申请日2015.06.30
公开(公告)日2018.03.09
IPC分类号C02F3/34; C02F3/12
摘要
本发明公开了一种利用恒定磁场处理低温高氨氮废水的装置及方法，该装置主要包括短程硝化SBR反应器，对称设置在反应器两侧的磁场强化装置，短程硝化在线监测系统及反馈控制系统。本发明充分利用磁生物效应，利用磁场影响氨氧化菌的氨单加氧酶和羟胺氧化酶中蛋白质的活性位点，提高酶的活性，增加氨氧化反应速率，促进氨氧化菌富集，特别是在低温条件下补偿温度对酶活性的影响;并利用磁场力作用增加了带电粒子运动速度进而提高了传质效率，弥补了现有低温废水处理中反应器运行不稳定、氨氮降解速率不高等缺陷，同时通过控制溶氧、pH、水力停留时间和污泥龄，实现了反应器在低温条件下高效进行亚硝化反应，缩短污水停留时间，减少成本和能耗。
权利要求书
1.一种利用恒定磁场处理低温高氨氮废水方法，其采用的装置为：
在短程硝化SBR反应器(1)外侧对称设置两磁铁(10)，两磁铁(10)在反应器内形成水平方向的磁场;短程硝化SBR反应器(1)分别连接污水管、排水管、污泥排放管、曝气管、碱液进液管;污水箱(2)通过污水管连接到短程硝化SBR反应器(1);反应器出水通过排水管进入出水箱(5);空气压缩机通过曝气管连接到短程硝化SBR反应器(1);碱液箱(19)通过碱液进液管连接到短程硝化SBR反应器(1);短程硝化SBR反应器(1)内设置搅拌装置(7)，磁场传感器(16)、pH值传感器(12)和DO传感器(13)，曝气头(9);
所述方法的步骤为:
步骤一：首先在短程硝化SBR反应器(1)内填充活性污泥，在底部形成活性污泥区;然后在短程硝化SBR反应器(1)外侧对称设置两磁铁(10)，保持两磁铁(10)相对平行放置且在反应器内形成的磁场方向一致即水平方向，设计两磁铁(10)面积使活性污泥区均处于磁场作用范围中，通过调节两磁铁(10)的间距控制中心磁场强度为50-100mT，磁场强度由磁场测定仪(15)指示;在短程硝化SBR反应器(1)内设置有活性污泥区，在短程硝化SBR反应器外设置有磁场强化装置，污泥反应区与磁场相互作用，形成磁场一氨氧化菌强化体系;
步骤二：在4-15℃的低温条件下接种污泥，使短程硝化SBR反应器(1)内的污泥浓度为3000-5000mg/L，通过蠕动泵(3)将高氨氮废水抽入短程硝化SBR反应器(1);污泥开始驯化时，进水体积为反应器有效容积的20~30%，之后逐步提高到50%;进水后启动搅拌装置(7)，搅拌速度150-300r/min，曝气泵(8)通过曝气头对活性污泥区进行曝气，pH与DO测定仪(14)通过pH值传感器(12)，DO传感器(13)在线监测短程硝化SBR反应器(1)内的pH值和溶氧DO的变化，通过计算机(17)和继电器(18)控制曝气泵(8)的开关，调节短程硝化SBR反应器(1)内溶氧DO恒定为0.5~1mg/L，同时通过控制碱液进水阀(11)开关，添加NaHCO3调节pH在7~8之间，曝气时间为120~300min，沉淀30~60min，排水比50%，沉淀出水后通过排泥阀(6)排泥，控制短程硝化SBR反应器(1)污泥龄(SRT)为20天，通过测定搅拌时污泥浓度与沉淀后排出污泥浓度，计算排泥体积，通过调整水力停留时间(HRT)，控制出水氨氮与亚硝态氮的比例在1:1~1:1.3，实现对短程硝化SBR反应器(1)活性污泥的低温磁场驯化;
