一種基于低c/n比的再生水深度脫氮除磷的方法
【專利摘要】一種基于低C/N比的再生水深度脫氮除磷的方法屬于環境工程技術領域。以堿處理玉米芯耦合硫磺與海綿鐵復合填料組成固相纖維素碳源硫鐵工藝，簡稱SCSC?S?Fe工藝。SCSC?S?Fe工藝系統以異養反硝化脫氮作用為主，協同硫自養反硝化和海綿鐵的脫氮作用共同將水中氮素去除。體系主要以硫磺與海綿鐵發生化學作用生成FeS，結合海綿鐵腐蝕產生的其他產物Fe2+、Fe3+、Fe6(OH)12(CO3)和FeOOH等物質，通過吸附沉淀作用將PO43?轉化成Fe3(PO4)2·χH2O、FePO4和Fe3(PO4)2(OH)2沉淀，從而將磷去除。SCSC?S?Fe工藝有效提高低C/N比再生水深度脫氮除磷效果。本發明對于高品質再生水處理有很好的應用前景。
【專利說明】
一種基于低C/N比的再生水深度脫氮除磷的方法
技術領域
[0001] 本發明本涉及一種適用于低C/N比再生水深度脫氮除磷方法，基于固相纖維素碳 源玉米芯耦合硫鐵復合填料強化深度脫氮除磷的方法，屬于環境工程技術領域。
【背景技術】
[0002] 城市水資源危機困擾著城市和諧發展，再生水回用是解決水資源危機的必然途 徑。受現有污水處理廠的處理技術的限制，傳統的生物脫氮除磷工藝出水中仍含有一定濃 度的氮、磷。有研究表明，氮、磷是大多數水體富營養化的控制性因素。對于湖泊、水庫等封 閉性水域，當水體內無機態總氮含量大于〇. 2mg. Γ1，總磷大于0.0 lmg. I/1時，就有可能引發 水華現象。氮、磷含量過高嚴重影響生態的安全和再生水的品質。因此，控制再生水中氮、磷 含量對于保障生態安全和提高再生水品質顯得尤為重要。
[0003] 作為再生水水源的城市污水處理廠尾水存在含碳量低、脫氮同步除磷困難等問 題。有研究發現，尾水中80%以上的氮是以硝酸鹽氮形式存在。纖維素固相碳源來源廣泛、 脫氮效果好，尤其在低C/N比地下水、尾水反硝化脫氮方面具有獨特的優勢。普通農作物玉 米芯不僅含有豐富的纖維素，而且價格低廉、便于微生物附著生長。有研究表明，氫氧化鈉 處理后的玉米芯釋放碳源更持久、利用更充分。但玉米芯內部含碳量有限，無法保證持續高 效地反硝化脫氮效果，同時難以實現反硝化脫氮同步將磷去除。
[0004]硫自養反硝化過程是微生物利用無機碳源(如⑶32'hco3-)，以還原態硫為硝酸鹽 還原的電子供體來進行的，此過程無需消耗碳源，被廣泛應用在低C/N比的地下水和污水脫 氮過程中。硫磺作為硫自養反硝化的電子供體參與反硝化過程，此過程中產生的H+有助于 維持體系的酸堿度平衡。孟成成等將硫自養反硝化脫氮和三維電極生物膜工藝有機結合， 實現了異養反硝化和硫自養反硝化在時間和空間上同步進行的過程，并取得了良好的強化 脫氮效果以及穩定的pH緩沖能力。因此，以硫磺作為反應器填料有利于彌補異養反硝化脫 氮過程中電子供體的不足和穩定系統pH值。
[0005] 海綿鐵結構多孔疏松、比表面能大，便于與水中氧化態物質發生反應。此外，零價 鐵與碳顆粒構成微原電池促使海綿鐵不斷地腐蝕。海綿鐵腐蝕產生的Fe2+和進一步氧化生 成的Fe3+以及它們的水化物Fe(0H)3對P0A具有較強的卷掃、絮凝、沉淀作用，將水中的磷以 FeP04和多核羥基磷酸鐵沉淀形式去除。有研究發現，海綿鐵腐蝕產生的電子可參與反硝化 過程將水中的硝酸鹽氮還原。因此，以海綿鐵作為反硝化濾池填料，可以實現除磷同步脫氮 的目的。
