以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池及快速启动方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池 及快速启动方法。

背景技术

随着人类工业化进程的开展，大量含有氮素的废水进入到湖泊、河流和海洋等天然水体， 造成天然水体的富营养化，造成藻类的大量繁殖，危及水生生态体系的稳定性和生物多样性， 并且水体中的氮素还对人类的饮用水水源产生较大的污染，影响人类的身体健康。

传统的硝化-反硝化脱氮工艺应用较广，脱氮效果较好。反硝化深床滤池是能够同时进行 反硝化脱氮和过滤的生化工艺，能够很好地去除污水中的SS和硝酸盐，稳定性好，能耗低， 运行成本低。应用较广的反硝化深床滤池一般以石英砂作为滤料，执行反硝化功能的微生物 一般为异养反硝化菌，但在进水有机物浓度较低时反硝化功能会减弱，硝酸盐去除率降低， 因而不适用于低C/N(C/N＜3)污水的处理。

自养反硝化深床滤池能够适应C/N较低甚至进水不含有机物的情形，并且由于硫铁矿石 成本较低，使得运行成本较低。但自养反硝化菌世代期较长，增殖速率慢，且在深床滤池启 动阶段易受进水负荷冲击影响，启动时间较长(超过90天)。

为此，我们提出以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池及快速启动方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中以硫铁矿石作滤料自养反硝化深床滤池启动时间较 长的问题，而提供了一种以硫铁矿石作滤料的自养反硝化深床滤池及快速启动方法。本发明 提出的污泥接种方式区别于传统的直接投加自养反硝化污泥的方式，是将自养反硝化污泥和 硫铁矿石粉末包裹于PVA凝胶颗粒中后投加到滤床中。PVA凝胶颗粒较大的尺寸以及内部交 联的结构可以有效地避免深床滤池启动阶段自养反硝化活性污泥的流失。PVA凝胶颗粒中活 性污泥和硫铁矿石粉末分散均质的体系形成了自养反硝化菌和底物间较大的传质界面，强化 了传质过程，提高了自养反硝化菌的增殖速率。PVA凝胶颗粒中由外向内形成的梯级递减的 硝酸盐浓度梯度也为启动阶段的自养反硝化菌提供了较宽的底物浓度范围，避免进水硝酸盐 浓度过高造成自养反硝化菌的整体抑制。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

设计以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池，包括滤池，所述滤池一侧相连的污水池， 所述滤池设有含PVA凝胶颗粒和硫铁矿石颗粒的滤床；所述PVA凝胶颗粒内包裹有自养反硝 化污泥和硫铁矿石粉末，所述PVA凝胶颗粒均匀分布于滤床的滤料间隙中。自养反硝化污泥 和硫铁矿石粉末包裹于PVA凝胶颗粒中，然后投加到滤床中来完成污泥接种。

进一步的，所述滤池内部至少设有一个隔离墙，所述隔离墙将滤池分割成多个滤室，多 个滤室可独立运行，避免因局部滤床出现问题，导致整个滤池瘫痪，每个滤室内设有多个放 置槽，所述滤床可拆卸连接在放置槽内，所述滤床的外部设有外围支撑架，外围支撑架的周 向上固定设有密封层，密封层用于外围支撑架与放置槽接触面之间的密封作用，外围支撑架 的顶部固定设有吊耳，通过放置槽可将滤池分割成多个单元模块，并通过吊耳将独立单元模 块进行吊装更换。

进一步的，所述滤室对应所述污水池的一侧均设有入水口，所述入水口上设有可升降的 闸，闸用于封闭入水口，入水口用于污水池的污水流入滤室。

进一步的，所述滤床内设有用于PVA凝胶颗粒和硫铁矿石颗粒支撑的滤料支撑骨架，所 述滤料支撑骨架采用惰性石料作为支撑骨架，惰性石料可采用石英石、无烟煤等。

进一步的，所述PVA凝胶颗粒的等效球直径为2mm左右，硫铁矿石颗粒的等效球直径为 2～5mm，滤料支撑骨架的石料粒径为6～8mm；硫铁矿石滤料不仅作为深床滤池的滤料，而且将 为自养反硝化过程提供电子供体(S

