CN102417237B - 用于处理含氨氮废水的旋转式sbr生物反应器及其废水处理方法 - Google Patents

Abstract

一种旋转式SBR生物反应器及其处理含氨氮废水的方法；反应器的主筒体两端各装有带内盖的可开启储泥器，且反应器主筒体可作180°翻转；方法为，污水进入反应器主筒体，曝气约2.5小时，使曝气末溶解氧达到约6mg·L^-1，然后缺氧搅拌约2.5小时，静置约0.5小时后，排干主筒体中废水，使污泥沉入储泥器；关闭储泥器盖，打开上储泥器盖，使上储泥器与主筒体密闭结合，将主筒体旋转180°，开始下一周期。反应器内污泥停留时间约为10天，污泥浓度约为4000mg·L^-1。本方法将内聚物驱动短程硝化反硝化与微生物超量吸氮现象结合，获得了不错的去除有机物以及总氮的效果。本反应器节省了运行费用和基建成本。

Description

用于处理含氨氮废水的旋转式SBR生物反应器及其废水处理方法

技术领域

本发明涉及污水处理，为含氨氮废水处理装置及方法，进一步是指利用内聚物驱动短程硝化反硝化及微生物超量吸收氮元素的旋转式SBR生物反应器及废水处理方法。

技术背景

近年来，随着经济社会的飞速发展，水资源对于我国越来越重要，但是另一方面，水污染问题也越来越严重。生活废水和工业废水中含有很多有害物质，其中含氮化合物就是常见的一种，这其中又以氨氮最为常见。废水中含氮物质如果不经过妥善处理而直接排入江河，有可能造成水体富营养化，而且含氮物质中亚硝态氮、硝态氮属于三致物质，对水体中生物以及人类有害；某些温室效应气体如一氧化二氮也有可能产生，影响生态环境。国家也越来越重视水污染控制，修订了更为严格的废水排放标准，其中提高了对废水中的总氮的排放标准要求。因此废水中含氮化合物的去除已经成为废水处理的一大热点，吸引了越来越多人的关注。对传统脱氮工艺的改造就是热点之一。

传统的生物去除氨氮方法需要经历两个阶段。首先，硝化细菌(氨氧化菌和亚硝酸氧化菌)在有氧的条件下将氨氮(NH³-N)转化为亚硝态氮

以及硝态氮然后反硝化细菌在无氧或缺氧的情况下将亚硝态氮

以及硝态氮

利用反硝化作用转化为氮气(N₂)，达到去除废水中氨氮的目的。上述二个阶段，第一阶段称为硝化反应，第二阶段称为反硝化反应。硝化反应是由自养型好氧微生物完成，利用无机碳化合物作为碳源，通过氧化NH³、或

中摄取能量。反硝化反应是由异养型微生物在低溶解氧浓度下，利用硝酸盐和亚硝酸盐作为电子受体，有机碳源作为电子供体将硝酸盐和亚硝酸盐还原成氮气(N₂)或一氧化二氮(N₂O)。硝化反应和反硝化反应的进行存在着相互制约的关系，一方面在有机物充足的情况下，自养硝化细菌对氧气和营养物质的竞争力不如异养菌，导致硝化细菌不能占主导地位，另一方面，反硝化作用需要大量的有机碳源，但是由于硝化过程中消耗了大量有机碳源导致反硝化作用有机碳源缺乏。这样一来，为了平衡这两个反应的不同要求，发展出了多种生物脱氮工艺。

现在运用的比较普遍的传统脱氮工艺有缺氧-好氧(A/O)脱氮工艺、厌氧-缺氧-好氧(A²/O)脱氮工艺等。缺氧-好氧(A/O)脱氮工艺是将反硝化池前置，通过回流硝化液进行脱氮。此工艺既减少了外加碳源的投加，同时也一定程度上补充了硝化池所消耗的碱度。但是缺氧-好氧(A/O)脱氮工艺需要回流硝化液，增加了运行费用，而且最终出水来自于硝化池，因此含有

