CN110746035B - 污水脱氮反应器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了污水脱氮反应器及其控制方法，该反应器包括依次连通的脱氧池和脱氮池，脱氧池中设置海绵铁滤床，用于使得进入脱氮池的污水溶解氧满足缺氧环境要求。脱氮池中包括设置于池内上部的接触滤床，和设置于池内底部膜池中的超滤膜，脱氮池的顶部开设甲烷气体进气口，使进入所述脱氮池内的污水以甲烷气体为碳源和电子供体，经过所述接触滤床和超滤膜后对污水进行脱氮。本发明能利用污水、污泥及其他有机废弃物的厌氧反应过程产生的低品位甲烷气体作为碳源，实现污水的脱氮，减少了温室气体甲烷的排放，降低了运行碳源药剂的成本。

Description

污水脱氮反应器及其控制方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其是涉及一种污水脱氮反应器及其控制方法。

背景技术

水体中的氮、磷营养元素是引起水体富营养化的主要诱因。其中，水体中的氮主要来自排入水体的污水。因此，去除污水中的氮是改善水环境的重要途径。

目前，污水处理脱氮的主流工艺采用缺氧-好氧生物脱氮方法，其主要包括三个步骤：第一步，含氮有机化合物在微生物的作用下首先分解转化为氨态氮，即“氨化反应”；第二步，在好氧条件下，硝化菌把氨氮转化为硝酸盐，即“硝化反应”；第三步，在缺氧条件下，反硝化菌以污水中的有机物(碳源)为电子受体，把硝酸盐转化为氮气，从污水中去除，即“反硝化反应”。根据生物脱氮的原理，当待处理的污水中的碳氮比不足时，需要加入有机碳源，才能有效脱氮。常见的有机碳源包括乙酸钠、葡萄糖、甲醇等药剂。其不足首先在于，投加的购置药剂增大了污水处理的运行成本。其次，为了充分脱氮，有机碳源的投加往往存在投加过量的风险，造成出水COD或BOD超标。

甲烷是一种值得关注的温室气体，其温室效应是二氧化碳的21倍。污水、污泥及其他有机废弃物的生物处理过程是甲烷气体的重要人为排放源，值得关注。甲烷的利用途径主要是作为燃料，直接利用其燃烧产生的热能或进一步转化为电能。但其规模化利用往往需要一定规模，并需要昂贵的提纯设备和高昂的运行成本。

近年来，研究人员通过厌氧甲烷氧化反硝化的富集物，证实了自然界存在厌氧甲烷氧化反硝化过程。该过程为污水的脱氮处理提供了一条理论上可行的工艺路线，但该领域目前仍处于机理和小试研究阶段，尚无可靠的脱氮反应器及运行方法。其困难至少包括：厌氧甲烷氧化微生物对厌氧环境要求较为严格，常规工艺富集困难，甲烷在液相中传质不足等。

发明内容

本发明的目的是提供一种污水脱氮反应器及其控制方法，用以解决现有技术中存在的上述问题。

为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

污水脱氮反应器，包括脱氧池和脱氮池，所述脱氧池中设置海绵铁滤床，所述脱氧池的出水口与脱氮池的进水口通过排放管路连接，使脱氧池中经过海绵铁滤床脱除了溶解氧后的污水进入所述脱氮池中；所述脱氮池中包括设置于池内上部的接触滤床，和设置于池内底部膜池中的超滤膜，所述脱氮池的顶部开设甲烷气体进气口，使进入所述脱氮池内的污水以甲烷气体为碳源和电子供体，经过所述接触滤床和超滤膜后对污水进行脱氮。

进一步地，所述脱氧池内还包括内循环管路、溶解氧传感器和第一液位计，所述溶解氧传感器对脱氧池内污水中的氧气含量进行采集，所述第一液位计对脱氧池内的液位信息进行采集，所述内循环管路上设置循环阀。

进一步地，所述脱氮池内还包括循环布水管路和第二液位计，所述循环布水管路连通所述脱氮池的出水口和进水口，所述脱氮池的进水口连接布水管，使进入所述脱氮池内的污水均匀分布至所述接触滤床上，且循环布水管路上设置循环布水泵，使进入所述脱氮池内的污水在脱氮池内反复循环布水；所述第二液位计对脱氮池内的液位信息进行采集；

