CN103449682B

CN103449682B - 一种利用工业固体废弃物脱氮除磷的装置及方法

Info

Publication number: CN103449682B
Application number: CN201310426275.7A
Authority: CN
Inventors: 汪龙眠; 张毅敏; 晁建颖; 杨飞; 高月香
Original assignee: Nanjing Institute of Environmental Sciences MEP
Current assignee: Nanjing Institute of Environmental Sciences MEP
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: CN103449682A

Abstract

本发明属于污水脱氮除磷领域，公开了一种利用工业固体废弃物脱氮除磷的装置及方法。该装置包括一级装置和二级装置，一级装置水平设置在二级装置的前部，且一级装置的底部和二级装置的底部通过管道连通，该管道上设置有二号电磁阀和水泵；一级装置内自上而下依次为植物层、一级装置反应滤料和鹅卵石，一级装置反应滤料为脱水铝污泥与轻烧氧化镁的混合物或脱水铝污泥与红砂的混合物；二级装置自上而下依次为二级装置反应滤料和鹅卵石，二级装置反应滤料为酸中和残渣与轻烧氧化镁的混合物或酸中和残渣与红泥球粒的混合物。该装置和方法充分发挥滤料协同作用机制，配以合理的运行工艺，实现了占地面积小、运行费用低，污水中氮磷高效去除的目的。

Description

一种利用工业固体废弃物脱氮除磷的装置及方法

技术领域

本发明属于污水脱氮除磷领域，更具体地说，涉及一种利用工业固体废弃物对农村生活污水和畜禽养殖废水进行脱氮除磷的装置及方法。

背景技术

随着我国经济的迅速发展，农村生活以及畜禽养殖废水的污染问题日益严重。两种类型污水最大的特点是氮磷浓度高。氮磷也是污水污染物中受关注度最高的成分。水体作为一个重要会集地，随着氮磷不断输入而饱和时，会引起水体富营养化等一系列严重环境问题，同时给人类的生产生活带来了一定的负面影响，构建适合农村污水分散式分布和畜禽养殖规模特点并且能够高效去除氮磷的污水处理***势在必行。

目前我国农村生活污水和畜禽养殖场废水处理设施的普及率较低，一部分设施存在着处理工艺简单、效果不好的问题；一部分虽然污染物去除效果较好，但其投资成本大、需要高额运行费用或较大的土地面积，例如一些厌氧好氧一体化工艺运行成本高、能耗大，人工湿地占有大量土地、基建费用高；还有一部分工艺对氮或磷的去除率较高，但无法使两者都能长期高效去除，例如砂滤处理***和藻类塘技术。为达到低能耗、高效率去除废水中氮磷之目的，以资源的高效循环利用为核心思路，研究新的处理设备和运行工艺，并有效应用于农村生活和畜禽养殖场污水处理，这是和整个环保经济可持续发展的大目标相吻合的。

滤料作为污水处理反应的介质，其性能的好坏直接影响污水中氮和磷去除的效率，已有的报道中某些工业废弃物被广泛应用于污水处理中，例如无烟煤、钢渣、粉煤灰等。近几年水厂、矿业和冶金过程中产生的副产品的综合利用成为研究热点，其中包括脱水铝污泥、酸中和残渣、轻烧氧化镁、红砂和红泥球粒。脱水铝污泥、酸中和残渣和轻烧氧化镁分别来自于自来水厂净水过程中的副产物、生产金红石过程中产生的残渣和氧化镁生产中的残余物，前两者含有丰富的铁和钙，后者以氧化镁为主，从对水体污染物去除方面分析，脱水铝污泥对污水脱氮除磷有较好的效果，酸中和残渣可降低地表水体中溶解性有机物、氮和磷的浓度，轻烧氧化镁通过化学吸附去除污水中的磷；红砂和红泥球粒是氧化铝精炼中不同形态的废弃物，此种残渣富含铁，在废水处理中可高效去除和吸附营养物质及微量金属元素。另外上述几种工业固体废弃物都有较大的比表面积，对水体中的污染物有一定的吸附能力，同时化学组成稳定无二次污染，若能将几者结合作为滤料应用于农村生活和畜禽养殖废水处理技术中，一方面可以提供低价高效的反应介质，另一方面也可以提供一种新的资源化利用的处理方式。

