CN109455817A - 一种分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脱氮除磷装置，属于污水生物处理技术领域。该装置为塔式装置，上部形成三个填料反应层，下部为曝气区，底部为排泥区。本发明采用三段式进水，并设置三段式回流，通过喷淋装置实现进水和回流水的混合和喷淋充氧。塔式反应器的三个填料反应腔的中上部侧壁上均匀设置多个空气孔，实现空气对流，提高充氧效率。本装置能够有效的实现对污水中氮磷的去除，且具有占地小、充氧效率高等优点，适合应用于工业含氮废水、养殖废水和生活污水的处理。

Description

一种分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器

技术领域

本发明涉及一种脱氮除磷装置，属于污水生物处理技术领域。

背景技术

水资源是人类赖以生存的基本条件，也是我国经济实现可持续发展的基本前提。我国水资源总量位居世界前列，但人均水资源量不到世界平均的1/4。水环境中氮、磷等营养元素过量会导致水体富营养化，使湖泊、小流域或地表水流域环境质量下降严重，因此，国家及地方都制定了严格的氮、磷排放标准，有些地方氮磷污染上升为水环境质量的首要问题，2018 年生态环境部提出加强固定污染源氮磷污染防治，选择肥料制造、农药制造等行业，以及污水集中处理设施、规模化畜禽养殖场等作为氮磷排放重点行业做为重点监管对象。

随着我国经济的发展，人口的增长，工业化和城市发展步伐的加快，用水量也在不断的增加，污水的排放量也在不断的增加，地表水和地下水的污染日趋严重，使得水资源匮乏的情况日益严重。目前脱氮除磷方法中，生物方法以其运行成本低、二次污染小等优点在世界范围内得以广泛应用，但是传统脱氮除磷工艺，如A/O、UCT、CASS、氧化沟等单一污泥悬浮生长系统，因其工艺简单，氮、磷去除效果比较理想而得到广泛应用，同时在同一系统中硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争，对进水中碳源要求较高，并且污泥龄、DO、硝酸盐等均会影响水处理效果。此外，传统的生物脱氮除磷工艺大都采用厌氧加好氧，通过分段分步骤来实现硝化、反硝化、厌氧释磷及好氧吸磷，过程复杂，不但投资大、运行成本高，而且占地面积大、剩余污泥多等问题。

发明内容

本发明将生物脱氮除磷耦合于一个装置中，通过时空(时间和空间)操作实现同步生物脱氮除磷。通过PLC控制进水、回流及曝气时间等来实现同步脱氮除磷。具体方案如下：

该脱氮除磷反应器包括有底座、反应器主体；所述反应器主体架设在所述底座上，所述反应器主体为圆柱型腔体，圆柱型腔体底部为锥形并连接排泥管；

所述反应器主体内部由上至下依次设置第一网格支撑板、第二网格支撑板、第三网格支撑板、第四网格支撑板将反应器主体依划分为四个反应腔体：第一反应腔、第二反应腔、第三反应腔和第四反应腔；在所述的第一网格支撑板、第二网格支撑板和第三网格支撑板上铺设有筛网，在所述第一网格支撑板的筛网上铺设陶粒层和第一填料固定板，所述第二网格支撑板的筛网上铺设废煤渣层和第二填料固定板，所述第三网格支撑板的筛网上铺设粗砂层和第三填料固定板；在所述的第一反应腔、第二反应腔和第三反应腔的上部分别设置第一喷淋装置、第二喷淋装置、第三喷淋装置；

设置有进水泵和进水管，进水管设置三个分水管分别连至相应喷淋装置，第四反应腔中下部设置有回流管，经回流泵和三个回流分水管分别连接至相应喷淋装置；第四反应腔底部设置有微孔曝气器，所述微孔曝气器通过曝气管连接至风机；第四反应腔下部侧壁设置有出水管。