步骤三：短程硝化SBR反应器(1)内的污泥经1-2个月驯化后，出水水质稳定，氨氮与亚硝态氮的比例维持在1:1~1:1.3，NO3--N<5mg/L，水质满足厌氧氨氧化反应的要求;
所述的高氨氮污水氨氮浓度为675 mg/L、960 mg/L或1150mg/L。
2.根据权利要求1所述的利用恒定磁场处理低温高氨氮废水方法，其特征在于短程硝化SBR反应器(1)内pH值传感器(12)和DO传感器(13)与pH与DO测定仪(14)连接;磁场传感器(16)与磁场测定仪(15)连接;曝气泵(8)和碱液进水阀(11)与继电器(18)连接;计算机(17)分别与pH与DO测定仪(14)和继电器(18)相连，其中DO传感器(13)、pH值传感器(12)、pH与DO测定仪(14)、计算机(17)和继电器(18)组成短程硝化在线监测系统及反馈控制系统。
3.根据权利要求1或2所述的利用恒定磁场处理低温高氨氮废水方法，其特征在于污水管上设置蠕动泵(3);排水管上设置出水阀(4);污泥排放管上设置排泥阀(6);碱液进液管上设置碱液进水阀(11)。
4.根据权利要求3所述的利用恒定磁场处理低温高氨氮废水方法，其特征在于，所述装置所用的磁铁(10)为永久磁铁，采用铁氧体磁铁，主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19。
说明书
一种利用恒定磁场处理低温高氨氮废水的装置及方法
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种利用恒定磁场处理低温高氨氮废水的装置及方法，它主要适用于低温条件下高氨氮废水的生物强化处理。
背景技术
水环境中氮元素的大量积累导致了水环境质量的严重恶化，垃圾渗滤液、消化污泥脱水、养殖废水等低C/N高氨废水占氨氮排放总量的50%以上;传统的生物硝化反硝化脱氮工艺耗氧量大，并需要添加大量有机碳源才能实现良好的反硝化效果。为了实现低能高效，各国研究人员在传统的硝化反硝化脱氮基础上研发了许多新的工艺。其中，亚硝化-厌氧氨氧化全程自养生物脱氮工艺以其运行费用低、污泥产量小、无需外加碳源等优点而备受关注，成为环境科学与工程领域中的一个研究热点。该工艺的基本原理是先将原废水中50%的NH4+-N氧化为亚硝态氮，然后所产生的亚硝态氮与另外50%的NH4+-N发生厌氧氨氧化反应，生成N2。
但是在我国冬季，北方的大部分地区以及南方的部分地区，由于温度对微生物个体的生长、繁殖、新陈代谢、生物种群分布和种群数量起着决定性作用，直接影响着冬季污水处理效率的高低，以生化法为主要工艺的污水处理厂的处理效果受到严重的影响。硝化细菌在温度小于15℃时，活性大幅度降低，硝化效果也明显下降，温度低于5℃时，硝化细菌的生命活动几乎停止，处于休眠状态。亚硝化-厌氧氨氧化全程自养生物脱氮工艺中亚硝化过程需要维持在较高的温度(30℃左右)，实现部分亚硝化，使出水中NH4+与NO2-比例约为1:1。因此在低温条件下处理高氨氮废水时，亚硝化过程受到低温的抑制，导致该工艺无法正常运行，出水无法达标。此外，温度对活性污泥的絮凝沉降性能以及水的粘度都有较大的影响，低温容易造成污泥膨胀，影响污水处理工艺的正常运行。
中国专利申请号：201210491810.2，发明名称为低温高效氨氮污水处理方法，该方法的步骤为：首先采用高分子材料为载体，在其内部包埋硝化细菌微生物，以形成硝化细菌包埋载体;然后在反应容器中，加入所述硝化细菌包埋载体，通入含氨氮污水，对所述硝化细菌包埋载体进行活化;待载体活化成功后，接种污泥，通入欲处理污水，进行曝气生化处理。包埋硝化细菌载体具有良好的物理力学性能和化学稳定性，抗生物降解，耐磨损，包埋硝化细菌载体含有大量利于硝化细菌生长、繁殖和保持活性及传质扩散的成分物质，具有较高的低温氨氮处理效率，工艺流程短、装置简单、处理效果好，将现有处理工艺与特殊载体结合起来，很好的实现低温脱氮效果。
