CN101058462A - 多级内循环硝化－反硝化生物脱氮反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式多级内循环硝化－反硝化生物脱氮流化床反应器，其构成为，敞口结构的壳体空间从下至上依次设计为由缺氧区、高浓度好氧区、低浓度好氧区构成的流化反应区和三相分离区，相邻区间相互连通。其中流化反应区的缺氧区、高浓度好氧区和低浓度好氧区由两个设置在反应区筒体上的区间隔板相互分隔形成，且每个流化反应区均设计有使本区间水流形成区间内循环的循环隔板，运行时填充多孔聚合物高分子载体。三相分离区由分离区筒体、位于筒体内的上下分离筒和位于筒体与分离筒之间的出水堰构成，达标净化水由出水堰排出，脱除气体由敞口排入大气。本发明具有整体结构紧凑，占地面积小，工艺流程简单，工程投资省，运行费用低等诸多优点。

Description

多级内循环硝化—反硝化生物脱氮反应器

技术领域：

本发明涉及高浓度含氨氮工业污水处理技术领域，是一种硝化—反硝化生物脱氮流化床反应装置，尤其是涉及一种利用多级内循环硝化—反硝化生物反应对污水中的氮进行脱除的一体式流化床反应装置。

背景技术：

污水治理是三废治理中最重要的一个部分，污水中的氮是造成水体富营养化的主要原因之一。各国都制定有相关法规，对氮的污染物浓度作出了严格限定。随着自然水体富营养化的日益加剧，对氮的控制将越来越严格。污水脱氮常用的处理方法有物理化学处理法和生物处理法。生物处理法由于其建设投资省，运行费用低，无二次污染等优点而成为污水脱氮的主流工艺。生物处理方法是利用微生物的代谢作用，将废水中的污染物进行转移或转化，从而使废水得到净化的过程。根据参与代谢的微生物种群的不同，可以将生物处理方法分为厌氧生物处理、兼氧生物处理和好氧生物处理。

在生物脱氮技术中，传统的工艺是硝化—反硝化工艺，该工艺的脱氮过程一般包括硝化和反硝化两个阶段。在传统的硝化—反硝化工艺基础上发展起来的新的脱氮技术，目前主要有短程硝化反硝化工艺、同步硝化反硝化工艺和厌氧氨氧化工艺等。现有技术使用最多的脱氮技术仍为成熟的传统硝化—反硝化工艺，在废水生物脱氮中占据了主导地位，并且有十分成熟的工程经验和工艺参数。实现硝化—反硝化工艺的设备有SBR及其改进、传统活性污泥法、氧化沟、生物转盘、生物流化床等。传统的硝化—反硝化工艺经过多年的不断发展，涌现出了多种改进的处理工艺，但这些工艺都是将兼氧(缺氧)段和好氧段独立开来，需要多个独立的设备实施，设备之间用管路进行连接，配备专门的污水输送泵，从而导致设施占地面积大，工程投资高，运行费用高，且处理设备多为低效生物反应器，操作稳定性差，处理效率低，控制复杂，控制困难。

针对现有技术的高浓度含氨氮工业污水硝化—反硝化生物脱氮处理技术存在的不足，人们渴望有人能够提供可在一个反应器中完成废水脱氮的硝化—反硝化过程，减少甚至取消兼氧区与好氧区之间的管路连接，以减少工程的占地面积，节省工程投资，减少运行成本，提高反应器抗冲击性能，降低企业治污成本的硝化—反硝化生物脱氮工艺或设备。但这样的工艺或设备至今尚未见报道公开。

发明内容：

针对现有技术的硝化—反硝化生物脱氮处理技术存在的不足，本发明的目的是通过提供一种一体式多级内循环硝化—反硝化生物脱氮流化床反应器，以解决现有技术的硝化—反硝化生物脱氮处理装置所存在的设施占地面积大，工程投资大，运行费用高，操作稳定性差，控制困难，处理效率低等问题。

可用于解决上述技术问题的多级内循环硝化—反硝化生物脱氮流化床反应器的结构为：反应器壳体为敞口结构，壳体内空间从下至上依次设计为由缺氧区、高浓度好氧区、低浓度好氧区构成的流化反应区和三相分离区，相邻区间相互连通，其中流化反应区的缺氧区、高浓度好氧区和低浓度好氧区由两个设置在反应区筒体上的区间隔板相互分隔形成，且每个流化反应区均设计有使水流形成区间内循环的循环隔板，运行时装入有用于形成固定化生物膜颗粒的多孔聚合物高分子载体，三相分离区由分离区筒体、位于分离区筒体内的上下分离筒和位于分离区筒体与内筒之间的出水堰构成，下分离筒的上端口位于上分离筒下端口内，污水进水接管口位于缺氧区下部，空气进气接管口位于高浓度好氧区下部，溢流出水堰内设计有净化水排放口。

