CN109851166A - 内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器及污水处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理设备领域，涉及一种内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器及污水处理方法，驱动电机固定于气室的上端，驱动电机的电机轴连接有轴流式搅拌桨，气室的下端与三相分离器相连；三相分离器的下端连接有导流板a，导流板a的下端连接有主反应区，主反应区的下端连接有导流板b，导流板b的下端连接有污泥区；所述主反应区由反应外筒和循环内筒组成，气室器壁上连有排气管，三相分离器的器壁上连有出水管，污泥区底部设有放空管，穿过污泥区的侧壁还有一个进水管，进水管伸入到循环内筒内。本发明占地小、高径比大，可满足不同浓度、不用进水流速要求。

Description

内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器及污水处理方法

技术领域

本发明属于污水处理设备领域，尤其是涉及一种内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器及污水处理方法。

背景技术

随着全球工业化和城市化脚步的加快，水体中有机污染物组分日趋复杂、难降解有机污染物比例不断提升，氮磷等营养物质日益增多，单一处理技术已较难实现水环境污染的高效控制和治理。在过去十多年里，相关处理技术的耦合因其可在更少的反应器内甚至是单一反应器内实现有机碳、氮以及磷和硫等物质同除，同时具有流程紧凑、占地少、能够回收部分能源、有效降低能源消耗等优势而受到学者和市场的青睐。

厌氧同时反硝化产甲烷（Simultaneous denitrification and methanogenesis，SDM）工艺属于一种典型的生物耦合处理技术。SDM是将厌氧产甲烷过程与生物反硝化代谢耦合在同一厌氧反应器中，促进菌群间协同代谢，提升水解酸化效率，在反硝化菌群协同下降解有机物并生成碱度增强反应器中抗酸化能力，同时反硝化过程可利用厌氧产甲烷过程中产生的多种碳源实现自身过程中碳源增补，有效提升过程稳定性。

现有厌氧生物处理设备与技术在处理高负荷有机污水时存在水解酸化效率低、易累积丙酸，抗冲击负荷性能差等缺陷，且处理出水中仍残留有大量优质碳、氮源等物质，有机物去除率有限。现有生物反硝化技术流程长、物质能源消耗大，受限于进水中优质碳源匮乏，稳定性低。

上流式厌氧污泥床（UASB）是目前市面上常用的厌氧反应器，其在高有机负荷率下具有良好的有机物去除能力和稳定性。UASB内部的颗粒污泥需要满足悬浮状态，但是在低浓度有机污水处理方面，UASB内部的颗粒污泥产生的甲烷量少，不能提供满足颗粒污泥悬浮状态的足够浮力；同时UASB的进水产生的上升冲击力也需要满足使颗粒污泥呈悬浮状态的条件，因此进水流速范围有所限制。

发明内容

发明目的

本发明的目的是为解决现有UASB存在的处理低浓度污水效果差、进水负荷限制的问题，以及厌氧同时反硝化产甲烷颗粒污泥难以驯化、富集和培养的难题，提供一种占地小、高径比大，可满足不同浓度、不用进水流速要求的内循环式污水处理反应器及处理方法。

技术方案

一种内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器，其特征在于：包括驱动电机、气室、三相分离器、主反应区和污泥区；驱动电机固定于气室的上端，驱动电机的电机轴连接有轴流式搅拌桨，气室的下端与三相分离器相连；三相分离器的下端连接有导流板a，导流板a的下端连接有主反应区，主反应区的下端连接有导流板b，导流板b的下端连接有污泥区；所述主反应区由反应外筒和循环内筒组成，导流板a和导流板b中间设有液体流道孔a，循环内筒的上端和下端分别固定于导流板a和导流板b上，导流板a和导流板b位于反应外筒和循环内筒之间设有多个液体流道孔b，轴流式搅拌桨穿过导流板a位于循环内筒内；所述气室器壁上连有排气管，所述三相分离器的器壁上连有出水管，所述污泥区底部设有放空管，穿过污泥区的侧壁还有一个进水管，进水管伸入到循环内筒内；导流定轴器固定于循环内筒的内壁上，轴流式搅拌桨穿过导流定轴器，导流定轴器用于支撑轴流式搅拌桨的下端。

