CN113562841A - 一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及污水脱氮技术领域，公开一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，包括升流反应器，升流反应器的下部为反应区，上部为缓冲沉淀区；升流反应器位于缓冲沉淀区的顶部设有出水口，位于缓冲沉淀区的底部设有回流管，回流管远离缓冲沉淀区的一端连接至反应区的底部；升流反应器的底部通过进水管连接至水箱；升流反应器的底部设有用于搅拌升流的曝气装置；顶部设有用于溶解氧检测的溶解氧监测装置。本发明还提出一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮的方法，本发明的气升循环式短程硝化工艺具有很高的容积效能，有效提高短程硝化效能。结构简单，可有效降低溶解氧控制难度，具有很好的运行稳定性。

Description

一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置及其方法
技术领域
本发明属于污水脱氮技术领域，具体涉及一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置及其方法。
背景技术
水体中氮是引起水体富营养化的重要因素。其中敏感水体往往对水质要求比一级A排放标准更为严格，比如：京津地区对出水总氮的要求为10mg/L，欧盟污水排放标准规定，人口大于10万的城市TN限值为10mg/L等。因此，在传统污水处理后进一步深度脱氮具有重要意义。
随着生物脱氮理论与技术的发展，近些年涌现了很多新型生物脱氮工艺,短程硝化工艺及厌氧氨氧化工艺，以及它们的组合。与传统生物脱氮工艺相比，新型生物脱氮工艺具有显著的技术经济优势。在整个生物脱氮过程中，短程硝化反应,既是起始步骤，也是限速步骤，因此提高短程硝化效能至关重要。短程硝化和厌氧氨氧化工艺是高效、经济、节能的新型废水生物脱氮工艺,具有很高的开发价值。但由于其功能菌—氨氧化菌和厌氧氨氧化菌生长缓慢，对环境条件敏感，使得工艺启动困难，运行欠稳，效能偏低，因而严重影响了其研发进程。
硝化工艺是废水生物脱氮的重要环节，也是整个生物脱氮过程的限速步骤。高效短程硝化工艺是容积效能高于当前主流工艺的氨氧化工艺。因此高效的短程硝化工艺具有经济高效的潜质。
短程硝化反应装置内溶解氧需要严格控制，溶解氧过高容易使细菌活性恢复,亚硝氮转化到硝氮。溶解氧过低，反硝化菌会大量生长。主流的SBR反应器、推流反应器等溶解氧难以控制,需要进行实时监测,不仅为运行反应器带来极大不便也会造成工艺稳定性差，进而使装置失效。为此，我们提出一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置及其方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置及其方法，以解决现有工艺启动困难，运行欠稳，效能偏低的问题。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
设计一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，包括升流反应器，所述升流反应器的顶部设有用于升流收窄的导流板，所述导流板的上方设有用于分区的隔板，所述隔板将升流反应器划分为下部的反应区，上部的缓冲沉淀区；
所述升流反应器位于缓冲沉淀区的顶部设有出水口，位于缓冲沉淀区的底部设有回流管，所述回流管远离缓冲沉淀区的一端连接至反应区的底部，回流管构成外置式的降流区；
所述升流反应器的底部通过进水管连接至水箱，所述进水管上设有用于进水的水泵；
所述升流反应器的底部设有用于搅拌升流的曝气装置；
所述升流反应器的顶部设有用于溶解氧检测的溶解氧监测装置。
进一步的，所述升流反应器采用高径比为-的圆柱形反应器。
进一步的，所述缓冲沉淀区横截面呈向外延伸的锥形结构，所述出水口位于锥形结构的顶点位置上。
进一步的，所述回流管的两端设有弧形结构的过渡段。
进一步的，所述曝气装置包括分布式曝气器、气泵和流量计，所述分布式曝气器呈盘状结构，分布在升流反应器的底部内侧上，且分布式曝气器与升流反应器的内壁设有间隙，所述分布式曝气器通过曝气管连接至外置的气泵上，所述曝气管上设有所述流量计。
进一步的，所述溶解氧监测装置包括溶氧仪以及与所述溶氧仪电性相连的溶解氧探头，所述溶解氧探头设置在升流反应器的顶部。
