[0001] 本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种部分硝化反硝化耦合硫自养反硝化的污水处理装置。

[0002]

[0003] 城市垃圾卫生填埋场渗沥液成分复杂，目前尚无十分完善的适合处理它的工艺，是最难处理的高氨氮有机废水之一，主要表现为BOD、COD浓度高，重金属、氨氮和总磷的含量高等，高浓度的氨氮会对水体、生物、土壤等产生严重毒害作用。如果垃圾渗沥液处理不当，深入地下导致地下水源及土壤污染，被垃圾渗沥液污染过的水源、土壤会对人健康将造成极大影响，而被垃圾渗沥液污染过的土壤也难以恢复。

[0004] 传统异养硝化反硝化、部分硝化反硝化以及新型厌氧氨氧化工艺在垃圾渗沥液脱氮处理中存在脱氮不完全，出水硝氮、亚硝氮含量高的瓶颈问题。若继续采用异养反硝化工艺进行深度脱氮，则需补充大量有机碳源，不仅增加运营成本，且易造成因碳源补充带来的二次污染。若单独采用部分硝化反硝化，可能导致出水亚硝氮、硝氮浓度高。硫自养反硝化是一种新型污水深度脱氮工艺，无需额外添加碳源，碳排放少，运行成本低，是当前国际最前沿的脱氮处理工艺。但该工艺在实际运行过程中存在碱度消耗快、处理负荷低、电子传递效率低和脱氮效率低下等问题。

[0005] 中国发明公开专利CN115745165A公开了“硝化/反硝化耦合硫自养反硝化/厌氧氨氧化强化生活污水深度脱氮的装置与方法硝化/反硝化耦合硫自养反硝化/厌氧氨氧化强化生活污水深度脱氮的装置与方法”，可以对生活污水的深度脱氮处理。但由于在硫自养和厌氧氨氧化中培养微生物，生长速度缓慢、繁殖时间长，从而导致硫自养反硝化和厌氧氨氧化的效率较低，反应速率低还会导致了反应器体积成倍增大，增加成本；温度对微生物自养反应影响比较明显，会使本来不高的反应速率进一步降低。而且与普通生活污水相比，垃圾渗沥液本身具有较强的毒性，成分复杂，会威胁到微生物的生长繁殖。显然，该现有装置无法用于对垃圾渗沥液的处理。

[0006] 刘晓帅等在《硫自养反硝化运行工艺的现状及展望》、霍达在发表的学位论文《垃圾焚烧渗沥液厌氧氨氧化耦合硫自养反硝化强化脱氮的研究》中均采用硫自养反硝化其他反硝化工艺相结合来规避硫自养反硝化的缺点，但是其结合的其他反硝化工艺，如厌氧氨氧化工艺，工艺本身的稳定性较差，易受环境温度、pH、有机污染物浓度等外界因素影响，从而导致硫自养反硝化与其他反硝化工艺所构成的组合工艺脱氮稳定性不能得到有效保证，其硫自养反硝化与其他反硝化工艺的组合也会增加工艺复杂程度，需要调控更多的运行参数来确保工艺稳定，从而直接或间接导致硫自养反硝化工艺运行成本增加，且不能利用硫自养反硝化的副产物氢离子。

[0007] 为了至少克服现有技术存在问题之一，本发明提供一种部分硝化反硝化耦合电化学硫自养深度反硝化的污水处理装置，该装置可高效脱氮，能够有效地对垃圾渗沥液进行脱氮处理。

[0008] 为了实现本发明目的，本发明提供的一种部分硝化反硝化耦合硫自养反硝化的污水处理装置，包括部分硝化反硝化装置和电化学硫自养反硝化装置，

[0009] 部分硝化反硝化装置包括缺氧池和好氧池，缺氧池作为垃圾渗沥液进行反硝化反应的场所，好氧池作为垃圾渗沥液进行硝化反应的场所；

[0010] 电化学硫自养反硝化装置包括电化学硫自养反硝化池，电化学硫自养反硝化池设置有作为生物载体的填料层，且电化学硫自养反硝化池中设置有用于与电源的正极和负极分别连接的阳极和阴极。

