CN114538617B - 一种用于污/废水深度脱氮的全自动处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于污/废水深度脱氮的全自动处理装置，包括自动进水系统、文丘里充氧系统和亚硝化/氨氧化生物脱氮系统。自动进水系统中进水管连接储水箱入水口，水力控制阀门固定在储水箱内，阀门底部与储水箱底部出水口相连，储水箱底部出水口与倒“Y”型输送管入口端相连；文丘里充氧系统包括文丘里管和“L”型布水管；生物净化系统被折流板分成亚硝化区‑过渡区‑厌氧氨氧化区，各个区均安装生物填料。本发明的主要特点是：利用力平衡原理设计水力控制阀门实现对储水箱内废水的自动定量进水，再利用高位差所产生的流速在废水流经文丘里管时吸入空气实现对微生物的供氧。本发明全过程无电能消耗，可全自动运行，能降低运行和管理成本。
Description
技术领域
本发明属于污/废水深度脱氮处理，具体涉及一种全自动无能耗的污/废水自动输送、自动充氧及生物脱氮处理的装置。
背景技术
随着污水排放标准的提高，我国城镇污水处理厂对出水中氮浓度的要求越来越严格；而且在城市或乡村黑臭水体的治理过程中，氨氮也是唯一一个需要处理的指标；对黑臭水体的定义中，当氨氮浓度在8～15mg/L时，为轻度黑臭；而氨氮浓度>15mg/L时，属于重度黑臭；根据文献发现，大部分的黑臭水体中COD浓度一般都在100mg/L以下，而氨氮浓度则在4mg/L以上，最高达到了 48.4mg/L，总氮浓度基本都在10mg/L以上，最高为50.1mg/L，这两个值都远高于GB3838-2002中地表水V类相关的标准值2.0mg/L。与其他可供选择的污/废水脱氮方法(吹脱、折点氯化和离子交换)相比较，生物脱氮技术通常成本较低且应用更为普遍。
在各级政府多管齐下，城市黑臭水体和生活污水的处理取得了一定的成绩，截至2020年底，全国地级及以上城市黑臭水体消除率达到 98.2％，但由于农村地区排水设施建设不完善导致的雨污混流现象使得农村污水大多具有低污染低碳氮比(C/N)的特点，在采用传统生物法处理农村生活污水时，碳源不足会导致微生物反硝化作用被严重抑制，大大降低生物脱氮效率，因此在县级城市以及农村地区黑臭水体或生活污水的处理效果不太理想；开展农村人居环境整治提升行动，稳步解决乡村黑臭水体等突出环境问题。
农村污水中含有大量的营养元素氮，如果直接排放到河流和湖泊中，会造成水体富营养化，引起藻类的大量繁殖，从而降低水质和水体生物多样性，对水体生态和经济产生很大的危害。目前，我国大部分农村地区对于黑臭水体或生活污水的处理方式主要是仿照城市污水的集中式进行处理，利用泵、管道等汇集到乡镇的污水处理厂或一些集中处理的一体化污水处理设施，采用A2/O 工艺、A/O+MBR模式去除黑臭水体或生活污水中的氨氮及其他污染物，但因农村人居比较分散、经济条件相对落后，故存在着实际处理成本及人工管理成本过高，维护不便等多种问题，导致了现有的一体化污水处理设备或设施实际运行非常困难，处理效果不理想，特别是对污水的氨氮或总氮往往难以实现达标排放的要求。
针对乡村黑臭水体或农村生活污水的DO含量低、氨氮浓度高、有机物浓度相对偏低等特征，研发了本新型设备，其作用原理是借鉴CANON工艺的特点，在亚硝酸盐氧化菌(Nitrite oxidizing bacteria，NOB)和氨氧化菌(Ammonia oxidizing bacteria，AOB)的共同作用下，在一体化的设备内将污/废水中的 NH4 +-N最终转化为N2释放出来，即NH4 +→NO2 -→N2，达到污/废水深度脱氮的目的；与传统脱氮工艺(硝化-反硝化)相比，本处理工艺可削减85％需氧量，90％碳源和83％污泥量。