易在二沉池发生反硝化作用，导致污泥上浮，影响出水水质。厌氧-缺氧-好氧(A²/O)脱氮工艺在缺氧好氧(A/O)脱氮工艺上增加了厌氧池，能起到同时脱氮除磷的效果，但是由于多级反应，增加了基建费用。

由于传统脱氮工艺上的局限性，基于传统硝化反硝化理论的新型脱氮工艺应运而生，如短程硝化-反硝化工艺、同时硝化反硝化工艺以及厌氧氨氧化工艺等。但这些新型脱氮工艺由于在运行条件比较苛刻，所以很难大规模普及。国内外对于传统脱氮工艺的研究很多，但是将微生物超量吸氮现象与内聚物驱动反硝化现象以及短程硝化现象结合在一起的工艺组合及设备还未见报道。

常用的序列间歇式活性污泥处理法(Sequencing Batch ReactorActivated Sludge Process，简称SBR)是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法；所用设备为SBR生物反应器；SBR的运行周期由充水、曝气反应、沉淀、排水排泥和闲置组成。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种用于处理含氨氮废水的旋转式SBR生物反应器及其废水处理方法，通过调节反应器的曝气时间，利用内聚物驱动短程硝化反硝化及微生物超量吸收氮元素，可以达到积累氨氧化细菌并且同时淘汰亚硝酸盐氧化菌的目的，获得稳定的短程硝化；亦即，通过控制曝气时间与静置时间使污泥中含氮物质得到有效的去除，实现生物高效脱氮；旋转式SBR生物反应器设有两个储泥器，通过旋转反应器，使污泥的闲置时间得到充分利用，降低了含氨氮污水的处理费用以及基建成本。

本发明的技术方案之一是，所述旋转式SBR生物反应器包括竖置的反应器主筒体，其结构特点是，所述反应器主筒体中部对应两侧分别设有转动轴而该反应器主筒体可以绕所述转动轴所在水平轴线作180°翻转；所述反应器主筒体两端分别设有同反应器主筒体封闭连接并且相对反应器主筒体可打开的储泥器，各储泥器同反应器主筒体相连接的端口内侧设有内盖；所述反应器主筒体内腔两端分别设有同空气压缩机连接的曝气头，且在空气压缩机和曝气头之间的连接管路上装有转子流量计；所述反应器主筒体内腔两端分别接有带出水阀的出水管，两储泥器底部分别接有带排泥阀的排泥管；所述反应器主筒体接有带进水阀的进水管。

本发明的技术方案之二是，所述利用旋转式SBR生物反应器处理含氨氮废水方法的运行步骤为(参见图1)：

1、对于竖置的反应器主筒体，它下端的储泥器同反应器主筒体封闭连接，该储泥器的内盖打开而使该储泥器内腔同反应器主筒体内腔连通；反应器主筒体上端的储泥器及其内盖打开，使反应器主筒体内腔同大气相通；

2、打开进水阀1，污水从进水管2进入反应器主筒体13，进水完毕后，关闭进水阀1；

3、开动空气压缩机6对污水进行曝气；调节转子流量计5，使进水中溶解氧浓度达到5.5mg/L-6.5mg/L，曝气时间为2.4小时-2.6小时；

4、停止曝气，对反应器主筒体13内污水进行搅拌，使泥水混合，搅拌时间为2.4小时-2.6小时；

5、沉淀0.4小时-0.6小时，使污泥沉入反应器主筒体13下端的储泥器中(如图1中的第一储泥器9)；然后打开相应的排水阀(如排水阀11)进行排水，保持反应器中水力停留时间(HRT)为6.8小时-7小时，反应器内污泥浓度控制在3800mg/L-4200mg/L；