中国专利申请号：201310283206.5，发明名称为一种强化低温生物硝化效果的装置与方法。所述装置包括：SBR脱氮反应器，污泥强化池，污泥消化液水箱，城市污水箱，外加碳源箱，温度传感器，pH传感器，DO传感器，可编程过程控制器;所述方法是以污泥消化液原水通过高氨氮(<200mg/L)和高温(30℃)强化SBR脱氮反应器排放的剩余污泥的硝化效果;将强化后的剩余污泥回流至SBR脱氮反应器，从而实现强化SBR脱氮反应器低温生物硝化效果。本发明将处理污泥消化液与强化低温生物硝化效果相结合，使得设计出的SBR脱氮反应器具有低温条件硝化效果良好、硝化反应时间短，曝气能耗小、运行管理灵活，出水水质稳定等优点。
以上文献所公开的转置从一定程度上提高低温废水的生物降解性能，但上述装置需要投加生物载体或加热反应器，增加成本和能耗，难以投入实际应用。而且并没有解决亚硝化-厌氧氨氧化全程自养生物脱氮工艺在低温条件下处理高氨氮废水时，亚硝化过程受到低温的抑制，导致该工艺无法正常运行，出水无法达标;低温对活性污泥的絮凝沉降性能以及水的粘度都有较大的影响，造成污泥膨胀;反应器低温运行不稳定等问题。
发明内容
1、发明要解决的技术问题
针对低温高氨氮废水全程自养生物脱氮的亚硝化效率低导致出水不达标，以及反应器低温运行不稳定等问题，本发明提供了一种利用恒定磁场处理低温高氨氮废水的装置及其方法，通过采用磁场-氨氧化菌强化体系，利用磁生物效应提高氨氧化菌的活性，利用磁场力提高传质效率，弥补现有与厌氧氨氧化匹配的亚硝化过程难以维持、氨氮降解效率低等缺陷，从而实现高效低能耗的低温高氨氮废水处理。
2、技术方案
发明原理：在磁场-氨氧化菌的处理体系中，由于氨氧化菌的氨单加氧酶和羟胺氧化酶活性中心存在Fe等未填满电子壳层的过渡金属离子，表现为顺磁性，磁场作用会导致整个酶分子的构象发生变形或扭曲，将酶活性中心外露或内包，改变酶活性，同时在磁场中水的渗透压和菌体膜的通透性增强，有利于微生物吸收营养;另外磁场还可以提高氧气溶解度，可以促进氨氮被氧化为亚硝态氮。磁场力作用会促进反应体系中的带电粒子运行，提高传质效率，促进生化反应进行。本发明通过对污泥区氨氧化菌施加磁场，使反应区同时发生生化反应、磁生物效应以及磁场力运行，对亚硝化反应起到强化作用。本发明提供的技术方案如下：
一种利用变化磁场进行污水强化处理装置，该装置的结构如下：在短程硝化SBR(序批式活性污泥法)反应器外侧对称设置两磁铁，两磁铁在反应器内形成水平方向的磁场;短程硝化SBR反应器连接污水管、排水管、污泥排放管、曝气管、碱液进液管;污水管上设置蠕动泵;排水管上设置出水阀;污泥排放管上设置排泥阀;曝气管上设置气体流量计和曝气泵;碱液进液管上设置碱液进水阀;污水箱通过污水管连接到短程硝化SBR反应器;空气压缩机通过曝气管连接到短程硝化SBR反应器;短程硝化SBR反应器内设置搅拌装置，磁场传感器、pH值传感器和DO传感器，曝气头;pH值传感器和DO传感器与pH与DO测定仪连接;磁场传感器与磁场测定仪连接;曝气泵和碱液进水阀与继电器连接;计算机分别与pH与DO测定仪和继电器相连。
