一种减少氧化亚氮排放的双填料反硝化脱氮生物反应系统

1.本实用新型属于建筑施工技术领域，特别涉及一种减少氧化亚氮排放的双填料反硝化脱氮生物反应系统。


背景技术：

2.利用微生物进行污水中氮素的脱除是目前最为经济的污水脱氮方法，因此生物脱氮技术一直以来备受关注，是一个重要的研究领域。目前已建城镇污水、工业废水处理厂或处理设施，普遍采用带有缺氧段的异养反硝化生物脱氮工艺。在常规生物脱氮工艺中需要提供的c/n（碳氮比）值约为4~5:1，要去除对应的硝酸盐需要水中含有适量可生物降解有机物，因此处理这一类废水过程中如化肥制造、钢铁生产、火药制造、饲料生产、肉类加工、电子元件及核燃料生产等工业排放的废水，由于其中含有高浓度的硝酸盐、亚硝酸盐或总氮浓度较高，常需要外加大量商品碳源满足碳氮比要求；同时，反硝化过程中，被利用的有机物有40~60%用于微生物生长，污泥产量远高于城市污水，而且沉淀性能较差，导致污泥处理投入大，废水吨处理费用成倍增长。
3.在生物脱氮的反硝化过程中，微生物首先将硝酸氮还原成亚硝酸氮，再还原成一氧化氮(no)，no再还原为氧化亚氮(n2o)，n2o还原为n2，因此，生物脱氮中，氮素基本是以n2o和n2两种形式脱除。相关研究显示，当系统存在少量亚硝酸盐时，它会抑制微生物还原n2o，引起n2o的积累，亚硝酸盐浓度较大时，会导致n2o排放量迅速增加，可达到总脱氮量的7%~13%；c/n值较低时，也不利于n2o的分解，当c/n值为2时，总脱氮量的32%～64%转化n2o；此外，在采用曝气搅拌时，系统会因为吹脱作用逸出更多的n2o。n2o是全球3大主要的温室气体之一，n2o的增温潜势可达co2的310倍、ch4的30倍。ippc报告显示，污水厂生物脱氮过程中有0.05%～25%的含氮化合物会转化为n2o释放到大气中。而随着城市污水排放量的增加、污水c/n（碳氮比）值的下降、污水氮素脱除要求的提高，在国家倡导“碳达峰，碳中和”的前提下，提高脱氮工艺效率、减少碳消耗，削减n2o的逸出至关重要。
4.一些研究显示，在反硝化过程中，陶厄氏菌、根瘤菌，寡养单胞菌、鞘脂杆菌、短波单胞菌等与n2o生成有关系。其中，陶厄氏菌属的多种菌株具有卓越的反硝化能力，具有亚硝酸盐还原酶和氧化亚氮还原酶基因序列，对系统反硝化脱氮贡献较大。目前在缺氧系统中，如果能够优培和富集出，在较低c/n值下，较高硝酸盐或亚硝酸盐下，仍具有较强n2o还原分解能力的反硝化菌群，不但可以减少反硝化脱氮过程n2o排放，还能够提高反应效率，有效减少混合液回流比，达到节能，但目前在污水厂脱氮工艺改进时多采用强化泥水混合、变换进水方式的等，微生物菌群种属未优化，在c/n值低的情况下，不能有效降低温室气体产生量。
5.针对典型脱氮工艺运行中在c/n值偏低情况，目前主要采用添加外碳源的方式来弥补，虽能达到脱氮的目的，但存在碳源消耗量大、利用率低、污泥产量较大等诸多问题，运营费用居高不下，不利于节能减排，而当进水中硝酸盐或亚硝酸盐浓度较高时，运行负荷高时无法正常反硝化，运行负荷低时大回流量使得能耗加剧，n2o溢出比例大，运行费较高。


技术实现要素：

6.本实用新型提供了一种减少氧化亚氮排放的双填料反硝化脱氮生物反应系统，用以解决根据处理水质灵活运用，对于含高浓度硝态氮、低碳氮比的污废水能高效反硝化脱氮同时，又能有效减少氧化亚氮(n2o)产出的生物脱氮的方法，有效减少反硝化生物脱氮工艺和对有机外加碳源的需求，提升反硝化速率低，增加反硝化脱氮负荷，降低污泥产量和污水吨处理费用等技术问题。
7.为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
8.一种减少氧化亚氮排放的双填料反硝化脱氮生物反应系统，包含反应器、连接于反应器一侧的进水池、连接于反应器另一侧的污泥池，连接于反应器顶部的自动加料器以及设置于反应器内污水顶部一侧的滗水器；
