CN105923771A

CN105923771A - 一种自循环生物脱氮反应器

Info

Publication number: CN105923771A
Application number: CN201610432102.XA
Authority: CN
Inventors: 赵雅光; 万俊锋; 蒋蒙宾; 陈栋; 米晓; 王玉霞
Original assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Current assignee: North China University of Water Resources and Electric Power
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2036-06-17
Also published as: CN105923771B

Abstract

一种自循环生物脱氮反应器，包括反应器本体，反应器本体至少包括一个好氧区，反应器本体下部设曝气装置，反应器本体上部设三相分离器，曝气装置与三相分离器之间为好氧区；反应器本体上方设气液分离器，三相分离器与气液分离器之间设气升管，回流管设置在气液分离器至反应器本体下部；反应器本体上部设出水管，好氧区下部设进水管，反应器本体下端设排泥管。

Description

一种自循环生物脱氮反应器

技术领域

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种自循环生物脱氮反应器。

背景技术

随着工农业生产的快速发展、人口的急剧增加、化学肥料使用量的增加以及生活污水的直接排放，河流、湖泊等地表水体的氮、磷元素污染日趋严重。研究表明，目前我国66%以上的湖泊、水库处于富营养化的水平，其中重富营养和超富营养的占22%，使得富营养化成为我国湖泊目前与今后相当长一段时期内的重大水环境问题。因此，需要降低氮磷含量，以避免富营养化。降低氮含量一般是通过脱氮来实现的。目前污、废水较常用的脱氮方法是生物法脱氮，该方法是利用自然界氮循环的原理，开发出一类污水生物脱氮工艺，在该类生物脱氮工艺中进行氮元素的硝化与反硝化，达到脱氮的目的。在此类生物脱氮工艺中，从脱氮的角度，好氧段和缺氧段中分别进行N的硝化和反硝化过程，大体上有前置缺氧生物脱氮工艺（AO法）和后置缺氧生物脱氮工艺。AO法的特点是将反硝化反应器（缺氧段）放置在系统首端，硝化反应器（好氧段）内的已进行充分反应的硝化液的一部分回流至反硝化反应器内，反硝化反应器内的脱氮菌以原污水中的有机物作为碳源，以回流硝化液中硝酸盐的氧作为电子受体，进行呼吸和生命活动，将硝态氮还原为气态氮（N₂），不需外加碳源，因此为了取得更好的去除效果，必须增大消化液的回流量，一般回流比在200%-600%之间，消化液回流能耗较高。而后置反硝化反应器会造成反硝化反应器碳源不足，造成脱氮效率的下降，因此往往在反硝化反应器添加碳源物质，也造成脱氮成本的增加。近年来，好氧颗粒污泥的形成、结构特点以及其同步硝化反硝化的性能等成为研究的热点。好氧颗粒污泥是微生物在特定环境下自发凝聚、增值而形成的生物颗粒，具有结构紧密、沉降性能好、耐冲击能力强、能承受较高有机负荷的特点，另外好氧颗粒污泥有独特的结构特点，在一个颗粒内同时保持多种氧浓度与营养环境，颗粒特有的氧浓度梯度为各种微生物提供良好的生长条件，因而具有多种代谢活性，具有同步脱氮除磷功能。

发明内容

本发明的目的就在于为解决现有技术的不足，提供一种自循环的生物脱氮反应器，不需硝化液回流消耗。

本发明的目的是以下述技术方案实现的：

优选的，所述反应器本体从下往上由三相分离器分为好氧区和缺氧区，好氧区和缺氧区下部分别连接进水管，缺氧区上部连接出水管，所述好氧区和/或缺氧区设供微生物附着生长的悬浮填料。

进一步，所述反应器本体从下往上由曝气装置、三相分离器分为缺氧区I、好氧区和缺氧区II三部分；进水管分别与缺氧区I下部和缺氧区II下部连通，缺氧区II上部连接出水管，

