CN105129975A

CN105129975A - 一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器及其污水处理方法

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Publication number: CN105129975A
Application number: CN201510568944.3A
Authority: CN
Inventors: 周鑫根
Original assignee: Zhejiang Urban & Rural Planning Design Institute
Current assignee: Zhejiang Urban & Rural Planning Design Institute
Priority date: 2015-09-09
Filing date: 2015-09-09
Publication date: 2015-12-09
Anticipated expiration: 2035-09-09
Also published as: CN105129975B

Abstract

一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器及其污水处理方法，属于污水处理技术领域。包括反应器主体，反应器主体腔体底部设置曝气装置，曝气装置通过进气管与鼓风机连接，鼓风机与控制器连接；在反应器主体14/5-3/4高度的腔体内配合设置环形漏斗状滤网，滤网孔隙为2-4mm，滤网上缘直径为反应器主体内直径的4/5-1，滤网下缘直径为反应器主体内直径的1/3-2/5，环形漏斗状滤网侧边斜面与水平面的夹角为45-60°。上述一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器及其污水处理方法，其通过设置环形漏斗状滤网调控反应器内部水力条件，优化好氧颗粒污泥粒径分布，在低曝气强度条件下实现反应器稳定运行及高效污染物去除能力。

Description

一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器及其污水处理方法

技术领域

本发明属于污水处理技术领域，具体为一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器及其污水处理方法。

背景技术

与活性污泥相比，好氧颗粒污泥致密的结构、缺氧-好氧共存的菌落分布、高生物量及强异化作用的特性，使其有泥水分离快、同步生物脱氮除磷、高效降解污染物、剩余污泥减量等明显技术优势及良好的开发应用前景，已引起研究者的广泛注意。但好氧颗粒污泥存在长期运行易发生失稳的问题，表现为运行时颗粒内部发黑，结构解体破碎，沉降性大幅下降，污泥量大量流失最终导致反应器崩溃，严重抑制了其工业化运用。

研究发现，在好氧颗粒污泥培养过程中，颗粒粒径会持续变大，粒径的过度增大造成了传质阻力增加，导致颗粒内部形成厌氧区，进而促进了厌氧菌生长，造成体系pH的降低。低pH能溶解EPS中的β-多糖影响颗粒结构。研究表明，β-多糖在颗粒结构中起到了骨架作用，α-多糖，脂类，蛋白及细胞能附着至β-多糖的框架结构上，其对颗粒的稳定性具有重要意义。颗粒内部厌氧区的形成能破坏颗粒中β-多糖骨架，使颗粒解体破碎，沉降性下降，大量污泥流失最终导致反应器崩溃。

结合颗粒稳定性与污染物去除效率，研究指出700-1900μm是颗粒污泥的最佳粒径范围。然而在实际培养过程中，好氧颗粒污泥平均粒径从200至7000μm均有报道。为避免长期运行中好氧颗粒污泥因粒径过大导致厌氧后颗粒解体，颗粒的粒径不适大于3mm。另一方面，过小的颗粒粒径也应避免。颗粒粒径过小会导致溶解氧渗透进入颗粒内部，破坏缺氧-好氧共存的菌落分布，抑制同步脱氮反应进行，导致总氮去除效果变差。研究指出，在抑制大颗粒粒径过度增加的同时，维持小颗粒稳定生长，对提高反应器中处于最佳粒径范围的颗粒比率对污染物去除效率及稳定性具有重要意义。如何调控粒径分布是维持好氧颗粒污泥高效稳定运行的关键。已有研究者在运行过程中根据沉降性不同筛选并排出粒径过大的老龄化颗粒来抑制粒径的过度增加，但这些策略在实际工业运行中效果并不理想且操作性差。

