基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收的装置及方法

摘要

本发明公开了基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收的装置及方法。该装置包括依次通过管道连接的农村污水桶、第一进水泵、复合填料柱、出水桶、第二进水泵、复合滤料柱；曝气风机通过曝气软管连接第一气孔和第二气孔；复合填料层由单质硫颗粒和铝矾土熟料颗粒混合组成，在复合滤料柱中通入氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液进行生物挂膜；铝土矿滤料层由多个铝矿石生料滤料组成；方解石滤料层由多个方解石滤料组成。

说明书

技术领域

本发明涉及污水深度处理技术领域，具体涉及一种基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收装置与方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加快，在工业、农业领域消耗了大量磷资源，这些被消耗的磷资源最终会以各种形态进入水体，导致水体不断累积磷元素，进而导致水体富营养化速度加快，水体生态平衡遭受破坏。

目前污水处理厂采用的总磷去除和回收技术方法主要有化学沉淀法、生物法、吸附法以及生物和化学辅助除磷相结合方法等。吸附法是通过离子交换吸附、固体表面沉淀等过程达到除磷酸盐的效果，其缺点是只能适用于低磷处理，不适用于处理含有高浓度磷的废水。化学沉淀法是通过调整pH来控制可溶性金属盐与磷酸盐进行反应生成一种难溶性的金属磷盐，从而起到除磷的效果，但这种方法存在运营成本高、加药量大、产生的化学污泥量大、回收难、出水pH值高等缺点。生物除磷是聚磷菌在适当的生化条件下，过度吸收污水中的磷，通过排放富磷污泥来达到除磷目的。生物除磷效率高，成本低，但受水体中碳磷比的影响，一般认为当BOD

鉴于传统污水除磷工艺的不足，近年来升起多种污水除磷工艺，其中硫自养同步脱氮除磷是其中一个热点。中国发明专利申请CN109293164A公开一种污水深度脱氮除磷的方法中，即采用了硫自养反硝化工艺，其具体原理为以填料中的单质硫为电子供体，以硝酸盐为电子受体将硝氮还原为氮气，从而在反硝化过程中起到同步除磷脱氮的效果，同时为了降低硫自养过程中产生的H

中国发明专利申请CN111732188A公开了一种利用反硝化滤床进行同步脱氮除磷方法及处理工艺，其原理是在厌氧条件下，脱氮硫杆菌在生化过程产生H

发明内容

本发明针对现有化学沉淀法、吸附法、生物法、生物耦合化学沉淀方法中存在效果差、出水有色、“返色”等问题，提供了一种除磷率高、出水清澈无色度，不产生二次污染，同时去除污水中的磷和实现磷资源回收的基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收的装置与方法。

本发明在好氧的条件下，硫杆菌以氧为电子受体，单质硫为电子供体，单质硫被氧化为硫酸。通过控制水在复合填料和滤料柱中的上升流速和停留时间，使铝土矿(熟料)和铝矿石(生料)中和酸性污水，提高出水pH，同时溶出铝离子。在方解石滤料作用下，将pH最终提高至6～8。当pH升至5～6时，Al

本发明目的是通过以下的技术方案来实现的。

基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收装置，包括依次通过管道连接的农村污水桶、第一进水泵、复合填料柱、出水桶、第二进水泵、复合滤料柱；复合填料柱的空心柱体内从下到上依次设有气孔、第一鹅卵石承托层和复合填料层；复合滤料柱的空心柱体内从下到上依次设有第二气孔、第二鹅卵石承托层、铝土矿滤料层和方解石滤料层；曝气风机通过曝气软管连接第一气孔和第二气孔；复合填料层由单质硫颗粒和铝矾土熟料颗粒混合组成，在复合滤料柱中通入氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液进行生物挂膜；铝土矿滤料层由多个铝矿石生料滤料组成；方解石滤料层由多个方解石滤料组成。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述的单质硫颗粒粒径为2～5mm，硫质量含量≥98％；铝矾土熟料颗粒粒径为2～5mm，三氧化二铝质量含量≥80％；单质硫颗粒和铝矾土熟料颗粒质量比为1:1～2:1。