所述三相分离器器壁上连通有惰性气体充入/排出管。

所述轴流式搅拌桨上端通过万向节与驱动电机的电机轴连接。

所述污泥区内设有漏斗状的污泥泥斗，污泥区的下端为裙座，放空管位于污泥泥斗的底端，进水管是从污泥区和污泥泥斗的侧壁插入并固定的。

所述轴流式搅拌桨上焊接有相同间距的多组桨叶。

所述反应外筒内装有颗粒污泥或供污泥附着生长的填料。

所述三相分离器内设置有沉淀区斜壁、反射板、集气罩和三角溢流堰，反射板固定在三相分离器的内壁呈倒漏斗状，沉淀区斜壁位于反射板的上侧，沉淀区斜壁固定在三相分离器的内壁呈正漏斗状并与反射板的上端连通，沉淀区斜壁的上侧为沉淀区，沉淀区斜壁的上侧设有倒漏斗状的集气罩，集气罩的上端与气室相连通，集气罩的侧方设有三角溢流堰，三角溢流堰固定在三相分离器的内壁上。

所述沉淀区斜壁与反射板的连通处夹有三相分离器导流组合筛，三相分离器导流组合筛是由上方的三相分离器导流筛板a和下方的三相分离器导流筛板b组合而成的，三相分离器导流筛板a和三相分离器导流筛板b的筛网成交错状。

驱动电机与气室通过法兰连接，气室与三相分离器通过法兰连接；三相分离器与导流板a通过法兰连接，导流板a与主反应区通过法兰连接，主反应区与导流板b通过法兰连接，导流板b与污泥区通过法兰连接；各部件连接的法兰处均以O型圈密封；法兰连接所用的螺栓两端皆包有硅胶密封件，所述硅胶密封件内有螺母容纳腔并且下端为内翻状底边，内翻状底边与法兰盘的接触面为粗糙面，粗糙面涂抹硅脂或凡士林。

一种使用如所述的内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器处理污水的方法，其特征在于：方法如下：

正向启动驱动电机，在轴流式搅拌桨的正向推流作用下循环内筒中的污水向上流动，反应外筒的污水向下流动，反应器整体内部污水呈现中间上升，四周下降的内部循环流动状态；污水首先由进水管输送到循环内筒内，循环内筒上升污水一部分经反射板反推至反应外筒内，经过微生物的厌氧同时反硝化产甲烷作用，污水中的有机物以及硝态氮等转化为甲烷和氮气；一部分由反射板导流，夹带着污水中的污泥、甲烷和氮气进入至三相分离器中，污水经沉淀区后，上清液排入三角溢流堰经出水管排出，其中污泥在沉淀区沉淀至沉淀区斜壁，再滑落至主反应区，甲烷和氮气由集气罩收集至气室中由排气管排出；

反向启动驱动电机，在轴流式搅拌桨的逆向推流作用下循环内筒中的污水向下流动，反应外筒的污水向上流动，反应器整体内部污水呈现中间下降，四周上升的内部循环流动状态；污水首先由进水管输送到循环内筒内，循环内筒中的污水经泥斗上部折流至反应外筒；反应外筒上升污水一部分经反射板反推至循环内筒中；一部分由反射板导流，夹带着污水中的污泥、甲烷和氮气进入至三相分离器中，污水经沉淀区后，上清液排入三角溢流堰经出水管排出，其中污泥在沉淀区沉淀至沉淀区斜壁，再滑落至主反应区，甲烷和氮气由集气罩收集至气室中由排气管排出。

优点及效果

本发明具有的优点和积极效果是：

（1） 本发明是处理污水的反应装置，占地小、高径比大；

（2） 可满足不同浓度、不用进水流速的要求；

（3） 具备碳氮同除、兼有碳源高效利用的优点；

（4） 不需要外加碳源，节省污水处理成本；

（5） 可最大限度降低厌氧同时反硝化产甲烷颗粒污泥的培养和驯化时间。

（6） 可以实现设备的间歇性运行，降低了能耗，提高了设备的效率；

（7） 针对含碳含氮污水的水质特征，本发明采用了稳定的处理工艺，出水稳定，实现污水的资源化利用；

（8） 工程造价低，运行费用低，并在经济效益，环境效益和社会效益方面均具有贡献意义。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是导流板a的结构示意图；

