申請(qǐng)日2015.06.30

　　公開(kāi)(公告)日2015.09.16

　　IPC分類(lèi)號(hào)C02F3/12; C02F3/34

　　摘要

　　本發(fā)明公開(kāi)了一種利用恒定磁場(chǎng)處理低溫高氨氮廢水的裝置及方法，該裝置主要包括短程硝化SBR反應(yīng)器，對(duì)稱設(shè)置在反應(yīng)器兩側(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)化裝置，短程硝化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及反饋控制系統(tǒng)。本發(fā)明充分利用磁生物效應(yīng)，利用磁場(chǎng)影響氨氧化菌的氨單加氧酶和羥胺氧化酶中蛋白質(zhì)的活性位點(diǎn)，提高酶的活性，增加氨氧化反應(yīng)速率，促進(jìn)氨氧化菌富集，特別是在低溫條件下補(bǔ)償溫度對(duì)酶活性的影響;并利用磁場(chǎng)力作用增加了帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)而提高了傳質(zhì)效率，彌補(bǔ)了現(xiàn)有低溫廢水處理中反應(yīng)器運(yùn)行不穩(wěn)定、氨氮降解速率不高等缺陷，同時(shí)通過(guò)控制溶氧、pH、水力停留時(shí)間和污泥齡，實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)器在低溫條件下高效進(jìn)行亞硝化反應(yīng)，縮短污水停留時(shí)間，減少成本和能耗。

　　權(quán)利要求書(shū)

　　1.一種利用恒定磁場(chǎng)處理低溫高氨氮廢水的裝置，其特征在于，所述裝置的結(jié)構(gòu)如下：在短 程硝化SBR反應(yīng)器(1)外側(cè)對(duì)稱設(shè)置兩磁鐵(10)，兩磁鐵(10)在反應(yīng)器內(nèi)形成水平 方向的磁場(chǎng);短程硝化SBR反應(yīng)器(1)分別連接污水管、排水管、污泥排放管、曝氣管、 堿液進(jìn)液管;;污水箱(2)通過(guò)污水管連接到短程硝化SBR反應(yīng)器(1);反應(yīng)器出水通 過(guò)排水管進(jìn)入出水箱(5);曝氣泵(3)通過(guò)曝氣管連接到短程硝化SBR反應(yīng)器(1);堿 液箱(19)通過(guò)堿液進(jìn)液管連接到短程硝化SBR反應(yīng)器(1);短程硝化SBR反應(yīng)器(1) 內(nèi)設(shè)置攪拌裝置(7)，磁場(chǎng)傳感器(16)、pH值傳感器(12)和DO傳感器(13)，曝氣 頭(9)。

　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用恒定磁場(chǎng)處理低溫高氨氮廢水的裝置，其特征在于短程硝化 SBR反應(yīng)器(1)內(nèi)pH值傳感器(12)和DO傳感器(13)與pH與DO測(cè)定儀(14)連 接;磁場(chǎng)傳感器(16)與磁場(chǎng)測(cè)定儀(15)連接;曝氣泵(8)和堿液進(jìn)水閥(11)與繼 電器(18)連接;計(jì)算機(jī)(17)分別與pH與DO測(cè)定儀(14)和繼電器(18)相連，其 中溶解氧濃度DO傳感器(13)、pH傳感器(12)、pH與DO測(cè)定儀(14)、計(jì)算機(jī)(17) 和繼電器(18)組成短程硝化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及反饋控制系統(tǒng)。

　　3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的利用恒定磁場(chǎng)處理低溫高氨氮廢水的裝置，其特征在于污水管 上設(shè)置蠕動(dòng)泵(3);排水管上設(shè)置出水閥(4);污泥排放管上設(shè)置排泥閥(6);堿液進(jìn)液 管上設(shè)置堿液進(jìn)水閥(11)。

