CN117049703A - 一种硫自养反硝化脱氮反应器及其脱氮方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硫自养反硝化脱氮反应器及其脱氮方法，该反应器包括反应容器，反应容器的底部连接有进水管，并且其内部设置循环仓、固定仓、储水仓和搅拌器，其中：循环仓包括导流筒，搅拌器的控制杆垂直穿过储水仓、固定仓进入循环仓，并且搅拌器的搅拌叶垂直悬挂在导流筒内，流水管与导流筒连通。本发明与现有技术相比，其显著优点是：采用内外实现双竖向循环的方式，使得污水完成深度反硝化，解决了传统反应器中污水中微生物反应不够充分，无法发挥最大的效能的问题。同时，采用出水溢流堰来增强储水仓的安全性，通过控制污水水位的高低来增加储水仓的有效储水量，从而提高水库的利用率，充分实现排水效益，是一项非常有益的污水处理措施。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别是一种硫自养反硝化脱氮反应器及其脱氮方法。
背景技术
污水处理厂传统脱氮方法是使用异养反硝化脱氮技术，需要额外增加碳源，导致出水化学需氧量（COD）超标，引发二次污染。
相比较异养反硝化脱氮技术，硫自养反硝化工艺由于其无需外加有机碳源，减少有机物残留，产生的污泥量少，污泥处理成本低等优势，成为脱氮处理的研究热点。经研究发现，硫自养反硝化工艺中脱氮硫杆菌是主导菌种，而脱氮硫杆菌生长缓慢，且极容易随着水流流出反应系统。因此需要较长的生物固体停留时间（即污泥龄θc）和较低的表面负荷（Ls），确保微生物增殖，减少流失，使系统内有足够的的微生物参与反应。这一情况会导致反应器容积增大，限制了工艺的实用性。
文献1：中国发明授权专利CN202120976603.0公开了一种硫自养反硝化脱氮反应器及污水处理系统，核心思想是改善布水条件提高反应器的利用率，用脱氮载体提供电子并富集微生物，以达到提高反应速率的目的。该系统试图利用“旋流布水器”形成“旋涡流”使污水和载体混合更加均匀，忽视形成漩涡流的条件，按照该系统提供的做法采用CFD软件模拟，无法形成“旋涡流”。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硫自养反硝化脱氮反应器及其脱氮方法，通过反应器与其内部固定仓垂直串联的方式，对含硝污水进行两次脱氮，达到稳定出水水质的目的。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种硫自养反硝化脱氮反应器包括用于处理污水的反应容器，反应容器的底部连接有进水管，其中：
反应器还包括搅拌器，反应容器内部通过第一支撑架与第二支撑架分隔为自下而上的循环仓、固定仓和储水仓；
循环仓内设置开口向上的导流筒，搅拌器的控制杆垂直穿过储水仓、固定仓进入循环仓，并且搅拌器的搅拌叶垂直悬挂在导流筒内，进水管与导流筒连通；
固定仓用于储备生物填料；
储水仓连接有出水管。
进一步的，反应容器的侧壁贯穿设置有加药管，加药管与导流筒连通。
进一步的，导流筒包括头部和直筒部，头部与直筒部之间设置有加药层，加药层位于进水管的出口处且加药层低于搅拌器的叶轮的高度，加药层与加药管连接。
进一步的，导流筒的头部侧壁上设置有滤水口。
进一步的，循环仓内设置颗粒填料，颗粒填料的粒径为0.2mm~0.5mm，且颗粒填料在循环仓内的填充比例为30%~40%。
进一步的，储水仓内设置有出水溢流堰，出水溢流堰位于出水管的出口处。
进一步的，出水溢流堰为三角堰。
本发明还提供了一种基于硫自养反硝化脱氮反应器的脱氮方法，该方法包括以下步骤：
通过进水管持续向导流筒内输送待处理的污水，待处理的污水中含有微生物；
向导流筒内投加药料，通过搅拌器使得药料与待处理的污水混合后沿着导流筒的开口向外溢出，与循环仓内的颗粒填料混合，完成第一次反硝化；
硝化后的污水与固定仓内的生物填料进行反应，完成第二次反硝化。
进一步的，颗粒填料富集硫自养反硝化微生物，用于吸附混合药料的待处理污水中的微生物，使待处理污水中的微生物生长繁殖转化为硝态氮；生物填料用于在待处理污水中的微生物表面培养生物挂膜，利用生物挂膜将硝态氮转化为氮气。
