CN202625927U - 一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器，该反应器主体由下方的缺氧区、上方的好氧区和好氧区外周的沉淀区组成；缺氧区内有复合填料，一进水管连通所述缺氧区的底部；好氧区采用孔板分隔为上方添加载体的填料区，和下方的泥水混合区，缺氧区和好氧区之间通过不透水隔板进行分割，在所述好氧区底部设有若干个曝气管，其上开设进气小孔；沉淀区由三部分组成，由上往下依次为清水区、接触沉淀区和污泥回流区，污泥回流区底部为污泥回流缝，和所述好氧区的底部相通。本实用新型的反应器污泥回流实现无动力消耗，结构紧凑，设置的接触沉淀区也不需要反冲洗系统，且无需额外投加药剂和碳源，运行费用低。

Description

一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器

技术领域

本实用新型涉及一种环保工程设备，具体涉及一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器。

背景技术

随着工业技术的高速发展，人类文明所带来的不仅仅是进步和繁荣，随之而来的还有严重的水体污染。当今世界上对生活污水和工业废水的处理，大多通过物理化学或生物法进行处理达标后排入水体。对于排放标准，目前我国城市污水处理厂执行的是《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002），其中氨氮和总氮的一级A标准分别为5mg/L和15mg/L，而二级标准的氨氮指标为25mg/L。除此之外，对于某些工业废水，如印染行业排放的废污水，在我国大多数地区执行的是行业标准《纺织染整工业水污染物排放标准》（GB4287-1992），其对氨氮的限制为一级15mg/L，二级25mg/L。而对某些地处太湖流域的地区而言，如苏州、无锡、常州、南京市溧水县、高淳县，镇江市丹阳市和句容市等，执行的是《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB 32/1072-2007)，其对处理后水中的氨氮指标的限值为5mg/L，达到了城市污水厂处理标准的一级A标准。

目前城市生活污水和工业废水，经过活性污泥法等工艺处理后，有机物的去除可以达到70-90%，然而，这些废污水中所含有的氨氮，其去除率仅仅为20-50%。对于可生化性较差的工业废水，如印染、电镀等，目前大多数的生物法处理后的脱氮率非常低，在30%以下。这些含氨氮的废污水，会进入到天然水体中，使天然水体中的氮元素过剩，从而引起水体富营养化。水体富营养化的结果就是，藻类过渡繁殖，水中溶解氧含量下降，鱼类死亡，水体发臭，最终导致水体的污染。因此，工业废污水在排入水体之前，必须要经过严格的处理，使其中所含的有机物和氨氮等指标达标后才能排放。

生物脱氮目前被公认为是废水脱氮处理中最经济有效的方法之一。生物脱氮包括硝化和反硝化两个阶段，分别由硝化菌和反硝化菌参与完成，即硝化过程在好氧件下由硝化菌负责完成（称为好氧反应），反硝化过程在厌氧/缺氧条件下由反硝化菌负责完成（称为缺氧反应）。其过程可用下式表示：

亚硝化过程：

硝化过程：

反硝化过程：

由上述反应可知，整个硝化阶段需消耗氧4.57g O₂/gNH⁴⁺-N，消耗碱度7.14g CaCO₃/gNH⁴⁺-N。整个反硝化阶段每转化1gNO₃--N为N₂时需提供有机物2.86g，同时产生3.57g碱度（以CaCO₃计）。

近年来，尽管生物脱氮技术有了很大发展，但硝化和反硝化仍然是在两个独立的或分隔的具有不同溶解氧浓度的反应器中进行（如传统A/O工艺），或是在时间或空间上造成交替缺氧和好氧环境的同一个反应器中进行（如氧化沟或SBR工艺）。一个脱氮过程被分成两个独立的系统，二者难以在空间、时间和条件上得到统一。因此一般的生物脱氮系统脱氮效果差（通常不会超过70%）。而且这些系统中还需要分设多个独立处理单元，如必须设置污泥回流系统，使得基建和管路设备投资多，占地面积较大，运行费用也高。另外，根据上述反应，硝化过程需要投加碱度，而反硝化过程也需要补充碳源，造成系统投资高，运行费用也高。

因此，如果硝化和反硝化过程能在一个反应器内同时连续发生，不仅可以节省反应时间，还可减小反应器容积，节省占地面积；同时，反硝化过程增加的碱度可以补充硝化过程减少的部分碱度，从而节约药剂投加量；反硝化过程如果置于硝化过程前段，也可节省碳源的投加。因此，开发一种能在一个单体设备中实现连续脱氮过程，同时又能对其中所含的有机物进行高效脱除的工艺设备，成为污水脱氮领域研究的热点和难点。另外，大量研究与工程实践表明，利用传统硝化/反硝化工艺原理进行脱氮，污泥回流和充氧曝气必不可少，两者都需要动力的消耗，能否将二者结合起来也是节能的关键。

另外，对于传统的缺氧-好氧生物脱氮系统而言，其缺氧段和好氧段均采用的是传统的活性污泥法，污泥和水在缺氧池接触并发生脱氮和脱除有机物后，再一起进入到后续的好氧段进行脱碳和硝化反应，随后泥水混合物进入后续的沉淀池进行泥水分离，分离后的污泥再回流至缺氧段。而脱氮需要的硝化液则来自硝化段的出水（称为内循环）。工程实践表明：这种传统的缺氧-好氧脱氮除碳的工艺存在以下缺陷：

