一种基于电子穿梭体和内部铁循环强化的深度反硝化滤池的制作方法

本发明属于水处理技术领域，涉及生物滤池系统深度水处理技术，尤其涉及一种基于电子穿梭体和内部铁循环强化的深度反硝化滤池。

背景技术：

生物滤池作为生物反应器的一种经典形式，在城市生活污水、农村废水及工业废深度处理领域得到广泛应用。反硝化生物滤池是在曝气生物滤池的基础上改进而来，被用于污水深度脱氮处理，结构设计、工艺参数的设置和滤料等因素是影响反硝化滤池脱氮效率的关键因素。相比物理化学法脱氮，反硝化生物滤池不仅脱氮效率高，还具有运行和管理成本更低的优势。

滤料是生物滤池的核心组成部分，一般来说，污染物的去除主要依赖滤池介质表面及间隙中的生物膜的生化作用。反硝化生物滤池多以比表面积和孔隙率大且截污能力强的无机材料为主。无机矿质棉表面zeta电位较高，其表面吸附能力强有利于滤池中功能微生物的迅速挂膜。海绵铁又称直接还原铁，其价格低廉来源广泛，不仅可以通过电化学过程迅速除氧，维持反硝化所需的厌氧环境，还可以作为反硝化电子供体介质与no3^--n发生化学反硝化，其自身转化为fe²⁺后可进一步在铁细菌的介导下为no3—n依赖型铁氧化过程提供电子，促进no3—n的生物反硝化。此外，海绵铁的析氢腐蚀可以实现氢自养反硝化。

腐殖质中含醌基、酚基等基团，因而可以作为电子穿梭体，加速电子在微生物和电子受体之间的传递，使基于电子传递的生化反应速率极大提高，因此可以促进环境中污染物的生化降解速率。

碳源类型及投加量是影响反硝化效率的关键因素之一，甲醇、乙酸钠、葡萄糖作为反硝化碳源已得到广泛应用，但是在工程应用中单纯依靠碳源作为电子供体会导致运营成本高，海绵铁的强还原性可以为no3^--n的还原提供碳源之外的电子供体，其释放的fe²⁺在铁氧化菌的介导下同样可以作为电子供体参与到反硝化脱氮过程中。fe⁰、fe²⁺和碳源共同作为no3^--n还原的电子供体时存在协同作用，在降低碳源消耗的同时，使脱氮效率显著提高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电子穿梭体和内部铁循环强化的深度反硝化滤池。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电子穿梭体和内部铁循环强化的深度反硝化滤池，其特征在于，包括反硝化滤池主体、碳源和腐殖质补充系统和反冲洗-排泥系统，所述反硝化滤池主体包括从下到上依次设置的进水布水区、铁循环反硝化室、无机矿质棉块过滤层、软性填料处理区和出水复氧区，碳源和腐殖质补充系统与进水布水区相连，反冲洗-排泥系统分别与铁循环反硝化室、无机矿质棉块过滤层和软性填料处理区相连。

优选地，所述的反硝化滤池主体采用上行流布水，污水由下至上分别经过进水布水区、铁循环反硝化室、无机矿质棉块过滤层、软性填料处理区和出水复氧区。

优选地，所述的进水布水区与铁循环反硝化室之间、铁循环反硝化室与无机矿质棉块过滤层之间、无机矿质棉块过滤层与软性填料处理区之间、软性填料处理区与出水复氧区之间均设置pvc多孔承托层。

更优选地，所述的pvc多孔承托层厚度1-2cm，孔洞率45-60％，孔径0.8-1.5cm。

优选地，所述反硝化滤池主体高度1.9-2.4m。

优选地，所述铁循环反硝化室高度50-60cm，其中设有复合填料，该复合填料由无机矿质棉纱、海绵铁与腐殖质初始按照添加质量比(15-20):(3-5):(0.5-1.5)组成，其中海绵铁填料粒径3-5mm，堆积密度为1.5-1.8g/cm³。

优选地，所述铁循环反硝化室在启动阶段以fe²⁺培养的厌氧污泥(主铁含大量铁细菌)为接种污泥。

优选地，所述无机矿质棉块过滤层高度为40-50cm，以直径1-2cm的块状无机矿质棉为填充介质，具有水流阻力小和不易堵塞的优点；该区域主要用于反硝化滤池下部来水中fe(oh)3和fe3o4等不溶性铁含化合物的过滤拦截，同时兼具异养反硝化功能。

优选地，所述软性填料处理区高度80-100cm，以软性填料作为挂膜介质，对无机矿质棉过滤后的低浓度no3^--n进行深度脱氮处理，并进一步降低codcr。

优选地，所述出水复氧区高度20-30cm，上部敞口，所述的软性填料处理区与出水复氧区之间的pvc多孔承托层上覆盖固定3-5cm厚度无机矿质棉板，作为隔氧过滤层，保证软性填料区反硝化所需厌氧环境，同时减少厌氧废气的释放，废水经过所述pvc多孔承托层以下的深度反硝化处理及所述pvc多孔承托层以上的大气复氧区后由滤池顶部出水管流出。

