碳源浓缩池7和气压调节袋8 ；其中原水池I出水口、TiO2改性反硝化活性污泥反应器2进水口和石英砂过滤器进水口 3由三通阀相连互通；Ti02改性反硝化活性污泥反应器2出水口、固定床反应器4、臭氧消毒/活性炭过滤池5和储水池6通过管路依次串联；混合碳源浓缩池7、气压调节袋8设于TiO2改性反硝化活性污泥反应器2与固定床反应器4之间。所述原水进水通过控制三通阀以反冲洗方式，使原水通过石英砂过滤器3进入TiO2改性反硝化活性污泥反应器2，处理后原水通过TiO2改性反硝化活性污泥反应器2的出水口进入石英砂过滤器3后进入固定床反应器4。所述TiO2改性反硝化活性污泥反应器2与混合碳源浓缩池7，固定床反应器4与混合碳源浓缩池7之间的管路上设有蠕动泵；所述用于调节反应器内压力的气压调节袋8通过管道与TiO2改性反硝化活性污泥反应器2和固定床反应器4相连通。所述装置运行时间顺序为臭氧消毒/活性炭过滤池5排水入储水池6，固定床反应器4处理后排水入臭氧消毒/活性炭过滤池5，TiO2改性反硝化活性污泥反应器2处理后排水入固定床反应器4，原水进入TiO2改性反硝化活性污泥反应器2;改性活性污泥反应器和固定床反应器进水的同时添加碳源；各个反应器按进水、反应、静置、排水的顺序，进行周期性自动运转。在反应系统正式处理含硝酸盐的原水之前，进行10-20个周期的启动运行。启动阶段结束后，即可进入正式运行阶段对原水中硝酸盐进行处理。本发明充分利用TiO2改性反硝化活性污泥反应器和活性炭固定床反应器的各自优势，两段式添加碳源，序批式联合运行，在增强硝酸盐还原菌和亚硝酸盐还原菌协同除硝能力的同时，解决碳源添加量难以控制和出水亚硝酸盐容易超标的问题。采用乙醇乙酸混合碳源，维持反应过程的PH稳定性。经该工艺处理的出水，经臭氧消毒/活性炭过滤，硝酸盐、亚硝酸盐和水溶性有机物符合饮用水安全标准，pH和碳酸氢盐碱度适宜。本发明所具有的优点1.本发明利用TiO2改性反硝化活性污泥法与生物固定床法的各自优势，兼顾饮用水硝酸盐的反硝化去除效率和出水的水质安全。2.本发明采用的两段式生化除硝法增强硝酸盐还原菌和亚硝酸盐还原菌协同除硝的能力。3.本发明以乙酸和乙醇为混合碳源，反硝化过程中无需调节pH。
图1为本发明的生化去除饮用水硝酸盐的装置图。
具体实施例方式实施例1装置包括原水池UTiO2改性反硝化活性污泥反应器2、石英砂过滤器3、固定床反应器4、臭氧消毒/活性炭过滤池5、储水池6、混合碳源浓缩池7和气压调节袋8。其中TiO2改性反硝化活性污泥反应器2和固定床反应器4均为序批式反应器；过滤池5具有臭氧消毒和活性炭过功能。所述原水通过控制三通阀以反冲洗方式，通过石英砂过滤器3进入TiO2改性反硝化活性污泥反应器2，处理后原水通过石英砂过滤器3进入固定床反应器4。
所述TiO2改性反硝化活性污泥反应器2与混合碳源浓缩池7，固定床反应器4与混合碳源浓缩池7之间的管路上设有蠕动泵；所述气压调节袋8通过管道与TiO2改性反硝化活性污泥反应器2和固定床反应器4相通，用于用于排水和进水阶段反应器内的压力调节(气压调节袋内压力高于O.1lMPa时控制阀开启放气，低于O. 105MPa时控制阀关闭)。所述装置运行时间顺序为臭氧消毒/活性炭过滤池5排水入储水池6，固定床反应器4排水入臭氧消毒/活性炭过滤池5，TiO2改性反硝化活性污泥反应器2处理后排水入固定床反应器4，原水进入TiO2改性反硝化活性污泥反应器2;改性活性污泥反应器2和固定床反应器4进水的同时添加碳源；各个反应器按进水、反应、静置、排水的顺序，进行周期性自动运转。处理过程TiO2改性反硝化活性污泥反应器2、固定床反应器4、臭氧消毒/活性炭过滤池5大小形状相同，直径为10cm，高60cm，容积为4. 7L。在反应系统正式处理含硝酸盐的原水之前，需要对常规反硝化活性污泥进行TiO2改性培养，并需要让反应系统经历了常温(20-26° C)条件下的启动运行。反硝化活性污泥的TiO2改性培养20_26°C条件下，在20L的序批式反应器内对常规反硝化活性污泥进行Ti02培养，其中活性污泥浓度2. 5g/L左右，硝酸盐浓度5禮，乙酸浓度2. 5mM,乙醇浓度1. 5mM，反应时间6_24h，沉淀时间lh，每次进排水10L，每次每星期添加I次TiO2, TiO2的添加量为活性污泥质量的6%。