CN104211177B

CN104211177B - 气荡式自循环脱氮反应器

Info

Publication number: CN104211177B
Application number: CN201410480791.2A
Authority: CN
Inventors: 郑平; 张宗和; 丁爽; 张萌; 厉巍; 詹恩超
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-09-19
Also published as: CN104211177A

Abstract

本发明公开了一种气荡式自循环脱氮反应器。反应器本体设有布水区、反应区、分离区、循环区和气荡区；布水区由进水管、进气管和曝气头组成；反应区由好氧区和两级厌氧区构成；分离区由释气区和沉淀室组成；循环区设回流吸液管、控制阀和连接管；气荡区由好氧区集气室、气提液排空管和气提液收集室组成。本发明融短程硝化与厌氧氨氧化于一体，微生物分布相对固定，可优化功能菌生境，强化生物脱氮；气提液受控排空引发反应器“气荡”，可促进传质和反应；反应液自循环，亚硝酸盐边产生边转化，可避免亚硝酸盐积累所致的生物毒性，并克服基质比例调控难题，提高反应器容积脱氮效能。

Description

气荡式自循环脱氮反应器

技术领域

本发明涉及生物脱氮反应器，尤其涉及一种气荡式自循环脱氮反应器。

背景技术

《“十二五”节能减排综合性工作方案》和《节能减排“十二五”规划》实施以来，节能减排工作开展得如火如荼，根据《中国环境状况公报》，2013年我国化学需氧量、氨氮、二氧化硫和氮氧化物均实现主要污染物总量减排年度目标，然而氨氮排放总量仍高达245.7万吨，其污染控制仍面临极其严峻的形势。有机污染物被去除后，低碳氮比（C/N比）成了未达标废水的主要水质特点。由于未达标废水的C/N比往往不能满足传统脱氮技术的所需值，此类废水的生物处理面临严峻挑战。因此，低碳氮比废水的生物处理，已经成为环境污染控制领域的重大课题。

短程硝化-厌氧氨氧化工艺是一种自养型生物脱氮工艺，该工艺所涉及的亚硝酸细菌和厌氧氨氧化菌均为自养型微生物，不需外加有机碳源。这一新工艺的出现为低碳氮比废水的生物处理带来了曙光，因此倍受环境工程界的青睐。然而，现行设计中短程硝化工艺和厌氧氨氧化工艺通常被分置于两个装置中进行，易造成亚硝酸盐积累，抑制氨氧化作用，限制工艺的效能；此外，由于厌氧氨氧化工艺（NH₃+1.32NO₂ ^-+H⁺→1.02N₂+0.26NO₃ ^-+2H₂O）所需氨氮和亚硝氮的比例为1：1.32，这样的基质比例在实际工程中很难调控。若能将两工艺置于同一个装置中进行，使亚硝酸盐边生产边利用，则可摆脱上述困境。因此，开发一体化气荡式自循环脱氮反应器，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种气荡式自循环脱氮反应器。

一种气荡式自循环脱氮反应器：反应器本体设有布水区、反应区、分离区、循环区和气荡区；

布水区位于反应器本体下部，由进水管、进气管和曝气头组成，布水区底部设曝气头，并与进气管相连，在曝气头上方设有进水管；

反应区位于反应器本体中部，从下到上依次由第一级好氧区、第二级厌氧区和第三级厌氧区构成三级反应系统，第一级好氧区即O区，第二级厌氧区即A1区，第三级厌氧区即A2区；O区顶部设O区上导流管、O区下导流管；A1区顶部设A1区上导流管、A1区下导流管；A2区顶部设A2区释气管、A2区集气室和集气室顶罩；各级反应区之间由上导流管和下导流管共同串联，上、下导流管的下端管口均设挡气板；

分离区位于反应器本体上部，由渐扩段、B区释气区和环状沉淀室组成；B区释气区设O区集气室、A1区集气室、O区释气管、A1区释气管、O区释气控制阀、A1区释气控制阀和液封管，O区释气管和A1区释气管伸入液封管内，液封管中液位与反应器中液位齐平，A2区释气管连通于气提液收集室的中部；环状沉淀室由渐扩段和A2区圆筒外壁围成，沉淀室底部设有排泥管，沉淀室上部设纵隔板、出水槽和出水管；

