CN201545767U

CN201545767U - 一种反硝化同时脱氮除磷装置

Info

Publication number: CN201545767U
Application number: CN2009202381411U
Authority: CN
Inventors: 周少奇; 张晓洁
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2019-10-30

Abstract

本实用新型公开了一种反硝化同时脱氮除磷装置，包括1^#序批式反应器(2)、2^#序批式反应器(5)和硝酸盐交换器(9)；1^#序批式反应器(2)通过管道与第一进水泵(1)连接，还通过管道与硝酸盐交换器(9)连通；硝酸盐交换器(9)通过第三进水泵(7)与1^#序批式反应器(2)连接，还通过第二进水泵(4)与2^#序批式反应器(5)连接，2^#序批式反应器(5)还通过管道与硝酸盐交换器(9)连通。本实用新型采用活性污泥法和生物膜法相结合的技术，将硝化菌和反硝化除磷菌在不同的污泥系统中分别进行培养，既可以避免传统脱氮除磷工艺中反硝化菌和除磷菌对有机物的竞争，也避免了由于硝化菌和除磷菌泥龄差异导致的矛盾。

Description

一种反硝化同时脱氮除磷装置

技术领域

本实用新型涉及一种反硝化同时脱氮除磷设备，具体是采用活性污泥法和生物膜法相结合的技术，将硝化菌和反硝化除磷菌在不同的污泥系统中分别进行培养，为硝化菌和反硝化除磷菌创造各自最佳的生长环境，提高脱氮除磷的效果。

背景技术

反硝化除磷(Denitrifying dephosphatation)技术是指反硝化除磷菌(DenitrifyingPhosphorus removal Bacteria，简称DPB)经厌氧释磷后，在缺氧条件下以硝酸盐作为吸磷的电子受体，同步实现脱氮和除磷。反硝化除磷菌被证实具有和好氧除磷菌极为相似的代谢特征。因为反硝化除磷菌可以在缺氧环境摄磷，这就使得摄磷和反硝化脱氮这两个生物过程借助同一类微生物在同一种环境下一并完成：只消耗单独生物除磷所需的有机物量，就可达到氮磷的同步去除；而且摄磷在缺氧环境下由硝酸盐代替氧气作为吸收磷酸盐的电子受体，节省了曝气量；反硝化和除磷由同类菌完成，还可减少污泥产量。这种新型污水处理技术相当适合当前污水处理向可持续发展转变的要求：能脱氮除磷净化水质、动力消耗少、污泥产量少、COD消耗少。是一种新型的高效低能耗的生物脱氮除磷技术。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可在一套设备同时实现硝化菌和反硝化除磷菌的一种反硝化同时脱氮除磷装置。

本实用新型采用活性污泥法和生物膜法相结合的技术，将硝化菌和反硝化除磷菌在不同的污泥系统中分别进行培养，为硝化菌和反硝化除磷菌创造各自最佳的生长环境，实现理想的硝化和反硝化除磷，达到提高脱氮除磷效果的目的。

为达到上述实用新型目的，本实用新型采取了如下工艺技术方案：

一种反硝化同时脱氮除磷装置，包括1^#序批式反应器、2^#序批式反应器和硝酸盐交换器；1^#序批式反应器通过管道与第一进水泵连接，还通过第一排水阀与硝酸盐交换器连通；硝酸盐交换器通过第三进水泵与1^#序批式反应器连接，还通过第二进水泵与2^#序批式反应器连接，2^#序批式反应器还通过第二排水阀与硝酸盐交换器连通；所述1^#序批式反应器和2^#序批式反应器内分别设有第二鼓风机和第一鼓风机。

所述1^#序批式反应器还设有搅拌器。

所述1^#序批式反应器和2^#序批式反应器为双层圆柱体结构，中间设有用于盛放热水的空腔，恒温水浴锅通过管道分别与1^#序批式反应器和2^#序批式反应器的双层圆柱体中间空腔连通。

所述设备还包括PLC可编程控制器，可编程控制器分别与第一进水泵、第二进水泵、第三进水泵、第一鼓风机、第一排水阀、第二排水阀、搅拌器和第二鼓风机连接。

所述1^#序批式反应器或2^#序批式反应器为有机玻璃制备。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