如此培养6周后，活性污泥体积指数(SVI)达到78mL/g，完成TiO2改性反硝化污泥的培养。启动运行首先，向TiO2改性反硝化活性污泥反应器2中一次性转移培养好的TiO2改性反硝化活性污泥，使活性污泥的浓度在序批式运行的反应阶段可以达到2. 5g/L左右，TiO2占污泥的质量比为30%左右；固定床反应器4中的颗粒活性炭用反硝化活性污泥混合液浸没半小时一次性完成接种。然后，向反硝化活性污泥反应器中泵入2L含硝酸盐原水(硝酸盐浓度为4. 5mM，含氧量为7. 6-8. 4mg/L)，然后通过蠕动泵向活性污泥反应器加入23mL混合碳源浓缩液(乙酸浓度为93. 75mM,乙醇浓度为62. 5mM)，碳源添加量占异养反硝化完全去除待处理原水硝酸盐所需碳源的59%，经过7h的运行，原水中大部分硝酸盐被还原为亚硝酸盐，然后TiO2改性反硝化活性污泥反应器2经过50min的静置后，排水2L入固定床反应器4，并通过蠕动泵向固定床反应器4中加入上述混合碳源浓缩液9mL，碳源添加量占异养反硝化完全去除待处理原水硝酸盐所需碳源的23%，运行7. 5h，排水2L。整个反应系统在碳源添加量17%不足的情况下运行，提高TiO2改性反硝化活性污泥反应器2和固定床反应器4内反硝化菌群对亚硝酸盐累积的适应性和去除能力。如此运行15个循环，完成启动阶段的运行。启动阶段结束后，即可进入正式运行阶段，对硝酸盐污染的饮用水原水进行常温(20-26° C)条件下处理，将待处理原水通入添加有混合碳源的序批式TiO2改性反硝化活性污泥反应器内进行序批式运行处理，将原水中部分硝酸盐还原，同时产生亚硝酸盐；然后经石英砂过滤后，进入添加混合碳源的序批式活性炭固定床反应器内进行序批式运行处理，将原水中硝酸盐和产生的亚硝酸盐还原；而后经由臭氧消毒/活性炭过滤，即得到去除硝酸盐的能够饮用的原水。具体为，原水池容积为22L，每次向TiO2改性反硝化活性污泥反应器2中加入2L待处理原水(硝酸盐浓度为2. 5mM，含氧量为7. 6-8. 4mg/L)，然后通过蠕动泵向TiO2改性反硝化活性污泥反应器2中加入17mL混合碳源浓缩液(乙酸浓度为93. 75mM,乙醇浓度为62. 5mM)，碳源添加量为异养反硝化完全去除原水硝酸盐所需碳源的78%，此时碳源添加量不足，绝大部分硝酸盐被还原为亚硝酸盐或彻底还原为N2,经过190min的运行和40min的静置后，进入石英砂过滤器3，排入固定床反应器4;通过蠕动泵向固定床反应器4中加入上述混合碳源浓缩液4. 8mL，碳源添加量为异养反硝化完全去除原水硝酸盐所需碳源的22%,运行210min，将产生的亚硝酸盐和剩余的少量硝酸盐还原为N2 ;然后出水排入臭氧消毒/活性炭过滤池5，经由臭氧间歇消毒30min和活性炭过滤后排入储水池6中，得到合格饮用水。其中TiO2改性反硝化活性污泥反应器2中TiO2改性反硝化活性污泥与待处理原水混合所占反应器的体积为4. 3L，反应器密封，顶部充满N2为主的缺氧气体，连接抽气泵，从顶部抽走气体，从反应器底部再输入，每隔6min，缺氧曝气搅拌20s ;固定床反应器4中处理原水和颗粒活性炭体积为4. 3L，颗粒活性炭体积占2. 2L，反应器密封，顶部充满氮气为主的缺氧气体，连接抽气泵，从顶部抽走气体，从反应器底部再输入，每隔3min，缺氧曝气搅拌30s ;臭氧消毒/活性炭过滤池5中，采用臭氧发生器间歇臭氧消毒30min后，活性炭过滤进入储水池6中。以上反应按照臭氧消毒/活性炭过滤池5排水入储水池6、固定床反应器4排水入臭氧消毒/活性炭过滤池5、活性污泥反应器2排水入固定床反应器4、原水池I排水入活性污泥反应器2的顺序，序批式联合运行，整个运行体系的运行周期保持为4h。系统周期为4h时，系统运行稳定，处理结果见表1，出水硝酸盐、亚硝酸盐和水溶性有机碳SOC均达标，pH和碳酸盐碱度适宜。表I系统运行周期4h时,硝酸盐污染的饮用水处理前后水质变化
权利要求
1.一种生化去除饮用水硝酸盐的方法，其特征在于待处理原水通入添加有混合碳源的TiO2改性反硝化活性污泥反应器内进行序批式运行处理，将原水中部分硝酸盐还原，同时产生亚硝酸盐；然后经石英砂过滤后，进入添加混合碳源的活性炭固定床反应器内进行序批式运行处理，将原水中硝酸盐和产生的亚硝酸盐还原；而后经由臭氧消毒/活性炭过滤，即得到去除硝酸盐的能够饮用的原水。