9.所述反应器的污水内填充有双填料，双填料包含第一填料和第二填料，第一填料为无机内电解复合材料，第二填料为多孔复合生物膜载体和附着的优势菌群填料。
10.进一步的，所述反应器与进水池之间连接有液位控制机，液位控制机为液位继电器和时控装置同时控制。
11.进一步的，所述反应器与自动加料器之间通过在线连续监测仪控制连接，自动加料器中填充第一填料。
12.进一步的，第一填料为球体，包含有内核和外皮，内核以0.8~1.0cm轻骨陶粒为核心，外皮为内核包裹fe、c、fe3o4、fe2o3、ni和粘合剂的复合外层；内核中的陶粒为市政污泥、河底泥和普通陶土中一种或多种，陶粒粒径为0.8~1.0cm，密度为0.5~0.8kg/m3，第一填料粒径为1.5~2.0cm，密度为1.15kg/m3。
13.进一步的，第二填料为正方体的多孔发泡填料，多孔发泡填料外浸渍5~10%海藻酸钠层；多孔发泡填料包含凝胶、聚氨酯和聚氨酯亲水改性填料，填料性状为2~3cm的正方体，孔隙率68~75%。
14.进一步的，反应器为上圆柱下圆锥体，底部设置有底过滤网格板。
15.进一步的，反应器为圆柱体，底部设置有锥形的污泥缓存仓，在污泥缓存仓与反应器底部之间可拆卸连接有底过滤网格板。
16.进一步的，所述底过滤网格板下部通过设置有第二控制阀门的管道与污泥池连接；底过滤网格板孔径小于双填料粒径。
17.进一步的，反应器底部还设有气反冲装置，自动控制冲洗污泥堵塞的底过滤网格板。
18.本实用新型的有益效果体现在：
19.1）本实用新型利于适应较低的c/n，具有减少传统反硝化脱氮工艺中碳源的消耗；提升了反硝化脱氮速率，反应器脱氮负荷高，缩短了反应时间，提升了反应器容积的有效利用率；
20.2）本实用新型中的应用装置能够耐受高达200~300mgn/l浓度的硝酸盐和亚硝酸盐，对应脱氮效果仍较好；有效减少传统反硝化脱氮工艺中温室气体n2o的产生量和逸出量，达到了降低碳排放的目的；
21.3）本实用新型对亚硝酸盐浓度较高时，反硝化脱氮过程中n2o产生量和逸出量仍处于极低水平；c/n为2~4时，反硝化脱氮过程中n2o产生量和逸出量仍然低于常规水平；能
够富集大量的陶厄氏菌，提升了反硝化过程碳源的有效利用率。
22.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解；本实用新型的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
23.图1是减少氧化亚氮排放的双填料脱氮生物的应用装置示意图一；
24.图2是减少氧化亚氮排放的双填料脱氮生物的应用装置示意图二；
25.图3是第一填料结构示意图；
26.图4是第二填料多孔载体结构示意图一；
27.图5是第二填料多孔载体结构示意图一。
28.附图标记：1-进水池、2-管道、3-加压提升泵、4-液位控制机、5-第一控制阀门、6-底过滤网格板、7-第二控制阀门、8-污泥池、9-反应器、10-污水、11-第一填料、111-内核、112-外皮、12-第二填料、13-搅拌装置、14-自动加料器、15-在线连续监测仪、16-浮渣挡板、17-上过滤网格板、18-滗水器、19-排水口、20-污泥缓存仓、21-出水口。
具体实施方式
29.如图1至图5所示，利用双填料减少污废水中氧化亚氮。减少氧化亚氮排放的双填料脱氮生物的应用装置，包含反应器9、连接于反应器9一侧的进水池1、连接于反应器9另一侧的污泥池8，连接于反应器9顶部的自动加料器14以及设置于反应器9内污水10顶部一侧的滗水器18。
