CN101781020B

CN101781020B - 一种同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备

Info

Publication number: CN101781020B
Application number: CN2010101024397A
Authority: CN
Inventors: 王爱杰; 陈川; 任南琪; 周旭; 张莉; 徐熙俊; 卢秀清; 刘充; 高灵芳; 许继飞; 李笃中
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2030-01-28
Also published as: CN101781020A

Abstract

一种同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备，它涉及一种污水处理设备。解决了现有的处理含硫含氮污水工艺中单质硫难以回收且回收率不高的问题。反应器设置在单质硫收集容器内，三通安装在单质硫收集容器的底部上，反应器的下端面与三通的上端口连通，三通的左端口及右端口分别穿出单质硫收集容器的两侧壁露在外面，进水泵的排出口与三通的左端口连通，三通的右端口通过回流泵与反应器的上端侧壁连通；单质硫排出管与单质硫收集容器的下端壁连通。该设备具有可高效回收生成的单质硫的作用，使反应器在进行生化反应过程中，产生的大量单质硫沉积在单质硫收集容器的底部内，不致影响反应器的运行效果，单质硫回收效率高，可达80％。

Description

一种同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备

技术领域

本发明涉及一种污水处理设备，具体涉及一种同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备，属于污水处理技术领域。

背景技术

随着石油化工、制药、食品发酵、造纸等制造业的发展，大量含硫含氮有机废水的排放严重威胁着生态环境和人民群众的身体健康，对于有机污染物以及氮、硫等营养盐的高效去除手段也逐渐成为污水处理领域中的研发热点。硫自养反硝化菌可在厌氧条件下利用硝酸盐和硫化物分别作为电子受体和电子供体进行自养型代谢，并且具有胞外聚硫的生理特性，从而为硫和氮的同步脱除提供了理论依据。由此在同步去除硫化物、硝酸盐的同时，有效地控制硫化物的氧化过程停留在单质硫阶段的工艺，成为处理此类废水的最佳选择。

目前，若干高效同步去除有机物、硫化物和硝酸盐的工艺已经被应用于科研和生产中，发挥了巨大的效果。然而，生化反应过程中，产生了大量的单质硫，这些硫通常会沉积在反应器中，这些堆积的单质硫不但会堵塞反应器，形成短流，沟流等现象，而且在此条件下长期运行将会导致反应器处理效果的下降，特别是在厌氧工艺中，由于反应系统的密闭性等特点，这种问题尤为突出。

发明内容

本发明的目的是提供一种同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备，以解决现有的处理含硫含氮污水工艺中单质硫难以回收且回收率不高的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明所述的同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备包括进水泵、回流泵、溢流堰、反应器、集气罩、洗气瓶，所述污水处理设备还包括三通、单质硫收集容器和单质硫排出管，所述反应器设置在单质硫收集容器内，集气罩位于反应器的上方且集气罩设置在反应器的上端内，溢流堰设置在反应器的上端面上，集气罩的上端、溢流堰的上端均与洗气瓶连通，溢流堰的下端设有出水孔；三通安装在单质硫收集容器的底部上，反应器的下端面与三通的上端口连通，三通的左端口及右端口分别穿出单质硫收集容器的两侧壁露在外面，进水泵的排出口与三通的左端口连通，三通的右端口通过回流泵与反应器的上端侧壁连通；单质硫排出管设置在单质硫收集容器的下方并与单质硫收集容器的下端壁连通。

本发明的有益效果为：本发明是一种基于硫自养反硝化菌和异养反硝化菌的协同作用的污水处理设备，不仅实现了在同一个反应系统中同步去除污水中的有机物、硫化物和硝酸盐，产物为无二次污染的二氧化碳、单质硫和氮气，并且具有可高效回收生成的单质硫的作用，使反应器在进行生化反应过程中，产生的大量单质硫沉积在单质硫收集容器的底部内，不致影响反应器的运行，单质硫回收效率高(可达80％)。本发明可连续运行，处理效果稳定，并为反应器的长期稳定运行提供了保障，具有控制相对简单、耐受负荷高、无二次污染、占地面积省、运行费用低等特点。