但在CANON工艺中，污/废水的氨氮转化为亚硝化氮需进行曝气充氧过程；据调研，现今市场常见的曝气装置有微孔曝气、机械曝气和射流曝气三大类，其中最常用的是微孔曝气、机械曝气；微孔曝气是通过鼓风机向污水供气，在扩散装置处将所提供的气体分割成微小气泡进入水体中，部分氧气被污水中的微生物吸收利用，微孔曝气鼓风量较大，产生的气泡较小且氧利用率高，但存在着管理和维护相对困难，在农村地区不利于检修等问题；机械曝气是指借助机械设备(如叶片、叶轮等)使活性污泥曝气池中污/废水和污泥充分混合，并使混合液液面不断更新与空气接触，来增加水中的溶解氧，这种曝气方法无需建造鼓风机房、设备简单、需要布设的管道与曝气头也较少等优点，但仍存在着能耗高，可调节性低且运营维护费成本较高、维修困难等缺陷。此外，据文献调研，实现污/废水深度脱氮过程中，氨氮的部分亚硝化和维持亚硝化比例是技术难点；而曝气方式改变可以有效抑制NOB，在缺氧条件下突然曝气，AOB可立刻适应并快速生长，但NOB则需要经过一段时间的恢复才能快速生长，由此可见，间歇曝气在维持亚硝化性能方面至关重要，厌氧时间对于NOB的抑制是积累亚硝酸盐的关键，也是实现污/废水深度脱氮的关键。
综上所述，要解决污/废水，特别是县/乡村污水的深度脱氮问题，则至少需要做到以下三个方面：第一，污/废水脱氮新设备能为亚硝化菌和氨氧化菌提供适宜的工作和生存环境，并能为亚硝化过程的稳定运行提供间歇式曝气条件；第二，新设备能满足部分氨氮转化为亚硝化氮所需要的曝气量；第三，新设备需做到低能耗、低运营和维护成本。为此，本专利设计了一种能实现低能耗间歇进水和充氧的自动深度脱氮处理设备，该设备能在无人值守、无外加动力和外加曝气设备的情况下，达到自动有效去除污/废水中氨氮和总氮的目的，设备具有结构简单、能耗低、维护方便等优势，可在县或乡村黑臭水体和农村分散式生活污水治理中得到广泛应用。
发明内容
本发明目的在于巧妙地利用水力控制阀门部件定量控制储水箱内水量，实现自动间歇进水和充氧。当污/废水通过进水管进入储水箱，储水箱内水位达到一定高度后，利用浮力使水力控制阀门自动打开，利用水箱水位的高差实现污/废水的满管流输送进入出水管，将污/废水的重力势能转化为动能，实现污/废水的自动输送，无需再外设水泵输送装置；当储水箱水位下降至浮力小于水力控制阀门的重力时，水力控制阀门自动关闭，即完成一个周期的自动间歇进水控制。通过在储水箱底部的出水管末端设置文丘里射流管，使得具有一定速度的满管流污/废水流经文丘里射流管时因变径产生负压实现吸收空气；然后再通过管道将空气和水的混合液输送至亚硝化生物反应区内，间歇性地为亚硝化菌提供所需的氧气，达到氨氮部分转化为亚硝化氮的目的；经亚硝化处理后的污/废水再逐步流经过渡区和氨氧化区，通过氨氧化菌的作用有效去除污/ 废水中氨氮和总氮，实现污/废水深度脱氮的目标。新设备摆脱传统水处理工艺中依赖水泵和曝气装置实现输送和充氧的作用，整个过程全自动化运行，可以借助地势的高差，实现完全无电能消耗。
本发明目的是通过如下的技术方案来实现的：包括自动进水系统、文丘里充氧系统和亚硝化/氨氧化生物脱氮系统。其特征在于：所述自动进水系统中进水管连接储水箱进水口，水力控制阀门通过支撑件固定于储水箱内，水力控制阀门底部与储水箱底部出水口相连，储水箱底部出水口与倒“Y”型输水管道入口端相连；文丘里射流管上端与倒“Y”型输水管末段相连，文丘里射流管下端连接“L”型布水管道，该管道通过管道末端的小孔在亚硝化/氨氧化生物脱氮系统的进水区内释放气水混合液；亚硝化/氨氧化生物脱氮系统中被竖直隔板分隔成亚硝化区-过渡区-氨氧化区，每个区域内都设有固定化的软性填料，各分区之间通过复合板连接，每个区域的底部两端设置有450斜板；在后四个氨氧化区顶端上设置有排气管，最后一个氨氧化区的出水口设置有溢流堰。
所述水力控制阀门由储液盒、支撑件、连接杆、导杆、导轨、万向节组成。利用浮力使得在有一定高度的水位时阀门自动打开，在水位下降至小于水力控制阀门的重力时自动关闭，实现自动控制。
所述文丘里射流管利用满管的水流在文丘里射流管的混合口处因变径产生负压，从而实现吸入空气达到充氧的目的。
所述文丘里射流管位于亚硝化生物反应进水区的上端，防止因文丘里射流管内水流速度小，导致水流从吸气口流出。