6、打开反应器主筒体13下端的储泥器连接的排泥阀(如图1中排泥阀15)，通过相应排泥管(如排泥管16)排泥，污泥龄(SRT)控制在9天-11天；

7、上述排水排泥结束后，关闭位于反应器主筒体13上端的储泥器而使该储泥器与反应器主筒体13密封结合，再将反应器主筒体13绕所述转动轴所在水平轴线作180°翻转，使反应器主筒体13上下颠倒；然后打开位于反应器主筒体13下端储泥器的内盖，并打开位于反应器主筒体13上端储泥器及其内盖；由此使反应器处于步骤1开始时的重置状态；

8、重复以上步骤2-7，此时反应器污泥的闲置时间为5.3小时-5.7小时；如此循环进行。

以下对本发明做出进一步说明。

所述转动轴由装在底座上的支架支承。

所述搅拌可采用机械搅拌机构或磁力搅拌。当采用机械搅拌机构时，可将搅拌浆从打开了位于反应器主筒体13上端储泥器及其内盖的该反应器主筒体13上端口放入反应器主筒体13中，或是在反应器主筒体13安装机械搅拌机构；当采用磁力搅拌时，可在反应器主筒体13下方(如在图1所示的反应器主筒体13与底座7之间)设置磁力搅拌器；机械搅拌机构和磁力搅拌器均可采用现有技术。

本发明结合了微生物超量吸氮现象和内聚物驱动短程硝化反硝化现象，并研发出与此相应的旋转式SBR反应器。本发明中，一些微生物在经历了基质丰富和贫乏的环境变化后，在闲置一段时间，对有机碳源以及氮、磷元素过量吸收。通过调节反应器的曝气时间，可以达到积累氨氧化细菌并且同时淘汰亚硝酸盐氧化菌的目的，获得稳定的短程硝化。在反应初期，微生物过量积累有机碳源并储存于微生物体内转化为内聚物，这些内聚物在缺氧段又能作为内碳源为微生物反硝化作用提供电子供体。旋转式SBR反应器由于操作简单，易于控制，并且节省空间，越来越受到人们的重视，本发明的SBR反应器与传统SBR反应器不同之处在于此反应器拥有两个储泥器，通过旋转反应器，使污泥的闲置时间得到充分利用。

本发明的方法中，运行关键因素为曝气时间与静置时间。首先，由于传统硝化反应为两步：

亚硝化反应：55NH₄ ⁺+109HCO₃ ^-+76O₂→

C₅H₇O₂N+54NO₂ ^-+57H₂O+104H₂CO₃   (1)

硝化反应：400NO₂ ^-+NH₄ ⁺+4H₂CO₃+195O₂→

C₅H₇O₂N+400NO₃ ^-+3H₂O   (2)

因此，通过控制曝气时间，可以达到将氨氮降低到一定水平后，积累亚硝氮而不积累硝氮的目的，从而抑制了第二步反应，有研究(J.H.Guo a，Y.Z.Peng a，b，*，S.Y.Wang b，Y.N.Zheng b，H.J.Huang b，S.J.Ge b，Effective and robust partial to nitrite by real-time aeration duration control in an SBRtreating domestic wastewater.Process Biochemistry 44(2009)979-985)通过此手段获得了长期稳定的短程硝化现象。在一段时间的运行之后，氨氧化细菌将逐渐在反应器中成为主导菌群，而亚硝酸氧化菌将逐渐被淘汰，这样就能达到积累亚硝酸盐的结果。

此外，通过设置静置期，微生物由于基质缺乏处于饥饿状态，当再次进水时，微生物就会将有机碳源、氮、磷等元素过量摄取到体内，从而达到不通过传统硝化反硝化阶段去除一部分含氮化合物的目的。