[0006] 將堿處理后的固相纖維素碳源玉米芯與硫鐵復合填料有機結合形成固相纖維素 碳源硫鐵工藝（Solid Carbon Source of Cellulose and sulfur/sponge iron process)，簡稱SCSC-S-Fe工藝。SCSC-S-Fe工藝體系中同時存在三種脫氮作用，分別為異養 反硝化、硫自養反硝化和海綿鐵的脫氮作用，其中以異養反硝化脫氮作用為主，硫自養反硝 化和海綿鐵的脫氮作用為輔，海綿鐵的脫氮作用又包括化學還原作用、海綿鐵腐蝕產生的 HdPFe2+為電子供體的自養反硝化作用。玉米芯中纖維素被微生物降解成易被異養反硝化 細菌利用的有機碳源，促進異養反硝化脫氮過程的進行；當時異養反硝化作用受到碳源不 足限制時，硫自養反硝化和海綿鐵的脫氮作用增強，從而保證體系維持穩定高效地脫氮效 率。
[0007] 同時，SCSC-S-Fe體系中存在化學和生物雙重除磷作用，其中以化學除磷作用為 主，生物除磷作用為輔。化學除磷作用主要是依靠海綿鐵腐蝕過程來完成。海綿鐵的腐蝕因 素除溶解氧、微原電池和硝酸鹽氮外，玉米芯中纖維素降解過程中產生的有機酸結合硫自 養反硝化過程產生的H+共同促進海綿鐵的腐蝕。海綿鐵腐蝕產生的Fe2+、Fe3+及其水解產物 以吸附沉淀作用將磷去除。因此，SCSC-S-Fe工藝對于推進再生水回用具有重要意義。
【發明內容】
[0008] 本發明提出一種基于低C/N比的再生水深度脫氮除磷的方法。
[0009] 為實現上述目的本發明的技術方案，其特征在于，微生物將玉米芯中纖維素和半 纖維素降解為可供異養反硝化細菌利用的有機物，促進異養反硝化脫氮作用。體系以異養 反硝化作用為主，當碳源不足時，硫自養反硝化和海綿鐵的脫氮作用補充異養反硝化過程 中電子供體不足，從而保證體系具有高效的脫氮效率。同時，體系以海綿鐵腐蝕產生Fe2+、 Fe3+及其水解產物的化學除磷作用為主，協同生物除磷作用將水中的磷去除。因此，SCSC-S- Fe 工藝可以有效強化低 C/N 比尾水深度脫氮同步除磷過程。
[0010] 強化深度脫氮除磷的具體內容是:如附圖1所示，SCSC-S-Fe系統由有機玻璃材質 串聯的A、B兩柱組成，柱子內徑19cm，高度110cm。在實際工程中可將容積擴大，控制徑高不 小于1:3,且內徑不易小于10cm，否則易堵塞反應器。A柱水流方式采用上向流，B柱水流方式 米用下向流。
[0011] A柱為異養反硝化脫氮濾柱。先將玉米芯切割成長寬高之比為2:1:1~3:1:1的小 長方體，體積為2~8cm3;再用質量分數為1.5%氫氧化鈉溶液浸泡(3~10)h;然后用清水清 洗3~5遍，在60 °C烘箱中烘干；最后由尼龍絲網將處理過的玉米芯包裹成球形，直徑4~ 5cm，填充高度控制在A柱高度的€~填充過多易造成出水⑶D過高，填充過少易造成脫 氮處理效率下降。
[0012] Β柱為硫鐵復合填料脫氮除磷濾柱。下層用粒徑為5~8mm的石灰石填裝作為過濾 層，有效高度為25~40cm。上層用質量比為2:3的粒徑為2~3mm硫磺和粒徑3~5mm海綿鐵復 合填料填裝，有效高度控制在45~65cm;硫鐵復合填料過多易造成出水TFe濃度增加，過少 則除磷效率下降。
[0013] 在上述脫氮除磷過程中，微生物將A柱內玉米芯中纖維素降解成有機物，同時為A、 B柱內異養反硝化提供了有機碳源，體系中異養反硝化占主導地位，硫自養反硝化和海綿鐵 的脫氮作用來彌補異養反硝化過程中電子供體的不足;體系將異養反硝化和自養反硝化有 機結合，從而提高反硝化脫氮效果。玉米芯中纖維素降解過程中產生的有機酸和硫自養反 硝化過程產生的H+，協同溶解氧、硝酸鹽氮、微碳鐵原電池、共同促進海綿鐵腐蝕;腐蝕生成 的Fe2+、Fe3+及其水解產物Fe(OH)2、Fe(OH) 3、FeOOH對P〇43-具有卷掃、絮凝、吸附沉淀作用，以 FeP〇4和多核羥基磷酸鐵沉淀形式將磷去除;此外，SCSC-S-Fe系統中還存在生物除磷作用。