在上述技术方案中，用于分隔缺氧区、高浓度好氧区和低浓度好氧区的区间隔板与筒体轴线成一定倾角地设置在反应区筒体上，且两个区间隔板的倾斜方向相反。

在上述技术方案中，在缺氧区、高浓度好氧区和低浓度好氧区均设计有一个使区间内水流形成循环的循环隔板，循环隔板以垂直且上下悬空地方式设置在筒体中央。

在上述技术方案中，缺氧流化反应区底部设置有污水进水布水装置，污水布水装置与污水进水接管联接，其污水出口面高于循环隔板的下边缘。待处理的污水由污水进水管经布水装置进入缺氧流化反应区进行缺氧脱氮处理。污水布水装置最好是采用大阻力布水装置。

在上述技术方案中，高浓度好氧流化反应区设置有空气进气布气装置，空气布气装置与空气进气接管联接，其空气出口面高于循环隔板的下边缘。空气由空气进气接管经布气装置进入高浓度好氧流化反应区进行好氧硝化及脱氮反应。进气布气装置最好是采用微孔曝气式布气装置。

在上述技术方案中，至少在缺氧流化反应区筒体壁上还设置有用于将位于区间隔板与筒体壁形成的契形空间内因缺氧反硝化反应脱除的氮气排出的气体排放接管。即在高浓度好氧流化反应区筒体壁上也可设置用于将区间隔板与筒体壁形成的契形空间内气体排出的气体排放接管。

在上述技术方案中，还设置有其进口端与三相分离区相接，出口端与污水进水接管相接的水回流管，使未达到排放标准的水流返回到缺氧流化反应区进行再一次处理。

在上述技术方案中，三相分离区的结构最好设计为：三相分离区的筒体直径大于流化反应区的筒体直径；上下分离筒的直径与流化反应区的筒体直径基本相同；下分离筒的结构为直-锥-直结构，上分离筒的结构为锥-直结构，下分离筒的上直筒部分位于上分离筒内，形成沟通分离筒内空间与环形空间的通道。

为了更好地解决所要解决的技术问题，本发明所提供的一体式多级内循环硝化—反硝化生物脱氮流化床反应器还采取了以下技术措施。

在其缺氧区底部设置的布水装置采用由布水主管、布水支管和布水喷嘴构成的大阻力布水方式结构，使进入缺氧区的污水能均匀地分布在半圆截面的反应区域，以有利于生物颗粒的流化。在缺氧反应区，用于形成固定化生物膜颗粒的载体采用粒径1.0～1.5mm的改性多孔聚合物高分子载体，以有利于载体流化床形成。在高浓度好氧区底部设置的压缩空气布气装置采用由进气主管、布气支管和微孔曝气管构成的微孔曝气方式结构，运行中产生的大量微气泡，可提高水中的溶氧度，从而得到较高的曝气效率，同时为生物颗粒流化提供了所需的动力。在高浓度好氧区，用于形成固定化生物膜颗粒的载体内采用粒径0.3～0.5mm的改性多孔聚合物高分子载体，有利于载体流化床的形成。在低浓度好氧区，填充少量粒径0.2～0.4mm的改性多孔聚合物高分子载体，作为形成固定化生物膜颗粒的载体。低浓度好氧区内的液体为由部分悬浮污泥和生物颗粒组成的混合液。将三相分离区内未达到排放标准的水流输送返回到缺氧流化反应区进行再一次处理的回流管道上设置有回流泵，为回流液的回流提供回流所需动力。

本发明提供的一体式多级内循环硝化—反硝化生物脱氮流化床反应器，避免了现有技术生物脱氮技术的不足，充分利用了生物流化床反应器和生物固定化技术的优点。本发明由于采用了全新的内循环结构，将反应器空间分成缺氧反应区、高浓度好氧反应区和低浓度好氧反应区，各区间自然相通，使硝化—反硝化生物反应可在最短流程里完成，从而使生物脱氮工艺大为简单。因此，本发明与传统工艺相比，占地面积小60％以上，运行费用低50％以上，设备投资低30％以上。同时，以改性多孔聚合物高分子载体作为生物载体，采用了生物固定化技术，各区均形成独立高效的内循环生物固定化流化床，因此本发明具有处理效率高，生物量高，无污泥膨胀等优点。本发明能高效地降解污水中的COD_Cr和氮的污染物，特别是脱氮效果更为突出，当污水NH₃-N≤500mg/L时，出水水质达到GB8979-1996《污水综合排放标准》中规定的一级排放标准。本发明还具有外形美观，设计新颖，管理方便，抗冲击能力强等优点。本发明的推广实施将会产生良好的环境效益和社会效益。