(1)本实用新型采用两台序批式反应器和一个硝酸盐交换器，其中2个反应器只是在反应周期内互换上清液，并不交换各自的活性污泥，构成双泥系统，结构简单，运行维护方便。

(2)2^#序批式反应器为独立的好氧硝化池，采用膜法硝化，加入纤维膜作为填料以利于硝化菌的生长繁殖，这样可以不受泥龄的限制，给硝化菌的生长创造了稳定条件。

(3)COD在1^#序批式反应器厌氧阶段几乎全部去除，COD去除与硝化部分分离，减少了C/N比对生物硝化的影响，在正常运行情况下，2^#序批式反应器进水有机物含量很低，抑制了异氧菌的生长，保证了硝化菌的优势菌群地位。

(4)本实用新型的一种反硝化同时脱氮除磷装置对COD、氨氮和磷都具有很好的效果，出水COD在20mg/l以下，磷在0.5mg/l以下；氨氮在3mg/l以下。

附图说明

图1为本实用新型一种反硝化同时脱氮除磷装置结构示意图；

图2为本实用新型所用PLC程序控制器示意图

图3为一种反硝化同时脱氮除磷装置对COD_Gr的去除效果示意图；

图4为一种反硝化同时脱氮除磷装置对氨氮的去除效果示意图；

图5为一种反硝化同时脱氮除磷装置对P的去除效果示意图；

图6为一种反硝化同时脱氮除磷装置对典型运行周期水质变化示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。

如图1所示，一种反硝化同时脱氮除磷装置包括1^#序批式反应器2、2^#序批式反应器5和硝酸盐交换器9；1^#序批式反应器2通过管道与第一进水泵1连接，还通过第一排水阀11与硝酸盐交换器9连通；硝酸盐交换器9通过进水泵第三7与1^#序批式反应器2连接，还通过进水泵第二进水泵4与2^#序批式反应器5连接，2^#序批式反应器5还通过第二排水阀12与硝酸盐交换器9连通。1^#序批式反应器2通过通风管与第二鼓风机8相连，第二鼓风机8向1^#序批式反应器2鼓风曝气。1^#序批式反应器2顶部安装有搅拌器3，在厌氧、缺氧段搅拌1^#序批式反应器2中的混合液。2^#序批式反应器5通过通风管与第一鼓风机6相连，第一鼓风机6向2^#序批式反应器5鼓风曝气。1^#序批式反应器2通过排水阀13向外界排水。两台恒温水浴锅设在反应装置的附近，通过管道将恒温水分别输送到1^#序批式反应器2和2^#序批式反应器5的双层圆柱体中间连接。可编程控制器10分别通过电线与第一进水泵1、第二进水泵4、第三进水泵7、第一鼓风机6、搅拌器3和鼓风机第二8连接，控制进水、排水、鼓风曝气、搅拌的开始时间和结束时间。可编程控制器10可选用V80系列可编程控制器，其主要功能是：控制器通过输入接口(I/O)读取不同输入装置(如各种开关与传感器)的信号，执行储存于内存的梯形图程序，并通过输出接口(I/O)将结果送至输出装置(如电磁阀、泵等)。

作为一个具体的实例，1^#序批式反应器2为有机玻璃容器，上部为双层有机玻璃圆柱体，外直径22cm，内直径20cm，高55cm。下部为圆台形，高10cm，上面直径20cm，下面直径5cm。在反应器圆柱体部分外壁垂直方向，从圆柱体底部每隔10cm设一个出口，共5个，用于取样；在取样口另一侧，从圆柱体底部每隔4cm设一个出口，共4个，用于排水。圆台下部有一个出口，用于排空。所有出口均与直径15cm的阀门连接。2^#序批式反应器5为有机玻璃容器，上部为双层有机玻璃圆柱体，外直径22cm，内直径20cm，高55cm。下部为圆台形，高10cm，上面直径20cm，下面直径5cm。在反应器圆柱体部分外壁垂直方向，从圆柱体底部每隔10cm设一个出口，共5个，用于取样；在取样口另一侧，从圆柱体底部每隔4cm设一个出口，共4个，用于排水。圆台下部有一个出口，用于排空。所有出口均与直径15cm的阀门连接。硝酸盐交换器9为桶形容器，设进水口两个，出水口两个，通过管道与1^#序批式反应器2、2^#序批式反应器5连接。

具体过程包括如下步骤：

(1)厌氧段：原水由进水泵1加入1^#序批式反应器，厌氧搅拌，反硝化除磷菌吸收大量的有机底物并以PHB(胞内聚β-羟基丁)的形式贮存在体内，同时释放出大量的磷；随后1^#序批式反应器沉淀排水：泥水分离，富含氨氮和磷的上清液从1^#序批式反应器排至硝酸盐交换器；

