申请日2018.04.12
公开(公告)日2018.11.13
IPC分类号C02F3/30; C02F101/16; C02F101/10
摘要
本发明公开一种构建污水脱氮除磷装置的方法、脱氮除磷装置及利用该装置进行污水脱氮除磷的方法，构建本发明装置的方法包括填装罐体和对装填后的罐体进行挂膜处理，本发明方法构建的污水脱氮除磷装置结构简单、易操作，利用本发明装置处理污水的成本低，污水中氮、磷去除率高，脱氮除磷效果稳定，尤其适用于碳氮比低、进水氨氮较高的污水的深度脱氮除磷处理。
权利要求书
1.一种构建污水脱氮除磷装置的方法，其特征是，包括如下顺序进行的步骤：
1)罐体装填处理
脱氮除磷装置包括竖直放置的脱氮除磷罐、设置在罐体侧壁且与罐体侧壁一体连接的出水槽和设置在罐体侧壁中上部的曝气机，其中，在罐体内由下至上依次设置下部填料区、承托区、上部填料区，并在上、下部填料区分别装填上部填料、下部填料，从上至下形成上部填料层、承托层和下部填料层;承托区的上表面均匀设置曝气管，曝气机与设置在承托区上表面的曝气管相连通;
2)挂膜处理
将污水从脱氮除磷罐的上部注入，水流向下流，依次经过上部填料层、承托层以及下部填料层，从罐体下部靠近底部的侧壁流出，并开启曝气机，进行装置的生物膜挂膜处理，直至装置出水区出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在80%以上，且总磷去除率达到并保存为85%以上，即得污水脱氮除磷处理装置。
2.一种构建污水脱氮除磷装置的方法，其特征是，包括如下顺序进行的步骤：
1)罐体装填处理
脱氮除磷装置包括竖直放置的脱氮除磷罐、设置在罐体侧壁且与罐体侧壁一体连接的出水槽和设置在罐体侧壁中上部的曝气机，其中，在罐体内由下至上依次设置下部填料区、承托区、上部填料区，并在上、下部填料区分别装填上部填料、下部填料，从上至下形成上部填料层、承托层和下部填料层;承托区的上表面均匀设置曝气管，曝气机与设置在承托区上表面的曝气管相连通;
2)挂膜处理
将厌氧活性污泥注入罐体下部的下部填料层并浸没下部填料;将好氧活性污泥灌注至罐体上部的上部填料层并浸没上部填料;活性污泥浸泡上部、下部填料之后，再将污水引入装置罐体上部的进水口，水流下向流，依次经过上部填料区，承托层，下部填料区，从罐体下部靠近底部的侧壁流出，并开启曝气机，进行装置的生物膜挂膜处理，直至装置出水区出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在80%以上，且总磷去除率达到并保存为85%以上，即得污水脱氮除磷处理装置。
3.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤1)中所述下部填料区与所述罐体的体积之比为50-60：100;所述承托区与所述罐体的体积之比为5-10：100;所述上部填料区与所述罐体的体积之比为30-40：100。
4.如权利要求1或2所述的构建方法，其特征是，步骤1)中所述具有脱氮除磷的上部填料区的填料为：沸石和石灰石;具有脱氮除磷的下部填料区的填料为：硫铁矿颗粒、玉米芯颗粒。
5.如权利要求4所述构建方法，其特征是，所述上部填料区的沸石和石灰石的体积之比为3：(0.5-1);所述下部填料区的硫铁矿颗粒和玉米芯颗粒的体积之比为1：(0.5-1)。
6.如权利要求1所述的构建方法，其特征是，步骤2)中所述挂膜处理过程中控制水力停留时间为4-6h。
7.如权利要求2所述的构建方法，其特征是，步骤2)中所述挂膜处理过程中控制水力停留时间为4-6h。
