CN117735710A - 一种颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒污泥‑固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，属于生物脱氮反应器领域。反应器本体从下到上依次为布水区、颗粒污泥反应区、固定生物膜反应区和分离区。颗粒污泥反应区中颗粒污泥包括短程反硝化菌和厌氧氨氧化菌。颗粒污泥反应区和固定生物膜反应区通过设有引液管和引泥管的分区盘分隔开。固定生物膜反应区设置麦芒式生物填料。分离区通过纵分盘分成留泥室和出气室，留泥室上部设溢流堰和出水管，出气室顶部设有用于排出N₂的排气管。该生物脱氮反应器解决厌氧氨氧化颗粒污泥中慢生菌不易持留问题，强化颗粒污泥中短程反硝化菌和厌氧氨氧化菌共同作用，提高氨氮去除效率，降低出水总氮，能够高效处理低碳比主流城市污水。

Description

一种颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器

技术领域

本发明属于生物脱氮反应器领域，具体涉及一种颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器。

背景技术

据统计，我国每年处理的污水超过800亿吨，其中，生活污水占污水总处理量的85％以上。然而，近年来人们的生活饮食习惯发生改变，并且管网不断完善，导致更多的化粪池污水排入污水管网，这使得主流城市污水普遍存在低碳氮比的情况。传统的活性污泥法在处理低碳氮比污水时存在脱氮效能低、运行成本高、易导致污泥膨胀、产泥率高等问题。因此，迫切需要探索一种高效去除城市低碳氮比污水中氮素的系统工艺。

厌氧氨氧化工艺是一种新型生物脱氮工艺，该工艺可直接将氨氮和亚硝酸盐氮转化为氮气和硝酸盐氮。据推算，如若将厌氧氨氧化应用于主流污水处理，较传统工艺可节省能源20Wh·人^-1·d^-1。厌氧氨氧化优势明显，但随着我国对废水污染物排放标准的逐步提高(氨氮<1.5mg·L-1，总氮<10mg·L-1)，厌氧氨氧化处理主流城市污水过程中会产生11％硝氮副产物，这使得总氮达标困难，因此其广泛应用面临一定的挑战。

短程反硝化能够将厌氧氨氧化过程中产生的硝酸盐氮(NO₃ ^--N)还原为亚硝酸盐氮(NO₂ ^--N)，从而促进厌氧氨氧化过程。几乎所有报道的厌氧氨氧化工艺中，短程反硝化菌都被观察到为共生细菌。因此，通过厌氧氨氧化耦合短程反硝化工艺，将可以有效解决厌氧氨氧化工艺处理主流城市污水存在的总氮达标困难的问题。然而，厌氧氨氧化颗粒污泥中的优势菌通常是低基质亲和力的快生菌，快生菌的生长速率较大，导致其中高基质亲和力的慢生菌不易持留。但是，慢生菌在厌氧氨氧化颗粒污泥中的存在可以增加微生物群落的多样性，提高系统的稳定性和抗冲击负荷能力。慢生菌具有较强的适应性和耐受性，能够在复杂的环境条件下生存和繁殖，对于面对废水水质波动等外界变化时，能够保持厌氧氨氧化颗粒污泥的正常运行。

因此，亟需开发一种能够解决厌氧氨氧化颗粒污泥中慢生菌不易持留问题的生物脱氮反应器。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器。

本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明提供一种颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，反应器本体从下到上依次为布水区、颗粒污泥反应区、固定生物膜反应区和分离区。布水区顶部与颗粒污泥反应区底部连通。布水区最底部设有排泥管，且布水区侧壁上设有回流进水管。

颗粒污泥反应区内部填有颗粒污泥，颗粒污泥包括短程反硝化菌和厌氧氨氧化菌。颗粒污泥反应区顶部与固定生物膜反应区底部之间设有用于分隔两个区域的分区盘。分区盘上设有引泥管和引液管，使得颗粒污泥反应区内的待处理污水从引液管高速射出至固定生物膜反应区，颗粒污泥沉降后从引泥管回至颗粒污泥反应区。颗粒污泥反应区和固定生物膜反应区侧壁的上部和下部均设有采样口。

