CN105800787B - 一种一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置 - Google Patents

一种一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，包括设置于支架上外筒，外筒内部设置有内筒；进水管和进气管均穿过底面伸入内筒，内筒内的进气管的端部连接有曝气头，外筒的顶部连接有污泥回流坡，污泥回流坡上方连接有沉淀筒，沉淀筒的上边缘设置有溢流堰，沉淀筒外部设置有集水槽；内筒顶部套设有隔离筒，隔离筒与污泥回流坡之间形成污泥回流缝，隔离筒的顶部高于沉淀筒，沉淀筒的内壁上连接有第二气水分离环形挡板，在第二气水分离环形挡板上方且在隔离筒外壁上设置有第一气水分离环形挡板。本装置无需外加循环装置，节能，在自循环的作用下可培养颗粒污泥，沉降性能好。

Description

一种一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置
技术领域
本发明属于废水脱氮技术领域，具体地说，涉及一种一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置。
背景技术
废水脱氮技术应用最广泛的为废水生物脱氮技术，传统的废水生物脱氮技术为硝化-反硝化工艺，即在硝化段将氨氮氧化为硝氮(NH4 +→NO3 -)然后再在反硝化段将硝氮转化为氮气排放(NO3 -→N2)。传统工艺需大量耗氧能耗、外加碳源，且剩余污泥产量高、效能低。为解决这些问题，研究者开发了短程硝化-厌氧氨氧化脱氮工艺，该工艺利用氨氧化细菌在短程硝化段将部分氨氮氧化为亚硝氮(NH4 +→NO2 -)然后再利用厌氧氨氧化细菌在厌氧氨氧化阶段将剩余的氨氮和产生的亚硝氮一起转化为氮气排放(NH4 ++NO2 -→N2)，由于该工艺的氨氧化细菌和厌氧氨氧化细菌均为自养菌，因此与传统工艺相比可以节约60％的耗氧能耗、100％的外加碳源，减少90％的剩余污泥产量，且脱氮效能是传统的工艺的20倍左右。但是短程硝化-厌氧氨氧化工艺大多在两个装置内进行，土地利用面积大、两个工艺间NH4 +/NO2 -比例和pH难以调控调控。
现有的技术中，没有一体式短程硝化-厌氧氨氧化工艺装置，直接在一个圆柱形筒内装上接种污泥，然后以序批式的方式进水和运行(Winkler,M.-K.,Kleerebezem,R.,vanLoosdrecht,M.,2012.Integration of anammox into the aerobic granular sludgeprocess for main stream wastewater treatment at ambient temperatures.Waterresearch 46,136-144.)。运行流程：先在厌氧条件下进水搅拌(60分钟)，厌氧氨氧化菌利用进水中的部分氨将好氧阶段产生的亚硝酸盐转化为氮气；然后是172分钟的好氧阶段，氨氧化菌将水中剩余的氨氧化物亚硝酸盐，然后是3分钟的沉降，5分钟的出水。这个工艺的缺点是：第一、工艺效能较低，1.8kg-N/m3/day。第二、由于出水中仍残留有亚硝酸盐、硝酸盐和有机物，容易产气将污泥带起来，沉降困难。第三、以厌氧氨氧化颗粒污泥为接种污泥，该污泥倍增时间长(11天)，难以获得。
专利一体式高效自养脱氮反应器(公开号：CN104045156A；发明日：2014-06-20)公开的一体式高效自养脱氮反应器(如图1所示)包括同轴线装置的内筒和外筒，在内筒的上部同轴线套置安装三相分离器和与外筒壁上部直径扩大处紧密连接的喇叭筒，利用喇叭筒将内筒和外筒所形成的空间分隔为厌氧区和沉淀区，内筒作为好氧区，内筒顶面有将沉淀区和厌氧区隔离的环形溢流堰，好氧反应区内接种短程硝化污泥，设有螺旋式微孔曝气管，厌氧反应区内接种厌氧氨氧化污泥并添加颗粒态竹炭填料作为污泥载体。本专利实现了单一反应器内不同功能微生物的单独培养，可满足短程硝化与厌氧氨氧化过程的关键操作需求，保证反应器的高效稳定运行，适用于高氨氮、低碳氮比废水的处理。该专利的缺点是：第一、好氧和厌氧阶段形成物理分区，容易产生亚硝酸盐抑制，由于好氧阶段为酸化过程、厌氧阶段为简化过程，厌氧氧化菌需要氨氮：亚硝氮接近1:1左右，因此仍然存在pH和氨氮/亚硝氮比例难以调控的问题，难以形成高效能。第二、需要外加循环泵实现废水循环，增加能耗。第三、以厌氧氨氧化颗粒污泥为接种物，接种物难以获得。
发明内容