8.一种污水强化脱氮除磷处理装置，其特征是，按照如权利要求1-7任一所述方法构建而成。
9.一种污水强化脱氮除磷处理方法，其特征是，包括将低C/N比污水输送至如权利要求8所述的污水脱氮除磷处理装置中，控制水流向下流动，水力停留时间≥2h。
10.如权利要求9所述的强化脱氮除磷处理方法，其特征是，输送至强化脱氮除磷装置中的污水处理温度在10-35℃。
说明书
构建污水脱氮除磷装置方法、脱氮除磷装置和脱氮除磷方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种污水的处理装置和处理方法，特别涉及一种污水的脱氮除磷装置及脱氮除磷方法。
背景技术
随着城市化进程的加快和人民生活水平的日益提高，城市污水排放量也在迅速增加，大量未经处理的污水任意排放，造成地表水体的污染日益严重。城市污水是城市水环境污染的主要来源之一，城市污水的处理与资源化使用迫在眉睫。目前，我国城市污水厂采用的工艺中，仍是以各种活性污泥法作为主流。传统生活污水的处理主要分为物理法、化学法和生物法。物理法主要是去除水中的不溶解的悬浮物质，化学法是指向废水中投加化学药剂，通过化学反应达到净水效果。生物法指利用微生物的作用，降解有机物的一种技术，生物法主要用于去除水中的有机物和氨氮等，与物理法和化学法相比，生物处理在去除水中溶解性污染物方面具有较大的优势。
目前城市污水厂大部分均采用较传统的工艺，处理效果较差。随着国家一级A排放标准的逐渐执行，污水厂的出水必须满足TP≤0.5mg/L，因此污水厂对磷的去除要求越来越高。目前，除磷技术主要分为生物除磷技术及化学除磷技术。生物除磷技术一般是通过聚磷菌在厌氧好氧交替的环境下充分释磷和过度吸磷来达到除磷目的的，具有节约能源，运行费用低等一系列优点。然而，生物除磷技术一般不能满足出水TP≤0.5mg/L的要求，因此污水厂常需配套化学除磷技术强化除磷效果。常见的化学除磷技术主要是投加铝盐或铁盐与磷酸根发生沉淀反应，实现磷的直接去除;另外，铝盐或铁盐会通过水解和聚合反应形成多核羟基聚合物来吸附水中的磷，实现磷的间接去除。
水体中的氮主要以氨氮、硝态氮和亚硝态这三中形态存在，当水中的亚硝酸盐氮过高，饮用此水将和蛋白质结合形成亚硝胺，是一种强致癌物质。长期饮用对身体极为不利。鱼类对水中氨氮比较敏感，当氨氮含量高时会导致鱼类死亡。因此对于城市污水处理厂的脱氮越来越重要，但目前城市污水处理厂存在着低碳氮比的问题，这已经成为制约生物脱氮效率的重要因素，污水厂常采用外加碳源的方法强化脱氮，这种处理方法处理效果较好，但也存在着提高处理成本，难以控制，易造成二次污染的问题。因此找到一种深度处理低碳氮比污水的方法有主要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有污水脱氮除磷处理存在的技术问题，提供一种污水的脱氮除磷装置，构建该装置的方法和污水脱氮除磷方法。本发明的装置，可直接加在污水厂设施中，装置运行成本低，实现污水厂出水的深度脱氮除磷;采用本发明提供的处理装置处理污水，出水水质完全满足地表水排放的要求，氮、磷去除率高。本发明装置成本低且脱氮除磷效果稳定，去除效率高，易于操作，易于生产和使用。
为实现本发明的目的，本发明一方面提供一种构建污水脱氮除磷装置的方法，包括如下顺序进行的步骤：
1)罐体装填处理
脱氮除磷装置包括竖直放置的脱氮除磷罐、置在罐体侧壁且与罐体侧壁一体连接的出水槽和设置在罐体外侧壁的中上部的曝气机，其中，在罐体内由下至上依次设置下部填料区、承托区、上部填料区，并在上、下部填料区分别装填上部填料、下部填料，从上至下形成上部填料层、承托层和下部填料层;承托区的上表面均匀设置曝气管，曝气机与设置在承托区上表面的曝气管相连通;