固定生物膜反应区顶部与分离区底部之间设有用于固定麦芒式生物填料的可拆卸式蜂巢型分区盘。麦芒式生物填料沿固定生物膜反应区纵向分布，用于截留部分颗粒污泥。

分离区分为上部的大口径段和下部的渐宽段，分离区通过纵分盘分为出气室和留泥室。纵分盘底部设置向留泥室倾斜的上游引流板，用于回流污泥，使得留泥室内的泥水混合物分离后，沉淀的污泥通过蜂巢型分区盘返回固定生物膜反应区。留泥室顶部侧壁设置用于排出泥水混合物分离后上清液的出水管。出水管上设置有溢流堰。

出气室顶部开设用于排出N₂的排气管，且出气室侧壁开设有回流管。出气室底部设有若干倾斜的出气室斜板，用于回流污泥，相邻的出气室斜板之间构成导流口。

作为优选，上述颗粒污泥反应区和固定生物膜反应区的高度之比为(1～1.5)：1，截面积之比为1：1。颗粒污泥和麦芒式生物填料的体积总和为反应器本体内总有效体积，其中颗粒污泥的体积占总有效体积的2/5～1/2，麦芒式生物填料的体积占总有效体积的1/2～3/5。

作为优选，上述固定生物膜反应区内的麦芒式生物填料设置多条，麦芒式生物填料的垂直长度与固定生物膜反应区的高度之比为1：(1～1.2)。麦芒式生物填料形成的环状纤维的圆心角为90°～120°。

作为优选，上述蜂巢型分区盘上均匀分布多个孔洞，孔洞直径范围为1～5mm。固定生物膜反应区与蜂巢型分区盘横截面积之比为1：(1.5～2.3)。

作为优选，上述分离区中渐宽段的上下横截面积之比为(2～4)：1。分离区中渐宽段和大口径段的高度之比为1：(3～4)。

作为优选，上述分离区中的出气室与留泥室的横截面积之比为(1～2)：1。出气室底部的出气室斜板与水平面的夹角为30°～60°。出气室斜板垂直高度与渐宽段的高度之比为1：(1～1.5)，相邻的出气室斜板之间的距离与大口径段的截面积之比为1：(4～8)。上游引流板与纵分盘竖直方向的夹角为20°～30°。导流口截面积与固定生物膜反应区截面积之比为1：(36～64)。

作为优选，上述回流管设在出气室垂直高度的1/3～1/2处，且回流管与水平面夹角为45°～60°。回流进水管与水平面夹角为45°～60°。

作为优选，上述引泥管、引液管和颗粒污泥反应区截面积之比为1：1：(25～100)，高度比为1：(1～1.2)：(5～8)。引液管位于分区盘截面中央，其高出分区盘部分的长度为其总长的1/10～2/5。

作为优选，上述分区盘通过法兰连接固定在颗粒污泥反应区顶部与固定生物膜反应区底部之间。

作为优选，上述蜂巢型分区盘通过法兰连接固定在固定生物膜反应区顶部与分离区底部之间。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本发明提供的生物脱氮反应器通过设置截面积较小的引液管，使得待处理污水高速射出至固定生物膜反应区中，颗粒污泥也伴随着待处理污水进入固定生物膜反应区中，使得颗粒污泥中的高基质亲和力的慢生菌截留在麦芒式生物填料上；

(2)本发明提供的生物脱氮反应器中采用环状纤维圆心角为90°～120°的麦芒式生物填料，增大接触面积，增加高基质亲和力的慢生菌在麦芒式生物填料上的数量，从而提高整个处理系统的稳定性和抗冲击负荷能力；

(3)本发明提供的生物脱氮反应器集成颗粒污泥-固定生物膜于一体，减小反应器占地面积；通过增加临时回流率对固定生物膜施加剪切力，从而调节生物膜厚度和生物量，强化厌氧氨氧化和短程反硝化作用，提高氨氮去除效率，降低出水总氮，能够高效处理低碳比主流城市污水。

附图说明

图1为本实施例提供的一体化缺氧生物脱氮反应器结构示意图；

图2为本实施例提供的蜂巢型分区盘结构示意图；

图3为本实施例提供的麦芒式生物膜载体的结构示意图；

图中：排泥管1、回流进水管2、颗粒污泥3、采样口4、引泥管5、分区盘6、引液管7、麦芒式生物填料8、蜂巢型分区盘9、出气室斜板10、上游引流板11、留泥室12、溢流堰13、出水管14、回流管15、出气室16、纵分盘17、排气管18。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

实施例1

如图1所示，作为具体实施方式中的一种优选，本实施例提供一种颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器。该一体化缺氧生物脱氮反应器可以采用有机玻璃和钢板构建。

