CN115028264A - 一种前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器及污水处理方法 - Google Patents

一种前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器及污水处理方法 Download PDF

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CN115028264A CN202210662573.5A CN202210662573A CN115028264A CN 115028264 A CN115028264 A CN 115028264A CN 202210662573 A CN202210662573 A CN 202210662573A CN 115028264 A CN115028264 A CN 115028264A
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王艳
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Abstract

本发明公开一种前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器及污水处理方法。该反应器包括缺氧生物反应区、厌氧生物反应区和好氧生物反应区，污水通过反应器底部设置的排骨型布水器进入厌氧生物反应区底部，向上依次经过缺氧生物悬浮填料层和厌氧生物悬浮填料层后，进入好氧生物反应区，经缺氧—厌氧处理后的污水与好氧悬浮填料及活性污泥充分混合，在搅拌器和好氧曝气系统的提升作用下，整体以流化态在内导流板和外导流板作用下形成反应器中心区域充分混合吸附、内外导流板间高效生化氧化，处理后污水从好氧生物反应区顶部出水堰溢流排出。该方法适用于各种污水高效生物脱氮除磷处理，在低碳氮比污水节能降碳高效脱氮除磷处理领域具有很大的应用前景。

Description

一种前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器及污水处理方法
技术领域
本发明属于污水节能降碳高效处理技术领域，涉及在无外加碳源条件下通 过将缺氧反硝化区前置的泥膜复合工艺实现污水中氮、磷元素高效去除，具体 涉及一种前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器及污水处理方法。
背景技术
近年来，通过对传统污水处理技术进行创新、优化污水处理工艺，开发新型 污水高效脱氮除磷反应器已经成为广大环境报科学技术人员关注焦点，近年已发 展出多种类型的污水深度脱氮除磷设备和方法，但现有的污水深度脱氮除磷设备 和方法存在以下问题：(1)反硝化碳源不足，现有技术中污水需经过厌氧处理后 才能进入反硝化区反应，为了实现污水中硝酸盐反硝化去除，大比例的好氧生化 处理出水被回流到反硝化区，最终导致反硝化区污水中碳源严重不足，通常需要 不断添加甲醇、葡萄糖等碳源，显著增加了污水处理成本外，产生了大量额外的 碳排放。(2)厌氧区污水氧化还原电位过高严重影响聚磷菌厌氧释磷，现有工艺 中好氧污泥需要回流到厌氧反应区，由于好氧区污泥中含有大量溶解氧和硝酸根 等氧化性物质，聚磷菌需要在绝对厌氧条件下才能实现充分释磷，而聚磷菌厌氧 释磷效果直接影响其在好氧区的聚磷效果，最终导致污水处理除磷率严重偏低。 (3)单一的活性污泥法或生物膜法均存在功能缺陷，现有污水处理工艺大多以 单一的活性污泥法或生物膜法为主，无法充分利用两种方法取长补短，导致污水 处理效果不佳。
因此，需要开发一种前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器及污水处理方法， 提高污水脱氮除磷处理效率同时实现污水处理过程中碳减排，突破现有污水处理 工艺和设备的技术瓶颈，使污水处理行业实现低碳绿色发展。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的设备和技术的不足，基于污水脱氮除磷处理 过程中脱氮微生物和除磷微生物生理生态特征，提供一种不需要外加碳源、将 缺氧区前置于厌氧区、采用生物膜法与活性污泥法有机耦合、污水、填料和污 泥充分流态化的生物脱氮除磷新设备和新方法。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器，所述生物脱氮除磷反应器为 空心筒体结构，从下到上分为缺氧生物反应区、厌氧生物反应区和好氧生物反 应区三部分；缺氧生物反应区底部设置排骨型的布水器系统，排骨型的布水系 统通过进水管与进水增压泵相连，所述缺氧生物反应区的上部设置圆柱形金属 笼，笼内填充悬浮生物填料，构成缺氧生物膜系统；厌氧生物反应区内部仅设 填充悬浮生物填料的厌氧生物膜系统，结构与缺氧区相同；缺氧生物反应区和 厌氧生物反应区的圆柱形金属笼均固定于反应器筒体内表面；好氧生物反应区 底部均匀设置曝气管和曝气头，曝气管在反应器筒体外与曝气风机相连，组成 好氧曝气系统；好氧曝气系统上部设置内导流板和外导流板，内导流板、外导 流板与反应器筒体将好氧生物反应区从内到外分成了好氧区I区、好氧区II区 和好氧区III区，其中好氧区I区中上部设置机械搅拌器；反应器筒体顶部设置 锯齿状出水堰，出水堰外围设置一圈出水槽，出水槽分别与反应器出水管和硝 化液回流管相连；硝化液回流管将出水槽与反应器缺氧生物反应区底部相连， 通过硝化液回流泵控制回流比；缺氧生物反应区、厌氧生物反应区和好氧生物 反应区三部分之间通过两块穿孔板进行分隔。