2)挂膜处理
将污水从脱氮除磷罐的上部注入，水流向下流，依次经过上部填料层、承托层以及下部填料层，从罐体下部靠近底部的侧壁流出，并开启曝气机，进行装置的生物膜挂膜处理，直至装置出水区出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在80%以上，且总磷去除率达到并保存为85%以上，即得污水脱氮除磷处理装置。
其中，步骤1)中所述上部填料区与所述罐体的体积之比为(30-40)：100，优选为30：100;所述承托区与所述装置的罐体的体积之比为(5-10)：100，优选为10：100;所述下部填料区与所述装置的罐体的体积之比为(50-70)：100，优选为(50-60):100，进一步优选为60：100;
特别是，所述承托区的高度为5-10cm，优选为8-10cm，进一步优选为10cm;所述下部填料区的高度为50-70cm，优选为60cm;所述上部填料区的高度为30-40cm，优选为30cm。
其中，所述上部填料、下部填料为具有脱氮除磷作用的填料。
特别是，步骤1)中所述上部填料包括沸石和石灰石;下部填料包括硫铁矿颗粒、玉米芯颗粒。
尤其是，所述玉米芯颗粒为玉米果穗脱粒后的穗轴粉碎而成。
玉米芯是玉米果穗去籽脱粒后的穗轴，一般占玉米穗重量的20.0%～30.0%，具有组织均匀、硬度适宜、韧性好、吸水性强、耐磨性能好等优点，是一种重要可回收利用的资源。玉米芯的主要成分以纤维素、半纤维素、木质素和木聚糖为主。
特别是，将所述沸石和石灰石混合均匀后，装填至上部填料区;将硫铁矿颗粒、玉米芯颗粒混合均匀后，装填至下部填料区，形成对污水进行强化脱氮除磷处理的填料区。
尤其是，所述上部填料中沸石与石灰石的体积之比为3：(0.5-1)，优选为3：1;所述下部填料中的硫铁矿颗粒、玉米芯颗粒的体积之比为1：(0.5-1)，优选为1：1。
特别是，所述上部填料中沸石粒径为4-8mm，优选为4mm;石灰石粒径为4-8mm，优选为4mm。所述下部填料中的硫铁矿的粒径为4-8mm，优选为4mm;所述下部填料中的玉米芯颗粒的粒径为6-10mm，优选为6mm。
尤其是，所述上部、下部填料区内填料的孔隙率为25%-50%，优选为30%。
其中，所述承托层为具有垂直方向贯穿的孔洞，使得通过上部填料区的水能够通过承托层进入下部填料区。
承托层具有能够承重，结实的特性，起到了承托上部填料区和均匀布水的作用。
特别是，在承托层的上表面均匀布设置曝气管，曝气管与设置在罐体侧壁外的曝气机相连接，当开启曝气机时，均匀曝气。
曝气机的参数主要是气体流量，曝气的进气流量与其进水的水流流量相关，主要是控制气水比，即气体和液体的流量比，流量比的范围是1:1到5:1之间，优选为1：1。
本发明是针对氨氮和总氮含量超标的污水进行处理，不进行曝气，污水中的溶解氧含量较低，无法有效地去除水中的氨氮，曝气装置主要是为了去除水中的氨氮，曝气机的目的是为上部填料区提供充足的溶解氧，以供硝化细菌将氨氮转化为硝态氮，从在在下部填料区将硝态氮转化为氮气，释放到大气中从而达到脱氮的效果，曝气口的目的是为了曝气的均匀性，保证上部填料的硝化效果。
特别是，所述脱氮除磷罐为长方体形、正方体形、棱柱形，优选为长方体。
尤其是，所述长方体形脱氮除磷罐的高为100-120cm，优选为100cm。
特别是，所述罐体的顶部设置有排气孔，用于排出曝气口的气体。
尤其是，在罐体侧壁的上部开设有进水口，将污水引入罐体，均匀布水。将污水厂出水从进水口输送至罐体上部填料区;再经过承托层和下部填料区，从罐体侧壁下部的与出水槽相连通的排水口将经过脱氮除磷处理后的出水排出罐体。
