CN107973408B

CN107973408B - 一种生物膜强化脱氮装置

Info

Publication number: CN107973408B
Application number: CN201711429574.0A
Authority: CN
Inventors: 陈宏�; 韦燕霄; 王祎昱; 禹丽娥; 肖本益; 雷超; 周璐; 秦宇; 姜博; 戚伟康
Original assignee: Changsha University of Science and Technology
Current assignee: Changsha University of Science and Technology
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2024-02-02
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: CN107973408A

Abstract

本发明公开了一种生物膜强化脱氮装置。生物膜强化脱氮装置主要由主反应器和沉淀池组成；主反应器主要由外筒、内腔I、内腔II和顶盖构成；外筒的内部上下分层；内腔I和内腔II为中心对称结构，且分别位于外筒内部的上层和下层；生物膜强化脱氮装置运行时，在主反应器内填充10%‑30%倍体积的生物填料；生物填料由不同粒径级配的多孔材料组成。本发明利用生物填料支撑附着生物膜和优化微生态环境，实现了脱氮装置内分层内循环、分区控制溶解氧和微生物种类及污泥浓度，有利于优化多种脱氮功能微生物空间分布和大量蓄积、充分发挥其活性，具有结构紧凑、成本低廉、操作简单、易于控制、污泥不易流失、能耗低且长期运行性能稳定的特点。

Description

一种生物膜强化脱氮装置

技术领域

本发明主要涉及到水处理技术领域，特指一种生物膜强化脱氮装置。

背景技术

随着我国经济的快速发展和城镇化进程加速推进，水体氮素污染日益严重，威胁到人们饮用水安全、人体以及环境和生态的健康。针对大量高含氮的生活污水和工业废水，生物脱氮是最为经济有效的污废水脱氮处理技术。

传统生物脱氮工艺一般包括硝化和反硝化两个阶段，分别由硝化菌和反硝化菌完成。硝化作用是化能自养过程，一般分为两步进行，第一步由亚硝酸细菌将氨氮转化为亚硝酸盐；第二步由硝酸细菌进一步将亚硝酸盐氧化成硝酸盐。这两类细菌统称为硝化细菌，它们利用无机碳化物加碳酸根、碳酸氢根和二氧化碳作为碳源，从氨、铵或亚硝氮的氧化反应中获得能量。反硝化作用也称脱氮作用，是指反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐或亚硝酸盐，释放出氮气的过程。硝化菌和反硝化菌对溶解氧需求差别很大，因而硝化和反硝化两个过程不能在时间和空间上同时进行。

新型厌氧氨氧化技术是在厌氧或缺氧的条件下，厌氧氨氧化菌以亚硝氮作电子供体，将铵离子直接氧化为氮气的过程。厌氧氨氧化具有不需要投加有机碳源和碱、能耗小、无二次污染、污泥产量少等优点，受到了世界各国的关注与研究。然后，厌氧氨氧化菌对溶解氧和有机物非常敏感，工艺条件难以控制，还没有能够在实际用于主流脱氮工艺。

生物填料具有高强度、轻质、比表面积大、空隙率高的特点，能附着微生物生长繁殖，提高装置内微生物量。生物填料能吸附并且截留污水中悬浮物，并起到切割、阻挡气泡的作用，增加气泡在水体中的停留时间和气、液接触面积，提高传质效率，增强脱氮效果。

综上所述，通过在装置中添加生物填料，生物填料附着微生物生长繁殖，对污泥进行分区，优化反应控制条件，在装置内不同区域和生物填料内外层分别培养氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、厌氧氨氧化菌和反硝化细菌等多种脱氮微生物，在装置内同时发生硝化、短程硝化、反硝化、厌氧氨氧化等过程；此分区式设计可以优化微生物群落结构，强化脱氮优势种群，在一个反应器内实现亚硝酸盐的生产和消耗同时进行，缓解产物基质自抑制和产物抑制，强化脱氮效果。因此基于上述思路，本发明提供一种生物膜强化脱氮装置，在主反应器内部实现分层内循环，分区控制反应条件，利用生物填料支撑附着生物膜并优化微生态环境，具有体积小、占地面积减少、建造成本低、污泥浓度高且不易流失的优点。