[0014] 本發明將堿處理后的玉米芯耦合硫鐵復合填料組成SCSC-S-Fe工藝系統。運行控 制條件為:HRT在6h以上，溫度在15°C以上。在實施例實驗中，控制水力停留時間HRT為9h、溫 度為25 °C下進行了動態濾池運行試驗，考察SCSC-S-Fe系統強化低C/N尾水深度脫氮除磷效 果。實驗結果：SCSC-S-Fe系統TN、TP平均去除率分別為90.41 %和86.98% ACSC-S-Fe系統 實現低C/N比尾水深度脫氮同步除磷的目的。本發明對于實現低C/N比尾水深度脫氮同步除 磷和提高再生水品質有很好的應用前景。
【附圖說明】
[0015] 圖1 SCSC-S-Fe反應器組裝結構圖；
[0016] 其中SCSC-S-Fe反應器組裝結構圖附屬配件如下：1、配水水池；2、水栗3、進水口； 4、石灰石;5、硫橫和海綿鐵混合填料;6、中間水箱;7、水栗;8、取樣口； 9、布水孔板;10、喊處 理后的玉米芯；11、鵝卵石；12、出水口； 13、進水口； 14、反沖洗進水口
[0017] 圖2實例SCSC-S-Fe系統TN、TP去除率；
[0018] 圖 3實例 SCSC-S-Fe 系統出水N〇3--N、N〇2--N、NH/-N 濃度；
[0019] 圖4實例SCSC-S-Fe系統進出水pH值及出水COD、S〇42-濃度；
[0020] 圖5實例SCSC-S-Fe系統出水TP、TFe濃度。
[0021] 圖6實例SCSC-S-Fe系統中不溶性生成物成分XRD圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明，以下實例旨在說明本發明，并不 限制本發明的范圍。
[0023] 本發明主要適用于處理低C/N比城市污水處理廠尾水深度脫氮除磷。
[0024] 上述在HRT = 9h、溫度為25 °C條件下，SCSC-S-Fe系統進行動態實驗。結合出水⑶D 濃度、S〇42_濃度、溶解性總鐵(TFe)濃度和不溶性生成物X射線衍射圖(XRD)，分析SCSC-S-Fe 工藝強化低碳氮比的尾水深度脫氮除磷的效果及其機制。
[0025] 實施例
[0026] 試驗用水在自來水中加入一定量的KN〇3和KH2P〇4。控制TN、TP濃度如下：p(TN)=p (N〇3_N) = 35mg.L-= 、同時用lmol · L-1的鹽酸和lmol · L-1 氫氧化鈉 溶液調節配水的pH值維持在6.8~7.2。
[0027] 反應器如附圖1所示。其中玉米芯用質量分數為1.5 %的NaOH溶液浸泡1 Oh，切割成 尺寸長為2~3cm、寬為1~2cm的小長方形;海綿鐵的粒徑為5~8mm，硫磺的粒徑為2~3mm。 接種污泥來自北京某污水處理廠回流污泥。
[0028] 在上述實施方式下，將SCSC-S-Fe工藝應用于城市污水處理廠尾水深度脫氮除磷 過程中，強化脫氮除磷效果，出水TN、TP平均濃度分別為3.31mg · I/1和0.24mg · I/1，低于 《城市污水再生利用景觀環境用水水質》(GB-T18921-2002)標準中TN濃度15mg · I/1和TP濃 度l.Omg · Γ1。該方法適用于強化城市污水處理廠尾水深度脫氮除磷效果明顯。