本发明中的磁铁为永久磁铁，一般采用铁氧体磁铁，主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19，磁性适中。
本发明还提供了一种利用上述恒定磁场处理低温高氨氮废水的装置处理污水的方法，其步骤为:
步骤一：首先在短程硝化SBR反应器内填充活性污泥，在底部形成活性污泥区磁场-氨氧化菌的处理体系;然后在短程硝化SBR反应器外侧对称设置两磁铁，保持两磁铁相对平行放置且在反应器内形成的磁场方向一致即水平方向，设计两磁铁面积使活性污泥区均处于磁场作用范围中，通过调节两磁铁的间距控制中心磁场强度为0-100mT，磁场强度由磁场测定仪指示;在短程硝化SBR反应器内设置有活性污泥区，在短程硝化SBR反应器外设置有磁场强化装置，污泥反应区与磁场相互作用，形成磁场一氨氧化菌强化体系;
步骤二：在4-15℃的低温条件下接种污泥，使短程硝化SBR反应器内的污泥浓度为3000-5000mg/L，通过蠕动泵将高氨氮废水抽入短程硝化SBR反应器。污泥开始驯化时，进水体积为反应器有效容积的20～30%，之后逐步提高到50%。进水后启动搅拌装置，搅拌速度150-300r/min，曝气泵通过曝气头对活性污泥区进行曝气，pH与DO测定仪通过pH值传感器，DO传感器在线监测短程硝化SBR反应器内的pH值和溶氧DO的变化，通过计算机和继电器控制曝气泵的开关，调节短程硝化SBR反应器内溶氧DO恒定为0.5～1mg/L，同时通过控制碱液进水阀开关，添加NaHCO3调节pH在7～8之间，曝气时间为120～300min，沉淀30～60min，排水比50%，沉淀出水后通过排泥阀排泥，控制短程硝化SBR反应器污泥龄(SRT)为20天，通过测定搅拌时污泥浓度与沉淀后排出污泥浓度，计算排泥体积，通过调整水力停留时间(HRT)，控制出水氨氮与亚硝态氮的比例在1:1～1:1.3，实现对短程硝化SBR反应器活性污泥的低温磁场驯化;
步骤三：短程硝化SBR反应器内的污泥经1-2个月驯化后，出水水质稳定，氨氮与亚硝态氮的比例维持在1:1～1:1.3，NO3--N<5mg/L，水质满足厌氧氨氧化反应的要求。
3、有益效果
本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明的废水处理装置及方法，利用磁场影响氨氧化菌的氨单加氧酶和羟胺氧化酶中蛋白质的活性位点，提高酶的活性，增加氨氧化反应速率，促进氨氧化菌富集，特别是在低温条件下补偿温度对酶活性的影响;利用磁场力作用增加了带电粒子运动速度进而提高了传质效率，弥补了现有低温废水处理中反应器运行不稳定、氨氮降解速率不高等缺陷，实现了反应器在低温条件下高效进行亚硝化反应，缩短污水停留时间，整套装置不需加热，减少能耗。
(2)本发明结合SBR反应器可控性强，易实现短程硝化的特点，将短程硝化SBR实时控制技术应用于自养脱氮技术中实现污水的短程硝化，通过控制pH、DO、水力停留时间和污泥龄实现污水的半短程硝化，避免过度曝气，减少能耗，同时解决了连续流实现高氨氮半短程硝化半短程难维持，以及不易控制出水中氨氮与亚硝的浓度比例等问题。
(3)本发明反应器中所形成的磁场一氨氧化菌强化体系为利用恒定磁铁产生的磁场，充分利用磁场能，减少电能消耗，减少了环境污染。
(4)采用本发明的污水强化处理方法，先对活性污泥进行低温、磁场同步驯化，待到反应器运行稳定后，再对经格栅过滤的高氨氮废水进行处理，有利于提高反应器的污泥负荷及氨氮负荷，缩短污水停留时间，降低运行成本。