（1）脱氮率较低。在反硝化段，由于硝化液来自硝化段出水回流，回流液中溶解氧含量较高，通常远远高于1mg/L以上，使反硝化段难以保持理想的缺氧状态（反硝化要求溶解氧含量在0.5mg/L以下），势必影响反硝化效果，因此，一般的脱氮效果不会超过70%，如专利201020580108.X。

（2）硝化和反硝化过程始终处于一种半抑制状态。由于缺氧段和好氧段均采用活性污泥法，污泥和水是一个混合体，泥水混合物由缺氧段流到好氧段，再由好氧段回流到缺氧段，如此循环。造成：在缺氧段，由于氧含量低下，硝化菌的活动会受到抑制，当它再次从缺氧段进入硝化段后又需要一个恢复活性的过程。同时反硝化菌也随水流进入硝化段并同样受到抑制，当反硝化菌随回流液再次回到缺氧段时，也需要一个恢复活性的过程，这样的结果就是：整个硝化和反硝化都是处于半抑制状态进行的，从而导致反应不彻底，反应速度慢。

（3）为了提高脱氮的效果，必须要加大硝化液的回流量，这样做势必增大运行费用。

（4）由于污泥和硝化液的特有回流方式，使得两个反应池中微生物的类型相似，优势菌种不明显，硝化菌和反硝化菌难以彻底分开，导致硝化和反硝化的功能不够明确，硝化和反硝化的能力和速度也比较低，如专利200410037921.1。

近年来，国内外也出现了一些一体化生物脱氮反应器的专利。如中国专利CN1696069A“一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器”，由隔板分成内外两部分，内部为混合液循环区，由隔板分成好氧区和缺氧区；外层空间由固液分离沉淀区，厌氧释磷区和富磷水收集区组成。

再如专利（申请）200610119290.7“硝化反硝化一体式生物膜法脱氮反应器”，该反应器呈柱体结构，自上而下由收水系统、曝气反应区、缺氧区和沉淀区串联组成一体，曝气反应区内充满悬浮填料，下部设有曝气管，底部设有进气口和进水口，进气口连接曝气管，顶部设有连通孔；沉淀区内设有呈“人”字形结构的隔泥板等。

专利“一体化生物脱氮反应器”，反应器上下部分别为好氧附着式生物生长系统和缺氧悬浮式生物生长系统。出于脱氮的需要，含硝化液的出水仍需要通过循环泵从反应器底部压入。

但是，这些反应器普遍存在的问题是：

（1）动力消耗大:工程实践表明，好氧区污泥代谢速度快，加上曝气的强水力搅拌作用，使得污泥脱落频繁，为保证系统内污泥不致流失严重，必须设置污泥回流系统。为此，目前大多数一体化生物脱氮反应器，均需要单独的污泥回流系统，并设置污泥回流泵和回流管道系统，从而使运行费用增大。

（2）需要额外投加药剂和碳源，运行费用高。如前所述，硝化过程消耗碱度，反硝化过程消耗碳源。为了保证脱氮过程的进行，好氧区往往需要额外投加碱度，如投加碳酸钠等。而缺氧区则需要投加碳源，如甲醇等。不但劳动强度大，投加量也难以准确控制，如专利201010256271.5，200610119290.7等。

（3）反应器结构复杂:除了缺氧区和好氧区外，出于脱氮需要，还需单独设置后续的沉淀池，造价不但高，且管路体系庞大，设备多而复杂，运行管理维护不便,如专利00206626.2、201020580108.X。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术的一体化生物脱氮反应器动力消耗大、运行费用高、脱氮率低的缺陷，为中小型生活污水或工业废污水的脱氮除碳处理提供一种具有节能降耗、高效脱氮、占地面积省的一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供的技术方案是：一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器，其主体呈立体式锥形结构，平面结构可以采用圆形或矩形，其特征在于，其主体由三部分组成：下方的缺氧区、上方的好氧区和好氧区外周的沉淀区；缺氧区为锥体式结构，其内有复合填料，一进水管连通所述缺氧区的底部；好氧区采用孔板分隔为上方添加载体和复合填料的填料区，和下方的泥水混合区，缺氧区和好氧区之间通过不透水隔板进行分割，在所述隔板上设置连通管连通缺氧区和好氧区，在所述好氧区底部，即所述隔板上方设有若干个曝气管，其上开设进气小孔；沉淀区由三部分组成，由上往下依次为清水区、接触沉淀区和污泥回流区，好氧区通过顶部的出水孔连接和沉淀区相通的泥水过渡区，所述污泥回流区底部为污泥回流缝，和所述好氧区的底部相通；所述沉淀区的清水区还通过出水孔连接设于反应器主体外的一环形出水槽；所述环形出水槽连接一出水管排出清水，所述环形出水槽还连接一硝化液回流管通到所述的进水管。

优选地，缺氧区内部采用孔板分隔为上下两部分,孔板上方采用复合填料一，即填充火山岩颗粒的球形悬浮填料作为微生物载体，球形悬浮填料为网状球体结构，聚乙烯或聚丙烯制作，直径为80-150mm，其火山岩填充量为50-80%；