优选的，所述第一反应腔、第二反应腔和第三反应腔的填料层高度为相应反应腔高度的三分之一，填料层以上的周壁设置空气孔。

优选的，所述空气孔均匀布置，孔径为1cm。

优选的，三个填料层均设有反冲洗管，连接反冲洗泵，填料顶部侧壁均设置有反冲洗出水管。

优选的，所述第一反应腔、第二反应腔、第三反应腔和第四反应腔的体积比为1:1:1:2。

优选的，所述风机、进水泵、回流泵和反冲洗泵均连接至PLC控制系统。

优选的，所述陶粒粒径范围0.5-2cm，所述废煤渣粒径范围0.1-0.5cm，所述粗砂粒径范围 0.05-0.2cm。

优选的，网格支撑板的镂空网格边长为5-10cm。

优选的，所述第一网格支撑板上筛网为5目，所述第二网格支撑板上筛网为20目筛网，所述第三网格支撑板上筛网为40目筛网。

所述脱氮除磷反应器用于工业含氮废水、养殖废水和生活污水的处理。

本发明装置在处理含氮磷废水时，废水通过进水泵进水，再通过三个射流器喷淋充氧后洒于三级填料层表面，废水在各级填料层内依靠重力逐级自流而下，最后进入装置底部第四反应腔——曝气区，并定期根据实际情况在装置底部排泥。整个装置由PLC自动控制进水时间、回流时间、曝气时间、静置时间和排水时间，进而控制反应器的进水负荷、曝气量、回流量等调节反应器达到最佳运行效果。

本发明装置通过时空(时间和空间)操作实现同步生物脱氮除磷；通过射流器喷淋外加装置外围空气孔，加大水滴与空气接触的面积，增加氧分子饱和度；三级填料层自水流方向逐级设置，第一层为颗粒较大的陶粒，第二层为废煤渣，第三层为粗砂石，填料粒径依水流方向由粗到细，最大化的减少堵塞，增加填料内的氧分子传输。在每一层填料表面和内部可形成生物膜，填料生物膜从外至内交替处于好氧、缺氧、厌氧的状态，硝化菌和反硝化菌分布于填料生物膜表面至内部，能在生物膜表面氧分子浓度较高区域实现硝化和短程硝化、在内部区域实现反硝化，从而再空间上不同区域实现污水中的氮的去除。

通过PCL控制系统，控制进水时间、回流时间和曝气时间，再时间尺度上控制DO浓度，调整装置内填料区和底部曝气区的DO，实现部分短程硝化，通过较长时间运行(3个月以上)，在填料内培养形成厌氧氨氧化菌，从而使反应装置实现短程硝化反硝化和厌氧氨氧化等多种脱氮技术的耦合。

特别值得说明，在每一层填料表面和装置底部曝气反应区，溶解氧分子较充足，硝化细菌和亚硝化细菌的动态竞争选择可以使NH₄ ⁺转化为NO₂ ^-和NO₃ ^-；三层填料中的内层，反硝化菌中脱氮副球菌、盐脱氮副球菌、产碱菌等利用微生物动力学特性差异将NO₂ ^-转化为N₂；反硝化反应释放出碱度来补偿硝化反应所需要的碱度，使整个装置内pH值相对稳定。

填料层和生物膜之间形成的孔隙和洞穴起到增加与外界的接触面积和营养盐等物质的交换和传输的作用；厌氧氨氧化菌主要富集在填料层内部和填料内核，NO₂ ^-、NO₃ ^-、NH₄ ⁺通过孔隙和洞穴进入厌氧区，在该区域内实现厌氧氨氧化反应，产生的N₂可以通过孔隙排出，及反应器的喷淋、空气孔通风等结构及时排出。

本装置充分通过PLC控制，实现分段式进水和三段式回流，控制装置底部污泥浓度在 3000mg/L左右，污泥龄在11-14d，曝气区DO浓度达到3～5mg/L时停止曝气，DO下降到0.5mg/L下以启动曝气，在停止曝气后30～40min，启动底部曝气区回流至装置上部三层填料，为填料补充亚硝酸盐和硝酸盐，为填料层短程硝化反硝化补充电子受体；同时，在填料层，反硝化除磷菌利用废水中的有机碳源厌氧释磷，分段式进水和射流可以为填料层补充充足的氧分子，聚磷菌以氧分子为电子受体，以厌氧段合成聚羟基脂肪酸酯为电子供体进行好氧吸磷，起到好氧吸磷的作用。从填料层流入下层曝气区的水，下层反应区参照模拟SBR(序批式活性污泥法)运行方式，创造时间上的不同DO段区，控制下层曝气区污泥龄在12-15d，根据产泥情况，装置每运行1-5天，静置排泥一次实现除磷的功能，通过上述措施装置能很好的实现短程硝化反硝化脱氮和厌氧释磷好氧吸磷的功效。