优选地，所述的复合填料层的铺设高度为1～1.2m。

优选地，所述的铝矿石生料滤料粒径为2～5mm，铝质量含量≥65％；铝土矿滤料层15的铺设高度为0.6～0.9m。

优选地，所述的方解石滤料粒径为2～3mm，碳酸钙的质量含量≥98％；方解石滤料层16铺设高度为0.2～0.3m。

优选地，所述的铝矿石生料滤料与方解石滤料的质量比为3:1。

优选地，所述的复合填料柱包括第一进水口、第一气孔、第一鹅卵石承托层、复合填料层、第一出水口；在复合填料柱的底部和上部分别设有第一进水口和第一出水口；

所述的复合滤料柱包括第二进水口、第二气孔、第二鹅卵石承托层、铝土矿滤料层、方解石滤料层、第二出水口；复合滤料柱的底部和上部分别设有二进水口和第二出水口；

第一气孔和第二气孔分别有多个，均匀设置在复合填料柱和复合滤料柱的底部；

曝气风机分别与第一气孔和第二气孔连接曝气软管上分别设有第一气体流量计和第二气体流量计。

一种基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收方法，包括如下步骤：

1)氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)溶于水中配置成氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液；将氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液通入复合填料柱中，曝气，当pH值降至3以下，结束生物挂膜；

2)含磷污水从复合填料柱的底部进入，控制复合填料柱内水中的进水量为33.6～72L/d；溶解氧为4～6mg/L；上升流速为0.5～1.05m/h；停留时间为1.3～2.8h；水温为27～33℃；

3)步骤处理后的水进入复合滤料柱中的进水量为33.6～72L/d；上升流速为0.5～1.25m/h；进水停留时间为1.3～2.2h，实现污水除磷和磷资源回收。

优选地，所述的氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液的浓度为1.0～2.0g/L。

优选地，所述的氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液通入复合填料柱中时，保持溶解氧保持在5～6mg/L、接种循环流量为2～3L/h、温度为27～31℃。

本发明的有益效果如下：

1.本发明不直接在污水中投加除磷药剂，而是将生化作用与物化作用相结合，在好氧条件下，构建一个基于硫杆菌提供H

2.本发明方法的铝土矿滤料和方解石滤料还能起到滤过截留的作用，因此可以通过洗脱获得磷资源回收。

3.本发明利用碳酸钙在富含二氧化碳的酸性水体中能够消耗H

4.本方法无需经常配药，滤料更换周期长，就能达到除磷率高、出水清澈无色度的目的，对于污水处理厂特别是农村分散式污水处理设备的运行管理，提供了极大的便利，大大节约了劳动成本和水处理运行费用。

附图说明

图1为本发明基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收装置的结构示意图；

图2为图1中除硫菌剂中菌种电镜图；

图3为实施例1、2的生物挂膜过程中硫酸盐生成示意图；

图4为实施例1的总磷去除效果示意图；

图5为实施例2的总磷去除效果示意图；

图6为实施例3的生物挂膜过程中硫酸盐生成示意图；

图7为实施例3的总磷去除效果示意图。

图中示出：农村污水桶1、第一进水泵2、第一进水口3、第一气孔4、第一鹅卵石承托层5、复合填料层6、第一出水口7、第一气体流量计8、曝气风机9、出水桶10、第二进水泵11、第二进水口12、第二气孔13、第二鹅卵石承托层14、铝土矿滤料层15、方解石滤料层16、第二出水口17、复合填料柱18、复合滤料柱19，第二气体流量计20。

具体实施方式

以下结合具体实施例及附图对本发明技术方案做进一步的描述，但本发明的实施方式及保护范围不限于此。

如图1所示，一种基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收装置，包括依次通过管道连接的农村污水桶1、第一进水泵2、复合填料柱18、出水桶10、第二进水泵11、复合滤料柱19；复合填料柱18包括第一进水口3、第一气孔4、第一鹅卵石承托层5、复合填料层6、第一出水口7；在复合填料柱18的底部和上部分别设有第一进水口3和第一出水口7；复合填料柱18的空心柱体内从下到上依次设有气孔4、第一鹅卵石承托层5和复合填料层6；复合滤料柱19包括第二进水口12、第二气孔13、第二鹅卵石承托层14、铝土矿滤料层15、方解石滤料层16、第二出水口17；复合滤料柱19的底部和上部分别设有二进水口12和第二出水口17，复合滤料柱19的空心柱体内从下到上依次设有第二气孔13、第二鹅卵石承托层14、铝土矿滤料层15和方解石滤料层16；第一气孔4和第二气孔13分别有多个，均匀设置在复合填料柱18和复合滤料柱19的底部；曝气风机9通过曝气软管连接第一气孔4和第二气孔13。