缺氧区孔板下方采用复合填料一，即填充火山岩颗粒的球形悬浮填料作为微生物载体，球形悬浮填料为网状球体结构，聚丙烯制作（亦可采用聚乙烯），直径为50-80mm，其火山岩填充量为30-50%。

缺氧区孔板下方区域采用直径较小的球形悬浮填料的目的，是考虑到在缺氧区内，从填料上脱落下来的污泥，会沉积在缺氧区的下部，长期的沉积会造成局部的厌氧，影响反硝化进程。通过设置较小粒径的填料，利用上升水流的搅拌作用，使得这些填料在局部地区上下翻滚，有助于缓解污泥的局部沉积。

优选地，所述填料区的载体为好氧区孔板上的挂膜填料，其距离顶部水面30-80cm，填料间距80-200mm，填料直径120-180mm，挂膜填料采用易为微生物附载的组合填料、软性填料或半软性填料。

优选地，好氧区孔板上方还有填充火山岩颗粒的球形悬浮填料，球形悬浮填料为网状球体结构，聚丙烯制作（亦可采用聚乙烯），直径为80-150mm，其填充率为30-50%。

优选地，接触沉淀区内添加了填充火山岩的球形悬浮填料，悬浮填料搁置于孔板之上。

优选地，硝化液回流管连接一个单向止回阀通到所述进水管。

一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器的操作方法，其特征在于，包括如下步骤：将预处理的废污水通过水泵引入到缺氧区内，同时，调节硝化液回流管上的阀门开启度，对回流的硝化液量进行控制，缺氧处理后的水通过连通管进入到好氧区中，进一步处理后的废污水，通过好氧区上部的出水孔，流入到泥水过渡区内，然后自流进入沉淀区内，沉淀区内的泥水分成两股，一部分泥水混合物折向上进入到接触沉淀区，水中的悬浮物被填料截留，水变得澄清，继而进入到清水区，另一部分污泥在重力作用下，通过污泥回流区和污泥回流缝，滑回到反应器的底部，重新参与上述过程，从而形成污泥在好氧区中不断的内循环，清水区中的水，一部分被排放，一部分作为脱氮所需的硝化液回流到缺氧区内参与反硝化过程。

优选地，污泥通过沉淀区污泥回流缝回流到好氧区，回流量为80-120%,缺氧区不需要污泥回流。

优选地，对不需要除磷的废污水，调节好氧区内曝气量，使好氧区内的溶解氧含量保持在2.0-3.5mg/L，缺氧区内的溶解氧含量为0.2-0.5mg/L。

优选地，对需要少量除磷的含氮废污水，调节好氧区内曝气量，使好氧区内的溶解氧含量保持在1-1.5mg/L，缺氧区内的溶解氧含量为0.2-0.5mg/L，同时根据进出水含磷量，定期从沉淀区（C）排放含磷污泥。如可每隔1-5天从沉淀区排放含磷的污泥。每天的排泥次数1-2次。

缺氧区内的溶解氧含量宜在0.2-0.5mg/L，最佳值为0.4-0.5mg/L；高于0.5mg/L，反硝化过程将大幅下降，低于0.2mg/L，反硝化菌活性会受到一定的抑制。好氧区内的溶解氧含量宜在1mg/L以上，最佳值2.0-3.5mg/L，以好氧区顶部水中溶解氧含量为依据；低于1mg/L，硝化菌活性会受到一定的抑制。

好氧区与缺氧区的水力停留时间之比不小于3-4：1。缺氧区内的pH值为6.5-7.5；好氧区内的pH值为8.0-8.4，气水比为10-15：1。硝化液回流量比为80-120%。

本实用新型提供的一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器，可有效脱除生活污水和部分工业废水中的氨氮，并去除大部分有机物，同时，通过对反应器运行方式进行调控，还能去除废污水中含有的少量磷，从而达到在高效脱氮除碳的同时，有效降低废水中所含有的有机物和少量总磷。该一体化反应器及其操作方法可应用于城市生活污水、工业废水或生活污水与工业废水的混和水的处理。本专利的设备及其操作方法具有如下优点：

1.污泥回流实现无动力消耗。好氧区利用曝气和进水所形成的混合水力搅拌，使得泥水混合物不断进入到污泥回流系统，并借助自身重力作用再由污泥回流缝返回到反应器中，形成源源不断的内循环过程。该内循环过程，其动力完全来自好氧区独特的水力学特性，无需外加动力，无需专用循环泵和管道，完全实现了无动力消耗，既大大降低了系统的运行费用，也能节省造价。

2.一体化的内循环生物膜反应器，其结构紧凑，没有后续单独的沉淀池，设置的接触沉淀区也不需要反冲洗系统，省却大量的管道系统和冲洗排泥等设备，工程造价更低，占地面积更省，运行管理和维护可以实现自动化控制。

3.无需额外投加药剂和碳源，运行费用低。如前所述，在硝化反应过程中，将1mg的NH4+-N氧化为NO3--N，要消耗7.14mg的碱度，而在反硝化过程中，还原1mg硝态氮能产生3.75mg的碱度。因此，在本实用新型提供的一体化的缺氧-好氧系统中，反硝化反应所产生的碱度可补偿硝化反应消耗的碱度的一半左右。因此，对含氨氮浓度不高的废水（如生活污水、纺织染整行业、电镀废水、啤酒废水等）可不必另行投碱以调节pH值。

