CN106082429A - 高效半量亚硝化反应器及其方法 - Google Patents

高效半量亚硝化反应器及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效半量亚硝化反应器及其方法。反应器主体由内外两个同心圆筒组成，大圆筒扣除小圆筒后的空心圆筒用作反应系统，内设四个亚硝化单元，小圆筒用作集水系统，内设集水井。每个亚硝化单元设置布水系统、反应区、分离系统。四个亚硝化单元序批操作，轮流运行，分别以虹吸管与内圆筒沟通，共用集水井。本发明将亚硝化系统分单元集成一体，便于独立操作、联合控制；反应器径高比大，占地面积小；亚硝化单元呈气升式内循环，容积效率高；采用序批操作，泥水分离简单，亚硝化进度控制容易。

Description

高效半量亚硝化反应器及其方法
技术领域
本发明涉及一种硝化反应器，尤其涉及一种高效半量亚硝化反应器及其方法。
背景技术
随着我国城市化进程的加快，城镇人口数量增加，市政污水处理厂产生的剩余污泥成了污水处理领域亟待解决的新问题。据《2014年中国环境统计年报》，全国6031座城镇污水处理厂的年废水处理量494.3万吨，产生污泥量2801.5万吨，处置污泥量2799.7万吨。
为了便于后续处理、大幅缩减剩余污泥的仓储空间、降低污泥的运输成本，常对剩余污泥进行厌氧消化、脱水。污泥厌氧消化液压滤过程中会产生压滤液，其典型特征是氨氮浓度高，C/N低。若采用传统的硝化-反硝化工艺处理，硝化阶段需提供氧气将氨氮氧化成硝氮，反硝化阶段则需提供有机碳将硝氮还原至氮气。
相比之下，基于亚硝酸盐的全自养型氮去除工艺(CANON工艺)，短程硝化-反硝化工艺(SHARON工艺)以及短程硝化-厌氧氨氧化工艺(SHARON-ANAMMOX工艺)不仅可节省NO2 -转变为NO3 -的氧气消耗量，而且可节省NO3 -转变为NO2 -的有机碳消耗量，在经济上更具有可行性。亚硝化(短程硝化)是这些全自养脱氮工艺的必要基础和核心环节。
亚硝化(短程硝化)工艺的基本原理是通过控制工艺条件，促使硝化污泥中的亚硝酸细菌生长速率超过硝酸细菌，并使亚硝酸细菌成为反应器中的优势功能菌，从而使NH4 +-N大部分氧化成NO2 --N。目前，文献报道的亚硝化(短程硝化)均通过对理化因素(如温度、DO、pH、碱度)的调控来实现，反应器运行性能具有较大的不稳定性，很难满足后续ANAMMOX工艺所需的NO2 --N/NH4 +-N之比。
发明内容
基于上述问题，本发明尝试将控制灵活的序批操作模式融入反应器设计，提供了一种高效半量亚硝化反应器，为废水的厌氧氨氧化处理提供进水。反应器主体设置若干个相互独立的序批式亚硝化单元，通过合适的周期设置和条件控制，使废水中的一半氨氮氧化成亚硝酸盐，为后续厌氧氨氧化工艺提供基质。本发明所采用的具体技术方案如下：
高效半量亚硝化反应器，反应器主体由内外两个同心圆筒组成，小圆筒内部作为集水井，两个圆筒之间的空心圆筒部分作为反应系统；所述的空心圆筒部分通过纵向的分隔墙，划分为若干个独立的亚硝化单元，不同的亚硝化单元均通过虹吸管将空心圆筒与集水井连通，用于排水。
作为优选，每个亚硝化单元设置布水系统、反应区和分离系统；所述的布水系统设置于反应区底部，分离系统分设于反应区的顶部和底部；每个亚硝化单元由小圆筒壁、大圆筒壁和各单元之间的分隔墙围成；
所述的布水系统包括环状布水管、进水电磁阀和进水管；环状布水管设置于空心圆筒外侧下部，且通过进水管分别与各亚硝化单元相连，进水电磁阀设置于环状布水管与进水管连接处附近的进水管上，进水管穿过大圆筒壁伸入下部环流道中间，进水管出口垂直向上；
