一种废水脱氮除磷的装置和处理废水方法与流程

本发明属于污水处理领域，更具体地说，涉及一种利用反硝化柱以及磷过滤柱耦合技术，进行废水脱氮除磷的装置和方法。

背景技术

在现如今集约化的农业模式下，种植业和养殖业快速发展，随之而来的还有富含大量氮、磷污染物的点源养殖废水和分散农业地砖排水，成为了水污染处理中不可忽视的新的污染源。氮、磷的过度排放会引起水体的富营养化，导致藻类过度繁殖，从而消耗水体中的溶解氧，分泌大量的藻毒素，引起水体生物的死亡，降低水生生物群落稳定性和多样性，造成生态系统退化、水体水质恶化等一系列的问题。另外，作为城市重要的供水水源，湖泊和水库约占城市供水量的25％，如果此类水体出现水体富营养化的现象，水体质量下降，一方面，长期饮用含有较高浓度硝酸盐、磷酸盐的水会严重危害人体健康；另一方面，还会造成饮用水处理成本的提高，净化系统堵塞，水中含有异味等问题。因此，基于水资源短缺和污染日趋严重以及农业发展的背景下，点源养殖废水和分散农业地砖排水的净化处理和资源化利用受到了广泛关注。

目前，生物反硝化法仍是最具竞争力的废水硝酸盐脱氮方法，可以在厌氧或者无氧的条件下，通过反硝化菌等生物体将no3^-还原成n2，一般需要经历以下步骤：no3^-→no2^-→no→n2o→n2，具有设备简单、操作方便、运行费用低、环境条件友好等优点。根据反硝化菌利用碳源(doc)的形式不同，生物反硝化可以分为两大类：自养反硝化和异养反硝化。自养反硝化以h2或还原性硫化物等还原性无机物质作为自养反硝化菌的电子供体，no3^-作为电子受体，co2、hco3^-、co3^2-等作为无机碳源(doc)，最终将no3^-原为n2。但是，在反硝化过程中，易受有毒物质(no2^-)的影响，抑制反硝化速率，并且，硫自养反硝化是产酸过程，对ph值要求严格，因此在反应过程要不断的补充碱度来中和多余的酸。异养反硝化程是微生物利用有机物作为电子供体，因此，有机碳源是影响异养反硝化效率以及出水水质的主要因素；碳源(doc)供应不足时，难以满足异养反硝化菌的生存条件，导致反硝化过程受到限制，很容易导致反硝化不完全，出现no2^-积累的现象；而碳源(doc)过量时，则会造成出水水质中含碳量过高，影响水质。

废水除磷技术主要分为化学法和生物法两大类。生物法因其经济有效、环境友好等优点而得到广泛应用，但同时也面临反应时间长、设备占地面积大、污泥处理困难等问题；化学除磷法具有经济高效、效果可靠，且不易受废水水质影响等优点，但是其最大的问题就是污泥量大。另外，单一的脱氮或者除磷技术很难满足综合水处理的要求。因此，同步脱氮除磷逐渐成为了现代废水处理技术的发展趋势。比如中国发明专利，申请公告号：cn108191069a，申请公告日：2018.06.22，公开了一种污水自养反硝化脱氮除磷系统及方法，包括水质水量调节池、反应器关、进水管道系统、出水管道系统、曝气系统等组成，主要通过反应器罐内装填化学催化生物载体，在其表面上富集自养反硝化菌，利用化学反应产物为微生物自养反硝化提供电子，将硝酸盐还原为氮气，同时电解生成的fe²⁺被氧化成fe³⁺，与水中po4^3-发生沉淀反应，实现脱氮除磷。

