CN108117151A - 一种移动床反硝化脱氮滤池及脱氮方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种移动床反硝化脱氮滤池及脱氮方法，所述脱氮方法是通过移动床反硝化脱氮滤池完成的，所述脱氮滤池包括反应系统、收集系统和气提‑再生系统，反应系统是在滤池中设底部布水器和滤料，污水与滤料表面的生物膜充分接触，降解污染物；收集系统是在布水器下部设滤料分配器，随着反硝化进行，部分滤料被收集至反应器底部；气提‑再生系统是在滤池底部出口设置气提进气管和滤料提升泵，气提进气管与滤料提升泵通过外部设置的滤料提升管与滤池顶部设置的滤料清洗器相连，滤料在气提进气管和滤料提升泵的作用下经由滤料提升管输送至滤料清洗器中，实现反硝化滤料的不断移动、循环及更新。本发明具有生化速率快、反应负荷高、水力停留时间短、占地面积小、操作简易、维护方便等特点。

Description

一种移动床反硝化脱氮滤池及脱氮方法
技术领域
本发明属于水污染控制领域，具体地，涉及一种移动床反硝化脱氮滤池及脱氮方法。
背景技术
随着工农业的迅速发展，大量有毒有害污染物进入环境水体，使水质状况恶化，部分环境功能丧失。据环保部发布的《2014年中国环境状况公报》显示：在包括长江、黄河、珠江等在内423条主要河流、62座重点湖泊（水库）的968个国控地表水监测断面中，Ⅰ-Ⅲ类、Ⅳ-Ⅴ类和劣Ⅴ类水质断面的比例分别为63.1%、27.7%和9.2%。近年来为控制水环境恶化，各地方排放新标准不断出台，除有机物指标COD控制更为严格外，对氮类营养盐的控制也由仅控制氨氮转为氨氮和总氮同时控制，如江苏省颁布的《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》（DB32/1072-2007）规定氨氮和总氮的排放限值分别为5mg/L和15mg/L。北京市《水污染综合排放标准》（DB11-307-2013）A级排放限值规定氨氮和总氮的排放限值分别为1.0mg/L和10mg/L。天津市《城镇污水处理厂污染物排放标准》（DB11-307-2013）A级排放限值规定氨氮和总氮的排放限值分别为1.5mg/L和10mg/L。现有城镇及企业污水处理厂（站）多采用“缺氧-好氧”及其衍生工艺脱氮，总氮去除效率约为70%，与新标准的排放限值尚有较大差距。
后置反硝化滤池作为集生化和过滤为一体的工艺单元，经常被用作保障污水总氮达标的技术手段。目前，后置反硝化滤池存在部分缺陷，主要表现在以下几个方面：其一，随着运行时间的延长，反硝化产生的氮气会附着在滤料表面或滤料之间的缝隙中产生气阻，需增设驱氮系统以保障滤池正常运行；其二，对于悬浮物造成的堵塞，需定期进行反洗，强度过低难以将滤池中的悬浮物和脱落生物膜清除出反应系统，强度过高无法在短时间内恢复滤池的反硝化功能；其三，由于反洗方法的局限性，反硝化滤池床层深度受限，且污水中的溶解氧仍需消耗一定的床层空间，削弱了滤池的脱氮效果。
CN201410377835.9公开了一种深床反硝化滤池控制氮气释放的方法，该方法设定氮气间隔释放周期内堆积悬浮物、生物淤泥和氮气引起的最大水头损失为固定值，当过滤及反硝化过程滤头损失测量参数增至固定值时，启动氮气释放系统。为保持滤池的正常运行，需要在单个周期内利用水反冲方式多次释放氮气。
CN201410377926.2公开了一种波流式反硝化滤池，将滤池与反硝化滤池并行布置，水流从滤池顶部进入，下行依次流经砾石层和滤料层，从反硝化滤池顶部流出装置。该装置实际上是将过滤器与反硝化滤池串联布置，利用过滤器消除部分溶解氧和悬浮物，在增加空间的同时并未从根本上解决反硝化滤池氮气积累和反洗等问题。