(2)好氧段：硝酸盐交换器中富含氨氮和磷的水用第二进水泵4加至2^#序批式反应器，在2^#序批式反应器中曝气进行硝化反应，NH₄ ⁺-N全部转化为NO₃ ^--N；随后2^#序批式反应器沉淀排水：将上述富含NO₃ ^--N的硝化液排至硝酸盐交换器；接着1^#序批式反应器再次充水：用第三进水泵7将上述硝化液从硝酸盐交换器加回至1^#序批式反应器；

(3)缺氧段：上述1^#序批式反应器缺氧搅拌，反硝化除磷菌以体内的PHB为电子供体，以2^#序批式反应器提供的NO₃

为电子受体，同时完成缺氧反硝化脱氮和过量吸磷。

(4)好氧段：1^#序批式反应器短时吹脱曝气，以利于氮气的排除和加强磷的去除效果，防止磷的“二次释放”；1^#序批式反应器沉淀排水：上述1^#序批式反应器沉淀排水。这样2个反应器只是在反应周期内互换上清液，并不交换各自的活性污泥，构成双泥系统。

如图2所示，V80系列可编程控制器控制本实用新型厌氧搅拌、沉淀、排水、曝气、曝气后的沉淀各个进程的时间以及相关操作的开启。具体过程如下：2台序批式反应器有效容积均为12L，整个系统设计运行周期12h，每周期开始时加入9L人工合成废水，1^#序批式反应器厌氧搅拌140min(含进水20min)，沉淀35min泥水分离，排水15min，富含磷和氨氮的上清液排入硝酸盐交换器；2^#序批式反应器从硝酸盐交换器中进水20min，鼓风曝气200min(含进水时间)，好氧结束后2^#序批式反应器反应器静止沉淀35min，沉淀后的硝化液排入硝酸盐交换器，排水时间15min；1^#序批式反应器反应器缺氧搅拌200min(含进硝化液时间20min)，短时曝气30min，沉淀35min、最后排水阀打开，将9L上清液从反应器排出，排水时间15min。在1^#序批式反应器好氧结束时通过排泥水混合液达到控制1^#序批式反应器泥龄的目的，泥龄控制在10天左右，2^#序批式反应器不排泥，污泥浓度均在2.2-2.5g/L。用恒温水浴控制反应器内的温度在30℃左右。采用PLC可编程控制器自动控制两个序批式反应器的进水、曝气、搅拌、沉淀、排水等运行。

实施效果：

单泥生物脱氮除磷工艺中除磷菌、反硝化菌、硝化菌等共同存在于同一活性污泥系统中，必然存在这硝化菌和除磷菌的不同泥龄之争，使除磷和硝化作用相互干扰，同时因为硝化菌是自养型专性好氧微生物，反硝化菌和除磷菌是异养型兼生菌，系统的A/A/O交替运行对除磷和反硝化都比较有利，但是对硝化菌来说却不是合适的生长环境。根据反硝化脱氮除磷理论，设计了一个能长期稳定运行的双泥膜法SBR反硝化生物脱氮除磷工艺，把硝化菌和反硝化除磷菌(DPB)在不同的污泥系统分别进行培养，即可以避免传统脱氮除磷工艺中反硝化菌和DPB对有机物的竞氧也避免了两种细菌泥龄的差异。在双泥膜法SBR(序批式反应器)反硝化除磷脱氮系统中硝化反应所需的最小SRT不再是反硝化除磷过程的控制因素，可根据实际要求而改变各自的SRT，为硝化菌和DPB创造了各自最佳的生长环境，因而可以实现理想的硝化和反硝化除磷。

本实用新型实施效果分为6个阶段考察，第一阶段为试运行阶段；经过32天的试运行，系统处理效果稳定后，进行第二个阶段即泥龄减少到5天考察超短泥龄对系统处理效果的影响；第三个阶段是系统恢复阶段，经过3天的短泥龄运行，泥量损失较多，系统回复到10天泥龄运行20天；第四阶段是系统处理效果稳定后，将泥龄提高到20天，以考察系统的运行情况；第五阶段将COD浓度降低到150mg/L，考察低C/N比对反硝化除磷效果的影响。第六阶段1^#序批式反应器的水温在17℃左右，考察了低温对反硝化除磷效果的影响。