进一步的，其特征在于，所述硫铁矿石颗粒的堆积体积为滤床体积的50％～70％，滤料支 撑骨架的石料堆积体积为滤床体积的20％～40％，PVA凝胶颗粒堆积体积为滤床体积的10％左右。 PVA凝胶颗粒的粒径与硫铁矿石颗粒空隙应匹配，使得PVA凝胶颗粒既不会全部漏到滤床下 部，也不会被硫铁矿石滤料挤压破碎，PVA凝胶颗粒受矿石滤料挤压破碎的比例不超过5％。 在自养反硝化深床滤池的启动阶段，硫铁矿石滤料和惰性石料滤料都发挥支撑骨架的作用， 保证滤床滤料间隙率和堆积体积的稳定。但硫铁矿石滤料会作为自养反硝化过程的底物被逐 渐消耗，造成滤床塌陷，滤料间隙率降低。此时惰性石料滤料将更大程度地发挥支撑骨架的 作用，维持滤床滤料间隙率的相对稳定，减轻滤料间隙压缩程度和PVA凝胶颗粒被挤压破碎 的程度。

进一步的，所述滤池上贯穿设有走道，滤池的底部铺设有出水管。

本发明还提出了一种利用以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池进行快速启动的方法， 具体包括如下步骤：

1)、将自养反硝化污泥和硫铁矿石粉末包裹于PVA凝胶颗粒中，然后均匀投加到滤床中 来完成接种；

2)、启动初始阶段自养反硝化深床滤池进水硝酸盐浓度不超过80mg-N/L，以每周10mg-N/L的浓度梯度上升，启动阶段深床滤池的HRT控制在8h左右；

3)、启动完成阶段自养反硝化深床滤池进水硝酸盐浓度为150mg-N/L，启动完成后HRT 可逐步降低至2～3h深床滤池。

在自养反硝化深床滤池的实际运行中，进水硝酸盐浓度的上升速度应与硝酸盐的去除率 相匹配，如检测到出水硝酸盐浓度持续升高，应停止增加进水硝酸盐浓度，甚至降低进水硝 酸盐浓度。如进水中含有有机物，启动阶段进水COD浓度不宜超过30mg/L。以进水硝酸盐浓 度达到150mg-N/L，且去除率达到95％为启动完成的标志。无论是启动阶段还是正式运行阶段， 自养反硝化深床滤池的进水硝酸盐浓度都不能超过220mg-N/L。启动初始阶段自养反硝化菌 的活性较低，控制较低的进水硝酸盐浓度可以有效地避免未去除的硝酸盐累计，对自养反硝 化菌的活性造成抑制。深床滤池启动阶段HRT控制在8h左右，启动完成后HRT可逐步降低至 2～3h。自养反硝化深床滤池启动完成后，PVA凝胶颗粒中的自养反硝化菌会增殖形成生物膜 附着在滤料的表面，此时PVA凝胶颗粒的功能已完成。

进一步的，所述自养反硝化污泥采用单一富集培养污泥，活性污泥最初取自市政污水处 理厂缺氧池，以硫代硫酸钠、硫酸亚铁和硝酸钠作为底物富集培养，富集培养的时间不小于40 天，富集培养完成的自养反硝化活性污泥呈现淡黄色微颗粒状。以富集度高、功能活性强的 驯化培养污泥作为接种的污泥可以大大减少深床滤池的启动时间。

进一步的，步骤1中所述PVA凝胶颗粒的制作方法具体包括如下步骤：

①自养反硝化活性污泥破碎过筛，筛网孔径0.3mm左右，硫铁矿石破碎过筛，筛网孔径≤ 0.1mm；

②恒温水浴箱中将纯水加热至90℃左右，加入PVA粉末，后迅速搅拌不少于3min，肉眼 观察不到还未溶解的PVA粉末，其中PVA粉末与水的质量比为1：50～80；

③PVA溶液自然冷却至50℃时加入硫铁矿石粉末，保温搅拌不小于10min，冷却至35℃ 时加入破碎过筛后的活性污泥，保温搅拌不小于10min，其中硫铁矿石粉末：水的质量比为 1：40～60，活性污泥：水的质量比为1：10～15；

④加入2％的CaCL2饱和硼酸溶液后搅拌不小于5min，随后冷却至室温，至完成交联固化， 其中CaCL2饱和硼酸溶液：水的体积比为1：80～100；

⑤将凝胶块切碎或者破碎成等效球直径为2mm左右的凝胶颗粒，便得到PVA凝胶颗粒。

本发明提出的以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池的快速启动方法，相对于现有技 术，本发明的有益效果为：