CN201410377927.7公开了一种深床滤池降水位反冲洗系统，滤池反冲洗程序启动首先降低池内水位至滤料层表面设定高度，再进行气水反冲，避免空气反冲和气水同时反冲过程的滤池排水，只控制最后单水反冲过程为排水过程，可以在一定程度上减少反冲洗废水量。
上述反硝化滤池，必须定期驱氮或反洗，且驱氮、反冲洗系统复杂，滤床生物系统负荷低、反洗后恢复速率慢，影响脱氮系统运行的连续性和稳定性；并且需要大量的反洗水，不利于节能降耗。
发明内容
针对现有反硝化滤池必须定期停机驱氮及反洗，驱氮系统、反冲洗系统复杂，滤床生物系统负荷低、反洗后恢复速率慢等一系列问题，本发明提供一种移动床反硝化脱氮滤池及脱氮方法。
本发明的反硝化脱氮方法是通过以下移动床反硝化脱氮滤池完成的，所述的脱氮滤池包括反应系统、收集系统和气提-再生系统，反应系统是在滤池中设底部布水器和滤料，污水在上向流过程中与滤料表面的生物膜充分接触，污水中的污染物被降解；收集系统是在布水器下部设滤料分配器，随着反硝化反应的进行，部分滤料被收集至反应器底部，气提-再生系统是在滤池底部出口设置气提进气管和滤料提升泵，气提进气管与滤料提升泵通过外部设置的滤料提升管与滤池顶部设置的滤料清洗器相连，滤料在气提进气管和滤料提升泵的作用下经由滤料提升管输送至滤料清洗器中，在气、液、固三相的作用下，滤料表面的生物膜部分脱落，清洗后的滤料在重力作用下回落至反应系统中，滤料表面吸附的氮气在剪切下释放至大气，滤料截留的悬浮物随清洗水排出，从而实现反硝化滤料的不断移动、循环及更新。
本发明中，所述的移动床反硝化脱氮滤池为圆柱形或矩形，一般高径比为4:1-20:1。在滤池内设有进水设施、排水设施等，其中进水设施包括进水管、布水器等，进水管位于移动床反硝化脱氮滤池上部与布水器相连。污水通过进水设施进入反应器底部，在上向流过程中与滤料表面的生物膜充分接触，污水中的污染物被反硝化菌降解，达到去除污染物的目的。当碳源不足时，可以在进水管设碳源投加管，与污水一同进入滤池中，进行反硝化脱氮。所述排水设施包括排水堰、排水管等，排水堰设于反硝化脱氮滤池上部与排水管相连，处理后废水经排水堰收集后通过排水管排出滤池。
本发明中，所述滤料作为生物膜生长的载体，其外观为球形或近球形，如可以采用轻质填料等，优选为轻质陶粒滤料，粒径为2-8mm，有助于更好地在移动床反硝化脱氮滤池中移动和循环。
本发明中，所述滤料分配器位于反硝化脱氮滤池底部，布水器下部，滤料分配器为两个对接的圆锥体，轻质陶粒滤料从滤料分配器的周边通过重力作用逐渐滑落至装置底部，以防止滤料堆积。圆锥体的直径为反应器直径的1/2-1/4，高度为反应器高度的1/16-1/40。
本发明中，滤料提升管与反硝化滤池的直径之比为1:20-1:50，滤料循环速率为1-5mm/min，提供空气的压力为0.2-0.4MPa。
本发明中，所述的滤料清洗器由外筒、内筒及交错设置的清洗环构成。滤料在重力作用下分配至滤料清洗器的外筒和内筒之间，外筒和内筒之间交错设置有清洗环，滤料在下落过程中与清洗环摩擦、碰撞，滤料表面的生物膜进一步脱落。滤料清洗器设有排气管和排污管，其出口水位低于滤床出水口水位，滤料截留的悬浮物及生物膜随清洗水由排污管排出。
本发明中，反硝化进水为硝化单元出水，或者是含有硝酸盐和/或亚硝酸盐的污水。在实际运行过程中，根据污水中可利用的碳源，进行碳源的适量投加，投加的碳源可选择甲醇、乙酸钠或葡萄糖等有机物，控制碳氮比为3:1-10:1。
本发明中，反硝化反应的温度为25-35℃，pH为6.0-9.0，溶解氧浓度小于1mg/L，水力停留时间为30-120min。