反应器本体从下到上依次为布水区A、颗粒污泥反应区B、固定生物膜反应区C和分离区D。布水区A最底部设有排泥管1，且布水区A侧壁上设有回流进水管2，回流进水管2用于接收回流管中回流的待处理污水以及从外部设备进水的待处理污水。回流进水管2的设置方向为从反应器外向反应器内腔倾斜，与水平面夹角为60°。

布水区A顶部与颗粒污泥反应区B底部连通。颗粒污泥反应区B内部填有颗粒污泥3，颗粒污泥3包括短程反硝化菌和厌氧氨氧化菌。颗粒污泥反应区B顶部与固定生物膜反应区C底部之间设有用于分隔两个区域的分区盘6，且分区盘6通过法兰连接固定在颗粒污泥反应区B顶部与固定生物膜反应区C底部之间。颗粒污泥反应区B和固定生物膜反应区C的高度之比为1：1，截面积之比为1：1。

分区盘6上设有引泥管5和引液管7。引泥管5、引液管7和颗粒污泥反应区B截面积之比为1：1：64，高度比为1：1.2：5。所述引液管7位于分区盘6截面中央，其高出分区盘6部分的长度为其总长的1/10。

颗粒污泥反应区B和固定生物膜反应区C侧壁的上部和下部均设有采样口4。本实施例中，颗粒污泥反应区B和固定生物膜反应区C侧壁上下分别设置一个采样口，共计4个采样口。

固定生物膜反应区C顶部与分离区D底部之间设有可拆卸式蜂巢型分区盘9，且蜂巢型分区盘9通过法兰连接固定在固定生物膜反应区C顶部与分离区D底部之间。如图2所示，蜂巢型分区盘9上均匀分布多个孔洞，孔洞直径范围为2mm。固定生物膜反应区C与蜂巢型分区盘9横截面积之比为1：2.3。

蜂巢型分区盘9上固定有若干条麦芒式生物填料8。麦芒式生物填料8沿固定生物膜反应区C纵向分布，用于截留部分颗粒污泥3。麦芒式生物填料8的垂直长度与固定生物膜反应区C的高度之比为1：1.2。为了增加麦芒式生物填料的表面积，从而提高厌氧氨氧化颗粒污泥中慢生菌在麦芒式生物填料上的截留率，本实施例中采用环状纤维圆心角为90°～120°的麦芒式生物填料8，具体形状如图3所示。

颗粒污泥3和麦芒式生物填料8的体积总和为反应器本体内总有效体积，本实施例中，颗粒污泥3的体积占总有效体积的2/5，麦芒式生物填料8的体积占总有效体积的3/5。需要说明的是，本发明并不严格限制颗粒污泥3和麦芒式生物填料8的比例，也可根据实际情况调整颗粒污泥3和麦芒式生物填料8的体积比。

分离区D分为上部的大口径段和下部的渐宽段，其中渐宽段的上下横截面积之比为4：1。渐宽段和大口径段的高度之比为1：4。分离区D通过纵分盘17分为出气室16和留泥室12。本实施例中，出气室16与留泥室12的横截面积之比为1：1。

纵分盘17底部设置向留泥室12倾斜的上游引流板11，用于回流污泥，使得留泥室12内的泥水混合物分离后，沉淀的污泥通过蜂巢型分区盘9返回固定生物膜反应区C。上游引流板11与纵分盘17竖直方向的夹角为30°。留泥室12顶部侧壁设置用于排出泥水混合物分离后上清液的出水管14，且出水管14上设置有溢流堰13。

出气室16顶部开设用于排出N₂的排气管18，且出气室16侧壁开设有回流管15。回流管15设在出气室16垂直高度的1/3处，回流管15的设置方向为自出气室16内向外倾斜，与水平面夹角为60°。

出气室16底部设有若干倾斜的出气室斜板10，用于回流污泥，相邻的出气室斜板10之间构成导流口。出气室16底部的出气室斜板10与水平面的夹角为30°。出气室斜板10垂直高度与渐宽段的高度之比为1：1.5，相邻的出气室斜板10之间的距离与大口径段的截面积之比为1：4。相邻的出气室斜板10之间的导流口截面积与固定生物膜反应区C截面积之比为1：64。

