CN104085986B - 一种气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，包括布水段、反应段及分离段，所述布水段包括下短圆筒，筒内设有布水器、微孔曝气盘，布水器与进水管连通，微孔曝气盘与进气管连通；反应段包括长圆筒，长圆筒内设有多级文丘里管，多级文丘里管的两端与长圆筒的端口之间分别形成分流区、混合区，并通过左、右循环管连通形成循环；分离段包括上短圆筒，筒内设有出水出气系统。本发明通过微孔曝气盘、混合区及多级文丘里管的设置，在多级文丘里管内形成涡旋流场，有效增强了气液固三相间传质效能；另外，上述结构与分流区及左、右循环管结合形成外循环，构成好氧-缺氧交替环境，使该反应器具有硝化反硝化生物脱氮功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种废水处理生物脱氮反应器，尤其涉及一种气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器。
背景技术
我国水污染问题十分严重，氮素随污水持续进入水体，可引起水体富营养化，造成水生植物和藻类过度生长，并由此衍生出“水华”、“赤潮”等一系列不良后果，我国每年由此造成的经济损失高达上百亿元。可见，开发高效脱氮生物反应器势在必行。
生物脱氮一般分为两个阶段，即硝化阶段和反硝化阶段。在好氧条件下，硝化细菌中的氨氧化细菌和亚硝酸盐氧化细菌发生生物硝化作用，氨氧化细菌将废水中的NH3-N氧化为NO2 -，亚硝酸盐氧化细菌将NO2 -氧化为NO3 -；在缺氧条件下，反硝化细菌将NO3 -还原为N2，N2从液相中逸出，实现生物脱氮。
近年来在生物化工与废水处理领域涌现了以气升式内循环脱氮反应器为代表的三相流化床生物反应器，该类反应器以气体为动力使液体充分混合并在反应器内部循环流动，可形成好氧区和缺氧区，具有一定脱氮的效能，但传统的气升式内循环反应器内流场往往趋于全混流，对于生物反应器而言，在处理废水效能方面平推流态较全混流态更加高效。
发明内容
本发明所要解决的是现有气升式内循环反应器内流场趋于全混流，效率较低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，包括从下至上的布水段、反应段及分离段，所述布水段包括设于底板上的下短圆筒，下短圆筒外侧的最低处设有清空口，下短圆筒内设有布水器、微孔曝气盘，布水器与设于下短圆筒外侧的进水管连通，微孔曝气盘与设于下短圆筒外侧的进气管连通；所述反应段包括长圆筒，长圆筒内设有多级文丘里管，多级文丘里管的上下两端与长圆筒的上下两个端口之间分别形成分流区、混合区，分流区、混合区的左右两侧分别通过左循环管、右循环管连通形成循环；多级文丘里管的两端分别通过上圆环挡板、下圆环挡板固定于长圆筒内；所述分离段包括上短圆筒，上短圆筒内设有出水出气系统。
优选地，所述微孔曝气盘与进气管设于同一水平面上，进水管与布水器设于同一水平面上，且微孔曝气盘、进气管高于进水管、布水器布置，进水管、布水器高于清空口布置。
优选地，所述长圆筒的下端通过下法兰与下短圆筒连接，上端通过上法兰与上短圆筒连接。
进一步地，所述下法兰内设有下筛网，上法兰内设有上筛网。
优选地，所述出水出气系统包括较大口朝下的锥形集气罩，锥形集气罩通过导气筒与大气连通，导气筒的上端从上短圆筒上侧露出，导气筒通过环形溢流堰固定于上短圆筒内，环形溢流堰上方设有出水管。
进一步地，所述导气筒内设有丝网除沫器，其在导气筒中的高度占导气筒高度的1/5～1/4，可湮灭曝气过程带出的泡沫。
优选地，所述布水段、反应段、分离段的高度比为1.0∶(3.5～5.5)∶1.5；下短圆筒、上短圆筒与长圆筒的直径相同，且高径比为5.5～7.0。
优选地，所述混合区高度占长圆筒高度的1/8～1/7。
优选地，所述多级文丘里管由两端的半文丘里管及中间的两个规格相同的文丘里管依次连接组成，各半文丘里管、各文丘里管与长圆筒的筒壁之间分别形成独立的保温区，保温区一侧的较低处设有保温水进口，另一侧的较高处设有保温水出口。