(1)、本发明的PVA凝胶颗粒包裹着自养反硝化活性污泥，其较大的颗粒尺寸和内部的 交联结构可有效地防止深床滤池启动阶段活性污泥流失。

(2)、本发明的PVA凝胶颗粒中活性污泥和硫铁矿石粉末分散均质的体系形成了自养反 硝化菌和底物间较大的传质界面，强化了传质过程，提高了自养反硝化菌的增殖速率。

(3)、本发明的PVA凝胶颗粒中由外向内形成的梯级递减的硝酸盐浓度梯度也为启动阶 段的自养反硝化菌提供了较宽的底物浓度范围，避免进水硝酸盐浓度过高造成自养反硝化菌 的整体抑制。

(4)、本发明的自养反硝化深床滤池启动阶段进水硝酸盐浓度和HRT的控制可有效防止 硝酸盐累积对自养反硝化菌造成抑制。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一 起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的内部结构示意图(不含滤床)；

图3是本发明中关于滤床的部结构示意图；

图4是图3中关于A处局部放大结构示意图；

图5是本发明中关于PVA凝胶颗粒的内部结构示意图；

图6是本发明自养反硝化深床滤池小试反应器(有效容积30L)启动情况。

图中标记为：滤池1、污水池2、隔离墙3、滤室31、出水管4、放置槽5、滤床6、滤 料支撑骨架61、PVA凝胶颗粒62、自养反硝化污泥621、硫铁矿石粉末622、硫铁矿石颗粒 63、外围支撑架7、吊耳8、走道9、入水口10、密封层11。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制 本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安 装”、“设有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一 体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接 相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上 述术语在本发明中的具体含义。

现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。

参见图1-5，以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池，包括滤池1，滤池1一侧相连的 污水池2，滤池1设有含PVA凝胶颗粒62和硫铁矿石颗粒63的滤床6；PVA凝胶颗粒62内包裹有自养反硝化污泥621和硫铁矿石粉末622，PVA凝胶颗粒62均匀分布于滤床6的滤料间隙中。

滤池1内部至少设有一个隔离墙3，隔离墙3将滤池1分割成多个滤室31，每个滤室31 内设有多个放置槽5，滤床6可拆卸连接在放置槽5内，滤床6的外部设有外围支撑架7，外围支撑架7的周向上固定设有密封层11，外围支撑架7的顶部固定设有吊耳8，滤室31对应污水池2的一侧均设有入水口10，入水口10上设有可升降的闸101，滤床6内设有用于PVA 凝胶颗粒62和硫铁矿石颗粒63支撑的滤料支撑骨架61，滤料支撑骨架61采用惰性石料作 为支撑骨架。

滤池1上贯穿设有走道9，滤池1的底部铺设有出水管4。

实施例一

本发明还提供了以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池进行快速启动的方法，具体为：

用于制作PVA凝胶颗粒的自养反硝化活性污泥为单一富集培养污泥，富集培养时间为50 天。

PVA凝胶颗粒的制作，活性污泥破碎过筛筛网孔径为0.3mm，硫铁矿石破碎过筛筛网孔径 为0.1mm。按质量比水：PVA粉末：活性污泥：硫铁矿石粉末＝80:1:8:2。制作完成的PVA凝 胶颗粒的等效球直径为2mm。PVA凝胶颗粒的堆积体积占滤床体积的10％。

启动初始阶段进水硝酸盐浓度为80mg-N/L，以每周10mg-N/L的浓度梯度上升。

启动完成阶段进水硝酸盐浓度为150mg-N/L。深床滤池HRT控制稳定在8h。

硫铁矿石滤料的粒径为3mm，惰性石料选用粒径为6mm的石英石。按照堆积体积比例为 硫铁矿石：惰性石料：PVA凝胶颗粒＝6:3:1。

实施例二

本发明还提供了以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池进行快速启动的方法，具体为：

用于制作PVA凝胶颗粒的自养反硝化活性污泥为单一富集培养污泥，富集培养时间为50 天。

PVA凝胶颗粒的制作，活性污泥破碎过筛筛网孔径为0.3mm，硫铁矿石破碎过筛筛网孔径 为0.1mm。按质量比水：PVA粉末：活性污泥：硫铁矿石粉末＝80:1:4:2。制作完成的PVA凝 胶颗粒的等效球直径为2mm。PVA凝胶颗粒的堆积体积占滤床体积的10％。