30.本实施例中，反应器9的污水10内填充有双填料，双填料包含第一填料11和第二填料12，第一填料11为无机内电解复合材料，第二填料12为多孔复合生物膜载体和附着的优势菌群填料；第一填料11为球体，包含有内核111和外皮112，内核111以0.8~1.0cm轻骨陶粒为核心，外皮112为内核111包裹fe、c、fe3o4、fe2o3、ni和粘合剂的复合外层；内核111中的陶粒为市政污泥、河底泥和普通陶土中一种或多种，陶粒粒径为0.8~1.0cm，密度为0.5~0.8kg/m3，第一填料粒径为1.5~2.0cm，密度为1.15kg/m3；第二填料12为正方体的多孔发泡填料，多孔发泡填料外浸渍5~10%海藻酸钠层；多孔发泡填料包含凝胶、聚氨酯和聚氨酯亲水改性填料，填料性状为2~3cm的正方体，孔隙率68~75%。
31.本实施例中，反应器9与进水池1之间连接有液位控制机4，液位控制机4为液位继电器和时控装置同时控制；反应器9与自动加料器14之间通过在线连续监测仪15控制连接，自动加料器14中填充第一填料11。其中，在线连续监测仪15为orp监测设备。
32.本实施例中，第一填料11为轻骨内电解铁碳复合填料，在碳氮比适当时，可去除多余的溶解氧，形成良好的缺氧反硝化脱氮环境，并可为脱氮微生物功能为提供部分电子及介导物质，溶出的金属离子有利于污泥沉淀性能的提升，降低有机污泥的产量。第二填料12为大孔多孔凝胶海绵体填料，结合阶段驯化培养在该填料上可富集特定高效脱氮菌群，填料上反硝化脱氮微生物在门水平上变形菌门占微生物总量的90%以上，在属水平上陶厄氏菌属高达 75%以上，成为该sbr反应器9得到反硝化脱氮系统的优势菌群，此优势菌群显示出极好的脱氮能力，当反应器9以sbr方式运行时，系统内生物填料以及活性污泥中都可富
集较高比例的脱氮菌群，脱氮菌群富集后可提高工艺的脱氮效率，减少温室气体n2o的排放。
33.对于投加双填料，一方面为通过采用sbr反应器9，并对反应器9的控制系统、培养时期进水的组分调整，实现对反应器9中活性污泥的菌群分布进行优化、培养。
34.其中，反应器9以sbr方式运行，包括了进水模式、出水模式、温度控制和sbr反应器9；其中sbr反应器9内设搅拌系统，无曝气系统；活性污泥系统优化后，微生物在门水平上变形菌门占微生物总量的90%以上，在属水平上陶厄氏菌属高达 75%以上，成为该sbr得到反硝化脱氮系统的优势菌群。
35.本实施例中，反应器9采用sbr反应器9有利于提升污泥的抗冲击负荷力，操作工艺灵活，可采用大流量短时间的进水方式，进一步提升反应器9内污染物的初始浓度，增强对生物种群的选择力以及对高浓度污染物的耐受力，提升活性污泥系统对污染物的去除能力。
36.本实施例中，对接种污泥有一定的要求，接种污泥应来自具有反硝化脱氮能力的反应器9，确保较为合理的启动时间。污泥驯化培养过程应采用有一定浓度的硝酸盐废水，且浓度逐步上升，以确保污泥不会因负荷过高导致沉淀性能下降，污泥流失。
37.如图1所示，反应器9为上圆柱下圆锥体，底部设置有底过滤网格板6；或如图2所示反应器9为圆柱体，底部设置有锥形体状的污泥缓存仓20，在污泥缓存仓20与反应器9底部之间可拆卸连接有底过滤网格板6。底过滤网格板6下部通过设置有第二控制阀门7的管道2与污泥池8连接；底过滤网格板6孔径小于双填料粒径；反应器9底部还设有气反冲装置，自动控制冲洗污泥堵塞的底过滤网格板6。
38.本实施例中，反应器9顶部一侧设置有排水区，排水区外周通过上过滤网格板17围合而成；过滤网格板外侧设置有浮渣挡板16，排水区上连接有滗水器18，滗水器18外伸端连接有排水口19；滗水器18底部设置有电磁阀控制器。
39.结合图1至图4，进一步说明减少氧化亚氮排放的双填料脱氮生物方法，具体步骤如下：
40.步骤一、根据污水10处理量选定反应器9容积、进水量以及双填料量，在反应器9一侧连接进水池1，反应器9底部通过管道2连接污泥池8。