同步脱氮除磷应用较多的是以生物膜法为主体的传统污水处理工艺，比如，氧化沟、cass、a²/o及其变形工艺，上述工艺能有效地去除悬浮物和有机物，但受限于脱氮除磷过程中微生物对碳源的竞争以及所需环境条件的差异，脱氮和除磷能力很难同步提升，从而造成脱氮效果有限、除磷率低；并且，其一般包含多个不同处理功能的单元结构，管理十分复杂，占地面积大、处理成本高等诸多不足，脱氮除磷效果并不理想。比如中国发明专利，申请公告号：cn107721065a，申请公告日：2018.02.23，公开了一种集成式污水处理池，包括初沉池、集水池、分层生物滴滤池、反硝化滤池、除磷池。其中初沉池、集水池、反硝化滤池、除磷滤池环绕在分层生物滤池的周围，污水依次经过初沉池、集水池、分层生物滴滤池、反硝化滤池与除磷池后排放。该发明专利的污水处理系统将各分散式结构整合成一个整体构件，通过控水阀门的开合程度，能够灵活设置污水的分流比例，减少了占地面积，降低了制造成本，具有较好的推广前景。其不足之处在于，该装置仍由多个不同处理功能的单元结构依次组成，管理十分复杂，且后期污泥处理困难。

中国发明专利，申请公告号：cn106430583a，申请公告日：2017.02.22，公开了一种单级sbr实现厌氧氨氧化耦合反硝化除磷处理低碳城市污水的装置和发明，污水进入厌氧氨氧化耦合反硝化除磷sbr反应器后，先进行厌氧搅拌再低氧曝气搅拌，然后将中间水箱的水回流至反应器进行缺氧反应，厌氧氨氧化菌利用回流水的氨氮和低氧曝气的亚硝态氮进行厌氧氨氧化反应脱氮，同时dpb实现磷的去除。该发明专利的污水生物脱氮除磷系统，在实现同步脱氮除磷的同时，充分利用原水中的有机碳源，节省曝气量，且减少剩余污泥的排放量。其不足之处在于工艺流程复杂，控制困难，推广前景不广。

鉴于单一的反硝化系统易受亚硝酸盐积累、硫酸盐还原、doc过量以及ph变化等问题的影响；同步脱氮除磷技术脱氮和除磷能力很难同步提升，从而造成脱氮效果有限、除磷率低及其工艺结构复杂，占地面积大、处理成本高等问题，开发一种经济有效的点源养殖废水和分散农业地砖排水的净化处理方法及设备就显得尤为重要。

技术实现要素：

1.要解决的问题

针对现有单一的反硝化系统，反硝化速率易受亚硝酸盐(no2^-)积累、硫酸盐还原、以及ph等因素的影响，出水水质中碳源(doc)或者亚硝酸盐(no2^-)过量；而同步脱氮除磷技术中脱氮和除磷能力很难同步提升，从而造成脱氮效果有限、除磷率低，单元结构繁多，工艺流程复杂，占地面积大、处理成本高等问题。本发明提供一种废水脱氮除磷的装置和方法，集自养-异养反硝化脱氮-生物-化学除磷为一体，进行设计耦合，实现了脱氮除磷的同步高效进行，并减少了污染交换。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种废水脱氮除磷的装置，包括污水池、进水管、进水蠕动泵、连通管以及反硝化柱和磷过滤柱；所述的反硝化柱内填充有木屑，下部有一个一级进水口，顶部有一个一级出水口；所述的磷过滤柱内填充有酸性矿井排水残渣，下部相对的两侧分别有一个二级进水口以及二级出水口；所述的污水池通过进水管与一级进水口相连接；所述的一级出水口通过连通管与二级进水口相连接。所述的进水蠕动泵位于进水管上。

优选地，木屑经网格过筛，控制粒径为4～8mm，再经过0.1～0.3mol/l的naoh浸泡12～36h后，清水洗涤至中性，风干；所述木屑的填充高度占反硝化柱高度的90～95％，填充总孔隙度为68～78％。