图3是导流定轴器的结构示意图；

图4是三相分离器导流组合筛的结构示意图；

图5是三相分离器导流筛板a的结构示意图；

图6是三相分离器导流筛板b的结构示意图；

图7是法兰处包有硅胶密封件的螺栓的结构示意图；

图8是三相分离器流体示意图。

附图标记说明：1-驱动电机；2-气室；3-三相分离器；4-导流板a；5-主反应区；6-轴流式搅拌桨；7-导流定轴器；8-导流板b；9-污泥区；10-排气管；11-万向节；12-惰性气体充入/排出管；13-三角溢流堰；14-集气罩；15-出水管；16-沉淀区；17-沉淀区斜壁；18-反射板；19-反应外筒；20-循环内筒；21-进水管；22-污泥泥斗；23-放空管；24-裙座。25-液体流道孔a；26-液体流道孔b；27-三相分离器导流组合筛；28-三相分离器导流筛板a；29-三相分离器导流筛板b；30-螺栓；31-硅胶密封件；32-螺母容纳腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器，包括驱动电机1、气室2、三相分离器3、主反应区5和污泥区9；驱动电机1可以进行正向和逆向转动，驱动电机1通过法兰相连固定于气室2的上端，驱动电机1的电机轴通过万向节11连接有轴流式搅拌桨6，轴流式搅拌桨6上焊接有相同间距的多组桨叶，用作循环内筒20中的水流的推流。气室2的下端与三相分离器3通过法兰相连；三相分离器3器壁上连通有惰性气体充入/排出管12，三相分离器3的下端通过法兰连接有导流板a4，导流板a4的下端通过法兰连接有主反应区5，主反应区5的下端通过法兰连接有导流板b8，导流板b8的下端通过法兰连接有污泥区9；所述主反应区5由反应外筒19和循环内筒20组成，反应外筒19内装有颗粒污泥或供污泥附着生长的填料。导流板b8用于承托颗粒污泥或供污泥附着生长的填料，也用于防止水流直接冲刷泥斗里面的污泥。导流板a4和导流板b8中间设有液体流道孔a25，为节约成本及生产方便，导流板b8的结构与导流板a4的结构相同，循环内筒20的上端和下端分别通过螺纹固定于导流板a4和导流板b8的液体流道孔a25上，导流板a4和导流板b8位于反应外筒19和循环内筒20之间设有多个液体流道孔b26，轴流式搅拌桨6穿过导流板a4位于循环内筒20内；所述气室2器壁上连有排气管10，所述三相分离器3的器壁上连有出水管15，出水管15为U型出水管，U型可以液封，导流定轴器7通过焊接的方式固定于循环内筒20的内壁上，轴流式搅拌桨6穿过导流定轴器7，导流定轴器7用于支撑轴流式搅拌桨6的下端，导流定轴器7能够防止轴流式搅拌桨6的下端在转速较大的情况下轴心不稳而摆动，导流定轴器7还具有导流作用。污泥区9内设有漏斗状的污泥泥斗22，污泥区9的下端为裙座24，放空管23位于污泥泥斗22的底端，进水管21是从污泥区9和污泥泥斗22的侧壁插入并固定的，进水管21伸入到循环内筒20内。污泥泥斗22用作收集微生物代谢后产生的剩余污泥，并通过放空管23排出剩余污泥；所述进水管21在进水泵的作用下，将污水输送至循环内筒20中；所述裙座24是整个反应器的底座，用以承受反应器的全部载荷。

三相分离器3内设置有沉淀区斜壁17、反射板18、集气罩14和三角溢流堰13，反射板18固定在三相分离器3的内壁呈倒漏斗状，沉淀区斜壁17位于反射板18的上侧，沉淀区斜壁17固定在三相分离器3的内壁呈正漏斗状并与反射板18的上端连通，沉淀区斜壁17的上侧为沉淀区16，沉淀区斜壁17的上侧设有倒漏斗状的集气罩14，集气罩14的上端与气室2相连通，集气罩14用以收集反应产生的氮气和甲烷气体至气室2中；气室2可收集反应外筒19中微生物代谢反应产生的氮气和甲烷气体，保证集气罩14上方有一定的压力使集气罩14中的液面高度不超过三角溢流堰13处的液面高度，同时根据集气罩14中的液面高度判断是否排出气室2中的气体。集气罩14的侧方设有三角溢流堰13，三角溢流堰13固定在三相分离器3的内壁上，三角溢流堰13为反应器内液体溢出的结构，具有维持反应器内液面高度及使液体均匀溢出的作用，三角溢流堰13用以在沉淀区16沉降后的污水上清液的均匀稳定排放，再由U型出水管15排出。沉淀区斜壁17与反射板18的连通处夹有三相分离器导流组合筛27，三相分离器导流组合筛27是由上方的三相分离器导流筛板a28和下方的三相分离器导流筛板b29组合而成的，三相分离器导流筛板a28和三相分离器导流筛板b29的筛网成交错状，有效减少了气泡的崩溅，而且具有导流的作用，同时可以防止大块絮状污泥进入三相分离器3的集气罩14中堵塞集气罩14。所述沉淀区16用以进行污泥的沉降分离，沉降至沉淀区斜壁17上的污泥再滑落至主反应区5；所述反射板18用以折流或者反射主反应区5中的上升流态的部分污水和污泥。