研究发现提高曝气强度能抑制颗粒粒径过度增加。通过提高曝气强度，反应器内水力剪切增加。高水力剪切条件下微生物增长速率变慢，颗粒表面生物量脱落速率增加，粒径增加得到抑制。但提高反应器中水力剪切增加了运行能耗，同时导致颗粒平均粒径变小，总氮去除效果变差。目前对颗粒粒径的有效控制策略仍较为缺乏。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于设计提供一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器及其污水处理方法的技术方案，其设置环形漏斗状滤网改变反应器内部水力条件，调控不同粒径颗粒污泥所受水力剪切，优化好氧颗粒污泥粒径分布，在低曝气强度条件下实现反应器稳定运行及高效污染物去除能力；具有操作简便，节约能耗，运行稳定，COD及总氮去除率高，占地小，无需单独设置反硝化段及污泥回流系统的特点。

所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器，包括用于接种好氧颗粒污泥的反应器主体，反应器主体为圆柱形结构，反应器主体下部设置进水装置，反应器主体中部设置出水装置，进水装置通过进水管与进水泵连接，进水泵与污水配水池连接；还包括控制器，控制器与进水泵控制连接，其特征在于反应器主体的高度和内直径的比值为5-8:1，反应器主体腔体底部设置曝气装置，曝气装置通过进气管与鼓风机连接，鼓风机与控制器连接；在反应器主体4/5-3/4高度的腔体内配合设置环形漏斗状滤网，滤网孔隙为2-4mm，滤网上缘直径为反应器主体内直径的4/5-1，滤网下缘直径为反应器主体内直径的1/3-2/5，环形漏斗状滤网侧边斜面与水平面的夹角为45-60°。

所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器，其特征在于曝气装置采用微孔曝气器，微孔曝气器的直径为反应器主体内直径的1/3-1/5。

所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器，其特征在于反应器主体顶部设置液位计，控制器与液位计控制连接。

所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器，其特征在于反应器主体的高度和内直径的比值为6-7:1，反应器主体下部配合设置底座。

所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器，其特征在于环形漏斗状滤网的滤网孔隙为3mm，环形漏斗状滤网侧边斜面与水平面的夹角为50-55°。

所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器的污水处理方法，其特征在于该污水处理方法采用序批式运行方式，运行周期包括进水、曝气、沉降、出水四个阶段，装置内所有进水、曝气、出水均由控制器自动化控制；

1）进水：在反应器主体中接种好氧颗粒污泥，接种泥量2-4g/L，废水COD浓度为1000-3000mg/L，氨氮40-120mg/L，总氮80-240mg/L，容积负荷3-6kg/COD·m³·d，将待处理的市政污水先接入污水配水池，通过进水泵将污水从反应器主体底部的进水装置送入反应器主体腔体内，进水时间为5-15min，通过反应器主体顶部的液位计控制进水上液面；

2）曝气：通过鼓风机给曝气装置进气，采用空气曝气，表面气速0.6-2cm/s，曝气装置设置在反应器主体底部腔体内，反应器中好氧颗粒污泥受曝气影响自上向下循环往复运动，通过设置环形漏斗状滤网，在其上方观察到两组对称的漩涡，当大颗粒污泥在中心上行区上升至顶部后，环形漏斗状滤网限制了其沿反应器壁面下行区向下运动，漩涡将大颗粒污泥夹带并使其沿环形漏斗状滤网壁面再次进入中心上行区，通过环形漏斗状滤网实现了将大于筛网孔隙的大颗粒污泥截留在反应器顶部高应力区的效果；同时，小于滤网孔径的颗粒污泥则几乎不受环形漏斗状滤网影响，以原有运动轨迹在反应器中循环，曝气时间为160-260min；

3）沉降：停止曝气后进行5-15min的静置，使反应器中颗粒污泥沉降并与水分离；

4）出水：泥水分离完全后，通过反应器的出水装置将处理后污水排出，出水时间5-15min。

所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器的污水处理方法，其特征在于步骤1）中：接种泥量3g/L，废水COD浓度为1500-2500mg/L，氨氮50-100mg/L，总氮100-150mg/L，容积负荷4-5kg/COD·m³·d，进水时间为8-12min。