优选地，所述的反硝化柱上部设置有3～4cm的超高，还包括上多孔隔板、下多孔隔板、粗海绵一、以及不锈钢滤网；所述的上多孔隔板与下多孔隔板结构相同，厚度为1～3cm，分别位于反硝化柱的顶端与底端，二者中间填充有木屑；所述的粗海绵一置于反上多孔隔板上部，厚度为1～3cm；所述的不锈钢滤网位于一级出水口，孔径为20～25目。

优选地，所述的酸性矿井排水残渣粒径为0.6～4.0cm，含有fe2o3以及caco3；酸性矿井排水残渣填充高度占磷过滤柱高度的80～85％，填充总孔隙度为60～80％。

优选地，所述的磷过滤柱上部设置有3～4cm的超高以及8～12cm的布水区，顶部设置有1～3cm厚的粗海绵二，所述布水区位于粗海绵二下部。

优选地，所述的进水管上还设有阀门开关。

优选地，所述的连通管上还设有连通蠕动泵和三通止回阀。

一种废水脱氮除磷方法，包括以下步骤：

a.搭建上述脱氮除磷装置，并在水力停留时间为6～8h下对木屑进行2～3次的淋洗；在实验前对酸性矿井排水残渣进行冲刷去除细颗粒物；

b.打开进水蠕动泵，在进水蠕动泵的蠕动作用下，污水池中废水进入反硝化柱中，按照设定的运行条件处理后，对污水厌氧反硝化；

c.反硝化结束后，打开连通蠕动泵和三通止回阀，反硝化柱中的水进入磷过滤柱，按照设定的运行条件处理后，处理水可从磷过滤柱底部的二级出水口排出；

d.每1～3个月将0.2～0.5mol/lnaoh注入磷过滤柱中，使酸性矿井排水残渣得到再生。

优选地，所述运行条件如下：

步骤b中，水力停留时间范围为7.2～51h，环境空气温度为10.1～38.0℃，进水温度为15～20℃，进水硝态氮浓度范围在15～32mgl^-1，溶解活性磷浓度范围在1～10mgl^-1；

步骤c中，水力停留时间范围为7.6～59min；

步骤d中，所述酸性矿井排水残渣在系统中运行100～200天后需要更换介质。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明所提供的废水脱氮除磷的装置和方法，将木屑填充的反硝化柱与酸性矿井排水残渣填充的磷过滤柱耦合在一起，对含有氮磷的点源养殖废水和分散农业地砖排水进行脱氮除磷的处理，实现了脱氮除磷的同步高效进行；木屑反硝化柱，提供异养反硝化技术，对污水进行首次脱氮；酸性矿井排水残渣磷过滤柱集硫自养反硝化以及生物化学除磷技术为一体，二者的协同作用远大于单一技术的运行效果，不仅能够有效的解决单一脱氮技术出水水质中doc过量或者因no2^-堆积产生的脱氮不彻底以及ph降低的问题，实现高效的磷酸盐脱除率，达到净化水质的目的，更能实现磷过滤柱填充介质的高效再生，循环利用，降低成本；装置采用上流式的运行方式，减少了污染交换，进而提高了污水净化效率。

(2)本发明所提供的废水脱氮除磷的装置和方法，反硝化柱介质采用经过naoh浸泡处理后的木屑进行填充，具体优势如下：

①与传统木屑比较，本发明中的木屑的纤维素经过naoh的润涨作用，能够引起分子的晶格转化和消晶，去除释碳效果差的部分半纤维素和木质素，使释碳量更加均匀；

②一方面，木屑稳定均匀的提供碳源，作为电子供体，既维护了反硝化柱中异养反硝化过程的稳定，又实现了后续的磷过滤柱中聚磷菌的生长；同时，木屑内因富含天然纤维素，其粗糙的表面上更容易形成适应其微环境的生物膜，提高生物膜形成速度，利于异养反硝化菌的增殖，并为其提供保护，有效的防止反硝化菌的流失。与此同时，吸附在载体上的微生物因适应固相载体表面的微环境而产生出诱导酶，使经过润涨后的天然纤维素物质分解为生物膜生长所需要的基质，可以作为反硝化菌的生物挂膜载体。

