CN117682599A - 一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于极限脱氮除磷的铁‑硫铁矿‑沸石复合滤池装置，属于污水生物处理技术领域。在去除城镇尾水中溶解性无机氮的基础上，深度去除溶解性有机氮，同时除磷。该方法包括以下步骤：(1)城镇尾水经过进水泵以固定流速进入复合滤池；(2)复合滤池下部混合填充铁屑和硫铁矿，尾水流经去除硝酸盐和磷酸盐，同时有机氮转化成氨氮，实现氮磷的去除；(3)复合滤池上部填充沸石，可吸附氨氮，实现无机氮的深度去除。通过铁屑、硫铁矿和沸石的协同作用，实现尾水的极限脱氮除磷，且无需外加有机碳源即可实现总氮的绿色去除。该方法的核心创新点是深度去除了低碳氮比城镇尾水中的氮磷污染物，并高效去除有机氮。
Description
技术领域
本发明涉及污水生物处理技术领域，具体是指一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置。
背景技术
随着污水处理厂的提标改造，出水氮磷浓度降低，在污水处理过程中大部分溶解性无机氮(DIN)和无机磷(DIP)可以被有效去除，相比之下，溶解性有机氮(DON)很难去除，成为限制出水氮磷浓度进一步降低的关键制约因素。传统的生物脱氮技术如A/O工艺对DON的去除率较低。反硝化脱氮对DON的去除也存在困难，脱氮深度和速率都不高，这主要是由于现有反硝化填料的性能所限，如粉煤灰等天然矿物填料，对DON去除效果很有限。
硫铁矿是地壳中广泛存在的一种含硫和铁的矿物，可以作为自养反硝化的可持续底物，可有效去除NO3 --N和难降解的DON，且无需外加有机碳源，污泥产量低，硫铁矿溶出的亚铁离子与磷酸根形成沉淀除磷。但硫铁矿自养反硝化启动慢，水力停留时间长限制了实际应用。铁自养反硝化反应速率快，效率高，但单一形式铁的应用中，铁的形态和反应性能随运行时间发生变化，导致反硝化性能下降。所以，单一的自养反硝化工艺无法满足对氮磷的高效深度去除，铁-硫铁矿复合体系集成了两者的优势，既具有铁自养反硝化的高反应性，也具有硫铁矿自养反硝化的持续性。同时，铁屑可以利用硫铁矿自养反硝化产生的H+转化为Fe2+，与磷酸根形成沉淀除磷。此外，沸石材料加入，可通过静电引力吸附DON去除过程中产生的NH4 +-N，有助于进一步提升氮去除水平。
因此，一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置技术的开发，可望实现污水中氮磷化合物，特别是难降解DON的高效快速去除，具有重大的环境和应用意义。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明提供一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置，混合铁屑和硫铁矿，硫铁矿溶出的亚铁离子与磷酸根形成沉淀除磷，同时铁屑利用硫铁矿自养反硝化产生的H+转化为亚铁离子，也可与磷酸根形成沉淀除磷，二者结合可充分发挥铁自养反硝化和硫铁矿自养反硝化的优势去除氮化合物，进一步通过沸石吸附DON转化过程中产生的氨氮，并且无需投加有机碳源强化反硝化，即可在去除DIN和DIP的基础上，深度去除DON。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置，包括进水泵、进水口、水口、气-水联合反冲洗***以及设置在滤池内的布水器、填料支架、填料和沉降池。
作为优选，复合滤池底部进水管与布水器连接，底部有填料支架，作为填料的支撑层。
作为优选，气-水联合反冲洗***分别为设置在复合滤池底部的反冲洗气管和顶部的反冲洗水管，当装置存在堵塞时，将复合滤池顶部的密封装置打开，先开启底部的反冲洗气管进行气洗，再开启顶部的反冲洗水管进行水洗，之后进行气-水联合反冲洗，之后恢复运行。