本发明的具体优点主要表现在以下几个方面：

一、资源回收利用效率高，生成的单质硫可作为资源回收利用；二、无二次污染，产物为单质硫、氮气和二氧化碳，出水中不含亚硝酸盐，仅含少量硫酸盐；三、占地面积省，硫化物、硝酸盐和有机物的去除在一个反应系统中完成；四、运行费用低，反应无需曝气，从而大大降低了能耗；五、耐受负荷高，本工艺可以承受较高的负荷，最高可达4.87kgS/m³d，3.56kgNO₃-N/m³d和6.70kgAc-/m³d。本发明可连续运行，既可作为一个处理单元应用于含硫酸盐、氨氮有机废水的处理过程中，也可单独运行以处理含硫化物和硝酸盐的有机废水。

附图说明

图1为本发明的的结构示意图(本发明既为升流式厌氧硫回收反应器)。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备包括进水泵2、回流泵3、溢流堰11、反应器12、集气罩13、洗气瓶8，所述污水处理设备还包括三通14、单质硫收集容器15和单质硫排出管16，所述反应器12设置在单质硫收集容器15内，集气罩13位于反应器12的上方且集气罩13设置在反应器12的上端内，溢流堰11设置在反应器12的上端面上，集气罩13的上端、溢流堰11的上端均与洗气瓶8连通，溢流堰11的下端设有出水孔11-1；三通14安装在单质硫收集容器15的底部上，反应器12的下端面与三通14的上端口连通，三通14的左端口及右端口分别穿出单质硫收集容器15的两侧壁露在外面，进水泵2的排出口与三通14的左端口连通，三通14的右端口通过回流泵3与反应器12的上端侧壁连通；单质硫排出管16设置在单质硫收集容器15的下方并与单质硫收集容器15的下端壁连通。

在使用时，进水泵2的吸入口与盛装有原水的进水槽1连通。

具体实施方式二：如图1所示，本实施方式所述反应器12的上端外径大于下端外径，单质硫收集容器15的上端外径大于下端外径。反应器12的上端直径的有效增大，可使得反应器上端的上升流速减慢，一方面可以让反应器12上端内的污泥回落到反应器12的下端，减少反应器生物量的损失，另一方面可有效防止反应器内的污泥进入回流管中。单质硫收集容器15为单质硫的沉淀区，生化反应过程中产生的单质硫在单质硫收集容器15的上端开始沉淀，最终收集在收集器的底部，单质硫收集器15由上端到下端采用渐缩的形式可以有效的较少设备的占地空间，从而降低了设备的投资成本。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1所示，本实施方式所述污水处理设备还包括多个单质硫收集容器取样管17，所述多个单质硫收集容器取样管17分别与单质硫收集容器15的侧壁连通。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：如图1所示，本实施方式所述污水处理设备还包括多个反应器取样管18，所述多个反应器取样管18与反应器12分别连通。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：如图1所示，本实施方式所述污水处理设备还包括温控仪10，温控仪10设置在单质硫收集容器15的外部，温控仪10与反应器12连接，用于控制反应器12内的有机废水的温度。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：如图1所示，本实施方式所述污水处理设备还包括湿式气体流量计9，所述湿式气体流量计9与洗气瓶8连通。其它组成及连接关系与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：参照图1，反应器12内部培养粒径为1～3mm的活性污泥颗粒作为载体，以增加生物量和减少污泥流失。反应器由有机玻璃制成，总体积9.2L，反应区下端内径4cm，高50cm，有效容积为0.63L，反应区上端内径6cm，高15cm，有效容积0.42L；沉淀区上端内径21cm，高15cm，有效体积5.19L，沉淀区下端内径8cm，高50cm，有效容积1.89L。厌氧反应器主要由内部的反应区(活性颗粒污泥区)4、沉淀区5、气体收集区7和单质硫回收区6构成。进水自下而上流经反应区1，与生物颗粒污泥接触发生同步脱硫反硝化反应，硫化物、硝酸盐和有机物分别转化为单质硫、N₂和CO₂。出水上流至沉淀区5后，进行传质，之后经溢流堰排出，单质硫则沉淀到回收区6，反应区4中产生的气体上升至气体收集区7后经导气管流出，升流式厌氧硫回收反应器的操作条件为：温度25～35℃，pH为7.5～10.0，水力停留时间5～15小时，C/N(摩尔比)＝1～1.26，S/N(摩尔比)0.83～1，进水容积负荷(以N计)不超过3.0kgN/m³·d。