　　4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用恒定磁場(chǎng)處理低溫高氨氮廢水的裝置，其特征在于，所述裝 置所用的磁鐵(10)為永久磁鐵，采用鐵氧體磁鐵，主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19。

　　5.一種利用權(quán)利要求1所述的裝置處理高氨氮污水的方法，其步驟為：

　　步驟一：首先在短程硝化SBR反應(yīng)器(1)內(nèi)填充活性污泥，在底部形成活性污泥區(qū); 然后在短程硝化SBR反應(yīng)器(1)外側(cè)對(duì)稱設(shè)置兩磁鐵(10)，保持兩磁鐵(10)相對(duì)平 行放置且在反應(yīng)器內(nèi)形成的磁場(chǎng)方向一致即水平方向，設(shè)計(jì)兩磁鐵(10)面積使活性污 泥區(qū)均處于磁場(chǎng)作用范圍中，通過(guò)調(diào)節(jié)兩磁鐵(10)的間距控制中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為0-100mT， 磁場(chǎng)強(qiáng)度由磁場(chǎng)測(cè)定儀(15)指示;在短程硝化SBR反應(yīng)器(1)內(nèi)設(shè)置有活性污泥區(qū)， 在短程硝化SBR反應(yīng)器外設(shè)置有磁場(chǎng)強(qiáng)化裝置，污泥反應(yīng)區(qū)與磁場(chǎng)相互作用，形成磁場(chǎng) 一氨氧化菌強(qiáng)化體系;

　　步驟二：在4-15℃的低溫條件下接種污泥，使短程硝化SBR反應(yīng)器(1)內(nèi)的污泥濃度 為3000-5000mg/L，通過(guò)蠕動(dòng)泵(3)將高氨氮廢水抽入短程硝化SBR反應(yīng)器(1);污泥 開(kāi)始馴化時(shí)，進(jìn)水體積為反應(yīng)器有效容積的20～30%，之后逐步提高到50%;進(jìn)水后啟 動(dòng)攪拌裝置(7)，攪拌速度150-300r/min，曝氣泵(8)通過(guò)曝氣頭對(duì)活性污泥區(qū)進(jìn)行曝 氣，pH與DO測(cè)定儀(14)通過(guò)pH傳感器(12)，DO傳感器(13)在線監(jiān)測(cè)短程硝化 SBR反應(yīng)器(1)內(nèi)的pH值和溶氧DO的變化，通過(guò)計(jì)算機(jī)(17)和繼電器(18)控制 曝氣泵(8)的開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)短程硝化SBR反應(yīng)器(1)內(nèi)溶氧DO恒定為0.5～1mg/L，同 時(shí)通過(guò)控制堿液進(jìn)水閥(11)開(kāi)關(guān)，添加NaHCO3調(diào)節(jié)pH在7～8之間，曝氣時(shí)間為 120～300min，沉淀30～60min，排水比50%，沉淀出水后通過(guò)排泥閥(6)排泥，控制短 程硝化SBR反應(yīng)器(1)污泥齡(SRT)為20天，通過(guò)測(cè)定攪拌時(shí)污泥濃度與沉淀后排 出污泥濃度，計(jì)算排泥體積，通過(guò)調(diào)整水力停留時(shí)間(HRT)，控制出水氨氮與亞硝態(tài)氮 的比例在1∶1～1∶1.3，實(shí)現(xiàn)對(duì)短程硝化SBR反應(yīng)器(1)活性污泥的低溫磁場(chǎng)馴化;

　　步驟三：短程硝化SBR反應(yīng)器(1)內(nèi)的污泥經(jīng)1-2個(gè)月馴化后，出水水質(zhì)穩(wěn)定，氨氮 與亞硝態(tài)氮的比例維持在1∶1～1∶1.3，NO3--N<5mg/L，水質(zhì)滿足厭氧氨氧化反應(yīng)的要求。

　　說(shuō)明書(shū)