优选地，所述多级文丘里管的高度占长圆筒高度的5/7～3/4，其最小直径与长圆筒直径之比为：1；多级文丘里管中单个文丘里管的母线与水平面之间的夹角为50°～70°。
优选地，所述分流区高度占长圆筒高度的1/8～1/7。
优选地，所述左循环管、右循环管为对称的三折线形状，折角为100°～120°，其直径与长圆筒直径之比为0.45～0.65∶1。
混合区，其两侧分别与左、右循环管下端相连，该区域可稀释进料浓度和初步实现气液固三相混合；分流区，两侧分别与左、右循环管上端相连，混合液在该区分流。循环管，该结构为缺氧区，发生生物反硝化反应。多级文丘里管的结构为好氧区，发生生物硝化反应，且其内存在涡旋流场，可有效增强相间传质。保温区可实现反应器冬季增温。上、下筛网分别由上、下法兰固定，可截留生物膜载体，防止生物膜载体洗出。丝网除沫器可湮灭曝气过程带出的泡沫。
本发明是一种生物膜反应器，内有一定量的填料，反应器内存在好氧区和缺氧区，可实现生物硝化反硝化脱氮，其主体结构为多级文丘里管，该结构相当于多个全混流区域的串联，在流态上形成了“级间全混流，级际平推流”的流态。根据生物反应器理论，平推流态的去除效率要高于全混流，达到相同处理效率平推流态反应器的体积要少于全混流。此外，经Fluent软件模拟和运试验证，多级文丘里管内存在对称的涡旋流场，涡旋流场可有效降低传质阻力，增强气液固三相间传质效能。因此，相比传统的气升式内循环脱氮反应器，本发明具有更好的脱氮效率和容积效能。
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
1)混合区的设置能令进水进气与循环管回流液剧烈混合，充分传质，具有稀释进水的作用，使反应器有较好的抗冲击负荷能力，且由于该结构的设置可适当简化布水器结构，能节省基建费用；
2)微孔曝气盘、多级文丘里管以及左、右循环管等一系列结构设置，使反应器多级文丘里管内处于好氧状态，左、右循环管内处于缺氧状态，使该反应器具有同步硝化反硝化生物脱氮功能；
3)多级文丘里管相当于多个收缩扩张的结构串联，实现级间全混流，级际平推流的流态，可在管的局部形成涡旋流场，涡旋流场内存在强剪切力，可削减传质过程中液膜厚度，降低传质阻力，有效增强三相间的传质效果；
4)保温区和循环水进、出口的设置，可在反应器系统温度较低时(＜15℃)通入热水或蒸汽为反应器增温，保证硝化反硝化作用脱氮效率(硝化反硝化反应正常进行温度一般需要15℃以上)；
5)分流区利用密度差异和上筛网可实现初步的三相分离，为之后固液混合物的循环和锥形集气罩的两相分离作良好铺垫；
6)下筛网可防止填料落入布水段，上筛网可防止填料被气液流带出反应器，且上筛网可允许絮体污泥或脱落的生物膜通过，能实现反应器内菌群的新老更替；
7)出气管上丝网除沫器的设置，可湮灭曝气过程带出的大量泡沫，保证环境卫生，保障系统的稳定运行；
8)主体为圆筒状，上下端直径相等，结构紧凑，力学强度好，且反应器高径比大，占地面积省，有效降低基建投资。
9)适用于含氮有机废水的处理。经实验室模拟废水进水运试，常温下其容积负荷可达8.5kg·COD/m3·d，总氮容积负荷为0.56kg/m3·d。
附图说明
图1为本发明提供的一种气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器的结构示意图；
图2为图1中A-A面的剖视图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例
如图1-2所示，为本发明提供的气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器的结构示意图，包括从下至上的布水段I、反应段II及分离段III，所述布水段I包括设于底板1上的下短圆筒3，下短圆筒3外侧的最低处设有清空口28，下短圆筒3内设有布水器26、微孔曝气盘25，布水器26与设于下短圆筒3外侧的进水管2连通，微孔曝气盘25与安装在下短圆筒3外侧的进气管27连通。微孔曝气盘25与进气管27设于同一水平面上，进水管2与布水器26设于同一水平面上，且微孔曝气盘25、进气管27高于进水管2、布水器26布置，进水管2、布水器26高于清空口28布置。导气筒18内设有丝网除沫器19，其在导气筒18中的高度占导气筒18高度的1/5～1/4，可湮灭曝气过程带出的泡沫。
