CN112320949B

CN112320949B - 一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统

Info

Publication number: CN112320949B
Application number: CN202011135631.6A
Authority: CN
Inventors: 李亮; 宁小飞; 任国庆; 罗青春; 吉康宁; 简陈生; 王鹏; 肖建林
Original assignee: Jiangxi Jinjin Environmental Protection Technology Co ltd
Current assignee: Jiangxi Jinjin Environmental Protection Technology Co ltd
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-12-16
Anticipated expiration: 2040-10-21
Also published as: CN112320949A

Abstract

本发明属于污水处理系统领域，公开了一种缓释有机碳源的硝化‑反硝化耦合生物膜系统。所述系统从上而下由好氧硝化层和兼氧反硝化层耦合串联而成，其中好氧硝化层为过滤层，兼氧反硝化层为储水层；所述好氧硝化层采用中砂、沸石、谷壳和活性污泥混合而成的好氧硝化生物膜滤料，所述兼氧反硝化层采用包括如下方法制备得到的填料：将生物质原料经破碎后与养殖场动物粪便混合，控制含水率为10％～40％，然后压制成板块状材料，80～120℃温度下真空干燥处理得到多孔结构，然后在惰性气氛及250～360℃温度下低温炭化处理成型，得到填料。本发明采用特定的兼氧反硝化生物膜填料，可在无需外加有机碳源及营养元素的情况下高效处理氨氮废水。

Description

一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统

技术领域

本发明污水处理系统领域，具体为一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统。

背景技术

在各种污水处理工艺中，生物处理工艺对氨氮和总氮的去除最为经济有效，这类工艺是通过硝化菌的代谢作用将氨氮氧化成硝态氮或亚硝态氮，然后通过反硝化菌将硝态氮和亚硝态氮还原成N₂。其作用机理如下：

1、硝化细菌包括亚硝化菌和硝化菌，亚硝化菌将废水中的NH₃转化为亚硝酸盐，硝化菌将亚硝酸盐转化为硝酸盐，称为硝化作用。硝化作用必须通过这两类菌的共同作用才能完成。2、反硝化菌将硝酸盐转化为N₂、NO、N₂O，称为反硝化作用。3、硝化细菌必须在好氧条件下作用。4、反硝化菌必须在无氧或缺氧的条件下进行。

而硝化菌是自养菌，需要利用CO₂合成细胞生物体，反硝化菌则是异养菌，其代谢繁殖需要大量有机物。具体作用方程式如下：

硝化反应：

2NH₃+3O₂――(亚硝化菌)――2HNO₂+2H₂O+能量(氨的氧化)；

2HNO₂+O₂――(硝化菌)――2HNO₃+能量(亚硝酸的氧化)；

反硝化反应：

NO^3—+有机碳源——N₂+CO₂+H₂O+OH^—。

但有些氨氮废水中几乎不含有机物，往往需要外加有机碳源及营养物质以维持反硝化反应。在前期的专利中，我们公开了一种种流域性稀土矿山尾水处理系统(CN110171906 A)，该处理系统包括：预处理单元、核心处理单元、辅助单元、应急反应单元；所述的预处理单元主要包括：进水格栅、碱液池、平流沉淀池和应急混凝沉淀池；所述的核心处理单元主要包括：调节池A、硝化-反硝化耦合生物膜滤系统A、碳源池、调节池B和硝化-反硝化耦合生物膜滤系统B；所述的辅助单元包括有机碳源池；所述的应急反应单元包括应急反应池构成。为了解决矿区尾水中几乎不含有机物、无法满足反硝化菌代谢繁殖的问题，该专利通过配备有机碳源池，将存储的化粪池水、养殖场水等构成的废水对硝化-反硝化耦合生物膜滤系统补充有机碳源以及磷、硫等微生物所需的微量元素，以达到以废治废的目的。但配备有机碳源池一是增加了处理场地面积，二是有机碳源池中存储的化粪池水、养殖场水气味较大，对存储条件要求较高。专利CN 111253012 A公开了一种具有高负荷渗滤耦合系统的生活污水处理系统及处理工艺。采用70-80％5mm-10mm的碎石、15％-18％的谷壳以2％-15％的活性炭及混合而成的兼氧滤料层进行反硝化处理。利用谷壳具有较大的比表面积同时还具备缓释碳源的特性，提高混合滤料比表面积的同时，还将作为缓释有机碳源为生物膜提供部分碳源与微量元素。但未加处理的谷壳缓释碳源的性能不稳定，易腐化变质，且需要利用活性炭对COD有着极强的吸附性能，能够将从加药管添加的COD吸附并储存在兼氧滤料层中持续为反硝化提供碳源。专利CN 106966501 A公开了一种改性稻壳填料生物滤池和脱氮工艺。由改性稻壳作为反硝化的碳源而无需在滤池中加入额外的碳源，从而提高反硝化的效率和成本；另外稻壳经过改性之后能够去除难降解的木质素和表面硅质，增加稻壳的孔隙率和可生化性，从而更有利于减少稻壳的生物惰性。但该专利仍存在缓释碳源性能不稳定的问题。