所述的反应区包括降流室、升流室、下部环流道、沉淀室、布气管、进气电磁阀、输气管和曝气头，反应区中部通过分隔板分成分别位于两侧的降流室与升流室；降流室与升流室顶部均连通沉淀室，底部通过下部环流道相通；输气管穿过大圆筒壁伸入降流室和升流室中部；输气管上设置曝气头，且位于降流室中的曝气头曝气方向垂直向下，位于升流室中的曝气头曝气方向垂直向上；曝气头由分枝型穿孔管构成；进气电磁阀设置于空心圆筒外，且位于布气管与输气管连接处附近的输气管上；沉淀室顶部设有气体连通口；
所述的分离系统包括虹吸电磁阀、虹吸管、排泥电磁阀和排泥管，虹吸管连通沉淀室与集水井且一侧延伸至集水井底部，虹吸电磁阀设置于虹吸管(倒U形管)的最高处，排泥管设置于反应区下部环流道底部，与升流室和降流室之间的分隔板平行，并伸出空心圆筒外。
进一步的，反应器中设置排水系统，排水系统包括集水井、排水电磁阀和排水管，集水井顶部设有气体连通口，排水管与反应器集水井底部中心相连，排水电磁阀设置于反应器外部的排水管上。
进一步的，反应器中设置控制系统，如PLC，用于对反应器的进水、曝气、沉淀、排水进行控制，每个亚硝化单元进水的同时进行曝气，使曝气时混合液沿升流室、沉淀室、降流室和下部环流道循环；沉淀时使硝化污泥沉降到升流室和降流室内；排水时排尽沉淀室中的上清液；不同的亚硝化单元独立序批操作，轮流运行。
进一步的，所述的降流室与升流室体积之比为1:1；反应器亚硝化单元的下部环流道、升流室或降流室、沉淀室的高度之比为1:17:6，输气管均设置于降流室和升流室距反应区底面1/3高度，沉淀室内虹吸管入口设置于距反应器底面3/4处。
进一步的，所述的环状布水管与进水管的直径之比为4:1。
进一步的，所述的反应器容积与集水井容积之比为8:1。
进一步的，所述的反应器排水管与反应器的直径之比为30:1。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述反应器的高效半量亚硝化方法，步骤如下：
在亚硝化单元进水阶段，打开进水电磁阀，含氨废水经环状布水管和进水管进入反应区下部环流道中央，与主体反应区内上一阶段的残余液混合，所述的残余液占亚硝化单元总体积的3/4；在打开进水电磁阀的同时，打开进气电磁阀，进行曝气，驱动混合液沿升流室、沉淀室、降流室和下部环流道循环；在混合液循环过程中进行氨氮到亚硝氮的转化；至亚硝化单元充满反应液时，关闭进水电磁阀，保持曝气，直到完成半量亚硝化；关闭进气电磁阀，硝化污泥静置沉降到升流室和降流室内；再打开虹吸电磁阀，将沉淀室内的上清液排入集水井；关闭虹吸电磁阀，准备下一循环工作。
作为优选，若干个亚硝化单元独立操作，序批式轮流运行，实现均衡进水和出水，并满足厌氧氨氧化所需的基质要求。
本发明与现有技术相比的有益效果是：1)将亚硝化系统分单元集成一体，便于独立操作、联合控制；2)反应器径高比大，结构紧凑，占地面积小；3)亚硝化单元呈气升式内循环，容积效率高；4)采用序批操作，泥水分离简单，亚硝化进度控制容易；5)本发明的结构可实现较大的高径比，具有类似深井曝气效果。
附图说明
图1是一种高效半量亚硝化反应器结构纵向剖面图；
图2是一种高效半量亚硝化反应器结构俯视图；
图3是一种高效半量亚硝化反应器结构A-A截面图；
图4是一种高效半量亚硝化反应器结构B-B截面图；
图5是一种高效半量亚硝化反应器结构C-C截面图；