循环区位于反应器本体外部，由回流吸液管、回流控制阀和回流连接管组成，回流吸液管设于A2区的中部，回流控制阀设于回流连接管的上部，回流连接管与进水管相连通；

气荡区位于反应器本体外部，由气提液排空管和气提液收集室组成，气提液收集室底部设网状格栅和气提液排放管。

所述的布水区、反应区、分离区的高度之比为1：7.5~8.5：1.5~2.5，截面积之比为1：1：2~3。

所述的反应区的第一级好氧区、第二级厌氧区、第三级厌氧区的高度之比为2~2.5：1：1，径高比分别为1：8~10、1：4~5、1：4~5。

所述的O区释气管上弯的长度、O区上导流管、O区下导流管、O区的长度之比为1：3~4：3~4：15~25，O区释气管、O区上导流管、O区下导流管、O区的截面积之比为1：3~4：3~4：100~200，O区上导流管伸入A1区的长度占其自身长度的25%~35%，O区集气室与O区的体积之比为1：8~15。

所述的A1区释气管上弯的长度、A1区上导流管、A1区下导流管、A1区的长度之比为1：3~4：3~4：10~20，A1区释气管、A1区上导流管、A1区下导流管、A1区的截面积之比为1：3~4：3~4：100~200，A1区上导流管伸入A2区的长度占其自身长度的25%~35%，A1区集气室与A1区的体积之比为1：5~10。

所述的第三级厌氧区的A2区释气管上弯的长度与A2区的长度之比为1：10~15，A2区集气室与A2区的体积之比为1：8~10。

所述的渐扩段与水平面的夹角为45°~55°，环状沉淀室的深度为20~25cm，其与反应器的体积之比为1：2.5~3。

所述的气提液收集室与环状沉淀室的横截面积之比为1：8~10，气提液收集室下端与出水管齐平，气提液收集室内网状格栅的下端与气提液排放管齐平。

所述的气提液排空管与反应区的截面积之比为1：25~50，管口距离O区顶部2~3cm。

与现有生物脱氮技术相比，本发明具有明显的优势：1）反应器将短程硝化与厌氧氨氧化集于一体，可减少装置占地面积；2）好氧区内亚硝酸细菌进行短程硝化反应，厌氧区内厌氧氨氧化菌进行厌氧氨氧化反应，功能菌的空间分布相对固定，可优化功能菌生境，强化生物脱氮；3）反应液经上、下导流管在各级反应区交界区域形成内循环，同时在曝气的驱动作用下形成外循环，亚硝酸盐边产生边转化，可避免亚硝酸盐积累所引发的生物毒性，也可解决厌氧氨氧化基质比例的调控困难；4）好氧区的过量曝气经释气管（O区）液封排出，可摆脱传统气升式生物反应器气流与液流捆绑联动的窘困，使反应器中液体流态兼备推流态和全混态的优点；5）气提液受控排空引发反应器“气荡”现象，可促进传质和反应，提高反应器容积脱氮效能。

附图说明

图1是气荡式自循环脱氮反应器结构示意图；

图2是本发明B区释气区结构示意图；

图中：Ⅰ-布水区、Ⅱ-反应区、Ⅲ-分离区、Ⅳ-循环区、Ⅴ-气荡区、O区-好氧区、A1区-第一级厌氧区、A2区-第二级厌氧区、B区-释气区、1-进水管、2-进气管、3-曝气头、4-挡气板、5-O区上导流管、6-O区下导流管、7-O区释气管、8-O区集气室、9-A1区上导流管、10-A1区下导流管、11-A1区释气管、12-A1区集气室、13-排泥管、14-渐扩段、15-环状沉淀室、16-A2区释气管、17-A2区集气室、18-集气室顶罩、19-气提液收集室、20-网状格栅、21-气提液排放管、22-纵隔板、23-出水槽、24-出水管、25-回流吸液管、26-回流控制阀、27-回流连接管、28-气提液排空管、29-O区释气控制阀、30-A1区释气控制阀、31-液封管、32-取样口。

