CN105776759A - 碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器及其方法。反应器从下到上设布水布气区、第一反应区、第二反应区和三相分离区。布水布气区设气体回流口、布水布气反射板和进水管，第一反应区设还原性铁盐填充区、第一厌氧铁氧化脱氮区和缓冲区，第二反应区设碳酸钙填充区和第二厌氧铁氧化脱氮区，三相分离区设气体收集区、压力平衡管、释气口、沉淀区、溢流堰和出水口等。本发明通过在两级厌氧铁氧化脱氮区中间串联碳酸钙填充区，实现碱度自调节，脱氮效率高；碳酸钙溶解为生物脱氮提供无机碳源，外加药剂少；通过回流酸性反应液溶解廉价铁屑等还原性铁盐，为生物脱氮提供铁基质，以废治废；回流反应产气，强化传质，防止填料堵塞和污泥板结。

Description

碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器及其方法
技术领域
本发明涉及自养脱氮反应器，尤其涉及一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器及其方法。
背景技术
地下水是一种有限的淡水资源，全世界有数十亿人以地下水为饮用水源。由于工农业废水、生活污水、固体废弃物等的排放及渗漏，地下水污染日趋严重。据《2014年中国环境状况公报》，在全国202个地级及以上城市4896个地下水水质监测点中，水质为较差级和极差级的监测点比例高达61.5％，其中“三氮”污染尤为突出，亟待治理。
反硝化菌是生物修复地下水硝酸盐污染的功能之源。由于地下水中有机物含量很少，对于这类低C:N比污染水，传统脱氮菌(异养反硝化菌)无能为力，这是因为反硝化过程需要电子供体，通常由有机物提供。为提高反硝化脱氮活性，往往需外加有机物，不仅增加了修复成本，且易引起二次污染，带来饮水安全隐患。因此，自养脱氮工艺开发迫在眉睫。
铁盐是地下水污染治理中应用最广的化学剂(包括零价铁和二价铁矿物等)。在无氧条件下，以低价态铁盐还原硝酸盐生成三价铁和氮气的生物反应，即硝酸盐型厌氧铁氧化(nitrate-dependentanaerobicironoxidation，NAIO)。利用NAIO，可破解地下水生物原位脱氮技术碳源不足的难题。
Fe/Fe(II)+NO3 -+H2O→Fe(OH)3+N2+HCO3 -+H+
由该反应式知，NFIO过程可产生H+使反应后溶液呈酸性，不仅抑制了嗜中性NAIO微生物的脱氮活性，且易导致处理地下水不能达标排放。因此有必要对厌氧铁氧化脱氮过程进行碱度调节。
本发明提供了一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器，在装置内设置两级NAIO反应区，利用第一级NAIO脱氮后呈酸性的溶液，溶解第二反应区的碳酸钙，不仅能够调节溶液碱度，而且为第二级NAIO自养脱氮提供无机碳源(CO2)。同时，回流第一级NAIO脱氮后呈酸性的溶液，将廉价还原性铁盐(铁屑/铁渣等常见工业废弃物)溶解，为NAIO脱氮过程提供基质(电子供体)。最终，实现厌氧铁氧化过程的碱度自调控和高效脱氮。
由上述设计原理可知，本发明涉及的一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器，一方面可实现NAIO反应过程的碱度自调节，提高脱氮效率；另一方面可自产NAIO反应所需基质(电子供体和碳源等)，增强脱氮经济性，推动了NAIO自养生物脱氮技术的研发。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器。
一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器，反应器从下到上依次设有布水布气区、第一反应区、第二反应区和三相分离区；
所述的布水布气区自下到上设有排渣管、气体回流口、布水布气反射板和喇叭口；喇叭口与中心管直接相连，中心管位于沿反应器轴向布置，中心管上部设有进水管；
第一反应区通过还原性铁盐填充区与布水布气区贯通，还原性铁盐填充区顶部设有第一柱盘式升流布水器，第一柱盘式升流布水器与第一厌氧铁氧化脱氮区直接相连，第一厌氧铁氧化脱氮区顶部设有缓冲区，缓冲区中部设有液体回流管；
第二反应区通过碳酸钙填充区与第一反应区的缓冲区贯通，碳酸钙填充区顶部设有第二柱盘式升流布水器，第一柱盘式升流布水器与第二厌氧铁氧化脱氮区直接相连；