有鉴于此，本发明针对上述的问题，提供了一种一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，包括支架，支架上设置有圆弧形的底面，底面上设置有外筒，外筒内部设置有内筒，所述内筒内为反应区，外筒内且在内筒外为回流区；进水管和进气管均穿过底面的底部伸入内筒，内筒内的进气管的端部连接有曝气头，外筒的顶部连接有直径逐步扩大的灯罩形污泥回流坡，污泥回流坡上方连接有圆柱形沉淀筒，沉淀筒的上边缘设置有锯齿状溢流堰，沉淀筒外部且低于溢流堰的位置处设置有环状的集水槽，集水槽的底部连接有出水管；内筒顶部套设有圆柱形的隔离筒，隔离筒的底部悬于污泥回流坡上，隔离筒与污泥回流坡之间形成污泥回流缝，隔离筒的顶部高于沉淀筒的顶部，沉淀筒的内壁上连接有与污泥回流坡相同坡度的第二气水分离环形挡板，第二气水分离环形挡板与隔离筒之间设置有缝隙，在第二气水分离环形挡板上方且在隔离筒外壁上设置有环形的第一气水分离环形挡板，第一气水分离环形挡板和第二气水分离环形挡板之间设置有缝隙；外筒的外侧面上等距安装有第一取样口和第二取样口，所述底面的底部设置有排泥管。
进一步地，污泥回流缝的缝隙宽度在2cm以上。
进一步地，第二气水分离环形挡板与隔离筒之间的缝隙的宽度为至少2cm。
进一步地，第一气水分离环形挡板和第二气水分离环形挡板之间的缝隙的宽度至少2cm。
进一步地，污泥回流坡与外筒通过法兰相连接。
进一步地，外筒与底面通过法兰相连接。
进一步地，外筒的高度与污泥回流坡的高度和沉淀筒的高度之和的比值大于2:1。
进一步地，反应区与回流区的体积比大于3:1。
进一步地，该一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置采用有机玻璃或者钢板制作而成。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，暂时不写。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)目前见报道的大部分同步脱氮工艺均以厌氧氨氧化污泥为接种污泥，该污泥生长缓慢、生长条件苛刻、异常难得，目前市面上均无售卖，而本工艺以短程硝化污泥为接种污泥，辅以流加少量厌氧氨氧化污泥或者厌氧氨氧化工艺出水的方式启动该工艺，接种污泥易获取，大大降低工艺的应用推广难度。
2)该装置所需供氧量非常少，仅需0.3-0.6mg/L的溶氧，曝气量仅为传统工艺的40％左右，这主要是由于：第一，该工艺的功能菌群之一厌氧氨氧化菌为厌氧菌；第二，该工艺与其它工艺相比，仅需将50％的氨氮转化为亚硝氮，降低了氧气利用量；第三，该装置外筒高度和外筒直径比较大，大于4:1，而外筒高度与外筒上部结构(污泥回流坡高度+沉淀筒高度)的比例大于2:1，较大的高径比可提升气体中氧气的利用率。在微曝气的情况下，内筒内的泥水混合物在气体的带动下向上，再在隔离板的阻挡下回流进入回流区，由于底部曝气形成的负压，再将回流到回流区底部的泥水混合物吸进内筒，形成自循环，因此该装置无需外加循环装置，节能，在自循环的作用下可培养颗粒污泥，沉降性能好。
3)该装置以颗粒污泥为脱氮单元，其所培养的颗粒污泥具有独特的结构特征，在颗粒污泥外部形成好氧区，氨氧化细菌将部分氨转化为亚硝氮，在内部形成厌氧区，厌氧氨氧化菌将亚硝氮和氨氮转化为氮气，避免pH调控和氨氮/亚硝氮调控的难点。这主要是由于：第一，该装置由内筒和外筒分隔形成的反应区和回流区具有较大的体积比，大于3:1，大体积的泥水混合物进入小体积的回流区，使得水流速度非常快，较大的剪切力有利于颗粒的形成；第二，较大的高度和直径之比(外筒高度和外筒直径之比)，大于4:1，扩大了气泡的剪切效果，有利于颗粒的形成；第三，连续流操作和整个系统内始终保持的7.5-8.0的中性pH环境为微生物营造一个稳定的小生态，有利于颗粒污泥的形成。
4)该装置在顶部设计了独特的沉淀区两级挡板，和较大的反应区回流区比例，该装置由内筒和外筒分隔形成的反应区和外筒内且在内筒以外形成的回流区具有较大的体积比，大于3:1，当大体积的泥水混合物突然进入小体积的回流区时，由于彼此挤压，迫使污泥颗粒内部产生的气体挤压出来，避免颗粒因为带气上浮，而少量外部附着气体的颗粒在顶部两级气水分离挡板的作用下，使颗粒与气体分离，回流入回流区，利于气水分离，解决污泥上浮的问题。
5)该装置可获得高效的脱氮效能，是其它工艺的2倍左右。其中，颗粒污泥有利于污泥的持留，反应器内污泥浓度远大于普通非颗粒污泥反应器；连续流操作和整个系统内始终保持的7.5-8.0的中性pH环境为微生物营造一个稳定的小生态，有利于提高功能微生物活性。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术中的一体式高效自养脱氮反应器的结构示意图；