具体实施方式

如图1所示，一种气荡式自循环脱氮反应器：反应器本体设有布水区Ⅰ、反应区Ⅱ、分离区Ⅲ、循环区Ⅳ和气荡区Ⅴ；

布水区Ⅰ位于反应器本体下部，由进水管1、进气管2和曝气头3组成，布水区Ⅰ底部设曝气头3，并与进气管2相连，在曝气头3上方设有进水管1；

反应区Ⅱ位于反应器本体中部，从下到上依次由第一级好氧区、第二级厌氧区和第三级厌氧区构成三级反应系统，第一级好氧区即O区，第二级厌氧区即A1区，第三级厌氧区即A2区；O区顶部设O区上导流管5、O区下导流管6、O区释气管7和O区集气室8；A1区顶部设A1区上导流管9、A1区下导流管10、A1区释气管11和A1区集气室12；A2区顶部设A2区释气管16、A2区集气室17和集气室顶罩18；各级反应区之间由上导流管和下导流管共同串联，上、下导流管的下端管口均设挡气板4；

分离区Ⅲ位于反应器本体上部，由渐扩段14、B区释气区和环状沉淀室15组成；B区释气区设O区集气室8、A1区集气室12、O区释气管7、A1区释气管11、O区释气控制阀29、A1区释气控制阀30和液封管31，O区释气管7和A1区释气管11伸入液封管31内，液封管31中液位与反应器中液位齐平，A2区释气管16连通于气提液收集室19的中部；环状沉淀室15由渐扩段和A2区圆筒外壁围成，沉淀室15底部设有排泥管13，沉淀室15上部设纵隔板22、出水槽23和出水管24；

循环区Ⅳ位于反应器本体外部，由回流吸液管25、回流控制阀26和回流连接管27组成，回流吸液管25设于A2区的中部，回流控制阀26设于回流连接管27的上部，回流连接管27与进水管1相连通；

气荡区Ⅴ位于反应器本体外部，由气提液排空管28和气提液收集室19组成，气提液收集室19底部设网状格栅20和气提液排放管21。

所述的布水区Ⅰ、反应区Ⅱ、分离区Ⅲ的高度之比为1：7.5~8.5：1.5~2.5，截面积之比为1：1：2~3。

所述的反应区Ⅱ的第一级好氧区、第二级厌氧区、第三级厌氧区的高度之比为2~2.5：1：1，径高比分别为1：8~10、1：4~5、1：4~5。

所述的第一级好氧区的O区释气管7上弯的长度、O区上导流管5、O区下导流管6、O区的长度之比为1：3~4：3~4：15~25，O区释气管7、O区上导流管5、O区下导流管6、O区的截面积之比为1：3~4：3~4：100~200，O区上导流管5伸入A1区的长度占其自身长度的25%~35%，O区集气室8与O区的体积之比为1：8~15。

所述的第二级厌氧区的A1区释气管11上弯的长度、A1区上导流管9、A1区下导流管10、A1区的长度之比为1：3~4：3~4：10~20，A1区释气管11、A1区上导流管9、A1区下导流管10、A1区的截面积之比为1：3~4：3~4：100~200，A1区上导流管9伸入A2区的长度占其自身长度的25%~35%，A1区集气室12与A1区的体积之比为1：5~10。

所述的第三级厌氧区的A2区释气管16上弯的长度与A2区的长度之比为1：10~15，A2区集气室17与A2区的体积之比为1：8~10。

所述的渐扩段14与水平面的夹角为45°~55°，环状沉淀室15的深度为20~25cm，其与反应器的体积之比为1：2.5~3。

所述的气提液收集室19与环状沉淀室15的横截面积之比为1：8~10，气提液收集室19下端与出水管24齐平，气提液收集室19内网状格栅20的下端与气提液排放管21齐平。