三相分离区通过第二厌氧铁氧化脱氮区顶部与第二反应区贯通，三相分离区由内向外依此设有中心管上段、气体收集区和沉淀区，气体收集区和沉淀区通过挡泥板分隔，气体收集区顶部设有密封盖，密封盖上设有气体收集管，气体收集管与气体回流管相连，气体回流管通过气体回流口与布水布气区贯通；气体收集区上部设有气压平衡管，气压平衡管中部设有释气口；沉淀区下部设有污泥排放管，沉淀区上部设有溢流堰和出水口。
所述的第一反应区、第二反应区和三相分离区的体积比为1.0:1.0:1.0～2.0。所述的中心管、第一反应区、第二反应区的截面积比例为1/20～1/40:1.0:1.0。所述的进水管位于中心管上段1/5～1/4处，所述的气压平衡管位于气体收集区上部1/9～1/10处，且高于出水管水平位置。所述的气体回流口位于布水布气区下部1/4～1/3处，布水布气反射板位于布水布气区中部，且位于气体回流口正上方。所述的液体回流管位于缓冲区中部，液体回流管回流流量与进水管进水流量比例为0.5～2.5。所述的布水布气区底部倾角α为55°，布水布气反射板为菱形，夹角β为34°，三相分离区底部倾角γ为55°，挡泥板下端倾角δ为150°。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述反应器的碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮方法，步骤如下：
含硝氮的废水与经液体回流管回流第一反应区反应后的反应液混合后，由进水管进入反应器；混合液由中心管及其底部的喇叭口进入布水布气区，经过布水布气反射板布水后向上进入还原性铁盐填充区，将内部填充的铁屑/铁渣还原性铁材料溶解；含溶解性铁盐的废水经第一柱盘式升流布水器进入第一反应区进行生物脱氮；脱氮后的废水进入缓冲区，一部分经液体回流管回流，另一部分进入碳酸钙填充区，与碳酸钙发生中和反应，一方面溶液碱度得到提高，另一方面产生CO2，气水混合物经第二柱盘式升流布水器进入第二反应区进行二级生物脱氮；反应后的固液气混合物进入三相分离区，被分离为气体和固液混合物；其中，气体由气体收集区收集后，经气体收集口进入气体回流管，并回流至布水布气区，再由气体回流口释放和布水布气反射板布气后随反应液进入第一反应区；当气体收集区内积累过量气体时，气体经压力平衡管由释气口排入大气；固液混合物经沉淀区进行固液分离，液体由溢流堰和出水口排出反应器，固体由污泥排放管排出反应器。
本发明与现有技术相比的有益效果是：1)反应器由布水布气区、第一反应区、第二反应区和三相分离区四个单元组成，相邻单元功能互补，结构紧凑，占地面积小；2)通过碳酸钙填充区与第一反应区的串联设置，反应后的酸性溶液得到中和，实现碱度调节，脱氮效率提高；3)通过第一反应区后的酸性反应溶液溶解碳酸钙，为第二反应区提供无机碳源，外加药剂量减少；4)通过回流第一反应区后的酸性反应溶液溶解廉价的铁屑/铁渣等还原性铁盐，为厌氧铁氧化生物脱氮过程提供铁盐基质，以废治废。5)通过收集并回流反应产生的气体，可强化反应传质，防止填料堵塞和生物污泥板结等。
附图说明
图1是一种碱度自调控厌氧铁氧化脱氮反应器结构剖面图；
图2是一种碱度自调控厌氧铁氧化脱氮反应器结构俯视图；
图3是一种碱度自调控厌氧铁氧化脱氮反应器结构A-A截面图；
图4是一种碱度自调控厌氧铁氧化脱氮反应器结构B-B截面图；
图中：布水布气区I、第一反应区II、第二反应区III、三相分离区IV；排渣管1、气体回流口2、布水布气反射板3、进水管4、中心管5、喇叭口6、还原性铁盐填充区7、第一柱盘式升流布水器8、第一厌氧铁氧化脱氮区9、缓冲区10、液体回流管11、碳酸钙填充区12、第二柱盘式升流布水器13、第二厌氧铁氧化脱氮区14、污泥排放管15、挡泥板16、气体收集区17、密封板18、气体收集管19、气体回流管20、压力平衡管21、释气口22、沉淀区23、溢流堰24、出水口25。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。
如图1、2、3和4所示，一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器，反应器从下到上依次设有布水布气区I、第一反应区II、第二反应区III和三相分离区IV。四个分区中具体结构如下：