所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器的污水处理方法，其特征在于步骤2）中：表面气速1-1.5-2cm/s，曝气时间为200-240min。

所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器的污水处理方法，其特征在于步骤3）中停止曝气后进行8-12min的静置，步骤4）中出水时间10-12min。

上述一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器及其污水处理方法，在无需额外能耗的低曝气强度条件下,其设置的环形漏斗状滤网能选择性将粒径大于滤网孔径的大颗粒污泥截留在高水力剪切的反应器上部，通过增加其所受水力剪切抑制颗粒粒径过度增长，同时该内构件对反应器中粒径小于滤网孔径的颗粒污泥运动无明显影响，最终成功将反应器平均粒径控制在最佳粒径范围内，具有操作简便，节约能耗，运行稳定，COD及总氮去除率高，占地小，无需单独设置反硝化段及污泥回流系统的特点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明环形漏斗状滤网的主视图；

图3为本发明环形漏斗状滤网的俯视图；

图4为本发明反应器不同粒径颗粒运动轨迹示意图；

图5为常规反应器内部大颗粒流场分布图；

图6为本发明反应器内部大颗粒流场分布图；

图7为常规反应器内部大颗粒水力剪切分布图；

图8为本发明反应器内部大颗粒水力剪切分布图；

图9为常规反应器内部小颗粒水力剪切分布图

图10为本发明反应器内部小颗粒水力剪切分布图

图11为本发明反应器污泥浓度（MLSS）及污泥体积指数（SVI）；

图12为本发明反应器内部粒径分布变化；

图13为本发明反应器氨氮及总氮去除率；

图中：1-反应器主体、2-液位计、3-环形漏斗状滤网、4-出水装置、5-曝气装置、6-进水装置、7-底座、8-污水配水池、9-进水泵、10-控制器、11-鼓风机。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步说明。

如图所示，该内置筛网式好氧颗粒污泥反应器，包括用于接种好氧颗粒污泥的反应器主体1，反应器主体1为圆柱形结构，反应器主体1下部设置进水装置6，反应器主体1中部设置出水装置4，进水装置6通过进水管与进水泵9连接，进水泵9与污水配水池8连接；还包括控制器10，控制器10与进水泵9控制连接，反应器主体1的高度和内直径的比值为5-8:1，反应器主体1腔体底部设置曝气装置5，曝气装置5通过进气管与鼓风机11连接，鼓风机11与控制器10连接；在反应器主体14/5-3/4高度的腔体内配合设置环形漏斗状滤网3，滤网孔隙为2-4mm，滤网上缘直径为反应器主体1内直径的4/5-1，滤网下缘直径为反应器主体1内直径的1/3-2/5，环形漏斗状滤网3侧边斜面与水平面的夹角为45-60°；曝气装置5采用微孔曝气器，微孔曝气器的直径为反应器主体1内直径的1/3-1/5；反应器主体1顶部设置液位计2，控制器10与液位计2控制连接；反应器主体1的高度和内直径的比值为6-7:1，反应器主体1下部配合设置底座7。环形漏斗状滤网3通过焊接固定在反应器主体内壁上。

采用上述内置筛网式好氧颗粒污泥反应器的污水处理方法，采用序批式运行方式，运行周期包括进水、曝气、沉降、出水四个阶段，装置内所有进水、曝气、出水均由控制器10自动化控制；

1）进水：在反应器主体1中接种好氧颗粒污泥，接种泥量2-4g/L，废水COD浓度为1000-3000mg/L，氨氮40-120mg/L，总氮80-240mg/L，容积负荷3-6kg/COD·m³·d，将待处理的市政污水先接入污水配水池8，通过进水泵9将污水从反应器主体1底部的进水装置6送入反应器主体1腔体内，进水时间为5-15min，通过反应器主体1顶部的液位计2控制进水上液面；