本发明与现有技术相比，最为突出的优点在于采用了全新的内循环结构，在同一反应区内部分成缺氧反应区、高浓度好氧反应区和低浓度好氧反应区，使硝化—反硝化生物反应在最短流程里完成，从而带来了生物脱氮处理装置的设施占地面积、工程投资和运行费用都大为降低，且操作稳定性好，易于控制，处理效率高，抗负荷冲击性能好等积极效果。

附图说明：

图1是本发明的剖面结构示意图。

图2是本发明的俯视示意图。

图3是本发明的布水装置示意图。

图4是本发明的布气装置示意图。

上述附图各图标号的标识对象为：1裙座；2封头；3缺氧区生物载体；4缺氧区循环隔板；5分隔缺氧区与高浓度好氧区的区间隔板；6空气进气接管；7布气装置；8高浓度好氧循环隔板；9反应区筒体；10分隔高浓度好氧区与低浓度好氧区的区间隔板；11低浓度好氧区循环隔板；12下分离筒；13上分离筒；14出水堰；15净化水排放接管；16回流接管；17低浓度好氧区生物载体；18高浓度好氧区生物载体；19脱除氮气排放接管；20布水装置；21污水进水接管；22布水装置主管；23布水装置支管；24布水装置喷嘴；25进气主管；26微孔曝气管；27布气支管。

①缺氧区；②高浓度好氧区；③低浓度好氧区；④分离区。

具体实施方式：

下面结合附图图面说明给出本发明的一个实施例，并通过实施例对本发明的结构和工作原理作进一步的说明。有必要在这里特别说明的是，本发明的具体实施方式不限于实施例中的形式，根据本发明公开的内容，所属技术领域的技术人员还可以采取其他的具体方式进行实施，因此，实施例不能理解为本发明仅有的具体实施方式。

本实施例的一体式多级内循环硝化—反硝化生物脱氮流化床反应器的结构如图1、附图2、附图3和附图4所示。本实施例的多级内循环硝化—反硝化生物脱氮流化床反应器为一体式结构，容器壳体内空间从下向上依次设计为缺氧区①、高浓度好氧区②、低浓度好氧区③和分离区④，反应器主体支撑在裙座1上。在容器壳体内，缺氧区①为由底部封头2、缺氧区循环隔板4、将缺氧区与高浓度好氧区分开的区间隔板5和筒体9构成的一循环区间；高浓度好氧区②为由将缺氧区与高浓度好氧区分开的区间隔板5，高浓度好氧区循环隔板8、筒体9和将高浓度好氧区与低浓度好氧区分开的区间隔板10形成的一循环区间；低浓度好氧区③是由筒体9、将高浓度好氧区与低浓度好氧区分开的区间隔板10和低浓度好氧区循环隔板11形成的一循环区间。两个区间隔板5、10都是带缺口的椭圆板，以缺口向下地与筒体轴线成约45度倾角设置在筒体上，且两个区间隔板的倾斜方向相反，区间隔板的缺口将相邻的区间连通。设置在缺氧区、高浓度好氧区和低浓度好氧区筒体上用于使区间内水流形成循环的循环隔板，以垂直且上下悬空地方式设置在筒体中央，将循环空间分隔成左右两半部分。分离区④为开口空间，由直径大于流化反应区筒体直径的分离区筒体、位于分离区筒体内的结构为直-锥-直结构的下分离筒12、结构为锥-直结构的上分离筒13和位于分离区筒体与内筒之间的出水堰14构成，分离筒直筒部分的直径与流化反应区的筒体直径基本相同，下分离筒的上段部分位于上分离筒的下段部分内，形成沟通分离筒内空间与环形空间的通道，出水堰14设置有净化水排放接管15，在出水堰下部的分离区筒体上设置污水回流接管16。缺氧区①底部位于循环隔板4的一侧设置有污水布水装置20，布水装置为大阻力布水装置，由主管22、支管23及喷嘴24组成(参见附图3)，与污水进水接管21相联接，布水装置的出水口高于循环隔板的下边缘。布水装置所在一侧的缺氧反应区筒体上部设计有用于脱除氮气排出的接管19。高浓度好氧区②底部位于循环隔板8的一侧设置有压缩空气布气装置7，布气装置为微孔曝气式布气装置，由进气主管25、微孔曝气管26和布气支管27构成，其结构如附图4所示，与压缩空气进气接管6相联接。反应器运行时，缺氧区①、高浓度好氧区②和低浓度好氧区③都填充有密度小(1.317g/cm³)，易于流化，孔隙率和比表面积大(3300～10000m²/m³)，且含有大量亲生物基团，能固定较多的生物量(生物量最高可到20～40g/L)，表面粗糙，球形度高，机械强度高，耐磨性和抗生物降解性好的改性多孔聚合物高分子载体。载体亦可选用颗粒活性炭、多孔陶粒等其它载体。缺氧区①内填充的聚合物高分子载体3的粒径在1.0～1.5mm范围，高浓度好氧区②内填充的聚合物高分子载体18的粒径在0.3～0.5mm范围，低浓度好氧区③内填充少量粒径在0.2～0.4mm范围的聚合物高分子载体17。在分离区④出水堰14下部的筒体上设置的回流接管16与进水管21之间通过回流管道联接，且在回流管道上设计有为回流液提供回流所需动力的回流泵。通过回流管道，部分污水和悬浮污泥经布水装置20回流至缺氧区①。保持回流比R≥3。设计回流的目的有三个，一是为缺氧区①内生物颗粒3流化提供所需的动力，二是硝化液回流，三是稀释进水浓度，以保证硝化—反硝化的正常进行。