布水布气区I自下到上设有排渣管1、气体回流口2、布水布气反射板3和喇叭口6；喇叭口6与中心管5直接相连，中心管5位于沿反应器轴向布置，贯通四个分区，中心管5上部连通进水管4。
第一反应区II通过填充有还原性铁盐的还原性铁盐填充区7与布水布气区I贯通，还原性铁盐填充区7顶部设有第一柱盘式升流布水器8，第一柱盘式升流布水器8与第一厌氧铁氧化脱氮区9直接相连，第一厌氧铁氧化脱氮区9顶部设有缓冲区10，缓冲区10中部设有液体回流管11。
第二反应区III通过填充有碳酸钙的碳酸钙填充区12与第一反应区II的缓冲区10贯通，碳酸钙填充区12顶部设有第二柱盘式升流布水器13，第一柱盘式升流布水器13与第二厌氧铁氧化脱氮区14直接相连。
三相分离区IV通过第二厌氧铁氧化脱氮区14顶部与第二反应区III贯通，三相分离区IV由内向外依此设有中心管5上段、气体收集区17和沉淀区23，气体收集区17和沉淀区23通过挡泥板16分隔，气体收集区17顶部设有密封盖18，密封盖18上设有气体收集管19，气体收集管19与气体回流管20相连，气体回流管20通过气体回流口2与布水布气区I贯通；气体收集区17上部设有气压平衡管21，气压平衡管21中部设有释气口22，气压平衡管21上通过压力阀等元件实现压力保护，当装置内压力过大时可释放部分气体。沉淀区23下部设有污泥排放管15，沉淀区23上部设有溢流堰24和出水口25。
所述的第一反应区II、第二反应区III和三相分离区IV的体积比为1.0:1.0:1.0～2.0。
所述的中心管5、第一反应区II、第二反应区III的截面积比例为1/20～1/40:1.0:1.0。
所述的进水管4位于中心管5上段1/5～1/4处，所述的气压平衡管21位于气体收集区17上部1/9～1/10处，且高于出水管25水平位置。
所述的气体回流口2位于布水布气区I下部1/4～1/3处，布水布气反射板3位于布水布气区I中部，且位于气体回流口2正上方。
所述的液体回流管11位于缓冲区10中部，液体回流管11回流流量与进水管4进水流量比例为0.5～2.5。
所述的布水布气区I底部倾角α为55°，布水布气反射板3为菱形，夹角β为34°，三相分离区IV底部倾角γ为55°，挡泥板16下端倾角δ为150°。
上述反应器可由PVC板和钢板制作。基于该装置的一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮方法，步骤如下：含硝氮的废水与经液体回流管11回流第一反应区II反应后的反应液(呈酸性)混合后，由进水管4进入反应器；混合液(呈酸性)由中心管5及其底部的喇叭口6进入布水布气区I，经过布水布气反射板3布水后向上进入还原性铁盐填充区7，将内部填充的铁屑/铁渣还原性铁材料溶解；含溶解性铁盐的废水经第一柱盘式升流布水器8进入第一反应区9进行生物脱氮；脱氮后的废水(呈酸性)进入缓冲区10，一部分经液体回流管11回流，另一部分进入碳酸钙填充区12，与碳酸钙发生中和反应，一方面溶液碱度得到提高，另一方面产生CO2，气水混合物经第二柱盘式升流布水器13进入第二反应区14进行二级生物脱氮；反应后的固液气混合物进入三相分离区IV，被分离为气体和固液混合物；其中，气体含N2和CO2由气体收集区17收集后，经气体收集口19进入气体回流管20，并回流至布水布气区I，再由气体回流口2释放和布水布气反射板3布气后随反应液进入第一反应区；当气体收集区17内积累过量气体时，气体经压力平衡管21由释气口22排入大气；固液混合物经沉淀区23进行固液分离，液体由溢流堰24和出水口25排出反应器，固体由污泥排放管15排出反应器。

Claims (8)

1.一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器，其特征在于：反应器从下到上依次设有布水布气区(I)、第一反应区(II)、第二反应区(III)和三相分离区(IV)；
所述的布水布气区(I)自下到上设有排渣管(1)、气体回流口(2)、布水布气反射板(3)和喇叭口(6)；喇叭口(6)与中心管(5)直接相连，中心管(5)位于沿反应器轴向布置，中心管(5)上部设有进水管(4)；
第一反应区(II)通过还原性铁盐填充区(7)与布水布气区(I)贯通，还原性铁盐填充区(7)顶部设有第一柱盘式升流布水器(8)，第一柱盘式升流布水器(8)与第一厌氧铁氧化脱氮区(9)直接相连，第一厌氧铁氧化脱氮区(9)顶部设有缓冲区(10)，缓冲区(10)中部设有液体回流管(11)；