　　一種利用恒定磁場(chǎng)處理低溫高氨氮廢水的裝置及方法

　　技術(shù)領(lǐng)域

　　本發(fā)明屬于污水生物處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用恒定磁場(chǎng)處理低溫高氨氮廢水的 裝置及方法，它主要適用于低溫條件下高氨氮廢水的生物強(qiáng)化處理。

　　背景技術(shù)

　　水環(huán)境中氮元素的大量積累導(dǎo)致了水環(huán)境質(zhì)量的嚴(yán)重惡化，垃圾滲濾液、消化污泥脫水、 養(yǎng)殖廢水等低C/N高氨廢水占氨氮排放總量的50%以上;傳統(tǒng)的生物硝化反硝化脫氮工藝耗 氧量大，并需要添加大量有機(jī)碳源才能實(shí)現(xiàn)良好的反硝化效果。為了實(shí)現(xiàn)低能高效，各國(guó)研 究人員在傳統(tǒng)的硝化反硝化脫氮基礎(chǔ)上研發(fā)了許多新的工藝。其中，亞硝化-厭氧氨氧化全程 自養(yǎng)生物脫氮工藝以其運(yùn)行費(fèi)用低、污泥產(chǎn)量小、無(wú)需外加碳源等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，成為環(huán) 境科學(xué)與工程領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。該工藝的基本原理是先將原廢水中50%的NH4+-N氧 化為亞硝態(tài)氮，然后所產(chǎn)生的亞硝態(tài)氮與另外50%的NH4+-N發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，生成N2。

　　但是在我國(guó)冬季，北方的大部分地區(qū)以及南方的部分地區(qū)，由于溫度對(duì)微生物個(gè)體的生 長(zhǎng)、繁殖、新陳代謝、生物種群分布和種群數(shù)量起著決定性作用，直接影響著冬季污水處理 效率的高低，以生化法為主要工藝的污水處理廠的處理效果受到嚴(yán)重的影響。硝化細(xì)菌在溫 度小于15℃時(shí)，活性大幅度降低，硝化效果也明顯下降，溫度低于5℃時(shí)，硝化細(xì)菌的生命 活動(dòng)幾乎停止，處于休眠狀態(tài)。亞硝化-厭氧氨氧化全程自養(yǎng)生物脫氮工藝中亞硝化過(guò)程需要 維持在較高的溫度(30℃左右)，實(shí)現(xiàn)部分亞硝化，使出水中NH4+與NO2-比例約為1∶1。因 此在低溫條件下處理高氨氮廢水時(shí)，亞硝化過(guò)程受到低溫的抑制，導(dǎo)致該工藝無(wú)法正常運(yùn)行， 出水無(wú)法達(dá)標(biāo)。此外，溫度對(duì)活性污泥的絮凝沉降性能以及水的粘度都有較大的影響，低溫 容易造成污泥膨脹，影響污水處理工藝的正常運(yùn)行。

　　中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枺?01210491810.2，發(fā)明名稱為低溫高效氨氮污水處理方法，該方法的 步驟為：首先采用高分子材料為載體，在其內(nèi)部包埋硝化細(xì)菌微生物，以形成硝化細(xì)菌包埋 載體;然后在反應(yīng)容器中，加入所述硝化細(xì)菌包埋載體，通入含氨氮污水，對(duì)所述硝化細(xì)菌 包埋載體進(jìn)行活化;待載體活化成功后，接種污泥，通入欲處理污水，進(jìn)行曝氣生化處理。 包埋硝化細(xì)菌載體具有良好的物理力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，抗生物降解，耐磨損，包埋硝化 細(xì)菌載體含有大量利于硝化細(xì)菌生長(zhǎng)、繁殖和保持活性及傳質(zhì)擴(kuò)散的成分物質(zhì)，具有較高的 低溫氨氮處理效率，工藝流程短、裝置簡(jiǎn)單、處理效果好，將現(xiàn)有處理工藝與特殊載體結(jié)合 起來(lái)，很好的實(shí)現(xiàn)低溫脫氮效果。