所述的气提液排空管28与反应区Ⅱ的截面积之比为1：25~50，管口距离O区顶部2~3cm。

气荡式自循环脱氮反应器可用PVC板或钢板制作，其工作过程如下：含氨氮废水由布水区Ⅰ底部经进水管1进入反应器，空气由进气管2进入反应器，经曝气头3切割后以微气泡形式从表面溢出，与附近区域泥水混合物混合，并使其上升运动。泥水气混合物的快速上升会在布水区Ⅰ中部形成负压，将布水区Ⅰ外侧的回流液吸入布水区Ⅰ中上部，并与进水、空气掺合后上升。

反应区Ⅱ的好氧区O区内，在亚硝化细菌作用下，部分氨氮氧化成亚硝酸盐，亚硝酸盐和未被氧化的氨氮经O区上导流管5、A1区上导流管9进入厌氧区A1、A2区，继续在厌氧氨氧化菌的作用下转化成氮气。反应液经上、下导流管在各级反应区交界区域形成内循环，亚硝酸盐边产生边转化，可避免亚硝酸盐积累所引发的生物毒性。

在分离区Ⅲ中，A1区顶端一部分泥水混合物通过渐扩段14继续向上运动，在环状沉淀室15发生泥水分离，沉淀污泥经A1区下导流管10返回A1区，上清液则经纵隔板22下方的开口汇入出水槽23，通过出水管24排出。各级反应区均有尾气产生，即好氧区O区的过量曝气和厌氧区A1、A2区的气态产物氮气，O区和A1区的大部分尾气分别经O区集气室8、A1区集气室12（集气室的体积取决于释气管的液封深度），然后由液封于液封管31的O区释气管7、A1区释气管11逃逸至外部环境。小部分尾气经上导流管与A2区的尾气混储于A2区集气室17，经A2区释气管16排出。A2区的部分泥水混合液通过回流吸液管25和回流连接管27回到布水区。

“气荡”现象的发生受控于释O区气控制阀29。当O区释气控制阀29处于开启状态时，尾气经O区释气管7连续排出，O区集气室8中的气压不足以将气提液排空管28中的液柱排空，不发生“气荡”现象；当O区释气控制阀29处于关闭状态时，尾气未能经O区释气管7排出，O区集气室8因尾气的持续积聚，其体积与内部气压均不断增大，直至气压增达某临界值，气提液排空管28中的液柱排空到气提液收集室19。气提液排空的瞬间，O区集气室8中的全部气体经气提液排空管28排出，此时O区集气室8中形成负压，A1区底部的泥水混合物经O区下导流管6迅速“下拽”并注满O区集气室8，即发生“气荡”现象。

本发明中高效生物脱氮的关键在于功能分区、反应液的内外自循环和传质的强化。三级反应系统中，好氧区内亚硝酸细菌进行短程硝化反应，厌氧区内厌氧氨氧化菌进行厌氧氨氧化反应，功能菌的空间分布相对固定，功能菌生境得到优化；反应液经上、下导流管在各级反应区交界区域形成内循环，同时在气升驱动作用下形成外循环，亚硝酸盐边产生边转化，避免了亚硝酸盐积累所引发的生物毒性，解决了厌氧氨氧化基质比例的调控困难；“气荡”过程中迅猛的“下拽”作用使反应器零死区成为可能，促进了传质和反应，提高了反应器的容积脱氮效能。

Claims

1.一种气荡式自循环脱氮反应器，其特征在于：反应器本体设有布水区（Ⅰ）、反应区（Ⅱ）、分离区（Ⅲ）、循环区（Ⅳ）和气荡区（Ⅴ）；

布水区（Ⅰ）位于反应器本体下部，由进水管（1）、进气管（2）和曝气头（3）组成，布水区（Ⅰ）底部设曝气头（3），并与进气管（2）相连，在曝气头（3）上方设有进水管（1）；