另外，由于缺氧段在前，好氧段在后，尽管反硝化过程需要消耗一定的碳源，但此时进水的有机物浓度较高，碳源充足，此时，反硝化菌以原污水中的有机物为碳源，以回流的硝化液中硝酸盐的氧为受电体，进行呼吸和生命代谢活动，将硝态氮还原为气态氮，而不需外加碳源（如甲醇等）。

4.缺氧段溶解氧含量始终处于最佳状态，脱氮率更高。在传统脱氮工艺中，回流到反硝化池的内循环液来自硝化池的出水，水中含有较高的溶解氧，其浓度可达1.5mg/L以上，使反硝化段难以保持理想的缺氧状态，势必影响反硝化菌的活性，从而影响反硝化效果，因此，一般的脱氮效果不会超过70%。而在本专利提供的一体化生物膜反应器中，内循环液的回流是来自沉淀区的出水，进入缺氧区之前，水中所含的溶解氧已经大幅下降，其浓度处于1mg/L以下，因此缺氧池中的溶解氧会处于一种最佳的状态，而这对于反硝化菌的活性和反硝化过程是至关重要的。最佳的代谢环境，换来的是更高的脱氮率。实验研究表明：对于处理后的印染废水，当其进入缺氧区的氨氮浓度在25mg/L时，本实用新型专利提供的一体化反应器的出水氨氮在2mg/L左右，脱氮率达90%以上，远远高于常规脱氮工艺的效率。

5.反应器内生物活性更高。在传统的脱氮工艺中，如前所述，硝化菌和反硝化菌是捆绑在一起的，难以彻底分开。由于污泥的回流，硝化菌会进入到反硝化段，由于氧含量低下，因此硝化菌活性会受到抑制，而当它随出水再次进入硝化段后又需要一段恢复活性的过程。同样，在硝化段，进入的反硝化菌的活性也会受到抑制，当其通过污泥回流系统再次回到反硝化段时，又需要一个恢复活性的过程。这样的结果就是：整个硝化和反硝化过程始终处于一种半抑制状态，从而导致反应不彻底，反应速度慢。而本专利提供的一体化生物膜反应器，由于缺氧段和好氧段均采用膜法，微生物被固定在各自的反应器内，硝化菌和反硝化菌不会混杂在一起，二者彻底分开，分别在各自的具有良好的代谢环境体系中生存，生物活性均处于最佳生理状态。而这对于保证高脱氮率是非常重要的。

6.硝化液的回流比低，节能显著。在本专利提供的一体化生物膜反应器中，由于脱氮所需的硝化液来自沉淀区的出水，其回流液中所含的溶解氧含量较低，能显著改善缺氧区的微生物代谢环境，使缺氧区的溶解氧含量保持在最佳状态，从而显著提高脱氮效率。硝化液回流量和传统的脱氮工艺相比，在不改变脱氮效率甚至提高脱氮率的基础上，本专利提供的一体化生物膜反应器可降低30-50%，具有显著的节能效益。

7.好氧区和缺氧区（即硝化区和反硝化区）内各自所需的微生物种群优势明显，系统功能更清晰。在传统的脱氮工艺中，由于负载微生物的污泥回流是从沉淀池回流到缺氧池，进入缺氧池的泥水混合液经过缺氧反应后，随即会一起进入到后续的好氧池。这种特有的回流方式，使得两个反应池中细菌的类型极为相似，硝化菌和反硝化菌难以较彻底分开，缺氧和好氧各自所需的优势菌种不明显，导致硝化和反硝化的功能不够明确，硝化和反硝化的能力和速度也比较低。而本专利提供的一体化生物膜反应器，污泥的回流由原回流到缺氧池改为回流到好氧池，有益于硝化菌和反硝化菌分别在不同的反应器内增殖，两种菌种较为彻底的分离，有益于分别形成所需要的优势菌种，从而使得缺氧区和好氧区的功能更明确，硝化和反硝化过程均处于活跃状态，即在好氧区，硝化菌处于优势，而在缺氧区，反硝化菌处于优势，从而使得有机物和氨氮脱除速度更快，更彻底。

8.反应器内污泥浓度更高。由于本专利提供的是一种在缺氧区和好氧区应用了载体的膜法工艺，该载体特别填充了火山岩填料。研究表明：填充火山岩的悬浮填料上的微生物膜厚度可达4-10mm，生物量致密而强大，使得在好氧区和缺氧区中的污泥浓度MLSS可达2-4g/L，而传统的脱氮工艺中的污泥浓度MLSS一般不会超过0.5g/L。

根据废水处理中活性污泥动力学的经典理论——莫诺方程，废水中底物（可理解为污染物）的降解速率和污泥浓度（即生物量MLSS）之间符合如下关系：

$-\frac{\mathrm{dS}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{kX}$

式中，S表示经过t时反应后混合液中残存的底物浓度，t表示活性污泥反应时间，k为反应常数，X代表混合液中活性污泥总量。从上面的公式可以看出，底物的降解速率和污泥浓度相关，并呈现一级反应关系。因此，根据该理论，较高的污泥浓度带来的是相应的高脱氮率和高有机物去除率，而工程实践和实验研究证明的确如此。