　　中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枺?01310283206.5，發(fā)明名稱為一種強(qiáng)化低溫生物硝化效果的裝置與方 法。所述裝置包括：SBR脫氮反應(yīng)器，污泥強(qiáng)化池，污泥消化液水箱，城市污水箱，外加碳 源箱，溫度傳感器，pH傳感器，DO傳感器，可編程過(guò)程控制器;所述方法是以污泥消化液 原水通過(guò)高氨氮(<200mg/L)和高溫(30℃)強(qiáng)化SBR脫氮反應(yīng)器排放的剩余污泥的硝化效果; 將強(qiáng)化后的剩余污泥回流至SBR脫氮反應(yīng)器，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化SBR脫氮反應(yīng)器低溫生物硝化 效果。本發(fā)明將處理污泥消化液與強(qiáng)化低溫生物硝化效果相結(jié)合，使得設(shè)計(jì)出的SBR脫氮反 應(yīng)器具有低溫條件硝化效果良好、硝化反應(yīng)時(shí)間短，曝氣能耗小、運(yùn)行管理靈活，出水水質(zhì) 穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

　　以上文獻(xiàn)所公開(kāi)的轉(zhuǎn)置從一定程度上提高低溫廢水的生物降解性能，但上述裝置需要投 加生物載體或加熱反應(yīng)器，增加成本和能耗，難以投入實(shí)際應(yīng)用。而且并沒(méi)有解決亞硝化- 厭氧氨氧化全程自養(yǎng)生物脫氮工藝在低溫條件下處理高氨氮廢水時(shí)，亞硝化過(guò)程受到低溫的 抑制，導(dǎo)致該工藝無(wú)法正常運(yùn)行，出水無(wú)法達(dá)標(biāo);低溫對(duì)活性污泥的絮凝沉降性能以及水的 粘度都有較大的影響，造成污泥膨脹;反應(yīng)器低溫運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題。

　　發(fā)明內(nèi)容

　　1、發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題

　　針對(duì)低溫高氨氮廢水全程自養(yǎng)生物脫氮的亞硝化效率低導(dǎo)致出水不達(dá)標(biāo)，以及反應(yīng)器低 溫運(yùn)行不穩(wěn)定等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種利用恒定磁場(chǎng)處理低溫高氨氮廢水的裝置及其方法， 通過(guò)采用磁場(chǎng)-氨氧化菌強(qiáng)化體系，利用磁生物效應(yīng)提高氨氧化菌的活性，利用磁場(chǎng)力提高傳 質(zhì)效率，彌補(bǔ)現(xiàn)有與厭氧氨氧化匹配的亞硝化過(guò)程難以維持、氨氮降解效率低等缺陷，從而 實(shí)現(xiàn)高效低能耗的低溫高氨氮廢水處理。

　　2、技術(shù)方案

　　發(fā)明原理：在磁場(chǎng)-氨氧化菌的處理體系中，由于氨氧化菌的氨單加氧酶和羥胺氧化酶活 性中心存在Fe等未填滿電子殼層的過(guò)渡金屬離子，表現(xiàn)為順磁性，磁場(chǎng)作用會(huì)導(dǎo)致整個(gè)酶分 子的構(gòu)象發(fā)生變形或扭曲，將酶活性中心外露或內(nèi)包，改變酶活性，同時(shí)在磁場(chǎng)中水的滲透 壓和菌體膜的通透性增強(qiáng)，有利于微生物吸收營(yíng)養(yǎng);另外磁場(chǎng)還可以提高氧氣溶解度，可以 促進(jìn)氨氮被氧化為亞硝態(tài)氮。磁場(chǎng)力作用會(huì)促進(jìn)反應(yīng)體系中的帶電粒子運(yùn)行，提高傳質(zhì)效率， 促進(jìn)生化反應(yīng)進(jìn)行。本發(fā)明通過(guò)對(duì)污泥區(qū)氨氧化菌施加磁場(chǎng)，使反應(yīng)區(qū)同時(shí)發(fā)生生化反應(yīng)、 磁生物效應(yīng)以及磁場(chǎng)力運(yùn)行，對(duì)亞硝化反應(yīng)起到強(qiáng)化作用。本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