图中：排水管 1、排水电磁阀 2、排泥管 3、排泥电磁阀 4、环状布水管 5、进水电磁阀 6、进水管 7、大圆筒壁 8、分隔墙 9、小圆筒壁 10、集水井 11、虹吸管 12、下部环流道 13、分隔板 14、布气管 15、进气电磁阀 16、输气管 17、曝气头 18、降流室 19、升流室20、沉淀室 21、气体连通口 22和虹吸电磁阀 23。
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所示，一种高效半量亚硝化反应器，反应器主体由内外两个同心圆筒组成。小圆筒整体作为排水用的集水井11，而两个圆筒之间的空心圆筒部分作为反应系统，进行废水的生物处理。空心圆筒中的空间通过纵向的分隔墙9，划分为若干个(本实施例中为4个)独立的亚硝化单元，不同的亚硝化单元均通过虹吸管12将空心圆筒与集水井11连通，用于排水。废水通入亚硝化单元，通过处理后由虹吸管12将其排入集水井11中。每个亚硝化单元由小圆筒壁10、大圆筒壁8和各单元之间的分隔墙9围成，每个单元结构性相同，均设置有布水系统、反应区和分离系统。
如图4所示，布水系统设置于反应区底部，布水系统包括环状布水管5、进水电磁阀6和进水管7。环状布水管5呈环形，环绕设置于空心圆筒外侧下部，且通过4条进水管7分别与各亚硝化单元相连。环状布水管5与进水管7的直径之比为4:1。环状布水管5与进水管7连接处附近的进水管7上设置进水电磁阀6，对进水进行控制。进水管7穿过大圆筒壁8伸入下部环流道13中间，进水管7出口垂直向上，向升流室20中进水。
如图5所示，反应区包括降流室19、升流室20、下部环流道13、沉淀室21、布气管15、进气电磁阀16、输气管17和曝气头18。反应区内通过分隔板14分成分别位于分隔板两侧的等体积的降流室19与升流室20。降流室19与升流室20顶部均连通沉淀室21，底部通过下部环流道13相通。由此形成依次通过升流室20、沉淀室21、降流室19和下部环流道13的循环通道。为了提供循环动力并进行曝气，本区域中将输气管17穿过大圆筒壁8伸入降流室19和升流室20中部。输气管17上设置曝气头18，且位于降流室19中的曝气头18曝气方向垂直向下，位于升流室20中的曝气头18曝气方向垂直向上，由此提供循环动力。曝气头18由呈分枝型的穿孔管构成。进气电磁阀16设置于空心圆筒外，且位于布气管15与输气管17连接处附近的输气管17上，对气体的通断和曝气量进行控制。沉淀室21顶部设有气体连通口22，用于排出反应过程中产生的气体，防止内部气压过大。
分离系统分为两部分，分别用于排水和排泥。两部分分设于反应区的顶部和底部。分离系统包括虹吸电磁阀23、虹吸管12、排泥电磁阀4和排泥管3。虹吸管12连通沉淀室21与集水井11且一侧延伸至集水井11底部，虹吸电磁阀23设置于虹吸管倒U形管12的最高处，排泥管3设置于反应区下部环流道13底部，与升流室20和降流室19之间的分隔板14平行，并伸出空心圆筒外。
另外，反应器中还设置排水系统。排水系统包括集水井11、排水电磁阀2和排水管1，集水井顶部设有气体连通口22，用于排出虹吸时集水井内水位上升而被挤压的空气，并维持虹吸管两侧气压的稳定，排水管1与反应器集水井11底部中心相连，排水电磁阀2设置于反应器外部的排水管1上，集水井11中的废水可通过排水管1进行排放。为了保证排水的可靠性，反应器排水管1与反应器的直径之比为30:1，反应器有效容积与集水井11容积之比设置为8:1。