而且，悬浮填料的另一个好处在于：不需要固定框架，可直接投放于反应器中。而且火山岩比表面积大、开孔率高且呈惰性，有利于微生物的接触挂膜和生长，保持较多的微生物量，有利于微生物代谢过程中所需的氧气与营养物质及代谢产生的废物的传质过程。并且，由于火山岩生物滤料是无尖粒状，且孔径大多数比陶粒要大，所以在使用时对水流的阻力小，更节省能耗。

9.能适用于一些可生化性差的工业废水，如印染废水、电镀废水等。由于缺氧区在前段，好氧区在后段，且缺氧区中污泥活性较高，代谢环境较佳，当可生化性差的废水首先进入到缺氧区后，缺氧区中的微生物能对废水中的部分难降解有机物进行简单分解，使其成为易为生物降解的有机物，从而适当提高废水的可生化性。研究表明：对于经过物化预处理后印染废水，经过缺氧段后，其可生化性可由原0.15提高到0.25-0.3。而这对于后续好氧微生物对废水中有机物的进一步降解，起到非常关键的促进作用，能有效降低废水在缺氧-好氧系统的水力停留时间，从而既保证出水水质，还能节省工程造价。

10.系统出水水质更有保障。本专利提供的一体化缺氧-好氧生物膜反应器，不但脱氮除碳率高，更独特的是在沉淀区设置了接触沉淀区12。接触沉淀区由于采用了填充火山岩的球形悬浮填料作为过滤载体，一方面，悬浮填料上培养的活性污泥能对废水中残余的有机物进行进一步的降解，使出水中的有机物含量大大降低，同时对出水中的悬浮物起到过滤的作用，使出水水质更澄清。而且，接触沉淀区能负担更大的表面水力负荷，而这对于降低出水中悬浮物的含量能起到进一步的保障作用。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型的一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器示意图；

图2为本实用新型的一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器操作方法之一示意图；

图3为本实用新型的一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器操作方法之二示意图；

图4为本实用新型的一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器与深度处理设施相结合对城市污水进行处理的工艺流程示意图；

图5为传统缺氧-好氧脱氮工艺流程示意图。

其中：A—缺氧区，B—好氧区，C—沉淀区，1—进水管，2A—（缺氧区）孔板、2B—（好氧区）孔板，3，4—填充火山岩的球形悬浮填料，5—不透水隔板，6—挂膜填料，7（好氧区）出水孔、78—（污泥回流区）出水孔，8—环形出水槽，9—出水管，10—曝气管，11—清水区，12—接触沉淀区，13—污泥回流区，14—污泥回流缝，15—泥水过渡区，16—连通管，17—硝化液回流管，18—单向止回阀，19—三通，20-排泥管，21—接触沉淀区填料支撑孔板，22—钢丝网。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本实用新型而不限于限制本实用新型的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

如图1所示的本实用新型的一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器优选结构示意图，本实施例中，一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器的高宽比为2-4：1。其主体呈立体式锥形结构，平面结构可以采用圆形或矩形，反应器的高宽比为2-4：1，其主体由三部分组成：下方的缺氧区A、上方的好氧区B和好氧区外周的沉淀区C；缺氧区A为锥体式结构，其内有复合填料，一进水管连通所述缺氧区A的底部；好氧区B采用孔板2B分隔为上方添加载体和复合填料的填料区，和下方的泥水混合区，缺氧区A和好氧区B之间通过不透水隔板5进行分割，在所述隔板5上设置连通管16连通缺氧区A和好氧区B，连通管16的管内流速0.3-1.0m/s，连通管高80-200mm。

在所述好氧区B底部，即所述隔板5上方设有若干个曝气管10，其上开设进气小孔，孔径0.5-10mm，开口朝上孔中心间距100-200mm。沉淀区C由三部分组成，由上往下依次为清水区11、接触沉淀区12和污泥回流区13，好氧区B通过顶部的出水孔7连接和沉淀区C相通的泥水过渡区15，所述污泥回流区13底部为污泥回流缝14，和所述好氧区B的底部相通,且在所述污泥回流区13处设有一排泥管20。所述沉淀区C的清水区还通过出水孔78连接设于反应器主体外的一环形出水槽8；所述环形出水槽8连接一出水管9排出清水，所述环形出水槽8还连接一硝化液回流管17通到所述的进水管1。

缺氧区孔板2A上方采用复合填料，即填充火山岩颗粒的球形悬浮填料4作为微生物载体，其火山岩填充量为50-80%，颗粒直径0.5-5cm，比表面积15-25m2/g，孔隙率60-80%。球形悬浮填料4为网状球体结构，聚丙烯制作（亦可采用聚乙烯），孔隙率大于95-99%，直径采用80-150mm。

缺氧区孔板2下方采用复合填料，即填充火山岩颗粒的球形悬浮填料3作为微生物载体，其火山岩填充量为30-50%，颗粒直径0.3-3cm，比表面积15-25m2/g，孔隙率60-80%。球形悬浮填料3为网状球体结构，聚丙烯制作（亦可采用聚乙烯），孔隙率95-99%，直径采用50-80mm。

孔板2A和2B的孔径为3-10mm，开孔率10-30%。孔板2A在缺氧区A内，其底部距离缺氧区底板高度为20-50cm。孔板2B在好氧区B内，其底部距离好氧区底板高度为50-80cm。