优选地，所述碳源和腐殖质补充系统包括碳源和腐殖质补充罐，所述碳源和腐殖质补充罐上部敞口，下部设置比例流量阀，并与进水管连通，可以甲醇或葡萄糖等作为反硝化碳源，以腐殖质作为电子穿梭体，依据进水中的no3^--n浓度设定碳源流量，控制c/n比为3:1-5:1。

优选地，所述的反冲洗-排泥系统包括分别设于铁循环反硝化室、无机矿质棉块过滤层和软性填料处理区底部的反冲洗管，反冲洗管连接排泥管，排泥管分别连接空气泵和自吸水泵，自吸水泵连接排泥口。

更优选地，所述反冲洗管与排泥管之间均设有闸阀，空气泵与排泥管之间设有反冲洗控制闸阀，自吸水泵与排泥管之间设有排泥控制闸阀；在反硝化滤池正常运行时，反冲洗-排泥系统所有闸阀关闭，且空气泵与自吸水泵不工作。

优选地，所述反冲洗-排泥系统将反冲洗与排泥两个独立的过程在同一系统中实现，通过控制空气泵、自吸泵的交替运行以及管道中各闸阀的开闭使反冲洗排泥两个过程交替进行，在反硝化滤池水力传导性能出现明显下降时，反冲洗-排泥系统运行的具体操作包括：停止进水并打开排泥管与反冲洗管间所有闸阀；顺序打开反冲洗控制闸阀与空气泵，设置反冲洗强度为15-20l/(s·m²)，反冲洗时间为5-8分钟；关闭空气泵与反冲洗控制闸阀，顺序打开排泥控制闸阀，将污泥从排泥管排出，随后关闭自吸水泵和系统中所有闸阀。

优选地，所述反冲洗管为pvc或ppr材质的多齿方耙形结构，仅顶部开孔，孔径0.3-0.5cm，分别布置于铁循环反硝化室、无机矿质棉块过滤层和软性填料处理区的滤料底部。

本发明的工作原理是：在铁循环反应室中，利用海绵铁的强还原性为no3^--n的还原提供电子供体实现化学反硝化；在铁氧化菌的介导下利用海绵铁释放的fe²⁺作为电子供体进行生物反硝化；以fe⁰、fe²⁺和碳源共同作为no3^--n的还原的电子供体，降低反硝化过程的碳源消耗；析氢腐蚀可以实现氢自养反硝化；利用腐殖质作为电子穿梭体加速电子在微生物和no3^--n的传递，使基于电子传递的反硝化脱氮效率显著提高。铁氧化所产生的非溶解态铁在无机矿质棉过滤室中被截留，废水随后进入软性填料室进行深度脱氮处理，并最终在滤池顶部复氧后由出水管流出。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

基于电子穿梭体和内部铁循环的厌氧反硝化系统，为反硝化过程提供了碳源之外的电子供体，促进了生化过程的电子传递效率，既提高了系统脱氮能力，又降低了系统的运行成本。

附图说明

图1是本发明的装置示意图；

图2为pvc多孔承托层示意图；

图3是本发明反冲洗管的示意图；

图中：1、进水泵；2、碳源和腐殖质补充罐；3-比例流量阀；4、进水阀；5、进水布水管；6、无机矿质棉纱；7、海绵铁；8、反冲洗管；9、无机矿质棉块；10、软性填料；11、无机矿质棉板；12、出水管；13、pvc多孔承托层；14、排泥和气流反冲洗控制阀；17、排泥管；18、排泥控制闸阀；19、自吸水泵；20、排泥口；21、反冲洗气流控制闸阀；22、空气泵。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，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。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

本实施例提供了一种基于电子穿梭体和内部铁循环强化的深度反硝化滤池，包括反硝化滤池主体、碳源和腐殖质补充系统和反冲洗-排泥系统，所述反硝化滤池主体包括从下到上依次设置的进水布水区、铁循环反硝化室、无机矿质棉块过滤层、软性填料处理区和出水复氧区，碳源和腐殖质补充系统与进水布水区相连，反冲洗-排泥系统分别与铁循环反硝化室、无机矿质棉块过滤层和软性填料处理区相连。所述反硝化滤池主体采用上行流布水，污水由下至上分别经过进水布水区、铁循环反硝化室、无机矿质棉块过滤层、软性填料处理区和出水复氧区。所述的进水布水区与铁循环反硝化室之间、铁循环反硝化室与无机矿质棉块过滤层之间、无机矿质棉块过滤层与软性填料处理区之间、软性填料处理区与出水复氧区之间均设置pvc多孔承托层13。