所述缺氧区I和/或好氧区和/或缺氧区II设供微生物附着生长的悬浮填料。

所述曝气装置连接气泵。

反应器本体为筒状，下端为锥形。

采用上述的自循环生物脱氮反应器进行脱氮方法，将受污原水和活性污泥引入反应器本体，通过控制反应器的水力负荷和容积负荷，活性污泥形成好氧颗粒污泥；水力负荷在0. 1-0.3m³/m²·h之间，容积负荷在2.0-5.0kgCOD/ m³·d之间；受污原水在活性颗粒污泥的基础上同步进行硝化与反硝化反应，在曝气装置、三相分离器、气升管、回流管的共同作用下，实现硝化液的自循环。

进一步，所述反应器本体从下往上由三相分离器分为好氧区和缺氧区，好氧区下部连接进水管，缺氧区上部连接出水管，缺氧区下部连接进水管，缺氧区设悬浮填料；控制反应器好氧区与缺氧区进水比例为（4-6）:1；通过控制反应器的水力负荷和容积负荷，好氧区活性污泥形成好氧颗粒污泥，缺氧区活性污泥附着悬浮填料生长；经过好氧区处理的污水进入缺氧区进一步反硝化脱氮。

进一步，所述反应器本体从下往上由曝气装置、三相分离器分为缺氧区I、好氧区和缺氧区II三部分；进水管与缺氧区I下部连通，缺氧区II上部连接出水管，所述缺氧区II下部连接进水管，缺氧区II设悬浮填料；控制反应器缺氧区I与缺氧区II进水比例为（4-6）:1，通过控制反应器的水力负荷和容积负荷，缺氧区I和好氧区活性污泥形成好氧颗粒污泥，缺氧区II活性污泥附着悬浮填料生长，在曝气装置、三相分离器、气升管、回流管的共同作用下，实现硝化液在缺氧区I和好氧区的回流，经过缺氧区I和好氧区处理的污水进入缺氧区II进一步反硝化进行脱氮。

本发明通过设置曝气装置，三相分离器、气升管和回流管，在它们的综合作用下，充分利用好氧区曝气气体的上升能量，使反应器内产生较大流量硝化液回流，不需设置回流泵，节省回流能量消耗，大大节省能源，通过控制反应器内的水力负荷和容积负荷，使得反应器内形成好氧颗粒污泥，实现污泥的自固定，不需设置沉淀池和污泥回流设施，节省能源和占地面积；另外本发明生物处理单元简单、易于操作。

附图说明

图1是本发明反应器结构示意图；

图2是本发明两段式反应器的结构示意图；

图3是本发明三段式反应器的结构示意图。

具体实施方式

一种自循环生物脱氮反应器，如图1所示，反应器本体1为筒状，下端为锥形，外壳为有机玻璃柱制成，内径为200mm，反应器本体1至少包括一个好氧区，反应器本体下部设曝气装置8，曝气装置连接气泵9；反应器本体上部设三相分离器，曝气装置8与三相分离器6之间为好氧区；反应器本体1上方设气液分离器10，三相分离器与气液分离器10之间设气升管4，回流管5设置在气液分离器10至反应器本体1下部；反应器本体1上部设出水管12，优选的，反应器本体1上端设排水槽13，出水管12设置在排水槽13底部；好氧区下部设进水管2，反应器本体下端设排泥管11。

如图1-图3所示，三相分离器包括位于反应器本体上方的三相分离器主体6和下方的气封挡板7，三相分离器主体6和气封挡板7之间有供液固混合物流动的间隙，在原始动力和曝气气体上升能量的作用下，气、液、固三相流自下而上移动至三相分离器，在气封挡板7的阻挡下，气体被收集到三相分离器主体6集气室，经三相分离器顶部气升管上升至气液分离器，同时，在气体上升的过程中，部分硝化液和污泥也被上升气体携带至气液分离器，被提升至气液分离器中的气、液、固三相混合物中的气体与固、液分离，泥水混合物则通过设置在气液分离器底部的回流管返回到反应器最下端的好氧区/缺氧区Ⅰ，实现硝化液的自循环；经好氧区处理后的废水，除一部分被上升气体携带至气液分离器10进行硝化液回流外，其余的泥水混合物经过三相分离器6与气封挡板7之间的间隙进入三相分离器主体以上部分实现分离，液体继续向上流动，最后溢流入排水槽13，经出水管12收集后排出，固体沉降，返回好氧区。当然，除了图1-图3中的三相分离器，可采用其他任意形式的三相分离器，只要能实现三相分离和在曝气气体上升能量的作用下硝化液的自循环效果即可。