所述脱氮池内还设置压力计，并在所述甲烷气体进气口上配设压力调节阀，使进入所述脱氮池的甲烷气体的绝对压力保持在1个大气压。

进一步地，所述脱氮池内还包括循环曝气管路，所述循环曝气管路上设置循环曝气泵，所述循环曝气管路的进气端位于所述接触滤床上方的甲烷气体进气口处，出气端设置曝气器，且曝气器位于所述膜池内的超滤膜下方，使所述接触滤床上方的甲烷混合气体通过曝气器实现膜池的曝气和对超滤膜的吹扫。

进一步地，还包括出水池，所述出水池进水口与所述脱氮池的出水口通过出水管路连通，且出水管路上设置产水泵；

所述出水池的出水口连接出水管，所述出水管上设置出水阀；所述出水池内还设置第三液位计，所述第三液位计对出水池内的液位信息进行采集。

进一步地，还包括反洗管道，所述反洗管道的进液端位于所述出水池内，出液端位于所述脱氮池内的接触滤床下方，且反洗管道上设置反洗阀；所述脱氮池内设置甲烷传感器，且池内顶部开设排气口。

本发明还提供一种如前述的污水脱氮反应器的控制方法，包括，将曝气和硝化后的尾水通入脱氧池中，经过海绵铁滤床的处理后，其中溶解氧的含量达到设定标准的污水进入脱氮池，并在脱氮池内反复循环，使经过膜池内超滤膜的污水反复回流通过进水口分布到接触滤床上，经过接触滤床及其内部表面的微生物，以甲烷气体为碳源和电子供体，将污水中的硝态氮转化为氮气，完成脱氮，最后将脱氮池内的污水排至出水池。

进一步地，还包括，在所述脱氧池内，当所述溶解氧传感器采集到的氧气含量超过设定阈值时，循环阀开启，所述脱氧池中的污水通过所述内循环管路从出水口回流至进水口，使污水反复经过海绵铁滤床，以降低污水中的溶解氧含量；当所述溶解氧传感器采集到的氧气含量低于设定阈值时，所述循环管路上的循环阀关闭，设置于所述排放管路上的脱氮池排放阀开启，污水进入所述脱氮池。

进一步地，还包括：

在所述脱氮池中，当所述脱氮池内的液位超过所述第二液位计的设定最高液位时，所述产水泵启动，使膜池内的污水经过超滤膜过滤后，排入所述出水池中；

在所述出水池中，当所述出水池内的水位超过所述第三液位计的设定最高液位时，所述出水阀开启，出水池中的水通过出水管排出，至水位下降至所述第三液位计的设定最低液位。

进一步地，还包括反洗步骤：

所述反洗步骤包括，当所述甲烷传感器检测到脱氮池内的甲烷气体浓度低于设定阈值时，关闭所述出水管上的出水阀，开启所述反洗管道上的反洗阀，通过反洗管道将出水池中的水回流至脱氮池内，同时开启所述排气口，关闭所述甲烷气体的进气口，将脱氮池内的低纯度甲烷气体排出，同时脱氮池内的液位上升，对所述接触滤床进行反洗；

当所述脱氮池内的液位升高至所述第二液位计的设定最高液位时，开启脱氧池内的循环阀和所述排放管路上的脱氮池排放阀，使反洗的污水回流至脱氧池，当从所述脱氮池回流至脱氧池内的液位超过所述第一液位计的设定最高液位时，关闭所述反洗阀，完成反洗过程。

本发明的有益效果在于：

(1)能利用污水、污泥及其他有机废弃物的厌氧反应过程产生的低品位甲烷气体作为碳源，实现污水的脱氮，减少了温室气体甲烷的排放。

(2)减少了常规有机碳源的投加量或不需要再投加常规碳源，降低了运行碳源药剂成本。

(3)以甲烷作为碳源不存在常规碳源投加过量，造成出水COD(或BOD)超标的风险。

(4)以超滤膜为出水，能够显著控制因悬浮物、大分子物质对出水水质的影响，进一步改善出水水质。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的污水脱氮反应器结构及工艺示意图；