第二反应区(III)通过碳酸钙填充区(12)与第一反应区(II)的缓冲区(10)贯通，碳酸钙填充区(12)顶部设有第二柱盘式升流布水器(13)，第一柱盘式升流布水器(13)与第二厌氧铁氧化脱氮区(14)直接相连；
三相分离区(IV)通过第二厌氧铁氧化脱氮区(14)顶部与第二反应区(III)贯通，三相分离区(IV)由内向外依此设有中心管(5)上段、气体收集区(17)和沉淀区(23)，气体收集区(17)和沉淀区(23)通过挡泥板(16)分隔，气体收集区(17)顶部设有密封盖(18)，密封盖(18)上设有气体收集管(19)，气体收集管(19)与气体回流管(20)相连，气体回流管(20)通过气体回流口(2)与布水布气区(I)贯通；气体收集区(17)上部设有气压平衡管(21)，气压平衡管(21)中部设有释气口(22)；沉淀区(23)下部设有污泥排放管(15)，沉淀区(23)上部设有溢流堰(24)和出水口(25)。
2.根据权利要求1所述的一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器，其特征在于：所述的第一反应区(II)、第二反应区(III)和三相分离区(IV)的体积比为1.0:1.0:1.0～2.0。
3.根据权利要求1所述的一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器，其特征在于：所述的中心管(5)、第一反应区(II)、第二反应区(III)的截面积比例为1/20～1/40:1.0:1.0。
4.根据权利要求1所述的一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器，其特征在于：所述的进水管(4)位于中心管(5)上段1/5～1/4处，所述的气压平衡管(21)位于气体收集区(17)上部1/9～1/10处，且高于出水管(25)水平位置。
5.根据权利要求1所述的一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器，其特征在于：所述的气体回流口(2)位于布水布气区(I)下部1/4～1/3处，布水布气反射板(3)位于布水布气区(I)中部，且位于气体回流口(2)正上方。
6.根据权利要求1所述的一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器，其特征在于：所述的液体回流管(11)位于缓冲区(10)中部，液体回流管(11)回流流量与进水管(4)进水流量比例为0.5～2.5。
7.根据权利要求1所述的一种碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮反应器，其特征在于：所述的布水布气区(I)底部倾角α为55°，布水布气反射板(3)为菱形，夹角β为34°，三相分离区(IV)底部倾角γ为55°，挡泥板(16)下端倾角δ为150°。
8.一种使用权利要求1所述反应器的碱度自调控的高效厌氧铁氧化脱氮方法，其特征在于，步骤如下：
含硝氮的废水与经液体回流管(11)回流第一反应区(II)反应后的反应液混合后，由进水管(4)进入反应器；混合液由中心管(5)及其底部的喇叭口(6)进入布水布气区(I)，经过布水布气反射板(3)布水后向上进入还原性铁盐填充区(7)，将内部填充的铁屑/铁渣还原性铁材料溶解；含溶解性铁盐的废水经第一柱盘式升流布水器(8)进入第一反应区(9)进行生物脱氮；脱氮后的废水进入缓冲区(10)，一部分经液体回流管(11)回流，另一部分进入碳酸钙填充区(12)，与碳酸钙发生中和反应，一方面溶液碱度得到提高，另一方面产生CO2，气水混合物经第二柱盘式升流布水器(13)进入第二反应区(14)进行二级生物脱氮；反应后的固液气混合物进入三相分离区(IV)，被分离为气体和固液混合物；其中，气体由气体收集区(17)收集后，经气体收集口(19)进入气体回流管(20)，并回流至布水布气区(I)，再由气体回流口(2)释放和布水布气反射板(3)布气后随反应液进入第一反应区；当气体收集区(17)内积累过量气体时，气体经压力平衡管(21)由释气口(22)排入大气；固液混合物经沉淀区(23)进行固液分离，液体由溢流堰(24)和出水口(25)排出反应器，固体由污泥排放管(15)排出反应器。
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