上述各部件连接的法兰处均以O型圈密封；如图7所示，法兰连接所用的螺栓30两端皆包有硅胶密封件31，所述硅胶密封件31内有螺母容纳腔32并且下端为内翻状底边，内翻状底边与法兰盘的接触面为粗糙面，粗糙面涂抹硅脂或凡士林。硅胶密封件31的安装方式为：首先在硅胶密封件31粗糙面涂抹硅脂或凡士林，再在螺栓30拧紧之前将螺栓30的栓冒和螺母塞入硅胶密封件31内，因硅胶密封件31是软的，所以塞入简单，不费力，而且适当的壁厚还可以使用可调节的扳手在硅胶密封件31的外部拧紧。最后使用可以调节的扳手在硅胶密封件31的外部将螺母拧紧即可。拧紧后的包有硅胶密封件31的螺栓30只要硅胶密封件31不老化破损，可达到常年的优秀密封保护。

反应外筒19内装有颗粒污泥或者可装填有供污泥附着生长的填料，是活性功能微生物主要的代谢活动的场所，污水中的有机物和硝态氮等污染物在此处被微生物利用，发生厌氧同时反硝化产甲烷过程，产生氮气和甲烷气体。所述循环内筒20的作用是将反应外筒19 中污泥和污水的混合液进行循环，使主反应区5中有水力循环，满足足够的水力扰动，能够加强微生物和污水的传质效果，同时若是在轴流式搅拌桨6的逆向推流作用下循环内筒20中的污水向下流动，反应外筒19的污水向上流动，可以使颗粒污泥不会沉降至污泥泥斗22中。

一种使用内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器处理污水的方法，方法如下：

正向启动驱动电机1，在轴流式搅拌桨6的正向推流作用下循环内筒20中的污水向上流动，反应外筒19的污水向下流动，反应器整体内部污水呈现中间上升，四周下降的内部循环流动状态；污水首先由进水管21输送到循环内筒20内，循环内筒20上升污水一部分经反射板18反推至反应外筒19内，经过微生物的厌氧同时反硝化产甲烷作用，污水中的有机物以及硝态氮等转化为甲烷和氮气；一部分由反射板18导流，夹带着污水中的污泥、甲烷和氮气进入至三相分离器3中，污水经沉淀区16后，上清液排入三角溢流堰13经出水管15排出，其中污泥在沉淀区16沉淀至沉淀区斜壁17，再滑落至主反应区5，甲烷和氮气由集气罩14收集至气室2中由排气管12排出；

反向启动驱动电机1，在轴流式搅拌桨6的逆向推流作用下循环内筒20中的污水向下流动，反应外筒19的污水向上流动，反应器整体内部污水呈现中间下降，四周上升的内部循环流动状态；污水首先由进水管21输送到循环内筒20内，循环内筒20中的污水经泥斗23上部折流至反应外筒19；反应外筒19上升污水一部分经反射板17反推至循环内筒20中；一部分由反射板17导流，夹带着污水中的污泥、甲烷和氮气进入至三相分离器3中，污水经沉淀区16后，上清液排入三角溢流堰13经出水管15排出，其中污泥在沉淀区16沉淀至沉淀区斜壁17，再滑落至主反应区5，甲烷和氮气由集气罩14收集至气室2中由排气管12排出。

三相分离器流体示意图如图8所示，上升流态的污水和污泥混合液夹带着氮气和甲烷气体在反射板18的作用下进入至集气罩14中（实直线箭头）。其中氮气和甲烷气体进入气室2中被收集，当气室2中的压力较大时，集气罩14中的污水和污泥混合液在压力作用下，沿着集气罩14的内壁向下流动，经沉淀区斜壁17的反射作用进入至沉淀区16中（实曲线箭头）进行泥水分离，污泥沉降至沉淀区斜壁17上的污泥再滑落至主反应区5（虚曲线箭头）。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器，其特征在于：包括驱动电机、气室、三相分离器、主反应区和污泥区；驱动电机固定于气室的上端，驱动电机的电机轴连接有轴流式搅拌桨，气室的下端与三相分离器相连；三相分离器的下端连接有导流板a，导流板a的下端连接有主反应区，主反应区的下端连接有导流板b，导流板b的下端连接有污泥区；所述主反应区由反应外筒和循环内筒组成，导流板a和导流板b中间设有液体流道孔a，循环内筒的上端和下端分别固定于导流板a和导流板b上，导流板a和导流板b位于反应外筒和循环内筒之间设有多个液体流道孔b，轴流式搅拌桨穿过导流板a位于循环内筒内；所述气室器壁上连有排气管，所述三相分离器的器壁上连有出水管，所述污泥区底部设有放空管，穿过污泥区的侧壁还有一个进水管，进水管伸入到循环内筒内；导流定轴器固定于循环内筒的内壁上，轴流式搅拌桨穿过导流定轴器，导流定轴器用于支撑轴流式搅拌桨的下端。