图2是本发明在反洗过程即将结束时的状态图；

图3本发明在反洗完成重新充气时的状态图。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1-3所示，说明本发明的污水脱氮反应器，包括脱氧池1和脱氮池2，所述脱氧池1中设置海绵铁滤床11，所述脱氧池1的出水口与脱氮池的进水口通过排放管路16连接，使脱氧池1中经过海绵铁滤床11脱除了溶解氧后的污水进入所述脱氮池2中；所述脱氮池2中包括设置于池内上部的接触滤床22，和设置于池内底部膜池23中的超滤膜23a，所述脱氮池2的顶部开设甲烷气体进气口21e，使进入所述脱氮池2内的污水以甲烷气体为碳源和电子供体，经过所述接触滤床22和超滤膜23a后对污水进行脱氮，其中，脱氧池1的进水为经过曝气和硝化的尾气，如好氧池及二沉池的出水。

本发明中，该污水脱氮反应器中的脱氧池1用于对脱氮反应器的进水进行处理，使得进入脱氮池2的污水溶解氧满足缺氧环境要求，通过循环脱氧系统，实现了污水中溶解氧的去除，保障了后续脱氮的溶解氧环境。脱氮池2用于以甲烷气体为碳源和电子供体，对污水进行脱氮。具体的，通过利用超滤膜23a在液相中截留并富集甲烷厌氧反硝化菌，提高微生物浓度，强化脱氮反应；同时，采用以甲烷为气相的滴滤系统，加强了甲烷到液相的传质，克服了甲烷在水中溶解度偏低的不足，单纯在液相中曝气传质不足的问题；另外，通过采用一种序批方式运行的反应器系统，每个周期内对反应器中的甲烷进行循环利用，保障了甲烷的利用效率。

在一种优选的实施方式中，所述脱氧池1内还包括内循环管路15和溶解氧传感器13，所述溶解氧传感器13对脱氧池1内污水中的氧气含量进行采集，所述内循环管路15上设置循环阀15a，具体的，上述内循环管路15和排放管路16上设置循环水泵12；当所述溶解氧传感器13采集到的氧气含量超过设定阈值时，水泵启动，循环阀15a开启，所述脱氧池1中的污水通过所述内循环管路15从出水口回流至进水口，使污水反复经过海绵铁滤床11，以降低污水中的溶解氧含量；当所述溶解氧传感器13采集到的氧气含量低于设定阈值时，所述内部循环管路15上的循环阀15a关闭，设置于所述排放管路16上的脱氮池排放阀16a开启，污水进入所述脱氮池2。

在一种优选的实施方式中，所述脱氮池2内还包括循环布水管路，所述循环布水管路连通所述脱氮池2的出水口和进水口，且循环布水管路上设置循环布水泵21b，使经过所述膜池23内超滤膜23a的污水反复回流通过进水口分布到接触滤床22上，经过接触滤床22及其内部表面的微生物，以甲烷气体为碳源和电子供体，将污水中的硝态氮转化为氮气，实现脱氮。

本实施方式中，脱氮池2采用序批的工作方式。优化地，首次运行前向脱氮池2中投加厌氧污泥至污泥浓度不少于4000mg/L，或投入经过富集的厌氧甲烷氧化菌，以加快启动。另外，上述脱氮池2除进水、出水、进气和排气。脱氮池2均不与外部连通，以确保脱氮池2内甲烷气体不会泄露到大气中，也不会使大气中的氧气进入脱氮池2。且由于接触滤床22的表面积大，提高了甲烷气体向污水的传质效率。

在一种优选的实施方式中，所述脱氮池2内还包括循环曝气管路，所述循环曝气管路上设置循环曝气泵23b，所述循环曝气管路的进气端位于所述接触滤床22上方的甲烷气体进气口21e处，出气端设置曝气器23c，且曝气器23c位于所述膜池23内的超滤膜23a下方。

在脱氮池2工作时，通过循环曝气泵23b，使所述接触滤床22上方的甲烷混合气体通过曝气器23c实现膜池23的曝气和对超滤膜23a的吹扫。

在一种优选的实施方式中，还包括出水池3，所述出水池3进水口与所述脱氮池2的出水口通过出水管路连通，且出水管路上设置产水泵23d，所述脱氮池2内还设置第二液位计21g，当所述脱氮池2内的液位超过所述第二液位计21g的设定最高液位时，所述产水泵23d启动，使膜池23内的污水经过超滤膜23a过滤后，排入所述出水池3中。