进一步的，搅拌器的叶轮外沿线速度为0.30m/s~0.5m/s。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1.采用内外实现双竖向循环的方式，使得污水完成深度反硝化，解决了传统反应器中污水中微生物反应不够充分，无法发挥最大的效能的问题。同时，分次填充了不同的填料，其中：颗粒填料处理污水时，同时具备吸附污染物和富集微生物的性能，颗粒填料富集微生物在循环仓内多次循环，延长了生物固体停留时间，在循环过程中微生物反复处于相对的富营养盐—贫营养盐环境，激发微生物潜能，提高反应效率；而固定仓卫生处于相对贫营养盐水平，采用固定仓中生物填料富集微生物，筛选优势微生物种群，进一步净化污水，具备良好的稳定性和耐久性。
2.采用出水溢流堰来增强储水仓的安全性，通过控制污水水位的高低来增加储水仓的有效储水量，从而提高水库的利用率，充分实现排水效益，是一项非常有益的污水处理措施。
附图说明
图1是本发明的硫自养反硝化脱氮反应器的机构示意图。
图中：10、反应容器，11、进水管，12、加药管；20、循环仓，21、导流筒；30、固定仓，31、第一支撑架，32、第二支撑架；40、储水仓，41、出水管，42、出水溢流堰；50、搅拌器；M、电机。
实施方式
以下结合附图，对本发明实施例中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做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。
如图1所示，一种硫自养反硝化脱氮反应器，包括用于处理污水的反应容器10，反应容器的底部连接有进水管11，反应器还包括搅拌器50，反应容器10内部通过第一支撑架31与第二支撑架32分隔为自下而上的循环仓20、固定仓30和储水仓40，其中：
循环仓20内设置开口向上的导流筒21，搅拌器50的控制杆垂直穿过储水仓40、固定仓30进入循环仓20，并且搅拌器50的搅拌叶垂直悬挂在导流筒21内，流水管11与导流筒21连通；
固定仓30用于储备生物填料；
储水仓40连接有出水管41。
具体的，搅拌器50优选为四宽叶轴流搅拌器，叶轮的直径为导流筒21直径的0.89倍，叶轮外沿线速度0.3m/s～0.5m/s，从而防止叶轮转过快导致污泥颗粒破碎。
具体的，反应容器10的侧壁贯穿设置有加药管12，加药管12与导流筒21连通。加药管12优选投加浓度为10%的粉末硫悬浊液，并且根据水质情况适量添加调节碱度的药料，为微生物提供硫源，确保生物活性的效果。
具体的，导流筒21包括头部和直筒部，导流筒21的头部呈倒梯形且与反应器的底部连接，污水从进水管11输出并沿着导流筒21的头部流进导流筒21的直筒部，导流筒21的直筒部开口向上，其中：
导流筒21的头部与直筒部之间设置有加药层，加药管12与加药层相连，加药层位于进水管11的出口处且加药层低于搅拌器50的叶轮的高度；导流筒21的头部侧壁上还设置有滤水口，滤水口的高度接近于进水管11的出口处，便于溢出导流筒21外的污水沿着滤水口再次进入导流筒21内进行搅拌反应。
具体的，循环仓20内设置颗粒填料，颗粒填料被放置在导流筒21的外部；颗粒填料的粒径为0.2mm～0.5mm，填充比例为30%～40%，颗粒填料的材质优选为石英砂、石榴石、重晶石比重大于2.65的矿物质，达到防止填料颗粒随水流流失的效果。
具体的，生物填料采用立体组合填料、弹性填料或辫带式生物填料，利用残留的药料进一步深度反硝化，提高药料利用率，稳定出水水质。
具体的，导流筒21的直径是反应容器10的直径的0.35倍~0.45倍，使导流筒内外的水流速度大小相同。
具体的，搅拌器50的搅拌叶的直径是导流筒21的直径的0.89倍。
具体的，进水管11的水流速度小于等于出水管41的水流速度，进水管的水流速度大于0.8m/s，出水管41的水流速度小于1.50m/s，从而防止颗粒填料堆积。
具体的，储水仓40设置有出水溢流堰42，出水溢流堰42位于出水管41的出口处，储水仓40的水深1.0m~1.5m。其中，出水溢流堰42为三角堰，溢流率不大于2L/m·s，实现了均匀出水，保持水流稳定性，防止局部短流。