　　一種利用變化磁場(chǎng)進(jìn)行污水強(qiáng)化處理裝置，該裝置的結(jié)構(gòu)如下：在短程硝化SBR(序批 式活性污泥法)反應(yīng)器外側(cè)對(duì)稱設(shè)置兩磁鐵，兩磁鐵在反應(yīng)器內(nèi)形成水平方向的磁場(chǎng);短程 硝化SBR反應(yīng)器連接污水管、排水管、污泥排放管、曝氣管、堿液進(jìn)液管;污水管上設(shè)置蠕 動(dòng)泵;排水管上設(shè)置出水閥;污泥排放管上設(shè)置排泥閥;曝氣管上設(shè)置氣體流量計(jì)和曝氣泵; 堿液進(jìn)液管上設(shè)置堿液進(jìn)水閥;污水箱通過(guò)污水管連接到短程硝化SBR反應(yīng)器;空氣壓縮機(jī) 通過(guò)曝氣管連接到短程硝化SBR反應(yīng)器;短程硝化SBR反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置攪拌裝置，磁場(chǎng)傳感 器、pH傳感器和DO傳感器，曝氣頭;pH傳感器和DO傳感器與pH與DO測(cè)定儀連接;磁 場(chǎng)傳感器與磁場(chǎng)測(cè)定儀連接;曝氣泵和堿液進(jìn)水閥與繼電器連接;計(jì)算機(jī)分別與pH與DO 測(cè)定儀和繼電器相連。

　　本發(fā)明中的磁鐵為永久磁鐵，一般采用鐵氧體磁鐵，主要原料包括BaFe12O19和SrFe12O19， 磁性適中。

　　本發(fā)明還提供了一種利用上述恒定磁場(chǎng)處理低溫高氨氮廢水的裝置處理污水的方法，其 步驟為：

　　步驟一：首先在短程硝化SBR反應(yīng)器內(nèi)填充活性污泥，在底部形成活性污泥區(qū)磁場(chǎng)-氨 氧化菌的處理體系;然后在短程硝化SBR反應(yīng)器外側(cè)對(duì)稱設(shè)置兩磁鐵，保持兩磁鐵相對(duì)平行 放置且在反應(yīng)器內(nèi)形成的磁場(chǎng)方向一致即水平方向，設(shè)計(jì)兩磁鐵面積使活性污泥區(qū)均處于磁 場(chǎng)作用范圍中，通過(guò)調(diào)節(jié)兩磁鐵的間距控制中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為0-100mT，磁場(chǎng)強(qiáng)度由磁場(chǎng)測(cè)定 儀指示;在短程硝化SBR反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置有活性污泥區(qū)，在短程硝化SBR反應(yīng)器外設(shè)置有磁 場(chǎng)強(qiáng)化裝置，污泥反應(yīng)區(qū)與磁場(chǎng)相互作用，形成磁場(chǎng)一氨氧化菌強(qiáng)化體系;