启动初始阶段进水硝酸盐浓度为80mg-N/L，以每周10mg-N/L的浓度梯度上升。

启动完成阶段进水硝酸盐浓度为150mg-N/L。深床滤池HRT控制稳定在8h。

硫铁矿石滤料的粒径为3mm，惰性石料选用粒径为6mm的石英石。按照堆积体积比例为 硫铁矿石：惰性石料：PVA凝胶颗粒＝6:3:1。

实施例三

本发明还提供了以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池进行快速启动的方法，具体为：

用于制作PVA凝胶颗粒的自养反硝化活性污泥为单一富集培养污泥，富集培养时间为50 天。

PVA凝胶颗粒的制作，活性污泥破碎过筛筛网孔径为0.3mm，硫铁矿石破碎过筛筛网孔径 为0.1mm。按质量比水：PVA粉末：活性污泥：硫铁矿石粉末＝40:1:2:1。制作完成的PVA凝 胶颗粒的等效球直径为2mm。PVA凝胶颗粒的堆积体积占滤床体积的10％。

启动初始阶段进水硝酸盐浓度为80mg-N/L，以每周10mg-N/L的浓度梯度上升。

启动完成阶段进水硝酸盐浓度为150mg-N/L。深床滤池HRT控制稳定在8h。

硫铁矿石滤料的粒径为3mm，惰性石料选用粒径为6mm的石英石。按照堆积体积比例为 硫铁矿石：惰性石料：PVA凝胶颗粒＝6:3:1。

实施例四

本发明还提供了以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池进行快速启动的方法，具体为：

用于制作PVA凝胶颗粒的自养反硝化活性污泥为单一富集培养污泥，富集培养时间为50 天。

PVA凝胶颗粒的制作，活性污泥破碎过筛筛网孔径为0.3mm，硫铁矿石破碎过筛筛网孔径 为0.1mm。按质量比水：PVA粉末：活性污泥：硫铁矿石粉末＝40:1:4:1。制作完成的PVA凝 胶颗粒的等效球直径为2mm。PVA凝胶颗粒的堆积体积占滤床体积的10％。

启动初始阶段进水硝酸盐浓度为80mg-N/L，以每周10mg-N/L的浓度梯度上升。

启动完成阶段进水硝酸盐浓度为150mg-N/L。深床滤池HRT控制稳定在8h。

硫铁矿石滤料的粒径为3mm，惰性石料选用粒径为6mm的石英石。按照堆积体积比例为 硫铁矿石：惰性石料：PVA凝胶颗粒＝6:3:1。

参见图6所示，每个实验组均有2个平行的深床滤池，所有自养反硝化深床滤池反应器 的外形尺寸、内部结构以及运行方式完全一致。

从上述的应用实例可以看出，采用PVA凝胶颗粒接种自养反硝化活性污泥能够快速实现 自养反硝化深床滤池的快速启动(实验组与对照组对比)。深床滤池的启动时间缩短比例为 1/2～2/3。从实施例一与实施例二的对比以及实施例三和实施例四的对比来看，自养反硝化活 性污泥的添加量对启动时间有一定程度的影响，更大的活性污泥添加比例能够一定程度上缩 短自养反硝化深床滤池的启动时间。从实施例一与实施例三的对比以及实施例二和实施例四 的对比来看，改变PVC凝胶颗粒中PVA的含量对深床滤池的启动并无明显的影响。

本发明的以硫铁矿石作填料的自养反硝化深床滤池及快速启动方法，PVA凝胶颗粒包裹 着自养反硝化活性污泥，其较大的颗粒尺寸和内部的交联结构可有效地防止深床滤池启动阶 段活性污泥流失。PVA凝胶颗粒中活性污泥和硫铁矿石粉末分散均质的体系形成了自养反硝 化菌和底物间较大的传质界面，强化了传质过程，提高了自养反硝化菌的增殖速率。PVA凝 胶颗粒中由外向内形成的梯级递减的硝酸盐浓度梯度也为启动阶段的自养反硝化菌提供了较 宽的底物浓度范围，避免进水硝酸盐浓度过高造成自养反硝化菌的整体抑制。自养反硝化深 床滤池启动阶段进水硝酸盐浓度和HRT的控制可有效防止硝酸盐累积对自养反硝化菌造成抑 制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对 本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载 的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。