本发明还提供了一种基于硫自养反硝化脱氮反应器的脱氮方法，包括以下步骤：
通过进水管11持续向导流筒21内输送待处理的污水，待处理的污水中含有硫自养反硝化微生物；
通过加药管向导流筒21内投加药料，搅拌器50运行搅拌使得药料与待处理的污水混合后沿着导流筒21的开口向外溢出，与循环仓20内颗粒填料混合，完成第一次反硝化；
硝化后的污水与固定仓30内的生物填料进行反应，完成第二次反硝化。
具体的，颗粒填料富集硫自养反硝化微生物，用于吸附混合药料的待处理污水中的微生物，使待处理污水中的微生物生长繁殖转化为硝态氮；生物填料用于在待处理污水中的微生物表面培养生物挂膜，利用生物挂膜将硝态氮转化为氮气。
其中，生物挂膜是一种具有纤维状的缠绕结构，是由微生物附着在载体表面上并形成的生物膜；当待处理污水流经载体表面时，污水中的微生物向生物膜内部扩散，生物挂膜内微生物在有氧存在的情况下进行代谢、降解。
下面结合本反应器的具体应用场景，详细说明脱氮方法的操作过程。
实施例1：某有机废弃物处理中心废水处理设施升级改造，总氮排放浓度需要从45mg/L（毫克/升）降到15mg/L（毫克/升），处理水量8000m³/d（立方米/天）；计算公式为：总氮排放浓度(mg/L)=处理水量×待处理污水的实测氮浓度×排放时间。
具体操作过程如下：进水管11输出污水，搅拌器50运行使得加药管12投加的药料与污水进行混合，提高污水中微生物的有氧条件，并且循环仓20内设置的颗粒填料与混合药料的污水接触后凝结成污泥絮体，产生第一次反硝化。
第一次反硝化后的污水流进固定仓30内，与生物填料上的生物挂膜进行反应，生长出厌氧菌且吸附在生物填料上，产生第二次反硝化完成生物脱氮；第二次反硝化后的污水沿着固定仓30的出水溢流堰42的自出水管41流出。
需要注意的是，在搅拌过程中为了减少搅拌器50叶轮打到污泥絮体，导致污泥絮体破碎的情况，优选叶轮外沿线速度为0.35m/s（米/秒）。另外，污泥絮体的凝结体积过大也会增加叶轮阻力难以持续搅拌，造成污泥絮体沉降无法上浮进入固定仓内的问题。
针对上述注意事项，选用颗粒填料石英砂，对比其在不同材质参数下的颗粒富集微生物后的沉降性能和循环仓污泥活性浓度，说明本发明所提供的方法实现污水处理硝化反应稳定、脱氮充分的效果。详见表1
涉及的材质参数包括：粒径0.2mm、0.3mm和0.5mm，填充比例30%、35%和40%；
| 粒径，填充比例/效果评估 | 循环仓污泥活性浓度 | 颗粒填料是否沉降 | 颗粒填料是否破碎 | 颗粒填料是否流出反应器 |
| 0.2mm，30% | 7.0g/L | 否 | 否 | 是 |
| 0.2mm，35% | 8.6g/L | 否 | 否 | 是 |
| 0.2mm，40% | 9.0g/L | 否 | 否 | 是 |
| 0.3mm，30% | 6.6g/L | 否 | 否 | 否 |
| 0.3mm，35% | 8.2g/L | 否 | 否 | 否 |
| 0.3mm，40% | 8.6g/L | 否 | 是 | 否 |
| 0.5mm，30% | 6.0g/L | 是 | 是 | 否 |
| 0.5mm，35% | 7.6g/L | 是 | 是 | 否 |
| 0.5mm，40% | 8.0g/L | 是 | 是 | 否 |
表1的数据对比结果表明：采用0.3mm石英砂，填充比例35%时，活性浓度最优可达到8.2g/L，且颗粒填料不会随水流出，也不会在底部沉积，在搅拌器50的提升作用下，处于悬浮状态。
结合表1的数据对比结果，对比在不同的搅拌器50叶轮外沿线速度下循环仓污水的浑浊度和污泥絮体的完整度，说明本发明所提供的方法具备良好的絮凝效果和充氧条件。详见表2
| 叶轮外沿线速度/效果评估 | 循环仓污水的浑浊度NTU | 污水中的充氧量（CODcr） | 污泥絮体的完整度 |
| 0.3m/s | 87 | 196.01 | 少许悬浮物 |
| 0.35m/s | 73 | 257.82 | 完整 |
| 0.4m/s | 73 | 196.77 | 少许破碎 |
| 0.45m/s | 71 | 179.96 | 少许破碎 |
| 0.5m/s | 70 | 166.74 | 较多破碎 |