图2是本发明一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置的结构示意图。
图中，1.进水管，2.进气管，3.曝气头，4.反应区，5.第一气水分离环形挡板，6.回流区，7.污泥回流缝，8.第二气水分离环形挡板，9.沉淀区，10.环形集水槽，11.溢流堰，12.出水管，13.第一取样口1，14.第二取样口，15.排泥管，16.支架，17.法兰，18.内筒，19.外筒，20.污泥回流坡，21.隔离筒，22.沉淀筒。
具体实施方式
以下将配合实施例来详细说明本发明的实施方式，藉此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本发明提供一种一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，如图2所示，包括支架16，支架16上设置有圆弧形的底面23，底面23上设置有外筒19，外筒19内部设置有内筒18，内筒18内为反应区4，外筒19内且在内筒18外为回流区6；进水管1和进气管2均穿过底面23的底部伸入内筒18，内筒18内的进气管2的端部连接有曝气头3，外筒19的顶部连接有直径逐步扩大的灯罩形污泥回流坡20，污泥回流坡20上方连接有圆柱形沉淀筒22，沉淀筒22的上边缘设置有锯齿状溢流堰11，沉淀筒22外部且低于溢流堰11的位置处设置有环状的集水槽10，集水槽10的底部连接有出水管12；内筒18顶部套设有圆柱形的隔离筒21，隔离筒21的底部悬于污泥回流坡20上，隔离筒21与污泥回流坡20之间形成污泥回流缝7，隔离筒21的顶部高于沉淀筒22，沉淀筒22的内壁上连接有与污泥回流坡20相同坡度的第二气水分离环形挡板8，第二气水分离环形挡板8与隔离筒21之间设置有缝隙，在第二气水分离环形挡板8上方且在隔离筒21外壁上设置有环形的第一气水分离环形挡板5，第一气水分离环形挡板5和第二气水分离环形挡板8之间设置有缝隙；外筒19的外侧面上等距安装有第一取样口13和第二取样口14，底面23的底部设置有排泥管15。
其中，污泥回流缝7的缝隙宽度在2cm以上。第二气水分离环形挡板8与隔离筒21之间的缝隙的宽度为至少2cm。第一气水分离环形挡板5和第二气水分离环形挡板8之间的缝隙的宽度至少2cm。
污泥回流坡20与外筒19通过法兰17相连接。外筒19与底面23通过法兰17相连接。外筒19的高度与直径之比大于4:1。外筒19的高度与污泥回流坡20的高度和沉淀筒22的高度之和的比值大于2:1。反应区4与回流区6的体积比大于3:1。该一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置采用有机玻璃或者钢板制作而成。
使用时，进水由进水泵从反应器底部的进水管1泵入内筒18底部，空气由空气泵从反应器底部的进气管2泵入内筒18底部，再由曝气头3将气泡均匀分布于内筒18内以提供氧气，污泥、进水在气泡的带动下沿内筒18向上，到达内筒18顶部以后气泡、污泥和进水进入隔离筒21，气泡继续上升进入空气，水和污泥在隔离筒21的阻挡下向下回流进入由内筒18和外筒19分隔形成的回流区6，到达回流区6底部以后由于曝气所形成的负压，水和污泥再进入内筒18向上，继续循环，形成水和污泥的自循环过程。多余的污泥和水由污泥回流坡20处形成的污泥回流缝7进入沉淀区9(隔离筒21以外与沉淀筒22和污泥回流坡20以内所形成的区域为沉淀区9)，出水绕过第一气水分离环形挡板5和第二气水分离环形挡板8经溢流堰11进入集水槽，再由出水管12排出反应器，由于污泥产气因此某些带气的污泥在上浮的过程中触碰到第二气水分离环形挡板8，使污泥和气体分离，污泥回落入反应器，气体从挡板(第一气水分离环形挡板5和第二气水分离环形挡板8)与反应器的缝隙间排出，而从缝隙间逃逸出的污泥再触碰到第一气水分离环形挡板5继续回落，回落的污泥从污泥回流缝7回流入反应器。当反应器里产生剩余污泥时，由反应器底部的排泥管15排出。
本发明的优点还在于：
1)以短程硝化污泥为接种污泥，辅以流加厌氧氨氧化工艺出水的方式启动该工艺，接种污泥易获取。
2)该装置在微曝气的情况下，可以形成自循环，无需外加循环装置，节能，在自循环的作用下可培养颗粒污泥，沉降性能好。
3)该装置以颗粒污泥为脱氮单元，在颗粒污泥外部形成好氧区，氨氧化细菌将部分氨转化为亚硝氮，在内部形成厌氧区，厌氧氨氧化菌将亚硝氮和氨氮转化为氮气，避免pH调控和氨氮/亚硝氮调控的难点。