(3)本发明所提供的废水脱氮除磷的装置和方法，磷过滤柱填充有粒径为0.6～4.0cm的酸性矿井排水残渣介质，残渣内主要含有fe2o3、还原性硫化物以及al、mn和ca离子；具体优势如下：

①富含大量还原性硫化物，可以进行硫自养反硝化，发挥二次脱氮的作用；

②富含大量的fe³⁺以及ca²⁺离子，可以实现磷酸盐的沉淀作用以及形成fe³⁺和ca²⁺的氧化物与氢氧化物胶体，通过表面配位吸附和吸附共沉淀作用进行化学除磷；

③木屑反硝化柱可以为其提供小分子碳源，促进反硝化聚磷菌生长的，实现生物除磷。

(4)现有技术中，通过酸释磷，但经酸再生后的基质对磷素的吸附率低于30％，明显低于未再生基质的吸附率，难以回用；为了实现磷的有效释放以及除磷介质的再生，本发明所提供的废水脱氮除磷的方法，定期将一定浓度的naoh注入磷过滤柱，oh^-离子浓度升高，通过离子交换作用，与被束缚的磷酸盐阴离子产生竞争，促使磷的释放，同时，恢复矿渣对磷酸根的吸附能力，经碱再生后的酸性矿井排水残渣对磷素的吸附能力有极大的提高。

(5)本发明装置中用多孔隔板补充多余的空间，可以压缩后填充至工作层，相对连续介质材料而言,选用的材料一般具有相对密度低、比强度高、比表面积高、重量轻、隔热、渗透性好等优点。同时，因为多孔隔板是惰性材料，表面光滑，微生物很难附着在其表面生长，且它对水中的一些物质没有吸附、降解、释放等作用；硝化反应柱上部的上多孔隔板构可以建高的缓冲层，以保证取样过程中有足够的水位淹没工作层，反应柱下部下多孔隔板作为承托层，使得进水端均匀布水；海绵防止杂质微粒等进入。

(6)本发明所涉及的脱氮除磷装置结构简单，设计合理，易于制造，占地面积小；采用的介质为木屑以及酸性矿井排水残渣，所选材料成本低廉、效果显著，所采用的介质木屑以及酸性矿井排水残渣，具有生命周期长，可再生的优势；通过设定运行条件，可以最大限度的发挥脱氮除磷的功效；并且尤其适合农业地砖排水和水产养殖废水，具有较大的市场前景和推广应用价值。

附图说明

图1为本发明废水脱氮除磷装置的结构示意图；

图中：1、污水池；2、反硝化柱；3、磷过滤柱；4、进水蠕动泵；5、阀门开关；6、一级进水口；7、粗海绵一；8、上多孔隔板；9、木屑；10、不锈钢滤网；11、三通止回阀；12、酸性矿井排水残渣；13、二级出水口；14、进水管；15、一级出水口；16、二级进水口；17、下多孔隔板；18、粗海绵二；19、连通蠕动泵；20、连通管。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

本实施例1采用如图1所示的脱氮除磷装置对某农业地砖排水进行处理，它包括污水池1、反硝化柱2、磷过滤柱3、进水管14以及连通管20；反硝化柱2下部有一个一级进水口6，顶部有一个一级出水口15；磷过滤柱3下部相对的两侧分别有一个二级进水口16以及二级出水口13；污水池1通过进水管14与反硝化柱2下部的一级进水口6相连接；磷过滤柱3下部的二级进水口16，通过连通管20与反硝化柱2上部的一级出水口15连接；进水管14上设有进水蠕动泵4以及阀门开关5；连通管20上设有连通蠕动泵19和三通止回阀11。