本发明的有益效果：本发明的塔式反应器设计巧妙，立体设计占地面积小，分段式进水和三段回流能充分利用装置空间和不同时段实现高效的脱氮除磷功能，且本装置易于调整控制处理参数，可根据处理量缩放尺寸，适用于多种类型、不同负荷的污水处理，能被广泛的应用。

附图说明

图1本发明脱氮除磷反应器内部结构示意图；

图2本发明脱氮除磷反应器内部结构A-A剖面示意图；

图3本发明脱氮除磷反应器外部结构示意图；

附图标记

底座1、反应器主体2,、第一网格支撑板3、第二网格支撑板4、第三网格支撑板5、第四网格支撑板6、筛网7、陶粒层8、废煤渣层9、粗砂层10、第一填料固定板11、第二填料固定板12、第三填料固定板13、第一反应腔14、第二反应腔15、第三反应腔16、第四反应腔17、第一喷淋装置18、第二喷淋装置19、第三喷淋装置20；进水泵21、进水管22、排泥管23、回流管24、回流泵25、微孔曝气器26，曝气管27、出水管28、空气孔29，反冲洗管30，反冲洗泵31，反冲洗出水管32。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明进行说明：

分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器，：包括有底座1、反应器主体2；反应器主体2 架设在所述底座1上，反应器主体2为圆柱型腔体，圆柱型腔体底部为锥形并连接排泥管23；反应器主体2通过四个网格支撑板划分为四个反应腔体，四个反应腔体从上至下依次设置为陶粒填料反应区、废煤渣填料反应区、粗砂填料反应区和曝气反应区，在填料区的网格支撑板上设置有筛网，再填充不同的填料，填料层顶部均设置填料固定板；在第一反应腔14、第二反应腔15和第三反应腔16的上部分别设置第一喷淋装置18、第二喷淋装置19和第三喷淋装置20；进水泵21连接进水管22，进水管22设置三个分水管分别连至相应喷淋装置，第四反应腔17中下部设置有回流管24，经回流泵25和三个回流分水管分别连接至相应喷淋装置；底部设置有微孔曝气器26，通过曝气管27连接至风机；第四反应腔17下部侧壁设置有出水管28。

在第一反应腔14、第二反应腔15和第三反应腔16的相应填料层高度为相应反应腔高度的三分之一，填料层以上周壁设置均匀布置的空气孔29。四个反应腔体的体积比为1:1:1:2。三个填料层均设有反冲洗管30，连接反冲洗泵31，填料顶部侧壁均设置有反冲洗出水管32。

将反应器的风机、进水泵、回流泵、反冲洗泵均连接至PLC控制系统，通过PLC控制系统对反应器的进水时间、回流时间、曝气时间、静置时间和排水时间进行控制，并控制反应器的进水负荷、曝气量、回流量等。

填料选用的陶粒粒径范围0.5-2cm，废煤渣粒径范围0.1-0.5cm，粗砂粒径范围0.05-0.2cm。第一网格支撑板上筛网为5目，第二网格支撑板上筛网为20目，第三网格支撑板上筛网为 40目。

实施例一：

将该装置用于普通生活污水的处理，生活污水的水质如下：

指标	COD(mg/L)	pH	TN(mg/L)	TP(mg/L)	氨氮(mg/L)
						水质	250～400	6.5～8	20～50	3～15	15～40

经过30d的调试挂膜，前面10d，采用少量间断进水和连续曝气方式，装置下层曝气区 DO控制在3～5mg/L，培养下层曝气区污泥浓度至3000mg/L以上；第11～20d，启动回流，培养填料层内外微生物菌，将各类菌种逐渐的通过回流方式从下层反应区中附着到填料层； 20d后，增加进水量，采用模拟SBR方式运行下层反应区，并根据曝气区DO浓度间断回流，正式运行时参数情况如下：回流量与进水量比为10～20，DO在0.5～5mg/L，连续运行3-5天进行一次排泥。运行7～10天进行一次反冲洗。

采用本装置对生活污水处理运行稳定后，水质能够满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》GB 18918-2002一级A要求。

实施例二：

将该装置用于养殖废水沼液的深度处理，沼液的水质如下：

指标	COD(mg/L)	pH	TN(mg/L)	TP(mg/L)	氨氮(mg/L)
						水质	800～1400	7～9	400～800	30～70	350～750