2）曝气：通过鼓风机11给曝气装置5进气，采用空气曝气，表面气速0.6-2cm/s，曝气装置5设置在反应器主体1底部腔体内，反应器中好氧颗粒污泥受曝气影响自上向下循环往复运动，通过设置环形漏斗状滤网3，在其上方观察到两组对称的漩涡，当大颗粒污泥在中心上行区上升至顶部后，环形漏斗状滤网3限制了其沿反应器壁面下行区向下运动，漩涡将大颗粒污泥夹带并使其沿环形漏斗状滤网3壁面再次进入中心上行区，通过环形漏斗状滤网3实现了将大于筛网孔隙的大颗粒污泥截留在反应器顶部高应力区的效果；同时，小于滤网孔径的颗粒污泥则几乎不受环形漏斗状滤网3影响，以原有运动轨迹在反应器中循环，曝气时间为160-260min；

4）出水：泥水分离完全后，通过反应器的出水装置4将处理后污水排出，出水时间5-15min。

以下通过相应的试验数据进一步说明本发明的有益效果。

试验1.筛网的优化及水力学研究

为优化新型筛网内构件和揭示其对反应器中颗粒粒径分布影响，本发明采用高速摄像结合可视化技术对反应器中水力学进行研究。通过表征反应器中颗粒所受水力剪切研究新型筛网内构件对反应器中颗粒水力条件的影响。

用于流场观察的反应器为圆柱形有机玻璃结构，内径12cm，H/D8。采用砂质微孔曝气头从反应器底部曝气，表面气速0.8cm/s。为避免圆柱体反应器折射效应，将装置置于注满水的方形水槽内（15*15*100cm）。水槽前安装升降平台放置CCD高速相机，平台由步进电机控制。

由于颗粒污泥反应器中的颗粒处于低速运动状态，利用工业级高速CCD相机（Vieworks,VH-2MG2-M42A0,Korea）捕捉颗粒在反应器中运动轨迹，研究反应器中水力条件。反应器中大颗粒污泥运动速度（υ）计算如下：

△r----相邻帧之间颗粒的相位差

△t----帧率间隔

υ----颗粒运动速度

由曝气产生强烈的气泡运动对CCD高速相机图像采集产生干扰，因此反应器中心区域流场数据（中心白色部分）被忽略。研究发现常规反应器中，大颗粒污泥在反应器中心上行区随曝气产生的气泡协同向上运动，当其运动至反应器顶部后，气泡离开液相，颗粒则开始沿反应器壁面下行区向下运动。在颗粒污泥到达反应器底部后，由于底部中心曝气产生的气泡降低了三相混合液密度，颗粒污泥随之向中心填充，再次进入中心上行区。颗粒污泥速度分布呈现底部低，顶部高；中心高，并沿径向逐渐递减，随后逐渐增加并在边壁处达到最大的特点，如图5所示。

通过对大颗粒污泥速度场求导得出其所受水力剪切，水力剪切（）无量纲化后获得两反应器中大颗粒所受水力剪切分布。水力剪切无量纲化计算方式如下：

----无量纲化后大颗粒所受水力剪切,

----大颗粒所受水力剪切,

----两反应器中大颗粒所受水力剪切最大值,

实验发现，常规反应器中大颗粒所受水力剪切低，分布较为均匀。在反应器顶部3/4高度以上位置存在两个对称分布的高水力剪切区，如图7所示。常规反应器内部小颗粒（粒径<0.6mm）所受水力剪切如图9所示，其分布于大颗粒相似。本发明以常规反应器中高应力区出现范围为界，在其边界处设置新型筛网内构件进一步强化反应器中水力条件。

通过设置新型筛网内构件，本发明选择性的将大颗粒（粒径>3mm）截留在该高应力区。水力学研究表明，通过设置筛网内构件，在其上方观察到两组对称的漩涡，当大颗粒（粒径>3mm）在中心上行区上升至顶部后，漏斗状筛网内构件限制了其沿反应器壁面下行区向下运动，漩涡将大颗粒夹带并使其沿筛网壁面再次进入中心上行区，实现了在反应器上部对大颗粒的截留作用，如图6所示。同时，小粒径颗粒污泥（粒径<0.6mm）则几乎不受筛网内构件影响，其水力剪切如图10所示，实验发现，本发明反应器内部小颗粒水力剪切与常规反应器中小颗粒水力剪切相似，表明筛网内构件对小颗粒污泥未造成明显影响。

