本发明公开了一种污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理装置和方法，属污水深度处理设备和方法；该处理装置自低向高纵向布置依次有气水混合区、主反应区和沉淀消毒区，该3区体积比为1∶4.5～6.5∶1.5～2.5。首先，空气、污水厂二级尾水泵入气水混合区进行快速混合；然后进入主反应区并形成内环流，在主反应区实现生物脱氮、难降解有机物矿化和有机物去除过程；最后主反应区出水在沉淀消毒区进行沉淀、紫外消毒后排出装置；沉淀消毒区的剩余污泥由排泥口定期排出。优点是该处理方法用于污水处理厂二级尾水等低C/N比水体的脱氮过程，在HRT为5～8h之间，氨氮去除率达到35.2%～47.8%、总氮去除率达到55.2%～72.8%、COD去除率达到37.2%～55.4%。
1.一种污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理装置，它包括处理装置壳体（4），主反应区（41），在主反应区（41）中安装有导流筒（5）将主反应区分隔为筒内的气水上流区（51）和筒外的降流区（6）；在主反应区（41）中充填有填料，其特征是：在处理装置壳体（4）中的上部和下部分别安装有带网孔的上隔板（71）和下隔板（7），下隔板（7）将处理装置壳体（4）内分割为位于下隔板（7）下面的气水混合区（3）和位于下隔板（7）上面的主反应区（41），在处理装置壳体（4）的顶部安装有TiO2催化板（8）和隔离的沉淀消毒区（11），在沉淀消毒区（11）内的顶部安装有紫外灯管（9），TiO2催化板（8）位于沉淀消毒区（11）底部；
TiO2催化板（8）将沉淀消毒区（11）主反应区（41）隔开；上隔板（71）和TiO2催化板（8）间的处理装置壳体（4）的左侧开有连通孔（10）；在沉淀消毒区（11）左右两侧分别有排泥口（13）和排水口（12）；气水混合区（3）、主反应区（41）和沉淀消毒区（11）三个区的体积比为
2.根据权利要求1所述的污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理装置，其特征是：
所述的填料是经下述方法处理过的竹丝填料（42）：将毛竹制成立体形状的竹丝填料，先将竹丝填料用5%-10%氢氧化钠水溶液连续浸泡5-7天，每天更换氢氧化钠水溶液，浸泡结束后用自来水或蒸馏水反复清洗3-5次；然后风干、或晾干、或在温度不超过60℃的鼓风干燥箱烘干；最后将干燥的竹丝填料单层平铺，在240-270nm波长的紫外灯光下距离紫外灯
3.根据权利要求2所述的污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理装置，其特征是：
所述的竹丝填料的规格为：长10-30mm、宽0.5-2mm、高0.5-2mm。
4.根据权利要求1所述的污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理装置，其特征是：
所述的上隔板（71）和下隔板（7）均为不锈钢铁丝网。
5.一种污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理方法，其特征是：使用的设备为权利要求1所述的处理装置，按如下方法处理：
1）设备的运行调试：将制备好的竹丝填料放入处理装置的主反应区并装好上隔板和下隔板，先向主反应区加入活性接种污泥，加入量为气水混合区和主反应区的5%-10%（V/V），并加入少许工业葡萄糖，再泵入污水处理厂二级尾水，混合液液面不要高出连通孔，使悬浮固体污泥浓度（MLSS）3000~4000mg/L，最后再进行闷曝6-12天，每3-4天更换处理装置中的污水处理厂二级尾水，至处理装置内竹丝填料上形成较为稳定的生物膜；