[0011] 进一步地，所述缺氧池上设置有溢流口、用于搅拌的第一推流器、用于从好氧池抽水回流至缺氧池的回流泵。优选地，第一推流器固定于缺氧池底部，溢流口设于缺氧池与好氧池之间隔板顶部中间位置。

[0012] 进一步地，所述缺氧池上设置有进水管，优选地，所述进水管从缺氧池侧面底部插入。

[0013] 进一步地，所述好氧池内设置有进气管和布气管，布气管均匀分布于好氧池底部，所述进气管与布气管连接。优选地，进气管从反应器顶部进去至底部与布气管连接，[0014] 进一步地，所述布气管和布水管设置有多组，分别对称排布在所述进气管和进水管进水管的两侧，每条所述布气管均与所述进气管垂直，且相连通，每条所述布水管均与所述进水管垂直，且相连通，所述布气管和布水管上均设有向上的孔。

[0015] 进一步地，还包括沉淀池，所述沉淀池位于好氧池和电化学硫自养反硝化池之间。

[0016] 进一步地，所述沉淀池的底部成倒梯形，两边往中间倾斜，在底部中间位置设置有排泥管。

[0017] 进一步地，所述好氧池内设置有滗水器和用于搅拌的第二推流器，滗水器的出水口与沉淀池连通。优选地，滗水器的电机固定于好氧池上方平台处，第二推流器固定于好氧池底部。

[0018] 推流器起搅拌作用，确保均质处于流动状态，与污水充分接触，不会沉淀。

[0019] 优选地，第一、第二推流器以钢管作为支架分别固定于缺氧池和好氧池底部角落，由支架顶部滑轮固定绳子垂直向下与推流器相连。

[0020] 进一步地，所述硫自养反硝化池上设置有用于从沉淀池抽水进入硫自养反硝化池的进水泵。

[0021] 进一步地，所述硫自养反硝化池上还设置有承托板、进水管、布水管和可调直流稳压电源，承托板固定在硫自养反硝化池的内壁上，所述填料层固定在承托板上，进水管与布水管垂直连接并均匀分布于承托板下方所述可调直流稳压电源设置于电化学硫自养反硝化池上方平台，可调直流稳压电源的正极和负极分别与阳极和阴极连接。

[0022] 进一步地，承托硫铁复合生物载体的填料层均匀填充于承托板上方，填充体积为电化学硫自养反硝化池体积的60～70％。

[0023] 进一步地，硫铁复合生物载体填充层的填充材料为颗粒状，粒径为3～10mm。

[0024] 优选地，所述承托板为镂空结构，所述承托板上开设有孔。

[0025] 进一步地，还包括出水池，所述出水池靠近电化学硫自养反硝化池，承接电化学硫自养反硝化池的溢流出水。即所述装置从从左往右为缺氧池、好氧池、沉淀池、电化学硫自养反硝化池、出水池。

[0026] 进一步地，出水池上设置有出水管，优选地，出水管设置于池体底部与外界连通。

[0027] 采用前述部分硝化反硝化耦合电化学硫自养反硝化的污水处理装置对污水进行高效脱氮，将污水经部分硝化反硝化装置的缺氧池的进水管进水，经过部分硝化反硝化处理，再经过电化学硫自养反硝化深度处理，通过溢流槽流出。

[0028] 优选地，高效脱氮的工艺操作条件为：污水先进行部分硝化反硝化处理，后再进入电化学硫自养反硝化池进行反硝化处理，达到高效脱氮，进水总氮为2000～3100mg/L。

[0029] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：

[0030] (1)本发明提供一种部分硝化反硝化耦合电化学硫自养反硝化的污水处理装置，该处理装置将部分硝化反硝化装置和电化学硫自养反硝化装置联合起来对污水进行部分硝化反硝化和电化学硫自养反硝化处理，能够有效地对垃圾渗沥液进行脱氮处理。

[0031] (2)该污水处理装置的填料层中可以填充硫铁复合生物载体作为微生物载体，载体比表面积大，生物亲和性强，孔隙率率高，易于微生物附着形成生物膜。在运行过程中，硫铁复合生物载体中硫化物进行硫自养反硝化脱氮，硫铁复合生物载体中铁离子不仅能促进功能微生物生长，促进脱氮过程电子传递，强化反硝化效能；在填料层中加入电极能平衡反应体系的pH环境，有效促进微生物的活性，提高硫自养反硝化的效率，还能抵抗垃圾渗沥液本身存在的毒性。