复合填料层6由单质硫颗粒和铝矾土熟料颗粒混合组成；单质硫颗粒粒径为2～5mm，硫质量含量≥98％；铝矾土熟料颗粒粒径为2～5mm，三氧化二铝质量含量≥80％；单质硫颗粒和铝矾土熟料颗粒质量比为1:1～2:1；复合填料层6的铺设高度为1～1.2m。

铝土矿滤料层15由多个铝矿石生料滤料组成；铝矿石生料滤料粒径为2～5mm，铝质量含量≥65％；铝土矿滤料层15的铺设高度为0.6～0.9m。

方解石滤料层16由多个方解石滤料组成，方解石滤料粒径为2～3mm，碳酸钙的质量含量≥98％；方解石滤料层16的铺设高度为0.2～0.3m。

铝矿石生料滤料与方解石滤料的质量比为3:1。

曝气风机9分别与第一气孔4和第二气孔13连接曝气软管上分别设有第一气体流量计8和第二气体流量计20。

本发明一种基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收的方法，包括以下步骤：

1)复合填料柱的制备：将一定粒径的单质硫和铝土矿(熟料)按混合装成填料柱；具体时将含量≥98％的单质硫粉碎制得粒径为2～5mm颗粒；将三氧化二铝含量≥80％的块状铝矾土(熟料)粉碎为2～5mm颗粒；最后将硫磺颗粒和铝土矿颗粒按照重量比为1:1～2:1进行均匀混合、装填到填料柱中，铺设高度1～1.2m。

2)复合滤料柱的制备：将铝矿石(生料)和方解石分层铺装；铝矿石(生料)滤料层中的铝含量≥65％、将其粉碎至粒径为2～5mm；方解石滤料层中的碳酸钙含量≥98％，粒径为2～3mm；将上述粒径大小的铝矿石和方解石按照3:1体积比进行分层铺装，铺设高度0.8～1.2m。

3)氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)的培养和生物挂膜：

氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液配置：将氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)溶于自来水中，搅拌均匀配置成浓度为1.5～2.0g/L的氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液；本发明的氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)是本领域常用的菌株，保藏编号GGMCC NO0759。

生物挂膜：将氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液通入复合填料柱18中，曝气，监测培养过程中所述挂膜培养液的变化；溶解氧保持在5～6mg/L、接种循环流量为2～3L/h、温度为27～31℃；当pH值降至3以下，硫酸盐浓度显著地升高，表明生物挂膜结束，启动完成。

4)硫杆菌生化反应—产酸阶段：

含磷污水从复合填料柱的底部进入，在好氧条件下，硫杆菌将单质硫氧化生成硫酸，将污水的pH降至2～3，如下面的式(1)所示；控制复合填料柱内水中的进水量33.6～72L/d；溶解氧：4～6mg/L；上升流速：0.5～1.05m/h；停留时间：1.3～2.8h；水温27～33℃。

5)除磷及磷资源回收阶段：

通过控制水在复合填料柱和复合滤料柱中上升流速和停留时间，使铝土矿(熟料)和铝矿石(生料)中和酸性污水，提高出水pH，同时溶出铝离子。复合滤料柱中的进水量33.6～72L/d；上升流速：0.5～1.25m/h；进水停留时间：1.3～2.2h。在方解石滤料的作用下将出水pH最终调节至6～8，如下面的式(2)、(3)所示；当pH值缓慢升高至5～6时，Al

2S+3O

Al

CaCO

Al

Al

实施例1

本实施例中待处理的污水来自于广州市某农村污水处理站生化池出水，按照本发明的技术方案，对水体进行深度处理，提供一种基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收的方法，包括以下步骤：

1)复合填料柱的制备：

分别称取2.1kg、粒径为2～5mm的硫磺颗粒和铝土矿(熟料)颗粒，然后将两者均匀混合放入复合填料柱内，铺设高度1m。

2)复合滤料柱的制备：

复合滤料柱高150cm，管径6cm。将铝含量≥65％、粒径为2～5mm的铝矿石(生料)与钙含量≥98％、粒径为2～3mm的方解石按照体积比3:1进行分层铺装，铝土矿滤料层铺设高度为60cm，方解石滤料层铺设高度为20cm。