进一步的，所述升流反应器的外壁上位于反应区设有保温夹套，所述保温夹套连接至循环水浴。
本发明还提供一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮的方法，利用所述的高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，包括如下步骤：
S1、实现短程硝化运行：向升流反应器内接种硝化细菌KS03，运行维持20天，反应期间，控制升流反应器的曝气量、进水流量和DO浓度，不控制污泥停留时间，通入确定浓度的含氮污水，每十天检测出水的亚硝氮浓度和硝氮浓度，计算并记录亚硝氮积累率；
S2、增强短程硝化运行：运行维持总时间160天，包括两个阶段，两个阶段升流反应器的曝气量和DO浓度控制不变；
其中，阶段一：第20-150天,反应器进水流量和进水氮浓度保持不变，每十天检测出水的亚硝氮浓度和硝氮浓度，计算并记录亚硝氮积累率的波动范围；
阶段二：第150-180天，逐步升高进水流量，与此同时，升高进水含氮浓度，每十天检测出水的亚硝氮浓度和硝氮浓度，计算并记录亚硝氮积累率的波动范围；
S3、短程硝化极限脱氮能力运行；运行持续70天，反应期间，主体的DO浓度控制在运行的最大浓度值，将升流反应器(1)的曝气量由步骤S2中的曝气量逐步增大，每十天检测出水的亚硝氮浓度和硝氮浓度，计算并记录亚硝氮积累率的波动范围；
S4、通过记录亚硝氮积累率的数值，绘制亚硝氮积累率随时间变化的分布图，得出污水深度脱氮的最佳曝气量、进水流量和DO浓度，并设定污水脱氮参数进行污水深度脱氮处理。
进一步的，所述升流反应器的反应温度在保温夹套的循环水浴下维持在30-35℃。
本发明提出的一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，有益效果在于：
(1)、本发明气升循环式短程硝化工艺具有很高的容积效能，平均亚硝氮积累率可达94％，有效提高短程硝化效能。
(2)、气升循环式短程硝化工艺，结构简单，可有效降低溶解氧控制难度，无需进行实时监测，具有很好的运行稳定性。
(3)、本发明工艺投入成本低，维护简单，可有效提供城市污水深度脱氮的经济效益。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明关于高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置的结构示意图；
图2是本发明关于升流反应器的内部结构示意图；
图3是本发明关于实施例中亚硝氮积累率随时间变化的分布图；
图中标记为：1、升流反应器；11、反应区；12、缓冲沉淀区；13、导流板；14、隔板；15、出水口；16、进水管；2、回流管；21、过渡段；3、水箱；31、水泵；4、分布式曝气器；41、曝气管；42、气泵；43、流量计；5、溶氧仪；51、溶解氧探头；6、保温夹套。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设有”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
现结合说明书附图，详细说明本发明的结构特点。
参见图1-2，一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，包括升流反应器1，升流反应器1采用高径比为10-15的圆柱形反应器，总体积为20L，有效体积为15L，升流反应器1的顶部设有用于升流收窄的导流板13，导流板13的上方设有用于分区的隔板14，隔板14将升流反应器1划分为下部的反应区11，上部的缓冲沉淀区12，缓冲沉淀区12横截面呈向外延伸的锥形结构，出水口15位于锥形结构的顶点位置上。
升流反应器1位于缓冲沉淀区12的顶部设有出水口15，位于缓冲沉淀区12的底部设有回流管2，回流管2的两端设有弧形结构的过渡段21，过渡段21弧形结构的设计可防止回流管2平流段的存在，避免缓冲沉淀区12的沉淀物质堵塞回流管2，回流管2远离缓冲沉淀区12的一端连接至反应区11的底部，回流管2构成外置式的降流区，脱氮装置由上下两部分构成，上部为缓冲沉淀区，下部为反应区，再由回流管2形成降流区，反应区、缓冲沉淀区、降流区，三者构成了气升循环式短程硝化装置。
升流反应器1的底部通过进水管16连接至水箱3，进水管16上设有用于进水的水泵31，水泵31用于将待处理的污水底部送入进升流反应器1内。