[0032] (3)本申请通过电化学的方式来强化硫自养反硝化进行高效脱氮，其中外部电场的施加不仅可以有效维持硫自养反硝化反应体系在中性pH环境，使功能微生物在最佳pH环境中更好地发生反硝化反应；且电流刺激能促进脱氮功能微生物代谢，分泌更多胞外聚合物与蛋白(如在外源电场50mA刺激下，可促进EPS浓度增加2.8倍)，有利于硫自养生物载体表面形成生物膜，从而实现污水深度脱氮的效果。

[0033] (4)本申请通过电化学的方式可使氢离子在负极表面还原为氢气，进一步氢气可作为自养反硝化电子供体进行脱氮，减少硫酸盐副产物产量，从而在具有良好脱氮效果的基础上，降低硫自养反硝化工艺的硫酸盐排放风险。

[0034] (5)与背景技术提及的现有技术相比，本发明所提供的污水处理装置节省了厌氧氨氧化的过程，简化了处理工艺，节约成本。

[0035] (6)本发明工艺简便、稳定性高、可快速补充生物载体，对垃圾渗沥液脱氮效率可达到97％以上。附图说明

[0036] 图1为本发明实施例提供的部分硝化反硝化耦合电化学硫自养反硝化的污水处理装置结构图；

[0037] 图2为硫铁复合生物载体的实物图；

[0038] 图3为本发明实施例中部分硝化反硝化耦合电化学硫自养反硝化的污水处理装置的除垃圾渗沥液总氮效果图；

[0039] 图4是本发明实施例中施加外源电场时硫铁复合生物载体表面EPS的浓度和成分变化示意图；

[0040] 图5是本发明实施例中S0、FeS2和S0：FeS2在不同质量比下处理污水时TN浓度和时间的关系示意图。

[0041] 图1中，1‑进水管，2‑第一推流器，3‑回流泵，4‑溢流口，5‑布气管，6‑滗水器，7‑进气管，8‑排泥管，9‑进水泵，10‑进水管，11‑布水管，12‑承托板，13‑填料层，14‑可调直流稳压电源，15‑阴极，16‑阳极，17‑溢流槽，18‑出水管，19‑缺氧池，20‑好氧池，21‑沉淀池，22‑电化学硫自养反硝化池，23‑出水池。

[0042] 下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施例的说明仅用于帮助理解本发明，并不用于限定本发明的范围。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0043] 下述实施例中的实验方法，未注明具体条件，均采用常规条件，下述实施例中所使用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规市场等商业途径购买得到。

[0044] 实施例1一种部分硝化反硝化耦合硫自养反硝化的污水处理装置

[0045] 如图1所示，一种部分硝化反硝化耦合硫自养反硝化的污水处理装置包括部分硝化反硝化装置和电化学硫自养反硝化装置，所述部分硝化反硝化装置包括缺氧池19和好氧池20，所述电化学硫自养反硝化装置包括电化学硫自养反硝化池22。

[0046] 所述污水处理装置从左往右依次设置有缺氧池19、好氧池20、沉淀池21、电化学硫自养反硝化池22和出水池23。

[0047] 所述缺氧池19上设置有进水管1、第一推流器2、回流泵3和溢流口4，所述进水管1从缺氧池19侧面底部插入缺氧池19内；所述推流器2固定于缺氧池19的底部，第一推流器2起搅拌作用，能够确保均质处于流动状态，与污水充分接触，不会沉淀；所述回流泵3用于从好氧池20抽水回流至缺氧池19；所述溢流口4设于缺氧池19与好氧池20之间隔板顶部的中间位置。

[0048] 其中，第一推流器2通过以钢管制成的支架固定在缺氧池19的底部，具体地，支架固定在缺氧池19上，支架顶部设置有滑轮，滑轮通过垂直向下的绳子与第一推流器2连接。

[0049] 所述好氧池20上设置有第二推流器、布气管5、滗水器6、进气管7，所述进气管7从污水处理装置顶部延伸至底部与布气管5连接，布气管5均匀分布于好氧池20的底部，所述第二推流器固定于好氧池20底部，所述滗水器6位于好氧池20内且其出水口与沉淀池21连通，所述滗水器6的电机固定于好氧池20上方平台处，所述沉淀池21起二次沉淀作用。