特别是，所述脱氮除磷装置采用下向流的方式。
尤其是，在水流向下流的过程中，进行曝气处理，开启曝气机，并控制气水比为(1-5)：1，优选为1:1。
其中，脱氮除磷罐的顶部设置有用于排出曝气过程中气体的排气口;用于填装或取出上部填料的上部填料装填口。
特别是，还包括向所述脱氮除磷罐输送气体的曝气机，为脱氮除磷罐内的污水进行曝气处理提供空气或氧气。
其中，所述曝气机与所述的进气口通过导管相连，输送气体至脱氮除磷罐内部。
特别是，在罐体侧壁的上部且靠近顶部的位置开设有进水口，用于向罐体内注入污水;在罐体侧壁的中上部开设有进气口，进气口与所述曝气机相连接向罐体内注入气体;在罐体的中部开设有下部填料装填口，向罐体内装填或取出下部填料;罐体侧壁下部靠近底部的位置开设有排水口，排水口与所述出水槽相连通，将经过脱氮除磷处理的水液导入出水槽，净化后的出水从排水口流入出水槽，进入出水槽的出水从出水槽的顶部的溢流口溢出。
尤其是，所述进气口的设置位置与所述承托层的位置相一致，且与承托层相连通，将外部气体输入承托层，在罐体内进行曝气处理;所述下部填料装填口位于进气口的下方，与下部填料层的顶部位置相适应;所述排水口通常与出水槽的底部相连通。
其中，步骤2)中所述污水为低C/N比污水。
特别是，所述低C/N比为C/N比≤2的污水，优选为C/N比为1～2的污水。
尤其是，所述污水选择C/N比低于2，优选为C/N比为1～2的污水处理厂尾水、市政污水处理厂污水、生活污水。
其中，步骤2)中控制污水的水力停留时间为4-6，优选为5h。
特别是，步骤2)中污水的pH为7-8，优选为7.3-7.6。
其中，开启曝气机，向罐体内注入气体，进行曝气，其中曝气过程中控制气水比为(1-5)：1，优选为1:1。
本发明另一方面提供一种构建污水脱氮除磷装置的方法，包括如下顺序进行的步骤：
1)罐体装填处理
脱氮除磷装置包括竖直放置的脱氮除磷罐、设置在罐体侧壁且与罐体侧壁一体连接的出水槽和设置在罐体外侧壁的中上部的曝气机，其中，在罐体内由下至上依次设置下部填料区、承托区、上部填料区，并在上、下部填料区分别装填上部填料、下部填料，从上至下形成上部填料层、承托层和下部填料层;承托区的上表面均匀设置曝气管，曝气机与设置在承托区上表面的曝气管相连通
2)挂膜处理
将厌氧活性污泥注入罐体下部的下部填料层并浸没下部填料;将好氧活性污泥灌注至罐体上部的上部填料层并浸没上部填料，对上部、下部填料进行浸泡处理;浸泡处理之后，再将污水引入装置罐体上部的进水口，水流下向流，依次经过上部填料区，承托层，下部填料区，从罐体下部靠近底部的侧壁流出，并开启曝气机，进行装置的生物膜挂膜处理，直至装置出水区出水水质维持稳定，污水的总氮去除率达到并保持在80%以上，且总磷去除率达到并保存为85%以上，即得污水脱氮除磷处理装置。
其中，步骤2)所述好氧活性污泥选择市政污水处理厂的活性污泥，优选为卡鲁塞尔氧化沟回流的活性污泥;所述厌氧活性污泥选择厌氧流化床的污泥，优选为上流式厌氧污泥反应器中的污泥。
特别是，所述好氧活性污泥经过浓缩后再灌注至罐体内，浓缩后的好氧活性污泥的MLSS浓度为18000-20000mg/L，优选为19000mg/L;所述厌氧活性污泥浓缩后再灌注至罐体内，浓缩后的好氧活性污泥的MLSS浓度为18000-20000mg/L，优选为19000mg/L。
尤其是，所述市政污水处理厂的好氧活性污泥的MLS浓度为3000-6000mg/L;所述厌氧流化床的厌氧活性污泥的MLSS浓度为3000-6000mg/L.