下面以采用本发明方法对同时含有有机物、硫化物和硝酸盐的污水进行试运行处理并回收单质硫的具体实施例，对本发明做进一步的介绍：

实施例1：

以合成污水为进水，其组成包括Na₂S.9H₂O、KNO₃、CH₃COONa.3H₂O、NaHCO₃、NH₄Cl和K₂HPO₄.3H₂O，稳定运行的条件为：温度30℃，pH＝7.7～8.3，水力停留时间15小时，Ac-C/NO₃-N/S^2--S＝1∶1∶1，上升流速1m/h。回流比6∶1；容积负荷为0.7kgS/m³d，0.28kgNO₃-N/m³d和0.59kgAc-/m³d。进出水S^2-、NO₃-N和Ac-浓度及去除率见表1。洗气瓶中未检出S^2-的存在。沉淀区收集到固体物干重10.53g，单质硫纯度56.7％。硫回收率80％。

实施例2：

以合成污水为进水，其组成包括Na₂S.9H₂O、KNO₃、CH₃COONa.3H₂O、NaHCO₃、NH₄Cl和K₂HPO₄.3H₂O，稳定运行的条件为：温度30℃，pH＝7.5～8.3，水力停留时间10小时，Ac-C/NO₃-N/S^2--S＝1∶1∶1，上升流速1m/h。回流比6∶1。容积负荷为0.94kgS/m³d，0.41kgNO₃-N/m³d和0.87kgAc-/m³d。进出水S^2-、NO₃-N和Ac-浓度及去除率见表1。洗气瓶中未检出S^2-的存在。沉淀区收集到固体物干重14.5g，纯度59.2％。硫回收率78％。

实施例3：

以合成污水为进水，其组成包括Na₂S.9H₂O、KNO₃、CH₃COONa.3H₂O、NaHCO₃、NH₄Cl和K₂HPO₄.3H₂O，稳定运行的条件为：温度30℃，pH＝7.5～8.3，水力停留时间6小时，Ac-C/NO₃-N/S^2--S＝1∶1∶1，上升流速1m/h。回流比6∶1。容积负荷为3.02kgS/m³d，1.32kgNO₃-N/m³d和2.79kgAc-/m³d。进出水S^2-、NO₃-N和Ac-浓度及去除率见表1。洗气瓶中未检出S^2-的存在。沉淀区收集到固体物干重40.2g，纯度55.8％。硫回收率81％。

实施例4：

以合成污水为进水，其组成包括Na₂S.9H₂O、KNO₃、CH₃COONa.3H₂O、NaHCO₃、NH₄Cl和K₂HPO₄.3H₂O，稳定运行的条件为：温度30℃，pH＝7.5～8.3，水力停留时间5小时，Ac-C/NO₃-N/S^2--S＝1∶1∶1，上升流速1m/h。回流比6∶1。容积负荷为3.84kgS/m³d，1.68kgNO₃-N/m³d和3.54kgAc-/m³d。进出水S^2-、NO₃-N和Ac-浓度及去除率见表1。洗气瓶中未检出S^2-的存在。沉淀区收集到固体物干重48.7g，纯度54.9％。硫回收率77％。