进一步地，所述的排骨型布水器通过一根布水主管水平方向穿过反应器筒 体中心并贯穿整个筒体内，以布水主管为中心，向两侧对称分布若干根布水支 管，布水支管长度均需到达反应器筒体内壁表面，布水主管和布水支管下部在 与垂直方向夹角30～60度位置等间距对称开孔，孔径范围为2～10mm，开孔比 为1.0～5.0％。
进一步地，所述的缺氧生物反应区和厌氧生物反应区内部设置的生物膜系 统外形结构均为圆柱形，外径与反应器筒体内径相同，生物膜系统的厌氧区圆 柱形金属笼和缺氧区圆柱形金属笼采用碳钢或不锈钢材质，金属笼体各表面均 为网状结构，网格尺寸不大于生物填料粒径的90％，金属笼内部填充湿真密度 为0.8～1.1g/cm3的多孔生物填料，材质为高分子塑料；所述生物填料为厌氧区 悬浮填料和缺氧区悬浮填料。
进一步地，所述的穿孔板包含缺氧-厌氧穿孔板和好氧-缺氧穿孔板，两个 穿孔板结构相同，采用碳钢或不锈钢材质，穿孔板厚度为10～30mm，表面均匀 分布透水孔，孔径范围为10～50mm，开孔比为5.0～20.0％，所述透水孔为缺氧- 厌氧穿孔板透水孔和好氧-缺氧穿孔板透水孔。
进一步地，所述好氧曝气系统中，进气管通过曝气风机后与一根布气主管 连接，水平方向穿过反应器筒体中心并贯穿整个筒体内，以布气主管为中心， 向两侧对称分布若干根布气支管，布气支管长度均需到达反应器筒体内壁表面， 布气主管和布气支管顶部等间距安装曝气头，曝气量为反应器进水流量的3-6 倍。
进一步地，所述内导流板上下均不与反应器筒体相连，内导流板下端内径 较大，上端内径较小，整体上呈40～75度角倾斜布置；外导流板下端与反应器 筒体内壁相连，上端高度与反应器筒体相同，呈60-75度角倾斜布置，外导流 板距下端1/4～1/2到距上端1/4～1/2部分均匀设置透水孔，孔径为2～20mm；外 导流板与反应器筒体形成的分区下部为剩余污泥沉降区，剩余污泥沉降区内部 填充有好氧活性污泥，该区域底部反应器筒体设置排泥管；所述排泥管还通过 污泥回流管与缺氧生物反应区相连接。
进一步地，所述机械搅拌器包含驱动电机和搅拌桨两部分，驱动电机为定 频电机或变频电机，搅拌桨叶片数为2～6片，搅拌桨叶片旋转截面积为所在横 断面I区截面积的50～80％，转速为10～100rpm。
进一步地，所述硝化液回流管上端与反应器出水堰相连，下端与缺氧生物 反应区下部布水区相连，通过硝化液回流泵控制回流比为0.5:1～2:1。
进一步地，所述的生物脱氮除磷反应器包含两根加药管，其中一根加药管 位于硝化液回流管下端，用于投加碱液以控制缺氧生物反应区pH值不低于6.5， 另一根加药管位于好氧生物反应区筒体下端，用于投加铝盐或铁盐混凝剂以实 现污水化学除磷。
进一步地，所述的生物脱氮除磷反应器三个生物反应区，其中缺氧生物反 应区和厌氧生物反应区水力停留时间均为3～6h，缺氧、厌氧生物反应区水力停 留时间比为0.5:1～2:1，好氧生物反应区水力停留时间为4～12h，缺氧、厌氧生 物反应区水力停留时间之和与好氧生物反应区水力停留时间比为1:1～1:3。
进一步地，所述的生物脱氮除磷反应器好氧生物反应区好氧生物填料，好 氧生物填料的湿真密度为1.1～1.3g/cm3的多孔生物填料，材质为高分子塑料或 陶瓷。
一种利用前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器进行污水处理方法。
经过物化处理去除较大颗粒杂质的污水通过进水增压泵从本发明所述的生 物脱氮除磷反应器的底部进入布水管系统，布水管系统采用排骨型结构。污水 首先进入布水器中间的布水主管中，该布水主管在水平方向上穿过反应器轴心 并到达对向反应器筒体内部边缘，以布水主管为中心，向两侧等间距对称分布 若干根布水支管，污水通过布水主管均匀分配至各布水支管。布水支管分别延 伸至反应器筒体内部边缘，布水主管和布水支管下部在与垂直方向夹角30～60 度位置等间距对称开孔，孔径范围为2～10mm，开孔比为1.0～5.0％。污水通过 布水支管后从各处出水孔向斜下方向喷出，水流经过反应器底板反射后以一定 的角度倾斜向上流动，与来自于好氧生物反应区的回流硝化液充分混合，相邻布水支管对称的两排出水孔的水流流速在水平方向的分量互相抵消，经过布水 系统上部的布水区后从水平断面上各处水流实现流速均匀的上向流，为均匀进 入缺氧反应区生物膜系统中的生物填料层做好准备。