2）处理步骤：在气泵（1）和水泵（2）的作用下将空气和污水泵入气水混合区（3），气水混合后密度低于水而上升进入主反应区(41)的气水上流区(51)，气水上升至主反应区(41)顶部后气水分离，水大部分被迫进入主反应区(41)的降流区(6)，降流区(6)中的水回流入处理装置的气水混合区(3)与新进入处理装置的原水混合再次经过气水上流区(51)，形成内循环水流；污水处理厂二级尾水中的氨氮被吸附在竹丝填料表面好氧区域内的硝化菌所氧化成硝态氮；另外竹丝填料分解产物和污水处理厂二级尾水中残留的有机污染物随着内循环水流在主反应区(41)顶部TiO2催化板（8）下反复光催化矿化形成可溶解性碳源，并被吸附在竹丝填料上缺氧区域内的反硝化菌所利用，实现生物反硝化和二级尾水中残留的有机物同步去除；在主反应区(41)进行了生物硝化反硝化和有机物去除的净化水，通过主反应区（41）顶部左侧的连通孔（10）进入沉淀消毒区（11）；净化水在沉淀消毒区进行沉淀，紫外线消毒后由出水口（12）排出，剩余污泥由排泥口（13）定期排出。
污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理装置和处理方法
技术领域
[0001] 本发明属于污水处理设备和方法，具体是一种污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理装置和处理方法。主要用于污水处理厂二级尾水中氮素污染物的深度处理。技术背景
[0002] 随着城市化进程加快和工业化水平的提高，产生了大量的生活污水和工业废水。为了有效的防止水污染和保护受纳水环境，各大城市都已经投入大量的资金建设了城市污水处理厂，这些污水处理厂通常采用二级生化处理方法来处理市政污水，而常规的二级生化处理工艺是以去除有机物和氨氮为主要目的的方法，这导致常规的二级生化处理工艺尾水中常含有少量的氨氮、大量的硝态氮和少量残留下来难降解有机物，是属于一种典型的高度硝化低C/N比水体。如果污水处理厂二级尾水排入受纳水体后会导致水体的富营养化问题，而影响水环境质量和生态安全。
[0003] 目前对于城市污水处理厂二级尾水的深度处理方法的常见方法是活性炭吸附、膜法分离技术和高级氧化技术。上述这些常见方法均存在一定的缺陷，如：活性炭吸附是一种常用的方法，但是其价格昂贵；膜法分离技术对于大分子有机物、细菌、病毒等具有一定的去除作用，但是溶解性的氨氮、硝态氮没有效果；高级氧化技术对有机物也具有良好的去除效果，但是对于氨氮、硝态氮等氮素污染物效果欠缺。
[0004] 城市污水处理厂二级尾水中的氮素污染物主要包括氨氮和硝态氮，所以去除其中的氮素污染物包括好氧硝化和缺氧反硝化过程。好氧硝化过程中所涉及的两种细菌：亚硝酸菌和硝酸菌是喜好吸附生长的细菌，但是生长周期长、且非常脆弱，所以选择常见的人工合成高聚物填料会存在吸附效果差、挂膜时间长和生物量有限等问题。而缺氧反硝化过程是以碳源为电子供体、以硝态氮为电子受体在缺氧的条件下将硝态氮转化为气态氮。为了实现良好的脱氮过程，目前工程上常将硝化（好氧过程）和反硝化（缺氧过程）分开来完成以减少干扰，并在反硝化构筑物中加入液态碳源（如：甲醇等）。如果用这种传统的方法来深度处理城市污水处理厂二级尾水中的氮素污染物无疑是不可取的，其原因是：该方法占地大、成本高，运行管理复杂，还可能有液体碳源过量或不足等风险。