表2的数据对比结果表明：叶轮外沿线速度在0.5m/s时，污水充氧量最低且污泥絮体较大容易被叶轮打碎；叶轮外沿线速度在0.3m/s时，絮凝时间较长，有少许未絮凝充分的悬浮物；叶轮外沿线速度虽然在0.4m/s和0.35m/s时的浑浊度一致，但是叶轮外沿线速度在0.35m/s下的充氧量最高且污泥絮体完整，凝结效果稳定，为优选参数。
因此，实施例1包括搅拌器50采用四宽叶轴流搅拌器，叶轮的直径2.4m，叶轮外沿线速度0.35m/s，转速17r/min；导流筒21直径2.7m；颗粒填料选用0.3mm石英砂，填充比例35%。为了维持硝化反应的速率，配备粉末硫和碱度投加系统。设置粉末硫投加量为60mg/L，碱度投加量为35mg/L，实际出水总氮浓度10mg/L～14mg/L，满足总氮排放浓度的要求。
在本发明中所提到的搅拌器50是常规产品，搅拌器50主要是由电机、机架、联轴器、搅拌轴、控制杆、叶轮等部分组成，通过电机来驱动搅拌轴转动控制杆、叶轮运行，因此在本发明实施例中就搅拌器50的使用功能不再重复赘述。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种硫自养反硝化脱氮反应器，包括用于处理污水的反应容器（10），所述反应容器的底部连接有进水管（11），其特征在于：所述反应器还包括搅拌器（50），所述反应容器（10）内部通过第一支撑架（31）与第二支撑架（32）分隔为自下而上的循环仓（20）、固定仓（30）和储水仓（40），其中，循环仓（20）内设置开口向上的导流筒（21），搅拌器（50）的控制杆垂直穿过储水仓（40）、固定仓（30）进入循环仓（20），并且搅拌器（50）的搅拌叶垂直悬挂在导流筒（21）内，进水管（11）与导流筒（21）连通；固定仓（30）用于储备生物填料；储水仓（40）连接有出水管（41）；其中，所述反应容器（10）的侧壁贯穿设置有加药管（12），所述加药管（12）与所述导流筒（21）连通。
2.根据权利要求1所述的硫自养反硝化脱氮反应器，其特征在于：所述导流筒（21）包括头部和直筒部，所述头部与直筒部之间设置有加药层，所述加药层位于所述进水管（11）的出口处且所述加药层低于搅拌器（50）的叶轮的高度，所述加药层与所述加药管（12）连接。
3.根据权利要求2所述的硫自养反硝化脱氮反应器，其特征在于：所述导流筒（21）的头部侧壁上设置有滤水口。
4.根据权利要求3所述的硫自养反硝化脱氮反应器，其特征在于：所述循环仓（20）内设置颗粒填料，所述颗粒填料的粒径为0.2mm~0.5mm，且所述颗粒填料在所述循环仓内的填充比例为30%~40%。
5.根据权利要求4所述的硫自养反硝化脱氮反应器，其特征在于：所述储水仓（40）内设置有出水溢流堰（42），所述出水溢流堰（42）位于所述出水管（41）的出口处。
6.根据权利要求5所述的硫自养反硝化脱氮反应器，其特征在于：所述出水溢流堰（42）为三角堰。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的硫自养反硝化脱氮反应器的脱氮方法，其特征在于：包括以下步骤：
通过所述进水管（11）持续向导流筒（21）内输送待处理的污水，待处理的污水中含有微生物；
向导流筒（21）内投加药料，通过搅拌器（50）使得药料与待处理的污水混合后沿着所述导流筒（21）的开口向外溢出，与所述循环仓（20）内的颗粒填料混合，完成第一次反硝化；
硝化后的污水与固定仓（30）内的生物填料进行反应，完成第二次反硝化。
8.根据权利要求7所述的基于硫自养反硝化脱氮反应器的脱氮方法，其特征在于：所述颗粒填料富集硫自养反硝化微生物，用于吸附混合药料的待处理污水中的微生物，使待处理污水中的微生物生长繁殖转化为硝态氮；所述生物填料用于在待处理污水中的微生物表面培养生物挂膜，利用所述生物挂膜将硝态氮转化为氮气。
9.根据权利要求8所述的于硫自养反硝化脱氮反应器的脱氮方法，其特征在于：所述搅拌器（50）的叶轮外沿线速度为0.30m/s~0.5m/s。
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