缺氧生物反应区内微生物包括缺氧生物膜和活性污泥两种存在形态，缺氧 生物膜附着于生物填料表面，生物膜外侧主要以反硝化菌为代表的缺氧反应优 势菌为主，生物膜内部因完全不存在溶解氧，因此以厌氧菌为主，活性污泥均 为缺氧优势菌，因此缺氧生物反应区主体生化作用以缺氧生化反应为主，同时 兼具少量厌氧生化作用，根据污水水质污染特征，污水在缺氧生物反应区内停 留时间为3～6h。
由于污水未经厌氧生物处理即进入缺氧生物反应区，碳源含量较高，完全 可以满足反硝化菌还原硝酸盐氮的需要，因此不需要外加甲醇等碳源。同时， 回流硝化液中存在一部分未被硝化菌彻底氧化的亚硝酸盐氮，可与进水中的氨 氮直接发生反应生成氮气直接被去除，实现短程硝化反硝化。来自于好氧生化 反应区回流的硝化液中含有较高浓度的溶解氧和具有氧化性的硝酸根，缺氧生 物反应区前段污水溶解氧水平和氧化还原电位完全可以满足缺氧反硝化菌 0.5mgO2/L的要求，缺氧生物反应区不需要额外增加曝气系统。经过缺氧生物 反应区处理后，污水中氧化性的硝酸盐氮被还原成氮气或一氧化二氮被去除， 溶解氧被消耗殆尽，从而保证后续厌氧生物反应区的严格厌氧要求。
污水经过缺氧生物处理后，通过缺氧-厌氧穿孔板在水平段面上均匀进入厌 氧生物反应区。此时水中溶解氧浓度基本为零，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮已经被 去除，污水呈现严格厌氧状态。厌氧生物反应区内微生物存在形态与缺氧生物 反应区类似，包括厌氧生物膜和厌氧活性污泥两种，其中厌氧生物膜主要起对 污水中有机物大分子水解酸化作用，使有机物大分子转化为小分子有机酸等物 质，同时通过氨化作用将污水中有机氮转化为氨氮。厌氧活性污泥除了具有厌 氧生物膜的水解酸化作用外，其中含有的大量的聚磷菌在严格厌氧环境下将菌 体内含有的磷元素充分释放，为后续进入好氧生物反应区发生聚磷反应提供必 要条件。根据污水水质污染特征，污水在厌氧生物反应区内停留时间为3～6h。
经过缺氧、厌氧生物处理的污水中，通过厌氧-好氧穿孔板进入到好氧生物 反应区。好氧生物反应区底部布设好氧曝气系统，进气管通过曝气风机与一根 布气主管连接，水平方向穿过反应器筒体中心并贯穿整个筒体内，以布气主管 为中心，向两侧对称分布若干根布气支管，布气支管长度均需到达反应器筒体 内壁表面，布气主管和布气支管顶部等间距安装曝气头，曝气量为反应器进水 流量的3-6倍，可充分满足好氧微生物降解有机污染物和氧化氨氮对溶解氧的 需求，同时还可以形成一定的推流作用促进好氧生物反应区生物填料和好氧活 性污泥的流动。
好氧生物反应区中间位置设内、外导流板。内导流板中心位置设置机械搅 拌器，机械搅拌器包含驱动电机和搅拌桨两部分，驱动电机为定频电机或变频 电机，固定于整个反应器顶部水面以上的中心位置，搅拌桨放置于内导流板围 蔽形成的I区中心位置，搅拌桨叶片数为2-6片，搅拌桨叶片旋转截面积为所 在横断面I区截面积的50～80％，驱动电机与搅拌将通过刚性搅拌轴相连。根据 污水水质污染特征和污水处理对好氧生物处理区混合流体流化强度的要求，控 制搅拌桨的转速使混合流体流动速度满足要求的同时好氧生物填料表面的生物 膜不受到机械剪切力破坏。
内导流板上下均不与反应器筒体相连，内导流板下端内径较大，上端内径 较小，整体上与竖直方向呈40～75度角倾斜布置，使其满足混合流体流化导流 方向要求，内导流板内部即I区内主要发生的反应是生物填料表面的生物膜和 好氧活性污泥对污水中污染物的吸附和富集。混合流体经过内导流板上端后， 进入到内外导流板共同围蔽形成的II区，水流方向由向上折返为向下，II区有 效空间远大于I区，生物膜和好氧活性污泥在II区内利用水中充足的溶解氧对 在I区中吸附和富集的污染物进行充分的氧化分解，使污水中有机物分子被分 解成水和二氧化碳，氨氮被氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，聚磷菌大量吸收污 水中的磷元素。
处理后污水在II区中下部逐渐与生物填料和活性污泥分离，处理后污水和 一部分好氧活性污泥通过外导流板表面距下端1/4～1/2到距上端1/4～1/2部分均 匀设置的透水孔流出到III区，透水孔孔径为2～20mm。在III区中，进一步实 现泥水分离，上清液通过出水堰溢流至环绕反应器顶端外围的出水槽中，一部 分通过出水管外排，剩余部分上清液作为硝化液通过与出水槽相连的硝化液回 流管回流至缺氧生物反应区，回流比通过硝化液回流管上设置的硝化液回流泵 控制，范围为0.5:1～2:1。污泥沉淀于III区底部，通过排泥管排除，大部分污泥 回流至缺氧生物反应区，少部分污泥作为剩余污泥外排处理实现磷元素的去除。 全部的好氧生物填料和一部分好氧活性污泥进入到II区的底部，II区底部与I 区相通，在曝气系统和机械搅拌器的提升作用下，好氧生物填料与污泥循环回 到I区中下部，与来自于厌氧生物处理区的污水充分混合反应。
考虑到缺氧生物反应区对污水pH值中性到弱碱性的要求，在硝化液回流 管上设置加药管，根据缺氧生物反应区pH值实时定量添加碱液，确保缺氧生 化反应稳定进行。由于聚磷菌释磷和聚磷效果受多种因素干扰，处理污水过程 中容易受到干扰而降低除磷效果，因此在好氧生物反应区底部设置加药管，通 过加药泵定量控制铝盐或铁盐混凝剂添加量，利用铝盐或铁盐易与磷酸根生成 沉淀的特征提高污水中磷元素的去除率。