在反应器（如图1）搭建完成后，需进行微生物接种与驯化，由于硝化与反硝化细菌广泛存在于自然界中，可采用污水处理厂活性污泥对反应器接种，将活性污泥接入反应器中，接种量为5000-6000mg/L；然后将受污原水保持一定水力负荷持续流进反应器本体，水力负荷为0.1-0.3m³/m²·h；驯化过程中，在一定的容积负荷和溶解氧浓度条件下，活性污泥快速增殖，容积负荷在2.0-5.0kgCOD/m³·d之间，溶解氧浓度＞2mg/L；受污原水在原始动力和曝气气体上升能量的作用下，和活性污泥一起由下往上移动，在一定的水力负荷条件下，沉降性能较差的絮状污泥被上升硝化液携带至出水管，从反应器系统中洗出，沉降性能较好的颗粒污泥被保留至好氧区，并逐渐在好氧区中占据优势地位，形成好氧颗粒污泥；好氧颗粒污泥有独特的结构特点，在一个颗粒内同时保持多种氧浓度和营养环境，因此可实现硝化与反硝化的同步进行，好氧颗粒污泥表面硝化细菌在有氧条件下将受污原水中氨氮转化为硝态氮，即进行硝化反应，好氧颗粒污泥内部反硝化细菌为缺氧状态，在缺氧状态下进行反硝化反应，将硝态氮转化为氮气；氮气和曝气装置产生的气体在上升时会夹带硝化液和污泥混合物通过气升管进入位于反应器顶部的气液分离器，在气液分离器中气体逸出，被携带至气液分离器的硝化液和污泥通过回流管回流至反应器下部至好氧区，实现硝化液的自循环，回流的硝化液中的硝酸盐的氧给反硝化提供电子受体，持续进入反应器的受污原水给反硝化提供碳源，保证了脱氮反应的顺利进行，一般以反应器处理能力和脱氮效果恒定时（每隔30min，前后两次脱氮检查结果差值不大于5%）即可认为驯化成功；驯化成功以后反应器正常运行，脱氮效果恒定，完成脱氮后的污水从出水管流出，脱氮率可达到85%，同时，反应器定期排出剩余污泥。

本发明通过设置曝气装置，三相分离器、气升管和回流管，在它们的综合作用下，充分利用好氧区曝气气体的上升能量，使反应器内产生较大流量硝化液回流，实现硝化液的自循环，增加好氧区泥水混合效果，进一步改善污染物向颗粒污泥的传质过程，不需设置回流泵，节省回流能量消耗，大大节省能源，通过控制反应器内的水力负荷和容积负荷，使得反应器内形成好氧颗粒污泥，由于好氧颗粒污泥结构紧密、耐冲击能力强，可实现污泥停留时间与水力停留时间的分离，实现污泥的自固定，不需设置沉淀池和污泥回流设施，节省能源和占地面积。