2.根据权利要求1所述的内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器，其特征在于：所述三相分离器器壁上连通有惰性气体充入/排出管。

3.根据权利要求1所述的内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器，其特征在于：所述轴流式搅拌桨上端通过万向节与驱动电机的电机轴连接。

4.根据权利要求1所述的内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器，其特征在于：所述污泥区内设有漏斗状的污泥泥斗，污泥区的下端为裙座，放空管位于污泥泥斗的底端，进水管是从污泥区和污泥泥斗的侧壁插入并固定的。

5.根据权利要求1所述的内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器，其特征在于：所述轴流式搅拌桨上焊接有相同间距的多组桨叶。

6.根据权利要求1所述的内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器，其特征在于：所述反应外筒内装有颗粒污泥或供污泥附着生长的填料。

7.根据权利要求1所述的内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器，其特征在于：所述三相分离器内设置有沉淀区斜壁、反射板、集气罩和三角溢流堰，反射板固定在三相分离器的内壁呈倒漏斗状，沉淀区斜壁位于反射板的上侧，沉淀区斜壁固定在三相分离器的内壁呈正漏斗状并与反射板的上端连通，沉淀区斜壁的上侧为沉淀区，沉淀区斜壁的上侧设有倒漏斗状的集气罩，集气罩的上端与气室相连通，集气罩的侧方设有三角溢流堰，三角溢流堰固定在三相分离器的内壁上。

8.根据权利要求7所述的内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器，其特征在于：所述沉淀区斜壁与反射板的连通处夹有三相分离器导流组合筛，三相分离器导流组合筛是由上方的三相分离器导流筛板a和下方的三相分离器导流筛板b组合而成的，三相分离器导流筛板a和三相分离器导流筛板b的筛网成交错状。

9.根据权利要求1所述的内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器，其特征在于：驱动电机与气室通过法兰连接，气室与三相分离器通过法兰连接；三相分离器与导流板a通过法兰连接，导流板a与主反应区通过法兰连接，主反应区与导流板b通过法兰连接，导流板b与污泥区通过法兰连接；各部件连接的法兰处均以O型圈密封；法兰连接所用的螺栓两端皆包有硅胶密封件，所述硅胶密封件内有螺母容纳腔并且下端为内翻状底边，内翻状底边与法兰盘的接触面为粗糙面，粗糙面涂抹硅脂或凡士林。

10.一种使用如权利要求7所述的内循环式厌氧同时反硝化产甲烷反应器处理污水的方法，其特征在于：方法如下：

正向启动驱动电机，在轴流式搅拌桨的正向推流作用下循环内筒中的污水向上流动，反应外筒的污水向下流动，反应器整体内部污水呈现中间上升，四周下降的内部循环流动状态；污水首先由进水管输送到循环内筒内，循环内筒上升污水一部分经反射板反推至反应外筒内，经过微生物的厌氧同时反硝化产甲烷作用，污水中的有机物以及硝态氮等转化为甲烷和氮气；一部分由反射板导流，夹带着污水中的污泥、甲烷和氮气进入至三相分离器中，污水经沉淀区后，上清液排入三角溢流堰经出水管排出，其中污泥在沉淀区沉淀至沉淀区斜壁，再滑落至主反应区，甲烷和氮气由集气罩收集至气室中由排气管排出；

反向启动驱动电机，在轴流式搅拌桨的逆向推流作用下循环内筒中的污水向下流动，反应外筒的污水向上流动，反应器整体内部污水呈现中间下降，四周上升的内部循环流动状态；污水首先由进水管输送到循环内筒内，循环内筒中的污水经泥斗上部折流至反应外筒；反应外筒上升污水一部分经反射板反推至循环内筒中；一部分由反射板导流，夹带着污水中的污泥、甲烷和氮气进入至三相分离器中，污水经沉淀区后，上清液排入三角溢流堰经出水管排出，其中污泥在沉淀区沉淀至沉淀区斜壁，再滑落至主反应区，甲烷和氮气由集气罩收集至气室中由排气管排出。