[0050] 第二推流器通过以钢管制成的支架固定在好氧池20的底部，具体地，支架固定在好氧池20上，支架顶部设置有滑轮，滑轮通过垂直向下的绳子与第二推流器连接。

[0051] 所述沉淀池21上设置有排泥管8，所述沉淀池21的底部成倒梯形，两边往中间倾斜，所述排泥管8设置于底部中间位置。

[0052] 所述电化学硫自养反硝化池22上设置有进水泵9、进水管10、布水管11、承托板12、填料层13、可调直流稳压电源14、阴极15(可由铜片制成)、阳极16(可由钛片制成)、溢流槽17，所述进水泵9用于从沉淀池21抽水进入硫自养反硝化池22，所述进水管10与布水管11垂直连接，且布水管11均匀分布于承托板12下方，垂直连接可以以方便均匀排布布水管，使进水均匀；承托板12固定在硫自养反硝化池22的内壁上，所述填料层13通过承托板12固定位于电化学硫自养反硝化池22内，均匀填充硫铁复合生物载体作为微生物载体，承托板12起承载填料层的作用，所述可调直流稳压电源14的正极和负极分别与钛片和铜片连接。所述铜片，作为阴极材料与电源相连；所述钛片，作为阳极材料与电源相连。填料层13采用硫铁复合生物载体作为主要的微生物载体，采用硫铁复合生物载体作为填充材料，该填充材料不仅具有导电性，更可作为脱氮电子供体使用，在电化学作用下可以实现脱氮功能菌的富集，微生物分泌更多的蛋白代谢产物，达到高效脱氮的目的。其中，请参阅图4，外源电场施加的电流强度由0mA提高至50mA过程中，当电流强度由0mA提高到40mA时，EPS浓度呈显著增加趋势，由22.0±0.1mg/g·VSS增加到64.1±1.1mg/g·VSS。尽管随电流强度进一步提高到50mA，生物膜EPS含量轻微下降至61.4±0.6mg/g·VSS，但与0mA时相比，EPS浓度仍增加
2.8倍。而较高的EPS浓度不仅有利于填料表面生物膜的形成和稳定，还具有效避免生物膜中功能微生物受垃圾渗滤液中抑制性物质的影响，从而确保能够具备良好的脱氮性能。且随外源电场电流强度的增加，EPS中PN所占比例亦呈显著增加趋势，在0、10、20、30、40及
50mA电流强度条件下，EPS中PN所占比例分别为83.0％、90.3％、91.1％、91.5％、92.5％和
92.1％。同时随着ESAD反应器生物膜EPS中PN占比的增加，PN/PS比值随着电流强度从0mA增加到50mA的呈显著上升趋势，并在40mA时达到12.4的峰值。上述结果表明，在电流刺激下微生物可分泌更多的胞外蛋白，能有助于ESAD生物反应器填料表面更好地形成生物膜，从而提高脱氮效率。

[0053] 其中，所述硫铁复合生物载体的材料配比为：硫磺S0 22.5～67.5％，二硫化亚铁FeS267.5～22.5％，碳酸钙CaCO3 5％，氢氧化钙Ca(OH)2 5％。与现有技术相比，本发明提高了FeS2的质量比(现有技术中，FeS2比例是67.5％)，且硫铁复合生物载体中引入硫磺，一方面会促进胞外聚合物的分泌及胞外蛋白含量的增加，有利于微生物在填料表面形成生物膜。另一方面FeS2释放的带正电荷的铁离子被带负电荷的EPS大量吸附，铁离子能有效促进0
EPS中硫铁蛋白及Cyt‑C的稳定与合成，从而增强EPS的电子传递能力，最终实现S:FeS2质量比为1:3的复合生物填料对PN深度亚硝化预处理后的垃圾渗滤液具有最佳的脱氮效能。二硫化亚铁FeS2占比在70～50％这个范围才能达到最佳的处理效果。现有技术中，FeS2比例是
0
67.5％时，能够达到的脱氮效果为63.7％；纯S的脱氮效率为51.2％，本发明通过在硫铁复合生物载体添加并提高FeS2的质量比，可以进一步提高约10～40％的脱氮效能，而FeS2自身不具有良好的脱氮效果，脱氮效能低于10％，因此本申请的硫铁复合生物载体可极大地提高脱氮能力。