利用本实施例提供的一体化缺氧生物脱氮反应器处理污水的具体步骤和原理如下：

待处理废水经由布水区A进入颗粒污泥反应区B，与颗粒污泥反应区B内部的颗粒污泥3充分接触，主要进行厌氧氨氧化反应，对待处理废水中的污染物进行分解和转化，产生硝酸盐氮和N₂。借助分区盘6的阻挡作用，N₂和颗粒污泥反应区B产生的浮泥积累在该区顶部并形成气室，待气室积满气体后，通过颗粒污泥反应区B横截面与引液管7横截面的急剧变化，产生高速液流从引液管7出口射出至固定生物膜反应区C，形成强大的剪切力，分离颗粒污泥表面附着的气泡，破除颗粒污泥内的气囊，恢复颗粒污泥的沉降性能，使颗粒污泥沉降到分区盘6上，并通过引泥管5返回颗粒污泥反应区B，而随待处理污水上升的颗粒污泥被麦芒式生物填料8截留，实现厌氧氨氧化颗粒污泥中慢生菌在麦芒式生物填料8上停留。厌氧氨氧化颗粒污泥中慢生菌具有高基质亲和力的特点，具有较强的适应性和耐受性，能够在复杂的环境条件下生存和繁殖，提高处理系统的稳定性和抗冲击负荷能力。

待处理污水经引液管7进入固定生物膜反应区C，与该区内麦芒式生物填料8上的颗粒污泥充分接触，对待处理污水内的污染物再次进行分解和转化。在固定生物膜反应区C内，颗粒污泥中的短程反硝化菌能够利用厌氧氨氧化过程产生的硝酸盐氮，将其还原为亚硝酸盐氮，继续参与厌氧氨氧化过程，实现总氮达标的目的。产生的N₂经出气室16顶端的排气管18排出。小部分泥水混合液进入留泥室12进行泥水分离，上清液经由溢流堰13排出，沉淀污泥直接返回。

实施例2

本实施例采用实施例1中提供的一体化缺氧生物脱氮反应器进行污水处理。

待处理污水中NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N和BOD分别为25.9±1.9mg·L^-1、29.0±3.6mg·L^-1和60.0±1.0mg·L^-1。反应器运行稳定后，出水NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、NO₃ ^--N和BOD分别为0.5±0.4mg·L^-1、0.4±0.3mg·L^-1、2.1±1.3mg·L^-1和<1.0mg·L^-1。经计算，本实施例的出水平均总氮为3.3mg·L^-1，满足国内最严格的排放标准(TN<10mg·L^-1)，且其氨氮去除速率高达0.8±0.1kg-N·m^-3·d^-1，远高于现有技术报道的同类工艺。

对比例1

本对比例采用传统厌氧氨氧化生物脱氮反应器进行低碳比污水处理。

传统厌氧氨氧化生物脱氮反应器仅包括厌氧氨氧化颗粒污泥反应区和分离区，待处理废水由蠕动泵从反应器底部连续泵入与厌氧氨氧化颗粒污泥充分反应，水气泥混合物上流至分离区，气体从出气室排出，出水从溢流堰排出，污泥沉淀后通过重力沉降流回反应区。

待处理污水中NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N和BOD分别为25.9±1.9mg·L^-1、29.0±3.6mg·L^-1和60.0±1.0mg·L^-1。经过传统厌氧氨氧化生物脱氮反应器后，出水NH₄ ⁺-N、NO₂ ^--N、NO₃ ^--N和BOD分别为0.6±0.3mg·L^-1、2.2±0.8mg·L^-1、18.3±1.1mg·L^-1和<1.0mg·L^-1。虽然其出水NH₄ ⁺-N满足了达标标准，但其出水平均总氮高达21.1mg·L^-1，明显高于实施例2中的出水总氮含量。也高于国内的排放标准(TN<10mg·L^-1)。

实施例2中采用本发明提供的一体化缺氧生物脱氮反应器进行污水处理，解决了对比例1中总氮出水无法达标的问题，同时还保证了高脱氮速率。本发明提供的一体化缺氧生物脱氮反应器为低碳比城市污水脱氮处理提供了有效的参考价值。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，其特征在于，反应器本体从下到上依次为布水区(A)、颗粒污泥反应区(B)、固定生物膜反应区(C)和分离区(D)；所述布水区(A)顶部与颗粒污泥反应区(B)底部连通；所述布水区(A)最底部设有排泥管(1)，且布水区(A)侧壁上设有回流进水管(2)；