已有文献中有上述几种工业废弃物单独作为滤料处理污水或地表水，鲜有采用两种或两种以上滤料混合后处理生活污水或畜禽养殖废水；此外，单一滤料去除污水中污染物质种类受限，而滤料混合在一起直接进行污水处理氮、磷去除效果差；另外某些技术存在占地面积大、运行费用高的问题。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对各种现有的农村生活污水和畜禽养殖废水小型处理***不能兼具建设运行成本低廉且能同时高效去除污水中氮和磷的问题，本发明提供了一种利用工业固体废弃物脱氮除磷的装置及方法。该装置和方法充分发挥滤料协同作用机制，同时配以合理的运行工艺，实现了占地面积小、运行费用低，污水中氮和磷高效去除的目的。

2.技术方案

本发明的原理：采用脱水铝污泥、酸中和残渣、轻烧氧化镁、红砂和红泥球粒等工业废弃物作为滤料，利用滤料本身较大的比表面积对污水中的磷进行吸附，同时借助两级结构、分阶段进水和厌氧好氧交替进行的运行工艺，充分发挥存在滤料上的脱氮微生物功能菌的活性对污水中的氮进行高效利用。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种利用工业固体废弃物脱氮除磷的装置，包括一级装置和二级装置，所述的一级装置水平设置在二级装置的前部，且所述的一级装置的底部和二级装置的底部通过管道连通，该管道上设置有二号电磁阀和水泵；

所述的一级装置内自上而下依次为植物层、一级装置反应滤料和鹅卵石，一级装置反应滤料为脱水铝污泥与轻烧氧化镁的混合物或脱水铝污泥与红砂的混合物；

所述的二级装置自上而下依次为二级装置反应滤料和鹅卵石，二级装置反应滤料为酸中和残渣与轻烧氧化镁的混合物或酸中和残渣与红泥球粒的混合物；

所述的一级装置的一级装置反应滤料内中底部设置有曝气扩散口，曝气扩散口与空气压缩机连接的管道上设置一号电磁阀，且一级装置旁侧设置有回流管道连通一级装置的底部和上端，该回流管道上设置回流泵。

优选地，所述的空气压缩机、回流泵、水泵、一号电磁阀和二号电磁阀均与自动控制***连接。

一种利用工业固体废弃物脱氮除磷的方法，其步骤为：

（1）搭建上述装置，关闭水泵和二号电磁阀，一级装置内污水处理过程分两个步骤：

首先一级装置有效容积50～70%体积的原污水从一级装置上部进入并在厌氧状态下停留一定时间，回流部分污水的同时开始好氧曝气；

曝气结束后，一级装置再布入一级装置有效容积30～50%体积的原污水使一级装置达到满负荷，在厌氧状态下停留一定时间，再次回流部分污水同时开始好氧曝气；

（2）开启水泵和二号电磁阀，使经一级装置处理后的污水从二级装置下部进入，污水与二级装置反应滤料接触混合，将一级装置内所有污水泵入二级装置后停留一定时间，处理后的污水从二级装置下部鹅卵石层排出。

优选地，所述的一级装置在步骤（1）中两次厌氧状态停留时间分别为40～60min、70～90min，好氧曝气时间分别为40～60min、30～50min，曝气量均为2.0～5.0mL h^-1·L^-1，污水回流量占进水量的比例均为60～90%。

优选地，所述的二级装置水力停留时间为30～60min。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

（1）本发明提出的污水脱氮除磷的装置和方法，利用工业固体废弃物作为反应介质，通过构造两级结构，实施分阶段布水和厌氧好氧交替运行的方式，从而实现了污水中氮和磷两种营养物质高效去除；

（2）本发明的装置和方法再生利用几种工业固体废弃物作为滤料，几种滤料的物理化学性质便于吸附和脱氮菌发挥活性，两级结构设计增加了污水与填料接触反应的时间；同时分阶段布水及时补充了装置中的碳源，利于反硝化脱氮的进行；此外，厌氧好氧交替运行的方式增加硝化和反硝化的频次，提高氮的去除率。上述措施保证了废水中的氮和磷得到更加充分的处理；

（3）本发明的装置及方法选用多种滤料组合设计的运行方式，可以避免单独一种滤料去除污水中污染物质种类单一，同时采用科学的布料及组合方法，克服了滤料直接结合在一起进行污水处理氮、磷去除率低的问题，保证了氮磷的高效去除；

（4）本发明所选材料成本低廉、效果显著，尤其适合农村生活污水和畜禽养殖废水处理，具有较大的市场前景和推广应用价值。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

图中：1、一级装置；2、二级装置；3、一级装置反应滤料；4、二级装置反应滤料；5、植物层；6、鹅卵石；7、曝气扩散口；8、空气压缩机；9、回流泵；10、水泵；11、一号电磁阀；12、二号电磁阀；13、自动控制***。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：对某农村生活污水进行处理