所述反应段II包括长圆筒8，长圆筒8内设有多级文丘里管10，多级文丘里管10的上下两端与长圆筒8的上下两个端口之间分别形成分流区13、混合区6，分流区13与混合区6高度均占长圆筒8高度的1/8～1/7，分流区13、混合区6的左右两侧分别通过左循环管11、右循环管23连通形成循环；左循环管11、右循环管23为对称的三折线形状，折角α为100°～120°，其直径d2与长圆筒8直径D之比为0.45～0.65∶1。多级文丘里管10的两端分别通过上圆环挡板12、下圆环挡板24固定于长圆筒8内。长圆筒8的下端通过下法兰4与下短圆筒3连接，上端通过上法兰14与上短圆筒15连接。下法兰4内设有下筛网5，上法兰14内设有上筛网21。混合区6高度占长圆筒8高度的1/8～1/7；分流区13高度占长圆筒8高度的1/8～1/7。所述多级文丘里管10由两端的半文丘里管及中间的2个规格相同的文丘里管依次连接组成，各半文丘里管、各文丘里管与长圆筒8的筒壁之间分别形成独立的保温区9，保温区9一侧的较低处设有保温水进口7，另一侧的较高处设有保温水出口22。多级文丘里管10的高度占长圆筒8高度的5/7～3/4，其最小直径d1与长圆筒8直径D之比为0.4～0.6∶1；多级文丘里管10中单个文丘里管的母线与水平面之间的夹角β为50°～70°。
所述分离段III包括上短圆筒15，上短圆筒15内设有出水出气系统。出水出气系统包括较大口朝下的锥形集气罩16，锥形集气罩16通过导气筒18与大气连通，导气筒18的上端从上短圆筒15上侧露出，导气筒18通过环形溢流堰17固定于上短圆筒15内，环形溢流堰17上方设有出水管20。导气筒18内设有丝网除沫器19，其在导气筒18中的高度占导气筒18高度的1/5～1/4，可湮灭曝气过程带出的泡沫。
布水段I、反应段II、分离段III的高度比为1.0∶(3.5～5.5)∶1.5；下短圆筒3、上短圆筒15与长圆筒8的直径D相同，且高径比为5.5～7.0。
本发明可采用PVC板或钢板制作，其工作过程如下：
上筛网21、下筛网5之间填充有一定量的填料，微生物以生物膜的形式附着于填料上。含氮有机废水由进水管2进入布水器26均匀布水，后由微孔曝气盘25内所产微小气泡带至反应段II的混合区6中，在混合区6内废水与左循环管11、右循环管23回流混合液混匀，再在上升气流的带动下进入多级文丘里管10。多级文丘里管10内存在对称涡旋流场，气液固三相在多级文丘里管10内充分接触，获得较好的传质效果，多级文丘里管10内为好氧区，该区发生生物脱氮过程中的硝化步骤，将NH3-N转化为NO3 -，之后混合液进入分流区13，部分液体进入分离段iii，部分液体和所有生物膜颗粒进入左循环管11、右循环管23回流循环，左循环管11、右循环管23内为缺氧区，发生生物脱氮过程中的反硝化步骤，将NO3 -转化为N2，锥形集气罩16收集大部分气体(包括空气和反硝化产生的氮气)，气体通过导气筒18逸散至空气中，处理后的废水由环形溢流堰17与出水管20排出。导气筒18液面产生大量泡沫，由丝网除沫器19物理除沫。至此，完成反应的整个过程。经实验室模拟废水进水运试，常温下其容积负荷可达8.5kg·COD/m3·d，总氮容积负荷为0.56kg/m3·d。
Claims (11)
1.一种气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，包括从下至上的布水段（Ⅰ）、反应段（Ⅱ）及分离段（Ⅲ），所述布水段（Ⅰ）包括设于底板（1）上的下短圆筒（3），下短圆筒（3）外侧的最低处设有清空口（28），下短圆筒（3）内设有布水器（26）、微孔曝气盘（25），布水器（26）与设于下短圆筒（3）外侧的进水管（2）连通，微孔曝气盘（25）与设于下短圆筒（3）外侧的进气管（27）连通；所述反应段（Ⅱ）包括长圆筒（8），长圆筒（8）内设有多级文丘里管（10），多级文丘里管（10）的上下两端与长圆筒（8）的上下两个端口之间分别形成分流区