复合滤池的有效体积占总体积的80％，下层填充体积比1：4-9的混合均匀的铁屑和硫铁矿并接种活性污泥，所占体积为填料总体积的80％，上层填充沸石，占填料总体积的20％。
作为优选，接种活性污泥包括厌氧污泥和硫自养反硝化污泥。
反硝化滤池顶部设置沉降池，并设有出水口，处理完的废水溢流出水。
一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置，步骤如下：
1)复合滤池采取上流式进水模式，滤池分为进水区(1)、填料区(2)和出水区(3)三部分，废水通过进水泵以一定流速进入到反硝化滤池内，通过布水器(6)使废水均匀充分接触到填料，处理后的废水通过沉降池(11)溢流出水；
2)废水在进入反硝化滤池前，先曝氮气，降低溶解氧含量；
3)填料区(2)下层是30-32cm的混合填料层(9)，铁屑和硫铁矿以1：4-9的体积比混合均匀，并接种活性污泥，上层填充8-10cm的沸石，废水通过铁-硫铁矿进行第一次脱氮除磷，去除硝酸盐、磷酸盐和有机氮，再经过沸石(7)吸附，二次脱氮，去除有机氮转化过程中生成的氨氮。
4)当装置存在堵塞时，通过气-水联合反冲洗***对装置进行反冲洗；反冲洗时，先关闭出水口(12)，先开启反冲洗气管(8)进行气洗，再开启反冲洗水管(13)进行水洗，之后进行气-水联合反冲洗，之后恢复运行。
步骤1)中所述废水，采用城镇污水处理厂二沉池出水，其硝酸盐浓度为16-22mg/L，几乎不含氨氮和亚硝酸盐，磷酸盐浓度为0.7-1.2mg/L，有机氮浓度在1.5-2.2mg/L之间，COD为14-20mg/L，是典型的低C/N废水。
步骤3)中所述铁屑、硫铁矿和沸石的粒径分别为1-9mm、3-4mm和6-8mm，使用前先用稀盐酸浸泡2小时，除去表面氧化物和杂质，随后用去离子水充分冲洗至中性，并烘干后使用。
步骤3)中所述活性污泥为2-3g/L的厌氧污泥和1-2g/L的硫自养反硝化污泥
作为优选，水力停留时间设置为4-12h。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
(1)铁-硫铁矿-沸石反硝化滤池在处理低C/N废水时，无需外加有机碳源即可实现深度去除有机氮，污泥产量低，污水处理过程中二氧化碳的排放量少，符合目前国际主导的碳中和和可持续发展的绿色发展理念；
(2)铁屑的加入可以利用氧气，大幅削减进水的溶解氧，创造良好的缺氧环境，硫铁矿可促进反硝化菌的生长以及为反硝化提供能量，从而形成协同促进效应，显著提高对氮污染物尤其是有机氮的去除率。
(3)铁自养反硝化过程产生碱度，可以弥补硫铁矿自养反硝化造成的碱度消耗。
(4)硫铁矿中的溶出的Fe2+以及铁屑利用硫铁矿自养反硝化产生的H+转化出的Fe2 +，可以与PO4 3-形成沉淀，达到极限除磷的效果。
(5)铁屑、硫铁矿和沸石价格低廉，原料易得，有效节约成本。
(6)铁自养反硝化和硫铁矿自养反硝化的结合，解决了单一铁屑作为电子供体易板结，单一硫铁矿作为电子供体启动缓慢周期长的缺陷，铁和硫铁矿混合，同时以铁单质和硫化物作为电子供体，可有效去除硝酸盐和有机氮。
(7)有机氮在转化过程中通过脱氨基作用生成氨氮，添加沸石吸附氨氮，显著提高对无机氮和有机氮的去除率。
(8)三者联用实现深度脱氮的同时，运行成本低、工艺简单，可有效脱氮除磷，解决废水处理中有机氮深度去除的难题。
附图说明
附图1为本发明结构示意图
附图中所示标号：1、进水区；2、填料区；3、出水区；4、进水泵；5、进水口；6、布水器；7、填料支架；8、反冲洗气管；9、混合填料层；10、沸石；11、沉降池；12、出水口；13、反冲洗水管