进水采用人工配制的合成废水，主要成分为：250mgCOD/L NaAc，0.028g/LK₂HPO₄，0.022g/LKH₂PO₄，0.115g/LNH₄Cl，0.035g/LCaCl₂·2H₂O，0.15g/LMgSO₄·7H₂O，0.3ml/L微量元素溶液。微量元素溶液成分为(1L蒸馏水中)：10gEDTA，1.5gFeCl₃·6H₂O，0.15gH₃BO₃，0.03gCuSO₄·5H₂O，0.18gKI，0.12gMnCl₂·4H₂O，0.06gNaMoO₄·2H₂O，0.12gZnSO₄·7H₂O，0.15gCoCl₂·6H₂O。试验接种污泥取自广州市某污水处理厂。

分析方法：COD：XJ-1型COD消解仪消解，重铬酸钾法；TP：钼锑抗分光光度法；NH₄ ⁺-N：纳氏试剂光度法；NO₂ ^--N：N-(1-萘基)-乙二胺光度法；NO₃ ^--N：紫外分光光度法。

1、COD的去除效果

由附图3可以看出，一种反硝化同时脱氮除磷装置对COD有很好的处理效果。对于模拟的生活污水(由醋酸钠配制)，系统对COD的去除总体来说比较稳定，出水COD基本在20mg/L以下，达到国家排放标准。出水浓度波动幅度较小，去除率基本在90％以上。但是泥龄控制在5天时(第二阶段)，COD的去除率仅有70％左右，这是由于每天的排泥量高达2.4L，没有足够的微生物降解COD。不同于传统的脱氮除磷工艺有机物的去除方式，双泥系统中大部分有机物是在厌氧池中被反硝化除磷菌消耗用于合成细胞内的贮存颗粒PHB和释放磷的。

2、氨氮的去除

如图4所示，进水氨氮在30mg/L左右，出水氨氮都维持在比较低的水平，基本小于3mg/L，氨氮去除率在90％以上。这是由于双泥工艺的硝化反应是在以纤维填料为载体的2^#序批式生物膜反应器中进行的，纤维填料比表面积大，挂膜效果好，确保了硝化性能的稳定。由于1^#序批式反应器中的原水厌氧释磷后只有75％交换到2^#序批式生物膜反应器中，也即水的交换率为75％，所以不是1^#序批式反应器中所有的氨氮都能被硝化，还残留有部分的氨氮，这部分氨氮在30min好氧吹脱曝气时会被氧化为硝氮或亚硝氮。所以在整个运行期间氨氮的去除率都很高，在90％以上，出水氨氮都维持在比较低的水平，基本小于3mg/L。

3、P的去除

从图5可以看出在除磷率在运行的第8天达到95％，出水磷含量低于0.5mg/L，在第一阶段余下的时间，出水磷的含量基本维持在0.5mg/L以下，除磷效果良好。在第二阶段将泥龄减少到5天，发现除磷率高达98.56％，但是COD去除率很低，而且在第二阶段的3天里，除磷率也是不断下降，而且污泥明显变稀，这可能是排泥过多，污泥中的除磷菌损失较大，MLSS浓度较低造成的。第三阶段泥龄恢复到10天左右，经过20天的运行系统除磷效果稳定后，将SRT增加到20天，发现除磷率迅速下降到50％左右，出水磷的含量很高。这是由于排泥量过少，含磷的污泥留在反应器中，达不到去除磷的目的。由此可见SRT对于保证系统的高效稳定运行非常重要，一种反硝化同时脱氮除磷装置SRT维持在10天左右，即能保证系统有足够的污泥量，又能保证排泥后不会影响系统的除磷效果。

从图5中还可以看出，COD浓度较低的第5阶段的除磷率明显低于第一和第三阶段。这是由于第5阶段COD浓度降低到150mg/L时，系统VFA含量少，厌氧释磷量也少，这样在缺氧段结束时还会有大量NO₃ ^--N残余，这些残余下来的NO₃ ^--N又会严重影响下一周期的厌氧释磷效果，所以过低的COD不利于磷的去除。从图5还可以看出温度对反硝化除磷的影响。在温度只有17℃左右的第六阶段，磷的去除率在59.43％-76.42％，普偏低于第五阶段的77.12％-85.49％。所以一种反硝化同时脱氮除磷装置在低温条件下运行，需要适当地延长缺氧吸磷的时间。