4)该装置在顶部设计两级挡板，利于气水分离，解决污泥上浮的问题。
5)该装置可获得高效的脱氮效能，是其它工艺的2倍左右(Wang,L.,Zheng,P.,Chen,T.,Chen,J.,Xing,Y.,Ji,Q.,Zhang,M.,Zhang,J.,2012.Performance ofautotrophic nitrogen removal in the granular sludge bedreactor.Bioresour.Technol.123,78-85.)。
上述说明示出并描述了发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，其特征在于，包括支架(16)，所述支架(16)上设置有圆弧形的底面(23)，底面(23)上设置有外筒(19)，所述外筒(19)内部设置有内筒(18)，所述内筒(18)内为反应区(4)，所述外筒(19)内且在内筒(18)外为回流区(6)；进水管(1)和进气管(2)均穿过底面(23)的底部伸入内筒(18)，内筒(18)内的进气管(2)的端部连接有曝气头(3)，外筒(19)的顶部连接有直径逐步扩大的灯罩形污泥回流坡(20)，所述污泥回流坡(20)上方连接有圆柱形沉淀筒(22)，所述沉淀筒(22)的上边缘设置有锯齿状溢流堰(11)，沉淀筒(22)外部且低于溢流堰(11)的位置处设置有环状的集水槽(10)，集水槽(10)的底部连接有出水管(12)；所述内筒(18)顶部套设有圆柱形的隔离筒(21)，隔离筒(21)的底部悬于污泥回流坡(20)上，隔离筒(21)与污泥回流坡(20)之间形成污泥回流缝(7)，隔离筒(21)的顶部高于沉淀筒(22)，沉淀筒(22)的内壁上连接有与污泥回流坡(20)相同坡度的第二气水分离环形挡板(8)，所述第二气水分离环形挡板(8)与隔离筒(21)之间设置有缝隙，在第二气水分离环形挡板(8)上方且在隔离筒(21)外壁上设置有环形的第一气水分离环形挡板(5)，所述第一气水分离环形挡板(5)和第二气水分离环形挡板(8)之间设置有缝隙；所述外筒(19)的外侧面上等距安装有第一取样口(13)和第二取样口(14)，所述底面(23)的底部设置有排泥管(15)。
2.根据权利要求1所述的一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，其特征在于，所述污泥回流缝(7)的缝隙宽度在2cm以上。
3.根据权利要求1所述的一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，其特征在于，所述第二气水分离环形挡板(8)与隔离筒(21)之间的缝隙的宽度为至少2cm。
4.根据权利要求1所述的一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，其特征在于，所述第一气水分离环形挡板(5)和第二气水分离环形挡板(8)之间的缝隙的宽度至少2cm。
5.根据权利要求1所述的一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，其特征在于，所述污泥回流坡(20)与外筒(19)通过法兰(17)相连接。
6.根据权利要求1所述的一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，其特征在于，所述外筒(19)与底面(23)通过法兰(17)相连接。
7.根据权利要求1所述的一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，其特征在于，所述外筒(19)的高度与直径之比大于4:1。
8.根据权利要求1所述的一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，其特征在于，所述外筒(19)的高度与污泥回流坡(20)的高度和沉淀筒(22)的高度之和的比值大于2:1。
9.根据权利要求1所述的一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，其特征在于，所述反应区(4)与回流区(6)的体积比大于3:1。
10.根据权利要求1至9中任一权利要求所述的一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置，其特征在于，该一体式自养型同步生物脱氮颗粒化装置采用有机玻璃或者钢板制作而成。
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