升流反应器1的底部设有用于搅拌升流的曝气装置，曝气装置包括分布式曝气器4、气泵42和流量计43，分布式曝气器4呈盘状结构，分布在升流反应器1的底部内侧上，且分布式曝气器4与升流反应器1的内壁设有间隙，分布式曝气器4通过曝气管41连接至外置的气泵42上，曝气管41上设有流量计43，流量计43用于控制气体通量，在升流反应器1内起到搅拌升流的作用。
升流反应器1的顶部设有用于溶解氧检测的溶解氧监测装置，溶解氧监测装置包括溶氧仪5以及与溶氧仪5电性相连的溶解氧探头51，溶解氧探头51设置在升流反应器1的顶部，溶解氧探头51用于检测经过反应区11后污水中的溶解氧含量。
升流反应器1的外壁上位于反应区11设有保温夹套6，保温夹套6连接至循环水浴，即保温夹套6通过管道与保温水箱相连。目的在于控制反应器的反应温度维持在30-35℃。
本发明的高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，气升循环式短程硝化工艺具有很高的容积效能，平均亚硝氮积累率可达94％，有效提高短程硝化效能，另一方面，气升循环式短程硝化工艺，结构简单，可有效降低溶解氧控制难度，无需进行实时监测，具有很好的运行稳定性，可减少工艺投入，降低污水脱氮处理成本，维护简单，可有效提供城市污水深度脱氮的经济效益。
具体地，使用时，将污水通过进水管16送入至升流反应器1内，并在升流反应器1内接种硝化细菌，进入的污水在分布式曝气器4的作用下与回流污水进行搅拌升流，并在升流过程中由回流污水中的硝化细菌进行硝化反应，实现短程硝化，经过缓冲沉淀区进行沉淀后，部分溶液从出水口15排出，另一部分经回流管2回流进入下一次循环硝化反应。
实施例1
本发明还提出一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮的方法，
模拟废水的配方：硫酸铵和碳酸氢钠均按需添加，KH2PO4 CaCl2、MgSO4、微量元素1ml/L(Na2-EDTA 20g/l、FeSO4 5g/l、NiCl·6H2O 0.25g/l、NaSeO4.10H2O 0.2g/l、H3BO40.01g/l、MnCl2 4H2O 1g/l、CuSO4.5H2O 0.02g/l、ZnSO4.7H2O 0.5g/l、NaMoO4.2H20 0.1g/l)。
升流反应器1的接种菌株为硝化细菌KS03。
装置运行周期为220天，主要分为三个阶段(S1、S2、S3)。
S1、第一阶段运行维持20天，主要目标即实现短程硝化。反应期间，控制反应器曝气量0.35L/min,控制进水流量水力停留时间HRT＝1.2h，反应器进水流量保持20L/d，不控制污泥停留时间(SRT)，DO浓度控制0.5mg O2/L。当进水氨氮浓度为300mg N/L，出水的亚硝态氮达到230mg N/L,出水硝氨浓度为10mg N/L，亚硝氮积累率达到92％。
S2、第二阶段,运行维持总时间160天，主要目标是增强短程硝化，控制反应器曝气量0.45L/min，DO浓度控制0.6mg O2/L。
其中，第20-150天,反应器进水流量保持20L/d不变,进水氨氮浓度为350mg N/L。出水亚硝氮浓度由220mg N/L逐渐升高到300.5mg N/L，出水硝氮浓度同步上升至19.3mgN/L。亚硝氮积累率波动于75％-95％之间，略低于第一阶段的水平。
第150-180天，进水流量逐步升高至45L/d，与此同时，进水氨氮浓度为385mg N/L。出水亚硝氮浓度为280mg N/L。出水硝氮浓度降至10mg N/L。亚硝氮积累率回升至95.5％。短程硝化性能得到显著强化。
S3、第三阶段，运行持续70天，主要目标是探明短程硝化极限脱氮能力。反应期间，逐步将反应器曝气量增大至1L/mi n，主体的DO浓度控制在1mg O2/L。出水亚硝氮浓度由300mg N/L逐渐升高到500mg N/L，出水硝氮浓度同步上升至10.3mg N/L。亚硝氮积累率至93.5％。说明该装置已经达到最大处理效能。
由亚硝氮积累率随时间变化的分布图(参见图3)，得出污水深度脱氮的最佳控制反应器曝气量为0.45L/min，DO浓度控制为0.6mg O2/L，进水流量为45L/d，出水硝氮浓度降至10mg N/L。亚硝氮积累率回升至95.5％。