[0054] 其中，所述承托板12为镂空结构。

[0055] 所述出水池23上设置有出水管18，所述出水管18设置于池体底部并与外界连通。所述出水池23作为最终出水的储存池。

[0056] 采用上述污水处理装置进行脱氮时，污水从底部的进水管1进入缺氧池19，通过顶部隔板上的溢流口4溢流进入好氧池20，反应后由滗水器6排入沉淀池21，再由进水泵9从沉淀池21抽取，以上流式进入电化学硫自养反硝化池22，通过硫铁复合生物载体填料层处理过后经溢流槽17流进入出水池。填料层13中填充有硫铁复合生物载体作为微生物载体，载体比表面积大，生物亲和性强，孔隙率率高，易于微生物附着。在运行过程中，硫铁复合生物载体中硫化物可作为脱氮电子供体，且铁离子可作为外源电子介质可以强化硫自养反硝化；在硫铁复合生物载体填料层中加入电极能有效促进微生物的活性，提高硫自养反硝化的效率，还能抵抗垃圾渗沥液本身存在的毒性。本发明工艺简便、稳定性高、可快速补充生物载体。

[0057] 本实施例所提供部分硝化反硝化装置采用先缺氧后好氧的方式，污水从底部进水管进入缺氧池，通过溢流口溢流进入好氧池，反应后由滗水器排入沉淀池，再由水泵从沉淀池抽取，以上流式进入电化学硫自养反硝化池，通过硫铁复合生物载体填料层处理过后经溢流槽流进入出水池。以钛作为阳极，铜作为阴极；以硫铁复合生物载体作为微生物载体。在运行过程中，外电场不仅能有效促进硫自养微生物的活性，提高硫自养反硝化的效率，还能促使硫自养反硝化装置中功能微生物耐受前端部分硝化反硝化装置所产生的高浓度亚硝酸盐及垃圾渗沥液本身存在的毒性；且硫铁复合生物载体中的铁离子还能强化硫自养反硝化装置的自养脱氮作用。本发明工艺简便、稳定性高、可快速补充生物载体，对低碳氮比垃圾渗沥液脱氮效率达到97％以上。

[0058] 实施例2部分硝化反硝化耦合电化学硫自养反硝化的污水处理方法

[0059] 一种部分硝化反硝化耦合电化学硫自养反硝化的污水处理方法，包括以下步骤：

[0060] 垃圾渗沥液由所述进水管1进入污水处理装置的缺氧池19，在缺氧池19中进行反硝化反应，所述推流器2进行搅拌，使均质充分与污水接触反应，不会沉积到池底，且缺氧池19中水自然溢流至好氧池20；所述好氧池20中进行硝化反应，所述进气管7连接鼓风机对好氧池20进行曝气，所述布气管5使曝气均匀，所述回流泵3将好氧池20的水会回流至缺氧池
19，所述滗水器6将好氧池20的上清液排至沉淀池21；沉淀池21中经过二次沉淀后的污泥从底部经过排泥管8排除；所述进水管10与进水泵9相连，所述进水泵9将沉淀池21中的上清液抽进电化学硫自养反硝化池22，所述电化学硫自养反硝化池22中进行反硝化反应，所述布水管11使进水均匀从底部进入向上流动，所述溢流槽17使电化学硫自养反硝化池22的出水以溢流方式自然进入出水池23；处理后的水最终通过出水管18从出水池23中排出。

[0061] 实施例3部分硝化反硝化耦合电化学硫自养反硝化的污水处理装置的应用效果。

[0062] 将实施例1的部分硝化反硝化耦合电化学硫自养反硝化的污水处理装置应用于垃圾渗沥液高效脱氮处理，工艺条件：以某垃圾填埋场的垃圾渗沥液原液作为污水源进行处3
理，垃圾渗沥液进水总氮TN浓度为2000～3100mg/L，处理量为1.5m/day，原液进水方式为间歇进水，电化学硫自养反硝化装置为连续进水。

[0063] 脱氮效果如图3所示，污水处理装置稳定运行后，总氮去除率达到97％以上，出水TN低于60.0mg/L，出水PH可稳定维持在8.5±0.4。

[0064] 以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。