本发明还提供了用于上述反硝化脱氮的移动床反硝化脱氮滤池，包括反应系统、收集系统和气提-再生系统，反应系统是在滤池中设底部布水管和滤料，用于完成反硝化反应；收集系统是在布水器下部设滤料分配器，用于滤料收集；气提-再生系统是在滤池底部出口设置气提进气管和滤料提升泵，气提进气管与滤料提升泵通过外部设置的滤料提升管与滤池顶部设置的滤料清洗器相连，用于滤料的移动、循环及更新。
与现有技术相比，本发明技术方案具有如下特点：（1）将反硝化过程和滤料再生过程整合，无需定期停机水洗、气洗或联合反洗等严格的控制过程，保证了反硝化反应的连续性，解决了常规反硝化滤池需定期进行气水反冲洗，气水反洗过程中导致大量生物膜随之脱落，反硝化效果下降，不利于反硝化系统的稳定运行和总氮不能达标排放等问题。（2）污水从滤池底部进入，底部滤料上生长的生物膜厚度及截留的污染物高于上部滤料，即滤层顶部滤料的生物膜厚度最薄，随着滤层深度的增加生物膜的厚度也随之增加，滤层底部滤料生物膜最厚，底部滤料在气提作用下首先进行再生，再生后的滤料回到滤池顶部，实现了滤池内微生物体系的种群化和梯度化，有利于提高滤池内生化反应的速率，也有利于体系对污染物和悬浮物的耐受性。（3）移动床再生体系可以实现滤池的大高径比，大高径比带来的高流速可以有效提高反应负荷，还有利于减少占地面积。（4）本发明能够实现脱氮滤池内微生物体系的种群化和梯度化，具有生化速率快、反应负荷高、水力停留时间短、占地面积小、操作简易、维护方便等特点操作简易、维护方便。（5）不需要单独设驱氮系统，在反应器底部生成的氮气最多，反应器底部的滤料最先被气提提升，提升过程中滤料表面的氮气脱落，从而达到驱氮目的。
附图说明
图1为本发明所述移动床反硝化脱氮滤池的结构示意图；
其中，1-进水管，2-碳源投加管，3-布水器，4-滤料分配器，5-气提进气管，6-滤料提升泵，7-滤料提升管，8-滤料清洗器，9-排水堰，10-滤料，11-排水管，12-排污管，13-排气管，14-滤料收集室。
图2为本发明滤料分配器的结构示意图。
图3为本发明滤料清洗器的结构示意图；
其中8-1为外筒，8-2为内筒，8-3为清洗环。
具体实施方式
本发明提供的移动床反硝化脱氮滤池如附图1所示，包括反应系统、收集系统和气提-再生系统。反应系统是在滤池中设置滤料10，粒径为2-8mm，污水可以与来自碳源投加管2的碳源混合后，与进水管1的污水一同进入滤池底部设置的布水器3，在上向流过程中与滤料10表面的生物膜充分接触，在反硝化菌、滤料和碳源的共同作用下，污水中的硝酸盐和/或亚硝酸盐被还原为氮气，最终达到脱氮的目的。处理后的污水经排水堰9收集后通过排水管11排出反硝化滤池。收集系统是在布水器下部设有滤料分配器4，随着反硝化反应的进行，部分滤料经收集系统收集至反应器底部。气提-再生系统是在滤池底部出口设置气提进气管5、滤料提升泵6，气提进气管5与滤料提升泵6和外部设置的滤料提升管7相连，滤料提升管7上端与滤池顶部设置的滤料清洗器8相连。滤料10在气提进气管5和滤料提升泵6的作用下经由滤料提升管7输送至移动床反硝化脱氮滤池上部的滤料清洗器8中，在提升过程中轻质陶粒滤料在提升管和滤料清洗器中不断撞击和摩擦，使滤料表面附着生物膜及悬浮物得以剥离。在清洗器中，在气、液、固三相的作用下，滤料表面的生物膜部分脱落，清洗后的滤料在重力作用下回落至滤料上部，滤料表面吸附的氮气在剪切下释放至大气，滤料截留的悬浮物随清洗水排出，从而实现反硝化滤料的不断移动、循环及更新。
本发明中滤料分配器的具体结构如附图2所示，位于反硝化滤池底部，布水管下部，为两个对接的圆锥体。
本发明中滤料清洗器的具体结构如附图3所示，由外筒8-1、内筒8-2及交错设置的清洗环8-3构成。滤料清洗器设有排污管12和排气管13，滤料截留的悬浮物及生物膜随清洗水由排污管排出。
下面通过实施例对本发明作进一步阐述，但不限于以下实施例。
实施例1