实施例5：

以合成污水为进水，其组成包括Na₂S.9H₂O、KNO₃、CH₃COONa.3H₂O、NaHCO₃、NH₄Cl和K₂HPO₄.3H₂O，稳定运行的条件为：温度30℃，pH＝7.5～8.3，水力停留时间4小时，Ac-C/NO₃-N/S^2--S＝1.26∶1∶83，上升流速1m/h。回流比6∶1。容积负荷为4.87kgS/m³d，2.56kgNO₃-N/m³d和6.70kgAc-/m³d。进出水S^2-、NO₃-N和Ac-浓度及去除率见表1。洗气瓶中未检出S^2-的存在。沉淀区收集到固体物干重60.2g，纯度57.3％。硫回收率76％。

表1同步脱硫反硝化并高效硫回收设备对于合成污水中S^2-、NO₃-N和Ac-的处理效果

进水S^2-负荷(kg/m3.d)	S^2-去除率(％)	进水NO₃ ^-N负荷(kg/m3.d)	NO₃ ^--N去除率(％)	进水Ac-负荷(kg/m3.d)	Ac-去除率(％)
						0.70	100.0	0.28	99.8	0.59	100.0
0.94	100.0	0.41	99.8	0.87	100.0
						3.02	100.0	1.32	99.9	2.79	97.3
3.84	94.7	1.68	89.0	3.54	98.5
						4.87	98.0	2.56	91.0	6.70	99.0

以上具体实施例说明，本发明工艺在处理含硫化物、硝酸盐和有机物的污水时，硫化物、硝酸盐和乙酸盐的去除率均在91％以上，并且出水中无亚硝酸盐的累积，几乎没有硫酸盐和硫代硫酸盐的生成，被去除的硫化物、硝酸盐和乙酸盐被转化为单质硫、氮气和无机碳，单质硫的回收率在76-80％之间，由此可见，本发明既实现了反应器内的单质硫的有效回收，又实现了高效降解硫化物、硝酸盐和有机物的处理能力。

利用本发明进行同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理工艺为：步骤1、启动厌氧颗粒污泥反应器：首先向反应器12内(即反应区4)加入絮状污泥进行定向驯化，在进水中仅投加无机底物以驯化硫自养反硝化菌，待硫自养反硝化菌在系统中占据优势地位后，在原底物中加入有机物并增大进水中硝酸盐的投加量以促进异养反硝化菌的生长，最后硫自养反硝化菌和异养反硝化菌之间通过竞争和协同作用，达到功能菌团的富集和污泥颗粒化，启动完成；步骤2、含硫化物和硝酸盐的污水从底部进入反应器12后，在两种不同营养类型的微生物的协同作用下，硫化物和硝酸盐分别被转化成单质硫和氮气，同时有机物被降解为无机碳；步骤3、出水先进入沉淀区域5进行传质，然后出水中的单质硫被沉淀在单质硫收集容器15的底部内(即单质回收区6内)；步骤4、出水从反应器12上部(气体收集区7)流出，产生的气体经洗气瓶洗涤后排空；步骤5、工艺的操作条件为：温度25～35℃，pH为7.7～8.3，水力停留时间5～15小时，C/N(摩尔比)＝1～1.26，S/N(摩尔比)0.83～1，进水容积负荷(以N计)不超过3.0kgN/m³·d。

本发明中所采用的同步去除有机物、硫化物和硝酸盐的工艺原理如式(1)、(2)所示。首先，由于硫自养反硝化菌利用NO₃ ^-的速率大于异养反硝化菌，硫自养反硝化菌优先利用大部分NO₃ ^-作为电子受体，同时以S^2-作为电子供体进行代谢，生成NO₂ ^-和单质硫；随后，由于异养反硝化菌利用NO₂ ^-的速率较快，NO₂ ^-产生后，迅速在异养反硝化菌的作用下发生反硝化反应，同时有机物(以CODcr表示)被降解，产生N₂和CO₂；由于NO₂ ^-被异养反硝化菌迅速消耗，硫自养反硝化菌因缺少电子受体而不能将单质硫进一步氧化成SO₄ ^2-或S₂O₃ ^2-，反应停止。可见，硫自养反硝化菌和异养反硝化菌的协同作用，既保证了硫化物以单质硫的形式从水中脱除，又保证了系统中无NO₂ ^-积累。