沉淀区C为环形沉淀池，由三部分组成，上部为清水区11，中部为接触沉淀区12，下部为污泥回流区13（含回流缝14）。清水区11高度为400-800mm，上部清水区的出水通过出水孔7进入环形出水槽8内，再经出水管9排出。来自泥水过渡区15的处理水中含有一定量的污泥，泥水混合物进入沉淀区C后，一部分随出水流经接触沉淀区12，在这里，悬浮物被截留，出水得到澄清后排出。另一部分泥水混合物，则在重力作用下通过污泥回流缝14滑回到反应器B内的底部，与进水充分混合并继续参与有机物的降解和硝化过程，从而形成污泥的自动循环系统，而不需要借助外力作用，既有明显的节能效益，又能节省后续单独的沉淀池，降低占地面积。出水孔7和出水孔78过水断面流速0.2-0.5m/s。根据需要可以设置若干个。出水孔7顶部距离池顶距离200-500mm。

污泥回流的目的是为了防止污泥的流失，影响系统效率。同时回流污泥中的溶解氧的含量要比硝化区中的溶解氧含量低，通常在1mg/L以下，污泥的回流使得好氧污泥交替处于微缺氧和好氧的环境体系中，有助于防止污泥的膨胀，使得污泥的活性能保持在较高的水平。而且，通过控制曝气管10的曝气量，降低回流污泥中的溶解氧含量，并通过沉淀区排放部分含磷污泥，在好氧区B内能实现对少量磷的去除。

好氧区顶部的钢丝网22设于出水孔7的下方，距离清水区顶部0.4-1.0m，采用孔径10-50mm。

接触沉淀区12内添加了填充火山岩的球形悬浮填料3，悬浮填料3搁置于孔板21之上，悬浮填料3的填充高度50-100cm，距离上部清水区的距离50-100cm。接触沉淀区能承担更大的水力负荷，如3-5m³/m²/h，可在保证出水水质的前提下，大大缩小池体容积，降低工程造价。该接触沉淀池和传统的接触沉淀池根本不同之处，在于不需要反冲洗，可省却一套反冲洗系统，既节能又能节省占地面积和造价。悬浮填料上培养的活性污泥能对废水中残余的有机物进行进一步的降解，使出水中的有机物含量大大降低。接触沉淀区上部的钢丝网22，设置于清水区下方，距离清水区顶部0.4-1.0m，采用孔径10-50mm。

缺氧区A脱氮所需要的硝化液来自环形出水槽8。由于通常缺氧区A的进水多采用水泵提升，在缺氧区进水管上设置一个三通19，把硝化液回流管17和缺氧区进水管1相连，同时在硝化液回流管17上设置一个单向止回阀18，利用进水管在三通处造成的负压，可以把硝化液从沉淀出水槽8引入到缺氧区A内，从而省却一台硝化液回流泵，节省电耗。

硝化液回流量（内循环比，即硝化液回流量占废水总量之比）可通过在硝化液回流管17上设置阀门来调控。回流量采用80-120%，回流量过低会导致脱氮率大幅下降；超过120%，脱氮率上升幅度不大，但是电耗却会大幅上升。采用该一体化的内循环式缺氧-好氧生物膜反应器，能在保证高脱氮率的前提下，显著降低硝化液的回流量，硝化液的回流量可比传统的脱氮系统降低30-50%。研究表明：该一体化反应器，能在回流量为80%的条件下，对印染废水的脱氮率可达90%以上，具有明显的节能效益。

本专利所述的一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器，由于采用膜法和独特的火山岩作为载体，能为微生物的栖息繁殖，提供良好的环境。研究表明，经过1-2个月的培养循化，悬浮填料上微生物膜的厚度可达4-10mm，形成致密而强大的生物量。而微生物量的多寡对于废污水中有机物和氨氮的脱除，具有至关重要的作用。微生物数量越多，有机物和氨氮的脱除效率相应也相应越高。通常的活性污泥法如氧化沟、SBR、传统的A/O工艺等，其活性污泥的数量即污泥浓度MLSS一般不会超过0.5g/L，而在本一体化内循化式缺氧-好氧生物膜反应器中的MLSS可达2-4g/L以上，因此，其对废污水中的有机物和氨氮的脱除效率是非常高的。

本专利的一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器及其操作方法，即可单独用于城市生活污水、工业废水或生活污水与工业废水的混和水的处理，也可与常规的混凝、过滤、吸附、离子交换、电渗析、反渗透等物化工艺相结合，实现对废污水的深度处理和回用。