在缺氧区①，位于循环隔板一侧的大阻力布水结构的布水装置，使反应区布水均匀，可使生物颗粒处于良好的流化状态，在布水装置出水的冲击作用下，生物颗粒沿图1箭头所示方向循环流动。控制缺氧区内DO＜1mg/L，载体表面固定化微生物形成的高活性缺氧生物颗粒3具有自脱膜更新能力，缺氧区具有很高的缺氧处理效率。经过缺氧处理后的污水，通过缺氧区①顶部的通道进入高浓度好氧区②。缺氧区产生的氮气由位于缺氧区①顶部氮气排出接管19引出。

在高浓度好氧区②，设置在循环隔板一侧底部的微孔曝气式压缩空气布气装置，一方面可在水中产生的大量微气泡，提高了水中的溶氧，从而得到较高的曝气效率，另一方面也为生物颗粒流化提供了足够的流化动力，生物颗粒在布气装置产生的微气泡升力的作用下，沿附图1箭头所示方向循环流动。载体表面固定化微生物形成高活性的高浓度好氧生物颗粒18，由于采用了包络法固定化微生物的新技术，高浓度好氧生物颗粒18中的微生物菌群丰富，生态结构稳定，表面生物膜不易脱落，可承受高的水力负荷及容积负荷，又由于载体内部空隙中固定有大量的微生物，提供了生物膜再生的菌种，因此可实现生物的自动再生更迭。保持高浓度好氧区DO为5～7mg/L，好氧降解有机物的效率高，从而得到较高的COD_Cr去除率。经过高浓度好氧处理后的污水通过高浓度好氧区②顶部的通道进入低浓度好氧区③。

低浓度好氧区③污水中悬浮物主要是悬浮污泥和少量生物颗粒。悬浮污泥和生物颗粒在污水上升力的作用下沿附图1中箭头所示方向进行循环。在低浓度好氧区③，氧气浓度相对较低，对废水可进行进一步降解处理，同时，由于在低浓度好氧区③的生物颗粒内部可形成一些局部的低氧区，有一定的反硝化作用。经低浓度好氧区③处理后的污水向上流动至分离区④。

在分离区④内，脱除的气体由开口排入大气，经低浓度好氧区③处理后的污水由上分离筒与下分离筒之间的环形流道从上向下进入分离筒与分离区筒体之间的环形空间，在重力和惯性力的作用下，悬浮污泥和少量生物颗粒向下返流，达标的净化水由溢流堰14经排出接管15排出，部分污水和悬浮污泥由设置在分离区④出水堰14下部的筒体上回流液接管16，经污水进水管21、布水装置20回流至缺氧区①。