所述亚硝化/氨氧化生物脱氮系统被竖直隔板分隔成亚硝化区-过渡区-氨氧化区，三大区域体积比为亚硝化区：过渡区：厌氧氨氧化区＝2:1:3；
所述亚硝化/氨氧化生物脱氮系统的亚硝化区、过渡区和氨氧化区内都分别设有附着亚硝化菌、氨氧化菌的固定化软性填料。
所述亚硝化/氨氧化生物脱氮系统的出水口设有溢流堰，实现均匀出水。
所述固定化填料为直径110mm的软性填料。
与现有技术相比，本发明提供的一种用于污/废水深度脱氮的全自动处理装置，具有如下的优点和效果：
1.设计水力控制阀门实现整个系统自动间歇式进水，进水的周期可调节；
2.利用高度差提供动力源实现污/废水满管输送；
3.利用一定速度的流体流经文丘里射流管时产生的负压吸入空气，实现为亚硝化菌提供间歇曝气的功能；
4.文丘里射流管下端连接的“L”型布水管，可实现多点进水和曝气功能；
5.巧妙地利用流体势能和文丘里射流曝气的原理，代替传统水处理中水泵的输送功能和曝气装置的曝气充氧功能，全过程无电能消耗；
6.省去动力设备水泵以及曝气装置，摆脱对电能的依赖，全过程自动化运行，工程造价低，适用于污染分布广，污水量较小，管理成本高或管理困难地区；
7.巧妙设计利用折板将生物脱氮系统分隔成不同反应区，使得整个生物系统内水流呈推流式运行，不返混，为不同种类的微生物提供了良好的工作和生存环境；
8.利用折板反应器的分区设置实现污/废水中溶解氧的阶梯式衰减分布，从而实现了亚硝化区-过渡区-氨氧化区的演变。
附图说明
图1为全自动生物脱氮处理装置平面图
图2为自动进水系统示意图
图3为水力控制阀门工作原理流程示意图
图4为文丘里射流充氧系统示意图
图5为亚硝化/氨氧化生物脱氮系统示意图
图中：1-1.入水管；1-2.支撑架；1-3.出气孔；1-4.溢流口；1-5.出水管； 1-6.生物反应系统；1-7.文丘里充氧系统；1-8.自动进水系统；2-1.支撑件； 2-2.储液盒；2-3.万向节；2-4.固定轴；2-5.导杆；2-6.储水箱出水口；4-1.倒“Y”型输水管；4-2.文丘里射流管；4-3.曝气孔；5-1.溢流口；5-2.出水口； 5-3.溢流堰；5-4.格室；5-5.亚硝化区；5-6.束状填料；5-7.填料支撑杆；5-8. 45°斜板；5-9.过渡区；5-10.竖直隔板；5-11.复合板；5-12.推流口；5-13.厌氧氨氧化区。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。
参见图2，本实例中水力控制阀门，包括储液体、支撑件、连接杆、导杆、导轨和万向节。储液体2-2通过支撑件2-1与储水箱连接，导杆2-5通过万向节 2-3与储液体2-2连接，导杆2-5被固定轴2-4限制自由度，导杆1-8底部与储水箱底部出水口1-11相连。
参见图1、图2，本实例中自动进水系统，其特征在于：所述自动进水系统中进水管连接储水箱入水口1-1，水力控制阀门通过支撑件2-1固定于储水箱内，水力控制阀门底部与储水箱底部出水口2-6相连，储水箱底部出水口2-6与倒“Y”型输水管入口端相连。
参见图3，本实例中文丘里充氧系统，其特征在于：文丘里富氧系统中文丘里管4-2上端与倒“Y”型输水管4-1出口端相连，文丘里管4-2下端与“L”型布水管4-3相连，布水管出水端深入反应器亚硝化区内部，两布水管相平行，每管均匀设置6个曝气孔4-4。
参见图4，本实例中生物净化系统，其特征在于：生物反应系统中生物反应箱被竖直隔板5-10分隔成多个独立的大小格室，每个大格室内都设有束状填料1-14。小格室与大格室之间通过复合板5-11连接，格室下方两端设置有 45°斜板5-8。后四个大格室顶端上设置有出气孔1-3，末尾大格室设置有溢流堰5-3。