具体结构如图1-3所示，包括：一个高度190cm，内径30cm的pvc反硝化滤池，采用上行潜流布水，污水由下至上分别经过进水布水区、铁循环反硝化室、无机矿质棉过滤层、软性填料处理区和出水复氧区；所述的进水布水区与铁循环反硝化室之间、铁循环反硝化室与无机矿质棉块过滤层之间、无机矿质棉块过滤层与软性填料处理区之间、软性填料处理区与出水复氧区之间由pvc多孔承托层13区隔。所述的pvc多孔承托层13厚度1cm，孔洞率50％，孔径0.8cm。

所述碳源补充系统包括碳源和腐殖质补充罐2，所述碳源和腐殖质补充罐2上部敞口，下部设置比例流量阀3，并与进水管连通，所述碳源和腐殖质补充罐2中设有质量比为50：1的甲醇和腐殖质的混合物，以甲醇作为反硝化碳源，以腐殖质作为电子穿梭体，依据进水中的no3^--n浓度设定碳源流量，保证c/n为3:1。

所述进水管两端分别连接进水泵1和进水布水管3，进水管上设有进水阀4。

所述进水布水管3设于进水布水区中。

所述铁循环反硝化室高度50cm，其中设有复合填料，复合填料由无机矿质棉纱6、海绵铁7、与腐殖质按照添加质量比20:4:1组成，其中海绵铁7粒径3-5mm，堆积密度为1.6g/cm³。

所述铁循环反硝化室在启动阶段以fe²⁺培养的厌氧污泥为接种污泥(以50mg/l的硫酸亚铁厌氧培养3天)，补充污泥量为所述铁循环反硝化室体积的1/10。

所述无机矿质棉块过滤层高度为40cm，以直径1cm的块状高强度无机矿质棉块9为填充介质；该区域主要用于对滤池下部来水中fe(oh)3和fe3o4等不溶性铁含化合物的有效截留，同时兼具异养反硝化功能。

所述软性填料处理区高度80cm，以醛化维纶软性填料10作为挂膜介质，对无机多孔棉过滤后的低浓度no3^--n进行深度脱氮处理。

所述出水复氧区高度20cm，上部敞口，在软性填料区与出水复氧区的pvc多孔承托层13上覆盖5cm厚度无机矿质棉板11，作为隔氧过滤层，保证软性填料区反硝化所需厌氧环境，废水经过深度反硝化及大气复氧后由滤池顶部出水管12流出。

所述的反冲洗-排泥系统包括分别设于铁循环反硝化室、无机矿质棉块过滤层和软性填料处理区底部的反冲洗管8，反冲洗管8连接排泥管17，排泥管17分别连接滤池外部的空气泵22和自吸水泵19，自吸水泵19连接排泥口20。

所述反冲洗管8与排泥管17之间均设有闸阀14，空气泵22与排泥管17之间设有反冲洗气流控制闸阀21，自吸水泵19与排泥管17之间设有排泥控制闸阀18；在反硝化滤池正常运行时，反冲洗-排泥系统所有闸阀关闭，且空气泵22与自吸水泵19不工作。

所述反冲洗-排泥系统将反冲洗与排泥两个独立的过程在同一系统中实现，通过控制空气泵22和自吸水泵19的交替运行以及管道中各闸阀的开闭使反冲洗排泥两个过程交替进行。在反硝化滤池水力传导性能出现明显下降时，系统运行的具体操作为：(1)停止进水并打开排泥管17与反冲洗管8间所有闸阀14；(2)顺序打开反冲洗气流控制闸阀21与空气泵22，设置反冲洗气流强度为0.3l/(s·m²)，反冲洗时间为5分钟；(3)关闭空气泵22与反冲洗气流控制闸阀21，顺序打开排泥控制闸阀18与自吸水泵19，将污泥从排泥口排出，随后关闭所有排泥和气流反冲洗控制阀14、反冲洗气流控制闸阀21以及排泥控制闸阀18。

所述反冲洗管8为ppr材质的多齿方耙形结构，仅顶部开孔，孔径0.3cm，分别布置于铁循环反硝化室、无机矿质棉过滤层，和软性填料处理区的滤料底部。

使用时，利用碳源和腐殖质补充系统在进水中补充碳源和腐殖质，在铁循环反应室中，利用海绵铁的强还原性为no3^--n的还原提供电子供体实现化学反硝化；在铁氧化菌的介导下利用海绵铁释放的fe²⁺作为电子供体进行生物反硝化；以fe⁰、fe²⁺和碳源共同作为no3^--n的还原的电子供体，降低反硝化过程的碳源消耗；析氢腐蚀可以实现氢自养反硝化；利用腐殖质作为电子穿梭体加速电子在微生物和no3^--n的传递，使基于电子传递的反硝化脱氮效率显著提高。铁氧化所产生的非溶解态铁在无机矿质棉过滤室中被截留，废水随后进入软性填料室进行深度脱氮处理，并最终在滤池顶部复氧后由出水管流出。

根据实验结果，在hlr＝3.04m³/(m²·d)，进水codcr60mg/l，no3^--n30mg/l条件下，其codcr去除效率83-90％，no3^--n去除率高于95％，tn去除效率为83-94％。