与现有技术相比，本发明的有益之处主要体现在以下：
1.本发明所述方法和设备充分适用于当前十分常见的低碳氮比污水高效 脱氮除磷生物，对污水水质水量波动耐受能力强，面对突发高浓度污水具有很 好的耐受性，可以稳定用于各种污水高效脱氮除磷生物处理。
2.由于采用了湿真密度与污水十分接近的缺氧和厌氧生物填料，其在水中 以悬浮形态存在，水流通过填料层时水头损失很小，针对能耗最高的好氧生物 处理区，采用流化态的泥膜复合工艺，大大缩短了好氧停留时间，整体上大大 降低了进水增压泵和曝气风机的能耗，进而实现了污水处理过程中的碳减排。
3.通过将缺氧生物反应区前置，污水中碳源直接被缺氧微生物利用，解决 了反硝化碳源不足的问题，避免了因外加碳源造成的污水处理成本和碳排放增 加的问题。
4.回流污泥经过缺氧生物处理区后，其中含有的溶解氧和氧化性物质被去 除，确保污水进入厌氧生物处理区时不会破坏该区域的严格厌氧环境，有效避 免了因氧化性物质带入导致的聚磷菌释磷活性受到抑制进而降低污水除磷效率 的弊端。
5.整个反应器的三个生物反应区均为基于泥膜复合的处理工艺，充分利用 了两种工艺的优点，实现了优势互补，有效的增加了厌氧、缺氧和好氧生物体 系的多样性和多层级性，使生物降解污水中污染物的能力显著增强，反应器出 水总氮和总磷浓度稳定达到地表水V类水体要求，吨水处理成本降低30％以上。
说明书附图
图1是前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器设备全图；
图2是布水管系统结构示意图；
图3是穿孔板结构示意图；
图4是曝气系统结构示意图；
图5是1-1剖面结构示意图；
图6是2-2/3-3剖面结构示意图。
图中各个部件如下：缺氧生物反应区1、厌氧生物反应区2、好氧生物反应 区3、进水管201、进水增压泵202、布水主管203、布水支管204、布水支管 开孔205、布水管系统206、缺氧-厌氧穿孔板301、缺氧-厌氧穿孔板透水孔302、 好氧区I区303、好氧区II区304、好氧区III区305、好氧-缺氧穿孔板401、 好氧-缺氧穿孔板透水孔402、进气管501、曝气风机502、好氧曝气系统503、 布气主管504、布气支管505、曝气头506、搅拌桨601、内导流板602、外导 流板603、透水孔604、出水堰605、出水槽606、出水管607、硝化液回流管 608、好氧活性污泥609、排泥管610、污泥回流管611、驱动电机612、硝化液 回流泵613、厌氧区圆柱形金属笼701、厌氧区悬浮填料702、缺氧区圆柱形金 属笼801、缺氧区悬浮填料802。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但是本发明的实施方式 不限如此。
实施例1
如图1～图6所示，一种前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器，所述生物 脱氮除磷反应器为空心筒体结构，从下到上分为缺氧生物反应区1、厌氧生物 反应区2和好氧生物反应区3三部分；缺氧生物反应区1底部设置排骨型的布 水器系统206，排骨型的布水系统206通过进水管201与进水增压泵202相连， 所述缺氧生物反应区1的上部设置圆柱形金属笼801，笼内填充悬浮生物填料 802，构成缺氧生物膜系统；厌氧生物反应区2内部仅设填充悬浮生物填料702 的厌氧生物膜系统，结构与缺氧区相同；缺氧生物反应区1和厌氧生物反应区 2的圆柱形金属笼均固定于反应器筒体内表面；好氧生物反应区3底部均匀设 置曝气管和曝气头506，曝气管504在反应器筒体外与曝气风机(502)相连， 组成好氧曝气系统503；好氧曝气系统上部设置内导流板602和外导流板603， 内导流板602、外导流板603与反应器筒体将好氧生物反应区从内到外分成了 好氧区I区303、好氧区II区304和好氧区III区305，其中好氧区I区303中 上部设置机械搅拌器601；反应器筒体顶部设置锯齿状出水堰605，出水堰605 外围设置一圈出水槽606，出水槽606分别与反应器出水管607和硝化液回流 管608相连；硝化液回流管608将出水槽606与反应器缺氧生物反应区底部相 连，通过硝化液回流泵613控制回流比；缺氧生物反应区、厌氧生物反应区和 好氧生物反应区三部分之间通过两块穿孔板进行分隔。所述的排骨型布水器206 通过一根布水主管203水平方向穿过反应器筒体中心并贯穿整个筒体内，以布 水主管为中心，向两侧对称分布若干根布水支管204，布水支管204长度均需 到达反应器筒体内壁表面，布水主管203和布水支管204下部在与垂直方向夹 角30～60度位置等间距对称开孔205，孔径范围为2～10mm，开孔比为1.0～5.0％。
所述的缺氧生物反应区和厌氧生物反应区内部设置的生物膜系统外形结构 均为圆柱形，外径与反应器筒体内径相同，生物膜系统的厌氧区圆柱形金属笼 701和缺氧区圆柱形金属笼801采用碳钢或不锈钢材质，金属笼体各表面均为 网状结构，网格尺寸不大于生物填料粒径的90％，金属笼内部填充湿真密度为 0.8～1.1g/cm3的多孔生物填料，材质为高分子塑料；所述生物填料为厌氧区悬浮 填料702和缺氧区悬浮填料802。