[0005] 综上所示，城市污水处理厂二级尾水中的氮素污染物去除是较为复杂的，是由于二级尾水成分复杂，不仅含有氮素污染物，还含有大量的残留有机物。根据二级尾水的水质特点和硝化菌、反硝化菌的生理生化特性，选择良好的处理方法对降低污水深度处理成本、提高污水深度处理效果和防止受纳水环境污染具有十分重要的价值。
[0006] 竹丝填料是一种天然的纤维素物质，将其作为生物载体具有很好的生物亲和性和亲水性，与人工合成高聚物填料相比，挂膜时间和生物量具有明显的优势，所以竹丝填料作为硝化菌的吸附介质是可行的，而且硝化菌是一类喜好吸附生长的好氧型细菌，从而实现氨氮的氧化过程。此外，竹丝填料作为微生物生长介质的同时也能被吸附其上的微生物所分解形成有机物，这些竹丝填料分解形成的有机物和污水处理厂二级尾水中残留的难降解有机物共同作为硝态氮的反硝化碳源。但是这两种碳源均属于大分子难降解有机物，所以很难被反硝化菌所利用。将光催化氧化技术有望提高大分子难降解有机物的可溶性，使生物反硝化过程得到强化。至目前为此，还没有发现将竹丝填料应用于污水处理厂二级尾水中氮素污染物去除的报导，更没有将光催化氧化技术与固相反硝化过程结合以强化污水处理厂二级尾水中硝态氮和有机污染物去除的报道。
发明内容
[0007] 针对目前污水处理厂二级尾水深度去除氮素污染物工艺存在的诸多缺点，本发明提供一种污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理装置和处理方法。
[0008] 本发明是通过以下技术方案实现的：一种污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理装置，它包括处理装置壳体，在处理装置壳体中的上部和下部分别安装有带网孔的上隔板和下隔板，下隔板将处理装置壳体内分割为位于下隔板下面的气水混合区和位于下隔板上面的主反应区，在主反应区中安装有导流筒将主反应区分隔为筒内的气水上流区和筒外的降流区；在主反应区中充填有竹丝填料，在处理装置壳体的顶部安装有TiO2催化板和独立的沉淀消毒区，在沉淀消毒区内的顶部安装有紫外灯管，TiO2催化板位于沉淀消毒区的底部；TiO2催化板将将沉淀消毒区和主反应区分开，其上面是沉淀消毒区，其下面是光催化氧化区域；上隔板和TiO2催化板间的处理装置壳体的一侧开有连通孔；在沉淀消毒区分别有排水口和排泥口。气水混合区、主反应区和沉淀消毒区体积比为1：4.5~6.5：1.5~2.5。
[0009] 所述的竹丝填料是经下述方法处理过的丝状竹子：将毛竹制成立体形状的竹丝填料，将竹丝填料用5%-10%氢氧化钠水溶液连续浸泡5-7天，每天更换氢氧化钠水溶液，浸泡完成后用自来水或蒸馏水反复清洗3-5次；而后风干、或晾干、或在温度不超过60℃的鼓风干燥箱烘干；最后将干燥的竹丝填料单层平铺，在240-270nm波长的紫外灯光下距离紫外灯10-15cm内进行紫外照射15-40min。
[0010] 所述的竹丝填料的规格为：长10-30mm、宽0.5-2mm、高0.5-2mm。
[0011] 一种污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理方法，使用的设备为上述处理装置，按如下方法处理：
[0012] 1）处理装置的运行调试：将制备好的竹丝填料放入处理装置的主反应区并安装好上下不锈钢铁丝网，先加入量为气水混合区和主反应区的5%-10%（V/V），并加入少许工业葡萄糖，再泵入污水处理厂二级尾水，使混合液液面不要高出连通孔，最后再进行闷曝（6-12天），保证处理装置内的混合液悬浮固体浓度（MLSS）在3000- 4000mg/L，每3-4天更换处理装置中的原水，至处理装置内竹丝填料上形成较为稳定的生物膜。