本实用新型的一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器的操作方法有两种：

第一种，针对不需要除磷的废污水。首先根据处理污水的性质，确定进水的有机负荷，以及需要的脱氮效率。然后将预处理的废污水通过水泵引入到缺氧区A内，同时，调节硝化液回流管17上的阀门开启度，对回流的硝化液量进行控制。进入缺氧区的废污水中会含有大量的硝态氮。这些废污水首先会和缺氧区内填料3和4上的活性污泥相接触，在微生物的新陈代谢作用下，废污水中的硝态氮会被反硝化细菌转化为氮气，同时一部分有机物作为底物而被微生物利用，结果就是氨氮得到去除，部分有机物得到降解。缺氧处理后的水通过连通管16进入到好氧区B中。好氧区B中始终进行曝气，保持硝化所需的溶解氧含量在2.0-3.5mg/L。进入到好氧区B内的废污水，会和填料4和6上的活性污泥相接触，在填料上微生物以及硝化菌的作用下，废水中的有机物得到降解，同时废水中的氨氮被转化为硝酸盐氮和亚硝酸盐氮。这些废污水，包括从填料上脱落的部分污泥，通过好氧区上部的出水孔7，流入到泥水过渡区15内，然后自流进入沉淀区C内。沉淀区C内的泥水分成两股，一股泥水混合物会折而向上进入到接触沉淀区12，水中的悬浮物会被填料截留，水变得澄清，继而进入到清水区11。一部分污泥会在重力作用下，通过污泥回流区13和污泥回流缝14，滑回到反应器B的底部，重新参与上述过程，从而形成污泥在好氧区B中不断的内循环。清水区11中的水，一部分被排放，一部分作为脱氮所需的硝化液回流到缺氧区A内参与反硝化过程。在这一整个过程中，由于好氧区A中的溶解氧含量较高，回流硝化液中的溶解氧含量也会较高，通常在0.6-1.0mg/L，当其进入缺氧区后，缺氧区中的溶解氧含量会保持在0.4-0.5mg/L，为最佳反硝化溶解氧，此时，整个反硝化区A内完全都是处于缺氧状态，发生的主要是伴随有机物降解的反硝化反应。

第二种，针对需要少量除磷的含氮废污水，这类水中的总磷含量较低，但仍需处理才能达标排放。如对于生活污水，其总磷含量通常为2-3mg/L左右，仍需要降到0.5mg/L以下才能达标排放。首先根据处理污水的性质，确定进水的有机负荷，以及需要的脱氮和除磷效率。同时调节好氧区B内曝气量，使好氧区内的溶解氧含量保持在1-1.5mg/L，则由于好氧区本身的溶解氧含量不高，从好氧区进入到污泥回流区13的水中的溶解氧含量会比较低，通常低于0.5mg/L，随着污泥的缓慢下沉，在污泥回流区底部，靠近污泥回流缝的地方，其溶解氧含量更低，通常在0.2mg/L以下，形成一定的厌氧环境，会有少量厌氧聚磷菌的产生，这些聚磷菌在这里释放磷，进入到好氧区后，由于溶解氧含量的突然升高，会开始大量吸收磷，使污水中的总磷含量降低。这部分聚磷菌吸收磷后再次进入到处于缺氧状态的污泥回流区，继而进入到下方的厌氧区域，开始释放磷，从而形成对磷的释放-吸收，再释放-再吸收的循环过程。即在一体化反应器上方的内循环过程，促进了对少量磷的去除。这部分过量吸收磷的污泥会被间歇性的从沉淀区排泥管排出，从而达到除磷的功效。由于好氧区溶解氧含量不高，回流到缺氧区的硝化液中的溶解氧含量也比较低，进入缺氧区后会使缺氧区溶解氧含量保持在0.3-0.5mg/L，但并不影响反硝化菌的脱氮率。反硝化后的水随即进入到好氧区B内进行伴随硝化和除磷反应的有机物降解过程。

水在缺氧区A内的水力停留时间，不同的废污水的具体时间不尽相同，其中：生活污水2-4h，纺织染整废水4-6h，造纸废水4-8h，电镀废水6-12h，味精废水4-6h，啤酒废水2-6h，其它行业废污水如可生化性较好则可采用4-6h，可生化性较差则采用6-12h。

实施例1

处理水量不大的工业废水，如混凝沉淀预处理后的印染废水，属于可生化性较差的废水。应用本实用新型提供的一体化反应器进行处理。方法如下：

首先用提升泵将预处理后的原水，通过进水管1提升至缺氧区A内。在缺氧区A的下方部分，进水首先会和填料3接触。由于进水的扰动作用，在缺氧区下方的填料3会不断地上下翻滚，使得沉积在缺氧区底部的污泥呈悬浮状态，而不会有死角产生，有利于泥和水的充分接触。然后水流经过孔板2A，被分散、切割后，以多点进水方式进入到孔板2A的上方。在这里，原水继续和悬浮填料4接触，填料上栖息的缺氧微生物会将部分有机物进行分解，反硝化菌将硝态的氮转化为氮气，达到脱氮的目的。同时，由于缺氧区内溶解氧浓度较低，填料上会栖息一些兼氧甚至厌氧的细菌，这些细菌会对进入到反应器内的印染废水中的大分子有机物，比如活性黄X-R、直接蓝2B、硫化染料等，进行初步降解，使其有大分子的链状或环状变为小分子的链状结构，从而提高废水的可生化性，为后续的降解提供基础。经过缺氧区后的废水，其中一部分带色的基团，其结构会被打破，因此进入到好氧区的废水的颜色多呈黑色，而不再是原来偏蓝或偏红的颜色。

污水通过连通管16首先进入到后续的好氧区B下方的泥水混合区，在这里，进入的污水会和由污泥回流区返回的污泥进行充分接触、混合。好氧区B中始终进行曝气，保持硝化所需的溶解氧含量在2.0-3.5mg/L。这些泥水混合物在上升气流的带动下，通过孔板2B，以多点进水方式进入到孔板2B上方的填料区。在填料区，由于挂膜填料和球形悬浮填料上栖息着大量的好氧微生物，因此，在这里进行的主要是大部分有机物的降解和氨氮向硝态氮的转化。经过缺氧段的处理，印染废水中小分子的链状有机物，得到充分的降解。由于气流的搅拌、切割作用和填料的不断移动，会造成部分污泥从填料上脱落下来，成为悬浮态的污泥，这部分污泥随水流进入到泥水过渡区15，然后再进入到反应器最外侧的沉淀区C内。