反硝化柱2是高为65cm，直径为15cm的有机玻璃圆桶，木屑9的床层高度为60cm；反硝化柱2上部设置有3～4cm的超高，并填充有厚度为1～3cm的惰性材料制成的上多孔隔板8以及厚度为1～3cm粗海绵一7，粗海绵一7置于上多孔隔板8上；反硝化柱2底部填充有与上多孔隔板8结构相同的下多孔隔板17作为承托层，以保证取样过程中有足够的水位淹没工作层，使得进水端均匀布水；木屑9填充于上下多孔隔板之间；反硝化柱2顶部的一级出水口15还设有不锈钢滤网10，孔径为20目。反硝化柱2中填充有木屑9，所述木屑9经网格过筛，控制粒径为6mm，再经过0.2mol/l的naoh浸泡24h后清水洗涤至中性，风干而成；木屑9的填充高度占反硝化柱2高度的93％，填充总孔隙度为72％。

磷过滤柱3是高为55cm，直径为3cm的有机玻璃圆桶；磷过滤柱3上部设置有3～4cm的超高以及8～12cm的布水区，顶部设置有1～3cm厚的粗海绵二18，布水区位于粗海绵二18下部。磷过滤柱3内填充有酸性矿井排水残渣12，粒径为2.3cm，填充高度占磷过滤柱3高度的83％，填充总孔隙度为70％；所述酸性矿井排水残渣12包含铁矿石、碳酸盐矿物以及硅酸盐矿物，因而富含大量的fe2o3、以及碳酸盐(如caco3、al3(co3)2以及mnco3等)。

本实施例中脱氮除磷装置的工作原理为：利用污水池1来储存待处理水体，打开进水蠕动泵4和阀门开关5，待处理水体经进水管14进入反硝化柱2内，按照设定的运行条件，在木屑9与反硝化菌的作用下，对反硝化柱2中的待处理水体进行厌氧反硝化处理，反硝化处理结束后，水体通过连通管20进入磷过滤柱3，按照设定的运行条件，在磷过滤柱3内经过硫自养反硝化二次脱氮，聚磷菌生物脱磷以及酸性矿井排水残渣12的化学除磷作用后，通过二级出水口13排除。

利用本实施例的装置对废水进行脱氮除磷的具体步骤如下：

a.搭建上述的脱氮除磷装置，并在水力停留时间为6h下对木屑9进行3次的淋洗；在实验前对酸性矿井排水残渣12进行冲刷去除细颗粒物；

b.打开进水蠕动泵4，在进水蠕动泵4的蠕动作用下，污水池1中废水进入反硝化柱2中，设定的水力停留时间为51h，保持系统内环境空气温度为10.1～20.0℃，进水温度为15.6～17.6℃，进水硝态氮浓度范围在23～32mgl^-1，溶解活性磷浓度范围在4～9mgl^-1，对污水厌氧反硝化；

c.反硝化结束后，打开连通蠕动泵19和三通止回阀11，在连通蠕动泵19的蠕动作用下，反硝化柱2中的水进入磷过滤柱3，设定的水力停留时间为59min，脱氮除磷反应结束后，处理水从磷过滤柱3底部的二级出水口13排出；

d.每1个月将0.5mol/lnaoh注入磷过滤柱3中，使酸性矿井排水残渣12得到再生；系统中每运行100天，对磷过滤柱3中的酸性矿井排水残渣12进行一次更换。

连续运行2个月，每周对实施例1的中间及出水水质进行监测，结果如表1所示，利用实施例1的装置以及方法处理后，农业地砖排水中的硝态氮(no3^--n)和溶解活性磷(drp)均有了明显的降低，去除效果理想，出水水质中溶解性有机碳(doc)含量并未过量，水质得到了明显的改善。且废水在反硝化柱2的处理下ph值有所降低，而经过磷过滤柱3后ph值有所增加，解决了传统处理方法出水ph降低的问题，最大限度地减少了与磷酸盐的竞争，有助于磷酸盐的沉淀。