[0029]實施例具體內容是:實驗裝置如附圖1所示。SCSC-S-Fe工藝結構如附圖1所示:A柱 中堿處理后的玉米芯填充高度為50cm; B柱中硫鐵復合填料和石灰石過濾層填充高度分別 為為50cm和40cm。在（15~20)°C條件下啟動反應器，待出水中N〇3--N濃度變化量在3mg · L一1內時，表明反應器運行穩定。測定進出水N〇3--N、N〇2--N、NH4+-H、S〇42-、COD、TN、TP和TFe濃度， 分析SCSC-S-Fe工藝強化城市污水處理廠尾水深度脫氮除磷效果。結果表明：如附圖2所示， SCSC-S-Fe工藝的TN、TP平均去除率分別在90.41 %和86.98% ;如附圖3、4、5所示，出水N〇3一_ N、N〇2--N和NH4+-H平均濃度分別為0.2mg · L-^l.Olmg · L-1 和2.16mg · L-S 出水TP、TFe、 S〇42-和COD平均濃度分別為0.24mg · L-\l.25mg · L-\92.7mg · L-1 和 10.37mg · L-S如附圖6 所示，SCSC-S-Fe系統中不溶性生成物成分主要是FeS、FeOOH、Fe3〇4、Fe6(OH) 12(ra3)、Fe3(P〇4)2(OH)2、Fe3(P〇4)2 · xH20、FeP〇4等。
[0030]分析該體系脫氮除磷機理如下:體系以異養反硝化脫氮作用為主，硫自養反硝化 和海綿鐵的脫氮作用為輔，共同作用將低C/N比尾水中的氮素去除。同時硫自養反硝化產生 的H+和纖維素降解過程中產生有機酸，協同溶解氧、硝酸鹽氮、單質硫和碳鐵原電池共同促 進海綿鐵的腐蝕。腐蝕產生的Fe2+、Fe3+及它們水解產物產物Fe6(0H) 12(C03)和FeOOH等物質， 通過卷掃、絮凝、吸附作用將P〇43-轉化成Fe3(P〇4)2 · xH20、FeP〇4和Fe3(P〇4)2(OH)2沉淀；此 外，單質硫與海綿鐵發生化學作用生成FeS，FeS先將P〇43_吸附其表面，再利用FeS溶度積 (Ksp = 6 · 3 X 10-18)大于FeP〇4的溶度積(Ksp = 1 · 3 X 10-22)，FeS轉化為更難溶的FeP〇4沉淀， 從而將磷去除。
【主權項】
1. 一種基于低C/^比的再生水深度脫氮除憐方法，其特征在于填充堿處理后的玉米 忍為反硝化脫氮濾柱稱為A柱，串聯上填充質量比為2:3硫橫和海綿鐵混合填料的脫氮除憐 濾柱稱為B柱;A柱水流方式采用上向流，B柱水流方式采用下向流。2. 按照權利要求1的一種基于低C/N比的再生水深度脫氮除憐方法，其特征在于:A柱中先 將玉米忍切割成長寬高之比為2:1:1~3:1:1的小長方體，體積為2~8cm3;再用質量分數為 1.5 %的氨氧化鋼溶液浸泡(3~10化;然后用清水清洗3~5遍，在60°C烘箱中烘干;最后由尼 龍絲網將處理過的玉米忍包裹成球形，直徑4~5cm，填充高度控制在A柱高度的^~I。3. 按照權利要求1的一種基于低C/^比的再生水深度脫氮除憐方法，其特征在于:B柱下 層用粒徑為5~8mm的石灰石填裝作為過濾層，有效高度為25~40cm。上層用質量比為2:3的 粒徑為2~3mm硫橫和粒徑3~5mm海綿鐵復合填料填裝，有效高度控制在45~65cm。
【文檔編號】C02F3/28GK105836881SQ201610391459
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月4日
【發明人】郝瑞霞, 范軍輝, 朱曉霞, 萬京京, 李萌
【申請人】北京工業大學