所述的穿孔板包含缺氧-厌氧穿孔板301和好氧-缺氧穿孔板401，两个穿孔 板结构相同，采用碳钢或不锈钢材质，穿孔板厚度为10～30mm，表面均匀分布 透水孔，孔径范围为10～50mm，开孔比为5.0～20.0％，所述透水孔为缺氧-厌氧 穿孔板透水孔302和好氧-缺氧穿孔板透水孔402。
所述好氧曝气系统503中，进气管501通过曝气风机502后与一根布气主 管504连接，水平方向穿过反应器筒体中心并贯穿整个筒体内，以布气主管504 为中心，向两侧对称分布若干根布气支管505，布气支管505长度均需到达反 应器筒体内壁表面，布气主管504和布气支管505顶部等间距安装曝气头506， 曝气量为反应器进水流量的3-6倍。
所述内导流板602上下均不与反应器筒体相连，内导流板602下端内径较 大，上端内径较小，整体上呈40～75度角倾斜布置；外导流板603下端与反应 器筒体内壁相连，上端高度与反应器筒体相同，呈60-75度角倾斜布置，外导 流板603距下端1/4～1/2到距上端1/4～1/2部分均匀设置透水孔604，孔径为 2～20mm；外导流板603与反应器筒体形成的分区下部为剩余污泥沉降区，剩余 污泥沉降区内部填充有好氧活性污泥609，该区域底部反应器筒体设置排泥管 610；所述排泥管610还通过污泥回流管611与缺氧生物反应区1相连接；
所述机械搅拌器包含驱动电机612和搅拌桨601两部分，驱动电机为定频 电机或变频电机，搅拌桨叶片数为2～6片，搅拌桨叶片旋转截面积为所在横断 面I区截面积的50～80％，转速为10～100rpm。
所述硝化液回流管608上端与反应器出水堰605相连，下端与缺氧生物反 应区下部布水区相连，通过硝化液回流泵控制回流比为0.5:1～2:1。
所述的生物脱氮除磷反应器包含两根加药管，其中一根加药管位于硝化液 回流管下端，用于投加碱液以控制缺氧生物反应区pH值不低于6.5，另一根加 药管位于好氧生物反应区筒体下端，用于投加铝盐或铁盐混凝剂以实现污水化 学除磷。
所述的生物脱氮除磷反应器三个生物反应区，其中缺氧生物反应区和厌氧 生物反应区水力停留时间均为3～6h，缺氧、厌氧生物反应区水力停留时间比为 0.5:1～2:1，好氧生物反应区水力停留时间为4～12h，缺氧、厌氧生物反应区水 力停留时间之和与好氧生物反应区水力停留时间比为1:1～1:3；
所述的生物脱氮除磷反应器好氧生物反应区好氧生物填料，好氧生物填料 的湿真密度为1.1～1.3g/cm3的多孔生物填料，材质为高分子塑料或陶瓷。
实施例2
珠三角某地农村污水处理项目，污水处理量为120m3/d，污水主要来源中约 80％为该村居民生活污水，20％为分布于该村内的数家小型工业企业生产废水， 上述企业中包含食品加工和化妆品制造等，污水处理目标要求达到《地表水环 境质量标准》(GB3838-2002)V类水体水质指标要求。
如图1所示：前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器外形尺寸为Φ＝5.0m， Η＝10m，污水通过进水增压泵202从反应器缺氧生物反应区1的底部进入布水 管系统206，布水管系统206采用排骨型结构。污水首先进入布水器中间的布 水主管203中，污水通过布水主管203均匀分配至各布水支管204中，布水主 管203和布水支管204下部在与垂直方向夹角45度位置等间距对称开孔，孔径 范围为5mm，开孔比为3.0％。缺氧生物反应区1内装填金属笼体，笼体网格尺 寸为40mm，金属笼内部填充湿真密度为0.9g/cm3、直径为50mm的多孔生物填 料，材质为聚乙烯。污水在缺氧生物反应区内停留时间按4h设计。
污水经过缺氧生物处理后，通过缺氧-厌氧穿孔板301在水平段面上均匀进 入厌氧生物反应区2。厌氧生物反应区2内结构与缺氧生物反应区1类似，装 填金属笼体，笼体网格尺寸为40mm，金属笼内部填充湿真密度为0.9g/cm3、直 径为50mm的多孔生物填料，材质为聚乙烯。污水在缺氧生物反应区内停留时间 按4h设计。
经过缺氧、厌氧生物处理的污水中，通过厌氧-好氧穿孔板401进入到好氧 生物反应区3。好氧生物反应区3底部布设好氧曝气系统503，进气管501通过 曝气风机502与一根布气主管504连接，布气主管504向两侧对称分布若干根 布气支管505，布气主管504和布气支管505顶部等间距安装曝气头506，曝气 量为反应器进水流量的4倍。
好氧生物反应区3中间位置设内导流板602和外导流板603。内导流板中 心位置设置机械搅拌器，机械搅拌器包含驱动电机612和搅拌桨601两部分， 驱动电机612为电压380V、额定功率5.5Kw变频电机，固定于整个反应器顶部 水面以上的中心位置，搅拌桨601放置于内导流板602围蔽形成的I区303中 心位置，搅拌桨601叶片数为4片，搅拌桨601叶片旋转截面积为所在横断面 I区303截面积的75％，驱动电机612与搅拌桨601通过刚性搅拌轴相连，搅拌 桨转速为20～50rpm可调节。