本实施方式中，出水池3用于暂存经过过滤的出水、将暂存的水排出本脱氮反应器，或将暂存的水回流至脱氮池2。当脱氮池2需要进行下一轮循环操作时，进水前(如脱氧池1完成脱氧)，或需要排水时(如脱氮池2液位较高)，产水泵23d启动，膜池23内的污水经超滤膜23a过滤后，排入后续出水池3。

在一种优选的实施方式中，所述出水池3内还设置第三液位计32，出水池3的出水口连接出水管31c，所述出水管31c上设置出水阀31a；当所述出水池3内的水位超过所述第三液位计32的设定最高液位时，所述出水阀31a开启，出水池3中的水通过出水管31c排出，至水位下降至所述第三液位计32的设定最低液位。

在一种优选的实施方式中，还包括反洗管道31d，所述反洗管道31d的进液端位于所述出水池3内，出液端位于所述脱氮池2内的接触滤床22下方，且反洗管道31d上设置反洗阀31b，具体地，出水管31c和反洗管道31d上均设有出水泵31。所述脱氮池2内设置甲烷传感器21a，且池内顶部还开设排气口21f，排气口21f上设置排气阀21d；当所述甲烷传感器21a检测到脱氮池2内的甲烷气体浓度低于设定阈值时，关闭所述出水管31c上的出水阀31a，开启所述反洗管道31d上的反洗阀31b，水泵启动，通过反洗管道31d将出水池3中的水回流至脱氮池2内，同时开启所述排气口21f，关闭所述甲烷气体进气口21e，将脱氮池2内的低纯度甲烷气体排出，同时脱氮池2内的液位上升，对所述接触滤床22进行反洗；

当所述脱氮池2内的液位升高至所述第二液位计21g的设定最高液位时，开启脱氧池1内的循环阀15a和所述排放管路16上的脱氮池排放阀16a，使反洗的污水回流至脱氧池1，所述脱氧池1内设置第一液位计14，当从所述脱氮池2回流至脱氧池1内的液位超过所述第一液位计14的设定最高液位时，关闭所述反洗阀31b，水泵停止运行，完成反洗过程。

本实施方式为该脱氮反应器的反洗过程，具体如图2-3所示，图2是反洗过程即将结束时的状态图，图3是反洗完成重新充气时的状态图。其中优选的，从脱氮池2内排出的低纯度甲烷气体经尾气燃烧器点燃再排入大气。当反洗完成，水泵停止运行后，开启甲烷气体进气口21e，并关闭排气口21f，通过启动产水泵23d将脱氮池2内的水排放至出水池3，通过甲烷气体进气口21e向脱氮池2内充入新的甲烷气体，进行下一次工作循环。

在一种优选的实施方式中，所述脱氮池2的进水口连接布水管21，使进入所述脱氮池2内的污水均匀分布至所述接触滤床22上。

在一种优选的实施方式中，所述脱氮池2内还设置压力计21h，并在所述甲烷气体进气口21e上配设压力调节阀21c，使进入所述脱氮池2的甲烷气体的绝对压力保持在1个大气压。

另外，优选的，为了使脱氧池足以容纳反洗时从出水池经脱氮池回流来的水，上述脱氧池在第一液位计的高液位之上具有一定缓冲容积，该容积大于出水池在第三液位计的高液位和低液位之间的容积。

为了使反洗时出水池回流至脱氮池的水足以达到脱氮池的第二液位计的最高液位，上述出水池在第三液位计的高液位和低液位之间的容积大于脱氮池中膜池液面上方的空余容积。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.污水脱氮反应器，其特征在于：包括脱氧池和脱氮池，所述脱氧池中设置海绵铁滤床，所述脱氧池的出水口与脱氮池的进水口通过排放管路连接，使脱氧池中经过海绵铁滤床脱除了溶解氧后的污水进入所述脱氮池中；所述脱氮池中包括设置于池内上部的接触滤床，和设置于池内底部膜池中的超滤膜，所述脱氮池的顶部开设甲烷气体进气口，使进入所述脱氮池内的污水以甲烷气体为碳源和电子供体，经过所述接触滤床和超滤膜后对污水进行脱氮；