4、一种反硝化同时脱氮除磷装置运行周期水质分析

图6是一种反硝化同时脱氮除磷装置运行稳定后监测的一个典型运行周期内的水质变化情况。

(1)厌氧段

由图6可以看出，在整个厌氧段氨氮的浓度变化不大，这部分氨氮消耗是用于微生物生长繁殖需要。在上个周期好氧段结束后残留于反应器中的硝氮在厌氧初期很快被反硝化完毕。污水中的COD在厌氧段被快速吸附和降解，去除率高达96.8％，事实上，在厌氧吸附95min左右，水中COD去除率就达到80％。伴随着水中COD的去除，反应器中出现厌氧释磷现象，释磷速率与水中COD的去除速率相对应。在开始80min，混合液中磷的含量已经达到20.276mg/L。接下来磷的释放和COD的降解速率都变缓。由于进水中的有机物绝大部分在厌氧条件下被去除，使得有机物最大可能地用于厌氧释磷和合成后续缺氧反硝化吸磷脱氮所需要的内碳源PHB，提高了有机物在生物脱氮吸磷中的利用率，避免了在好氧阶段被其他细菌所利用。而且COD未经氧化直接以厌氧产物的形式被去除，比传统活生污泥法节省了曝气量。由于进水中有机物在厌氧条件下几乎被全部去除，为下一步2^#序批式生物膜反应器的硝化反应提供了低C/N比的进水，保证了2^#序批式生物膜反应器中硝化菌的优势地位，为高效的硝化反应打下基础。

(2)好氧段

图6显示在2^#序批式生物膜反应器中发生了好氧硝化反应，水中的氨氮被迅速硝化，与之相应NO₃ ^--N的浓度大幅提高，NO₂ ^--N浓度也有所增加。由于2^#序批式生物膜反应器反应器一直处于好氧硝化状态，且水中COD含量很低，不排泥，不利于除磷菌的生长，所以在整个硝化阶段P的含量基本保持不变。由周期水质变化图可知，2^#序批式生物膜反应器是很好的生物硝化系统，其良好的性能取决于为2^#序批式生物膜反应器所设计的运行条件：完全好氧；超长泥龄；基本无COD符合。

(3)缺氧段

由图6还可以看到在缺氧段NO₃ ^--N浓度急剧下降，同时伴随着磷的快速吸收，也就是说在缺氧段中发生了反硝化除磷现象，反硝化除磷菌经过厌氧段充分释磷并吸收快速降解有机物合成大量的PHB后，进入缺氧段利用硝酸盐作为最终电子受体缺氧呼吸分解菌体内的PHB，产生大量的能量用于磷的吸收和聚磷的合成。脱氮和除磷的速度也呈现先快后慢的趋势。在缺氧段结束时P的浓度由缺氧开始时的24.897mg/L下降到1.69mg/L，相对应NO₃ ^--N的浓度由22.643mg/L下降到0.568mg/L。污水中残留的氨氮浓度几乎没有变化。

(4)吹脱曝气段

进入好氧吹脱曝气阶段后反应器内出现了好氧吸磷现象，P浓度由1.69mg/L降到0.478mg/L。水中残留的氨氮在30min好氧期间迅速被硝化，氨氮浓度由5.847mg/L降到1.574mg/L，NO₃ ^--N浓度上升到3.526mg/L。

Claims

1.一种反硝化同时脱氮除磷装置，其特征在于包括1^#序批式反应器(2)、2^#序批式反应器(5)和硝酸盐交换器(9)；1^#序批式反应器(2)通过管道与第一进水泵(1)连接，还通过第一排水阀(11)与硝酸盐交换器(9)连通；硝酸盐交换器(9)通过第三进水泵(7)与1^#序批式反应器(2)连接，还通过第二进水泵(4)与2^#序批式反应器(5)连接，2^#序批式反应器(5)还通过第二排水阀(12)与硝酸盐交换器(9)连通；所述1^#序批式反应器(2)和2^#序批式反应器(5)内分别设有第二鼓风机(8)和第一鼓风机(6)。

2.根据权利要求1所述的反硝化同时脱氮除磷装置，其特征在于所述1^#序批式反应器(2)还设有搅拌器(3)。

3.根据权利要求1所述的反硝化同时脱氮除磷装置，其特征在于所述1^#序批式反应器和2^#序批式反应器为双层圆柱体结构，中间设有用于盛放热水的空腔，恒温水浴锅通过管道分别与1^#序批式反应器和2^#序批式反应器的双层圆柱体中间空腔连通。

4.根据权利要求1所述的反硝化同时脱氮除磷装置，其特征在于所述设备还包括PLC可编程控制器(10)，可编程控制器(10)分别与第一进水泵(1)、第二进水泵(4)、第三进水泵(7)、第一鼓风机(6)、第一排水阀(11)、第二排水阀(12)、搅拌器(3)和第二鼓风机(8)连接。

5.根据权利要求1所述的反硝化同时脱氮除磷装置，其特征在于所述1^#序批式反应器(2)或2^#序批式反应器为有机玻璃制备。