发明内容

本发明要解决的问题在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、操作简单、易于控制、能耗低且长期运行性能稳定的生物膜强化脱氮装置。

为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：一种生物膜强化脱氮装置，其特征在于：一种生物膜强化脱氮装置，其特征在于：它主要由主反应器和沉淀池组成；所述主反应器主要由外筒、内腔I、内腔II和顶盖构成；所述外筒主要由顶部法兰、圆柱面、底板、出水立管、内侧支座、出水口和排泥口构成；所述外筒的内部上下分层；所述内腔I和内腔II为中心对称结构，且分别位于外筒内部的上层和下层；

所述内腔I由中空圆柱面和外围固定支架构成；所述中空圆柱面两端开放不封闭；所述中空圆柱面的高度为外筒高度的1/6～1/3倍；所述中空圆柱面的外径为外筒外径的1/4～2/3倍；所述固定支架的外端嵌于内侧支座内；

所述内腔II从上至下依次由侧壁开孔的上圆柱面、中空的倒圆锥台面和下圆柱面构成；所述上圆柱面的外径为外筒外径的1/10～1/4倍；所述倒圆锥台面的上端直径与上圆柱面相同，下端直径与下圆柱面相同；所述下圆柱面的外径为外筒外径的1/2～4/5倍；所述下圆柱面的外侧面均布固定支架；所述固定支架的外端嵌于内侧支座内；所述内腔II的高度为外筒高度的1/4～1/2倍；

所述外筒的圆柱面的上部设置进水口，下部对称设置两根出水立管；所述出水立管伸至内腔II的下圆柱面以里位置，并直角延伸至内腔II的中部；所述圆柱面的内壁四周均匀布置两层或多层支座。

所述外筒和顶盖由顶部法兰连接；所述出水口连接沉淀池的进水口；所述内侧支座到底板的距离为圆柱面高度的1/4～2/3倍；所述内侧支座分布两层或多层，每层4～8个；所述底板的中心安装潜水搅拌器。

所述顶盖由法兰接口、检测口、进气口、排气口、污泥回流口构成；所述进气口延伸至上圆柱面的中心位置，设置有曝气口。

所述沉淀池由进水口、出水口和污泥排放口组成；所述污泥排放口连接顶盖的污泥回流口。

所述生物膜强化脱氮装置运行时，在外筒的内部填充10％-30％倍体积的生物填料；所述生物填料可支撑微生物附着生长，厌氧型脱氮微生物主要附着于生物填料的内部。

所述生物填料由不同粒径级配的多孔材料组成；所述生物填料工作时可利用水力分选作用，由于搅拌强度和搅拌方式不同，比重较大的生物填料分布在内腔II的下部，容易附着更多的厌氧脱氮微生物；其中因负载所产生的氮气而比重变轻的生物填料经内腔II的内部空间上浮后经水力扰动后释放出气体，并经内腔II的外侧四周下沉至底部；以此不断往复循环。

所述多孔材料的孔隙率大于60％、视密度小于320kg/m³、拉伸强度大于1000Pa、抗压强度大于5000Pa。

与现有生物膜强化脱氮装置相比，本发明具有明显优势：1)本发明通过内腔I和内腔II的结构将装置进行分区，进水沿内腔外侧向下运动，并在内腔I和内腔II间中心位置曝气，形成上升气流，带动下部生物填料和悬浮污泥向上运动，形成混合液内循环的过程；2)此外，在装置内不用区域和生物填料内外层，由于溶解氧和基质浓度不同，可以优化微生物群落结构，同时利用培养氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌、反硝化细菌和厌氧氨氧化菌，强化不同种类微生物脱氮效果，有利于溶解氧浓度的控制；3)无需外加碳源，污泥不易流失，可进行污泥回流，能维持较高污泥浓度；4)本发明结构紧凑、成本低廉、操作简单、易于控制、污泥不易流失、能耗低且长期运行性能稳定的特点。综上，本发明利用生物填料支撑附着生物膜和优化微生态环境，实现了脱氮装置内分层内循环、分区控制溶解氧和微生物种类及污泥浓度，有利于优化多种脱氮功能微生物空间分布和大量蓄积、充分发挥其活性，因此具有结构紧凑、成本低廉、操作简单、易于控制、污泥不易流失、能耗低且长期运行性能稳定的特点。