2.按权利要求1所述的生化去除饮用水硝酸盐的方法，其特征在于所述TiO2改性反硝化活性污泥反应器中混合碳源的添加量占异养反硝化完全去除待处理原水硝酸盐所需碳源的65% -85% ;序批式条件下，外加TiO2改性培养常规反硝化活性污泥至污泥体积指数(SVI)在80mL/g以下，得TiO2改性反硝化活性污泥，其中，活性污泥中的TiO2质量分数为 20% -60 。
3.按权利要求1所述的生化去除饮用水硝酸盐的方法，其特征在于所述序批式活性炭固定床反应器中颗粒活性炭体积占固定床反应器总有效体积的50% -70% ；固定床反应器中混合碳源添加量占异养反硝化完全去除待处理原水硝酸盐所需碳源的 15% -35%。
4.按权利要求1所述的生化去除饮用水硝酸盐的方法，其特征在于所述TiO2改性反硝化活性污泥反应器与活性炭固定床反应器中原水进行序批式处理均在各反应器底部进行间歇式缺氧曝气搅拌下进行。
5.按权利要求1、2或3所述的生化去除饮用水硝酸盐的方法，其特征在于所述混合碳源为乙酸和乙醇，其中乙酸和乙醇的摩尔比为2-1:1。
6.按权利要求1所述的生化去除饮用水硝酸盐的方法，其特征在于所述TiO2改性反硝化活性污泥反应器每经过5-25周期的运行，便将TiO2改性反硝化活性污泥反应器中活性污泥转移出质量的10-30%，转移出的活性污泥经过10-50mM的NaOH和10_50mM的HCl 处理6-24h、清水清洗后，再次注入TiO2改性反硝化活性污泥反应器。
7.—种权利要求1所述的生化去除饮用水硝酸盐的方法的专用装置，其特征在于装置包括原水池(I)、TiO2改性反硝化活性污泥反应器(2)、石英砂过滤器(3)、固定床反应器 (4)、臭氧消毒/活性炭过滤池(5)、储水池(6)、混合碳源浓缩池(7)和气压调节袋(8)；其中原水池(I)出水口、TiO2改性反硝化活性污泥反应器(2)进水口和石英砂过滤器进水口(3)由三通阀相连互通；Ti02改性反硝化活性污泥反应器(2)出水口、固定床反应器(4)、臭氧消毒/活性炭过滤池(5)和储水池(6)通过管路依次串联；混合碳源浓缩池(7)、 气压调节袋(8)设于TiO2改性反硝化活性污泥反应器(2)与固定床反应器(4)之间。
8.按权利要求7所述的生化去除饮用水硝酸盐的方法的专用装置，其特征在于所述原水进水通过控制三通阀以反冲洗方式，使原水通过石英砂过滤器(3)进入TiO2改性反硝化活性污泥反应器(2)，处理后原水通过TiO2改性反硝化活性污泥反应器(2)的出水口进入石英砂过滤器(3)后进入固定床反应器(4)。
9.按权利要求7所述的生化去除饮用水硝酸盐的方法的专用装置，其特征在于所述 TiO2改性反硝化活性污泥反应器(2)与混合碳源浓缩池(7)，固定床反应器(4)与混合碳源浓缩池(7)之间的管路上设有蠕动泵；所述用于调节反应器内压力的气压调节袋(8)通过管道与TiO2改性反硝化活性污泥反应器(2)和固定床反应器(4)相连通。
10.按权利要求7所述的生化去除饮用水硝酸盐的方法的专用装置，其特征在于所述装置运行时间顺序为臭氧消毒/活性炭过滤池(5)排水入储水池(6)，固定床反应器(4)处理后排水入臭氧消毒/活性炭过滤池(5)，Ti02改性反硝化活性污泥反应器(2)处理后排水入固定床反应器(4)，原水进入TiO2改性反硝化活性污泥反应器(2);改性活性污泥反应器和固定床反应器进水的同时添加碳源；各个反应器按进水、反应、静置、排水的顺序，进行·周期性自动运转。
全文摘要
本发明涉及环境保护，具体的说是一种生化去除饮用水硝酸盐的方法及其装置。本发明充分利用TiO2改性反硝化活性污泥反应器和活性炭固定床反应器的各自优势，两段式添加碳源，序批式联合运行，在增强硝酸盐还原菌和亚硝酸盐还原菌协同除硝能力的同时，解决碳源添加量难以控制和出水亚硝酸盐容易超标的问题。采用乙醇乙酸混合碳源，维持反应过程的pH稳定性。经该工艺处理的出水，经臭氧消毒/活性炭过滤，硝酸盐、亚硝酸盐和水溶性有机物符合饮用水安全标准，pH和碳酸氢盐碱度适宜。
文档编号C02F9/14GK102992543SQ20121049068
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月27日 优先权日2012年11月27日
发明者黄斌, 李建林, 史奕, 陈欣 申请人:中国科学院沈阳应用生态研究所