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，不应该用来限制本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明一较佳实施例提供一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置，所述复合滤池本体由下至上依次分为进水区1、填料区2和出水区3，进水区1内设有进水泵4、进水口5、布水器6、填料支架7和反冲洗气管8，出水区3内设有沉降池11、出水口12和反冲洗水管13；废水经底部进水口5输入，进水口5连接有布水器6，以将来水进行布水；废水处理后经过沉降池11由出水口12排出。
所述填料区3由下至上依次混合填料层9和沸石10，所述混合填料层9为混合均匀的体积比为1：4-9的铁屑和硫铁矿，废水经过混合填料层9实现一次脱氮除磷，经过沸石实现二次脱氮。
所述复合滤池通过进水泵4调节进水流速，控制水力停留时间在4-12h。
所述反硝化滤池的填料区2沿高度至少设置三个取样口，三个取样口在填料区均匀分布，间隔为10cm左右，方便进行水质监测，监测不同层填料对废水的脱氮除磷情况，并根据废水处理情况调整填料的用量及比例。
所述填料区2铁屑、硫铁矿和沸石的粒径分别为1-9mm、3-4mm和6-8mm。
所述混合填料层9接种活性污泥，所述活性污泥为2-3g/L的厌氧污泥和1-2g/L的硫自养反硝化污泥。
所述废水取自城镇污水处理厂二沉池出水，其硝酸盐浓度为16-22mg/L，磷酸盐浓度为0.7-1.2mg/L，DON为1.5-2.5mg/L，COD为14-20mg/L。
所述复合滤池存在堵塞时，通过气-水联合反冲洗***对装置进行反冲洗；反冲洗时，将填料区2中的含磷沉淀物清除，恢复处理能力，防止填料板结。
实施例1：一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置，所述方法包括铁自养反硝化、硫铁矿自养反硝化以及沸石吸附，具体步骤如下：
1)尾水经布水后进入铁屑和硫铁矿混合填料层，通过铁自养反硝化和硫铁矿自养反硝化进行一次脱氮，去除硝酸盐和有机氮，铁的添加大幅削减进水溶解氧浓度，形成缺氧环境，有利于反硝化菌的生长，同时通过硫铁矿溶出的Fe2+以及铁屑利用硫铁矿自养反硝化产生的H+转化出的Fe2+，与PO4 3-形成沉淀，达到极限除磷的效果；
2)步骤1)处理后的尾水进入沸石层，步骤1)处理后的尾水由于有机氮的脱氨基作用会生成氨氮，通过沸石的吸附进行二次脱氮，去除氨氮，实现有机氮和无机氮的极限去除；
其中，装置中铁屑、硫铁矿和沸石粒径分为1-9mm、3-4mm和6-8mm；填料支架高度为5cm；铁屑和硫铁矿以1：4-9的体积比混合填充在填料支架上部，高度为30-32cm；沸石填充在铁屑和硫铁矿混合填料上部，高度为8-10cm；步骤1)中尾水采用城镇污水处理厂二沉池出水，是典型的低C/N废水。
进一步的，为了更清楚的理解本方法，下面做一进步说明：
反硝化滤池为圆柱形有机玻璃反应器，有效体积1.8L，高57cm，直径7cm，在运行过程中，反硝化滤池的温度维持在28±2℃。
水力停留时间设置为4-12h，由进水泵以一定流速稳定均匀进水。
尾水在进入反硝化滤池前，先曝氮气，使其溶解氧浓度降低到2mg/L以下。
反硝化滤池外用黑色遮光布遮挡，防止光照对微生物产生影响，防止藻类生成。
反硝化滤池稳定运行100天，出水氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐浓度均小于1.0mg/L，DIN去除率在97.0％以上，出水DON浓度小于0.75mg/L，DON去除率在70.0％以上，出水磷酸盐浓度在0.1mg/L以下，DIP去除率在99％以下。
对比例1：其与实施例1)的区别在于无铁屑，混合填料层仅填充30-32cm的硫铁矿，上层填充8-10cm的沸石，其他均与实施例1)一致。