表1实施例1中农业地砖排水的进水、中间和出水主要水质测试指标情况

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，作了进一步改进。

反硝化柱2顶部的一级出水口15设有孔径为25目的不锈钢滤网10。反硝化柱2中填充的木屑9粒径为4～8mm，再经过0.1mol/l的naoh浸泡12h后清水洗涤至中性，风干而成；木屑9的填充高度占反硝化柱2高度的90％，填充总孔隙度为68％。

磷过滤柱3内填充的酸性矿井排水残渣12粒径为0.6～4.0cm，填充高度占磷过滤柱3高度的80％，填充总孔隙度为60％。

利用本实施例的装置对废水进行脱氮除磷的具体步骤如下：

a.搭建上述的脱氮除磷装置，并在水力停留时间为8h下对木屑9进行3次的淋洗；在实验前对酸性矿井排水残渣12进行冲刷去除细颗粒物；

b.打开进水蠕动泵4，在进水蠕动泵4的蠕动作用下，污水池1中废水进入反硝化柱2中，设定的水力停留时间为26h，保持系统内环境空气温度为21.0～38.0℃，进水温度为18.6～19.6℃，进水硝态氮浓度范围在15～28mgl^-1，溶解活性磷浓度范围在1～10mgl^-1，对污水厌氧反硝化；

c.反硝化结束后，打开连通蠕动泵19和三通止回阀11，在连通蠕动泵19的蠕动作用下，反硝化柱2中的水进入磷过滤柱3，设定的水力停留时间为29min，脱氮除磷反应结束后，处理水从磷过滤柱3底部的二级出水口13排出；

d.每3个月将0.2mol/lnaoh注入磷过滤柱3中，使酸性矿井排水残渣12得到再生；系统中每运行200天，对磷过滤柱3中的酸性矿井排水残渣12进行一次更换。

实施例2对某水产养殖废水进行处理，此系统连续运行2个月，每周对实施例2的中间及出水水质进行监测，结果如表2所示，水产养殖废水经实施例2的装置以及方法处理后，水质得到了明显的改善。

表2实施例2水产养殖废水的进水、中间和出水主要水质测试指标情况

实施例3

本实施例在实施例2的基础上，作了进一步改进。

反硝化柱2中填充的木屑9粒径为5～7mm，再经过0.3mol/l的naoh浸泡36h后清水洗涤至中性，风干而成；木屑9的填充高度占反硝化柱2高度的95％，填充总孔隙度为78％。

磷过滤柱3内填充的酸性矿井排水残渣12粒径为1.6～3.4cm，填充高度占磷过滤柱3高度的85％，填充总孔隙度为80％；

利用本实施例的装置对废水进行脱氮除磷的具体步骤如下：

a.搭建上述的脱氮除磷装置，并在水力停留时间为7h下对木屑9进行2次的淋洗；在实验前对酸性矿井排水残渣12进行冲刷去除细颗粒物；

b.打开进水蠕动泵4，在进水蠕动泵4的蠕动作用下，污水池1中废水进入反硝化柱2中，设定的水力停留时间为7.2h，保持系统内环境空气温度为22～29℃，进水温度为16～18℃，进水硝态氮浓度范围在20～27mgl^-1，溶解活性磷浓度范围在6～7mgl^-1，对污水厌氧反硝化；

c.反硝化结束后，打开连通蠕动泵19和三通止回阀11，在连通蠕动泵19的蠕动作用下，反硝化柱2中的水进入磷过滤柱3，设定的水力停留时间为7.6min，脱氮除磷反应结束后，处理水从磷过滤柱3底部的二级出水口13排出；

d.每2个月将0.35mol/lnaoh注入磷过滤柱3中，使酸性矿井排水残渣12得到再生；系统中每运行150天，对磷过滤柱3中的酸性矿井排水残渣12进行一次更换。

实施例3对某水产养殖废水进行处理，此系统连续运行5个月，水产养殖废水经实施例3的装置以及方法处理后，水质得到了明显的改善。