为了实现整个反应器的自动化控制，在反应器中设置PLC控制系统。控制内容包括反应器的进水、曝气、沉淀、排水过程。每个亚硝化单元进水时同时曝气，曝气时混合液沿升流室20、沉淀室21、降流室19和下部环流道13循环，沉淀时硝化污泥沉降到升流室20和降流室19内，排水时排尽沉淀室21中的上清液，四个亚硝化单元独立操作，轮流运行，实现均衡进水和出水，并满足厌氧氨氧化所需的基质要求。
为了实现半量亚硝化反应，需要对反应器的参数进行优化设计。反应器亚硝化单元的下部环流道13、升流室或降流室、沉淀室的高度之比为1:17:6，输气管17均设置于降流室19和升流室20距反应区底面1/3高度，沉淀室21内虹吸管12入口设置于距反应器底面3/4处。即降流室19与升流室20占反应器总高为17/24，沉淀室21占反应器总高为1/4，下部环流道13高度占反应器总高为1/24。
基于上述反应器，可以提供一种高效半量亚硝化方法，为废水的厌氧氨氧化处理提供进水。其具体步骤如下：
在亚硝化单元进水阶段，打开进水电磁阀6，含氨废水经环状布水管5和进水管7进入反应区下部环流道13中央，与主体反应区内上一阶段的残余液混合，所述的残余液占亚硝化单元总体积的3/4；在打开进水电磁阀6的同时，打开进气电磁阀16，进行曝气，驱动混合液沿升流室20、沉淀室21、降流室19和下部环流道13循环；在混合液循环过程中进行氨氮到亚硝氮的转化；至亚硝化单元充满反应液时，关闭进水电磁阀6，保持曝气，直到完成半量亚硝化(出水中亚硝氮和氨氮的浓度之比约1.32时，该比值下两者可完全被厌氧氨氧化菌所利用，对菌种生长有利)；关闭进气电磁阀16，硝化污泥静置沉降到升流室20和降流室19内；再打开虹吸电磁阀23，将沉淀室21内的上清液排入集水井11；关闭虹吸电磁阀23，准备下一循环工作。不同的亚硝化单元之间独立操作，序批式轮流运行，实现均衡进水和出水，并满足厌氧氨氧化所需的基质要求。
经过本发明的装置处理后的废水，可通过设置中间水池进行存储和调节，再输送至厌氧氨氧化处理装置中，进行废水的厌氧氨氧化，达标后排放。

Claims (10)

1.一种高效半量亚硝化反应器，其特征在于，反应器主体由内外两个同心圆筒组成，小圆筒内部作为集水井(11)，两个圆筒之间的空心圆筒部分作为反应系统；所述的空心圆筒部分通过纵向的分隔墙(9)，划分为若干个独立的亚硝化单元；不同的亚硝化单元均通过虹吸管将空心圆筒与集水井(11)连通，用于排水。
2.如权利要求1所述的高效半量亚硝化反应器，其特征在于，每个亚硝化单元设置布水系统、反应区和分离系统；所述的布水系统设置于反应区底部，分离系统分设于反应区的顶部和底部；每个亚硝化单元由小圆筒壁(10)、大圆筒壁(8)和各单元之间的分隔墙(9)围成；所述的布水系统包括环状布水管(5)、进水电磁阀(6)和进水管(7)；环状布水管(5)设置于空心圆筒外侧下部，且通过进水管(7)分别与各亚硝化单元相连，进水电磁阀(6)设置于环状布水管(5)与进水管(7)连接处附近的进水管(7)上，进水管(7)穿过大圆筒壁(8)伸入下部环流道(13)中间，进水管(7)出口垂直向上；
所述的反应区包括降流室(19)、升流室(20)、下部环流道(13)、沉淀室(21)、布气管(15)、进气电磁阀(16)、输气管(17)和曝气头(18)，反应区中部通过分隔板(14)分成分别位于两侧的降流室(19)与升流室(20)；降流室(19)与升流室(20)顶部均连通沉淀室(21)，底部通过下部环流道(13)相通；输气管(17)穿过大圆筒壁(8)伸入降流室(19)和升流室(20)中部；输气管(17)上设置曝气头(18)，且位于降流室(19)中的曝气头(18)曝气方向垂直向下，位于升流室(20)中的曝气头(18)曝气方向垂直向上；曝气头(18)由分枝型穿孔管构成；进气电磁阀(16)设置于空心圆筒外，且位于布气管(15)与输气管(17)连接处附近的输气管(17)上；沉淀室(21)顶部设有气体连通口(22)；