所述颗粒污泥反应区(B)内部填有颗粒污泥(3)，所述颗粒污泥(3)包括短程反硝化菌和厌氧氨氧化菌；所述颗粒污泥反应区(B)顶部与固定生物膜反应区(C)底部之间设有用于分隔两个区域的分区盘(6)；所述分区盘(6)上设有引泥管(5)和引液管(7)，使得颗粒污泥反应区(B)内的待处理污水从引液管(7)高速射出至固定生物膜反应区(C)，颗粒污泥(3)沉降后从引泥管(5)回至颗粒污泥反应区(B)；所述颗粒污泥反应区(B)和固定生物膜反应区(C)侧壁的上部和下部均设有采样口(4)；

所述固定生物膜反应区(C)顶部与分离区(D)底部之间设有用于固定麦芒式生物填料(8)的可拆卸式蜂巢型分区盘(9)；所述麦芒式生物填料(8)沿固定生物膜反应区(C)纵向分布，用于截留部分颗粒污泥(3)；

所述分离区(D)分为上部的大口径段和下部的渐宽段，分离区(D)通过纵分盘(17)分为出气室(16)和留泥室(12)；所述纵分盘(17)底部设置向留泥室(12)倾斜的上游引流板(11)，用于回流污泥，使得留泥室(12)内的泥水混合物分离后，沉淀的污泥通过蜂巢型分区盘(9)返回固定生物膜反应区(C)；所述留泥室(12)顶部侧壁设置用于排出泥水混合物分离后上清液的出水管(14)；所述出水管(14)上设置有溢流堰(13)；

所述出气室(16)顶部开设用于排出N₂的排气管(18)，且出气室(16)侧壁开设有回流管(15)；所述出气室(16)底部设有若干倾斜的出气室斜板(10)，用于回流污泥，相邻的出气室斜板(10)之间构成导流口。

2.根据权利要求1所述的颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，其特征在于，所述的颗粒污泥反应区(B)和固定生物膜反应区(C)的高度之比为(1～1.5)：1，截面积之比为1：1；颗粒污泥(3)和麦芒式生物填料(8)的体积总和为反应器本体内总有效体积，其中颗粒污泥(3)的体积占总有效体积的2/5～1/2，麦芒式生物填料(8)的体积占总有效体积的1/2～3/5。

3.根据权利要求1所述的颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，其特征在于，所述固定生物膜反应区(C)内的麦芒式生物填料(8)设置多条，麦芒式生物填料(8)的垂直长度与固定生物膜反应区(C)的高度之比为1：(1～1.2)；麦芒式生物填料(8)形成的环状纤维的圆心角为90°～120°。

4.根据权利要求1所述的颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，其特征在于，所述蜂巢型分区盘(9)上均匀分布多个孔洞，孔洞直径范围为1～5mm；固定生物膜反应区(C)与蜂巢型分区盘(9)横截面积之比为1：(1.5～2.3)。

5.根据权利要求1所述的颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，其特征在于，所述的分离区(D)中渐宽段的上下横截面积之比为(2～4)：1；所述分离区(D)中渐宽段和大口径段的高度之比为1：(3～4)。

6.根据权利要求1所述的颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，其特征在于，所述的分离区(D)中的出气室(16)与留泥室(12)的横截面积之比为(1～2)：1；所述出气室(16)底部的出气室斜板(10)与水平面的夹角为30°～60°；出气室斜板(10)垂直高度与渐宽段的高度之比为1：(1～1.5)，相邻的出气室斜板(10)之间的距离与大口径段的截面积之比为1：(4～8)；所述上游引流板(11)与纵分盘(17)竖直方向的夹角为20°～30°；所述导流口截面积与固定生物膜反应区(C)截面积之比为1：(36～64)。

7.根据权利要求1所述的颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，其特征在于，所述回流管(15)设在出气室(16)垂直高度的1/3～1/2处，且回流管(15)与水平面夹角为45°～60°；所述回流进水管(2)与水平面夹角为45°～60°。

8.根据权利要求1所述的颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，其特征在于，所述的引泥管(5)、引液管(7)和颗粒污泥反应区(B)截面积之比为1：1：(25～100)，高度比为1：(1～1.2)：(5～8)；所述引液管(7)位于分区盘(6)截面中央，其高出分区盘(6)部分的长度为其总长的1/10～2/5。

9.根据权利要求1所述的颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，其特征在于，所述分区盘(6)通过法兰连接固定在颗粒污泥反应区(B)顶部与固定生物膜反应区(C)底部之间。

10.根据权利要求1所述的颗粒污泥-固定生物膜一体化缺氧生物脱氮反应器，其特征在于，所述蜂巢型分区盘(9)通过法兰连接固定在固定生物膜反应区(C)顶部与分离区(D)底部之间。