3)硫杆菌的培养和生物挂膜：

称取除硫菌剂硫杆菌(硫杆菌(Thiobacillus)，由河南佑景生物科技有限公司提供)40g溶于20L自来水中，搅拌均匀配置成浓度为2g/L的氧化硫硫杆菌(Thiobacillusthiooxidans)挂膜培养液，其除硫菌剂中的氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)菌种扫描电镜照片如图2所示，图中的氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)以孢子体结构呈现，放大倍数为300倍，说明本文所采用的除硫菌剂中含有休眠期的氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)菌种；将浓度为2g/L的氧化硫硫杆菌(Thiobacillusthiooxidans)挂膜培养液用以生物挂膜；开启挂膜培养，循环接种，将氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液通入复合填料柱18中，曝气，监测培养过程中所述氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液的变化；溶解氧保持在5mg/L左右、接种循环流量为3L/h、温度为27～31℃。如图3所示，复合填料在循环接种10天之后，pH值从初始值为7.32的时候降至1.75，硫酸盐的浓度从35mg/L上升至406mg/L，证明硫杆菌微生物挂膜完成，启动完成。

4)农村污水桶1中的污水通过第一进水泵2泵入串联连接的复合填料柱18与复合滤料柱19中，待处理污水从复合填料柱第一进水口3流入鹅卵石承托层5，再流经复合填料层6后从第一出水口7流入出水桶10，第一气孔4依次连接着第一气体流量计8和曝气风机9，从而实现连续曝气，其曝气量由第一气体流量计8进行控制。出水桶的待处理酸性污水经第二进水泵11泵入复合滤料柱19中，酸性待处理污水从复合滤料柱19底部的第二进水口12进入第二鹅卵石承托层14中，再依次流经铝土矿滤料层15、方解石滤料层16内，经处理后，达标排放的水从复合滤料柱19顶部的第二出水口17流出。该步骤运行的参数为：复合填料柱的进水量33.6L/d、溶解氧4mg/L左右、上升流速0.5m/h、停留时间2.8h、水温27～30℃。复合滤料柱的进水量33.6L/d、上升流速0.5m/h、停留时间2.2h。

图4为实施例1的总磷去除效果示意图，从图4可以看出，本实施例运行初期除磷效率较低，在75.59％～86.02％之间，只达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级B排放标准，但在运行3天以后出水TP去除率达到94.14％以上，总磷浓度<0.5mg/L，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A排放标准。

实施例2

该实例中待处理的污水来自于广州市黄浦区某农村污水处理站生化池出水，按照本发明的技术方案，对水体进行深度处理，一种基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收的方法，包括以下步骤：

1)复合填料柱的制备：

分别称取2.1kg、粒径为2～5mm的硫磺颗粒和铝土矿(熟料)颗粒，然后将两者均匀混合放入填料柱内，铺设高度1m。

2)复合滤料柱的制备：

复合滤料柱高150cm，管径6cm。将铝含量≥65％、粒径为2～5mm的铝矿石(生料)与钙含量≥98％、粒径为2～3mm的方解石按照体积比3:1进行分层铺装，铝土矿滤料层铺设高度为60cm，方解石滤料层铺设高度为20cm。

3)硫杆菌的培养和生物挂膜：

称取除硫菌剂(硫杆菌(Thiobacillus)，由河南佑景生物科技有限公司提供)35g溶于20L自来水中，搅拌均匀配置成浓度为1.75g/L的氧化硫硫杆菌(Thiobacillusthiooxidans)挂膜培养液；进一步将浓度为1.75g/L的氧化硫硫杆菌(Thiobacillusthiooxidans)挂膜培养液用以生物挂膜；开启挂膜培养，循环接种，将氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液通入复合填料柱18中，曝气，监测培养过程中所述氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液的变化；溶解氧保持在5～6mg/L、接种循环流量为2.5L/h、温度为28～30℃。复合填料柱18在循环接种10天之后，pH值从初始值从6.98的时候降至1.89，硫酸盐的浓度从12mg/L上升至215mg/L，证明硫杆菌微生物挂膜完成，启动完成。