为了提高脱氮效果，反应器可分为两段，如图2所示，自下往上由三相分离器分为好氧区和缺氧区，好氧区高度为450mm，缺氧区高度为300mm；好氧区和缺氧区下部连接进水管2，缺氧区上部连接出水管12，好氧区和/或缺氧区设悬浮填料。反应器在曝气装置、三相分离器、气升管、气液分离器和回流管的共同作用下实现硝化液在好氧区的回流。好氧区在一定的容积负荷和水力负荷条件下，容易形成好氧颗粒污泥，由于好氧颗粒污泥独特的结构，可实现硝化和反硝化的同步进行，脱氮效率较高，当然，也可在当好氧区内设供微生物挂膜生长的悬浮填料，在微生物附着悬浮填料挂膜生长的同时，好氧区内也会形成一些好氧颗粒污泥；而由于原污水中的碳源和其它营养物在好氧区被大量降解，造成缺氧区营养物质较为缺乏，微生物增值缓慢，较难维持足够的生物量，因此，优选在好氧区内形成好氧颗粒污泥，缺氧区内设悬浮填料供微生物附着生长；既提高脱氮效率，又节约成本。

优选的，好氧区内形成好氧颗粒污泥，缺氧区内设悬浮填料，受污原水经过好氧区好氧颗粒污泥处理，脱氮率已达85%，然后通过三相分离器进入缺氧区，在缺氧区微生物的作用下进一步进行反硝化脱氮，受污原水经过好氧区处理，碳源已被大部分去除，造成缺氧区反硝化过程中碳源不足，因此缺氧区也引入适量受污原水，起到补充碳源的作用，好氧区和缺氧区进水比例控制在（4-6）:1，优选为5:1；可提高脱氮率至90%以上。

以COD和NH₃-N浓度分别为550mg/L和100mg/L受污原水进入图2所示微生物驯化成功的反应器，控制反应器好氧区和缺氧区进水比例为5:1，控制反应器水力负荷为0.1-0.3m³/m²·h，容积负荷为2.0-5.0kgCOD/m³·d，反应器总水力停留时间为6h，出水总氮低于10mg/L，脱氮率达到90%以上。

为了进一步提高反应器的脱氮效果，反应器可分为三段，如图3所示，通过改变曝气装置8的安装高度，反应器从下往上由曝气装置8、三相分离器6分为缺氧区I、好氧区和缺氧区II三部分，缺氧区I、好氧区和缺氧区II高度分别为150mm、450mm、300mm；进水管2分别与缺氧区I和缺氧区II下部连通，缺氧区II上部连接出水管12，缺氧区I和/或好氧区和/或缺氧区II设悬浮填料。反应器在曝气装置、三相分离器、气升管、气液分离器和回流管的共同作用下实现硝化液在缺氧区I和好氧区的回流，因此在缺氧区I和好氧区易形成好氧颗粒污泥，同样由于原污水中的碳源和其他营养物在缺氧区Ⅰ和好氧区被大量降解，造成缺氧区II碳源及其他营养物质较为缺乏，微生物增值缓慢，较难保持足够的生物量；因此，优选的，控制反应器内的水力负荷和容积负荷，使反应器缺氧区I和好氧区微生物形成好氧颗粒污泥，而在缺氧区II内设供微生物附着生长的悬浮填料；在缺氧区I，好氧颗粒污泥以回流液中的硝酸盐的氧为电子受体，以受污原水中的有机物作为碳源，进行反硝化反应，然后进入好氧区，好氧颗粒污泥表面硝化细菌在有氧条件下，进行硝化反应，将污水中氨氮转化为硝态氮，同时好氧颗粒污泥内部反硝化细菌在缺氧条件下，进行反硝化反应，进一步提高脱氮效果；而经过缺氧区I、好氧区处理以后的污水进入缺氧区II，在缺氧区II微生物的作用下进一步脱氮，受污原水经过缺氧区I、好氧区处理，碳源已被大部分去除，造成缺氧区II反硝化过程中碳源不足，需要补充碳源，因此缺氧区II也引入适量受污原水，起到补充碳源的作用，缺氧区I和缺氧区II进水比例控制在（4-6）:1，优选为5：1，可提高脱氮率至95%以上。

以COD和NH₃-N浓度分别为550mg/L和100mg/L受污原水进入图3所示微生物驯化成功的反应器，控制反应器Ⅰ和Ⅱ段进水比例为5:1，控制反应器水力负荷为0.1-0.3m³/m²·h，容积负荷为2.0-5.0kgCOD/m³·d，反应器总水力停留时间为6h，出水总氮低于5mg/L，脱氮率达到95%以上。