如图1，一级装置1呈圆柱形高1.6m，直径1.2m，滤料层高度1.5m，有效容积1.7m3，一级装置反应滤料3层和鹅卵石6层高度分别为1.4m和10cm，一级装置反应滤料3选用脱水铝污泥和轻烧氧化镁，两者分别来自某自来水厂和某氧化镁生产厂，一级装置1上部栽种植物层5，品种为吊钟柳；二级装置2呈圆柱形且尺寸结构与一级装置1相同，二级装置反应滤料4选用酸中和残渣与轻烧氧化镁，两者分别来自某钛铁矿厂和某氧化镁生产厂；一级装置1的底部和二级装置2的底部铺设管道连通，该管道上设置有二号电磁阀12和水泵10；一级装置1的一级装置反应滤料3底部安装曝气扩散口7，利用空气压缩机8将空气通过曝气扩散口7鼓入一级装置1中，空气压缩机8与曝气扩散口7连接的管道上设置一号电磁阀11，且一级装置1回流管道上设置回流泵9；空气压缩机8、回流泵9、水泵10、一号电磁阀11和二号电磁阀12均与自动控制***13连接；整个装置及管道均用PVC材料制成。

***运行情况：在水力负荷为1.0m³m-²d^-1的条件下进行布水，首先，通过自动控制***13控制关闭水泵10和二号电磁阀12，将一级装置1有效容积60%体积的原污水（1.0m³）从一级装置1上部布入该装置，在厌氧状态下停留45min，停留后通过回流泵9将0.7m³的污水回流至一级装置1上部，同时开启空气压缩机8和一号电磁阀11，好氧曝气时间为50min，鼓入空气量3.0mL h^-1·L^-1；曝气结束后，一级装置1再布入一级装置1有效容积40%体积的原污水（0.7m³），在厌氧状态下停留70min，停留之后通过回流泵9将1.2m³的污水回流至一级装置1上部，同时开始好氧鼓风曝气，二次曝气时间为40min，鼓入空气量3.0mL h^-1·L^-1；二次曝气结束后，开启水泵10和二号电磁阀12，经一级装置1处理后的污水通过上流式布水方式进入二级装置2；最后污水在二级装置2停留40min，处理后的污水从二级装置2下部鹅卵石6层排出，即完成一个完整运行周期。

此***连续运行4月，每隔7天对出水水质进行监测，重点研究氮和磷的出水浓度及去除率，某农村生活污水经此***处理后，单一滤料组合出水中COD、氨氮、总氮和总磷去除率变化范围分别是41～72%、71～80%、27～54%和96～98%，本发明的组合滤料出水中COD、氨氮、总氮和总磷去除率变化范围分别是80～86%、94～99%、80～86%和99%（如表1），组合滤料比单一滤料组合工艺具有较高的氮、磷去除效果。

表1实施例1中某农村生活污水的进水与出水水质测试指标情况

测试指标	COD(mg/L)	NH₃-N(mg/L)	TN(mg/L)	TP(mg/L)
					进水	130～320	25.2～53.1	27.1～68.9	2.33～6.45
单一滤料组合出水	76.8～90.6	7.3～10.6	12.6～36.7	0.08～0.13
					组合滤料出水	26.2～45.1	1.2～3.1	4.8～9.6	0.01～0.03

单一滤料组合去除率（%）	41～72	71～80	27～54	96～98
					组合滤料去除率（%）	80～86	94～99	80～86	99

实施例2：对某养殖场废水进行处理

如图1，一级装置1呈立方体高1.5m，长1.0m，宽0.7m，滤料层高度1.4m，有效容积1.0m³，一级装置反应滤料3层和鹅卵石6层高度分别为1.3m和10cm，一级装置反应滤料3选用脱水铝污泥和红砂，两者分别来自某自来水厂和某氧化铝精炼厂，且加入质量相同，一级装置1上部栽种植物层5，品种为芦苇；二级装置2呈立方体且尺寸结构与一级装置1相同，二级装置反应滤料4选用酸中和残渣与红泥球粒，两者分别来自某钛铁矿厂和某氧化铝精炼厂，且加入质量相同；一级装置1的底部和二级装置2的底部连通，该管道上安装有水泵10和二号电磁阀12；一级装置1的一级装置反应滤料3底部设置曝气扩散口7，利用空气压缩机8将空气通过曝气扩散口7鼓入一级装置1中，空气压缩机8与曝气扩散口7连接的管道上设置一号电磁阀11，且一级装置1回流管道上设置回流泵9；空气压缩机8、回流泵9、水泵10、一号电磁阀11和二号电磁阀12均与自动控制***13连接；整个装置及管道均用有机玻璃材料制成。