所述脱氧池内还包括内循环管路、溶解氧传感器和第一液位计，所述溶解氧传感器对脱氧池内污水中的氧气含量进行采集，所述第一液位计对脱氧池内的液位信息进行采集，所述内循环管路上设置循环阀；

所述脱氮池内还包括循环布水管路和第二液位计，所述循环布水管路连通所述脱氮池的出水口和进水口，所述脱氮池的进水口连接布水管，使进入所述脱氮池内的污水均匀分布至所述接触滤床上，且循环布水管路上设置循环布水泵，使进入所述脱氮池内的污水在脱氮池内反复循环布水；所述第二液位计对脱氮池内的液位信息进行采集；

所述脱氮池内还设置压力计，并在所述甲烷气体进气口上配设压力调节阀，使进入所述脱氮池的甲烷气体的绝对压力保持在1个大气压；

所述脱氮池内还包括循环曝气管路，所述循环曝气管路上设置循环曝气泵，所述循环曝气管路的进气端位于所述接触滤床上方的甲烷气体进气口处，出气端设置曝气器，且曝气器位于所述膜池内的超滤膜下方，使所述接触滤床上方的甲烷混合气体通过曝气器实现膜池的曝气和对超滤膜的吹扫；

还包括出水池，所述出水池进水口与所述脱氮池的出水口通过出水管路连通，且出水管路上设置产水泵；

所述出水池的出水口连接出水管，所述出水管上设置出水阀；所述出水池内还设置第三液位计，所述第三液位计对出水池内的液位信息进行采集；

还包括反洗管道，所述反洗管道的进液端位于所述出水池内，出液端位于所述脱氮池内的接触滤床下方，且反洗管道上设置反洗阀；所述脱氮池内设置甲烷传感器，且池内顶部开设排气口。

2.如权利要求1所述的污水脱氮反应器的控制方法，其特征在于包括，将曝气和硝化后的尾水通入脱氧池中，经过海绵铁滤床的处理后，其中溶解氧的含量达到设定标准的污水进入脱氮池，并在脱氮池内反复循环，使经过膜池内超滤膜的污水反复回流通过进水口分布到接触滤床上，经过接触滤床及其内部表面的微生物，以甲烷气体为碳源和电子供体，将污水中的硝态氮转化为氮气，完成脱氮，最后将脱氮池内的污水排至出水池。

3.根据权利要求2所述的污水脱氮反应器的控制方法，其特征在于：还包括，在所述脱氧池内，当所述溶解氧传感器采集到的氧气含量超过设定阈值时，循环阀开启，所述脱氧池中的污水通过所述内循环管路从出水口回流至进水口，使污水反复经过海绵铁滤床，以降低污水中的溶解氧含量；当所述溶解氧传感器采集到的氧气含量低于设定阈值时，所述循环管路上的循环阀关闭，设置于所述排放管路上的脱氮池排放阀开启，污水进入所述脱氮池。

4.根据权利要求3所述的污水脱氮反应器的控制方法，其特征在于：还包括，

在所述脱氮池中，当所述脱氮池内的液位超过所述第二液位计的设定最高液位时，所述产水泵启动，使膜池内的污水经过超滤膜过滤后，排入所述出水池中；

在所述出水池中，当所述出水池内的水位超过所述第三液位计的设定最高液位时，所述出水阀开启，出水池中的水通过出水管排出，至水位下降至所述第三液位计的设定最低液位。

5.根据权利要求4所述的污水脱氮反应器的控制方法，其特征在于：还包括反洗步骤，

所述反洗步骤包括，当所述甲烷传感器检测到脱氮池内的甲烷气体浓度低于设定阈值时，关闭所述出水管上的出水阀，开启所述反洗管道上的反洗阀，通过反洗管道将出水池中的水回流至脱氮池内，同时开启所述排气口，关闭所述甲烷气体的进气口，将脱氮池内的低纯度甲烷气体排出，同时脱氮池内的液位上升，对所述接触滤床进行反洗；

当所述脱氮池内的液位升高至所述第二液位计的设定最高液位时，开启脱氧池内的循环阀和所述排放管路上的脱氮池排放阀，使反洗的污水回流至脱氧池，当从所述脱氮池回流至脱氧池内的液位超过所述第一液位计的设定最高液位时，关闭所述反洗阀，完成反洗过程。

Images