下面对反应器的运行过程进行具体说明。进入一体式多级内循环硝化—反硝化生物脱氮流化床反应器的污水，先经过沉砂池、格栅等物理处理，去除泥砂等颗粒物，然后经调节池调节pH至6～9，NH₃-N≤500mg/L，并根据污水实际COD_Cr值进行配水，配好后的污水由进水管21和由回流液接管16回流来的回流液(含少量悬浮污泥，控制回流比R≥3)混合后进入布水装置20，以大阻力布水方式进入缺氧区①进行缺氧降解，缺氧反应产生的的氮气从缺氧区①顶部的氮气排出接管19引出，根据污水的特性，设计缺氧区的①高度和直径，从而决定缺氧区①的水力停留时间，经过缺氧处理后的污水进入高浓度好氧区②；经空气压缩机加压后的空气由压缩空气进气接管6进入微孔曝气式布气装置7，布气装置产生的大量微气泡，为好氧菌提供足够的溶解氧，污水经高浓度好氧区②随载体多次循环后，随反应后的空气一起进入低浓度好氧区③，在该区内，少量颗粒较小的生物颗粒和悬浮污泥经多次循环后进入三相分离区④进行分离，分离后的达标水由出水堰14上的出水接管15外排，部分水由出水堰14下部的回流液接管16经管路和循环泵回流至布水装置20。污水经过一体式多级内循环硝化—反硝化生物脱氮流化床反应器处理后，COD_Cr和NH₃-N指标均能达到GB8979-1996《污水综合排放标准》中规定的一级排放标准。

本实施例的一体式多级内循环硝化—反硝化生物脱氮流化床反应器用于对某工业废水的处理，废水的CODCr为1500～2000mg/L，NH3-N为300-460mg/L，废水排放量为200m3/d。反应器总容积为170m3，反应器直径3.5m，总高18m，分离区高度2m。废水在容器内的总有效停留时间约18h。废水经初步沉降调节后进入一体式多级内循环硝化—反硝化生物脱氮流化床反应器，经100天反应启动成功，继续运行2个月后，出水CODCr和NH3-N指标均达到《污水综合排放标准》中规定的一级排放标准。

Claims (10)

1、一种多级内循环硝化-反硝化生物脱氮流化床反应器，其特征是反应器壳体为敞口结构，壳体内空间从下至上依次为由缺氧区、高浓度好氧区、低浓度好氧区构成的流化反应区和三相分离区，相邻区间相互连通，流化反应区的缺氧区、高浓度好氧区和低浓度好氧区由两个设置在反应区筒体上的区间隔板相互分隔，且每个流化反应区均设计有使水流形成区间内循环的循环隔板，运行时装入有用于形成固定化生物膜颗粒的多孔聚合物高分子载体，三相分离区由分离区筒体、位于分离区筒体内的上下分离筒和位于分离区筒体与内筒之间的出水堰构成，下分离筒的上端口位于上分离筒下端口内，污水进水接管口位于缺氧区下部，空气进气接管口位于高浓度好氧区下部，溢流出水堰内设计有净化水排放口。

2、根据权利要求1所述的多级内循环硝化-反硝化生物脱氮流化床反应器，其特征在于分隔缺氧区、高浓度好氧区和低浓度好氧区的区间隔板倾斜地设置在反应区筒体上，且两个区间隔板的倾斜方向相反。

3、根据权利要求1或2所述的多级内循环硝化-反硝化生物脱氮流化床反应器，其特征在于缺氧区、高浓度好氧区和低浓度好氧区均设计有一个循环隔板，循环隔板垂直且上下悬空地设置在筒体中央。

4、根据权利要求3所述的多级内循环硝化-反硝化生物脱氮流化床反应器，其特征在于在缺氧流化反应区设置有污水布水装置，污水布水装置与污水进水接管联接，其污水出口面高于循环隔板的下边缘。

5、根据权利要求3所述的多级内循环硝化-反硝化生物脱氮流化床反应器，其特征在于高浓度好氧流化反应区设置有空气布气装置，空气布气装置与空气进气接管联接，其空气出口面高于循环隔板的下边缘。

6、根据权利要求3所述的多级内循环硝化-反硝化生物脱氮流化床反应器，其特征在于至少在缺氧流化反应区筒体壁上设置有用于将由区间隔板与筒体壁形成的契形空间内气体排出的气体排放接管。

7、根据权利要求1所述的多级内循环硝化-反硝化生物脱氮流化床反应器，其特征在于还设置有其进口端与三相分离区相接，出口端与污水进水接管相接的水回流管。

8、根据权利要求1所述的多级内循环硝化-反硝化生物脱氮流化床反应器，其特征在于三相分离区的筒体直径大于流化反应区的筒体直径。

9、根据权利要求8所述的多级内循环硝化-反硝化生物脱氮流化床反应器，其特征在于三相分离区的上下分离筒的直径与流化反应区的筒体直径基本相同。

10、根据权利要求9所述的多级内循环硝化-反硝化生物脱氮流化床反应器，其特征在于下分离筒为直-锥-直结构，上分离筒为锥-直结构，下分离筒的上直筒部分位于上分离筒内，形成沟通分离筒内空间与环形空间的通道。

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