附图说明

图1是一种生物膜强化脱氮装置结构示意图。

图2是外筒的结构示意图。

图3是内腔I的结构示意图。

图4是内腔II的结构示意图。

图5是顶盖的结构示意图。

图6是沉淀池的结构示意图。

图例说明

(1)、外筒

(1-1)、顶部法兰 (1-2)、圆柱面

(1-3)、进水口I (1-4)、出水立管

(1-5)、内侧支座 (1-6)、出水口I

(1-7)、排泥口 (1-8)、底板

(2)、内腔I

(2-1)、中空圆柱面 (2-2)、固定支架

(3)、内腔II

(3-1)、上圆柱面 (3-2)、倒圆锥台面

(3-3)、下圆柱面 (3-4)、固定支架

(4)、顶盖

(4-1)、法兰接口 (4-2)、检测口

(4-3)、进气口 (4-4)、排气口

(4-5)、污泥回流口

(5)、沉淀池

(5-1)、进水口II (5-2)、出水口II

(5-3)、污泥排放口

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

参照图1～6，制作一种生物膜强化脱氮装置，所述所述生物膜强化脱氮装置主要由主反应器和沉淀池(5)(高320mm，长80mm，宽40mm)组成；所述主反应器主要由外筒(1)(直径250mm，高340mm)、内腔I(2)、内腔II(3)和顶盖(4)(直径250mm)构成；所述外筒(1)的内部上下分层，所述内腔I(2)和内腔II(3)为中心对称结构，且分别位于外筒(1)内部的上层和下层；所述内腔I(2)由中空圆柱面(2-1)(直径88mm)和外围固定支架(2-2)(长36mm)构成，所述内腔II(3)从上至下依次由侧壁开孔的上圆柱面(3-1)(直径48mm)、中空的倒圆锥台面(3-2)(上直径48mm，下直径128mm，高30mm)和下圆柱面(3-3)(直径128mm)构成，下圆柱面(3-3)的外侧面均布固定支架(3-4)(长16mm)，装置有效容积为5L。所述外筒(1)的圆柱面上部设置进水口(1-3)，下部对称设置两根出水立管(1-4)，所述出水立管(1-4)伸至内腔II(3)的下圆柱面以里位置，并直角延伸至内腔II(3)的中部，所述出水口(1-6)连接沉淀池(5)的进水口(5-1)，所述沉淀池(5)由进水口(5-1)、出水口(5-2)和污泥排放口(5-3)组成，所述污泥排放口(5-3)连接顶盖的污泥回流口(4-5)；所述外筒(1)的底板(1-8)中心安装潜水搅拌器；所述生物膜强化脱氮装置外筒(1)的内部填充10％-30％倍体积的生物填料，所述生物填料由不同粒径级配的多孔材料组成，所述多孔材料的孔隙率大于60％、视密度小于320kg/m³、拉伸强度大于1000Pa、抗压强度大于5000Pa。

实施例2

采用实施例1所述生物膜强化脱氮装置进行模拟废水处理，由淀粉、碳酸氢铵和微量元素溶液配制；氨氮浓度为92.1～104.2mg/L、总氮浓度为98.2～109.7mg/L、pH7.5～8.5；所述生物膜强化脱氮装置设计容积为6L，所述生物填料添加量为20％倍体积，材料为聚乙烯和聚氨酯，尺寸2～10mm、孔隙率大于60％、视密度小于320kg/m³、拉伸强度大于1000Pa，抗压强度大于5000Pa。