特别是，浓缩活性污泥浸没罐体1-2h，优选为1.5h。
尤其是，还包括在浸泡处理过程中开启曝气机，进行浸泡处理阶段的曝气处理，控制曝气量为1-2L/min，优选为1L/min。
所述好养污泥为市政污水处理厂氧化沟污泥，市政污水处理厂二沉池的回流的好氧活性污泥也适用于本发明，所述厌氧污泥从厌氧流化床中选取，为市政污水处理厂厌氧流化床污泥。
其中，步骤2)中所述污水为低C/N比的污水。
特别是，所述低C/N比为C/N比≤2的污水，优选为C/N比为1～2的污水。
尤其是，所述污水选择C/N比低于2，优选为C/N比为1～2的污水处理厂尾水、市政污水处理厂污水、生活污水。
其中，步骤2)中控制污水的水力停留时间为4-6h，优选为5h。
特别是，步骤2)中控制污水的pH为7-8，优选为7.3-7.6。
特别是，生物膜挂膜处理过程中，控制曝气的气水比为(1-5)：1，优选为1:1。
本发明再一方面提供一种按照上述方法构建而成的污水强化脱氮除磷除磷装置。
其中，所述上部填料区与所述罐体的体积之比为30-40：100，优选为30：100;所述承托区与所述装置的罐体的体积之比为5-10：100，优选为10：100;所述下部填料区与所述装置的罐体的体积之比为(50-70)：100，优选为(50-60):100，进一步优选为60：100;
特别是，所述承托区的高度为5-10cm，优选为8-10cm，进一步优选为10cm;所述下部填料区的高度为50-70cm，优选为60cm;所述上部填料区的高度为30-40cm，优选为30cm。
其中，所述上部填料区中装填的具有脱氮除磷作用的填料由沸石和石灰石组成，下部填料区中装填的具有脱氮除磷作用的填料由硫铁矿颗粒、玉米芯颗粒组成。
特别是，所述玉米芯颗粒为玉米果穗脱粒后的穗轴粉碎而成。
尤其是，所述沸石、石灰石的体积之比为3：0.5-1，优选为3：1。所述硫铁矿颗粒、玉米芯颗粒的体积之比为1：0.5-1优选为1：1。
特别是，所述上部填料区内的沸石粒径为4-8mm，优选为4mm;石灰石粒径为4-8mm，优选为4mm。所述下部填料区内的硫铁矿的粒径为4-8mm，优选为4mm;所述下部填料区内的玉米芯颗粒的粒径为6-10mm，优选为6mm。
尤其是，所述上部、下部填料区内填料的孔隙率为25%-50%，优选为30%。
特别是，所述罐体为长方体、正方体形、棱柱形，优选为长方体。
特别是，所述罐体的顶部设置有排气孔，用于排出曝气机产生的气体。
本发明又一方面提供一种利用上述污水脱氮除磷装置进行污水脱氮除磷处理的方法，包括将低C/N比污水输送至上述污水脱氮除磷处理装置中，控制水流向下流动，水力停留时间≥2h。
其中，所述水力停留时间选择2-8h。
特别是，在夏季水力停留时间为2-4h，优选为3h;在冬季水力停留时间为6-8h，优选为7h。
尤其是，在夏季将所述污水输送至脱氮除磷装置的下部的布水区，水流从下至上依次从布水区流过承托区、填料区、进入出水区，排出，其中，控制水力停留时间为2-4h，优选为3h。
尤其是，在冬季将所述污水输送至脱氮除磷装置的下部的布水区，水流从下至上依次从布水区流过承托区、填料区、进入出水区，排出，其中，控制水力停留时间为6-8h，优选为7h。
特别是，输送至本发明脱氮除磷装置内的污水处理温度在10-35℃，优选为25-30℃。
其中，控制污水的pH为7-8，优选为7.3-7.6。
特别是，所述污水为低C/N比。
特别是，所述低C/N比为C/N比≤2的污水，优选为C/N比为1～2的污水。