水力学研究表明，本发明中大颗粒所受应力明显增高，应力呈现底部低，顶部高，沿轴向递增的分布，并在筛网上部有明显强化的高应力区，如图8所示。水力剪切计算显示，在低表面气速条件下（0.8cm/s），本发明反应器中大颗粒所受的总体水力剪切为常规反应器的3.07倍，达到了表面气速4cm/s时大颗粒所受水力剪切，大大节约了能耗。而小颗粒所受水力剪切仅为常规反应器中的70.7%。水力学研究表明新型筛网内构件具有调控反应器内部水力条件，使其合理分配至不同粒径颗粒污泥的作用。本发明选择性的强化了反应器中大颗粒污泥所受水力剪切，同时降低了小颗粒污泥所受水力剪切。在抑制了大颗粒污泥粒径过度增加的同时，促进了小颗粒粒径的增加，具有在低耗条件下有效优化颗粒最佳粒径分布的特点。

试验2.反应器运行

在H/D为8的10L反应器中接种污水处理厂二沉池回流污泥，接种泥量4g/L，废水COD浓度1000mg/L，氨氮80mg/L，总氮120mg/L，容积负荷3kg/COD·m³·d。4小时为一周期。包含进水10min，曝气210min，沉降10min，出水10min，不需单独设置反硝化段。反应器体积交换率50%，采用微孔曝气器曝气，曝气器直径3cm，表面气速仅为0.8cm/s（远低于常规好氧颗粒污泥反应器2.0cm/s的表面气速）。在反应器75cm高度设置环型漏斗状滤网，孔隙3mm。滤网上缘通过焊接与反应器壁面固定，直径12cm与反应器内径相同，下缘直径为4.8cm。筛网与水平夹角60°。

运行10d后，反应器中SVI从130mL/g降至40mL/g。同时，MLSS从接种时的4000mg/L稳定上升，运行21d后达到5340mg/L，并最终稳定在8000mg/L以上，如图11所示。对反应器中颗粒粒径分布研究发现，运行14d后，反应器中的平均粒径快速增长达到500μm，实现了颗粒化。此后颗粒污泥平均粒径增速变缓，最终逐渐稳定在1738±28μm，处于最佳粒径范围内。对反应器中d₉₀（小于该粒径的颗粒占反应器中总颗粒的90%）研究发现，d₉₀在颗粒化初期迅速增加，从初始的215μm迅速增至24d的1428μm，此后d₉₀增长速度受到抑制，增长速度明显趋缓，并最终稳定在1887±57μm左右，如图12所示。这表明大颗粒粒径的过度增加得到了抑制。结合颗粒稳定性与污染物去除效率，已有研究指出700-1900μm是颗粒污泥的最佳粒径范围。本发明中通过颗粒粒径分析发现，运行160天后反应器中有高达68.3%的颗粒处于该最佳粒径范围，而常规培养的好氧颗粒污泥反应器仅有不足30%处于最佳粒径范围。

通过对颗粒污泥粒径调控，本发明在低能耗条件下实现长期稳定运行，并具有较高的COD去除效率，其COD去除率始终维持在95%左右。随着颗粒平均粒径的增加，颗粒中出现同步硝化反硝化作用，在没有独立设置反硝化段的条件下，反应器具有良好的反硝化作用，其NH₄ ⁺-N和TN的去除随颗粒化进程逐渐提高，并最终分别稳定在98%和81%，如图13所示。