本发明可用于处理地下水、地表水及工业污水中的N元素的去除。当用于地下水、地表水等微污染水源水脱氮处理时，微生物采用附着于悬浮填料生长的的方式，以在反应器中能保持较高的生物量；本发明反应器可以多组并联使用以扩大其处理能力。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种自循环生物脱氮反应器，包括反应器本体，其特征在于：反应器本体至少包括一个好氧区，反应器本体下部设曝气装置，反应器本体上部设三相分离器，曝气装置与三相分离器之间为好氧区；反应器本体上方设气液分离器，三相分离器与气液分离器之间设气升管，回流管设置在气液分离器至反应器本体下部；反应器本体上部设出水管，好氧区下部设进水管，反应器本体下端设排泥管。

2.如权利要求1所述的自循环生物脱氮反应器，其特征在于：所述反应器本体从下往上由三相分离器分为好氧区和缺氧区，好氧区和缺氧区下部分别连接进水管，缺氧区上部连接出水管。

3.如权利要求2所述的自循环生物脱氮反应器，其特征在于：所述好氧区和/或缺氧区设供微生物附着生长的悬浮填料。

4.如权利要求1所述的自循环生物脱氮反应器，其特征在于：所述反应器本体从下往上由曝气装置、三相分离器分为缺氧区I、好氧区和缺氧区II三部分；进水管分别与缺氧区I下部和缺氧区II下部连通，缺氧区II上部连接出水管。

5.如权利要求4所述的自循环生物脱氮反应器，其特征在于：所述缺氧区I和/或好氧区和/或缺氧区II设供微生物附着生长的悬浮填料。

6.如权利要求1-5任一项所述的自循环生物脱氮反应器，其特征在于：所述曝气装置连接气泵。

7.如权利要求1-5任一项所述的自循环生物脱氮反应器，其特征在于：反应器本体为筒状，下端为锥形。

8.采用权利要求1所述的自循环生物脱氮反应器进行脱氮方法，其特征在于：将受污原水和活性污泥引入反应器本体，通过控制反应器的水力负荷和容积负荷，活性污泥形成好氧颗粒污泥；水力负荷在0.1-0.3m³/m²·h之间，容积负荷在2.0-5.0kgCOD/ m³·d之间；受污原水在活性颗粒污泥的基础上同步进行硝化与反硝化反应，在曝气装置、三相分离器、气升管、回流管的共同作用下，实现硝化液的自循环。

9.采用权利要求8所述的自循环生物脱氮反应器进行脱氮方法，其特征在于：所述反应器本体从下往上由三相分离器分为好氧区和缺氧区，好氧区下部连接进水管，缺氧区上部连接出水管，缺氧区下部连接进水管，缺氧区设悬浮填料；控制反应器好氧区与缺氧区进水比例为（4-6）:1；通过控制反应器的水力负荷和容积负荷，好氧区活性污泥形成好氧颗粒污泥，缺氧区活性污泥附着悬浮填料生长；经过好氧区处理的污水进入缺氧区进一步反硝化脱氮。

10.采用权利要求8所述的自循环生物脱氮反应器进行脱氮方法，其特征在于：所述反应器本体从下往上由曝气装置、三相分离器分为缺氧区I、好氧区和缺氧区II三部分；进水管与缺氧区I下部连通，缺氧区II上部连接出水管，所述缺氧区II下部连接进水管，缺氧区II设悬浮填料；控制反应器缺氧区I与缺氧区II进水比例为（4-6）:1，通过控制反应器的水力负荷和容积负荷，缺氧区I和好氧区活性污泥形成好氧颗粒污泥，缺氧区II活性污泥附着悬浮填料生长，在曝气装置、三相分离器、气升管、回流管的共同作用下，实现硝化液在缺氧区I和好氧区的回流，经过缺氧区I和好氧区处理的污水进入缺氧区II进一步反硝化进行脱氮。