（13）、混合区（6），分流区（13）、混合区（6）的左右两侧分别通过左循环管（11）、右循环管（23）连通形成循环；多级文丘里管（10）的两端分别通过上圆环挡板（12）、下圆环挡板（24）固定于长圆筒（8）内；所述分离段（Ⅲ）包括上短圆筒（15），上短圆筒（15）内设有出水出气系统；所述出水出气系统包括较大口朝下的锥形集气罩（16），锥形集气罩（16）通过导气筒（18）与大气连通，导气筒（18）的上端从上短圆筒（15）上侧露出，导气筒（18）通过环形溢流堰（17）固定于上短圆筒（15）内，环形溢流堰（17）上方设有出水管（20）。
2.如权利要求1所述的气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，所述微孔曝气盘（25）与进气管（27）设于同一水平面上，进水管（2）与布水器（26）设于同一水平面上，且微孔曝气盘（25）、进气管（27）高于进水管（2）、布水器（26）布置，进水管（2）、布水器（26）高于清空口（28）布置。
3.如权利要求1所述的气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，所述长圆筒（8）的下端通过下法兰（4）与下短圆筒（3）连接，上端通过上法兰（14）与上短圆筒（15）连接。
4.如权利要求3所述的气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，所述下法兰（4）内设有下筛网（5），上法兰（14）内设有上筛网（21）。
5.如权利要求1所述的气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，所述导气筒（18）内设有丝网除沫器（19），其在导气筒（18）中的高度占导气筒（18）高度的1/5~1/4，可湮灭曝气过程带出的泡沫。
6.如权利要求1所述的气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，所述布水段（Ⅰ）、反应段（Ⅱ）、分离段（Ⅲ）的高度比为1.0：（3.5~5.5）：1.5；下短圆筒（3）、上短圆筒（15）与长圆筒（8）的直径（D）相同，且高径比为5.5~7.0。
7.如权利要求1所述的气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，所述混合区（6）高度占长圆筒（8）高度的1/8~1/7。
8.如权利要求1所述的气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，所述多级文丘里管（10）由两端的半文丘里管及中间的两个规格相同的文丘里管依次连接组成，各半文丘里管、各文丘里管与长圆筒（8）的筒壁之间分别形成独立的保温区（9），保温区（9）一侧的较低处设有保温水进口（7），另一侧的较高处设有保温水出口（22）。
9.如权利要求1或8所述的气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，所述多级文丘里管（10）的高度占长圆筒（8）高度的5/7~3/4，其最小直径（d1）与长圆筒（8）直径（D）之比为（0.4~0.6）：1；多级文丘里管（10）中单个文丘里管的母线与水平面之间的夹角（β）为50°~70°。
10.如权利要求1所述的气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，所述分流区（13）高度占长圆筒（8）高度的1/8~1/7。
11.如权利要求1所述的气升式外循环涡旋强化生物脱氮反应器，其特征在于，所述左循环管（11）、右循环管（23）为对称的三折线形状，折角（α）为100°~120°，其直径（d2）与长圆筒（8）直径（D）之比为0.45~0.65：1。
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Granted publication date: 20160330 Termination date: 20190707 |