反应区（Ⅱ）位于反应器本体中部，从下到上依次由第一级好氧区、第二级厌氧区和第三级厌氧区构成三级反应系统，第一级好氧区即O区，第二级厌氧区即A1区，第三级厌氧区即A2区；O区顶部设O区上导流管（5）、O区下导流管（6）；A1区顶部设A1区上导流管（9）、A1区下导流管（10）；A2区顶部设A2区释气管（16）、A2区集气室（17）和集气室顶罩（18）；各级反应区之间由上导流管和下导流管共同串联，上、下导流管的下端管口均设挡气板（4）；

分离区（Ⅲ）位于反应器本体上部，由渐扩段（14）、B区释气区和环状沉淀室（15）组成；B区释气区设O区集气室（8）、A1区集气室（12）、O区释气管（7）、A1区释气管（11）、O区释气控制阀（29）、A1区释气控制阀（30）和液封管（31），O区释气管（7）和A1区释气管（11）伸入液封管（31）内，液封管（31）中液位与反应器中液位齐平，A2区释气管（16）连通于气提液收集室（19）的中部；环状沉淀室（15）由渐扩段和A2区圆筒外壁围成，环状沉淀室（15）底部设有排泥管（13），环状沉淀室（15）上部设纵隔板（22）、出水槽（23）和出水管（24）；

循环区（Ⅳ）位于反应器本体外部，由回流吸液管（25）、回流控制阀（26）和回流连接管（27）组成，回流吸液管（25）设于A2区的中部，回流控制阀（26）设于回流连接管（27）的上部，回流连接管（27）与进水管（1）相连通；

气荡区（Ⅴ）位于反应器本体外部，由气提液排空管（28）和气提液收集室（19）组成，气提液收集室（19）底部设网状格栅（20）和气提液排放管（21），

所述的布水区（Ⅰ）、反应区（Ⅱ）、分离区（Ⅲ）的高度之比为1：7.5~8.5：1.5~2.5，截面积之比为1：1：2~3，

所述的反应区（Ⅱ）的第一级好氧区、第二级厌氧区、第三级厌氧区的高度之比为2~2.5：1：1，径高比分别为1：8~10、1：4~5、1：4~5。

2.根据权利要求1所述的一种气荡式自循环脱氮反应器，其特征在于：所述的第一级好氧区的O区释气管（7）上弯的长度、O区上导流管（5）、O区下导流管（6）、O区的长度之比为1：3~4：3~4：15~25，O区释气管（7）、O区上导流管（5）、O区下导流管（6）、O区的截面积之比为1：3~4：3~4：100~200，O区上导流管（5）伸入A1区的长度占其自身长度的25%~35%，O区集气室（8）与O区的体积之比为1：8~15。

3.根据权利要求1所述的一种气荡式自循环脱氮反应器，其特征在于：所述的第二级厌氧区的A1区释气管（11）上弯的长度、A1区上导流管（9）、A1区下导流管（10）、A1区的长度之比为1：3~4：3~4：10~20，A1区释气管（11）、A1区上导流管（9）、A1区下导流管（10）、A1区的截面积之比为1：3~4：3~4：100~200，A1区上导流管（9）伸入A2区的长度占其自身长度的25%~35%，A1区集气室（12）与A1区的体积之比为1：5~10。

4.根据权利要求1所述的一种气荡式自循环脱氮反应器，其特征在于：所述的第三级厌氧区的A2区释气管（16）上弯的长度与A2区的长度之比为1：10~15，A2区集气室（17）与A2区的体积之比为1：8~10。

5.根据权利要求1所述的一种气荡式自循环脱氮反应器，其特征在于：所述的渐扩段（14）与水平面的夹角为45°~55°，环状沉淀室（15）的深度为20~25cm，其与反应器的体积之比为1：2.5~3。

6.根据权利要求1所述的一种气荡式自循环脱氮反应器，其特征在于：所述的气提液收集室（19）与环状沉淀室（15）的横截面积之比为1：8~10，气提液收集室（19）下端与出水管（24）齐平，气提液收集室（19）内网状格栅（20）的下端与气提液排放管（21）齐平。

7.根据权利要求1所述的一种气荡式自循环脱氮反应器，其特征在于：所述的气提液排空管（28）与反应区（Ⅱ）的截面积之比为1：25~50，管口距离O区顶部2~3cm。