在上述试验1和试验2中，污水处理方法的进水、曝气、沉降、出水四个阶段所采用的工艺参数不同，也能达到本发明所述的有益效果。

Claims

1.一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器，包括用于接种好氧颗粒污泥的反应器主体（1），反应器主体（1）为圆柱形结构，反应器主体（1）下部设置进水装置（6），反应器主体（1）中部设置出水装置（4），进水装置（6）通过进水管与进水泵（9）连接，进水泵（9）与污水配水池（8）连接；还包括控制器（10），控制器（10）与进水泵（9）控制连接，其特征在于反应器主体（1）的高度和内直径的比值为5-8:1，反应器主体（1）腔体底部设置曝气装置（5），曝气装置（5）通过进气管与鼓风机（11）连接，鼓风机（11）与控制器（10）连接；在反应器主体（1）4/5-3/4高度的腔体内配合设置环形漏斗状滤网（3），滤网孔隙为2-4mm，滤网上缘直径为反应器主体（1）内直径的4/5-1，滤网下缘直径为反应器主体（1）内直径的1/3-2/5，环形漏斗状滤网（3）侧边斜面与水平面的夹角为45-60°。

2.如权利要求1所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器，其特征在于曝气装置（5）采用微孔曝气器，微孔曝气器的直径为反应器主体（1）内直径的1/3-1/5。

3.如权利要求1所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器，其特征在于反应器主体（1）顶部设置液位计（2），控制器（10）与液位计（2）控制连接。

4.如权利要求1所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器，其特征在于反应器主体（1）的高度和内直径的比值为6-7:1，反应器主体（1）下部配合设置底座（7）。

5.如权利要求1所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器，其特征在于环形漏斗状滤网（3）的滤网孔隙为3mm，环形漏斗状滤网（3）侧边斜面与水平面的夹角为50-55°。

6.采用权利要求1所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器的污水处理方法，其特征在于该污水处理方法采用序批式运行方式，运行周期包括进水、曝气、沉降、出水四个阶段，装置内所有进水、曝气、出水均由控制器（10）自动化控制；

1）进水：在反应器主体（1）中接种好氧颗粒污泥，接种泥量2-4g/L，废水COD浓度为1000-3000mg/L，氨氮40-120mg/L，总氮80-240mg/L，容积负荷3-6kg/COD·m³·d，将待处理的市政污水先接入污水配水池（8），通过进水泵（9）将污水从反应器主体（1）底部的进水装置（6）送入反应器主体（1）腔体内，进水时间为5-15min，通过反应器主体（1）顶部的液位计（2）控制进水上液面；

2）曝气：通过鼓风机（11）给曝气装置（5）进气，采用空气曝气，表面气速0.6-2cm/s，曝气装置（5）设置在反应器主体（1）底部腔体内，反应器中好氧颗粒污泥受曝气影响自上向下循环往复运动，通过设置环形漏斗状滤网（3），在其上方观察到两组对称的漩涡，当大颗粒污泥在中心上行区上升至顶部后，环形漏斗状滤网（3）限制了其沿反应器壁面下行区向下运动，漩涡将大颗粒污泥夹带并使其沿环形漏斗状滤网（3）壁面再次进入中心上行区，通过环形漏斗状滤网（3）实现了将大于筛网孔隙的大颗粒污泥截留在反应器顶部高应力区的效果；同时，小于滤网孔径的颗粒污泥则几乎不受环形漏斗状滤网（3）影响，以原有运动轨迹在反应器中循环，曝气时间为160-260min；

4）出水：泥水分离完全后，通过反应器的出水装置（4）将处理后污水排出，出水时间5-15min。

7.如权利要求6所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器的污水处理方法，其特征在于步骤1）中：接种泥量3g/L，废水COD浓度为1500-2500mg/L，氨氮50-100mg/L，总氮100-150mg/L，容积负荷4-5kg/COD·m³·d，进水时间为8-12min。

8.如权利要求6所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器的污水处理方法，其特征在于步骤2）中：表面气速1-1.5-2cm/s，曝气时间为200-240min。

9.如权利要求6所述的一种内置筛网式好氧颗粒污泥反应器的污水处理方法，其特征在于步骤3）中停止曝气后进行8-12min的静置，步骤4）中出水时间10-12min。