某城镇污水处理厂二级生化处理后的污水COD为50-60mg/L，NO3 --N为25-35mg/L，采用本发明的移动床反硝化脱氮滤池进行处理，反应器的高径比为4:1，填装粒径为4mm的轻质陶粒滤料，滤料循环速率为1mm/min，提升空气压力为0.2MPa。投加的碳源为乙酸铵，碳氮比为3:1，水力停留时间为30min。反硝化反应的温度为25-30℃，pH为7.0-8.0，溶解氧浓度小于1mg/L。经过长期运行，出水COD<50mg/L，NO3 --N<10mg/L，总氮<14mg/L，运行效果稳定。
实施例2
某煤化工污水处理场生化处理后的污水，COD为100-120mg/L，NO3 --N为40-60mg/L，采用本发明的移动床反硝化脱氮滤池进行处理，反应器的高径比为10:1，填装粒径为2mm的轻质陶粒滤料，滤料循环速率为3mm/min，提供空气的压力为0.3MPa。投加的碳源为甲醇，碳氮比为6:1，水力停留时间为60min。反硝化反应的温度为25-30℃，pH为7.0-8.0，溶解氧浓度小于1mg/L。经过长期运行，出水COD<100mg/L，NO3 --N<15mg/L，总氮<18mg/L，运行效果稳定。
实施例3
某深度处理炼油生化出水，污水COD为40-55mg/L，NO3 --N为30-45mg/L，采用本发明的移动床反硝化脱氮滤池进行处理，反应器的高径比为20:1，填装粒径为8mm的轻质酶促陶粒滤料，滤料循环速率为5mm/min，提供空气的压力为0.4MPa。投加的碳源为葡萄糖，碳氮比为10:1，水力停留时间为120min。反硝化反应的温度为25-30℃，pH为7.0-8.0，溶解氧浓度小于1mg/L。经过长期运行，出水的COD<50mg/L，NO3 --N<15mg/L总氮<20 mg/L，运行效果稳定。
比较例1
采用常规反硝化滤池处理污水，污水水质同实施例1。反洗周期为2d，反洗过程结束后，由于滤料上附着的生物膜被破坏，前6h出水COD为50-60mg/L，NO3 --N＞20mg/L，高于移动床反硝化脱氮滤池出水NO3 --N<10 mg/L。常规滤池正常运行时COD<50mg/L，与本发明滤池效率相当，但NO3 --N＞15mg/L，脱氮反应效率较低。另外，常规滤池若不进行反洗，则会造成滤床堵塞，导致处理水量减少，处理效率下降；堵塞严重时可导致滤料翻出、机泵烧毁的问题。
比较例2
采用常规反硝化滤池处理污水，污水水质同实施例2。反洗周期为1d，反洗过程结束后，COD＞100mg/L，NO3 --N＞40mg/L，高于移动床反硝化脱氮滤池出。正常运行后出水污染物浓度下降至COD<100mg/L，NO3 --N<15mg/L，出水水质随反洗周期波动明显。
比较例3
采用常规反硝化滤池处理污水，污水水质同实施例3。反洗周期为2d，反洗过程结束后，3h内出水COD＞50mg/L，NO3 --N＞30mg/L，3h后出水污染物浓度逐步下降至COD<40mg/L，NO3 --N<20mg/L，出水NO3 --N<15mg/L，随反洗周期波动明显。
比较例4
采用的反应器及污水水质同实施例1，不同之处在于没有设滤料分配器，反应器运行的前10天，出水的COD<50mg/L，NO3 --N<10mg/L，总氮<15mg/L。随后出现底部滤料压实，无法提升滤料的问题，出水效果随之变差，5天后反应器失效。

Claims (12)