取污水处理厂的活性污泥和在实验室驯化后的活性污泥作为接种微生物，将混合填料加入装置内，开启水泵进水，进水流量为6L/d，水力停留时间为12h，模拟废水与活性污泥和填料充分混合后，启动曝气，控制内腔I和内腔II溶解氧，分别为：0.2mg/L和0.05mg/L，处理后的废水通过外筒底部出水口流入沉淀池，沉淀后由沉淀池上部出水口排出，污泥通过污泥排放口和顶盖的污泥回流口回流进入装置外筒的内部，连续运行90天后，氨氮和总氮去除率分别达到了74.3％和68.2％且氨氮和总氮去除率均保持稳定。

Claims

1.一种生物膜强化脱氮装置，其特征在于由主反应器和沉淀池(5)组成；所述主反应器由外筒(1)、内腔Ⅰ(2)、内腔Ⅱ(3)和顶盖(4)构成；所述外筒(1)由顶部法兰(1-1)、圆柱面(1-2)、底板(1-8)、出水立管(1-4)、内侧支座(1-5)、出水口Ⅰ(1-6)和排泥口(1-7)构成；所述外筒(1)的内部上下分层；所述内腔Ⅰ(2)和内腔Ⅱ(3)为中心对称结构，且分别位于外筒(1)内部的上层和下层；

所述内腔Ⅰ(2)由中空圆柱面(2-1)和固定支架(2-2)构成；所述中空圆柱面(2-1)两端不封闭；所述中空圆柱面(2-1)的高度为外筒(1)高度的1/6～1/3倍；所述中空圆柱面(2-1)的外径为外筒(1)外径的1/4～2/3倍；所述固定支架(2-2)的外端嵌于内侧支座(1-5)内；

所述内腔Ⅱ(3)从下至下依次由侧壁开孔的上圆柱面(3-1)、中空的倒圆锥台面(3-2)和下圆柱面(3-3)构成；所述上圆柱面(3-1)的外径为外筒(1)外径的1/10～1/4倍；所述倒圆锥台面(3-2)的上端直径与上圆柱面(3-1)相同，下端直径与下圆柱面(3-3)相同；所述下圆柱面(3-3)的外径为外筒(1)外径的1/2～4/5倍；所述下圆柱面(3-3)的外侧面均布固定支架Ⅱ(3-4)；所述固定支架Ⅱ(3-4)的外端嵌于内侧支座(1-5)内；所述内腔Ⅱ(3)的高度为外筒(1)高度的1/4～1/2倍；

所述外筒(1)的圆柱面(1-2)的上部设置进水口(1-3)，下部对称设置两根出水立管(1-4)；所述出水立管(1-4)伸至内腔Ⅱ(3)的下圆柱面(3-3)以里位置，并直角延伸至内腔Ⅱ(3)的中部；所述圆柱面(1-2)的内壁四周均匀布置两层或多层内侧支座(1-5)；

所述外筒(1)和顶盖(4)由顶部法兰(1-1)连接；所述出水口Ⅰ(1-6)连接沉淀池(5)的进水口(5-1)；所述内侧支座(1-5)到底板(1-8)的距离为圆柱面(1-2)高度的1/4～2/3倍；所述内侧支座(1-5)分布两层或多层，每层4～8个；所述底板(1-8)的中心安装潜水搅拌器。

2.根据权利要求1所述的一种生物膜强化脱氮装置，其特征在于：所述顶盖(4)由法兰接口(4-1)、检测口(4-2)、进气口(4-3)、排气口(4-4)、污泥回流口(4-5)构成；所述进气口(4-3)延伸至上圆柱面(3-1)的中心位置设置有曝气口。

3.根据权利要求1所述的一种生物膜强化脱氮装置，其特征在于：所述沉淀池(5)由进水口(5-1)、出水口(5-2)和污泥排放口(5-3)组成；所述污泥排放口(5-3)连接顶盖(4)的污泥回流口(4-5)。

4.根据权利要求1所述的一种生物膜强化脱氮装置，其特征在于：所述生物膜强化脱氮装置运行时，在外筒(1)的内部填充10-30％体积的生物填料。