尤其是，所述污水选择C/N比低于2，优选为C/N比为1～2的污水处理厂尾水、市政污水处理厂污水、生活污水。
特别是，还包括在向本发明装置注入污水的同时开启曝气机，向罐体内的污水均匀曝气，进行曝气处理。
尤其是，所述曝气处理过程中控制气水比为(1-5)：1，优选为1：1。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明的强化脱氮除磷装置中使用的硫铁矿、玉米芯价格便宜、原材料宜于获取、工况运行稳定且无需投加外加碳源，降低了成本。
2、本发明采用的污水强化脱氮除磷装置处理污水的过程中填料区的玉米芯能够为异养反硝化提供碳源，同时其具有质量轻、组织均匀、硬度适宜、韧性好、吸水性强、耐磨性能好等优点。
3、本发明的污水脱氮除磷装置的上部填料区含有石灰石和沸石，上部填料区主要作用是将氨氮转化为硝态氮，在下部填料区进行反硝化;沸石是硝化细菌良好的载体，石灰石可以为硝化细菌的硝化反应和下部填料区的反硝化反应提供碱度。下部填料区含有硫铁矿、玉米芯，硫铁矿为电子供体的自养反硝化产物生成物中存在Fe3+，加强了装置的除磷效果，玉米芯既能够为微生物提供了生长附着的载体，同时也为微生物异养脱氮提供碳源。采用异养反硝化脱氮和自养反硝化脱氮组合的工艺有利于提高脱氮效率，同时异养脱氮微生物的加入有利于降低出水的硫酸盐含量。
4、采用本发明的低C/N比污水脱氮除磷装置处理污水，污水的脱氮效率高，氮去除率超过91%，达到91.7-99.5%;污水除磷效率高，磷去除率超过90%，达到90.6-99.2%。
5、本发明的污水强化脱氮除磷装置先将污水氨氮转化为硝态氮，然后在下部填料区去除氮和磷。罐体内发生脱氮处理时，硫铁矿提供电子供体时，在厌氧条件下完成脱氮反应：NO3-+13FeS2+23H2O→12N2+23SO42-+13Fe(OH)3+13H+;当硫铁矿为脱氮反应提供电子供体时，产生了Fe3+,可与水中的磷酸根结合生成硫酸铁盐等难溶性物质，从而将水中的磷去除。以玉米芯为碳源进行异养反硝化脱氮时：
C6H12O6+12NO3-→6H2O+6CO2+12NO2-+能量，
CH3COOH+8NO3-→6H2O+10CO2+4N2+8OH-+能量，
该过程中产生的二氧化碳有利于厌氧环境的形成，同时可以为脱氮反应提供一定的碱度。本发明的污水强化脱氮除磷装置在同一填料区内，同时进行异氧、自养脱氮除磷处理，玉米芯异氧反硝化脱氮处理产生中间产物NO2-，在后续过程中会转变为氮气，同时硫自养脱氮硫杆菌利用NO2-将其转化为氮气。异养脱氮硫杆菌利用产生的能量用于异养微生物的生长繁殖。
本发明的污水脱氮除磷装置的上部填料区内含沸石和石灰石，并采取曝气措施将氨氮转化为硝态氮，然后在下部调料区中有硫铁矿、玉米粒，采用微生物异养脱氮耦合硫自养脱氮技术，提高装置的脱氮除磷效率，在填料区同时进行自养、异氧脱氮除磷。脱氮硫杆菌利用硫磺为电子供体进行反硝化，实现脱氮，脱氮硫杆菌利用硫铁矿为电子供体进行反硝化时，产生的铁离子有利于去除水中总磷。异养脱氮微生物利用玉米芯作为碳源进行异养反硝化脱氮。玉米芯具有组织均匀、硬度适宜、韧性好、吸水性强、耐磨性好等优点。装置中的玉米芯既可以为微生物提供生长附着的载体，同时也可以为异养反硝化微生物提供碳源，异养反硝化脱氮过程的进行也会影响硫自养反硝化脱氮，降低产生的硫酸盐。增强装置的脱氮效率。以硫铁矿为电子供体，提高了污水的除磷效果，填料还保证了装置内污水的酸碱稳定，脱氮过程中产生的Fe3+对于总磷有较好的去除效果，提高脱氮、除磷效率。