1.一种反硝化脱氮方法，其特征在于：是通过以下移动床反硝化脱氮滤池完成的，所述的脱氮滤池包括反应系统、收集系统和气提-再生系统，反应系统是在滤池中设底部布水器和滤料，污水在上向流过程中与滤料表面的生物膜充分接触，污水中的污染物被降解；收集系统是在布水器下部设滤料分配器，随着反硝化反应的进行，部分滤料被收集至反应器底部，气提-再生系统是在滤池底部出口设置气提进气管和滤料提升泵，气提进气管与滤料提升泵通过外部设置的滤料提升管与滤池顶部设置的滤料清洗器相连，滤料在气提进气管和滤料提升泵的作用下经由滤料提升管输送至滤料清洗器中，在气、液、固三相的作用下，滤料表面的生物膜部分脱落，清洗后的滤料在重力作用下回落至反应系统中，滤料表面吸附的氮气在剪切下释放至大气，滤料截留的悬浮物随清洗水排出，从而实现反硝化滤料的不断移动、循环及更新。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的移动床反硝化脱氮滤池为圆柱形或矩形，高径比为4:1-20:1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在滤池内设有进水设施和排水设施，其中进水设施包括进水管和布水器，进水管位于移动床反硝化脱氮滤池上部与布水器相连；所述排水设施包括排水堰和排水管，排水堰设于反硝化脱氮滤池上部与排水管相连，处理后废水经排水堰收集后通过排水管排出滤池。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在进水管设碳源投加管，与污水一同进入滤池中，进行反硝化脱氮。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述滤料外观为球形或近球形，优选为轻质陶粒滤料，粒径为2-8mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述滤料分配器为两个对接的圆锥体，圆锥体的直径为反应器直径的1/2-1/4，高度为反应器高度的1/16-1/40。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：滤料提升管与反硝化滤池的直径之比为1:20-1:50，滤料循环速率为1-5mm/min，提供空气的压力为0.2-0.4MPa。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的滤料清洗器由外筒、内筒及交错设置的清洗环构成，滤料在重力作用下分配至滤料清洗器的外筒和内筒之间，滤料在下落过程中与清洗环摩擦、碰撞，滤料表面的生物膜进一步脱落。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于：滤料清洗器设有排气管和排污管，其出口水位低于滤床出水口水位，滤料截留的悬浮物及生物膜随清洗水由排污管排出。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：反硝化进水为硝化单元出水，或者是含有硝酸盐和/或亚硝酸盐的污水；在实际运行过程中，根据污水中可利用的碳源，进行碳源的适量投加，控制碳氮比为3:1-10:1。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：反硝化反应的温度为25-35℃，pH为6.0-9.0，溶解氧浓度小于1mg/L，水力停留时间为30-120min。
12.用于权利要求1-11任一所述反硝化的移动床反硝化脱氮滤池，其特征在于包括反应系统、收集系统和气提-再生系统，反应系统是在滤池中设底部布水管和滤料，用于完成反硝化反应；收集系统是在布水器下部设滤料分配器，用于滤料收集；气提-再生系统是在滤池底部出口设置气提进气管和滤料提升泵，气提进气管与滤料提升泵通过外部设置的滤料提升管与滤池顶部设置的滤料清洗器相连，用于滤料的移动、循环及更新。
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