发明内容

针对以上现有技术存在的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统。该耦合生物膜系统的兼氧反硝化层采用特定的载体填料，在为反硝化菌提供代谢繁殖载体的同时，还能长效缓释提供有机碳源及磷、硫等微量元素，可以减少或完全代替从外部补充有机碳源等营养物质。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统，从上而下由好氧硝化层和兼氧反硝化层耦合串联而成，其中好氧硝化层为过滤层，兼氧反硝化层为储水层；所述好氧硝化层采用中砂、沸石、谷壳和活性污泥混合而成的好氧硝化生物膜滤料，所述兼氧反硝化层采用包括如下方法制备得到的兼氧反硝化生物膜填料：

将生物质原料经破碎后与养殖场动物粪便混合，控制含水率为10％～40％，然后压制成板块状材料，80～120℃温度下真空干燥处理得到多孔结构，然后在惰性气氛及250～360℃温度下低温炭化处理成型，得到兼氧反硝化生物膜填料。

进一步地，所述好氧硝化生物膜滤料重量配比如下：中砂85％～90％、沸石2％～5％、谷壳4％～8％、活性污泥1％～2％。

进一步地，所述生物质原料包括农田秸秆、谷壳、木屑中的至少一种。上述生物质原料来源广泛，成本低廉。

进一步地，所述生物质原料经破碎后的粒径为0.5～10mm。

进一步地，所述养殖场动物粪便优选为牛、羊、猪、鸡、鸭粪便中的至少一种。上述动物粪便来源广泛，含有大量粗纤维及微量元素，在能够提供有机碳源及N、P、S等营养元素的情况下，还具有良好的低温炭化成型强度，满足作为反硝化细菌载体填料的要求。

进一步地，所述生物质原料与养殖场动物粪便混合的质量比为1:1～3。经验证动物粪便为缓释提供有机碳及微量元素的主要来源，生物质原料主要维持填料强度及增强与细菌的亲和性，更有利于生物膜的附着和生长。两者协同作用以符合兼氧反硝化生物膜填料的要求。

进一步地，所述控制含水率的方法通过加水、自然晾晒或机械脱水实现。控制含水率为10％～40％的主要目的是方便后续压制成板块状材料，并保证能在后续真空干燥处理过程中得到多孔结构，以提供反硝化菌的生长空间并容易挂膜。

进一步地，所述压制成板块状材料的厚度为1～10cm。适宜的厚度有利于在后续形成均匀稳定的多孔结构，利于细菌的生长挂膜。

进一步地，所述惰性气氛是指N₂气氛。N₂来源广泛且成本较低。

进一步地，所述低温炭化处理的时间为4～12h。

本发明的核心在于：

(1)生物质原料与动物粪便的混合比例。经验证低温炭化后动物粪便为持续缓释提供有机碳及微量元素的主要来源，生物质原料主要维持填料强度及增强与细菌的亲和性，更有利于生物膜的附着和生长。两者协同作用以符合兼氧反硝化生物膜填料的要求。