由以上可知，本发明为一种用于处理含氨氮废水的旋转式SBR生物反应器及其废水处理方法，它与传统的生物脱氮工艺相比具有以下优点：

(1)由于是短程硝化，仅需要较短的曝气时间，氨氮不需要转化为硝态氮，节省了曝气量，降低了能耗；

(2)反应利用了细胞内聚物作为反硝化碳源，不再需要额外投加碳源；

(3)不需要回流硝化液，节省了能耗；

(4)整个去除过程都在一个反应器内完成，节省了空间资源，降低了运行成本，降低了基建花费；

(5)反应器利用了闲置时间，使单位时间内处理水量增加，节省了时间、空间成本。

附图说明

图1是本发明的旋转式SBR生物反应器的原理结构示意图。

在图中：

1-进水阀，    2-进水管，     3-空气管，

4-活动螺帽，  5-转子流量计， 6-空气压缩机，

7-底座，          8-曝气头，     9-A储泥器，

10-铰链，         11-出水阀，    12-出水管，

13-反应器主筒体， 14-转动轴，    15-排泥阀，

16-排泥管，       17-B储泥器，   18-内盖。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种旋转式SBR生物反应器，包括竖置的反应器主筒体13，所述反应器主筒体13中部对应两侧分别设有转动轴14而该反应器主筒体13可以绕所述转动轴所在水平轴线作180°翻转；所述反应器主筒体13两端分别设有同反应器主筒体13封闭连接并且相对反应器主筒体13可打开的储泥器(A储泥器9和B储泥器17)，各储泥器同反应器主筒体13相连接的端口内侧设有内盖18；所述反应器主筒体13内腔两端分别设有同空气压缩机6连接的曝气头8，且在空气压缩机6和曝气头8之间的连接管路(空气管3)上装有转子流量计5；所述反应器主筒体13内腔两端分别接有带出水阀11的出水管12，两储泥器底部分别接有带排泥阀15的排泥管16；所述反应器主筒体13接有带进水阀1的进水管2。

实施例2：所述利用旋转式SBR生物反应器处理含氨氮废水方法的运行步骤为(参见图1)：

(1)对于竖置的反应器主筒体，它下端的储泥器同反应器主筒体封闭连接，该储泥器的内盖打开而使该储泥器内腔同反应器主筒体内腔连通；反应器主筒体上端的储泥器及其内盖打开，使反应器主筒体内腔同大气相通；

(2)打开进水阀1，污水从进水管2进入反应器主筒体13，进水完毕后，关闭进水阀1；

(3)开动空气压缩机6对污水进行曝气；调节转子流量计5，使进水中溶解氧浓度达到5.8mg/L-6.2mg/L，曝气时间为2.5小时；

(4)停止曝气，对反应器主筒体13内污水进行搅拌，使泥水混合，搅拌时间为2.5小时；

(5)沉淀0.5小时，使污泥沉入反应器主筒体13下端的储泥器中(如图1中的第一储泥器9)；然后打开相应的排水阀(如排水阀11)进行排水，保持反应器中水力停留时间(HRT)为6.9小时，反应器内污泥浓度控制在4000mg/L；

(6)打开反应器主筒体13下端的储泥器连接的排泥阀(如图1中排泥阀15)，通过相应排泥管(如排泥管16)排泥，污泥龄(SRT)控制在10天；

(7)上述排水排泥结束后，关闭位于反应器主筒体13上端的储泥器而使该储泥器与反应器主筒体13密封结合，再将反应器主筒体13绕所述转动轴所在水平轴线作180°翻转，使反应器主筒体13上下颠倒；然后打开位于反应器主筒体13下端储泥器的内盖，并打开位于反应器主筒体13上端储泥器及其内盖；由此使反应器处于步骤1开始时的重置状态；

(8)重复以上步骤2-7，此时反应器污泥的闲置时间为5.4小时-5.6小时；如此循环进行。

实施例3：采用实施例1和实施例2的反应器及运行方法对实验室模拟废水进行处理；碳源采用乙酸钠，氨氮主要采用氯化铵，进水COD为402+±15mg·L^-1，总氮为25±2mg·L^-1。稳定运行60天出水水质为：出水COD为12～35mg·L^-1，总氮为0～6.28mg·L^-1，COD去除率达到了92+.1±3.5％，总氮去除率达到了79.3±4.1％。