41.步骤二、进水池1与反应器9之间连接有加压提升泵3和第一控制阀门5，反应器9与污泥池8之间连接有第二控制阀门7；定在反应器9顶部或侧壁上连接有搅拌装置13；在加压提升泵3和反应器9内污水10之间还连接有液位控制机4，液位控制机4为液位继电器和时控装置同时控制。
42.本实施例中，接种污泥取自连续运行a
2 /o工艺系统，保证初始接种污泥中有一定数量的反硝化优势菌属，这样可缩短驯化培养周期；反应启动阶段，进水浓度采用阶梯提升方法，保持进水c/n为4~4.5，ph值为6~7，操作中为进水硝酸氮盐浓度1~4d采用 40~60mg/l，5~6d升至60~80mg/l，第8天后，维持在 80~90mg/l，持续优化培养 30d以上；30~40d后，得到反硝化脱氮系统的优势菌群。
43.反应器9运行时，每周期为3h，其中，进水5~30min，搅拌反应120~145min，沉淀20~30min时间，排水10~20min，间歇5~10min。反应器9运行时，每周期为3h，其中，进水5~30min，搅拌反应120~145min，沉淀20~30min时间，排水10~20min，间歇5~10min；当反应器9采用连
续出水模式时，电磁阀常开，滗水器18不工作。
44.步骤三、在反应器9顶部连接有加料器，在加料器和反应器9内污水10之间还连接有在线连续监测仪15，在反应器9中上部还连接有滗水器18，滗水器18和出水口21连接。
45.步骤四、在反应器9污水10中投入第一填料11和第二填料12，其中，第一填料11为球体，包含有内核111和外皮112，内核111以0.8~1.0cm轻骨陶粒为核心，外皮112为内核111包裹fe、c、fe3o4、fe2o3、ni、粘合剂后经600~800℃无氧煅烧后技工而成；第二填料12为正方体的多孔发泡填料，采用浸渍法蘸取5~10%海藻酸钠提升多孔发泡填料亲水性。
46.步骤五、反应器9运行过程中，进水采用加压提升泵3在反应器9底部进水，进水量由液位继电器和时控装置同时控制，反应阶段采用搅拌装置13进行搅拌；保持搅拌装置13g值在60~80s-1
不打散污泥絮体，破坏污泥沉降性能，同时保证气泡有效逸出。
47.本装置不设鼓风曝气设施，以保证菌种优选时的必要环境；通过设置较短的进水时间提升微生物对环境的耐受度，并促进形成沉淀性能好的活性污泥系统。
48.步骤六、控制反应器9始终处于缺氧状态，隔绝与氧气的接触；双填料均匀分布在反应器9内部；第一填料11为缓慢消耗状态，每隔数日定量补充，利用对含氧量的在线连续监测仪15控制自动加料器14，进行第一填料11的投加，由此直至完成污水10的处理。
49.本装置应用时，反应器9中投加轻骨铁碳内电解复合填料和多孔复合生物膜载体填料。内电解填料在中性环境下分步缓慢释放出电子，逐步生成fe
2+
及fe
3+
，无机电子在碳源不足的情况下可作为生物脱氮反硝化的碳源，与铁离子同时释放的金属复合氧化物fe3o4、fe2o3、ni介导物质，促进生物捕获电子，轻骨填料密度比水重与水接近，有利于与生物项充分接触；同时，水中的参与氧气可被消耗，溶解氧浓度接近零，使得生物环境更有利于反硝化脱氮，fe
3+
也有利于提升污泥密度，强化沉淀性能。多孔复合生物膜载体填料，表面具有海藻酸钠涂层，缺氧条件下，阶段培养后，填料上可富集以反硝化能力较强的陶厄氏菌群，其具有卓绝的反硝化脱氮能力，反硝化终产物以n2为主，减少了n2o的排放。装置在浓度较高的硝化废水中以及常规的污水10反硝化脱氮处理中都表现出较好的效果，生物与电化学作用相配合，在较为经济的情况下，微生物对c/n的要求可低至2.5，反应速率提升2~5倍，在利用无机电子时可降低微生物产率。反应器9在培养阶段以sbr方式运行效果最佳，生物膜及污泥形成后，后采用连续运行的方式，此时可有效降低混合液回流比达到节能。
50.以上所述仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。