内导流板602上下均不与反应器筒体相连，内导流板602整体上与竖直方 向呈60度角倾斜布置，好氧生物反应区生物载体采用湿真密度约为1.2g/cm3的陶瓷多孔填料，污水、填料和污泥形成的混合流体经过内导流板602上端后， 进入到内导流板602于外导流板603共同围蔽形成的II区304，水流方向由向 上折返为向下。处理后污水在II区304中下部逐渐与生物填料和活性污泥分离， 处理后污水和一部分好氧活性污泥609通过外导流板603表面距下端1/3到距 上端1/4部分均匀设置的透水孔604流出到III区305，透水孔孔径为10mm。 在III区305中，进一步实现泥水分离，上清液通过出水堰605溢流至环绕反 应器顶端外围的出水槽606中，一部分通过出水管607外排，剩余部分上清液 作为硝化液通过与出水槽606相连的硝化液回流管608回流至缺氧生物反应区 1，回流比通过硝化液回流管608上设置的硝化液回流泵613控制，回流为 1.5:1～2:1可调节。污泥609沉淀于III区305底部，通过排泥管610排除， 大部分污泥609从污泥回流管611回流至缺氧生物反应区1，少部分污泥609 作为剩余污泥外排处理实现磷元素的去除。全部的好氧生物填料和一部分好氧 活性污泥进入到II区304的底部，II区304底部与I区303相通，在曝气系 统503和搅拌桨601的提升作用下，好氧生物填料与污泥循环回到I区303中 下部，与来自于厌氧生物处理区2的污水充分混合。污水在好氧生物反应区3 内停留时间按12h设计。
硝化液回流管608上设置加药管902，通过加药泵901定量根据缺氧生物 反应区1实时pH值定量添加碱液，确保缺氧生化反应稳定进行。在好氧生物反 应区3底部设置加药管904，通过加药泵903定量投加聚合氯化铝，实现污水 中磷元素化学去除。
表1实施例1反应器进出水主要水质指标
Figure BDA0003691439840000121
实施例3
本实施例与实施例2不同之处在于：
雷州半岛某地农村污水处理项目，污水处理量约为50m3/d，污水来源全部 为居民生活污水，该村内没有工业企业，污水处理目标要求达到《城镇污水处 理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级A排放标准水质指标要求。
前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器整体高度为8米，直径为4米，缺 氧生物反应区1、厌氧生物反应区2和好氧生物反应区3停留时间分别为4h、 3h和10h。
表2实施例2反应器进出水主要水质指标
Figure BDA0003691439840000122
Figure BDA0003691439840000131

Claims (10)

1.一种前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器，其特征在于，所述生物脱氮除磷反应器为空心筒体结构，从下到上分为缺氧生物反应区(1)、厌氧生物反应区(2)和好氧生物反应区(3)三部分；缺氧生物反应区(1)底部设置排骨型的布水器系统(206)，排骨型的布水系统(206)通过进水管(201)与进水增压泵(202)相连，所述缺氧生物反应区(1)的上部设置圆柱形金属笼(801)，笼内填充悬浮生物填料(802)，构成缺氧生物膜系统；厌氧生物反应区(2)内部仅设填充悬浮生物填料(702)的厌氧生物膜系统，结构与缺氧区相同；缺氧生物反应区(1)和厌氧生物反应区(2)的圆柱形金属笼均固定于反应器筒体内表面；好氧生物反应区(3)底部均匀设置曝气管和曝气头(506)，曝气管(504)在反应器筒体外与曝气风机(502)相连，组成好氧曝气系统(503)；好氧曝气系统上部设置内导流板(602)和外导流板(603)，内导流板(602)、外导流板(603)与反应器筒体将好氧生物反应区从内到外分成了好氧区I区(303)、好氧区II区(304)和好氧区III区(305)，其中好氧区I区(303)中上部设置机械搅拌器(601)；反应器筒体顶部设置锯齿状出水堰(605)，出水堰(605)外围设置一圈出水槽(606)，出水槽(606)分别与反应器出水管(607)和硝化液回流管(608)相连；硝化液回流管(608)将出水槽(606)与反应器缺氧生物反应区底部相连，通过硝化液回流泵(613)控制回流比；缺氧生物反应区、厌氧生物反应区和好氧生物反应区三部分之间通过两块穿孔板进行分隔。
2.根据权利要求1所述前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器，其特征在于，所述的排骨型布水器(206)通过一根布水主管(203)水平方向穿过反应器筒体中心并贯穿整个筒体内，以布水主管为中心，向两侧对称分布若干根布水支管(204)，布水支管(204)长度均需到达反应器筒体内壁表面，布水主管(203)和布水支管(204)下部在与垂直方向夹角30～60度位置等间距对称开孔(205)，孔径范围为2～10mm，开孔比为1.0～5.0％。