本例所加碳源是模拟生活污水中本来就含有的碳源，而非额外投加。

实施例4：采用实施例1和实施例2的反应器及运行方法对城市生活污水进行处理；进水COD为310±55mg·L^-1，总氮为41±4.5mg·L^-1，稳定运行30天后出水水质如下：出水COD为45±15mg·L^-1，出水总氮为9.8±1.7mg·L^-1，COD去除率达到了81±12.5％，总氮去除率达到了75.5±4.3％。

Claims (4)

1.一种旋转式SBR生物反应器，包括竖置的反应器主筒体（13），其特征是，所述反应器主筒体（13）中部对应两侧分别设有转动轴（14）而该反应器主筒体（13）可以绕所述转动轴所在水平轴线作180⁰翻转；所述反应器主筒体（13）两端分别设有同反应器主筒体（13）封闭连接并且相对反应器主筒体（13）可打开的储泥器，各储泥器同反应器主筒体（13）相连接的端口内侧设有内盖（18）；所述反应器主筒体（13）内腔两端分别设有同空气压缩机（6）连接的曝气头（8），且在空气压缩机（6）和曝气头（8）之间的连接管路上装有转子流量计（5）；所述反应器主筒体（13）内腔两端分别接有带出水阀（11）的出水管（12），两储泥器底部分别接有带排泥阀（15）的排泥管（16）；所述反应器主筒体（13）接有带进水阀（1）的进水管（2）。

2.根据权利要求1所述旋转式SBR生物反应器，其特征是，所述转动轴（14）由装在底座（7）上的支架支承。

3.根据权利要求1所述旋转式SBR生物反应器，其特征是，在反应器主筒体（13）下方设置磁力搅拌器。

4.一种利用权利要求1至3中任一权利要求所述旋转式SBR生物反应器处理含氨氮废水方法，其特征是，该方法的步骤为：

    a：对于竖置的反应器主筒体，它下端的储泥器同反应器主筒体封闭连接，该储泥器的内盖打开而使该储泥器内腔同反应器主筒体内腔连通；反应器主筒体上端的储泥器及其内盖打开，使反应器主筒体内腔同大气相通；

b：打开进水阀（1），污水从进水管（2）进入反应器主筒体（13），进水完毕后，关闭进水阀（1）；

c：开动空气压缩机（6）对污水进行曝气；调节转子流量计（5），使进水中溶解氧浓度达到5.5mg/L— 6.5mg/L，曝气时间为2.4小时—2.6小时；

d：停止曝气，对反应器主筒体（13）内污水进行搅拌，使泥水混合，搅拌时间为2.4小时—2.6小时；

e：沉淀0.4小时—0.6小时，使污泥沉入反应器主筒体(13)下端的储泥器中；然后打开相应的排水阀进行排水，保持反应器中水力停留时间为6.8小时—7小时，反应器内污泥浓度控制在3800mg/L —4200mg/L；

f：打开反应器主筒体(13)下端的储泥器连接的排泥阀，通过相应排泥管排泥，污泥龄控制在9天—11天；

g：上述排水排泥结束后，关闭位于反应器主筒体（13）上端的储泥器而使该储泥器与反应器主筒体（13）密封结合，再将反应器主筒体（13）绕所述转动轴所在水平轴线作180⁰翻转，使反应器主筒体（13）上下颠倒；然后打开位于反应器主筒体（13）下端储泥器的内盖，并打开位于反应器主筒体（13）上端储泥器及其内盖；由此使反应器处于步骤a的重置状态；

h：重复以上步骤b—g，此时反应器污泥的闲置时间为5.3小时—5.7小时；如此循环进行。

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