本发明的工作过程是：一种用于污/废水深度脱氮的全自动氨氮处理装置，废水从储水箱进水管1-1进入储水箱，当储水箱中水位上升到一定高度后。导杆2-5在浮力的作用下向上升带动万向节2-3和储液体2-2左端向上升，使储液体2-2内部的液体向右边倾斜，储水箱出水口2-6打开。废水进入倒“Y”型输水管4-1入口端，再进入文丘里管4-2入口端，空气从文丘里管吸气端进入文丘里管并在文丘里混合口处与废水发生混合，最后从“L”型布水管4-3出口端进入反应器亚硝化区5-5。废水实现富氧后在反应器中呈推流式运行。首先废水在亚硝化区5-5底部向上升与束状填料5-6上的亚硝化菌接触，将部分氨氮转化为亚硝氮，随着亚硝化反应的进行，水体内氧气含量随推流逐渐减少。废水从亚硝化区上端进入小格室，再经过小格室下方45°斜板5-8进入过渡区 5-9，随着氧气的耗净，废水进入厌氧氨氧化区5-13，与束状填料5-6上的厌氧氨氧化菌接触，利用亚硝氮与氨氮转化生成氮气，实现废水脱氮；产生的气体从上方的出气孔1-3排出。当废水流过厌氧氨氧化区的最后一个格室，通过溢流堰5-3流出。当储水箱内水流尽后，导杆2-5依靠自身重力下落，带动万向节2-4和储液体2-2左端向下降，使得储液体2-2内部的液体向左边倾斜，储水箱出水端2-6关闭。处理结束等待下一轮进水。
Claims (5)
1.一种用于污/废水深度脱氮的全自动处理装置，其特征在于：所述的全自动处理装置包括自动进水系统、文丘里充氧系统及亚硝化/氨氧化生物脱氮系统；所述的自动进水系统由进水管、储水箱、水力控制阀门、出水管组成，其中水力控制阀门由储液盒、支撑件、连接杆、导杆、导轨、万向节组成；所述的文丘里充氧系统由“Y”型输水管、文丘里射流器及“L”型气水分布管组成，其中“Y”型输水管由输水主管、1个三通和2个输水支管组成，输水主管与自动进水系统的出水口相连，2个输水支管间夹角为600，所述的输水支管末端各与1个文丘里射流器进口相连，“L”型气水分布管的进口与文丘里射流器出口相连；所述的亚硝化/氨氧化生物脱氮系统通过折流板分隔成至少包括1个亚硝化区、1个过渡区和1个氨氧化区；所述的全自动处理装置，为间歇式周期进水方式，进水周期可通过水力控制阀门上的导杆、储液盒的重量进行调节；污/废水从储水箱进水管进入储水箱，当储水箱中水位上升到一定高度后，导杆在浮力的作用下向上升带动万向节和储液盒左端向上升，使储液盒内部的液体向右边倾斜，储水箱出水口打开；当一定流速的污/废水通过自动进水系统的出口间歇性满管流入倒“Y”型输水管，利用文丘里射流器喉管处的负压，带入适量空气，形成气水混合液，气水混合液流入“L”型气水分布管，通过气水分布管上的小孔进入到亚硝化/氨氧化生物脱氮系统，间歇性为亚硝化菌提供氧气，无需再外设曝气设备；当储水箱内水流尽后，导杆依靠自身重力下落，带动万向节和储液盒左端向下降，使得储液盒内部的液体向左边倾斜，储水箱出水口关闭，处理结束等待下一轮进水。
2.根据权利要求1所述的一种用于污/废水深度脱氮的全自动处理装置，其特征在于：所述的文丘里充氧系统内，所述的“L”型气水分布管的进口与文丘里射流器出口相连，“L”型气水分布管出口端封闭，气水分布管的底部按斜向下450对称开适量的小孔，孔径≤20mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于污/废水深度脱氮的全自动处理装置，其特征在于：所述的亚硝化/氨氧化生物脱氮系统的每个区内设固定的生物填料，亚硝区：过渡区：氨氧化区的体积比为2:1:3。
4.根据权利要求1所述的一种用于污/废水深度脱氮的全自动处理装置，其特征在于：所述的亚硝化/氨氧化生物脱氮系统为折流式生物反应器；所述的气水混合液经“L”型气水分布管的底部小孔进入折流式生物反应器后，依次流经亚硝化区、过渡区和氨氧化区，通过附着在生物填料上的亚硝化菌/氨氧化菌微生物的作用，实现污/废水深度脱氮；所述的折流式生物反应器内的水流呈推流式流动，含氧量呈阶梯式递减，无返混现象。
5.根据权利要求3所述的一种用于污/废水深度脱氮的全自动处理装置，其特征在于：所述的亚硝化/氨氧化生物脱氮系统内的生物填料为ф100～200mm的固定化软性生物填料、辫带式生物填料或ф≤12.0mm的悬浮生物填料。
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