　　步驟二：在4-15℃的低溫條件下接種污泥，使短程硝化SBR反應(yīng)器內(nèi)的污泥濃度為 3000-5000mg/L，通過(guò)蠕動(dòng)泵將高氨氮廢水抽入短程硝化SBR反應(yīng)器。污泥開(kāi)始馴化時(shí)，進(jìn) 水體積為反應(yīng)器有效容積的20～30%，之后逐步提高到50%。進(jìn)水后啟動(dòng)攪拌裝置，攪拌速 度150-300r/min，曝氣泵通過(guò)曝氣頭對(duì)活性污泥區(qū)進(jìn)行曝氣，pH與DO測(cè)定儀通過(guò)pH傳感 器，DO傳感器在線監(jiān)測(cè)短程硝化SBR反應(yīng)器內(nèi)的pH值和溶氧DO的變化，通過(guò)計(jì)算機(jī)和 繼電器控制曝氣泵的開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)短程硝化SBR反應(yīng)器內(nèi)溶氧DO恒定為0.5～1mg/L，同時(shí)通 過(guò)控制堿液進(jìn)水閥開(kāi)關(guān)，添加NaHCO3調(diào)節(jié)pH在7～8之間，曝氣時(shí)間為120～300min，沉淀 30～60min，排水比50%，沉淀出水后通過(guò)排泥閥排泥，控制短程硝化SBR反應(yīng)器污泥齡(SRT) 為20天，通過(guò)測(cè)定攪拌時(shí)污泥濃度與沉淀后排出污泥濃度，計(jì)算排泥體積，通過(guò)調(diào)整水力停 留時(shí)間(HRT)，控制出水氨氮與亞硝態(tài)氮的比例在1∶1～1∶1.3，實(shí)現(xiàn)對(duì)短程硝化SBR反應(yīng)器 活性污泥的低溫磁場(chǎng)馴化;

　　步驟三：短程硝化SBR反應(yīng)器內(nèi)的污泥經(jīng)1-2個(gè)月馴化后，出水水質(zhì)穩(wěn)定，氨氮與亞硝 態(tài)氮的比例維持在1∶1～1∶1.3，NO3--N<5mg/L，水質(zhì)滿足厭氧氨氧化反應(yīng)的要求。

　　3、有益效果

　　本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：

　　(1)本發(fā)明的廢水處理裝置及方法，利用磁場(chǎng)影響氨氧化菌的氨單加氧酶和羥胺氧化酶中 蛋白質(zhì)的活性位點(diǎn)，提高酶的活性，增加氨氧化反應(yīng)速率，促進(jìn)氨氧化菌富集，特別是在低 溫條件下補(bǔ)償溫度對(duì)酶活性的影響;利用磁場(chǎng)力作用增加了帶電粒子運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)而提高了傳 質(zhì)效率，彌補(bǔ)了現(xiàn)有低溫廢水處理中反應(yīng)器運(yùn)行不穩(wěn)定、氨氮降解速率不高等缺陷，實(shí)現(xiàn)了 反應(yīng)器在低溫條件下高效進(jìn)行亞硝化反應(yīng)，縮短污水停留時(shí)間，整套裝置不需加熱，減少能 耗。

　　(2)本發(fā)明結(jié)合SBR反應(yīng)器可控性強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)短程硝化的特點(diǎn)，將短程硝化SBR實(shí)時(shí)控 制技術(shù)應(yīng)用于自養(yǎng)脫氮技術(shù)中實(shí)現(xiàn)污水的短程硝化，通過(guò)控制pH、DO、水力停留時(shí)間和污 泥齡實(shí)現(xiàn)污水的半短程硝化，避免過(guò)度曝氣，減少能耗，同時(shí)解決了連續(xù)流實(shí)現(xiàn)高氨氮半短 程硝化半短程難維持，以及不易控制出水中氨氮與亞硝的濃度比例等問(wèn)題。

　　(3)本發(fā)明反應(yīng)器中所形成的磁場(chǎng)一氨氧化菌強(qiáng)化體系為利用恒定磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，充 分利用磁場(chǎng)能，減少電能消耗，減少了環(huán)境污染。

　　(4)采用本發(fā)明的污水強(qiáng)化處理方法，先對(duì)活性污泥進(jìn)行低溫、磁場(chǎng)同步馴化，待到反 應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定后，再對(duì)經(jīng)格柵過(guò)濾的高氨氮廢水進(jìn)行處理，有利于提高反應(yīng)器的污泥負(fù)荷及 氨氮負(fù)荷，縮短污水停留時(shí)間，降低運(yùn)行成本。