(2)炭化温度的要求。经验证本发明在惰性气氛及250～360温度下低温炭化处理，炭化温度过低，填料成型强度较低，在使用过程中易造成分散解体，缓释碳源性能不稳定；炭化温度过高，将显著降低填料在使用过程中的有机碳源及微量元素的释放量及释放速率，使得兼氧反硝化层中细菌活性不高、抗冲击性能弱、繁殖速度缓慢，并最终导致出水不达标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用特定原料及制备方法得到的载体材料作为兼氧反硝化生物膜填料，填料稳定性好、与细菌的亲和性高，有利于生物膜的附着和生长；同时能够为反硝化细菌提供持续缓释的有机碳源及微量营养元素，使得兼氧反硝化层中细菌活性高、繁殖速度快、抗冲击性能强，处理污水效率高。

(2)本发明充分资源化利用了农林业废弃物及养殖场动物粪便，实现变废为宝，在减少环境污染的同时，取得了显著的经济效益。

(3)本发明的兼氧反硝化生物膜填料通过特定方法制备成多孔板块状，在使用时可以多层填料紧密叠加，或者采用碎石、粗砂等间隔铺设，相比单纯粒料混合的填料层，其空间及空隙可调性更强，更有利于反硝化菌的挂膜生长，污水处理效率更高。

(4)本发明所采用的兼氧反硝化生物膜填料具有更大的比表面积，单位体积填料表面形成更多生物膜结构。相比传统活性污泥法的菌胶团结构，减少了有机物和其他营养物质的投加量。并且无污泥排放，减少了污泥处理成本。

(5)本发明所采用的兼氧反硝化生物膜填料在为反硝化菌提供代谢繁殖载体的同时，还能缓释提供有机碳源及磷、硫等微量元素，可以减少或完全代替从外部补充有机碳源等营养物质。整个系统占地空间更小，处理效果更好。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例的一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统，从上而下由好氧硝化层和兼氧反硝化层耦合串联而成，其中好氧硝化层为过滤层，兼氧反硝化层为储水层；所述好氧硝化层采用中砂90％、沸石3％、谷壳6％和活性污泥1％重量百分比混合而成的好氧硝化生物膜滤料，所述兼氧反硝化层采用如下方法制备得到的兼氧反硝化生物膜填料：

将农田玉米秸秆经破碎至平均粒径为2mm左右，然后与养殖场牛粪和猪粪混合，破碎后的玉米秸秆与动物粪便混合的质量比为1:2。采用挤水机机械脱水至含水率为30％，然后压制成厚度为5cm的板块状材料，80～100℃温度下真空干燥处理得到多孔结构，然后在氮气气氛及250～280℃温度下低温炭化处理12h成型，得到兼氧反硝化生物膜填料。

实施例2

本实施例的一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统，从上而下由好氧硝化层和兼氧反硝化层耦合串联而成，其中好氧硝化层为过滤层，兼氧反硝化层为储水层；所述好氧硝化层采用中砂85％、沸石5％、谷壳8％和活性污泥2％重量百分比混合而成的好氧硝化生物膜滤料，所述兼氧反硝化层采用如下方法制备得到的兼氧反硝化生物膜填料：

将生物质原料谷壳和木屑与养殖场猪粪和鸡粪混合，生物质原料与动物粪便混合的质量比为1:1。采用挤水机机械脱水至含水率为20％，然后压制成厚度为10cm的板块状材料，80～100℃温度下真空干燥处理得到多孔结构，然后在氮气气氛及300～320℃温度下低温炭化处理6h成型，得到兼氧反硝化生物膜填料。

实施例3

本实施例的一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统，从上而下由好氧硝化层和兼氧反硝化层耦合串联而成，其中好氧硝化层为过滤层，兼氧反硝化层为储水层；所述好氧硝化层采用中砂88％、沸石4％、谷壳6％和活性污泥2％重量百分比混合而成的好氧硝化生物膜滤料，所述兼氧反硝化层采用如下方法制备得到的兼氧反硝化生物膜填料：