经过50d的调试挂膜。前面20d，先在装置下层反应区内一次性进水后，加入适量生活污水活性污化，使反应器污泥浓度达到3000mg/L，而后闷曝气7d，每天曝气12h，分三个时段，每个时段4h，使污泥先经过初步适应高深度的沼液，7d之后排出下层曝气区内1/3污泥；第8～20d逐步进沼液，并维持每天曝气12h，分三个时段，每个时段4个h运行方式；第20～50d，启动回流，培养填料层内外微生物菌，采用模拟SBR方式运行下层反应区，并根据DO浓度间断回流，正式运行时参数情况如下：回流量与进水量比为20～30，DO在0.5～5mg/L，连续运行1-2天进行一次排泥。运行2～3天进行一次反冲洗。

采用本装置对养殖废水沼液的深度处理处理运行稳定后，水质能够满足《鄱阳湖生态经济区水污染物排放标准》DB36/852-2015要求。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.一种分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器，其特征在于：包括有底座（1）、反应器主体（2）；所述反应器主体（2）架设在所述底座（1）上，所述反应器主体（2）为圆柱型腔体，圆柱型腔体底部为锥形并连接排泥管（23）；

所述反应器主体（2）内部由上至下依次设置第一网格支撑板（3）、第二网格支撑板（4）、第三网格支撑板（5）、第四网格支撑板（6）将反应器主体依划分为四个反应腔体：第一反应腔（14）、第二反应腔（15）、第三反应腔（16）和第四反应腔（17）；在所述的第一网格支撑板（3）、第二网格支撑板（4）和第三网格支撑板（5）上铺设有筛网（7），在所述第一网格支撑板（3）的筛网上铺设陶粒层（8）和第一填料固定板（11），所述第二网格支撑板（4）的筛网上铺设废煤渣层（9）和第二填料固定板（12），所述第三网格支撑板（5）的筛网上铺设粗砂层（10）和第三填料固定板（13）；在所述的第一反应腔（14）、第二反应腔（15）和第三反应腔（16）的上部分别设置第一喷淋装置（18）、第二喷淋装置（19）、第三喷淋装置（20）；

反应器设置有进水泵（21）和进水管（22），进水管（22）设置三个分水管分别连至相应喷淋装置，第四反应腔（17）中下部设置有回流管（24），经回流泵（25）和三个回流分水管分别连接至相应喷淋装置；第四反应腔（17）底部设置有微孔曝气器（26），所述微孔曝气器（26）通过曝气管（27）连接至风机；第四反应腔（17）下部侧壁设置有出水管（28）。

2.根据权利要求1所述的一种分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器，其特征在于：所述第一反应腔（14）、第二反应腔（15）和第三反应腔（16）的填料层高度为相应反应腔高度的三分之一，填料层以上周壁设置空气孔（29）。

3.根据权利要求2所述的一种分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器，其特征在于：所述空气孔均匀布置，孔径为1cm。

4.根据权利要求1所述的一种分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器，其特征在于：三个填料层均设有反冲洗管（30），连接反冲洗泵（31），填料顶部侧壁均设置有反冲洗出水管（32）。

5.根据权利要求1所述的一种分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器，其特征在于：所述第一反应腔（14）、第二反应腔（15）、第三反应腔（16）和第四反应腔（17）高度比为1:1:1:2。

6.根据权利要求4所述的一种分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器，其特征在于：所述风机、进水泵、回流泵和反冲洗泵均连接至PLC控制系统。

7.根据权利要求1所述的一种分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器，其特征在于：所述陶粒粒径范围0.5-2cm，所述废煤渣粒径范围0.1-0.5cm，所述粗砂粒径范围0.05-0.2cm。

8.根据权利要求1所述的一种分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器，其特征在于：网格支撑板的镂空网格边长为5-10cm。

9.根据权利要求1所述的一种分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器，其特征在于，所述第一网格支撑板（3）上筛网为5目，所述第二网格支撑板（4）上筛网为20目筛网，所述第三网格支撑板（5）上筛网为40目筛网。

10.权利要求1-9任一所述的分层射流充氧塔式生物脱氮除磷反应器的应用，其特征在于：用于工业含氮废水、养殖废水和生活污水的处理。