4)农村污水桶1中的污水通过第一进水泵2泵入串联连接的复合填料柱18与复合滤料柱19中，待处理污水从复合填料柱第一进水口3流入鹅卵石承托层5，再流经复合填料层6后从第一出水口7流入出水桶10，第一气孔4依次连接着第一气体流量计8和曝气风机9，从而实现连续曝气，其曝气量由第一气体流量计8进行控制。出水桶的待处理酸性污水经第二进水泵11泵入复合滤料柱19中，酸性待处理污水从复合滤料柱19底部的第二进水口12进入第二鹅卵石承托层14中，再依次流经铝土矿滤料层15、方解石滤料层16内，经处理后，达标排放的水从复合滤料柱19顶部的第二出水口17流出。

该步骤运行的参数为：复合填料柱的进水量为50.4L/d、溶解氧保持在5mg/L左右、上升流速为0.75m/h、停留时间为1.9h、水温保持在29～33℃。复合滤料柱的进水量为50.4L/d、上升流速为0.75m/h、停留时间1.5h。

从图5可以看出，本方法对污水中的总磷去除效率高，除磷效率可以达到91.92％以上，出水总磷浓度<0.5mg/L，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A排放标准。

实施例3

该实例中待处理的污水来自于广州市黄浦区某农村污水处理站生化池出水，按照本发明的技术方案，对水体进行深度处理，一种基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收的方法，包括以下步骤：

1)复合填料柱的制备：

分别称取2.1kg、粒径为2～5mm的硫磺颗粒和铝土矿(熟料)颗粒，然后将两者均匀混合放入填料柱内，铺设高度1.2m。

2)复合滤料柱的制备：

复合滤料柱高150cm，管径6cm。将铝含量≥65％、粒径为2～5mm的铝矿石(生料)与钙含量≥98％、粒径为2～3mm的方解石按照体积比3:1进行分层铺装，铝土矿滤料层铺设高度为90cm，方解石滤料层铺设高度为30cm。

3)硫杆菌的培养和生物挂膜：

称取除硫菌剂(硫杆菌(Thiobacillus)，由河南佑景生物科技有限公司提供)30g溶于20L自来水中，搅拌均匀配置成浓度为1.5g/L的氧化硫硫杆菌(Thiobacillusthiooxidans)挂膜培养液；进一步将浓度为1.5g/L氧化硫硫杆菌(Thiobacillusthiooxidans)挂膜培养液用以生物挂膜；开启挂膜培养，循环接种，将氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液通入复合填料柱18中，曝气，监测培养过程中所述氧化硫硫杆菌(Thiobacillus thiooxidans)挂膜培养液的变化；溶解氧保持在6mg/L左右、接种循环流量为2L/h、温度为29～31℃。图6为实施例3的生物挂膜过程中硫酸盐生成示意图；如图6所示，复合填料在循环接种10天之后，pH值从初始值为7.10降至1.95，硫酸盐的浓度从15.0mg/L上升至327mg/L，证明硫杆菌微生物挂膜完成，启动完成。

4)农村污水桶1中的污水通过第一进水泵2泵入串联连接的复合填料柱18与复合滤料柱19中，待处理污水从复合填料柱第一进水口3流入鹅卵石承托层5，再流经复合填料层6后从第一出水口7流入出水桶10，第一气孔4依次连接着第一气体流量计8和曝气风机9，从而实现连续曝气，其曝气量由第一气体流量计8进行控制。出水桶的待处理酸性污水经第二进水泵11泵入复合滤料柱19中，酸性待处理污水从复合滤料柱19底部的第二进水口12进入第二鹅卵石承托层14中，再依次流经铝土矿滤料层15、方解石滤料层16内，经处理后，达标排放的水从复合滤料柱19顶部的第二出水口17流出。

该步骤的运行的参数为：复合填料柱的进水量为72L/d、溶解氧保持在6mg/L左右、上升流速为1.05m/h、停留时间为1.3h、水温保持在30℃左右。复合滤料柱的进水量为72L/d、上升流速为1.05m/h、停留时间1.3h。

图7为实施例3的总磷去除效果示意图。从图7可以看出，从以上实施例可以看出，采用本发明方法对污水中的总磷去除有着高效率，在系统稳定3天以后总磷去除率可以达到90.70％以上，出水总磷浓度符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB18918-2002一级A排放标准，表现出较好的除磷能力。

本发明基于复合填料培养硫杆菌除磷及磷资源回收的方法，利用硫杆菌在好氧环境下将硫磺氧化成硫酸，将待处理的污水变为酸性水体，将含有铝元素矿物溶出Al