硫铁矿自养反硝化菌群生长慢导致生物反应器启动周期长，随着反应的进行，硫铁矿表面参与反应被钝化，处理速度慢，反应进行100天，出水中有硝酸盐和氨氮，总无机氮去除率仅有20.0％左右，有机氮去除率在35.0％左右，出水磷酸盐浓度较低，低于0.2mg/L。
对比例2：其与实施例1)的区别在于无硫铁矿，混合填料层仅填充30-32cm的铁屑，上层填充8-10cm的沸石，其他均与实施例1)一致。
铁自养反硝化相较于硫铁矿自养反硝化反应速度快，但铁屑易板结，使用寿命短，出水有硝酸盐和氨氮，反应前期去除效果好，但反应后期无机氮去除率仅有25.0％左右，有机氮去除率30.0％左右，出水磷酸盐浓度低于0.4mg/L。
对比例3：其与实施例1)的区别仅在于无沸石，全部填充体积比为1：9的铁屑和硫铁矿，且混合均匀，填充高度为38-40cm，其他均与实施例1)一致。出水中有氨氮1.0-1.7mg/L，其他去除效果与实施例1)基本一致。
表1四组复合滤池稳定运行阶段氮磷去除率对比
从试验结果可知，采用本发明铁-硫铁矿-沸石复合反硝化滤池处理尾水，无机氮和有机氮的去除率维持在较高水平，出水总氮浓度远低于对照组，出水磷酸盐也维持在较低水平。相比之下用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置具有良好的性能和成本效益，在处理硝酸盐污水或低碳氮比城镇尾水中具有广阔的应用前景。
上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。
Claims (6)
1.一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置，其特征在于：所述装置由下至上依次为进水区(1)、填料区(2)和出水区(3)，所述进水区(1)包括进水泵(4)、进水口(5)、布水器(6)、填料支架(7)和反冲洗气管(8)，所述填料区(2)包括混合填料层(9)和沸石(10)，所述出水区(3)包括沉降池(11)、出水口(12)和反冲洗水管(13)。
2.一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置，其特征在于，步骤如下：
1)复合滤池采取上流式进水模式，废水通过进水泵(4)经进水口(5)进入复合滤池，经过布水器(6)后废水均匀稳定的依次经过混合填料层(9)和沸石(10)层；
2)处理后的废水，经过沉降池(11)进行泥水分离，最后通过出水口(12)溢流出水；
3)当装置存在堵塞时，通过气-水联合反冲洗***对装置进行反冲洗，反冲洗时，先开启反冲洗气管(8)进行气洗，再开启反冲洗水管(13)进行水洗，之后进行气-水联合反冲洗，之后恢复运行。
3.根据权利要求2所述的一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置，其特征在于：步骤1中混合填料层(9)和沸石(10)分别占填料区(2)体积的80％和20％，实现硝酸盐、磷酸盐、溶解性有机氮和氨氮的去除。
4.根据权利要求2所述的一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置，其特征在于：步骤1中所述混合填料层(9)由体积比为1：4-9的铁屑和硫铁矿均匀混合组成并接种活性污泥。
5.根据权利要求2所述的一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置，其特征在于：步骤1中所述混合填料层(9)中所用铁屑、硫铁矿以及沸石(10)粒径分别为1-9mm，3-4mm和6-8mm。
6.根据权利要求5所述的一种用于极限脱氮除磷的铁-硫铁矿-沸石复合滤池装置，其特征在于：所述铁屑、硫铁矿和沸石使用前在稀盐酸中浸泡2小时，除去表面氧化物和杂质，随后用去离子水充分冲洗至中性，并烘干后使用。
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