3.根据权利要求1所述前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器，其特征在于，所述的缺氧生物反应区和厌氧生物反应区内部设置的生物膜系统外形结构均为圆柱形，外径与反应器筒体内径相同，生物膜系统的厌氧区圆柱形金属笼(701)和缺氧区圆柱形金属笼(801)采用碳钢或不锈钢材质，金属笼体各表面均为网状结构，网格尺寸不大于生物填料粒径的90％，金属笼内部填充湿真密度为0.8～1.1g/cm3的多孔生物填料，材质为高分子塑料；所述生物填料为厌氧区悬浮填料(702)和缺氧区悬浮填料(802)。
4.根据权利要求1所述前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器，其特征在于，所述的穿孔板包含缺氧-厌氧穿孔板(301)和好氧-缺氧穿孔板(401)，两个穿孔板结构相同，采用碳钢或不锈钢材质，穿孔板厚度为10～30mm，表面均匀分布透水孔，孔径范围为10～50mm，开孔比为5.0～20.0％，所述透水孔为缺氧-厌氧穿孔板透水孔(302)和好氧-缺氧穿孔板透水孔(402)。
5.根据权利要求1所述前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器，其特征在于，所述好氧曝气系统(503)中，进气管(501)通过曝气风机(502)后与一根布气主管(504)连接，水平方向穿过反应器筒体中心并贯穿整个筒体内，以布气主管(504)为中心，向两侧对称分布若干根布气支管(505)，布气支管(505)长度均需到达反应器筒体内壁表面，布气主管(504)和布气支管(505)顶部等间距安装曝气头(506)，曝气量为反应器进水流量的3-6倍。
6.根据权利要求1所述前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器，其特征在于，所述内导流板(602)上下均不与反应器筒体相连，内导流板(602)下端内径较大，上端内径较小，整体上呈40～75度角倾斜布置；外导流板(603)下端与反应器筒体内壁相连，上端高度与反应器筒体相同，呈60-75度角倾斜布置，外导流板(603)距下端1/4～1/2到距上端1/4～1/2部分均匀设置透水孔(604)，孔径为2～20mm；外导流板(603)与反应器筒体形成的分区下部为剩余污泥沉降区，剩余污泥沉降区内部填充有好氧活性污泥(609)，该区域底部反应器筒体设置排泥管(610)；所述排泥管(610)还通过污泥回流管(611)与缺氧生物反应区(1)相连接；
所述机械搅拌器包含驱动电机(612)和搅拌桨(601)两部分，驱动电机为定频电机或变频电机，搅拌桨叶片数为2～6片，搅拌桨叶片旋转截面积为所在横断面I区截面积的50～80％，转速为10～100rpm。
7.根据权利要求1所述前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器，其特征在于，所述硝化液回流管(608)上端与反应器出水堰(605)相连，下端与缺氧生物反应区下部布水区相连，通过硝化液回流泵控制回流比为0.5:1～2:1。
8.根据权利要求1所述前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器，其特征在于，所述的生物脱氮除磷反应器包含两根加药管，其中一根加药管位于硝化液回流管下端，用于投加碱液以控制缺氧生物反应区pH值不低于6.5，另一根加药管位于好氧生物反应区筒体下端，用于投加铝盐或铁盐混凝剂以实现污水化学除磷。
9.根据权利要求1所述前置缺氧泥膜复合生物脱氮除磷反应器，其特征在于，所述的生物脱氮除磷反应器三个生物反应区，其中缺氧生物反应区和厌氧生物反应区水力停留时间均为3～6h，缺氧、厌氧生物反应区水力停留时间比为0.5:1～2:1，好氧生物反应区水力停留时间为4～12h，缺氧、厌氧生物反应区水力停留时间之和与好氧生物反应区水力停留时间比为1:1～1:3；
所述的生物脱氮除磷反应器好氧生物反应区好氧生物填料，好氧生物填料的湿真密度为1.1～1.3g/cm3的多孔生物填料，材质为高分子塑料或陶瓷。
10.采用权利要求1～9任一项所述反应器的污水处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
经过物化处理去除较大颗粒杂质的污水通过进水增压泵从生物脱氮除磷反应器的底部进入布水管系统；污水首先进入布水器中间的布水主管中，该布水主管在水平方向上穿过反应器轴心并到达对向反应器筒体内部边缘，以布水主管为中心，向两侧等间距对称分布若干根布水支管，污水通过布水主管均匀分配至各布水支管；污水通过布水支管后从各处出水孔向斜下方向喷出，水流经过反应器底板反射后倾斜向上流动，与来自于好氧生物反应区的回流硝化液充分混合，相邻布水支管对称的两排出水孔的水流流速在水平方向的分量互相抵消，经过布水系统上部的布水区后从水平断面上各处水流实现流速均匀的上向流，为均匀进入缺氧反应区生物膜系统中的生物填料层做好准备；