将生物质原料农田水稻秸秆经破碎至平均粒径为2mm左右，然后加入谷壳，与养殖场牛粪和猪粪混合，生物质原料与动物粪便混合的质量比为1:3。采用挤水机机械脱水至含水率为40％，然后压制成厚度为2cm的板块状材料，100～120℃温度下真空干燥处理得到多孔结构，然后在氮气气氛及340～360℃温度下低温炭化处理4h成型，得到兼氧反硝化生物膜填料。

对比例1

与实施例1相比，破碎后的玉米秸秆与动物粪便混合的质量比为1:0.5，其余完全相同。

对比例2

与实施例1相比，破碎后的玉米秸秆与动物粪便混合的质量比为1:5，其余完全相同。

对比例3

与实施例1相比，低温炭化处理成型温度为220～240℃，其余完全相同。

对比例4

与实施例1相比，低温炭化处理成型温度为360～380℃，其余完全相同。

对以上实施例及对比例所得生物膜系统进行氨氮污水处理测试，测试系统由两级缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统串联组成，各级之间用防渗膜分隔，一级兼氧反硝化层的出水管与二级好氧硝化层的布水管连接，一级兼氧反硝化层出水为二级好氧硝化层进水；二级兼氧反硝化层出水为最终出水，整个测试过程无外加碳源及营养物质。测试结果如下表1所示：

表1

由表1结果可以看出，本发明所使用的兼氧反硝化生物膜填料直接影响最终出水的处理结果。当填料中动物粪便混合量过低或低温炭化处理成型温度过高时，所得填料无法为反硝化菌生长提供足够的有机碳源及营养元素，导致最终出水硝态氮含量偏高。动物粪便混合量过高或低温炭化处理成型温度过低时，虽然在反应初期可提供足够的有机碳源及营养元素，反硝化处理效果较好，但在反应较长时间后，出水硝态氮含量偏高，这有可能是动物粪便混合量过高或低温炭化处理成型温度过低时，填料易解体，填料中有机碳源及营养元素释放过快，导致后期有机碳源及营养元素不足，处理效果变差。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统，其特征在于：所述缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统从上而下由好氧硝化层和兼氧反硝化层耦合串联而成，其中好氧硝化层为过滤层，兼氧反硝化层为储水层；所述好氧硝化层采用中砂、沸石、谷壳和活性污泥混合而成的好氧硝化生物膜滤料，所述兼氧反硝化层采用包括如下方法制备得到的兼氧反硝化生物膜填料：

将生物质原料经破碎后与养殖场动物粪便混合，控制含水率为10％～40％，然后压制成板块状材料，80～120℃温度下真空干燥处理得到多孔结构，然后在惰性气氛及250～360℃温度下低温炭化处理成型，得到兼氧反硝化生物膜填料；

所述生物质原料包括农田秸秆、谷壳、木屑中的至少一种；所述养殖场动物粪便为牛、羊、猪、鸡、鸭粪便中的至少一种；所述生物质原料与养殖场动物粪便混合的质量比为1:1～3；所述压制成板块状材料的厚度为1～10cm。

2.根据权利要求1所述的一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统，其特征在于：所述好氧硝化层各原料重量配比如下：中砂85％～90％、沸石2％～5％、谷壳4％～8％、活性污泥1％～2％。

3.根据权利要求1所述的一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统，其特征在于：所述生物质原料经破碎后的粒径为0.5～10mm。

4.根据权利要求1所述的一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统，其特征在于：所述控制含水率的方法通过加水、自然晾晒或机械脱水实现。

5.根据权利要求1所述的一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统，其特征在于：所述惰性气氛是指N₂气氛。

6.根据权利要求1所述的一种缓释有机碳源的硝化-反硝化耦合生物膜系统，其特征在于：所述低温炭化处理的时间为4～12h。