结论，1、该气升循环式短程硝化工艺具有很高的容积效能。平均亚硝氮积累率可达94％。2、气升循环式短程硝化工艺具有很好的运行稳定性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，包括升流反应器(1)，其特征在于，所述升流反应器(1)的顶部设有用于升流收窄的导流板(13)，所述导流板(13)的上方设有用于分区的隔板(14)，所述隔板(14)将升流反应器(1)划分为下部的反应区(11)，上部的缓冲沉淀区(12)；
所述升流反应器(1)位于缓冲沉淀区(12)的顶部设有出水口(15)，位于缓冲沉淀区(12)的底部设有回流管(2)，所述回流管(2)远离缓冲沉淀区(12)的一端连接至反应区(11)的底部，回流管(2)构成外置式的降流区；
所述升流反应器(1)的底部通过进水管(16)连接至水箱(3)，所述进水管(16)上设有用于进水的水泵(31)；
所述升流反应器(1)的底部设有用于搅拌升流的曝气装置；
所述升流反应器(1)的顶部设有用于溶解氧检测的溶解氧监测装置。
2.根据权利要求1所述的一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，其特征在于，所述升流反应器(1)采用高径比为10-15的圆柱形反应器。
3.根据权利要求1所述的一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，其特征在于，所述缓冲沉淀区(12)横截面呈向外延伸的锥形结构，所述出水口(15)位于锥形结构的顶点位置上。
4.根据权利要求1所述的一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，其特征在于，所述回流管(2)的两端设有弧形结构的过渡段(21)。
5.根据权利要求1所述的一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，其特征在于，所述曝气装置包括分布式曝气器(4)、气泵(42)和流量计(43)，所述分布式曝气器(4)呈盘状结构，分布在升流反应器(1)的底部内侧上，且分布式曝气器(4)与升流反应器(1)的内壁设有间隙，所述分布式曝气器(4)通过曝气管(41)连接至外置的气泵(42)上，所述曝气管(41)上设有所述流量计(43)。
6.根据权利要求1所述的一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，其特征在于，所述溶解氧监测装置包括溶氧仪(5)以及与所述溶氧仪(5)电性相连的溶解氧探头(51)，所述溶解氧探头(51)设置在升流反应器(1)的顶部。
7.根据权利要求1所述的一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，其特征在于，所述升流反应器(1)的外壁上位于反应区(11)设有保温夹套(6)，所述保温夹套(6)连接至循环水浴。
8.一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮的方法，利用权利要求1-7任一项所述的高效短程硝化的城市污水深度脱氮装置，其特征在于，包括如下步骤：
S1、实现短程硝化运行：向升流反应器(1)内接种硝化细菌KS03，运行维持20天，反应期间，控制升流反应器(1)的曝气量、进水流量和DO浓度，不控制污泥停留时间，通入确定浓度的含氮污水，每十天检测出水的总氮浓度，计算并记录总氮积累率；
S2、增强短程硝化运行：运行维持总时间160天，包括两个阶段，两个阶段升流反应器(1)的曝气量和DO浓度控制不变；
其中，阶段一：第20-150天,反应器进水流量和进水氮浓度保持不变，每十天检测出水的总氮浓度，计算并记录总氮积累率的波动范围；
阶段二：第150-180天，逐步升高进水流量，与此同时，升高进水含氮浓度，每十天检测出水的总氮浓度，计算并记录总氮积累率的波动范围；
S3、短程硝化极限脱氮能力运行；运行持续70天，反应期间，主体的DO浓度控制在运行的最大浓度值，逐步将升流反应器(1)的曝气量由步骤S2中的曝气量增大，每十天检测出水的总氮浓度，计算并记录总氮积累率的波动范围；
S4、通过记录总氮积累率的数值，绘制总氮积累率随时间变化的分布图，得出污水深度脱氮的最佳曝气量、进水流量和DO浓度，并设定污水脱氮参数进行污水深度脱氮处理。
9.根据权利要求8所述的一种高效短程硝化的城市污水深度脱氮的方法，其特征在于，所述升流反应器(1)的反应温度在保温夹套(6)的循环水浴下维持在30-35℃。
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