沉淀区5(反应器12和单质硫收集容器15之间的区域)，是专门为反应中单质硫的分离和去除而设计的，在传统的升流式厌氧反应器中，生成的单质硫，绝大部分都会沉积在反应器的内部，严重影响反应器的工作。在本发明中，生成的的单质硫，可以通过在沉淀区的传质作用，沉淀在专门的沉淀区里面，而避免沉淀在反应区中。既有效回收了单质硫，又保证了反应器的正常工作。本工艺可作为一个处理单元应用于含硫酸盐、氨氮有机废水的处理过程中。

确保反应器3密闭良好以保证厌氧条件，内部以厌氧颗粒污泥作为微生物载体，连接温度控制系统以控制温度。反应系统在偏碱性条件下运行，从而最大限度地防止了H₂S以气体形式逸出。出水口处设有水封，顶部设有洗气装置，回流装置设在反应器上端，可以将反应器部分出水抽到反应器底部的回流口，以此来调整上升流速。在厌氧升流式反应器(反应器12)工作区域的外侧(环绕工作区域)即为沉淀区5，当反应器出水从厌氧升流式反应器工作区域流出，出水中所含的单质硫最终沉积在在单质硫收集容器15的底部内(即单质回收区6内)，沉淀区下端设有开关，可以定期打开回收单质硫。

Claims

1.一种同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备，所述污水处理设备包括进水泵(2)、回流泵(3)、溢流堰(11)、反应器(12)、集气罩(13)、洗气瓶(8)，其特征在于：所述污水处理设备还包括三通(14)、单质硫收集容器(15)和单质硫排出管(16)，所述反应器(12)设置在单质硫收集容器(15)内，集气罩(13)位于反应器(12)的上方且集气罩(13)设置在反应器(12)的上端内，溢流堰(11)设置在反应器(12)的上端面上，集气罩(13)的上端、溢流堰(11)的上端均与洗气瓶(8)连通，溢流堰(11)的下端设有出水孔(11-1)；三通(14)安装在单质硫收集容器(15)的底部上，反应器(12)的下端面与三通(14)的上端口连通，三通(14)的左端口及右端口分别穿出单质硫收集容器(15)的两侧壁露在外面，进水泵(2)的排出口与三通(14)的左端口连通，三通(14)的右端口通过回流泵(3)与反应器(12)的上端侧壁连通；单质硫排出管(16)设置在单质硫收集容器(15)的下方并与单质硫收集容器(15)的下端壁连通。

2.根据权利要求1所述的同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备，其特征在于：反应器(12)的上端外径大于下端外径，单质硫收集容器(15)的上端外径大于下端外径。

3.根据权利要求1或2所述的同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备，其特征在于：所述污水处理设备还包括多个单质硫收集容器取样管(17)，所述多个单质硫收集容器取样管(17)分别与单质硫收集容器(15)的侧壁连通。

4.根据权利要求3所述的同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备，其特征在于：所述污水处理设备还包括多个反应器取样管(18)，所述多个反应器取样管(18)与反应器(12)分别连通。

5.根据权利要求4所述的同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备，其特征在于：所述污水处理设备还包括温控仪(10)，温控仪(10)设置在单质硫收集容器(15)的外部，温控仪(10)与反应器(12)连接，用于控制反应器(12)内的有机废水的温度。

6.根据权利要求4或5所述的同步去除硫、氮和碳并回收单质硫的污水处理设备，其特征在于：所述污水处理设备还包括湿式气体流量计(9)，所述湿式气体流量计(9)与洗气瓶(8)连通。