[0013] 2）处理步骤：先将处理装置内的悬浮污泥排出，再在气泵和水泵的作用下将气和污水泵入处置装置的气水混合区，气水混合后密度低于水而上升进入主反应区的气水上流区，气水上升至主反应区顶部后气水分离，水大部分被迫进入主反应区的降流区，降流区中的水回流入处理装置的气水混合区与新进入处理装置的原水混合再次经过气水上流区，形成内循环水流，由于污水处理厂二级尾水中残留的溶解氧和外部供氧条件下，好氧硝化菌大量繁殖使氨氮转变为硝态氮；水流中的竹丝填料分解产物和有机残留物随着内循环水流在主反应区顶部TiO2催化板下反复光催化矿化形成可溶性有机碳源供反硝化菌利用，将硝态氮转变为气态氮；部分水通过主反应区顶部左侧的连通孔进入沉淀消毒区；沉淀消毒后的水经沉淀消毒区的出水口排出，剩余污泥由排泥口定期排出。
[0014] 上述技术方案利用竹丝填料良好的生物亲和性、亲水性和较为粗糙的表面，使竹丝填料表面的生物膜大量繁殖，其中就包括大量的硝化菌和反硝化菌。由于竹丝填料表面生物膜因为竹丝填料的可生物降解性而变厚而分层，由于硝化菌的好氧特点而占据生物膜的表层区域，而反硝化菌因为缺氧特点而分布在生物膜的内层区域，使硝化菌和反硝化菌占据各自喜好的微环境，而实现同步脱氮过程。这个现象与Rahimi等和彭永臻发现的“较厚生物膜有助于脱氮过程”机理一致。在生物膜的表层区域，硝化菌得到充足的氧气使大量的氨氮被转化为硝态氮，由氨氮转化成的硝态氮和污水处理厂二级尾水中原有的硝态氮通过扩散作用进入生物膜的内层缺氧区域进行反硝化过程。其中氨氮氧化需要的氧气来自污水处理厂二级尾水中残留的氧气和处置装置底部曝气供氧；反硝化需要的有机碳源来自竹丝填料分解形成的有机物和污水处理厂二级尾水中残留的有机物，竹丝填料分解形成的有机物和二级尾水中残留的有机物在内循环的作用多次在主反应区顶部光催化氧化区进行矿化分解，形成可溶性有机物供反硝化菌所利用，这些可溶性有机物因为内循环的原因反复被竹丝填料表面生物膜内层反硝化菌所利用而降低，这些可溶性有机物易于被竹丝填料生物膜内层反硝化菌作为有机碳源所利用，将硝态氮转化为气态氮，从而实现有机物降低和反硝化脱硝的双重效果。TiO2催化板将沉淀消毒区和主反应区隔开，既保护了主反应区生物膜内微生物免受紫外灭活作用，也实现了紫外灯光的作用下进行了灭菌消毒和紫外光催化氧化的三重效果，即保护微生物、光催化矿化和紫外线消毒。
[0015] 本发明的有益效果是：在处理装置气水高效混合、污染基质的接触氧化/催化氧化、沉淀消毒等过程的基础上实现了生物硝化反硝化和有机物同步去除的效果。而且该处理装置可以用于污水处理厂二级尾水等高度硝化低C/N比水体的氮素污染物去除。在HRT为5~8h之间，氨氮去除率可达到35.2%~47.8%、总氮去除率可达到55.2%~72.8%、COD去除率可达到37.2%~55.4%。
附图说明
[0016] 图1是氮素污染物处理装置的结构示意图。
[0017] 图中：1、气泵；2、水泵；3、气水混合区；4、处理装置壳体，41、主反应区；5、导流筒；51、气水上流区；6、降流区；7、下隔板；71、上隔板；8、TiO2催化板；9、紫外灯；10、沉淀消毒区入口；11、沉淀消毒区；111、紫外光消毒区，112、紫外光催化矿化区；12、排水口；13、排泥口。
具体实施方式
[0018] 结合说明书附图来说明该装置的结构和使用方法。