所述的分离系统包括虹吸电磁阀(23)、虹吸管(12)、排泥电磁阀(4)和排泥管(3)；虹吸管(12)连通沉淀室(21)与集水井(11)，且一侧延伸至集水井(11)底部；虹吸电磁阀(23)设置于虹吸管(12)的最高处；排泥管(3)设置于反应区下部环流道(13)底部，并伸出空心圆筒外。
3.根据权利要求2所述的一种高效半量亚硝化反应器，其特征在于，反应器中设置排水系统，排水系统包括集水井(11)、排水电磁阀(2)和排水管(1)，集水井顶部设有气体连通口(22)，排水管(1)与反应器集水井(11)底部中心相连，排水电磁阀(2)设置于反应器外部的排水管(1)上。
4.根据权利要求2所述的一种高效半量亚硝化反应器，其特征在于，反应器中设置控制系统，用于对反应器的进水、曝气、沉淀、排水进行控制，每个亚硝化单元进水的同时进行曝气，使曝气时混合液沿升流室(20)、沉淀室(21)、降流室(19)和下部环流道(13)循环；沉淀时使硝化污泥沉降到升流室(20)和降流室(19)内；排水时排尽沉淀室(21)中的上清液；不同的亚硝化单元独立序批操作，轮流运行。
5.根据权利要求2所述的一种高效半量亚硝化反应器，其特征在于，所述的降流室(19)与升流室(20)体积之比为1:1；反应器亚硝化单元的下部环流道(13)、升流室或降流室、沉淀室的高度之比为1:17:6，输气管(17)均设置于降流室(19)和升流室(20)距反应区底面1/3高度，沉淀室(21)内虹吸管(12)入口设置于距反应器底面3/4处。
6.根据权利要求2所述的一种高效半量亚硝化反应器，其特征在于，所述的环状布水管(5)与进水管(7)的直径之比为4:1。
7.根据权利要求2所述的一种高效半量亚硝化反应器，其特征在于，所述的反应器容积与集水井(11)容积之比为8:1。
8.根据权利要求2所述的一种高效半量亚硝化反应器，其特征在于，所述的反应器排水管(1)与反应器的直径之比为30:1。
9.一种利用权利要求3所述反应器的高效半量亚硝化方法，其特征在于，步骤如下：
在亚硝化单元进水阶段，打开进水电磁阀(6)，含氨废水经环状布水管(5)和进水管(7)进入反应区下部环流道(13)中央，与主体反应区内上一阶段的残余液混合，所述的残余液占亚硝化单元总体积的3/4；在打开进水电磁阀(6)的同时，打开进气电磁阀(16)，进行曝气，驱动混合液沿升流室(20)、沉淀室(21)、降流室(19)和下部环流道(13)循环；在混合液循环过程中进行氨氮到亚硝氮的转化；至亚硝化单元充满反应液时，关闭进水电磁阀(6)，保持曝气，直到完成半量亚硝化；关闭进气电磁阀(16)，硝化污泥静置沉降到升流室(20)和降流室(19)内；再打开虹吸电磁阀(23)，将沉淀室(21)内的上清液排入集水井(11)；关闭虹吸电磁阀(23)，准备下一循环工作。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，若干个亚硝化单元独立操作，序批式轮流运行，实现均衡进水和出水，并满足厌氧氨氧化所需的基质要求。
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