缺氧生物反应区内微生物包括缺氧生物膜和活性污泥两种存在形态，缺氧生物膜附着于生物填料表面，生物膜外侧主要以反硝化菌为代表的缺氧反应优势菌为主，生物膜内部因完全不存在溶解氧，因此以厌氧菌为主，活性污泥均为缺氧优势菌，因此缺氧生物反应区主体生化作用以缺氧生化反应为主，同时兼具少量厌氧生化作用，根据污水水质污染特征，污水在缺氧生物反应区内停留时间为3～6h；
由于污水未经厌氧生物处理即进入缺氧生物反应区，碳源含量较高，完全可以满足反硝化菌还原硝酸盐氮的需要，因此不需要外加甲醇等碳源；同时，回流硝化液中存在一部分未被硝化菌彻底氧化的亚硝酸盐氮，可与进水中的氨氮直接发生反应生成氮气直接被去除，实现短程硝化反硝化；来自于好氧生化反应区回流的硝化液中含有较高浓度的溶解氧和具有氧化性的硝酸根，缺氧生物反应区前段污水溶解氧水平和氧化还原电位完全可以满足缺氧反硝化菌0.5mgO2/L的要求，缺氧生物反应区不需要额外增加曝气系统；经过缺氧生物反应区处理后，污水中氧化性的硝酸盐氮被还原成氮气或一氧化二氮被去除，溶解氧被消耗殆尽，从而保证后续厌氧生物反应区的严格厌氧要求；
污水经过缺氧生物处理后，通过缺氧-厌氧穿孔板在水平段面上均匀进入厌氧生物反应区；此时水中溶解氧浓度基本为零，亚硝酸盐氮和硝酸盐氮已经被去除，污水呈现严格厌氧状态；厌氧生物反应区内微生物存在形态与缺氧生物反应区类似，包括厌氧生物膜和厌氧活性污泥两种，其中厌氧生物膜主要起对污水中有机物大分子水解酸化作用，使有机物大分子转化为小分子有机酸等物质，同时通过氨化作用将污水中有机氮转化为氨氮；厌氧活性污泥除了具有厌氧生物膜的水解酸化作用外，其中含有的大量的聚磷菌在严格厌氧环境下将菌体内含有的磷元素充分释放，为后续进入好氧生物反应区发生聚磷反应提供必要条件；根据污水水质污染特征，污水在厌氧生物反应区内停留时间为3～6h；
经过缺氧、厌氧生物处理的污水中，通过厌氧-好氧穿孔板进入到好氧生物反应区；好氧生物反应区底部布设好氧曝气系统，进气管通过曝气风机与一根布气主管连接，水平方向穿过反应器筒体中心并贯穿整个筒体内，以布气主管为中心，向两侧对称分布若干根布气支管，布气支管长度均需到达反应器筒体内壁表面，布气主管和布气支管顶部等间距安装曝气头，曝气量为反应器进水流量的3-6倍，充分满足好氧微生物降解有机污染物和氧化氨氮对溶解氧的需求，同时还可以形成推流作用促进好氧生物反应区生物填料和好氧活性污泥的流动；
好氧生物反应区中间位置设内、外导流板；内导流板中心位置设置机械搅拌器，机械搅拌器包含驱动电机和搅拌桨两部分，驱动电机为定频电机或变频电机，固定于整个反应器顶部水面以上的中心位置，搅拌桨放置于内导流板围蔽形成的I区中心位置，搅拌桨叶片数为2-6片，搅拌桨叶片旋转截面积为所在横断面I区截面积的50～80％，驱动电机与搅拌将通过刚性搅拌轴相连；根据污水水质污染特征和污水处理对好氧生物处理区混合流体流化强度的要求，控制搅拌桨的转速使混合流体流动速度满足要求的同时好氧生物填料表面的生物膜不受到机械剪切力破坏；
内导流板上下均不与反应器筒体相连，内导流板下端内径较大，上端内径较小，整体上与竖直方向呈40～75度角倾斜布置，使其满足混合流体流化导流方向要求，内导流板内部即I区内主要发生的反应是生物填料表面的生物膜和好氧活性污泥对污水中污染物的吸附和富集；混合流体经过内导流板上端后，进入到内外导流板共同围蔽形成的II区，水流方向由向上折返为向下，II区有效空间远大于I区，生物膜和好氧活性污泥在II区内利用水中充足的溶解氧对在I区中吸附和富集的污染物进行充分的氧化分解，使污水中有机物分子被分解成水和二氧化碳，氨氮被氧化成亚硝酸盐氮和硝酸盐氮，聚磷菌大量吸收污水中的磷元素；
处理后污水在II区中下部逐渐与生物填料和活性污泥分离，处理后污水和一部分好氧活性污泥通过外导流板表面距下端1/4～1/2到距上端1/4～1/2部分均匀设置的透水孔流出到III区，透水孔孔径为2～20mm；在III区中，进一步实现泥水分离，上清液通过出水堰溢流至环绕反应器顶端外围的出水槽中，一部分通过出水管外排，剩余部分上清液作为硝化液通过与出水槽相连的硝化液回流管回流至缺氧生物反应区，回流比通过硝化液回流管上设置的硝化液回流泵控制，范围为0.5:1～2:1；污泥沉淀于III区底部，通过排泥管排除，大部分污泥回流至缺氧生物反应区，少部分污泥作为剩余污泥外排处理实现磷元素的去除；全部的好氧生物填料和一部分好氧活性污泥进入到II区的底部，II区底部与I区相通，在曝气系统和机械搅拌器的提升作用下，好氧生物填料与污泥循环回到I区中下部，与来自于厌氧生物处理区的污水充分混合反应；
考虑到缺氧生物反应区对污水pH值中性到弱碱性的要求，在硝化液回流管上设置加药管，根据缺氧生物反应区pH值实时定量添加碱液，确保缺氧生化反应稳定进行；由于聚磷菌释磷和聚磷效果受多种因素干扰，处理污水过程中容易受到干扰而降低除磷效果，因此在好氧生物反应区底部设置加药管，通过加药泵定量控制铝盐或铁盐混凝剂添加量，利用铝盐或铁盐易与磷酸根生成沉淀的特征提高污水中磷元素的去除率。
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