[0019] 如图1所示，污水处理厂二级尾水中氮素污染物的处理装置包括处理装置壳体4，在处理装置壳体4中的上部和下部分别安装有带网孔的上隔板71和下隔板7，上隔板和下隔板为不锈钢网孔板，主要用于固定竹丝填料。下隔板7将处理装置壳体4内分割为位于下隔板7下面的气水混合区3和位于下隔板7上面的主反应区41，在主反应区41中安装有导流筒5将主反应区分隔为导流筒内的气水上流区51和筒外的降流区6；本实施例为圆筒或方筒或多边形筒。在主反应区41中，即筒内和筒外均充填有竹丝填料42，在处理装置壳体4的顶部安装有TiO2催化板8和独立的沉淀消毒区11，在沉淀消毒区11顶部安装有紫外灯管9，TiO2催化板8位于沉淀消毒区11下面；TiO2催化板8将沉淀消毒区11和主反应区41分开，形成紫外光消毒区111和紫外光催化矿化区112；上隔板71和TiO2催化板8间的处理装置壳体4的一侧开有连通孔10，此孔即沉淀消毒区入口；在沉淀消毒区11上分别有排水口12和排泥口13。
[0020] 竹丝填料42的制备：将毛竹制成长方体形状的丝状竹子，将竹丝填料用5%-10%氢氧化钠水溶液连续浸泡5-7天，每天更换氢氧化钠水溶液，浸泡完毕后用自来水或蒸馏水反复冲洗3-5次；而后风干、或晾干、或在温度不超过60℃的鼓风干燥箱中烘干，以去除竹丝填料内水溶性物质；最后将干燥的竹丝填料单层平铺，在240-270nm波长的紫外灯光下，距离紫外灯10-15cm范围内进行紫外照射15-40min，以减小竹丝填料内的结晶度。竹丝填料的规格为：长10-30mm、宽0.5-2mm、高0.5-2mm。
[0021] 处理装置运行调试：先安装处理装置和竹丝填料，不要打开紫外灯光，将接种污泥加入处理装置中，加入量为气水混合区和主反应区的5%-10%（V/V），并加入少许工业葡萄糖，再泵入污水处理厂二级尾水，使混合液液面不要高出连通孔10，以空气压缩机供氧，进行闷曝6-12天左右，以每3-4天为一个闷曝周期，每3-4天更换处理装置中的污水处理厂二级尾水；闷曝结束后排除处理装置中悬浮未吸附固定的污泥；接种挂膜后先进行小水量连续进水使吸附到竹丝填料表面的微生物能适应环境并进行快速繁殖；其进水流量为设计流量的1/3-1/4，并以3-4天为一个梯度，逐渐提高流量至1/2-1/3、1-1/2和满设计流量运行，最后进入运行过程；运行过程中先打开紫外灯光，使竹丝填料上能形成稳定的好氧层和缺氧层共存的生物膜层；
[0022] 处置装置的运行：水泵2和气泵1联合作用将空气和二级尾水泵入处置装置的气水混合区3进行快速混合，气水混合后密度低于水而上升进入主反应区41的气水上流区51，气水上升至主反应区41顶部后气水分离，水大部分被迫进入主反应区41的降流区6，降流区6中的水回流入处理装置的气水混合区3与新进入处理装置的二级尾水混合再次经过气水上流区51，形成内循环水流；内循环水流中的竹丝填料分解出的有机物和尾水中残留有机物随着内循环水流在主反应区41顶部TiO2催化板8下反复光催化矿化，矿化后形成的可溶性有机物；部分水通过主反应区41顶部左侧的连通孔进入沉淀消毒区11；沉淀消毒后的水经沉淀消毒区11的出水口12排出，剩余污泥由排泥口13定期排出。
[0023] 其原理是：污水处理厂二级尾水中的氮素污染物，其中的氨氮被吸附在竹丝填料表面生物膜内表层好氧层的硝化菌（硝酸菌和亚硝酸菌）在好氧条件下转化为硝态氮；而硝态氮以可溶性碳源为电子供体在生物膜内层缺氧区域被反硝化菌转化为气态氮。生物膜的内层反硝化所需要的可溶性碳源来自竹丝填料分解产生的有机物和污水处理厂二级尾水残留的有机物，其中竹丝填料分解产生的有机物和污水处理厂二级尾水中残留的有机物在内循环的作用下反复的被光催化氧化成可溶性有机物，这些可溶性有机物容易被反硝化细菌所利用。从而实现在光催化氧化条件下同步去除氮素污染物和有机污染物的目的。