***运行情况：在水力负荷为0.8m³m-²d^-1的条件下进行布水，首先，通过自动控制***13控制关闭二号电磁阀12和水泵10，将一级装置1有效容积50%体积的原污水（0.5m³）从一级装置1上部布入该装置，在厌氧状态下停留60min，停留后通过回流泵9将0.4m³的污水回流至一级装置1上部，同时开启空气压缩机8和一号电磁阀11，好氧曝气时间为40min，鼓入空气量4.0mL h^-1·L^-1；曝气结束后，一级装置1再布入一级装置1有效容积50%体积的原污水（0.5m³），在厌氧状态下停留80min，停留之后通过回流泵9将0.8m³的污水回流至一级装置1上部，同时开始好氧鼓风曝气，二次曝气时间为50min，鼓入空气量4.0mL h^-1·L^-1；二次曝气结束后，开启水泵10和二号电磁阀12，经一级装置1处理后的污水通过上流式布水方式进入二级装置2；最后污水在二级装置2停留60min，处理后的污水从二级装置2下部鹅卵石6层排出，即完成一个完整运行周期。

此***连续运行3月，每隔一周对水质进行监测，研究结果显示，养殖场废水处理采用组合滤料对氨氮、总氮和总磷去除效果好于单一滤料组合工艺（如表2）。

表2实施例2中某养殖场废水的进水与出水水质测试指标情况

Claims

1.一种利用工业固体废弃物脱氮除磷的装置，包括一级装置(1)和二级装置(2)，其特征在于，所述的一级装置(1)水平设置在二级装置(2)的前部，且所述的一级装置(1)的底部和二级装置(2)的底部通过管道连通，该管道上设置有二号电磁阀(12)和水泵(10)；

所述的一级装置(1)内自上而下依次为植物层(5)、一级装置反应滤料(3)和鹅卵石(6)，所述的一级装置反应滤料(3)为脱水铝污泥与轻烧氧化镁的混合物或脱水铝污泥与红砂的混合物；

所述的二级装置(2)自上而下依次为二级装置反应滤料(4)和鹅卵石(6)，所述的二级装置反应滤料(4)为酸中和残渣与轻烧氧化镁的混合物或酸中和残渣与红泥球粒的混合物；

所述的一级装置(1)的一级装置反应滤料(3)内中底部设置有曝气扩散口(7)，所述曝气扩散口(7)与空气压缩机(8)连接的管道上设置一号电磁阀(11)，且所述的一级装置(1)旁侧设置有回流管道连通一级装置(1)的底部和上端，该回流管道上设置回流泵(9)；

其中，所述的红砂是是氧化铝精炼中产生的废弃物；所述的酸中和残渣是生产金红石过程中产生的残渣。

2.根据权利要求1所述的一种利用工业固体废弃物脱氮除磷的装置，其特征在于，空气压缩机(8)、回流泵(9)、水泵(10)、一号电磁阀(11)和二号电磁阀(12)均与自动控制***(13)连接。

3.一种利用工业固体废弃物脱氮除磷的方法，其步骤为：

(1)搭建权利要求1所述的装置，关闭水泵(10)和二号电磁阀(12)，一级装置(1)内污水处理过程分两个步骤：

首先一级装置(1)有效容积50～70％体积的原污水从一级装置(1)上部进入并在厌氧状态下停留一定时间，回流部分污水的同时开始好氧曝气；

曝气结束后，一级装置(1)再布入一级装置(1)有效容积30～50％体积的原污水使一级装置(1)达到满负荷，在厌氧状态下停留一定时间，再次回流部分污水同时开始好氧曝气；

(2)开启水泵(10)和二号电磁阀(12)，使经一级装置(1)处理后的污水从二级装置(2)下部进入，污水与二级装置反应滤料(4)接触混合，将一级装置(1)内所有污水泵入二级装置(2)后停留一定时间，处理后的污水从二级装置(2)下部鹅卵石(6)层排出。

4.根据权利要求3所述的一种利用工业固体废弃物脱氮除磷的方法，其特征在于，所述的一级装置(1)在步骤(1)中两次厌氧状态停留时间分别为40～60min、70～90min，好氧曝气时间分别为40～60min、30～50min，曝气量均为2.0～5.0mL·h^-1·L^-1，污水回流量占进水量的比例均为60～90％。

5.根据权利要求3或4所述的一种利用工业固体废弃物脱氮除磷的方法，其特征在于，二级装置(2)水力停留时间为30～60min。