在沉淀区C内，泥水混合物的迁移方向分为两个方向，一个是随出水向上进入到接触沉淀区12内，在这里，水中的悬浮物被填料所截留，同时填料上的微生物会对水中残余的有机物进行进一步的降解，使得出水中的悬浮物和有机物含量大幅下降。出水经出水孔7进入到出水槽8内。另一部分污泥，由于其自身重力作用，会逐渐滑向沉淀区底部，进而通过污泥回流缝返回到反应器B底部的泥水混合区，重新参与上述过程。

进入到出水槽的污水，经过好氧反应过程以后，其颜色变得澄清。在出水槽8内的水，一部分作为出水进行排放，另一部分水则作为脱氮所需的硝化液，通过硝化液回流管返回到缺氧区进行反硝化脱氮反应，硝化液回流量比为80-120%。

经测试，进入到该一体化反应器的预处理后的印染废水水质中，有机物COD_cr为255-396mg/L，氨氮为28-39mg/L，总氮为40-46mg/L，色度为84-105倍，悬浮物SS为82-123mg/L。处理后的污水中，COD_cr为52-76mg/L，氨氮为1.2-2.3mg/L，总氮为7.2-13.5mg/L，色度为26-37倍，悬浮物SS为20-45mg/L。脱氮效率达到了95.6%，COD_cr去除率达到了82.8%，色度以及悬浮物的去除率分别为63.2%和71.8%。可见该一体化缺氧-好氧反应器，用于常规工业废水的处理，具有较高的脱效率。对于印染废水而言，其经过该一体化缺氧-好氧反应器处理后，COD_cr、氨氮、色度和悬浮物的出水指标，均已达到行业标准《纺织染整工业水污染物排放标准》（GB4287-1992）以及《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB 32/1072-2007)标准的一级标准。

实施例2

处理水量稍大一些的城市生活污水，城市生活污水属于需要脱除少量磷的含氮污水，应用本实用新型提供的一体化反应器进行处理。方法如下：

首先，确定需要除磷脱氮的量和各自效率。然后利用提升泵将经过预沉后的污水，直接提升后通过进水管1进入到缺氧区A内。在缺氧区A的下方，生活污水首先和填料3接触，随后进入到孔板2A上方，在这里，反硝化菌在进行反硝化的过程中，会把一部分有机物作为碳源进行降解，由于生活污水本身的可生化性非常好，进入到缺氧区中的有机物浓度也比较高，因此，在缺氧区不需要额外投加碳源。而且，生活污水的pH值非常接近反硝化菌生长所需的最佳pH值，因此，在缺氧区内的反硝化率会非常高。

缺氧区的水通过连通管16进入到好氧区B内。在B区的下方空间内，进水首先会和从污泥回流区回流的污泥进行充分混合，并发生反应。然后水流继续向上，进入到B区的上方空间。在这里，主要进行的是部分有机物的脱除和硝化反应。由于生活污水中含有少量磷，因此，在好氧区布设的曝气管的曝气量，不宜过大，应保持使好氧区的溶解氧含量处于正常值范围的下限，使好氧区内的溶解氧含量保持在1-1.5mg/L。由于好氧区的水流和气流的方向相同，因此，在B区实际上属于推流式的流态。溶解氧含量从下向上依次降低，到达池顶水面时溶解氧含量不会高于1.0mg/L。随后，污水由泥水过渡区15进入到沉淀区C内。在这里，一部分泥水混合物会进入到接触沉淀区12内，进行进一步的水质净化，净化后的出水通过出水口7进入到环形出水槽8内。另一部分泥水混合物会逐渐沉降到沉淀区的下方。然而，在污泥回流区的下方，溶解氧含量会比较低，通常在0.2mg/L以下，会形成一定的厌氧环境，造就一些厌氧聚磷菌的产生。这些聚磷菌在这里快速释放磷，进入到好氧区后，由于溶解氧含量的突然升高，又会开始大量吸收磷，从而使污水中的总磷含量降低。这些含聚磷菌的污泥继而通过污泥回流缝滑回反应器B内，重新参与反应。从而形成对磷的释放-吸收，再释放-再吸收的循环过程。即在一体化反应器上方的内循环过程，促进了对少量磷的去除。这部分过量吸收磷的污泥会被间歇性的从沉淀区C的排泥管排出，从而达到除磷的功效。

出水槽8内的水，一部分作为出水进行排放，另一部分水则作为脱氮所需的硝化液，通过硝化液回流管返回到缺氧区进行反硝化脱氮反应，硝化液回流量比为80-120%。

经测试，进入到该一体化反应器的生活污水的水质中，有机物COD_cr为220-355mg/L，氨氮为15-26mg/L，总磷为2.1-3.4mg/L。处理后的污水中，COD_cr为29-42mg/L，BOD₅为7-10mg/L，氨氮为1.4-2.2mg/L，总磷为0.2-0.5mg/L。经过处理后，COD_cr去除率达到了90.3%，脱氮效率达到了95.8%，总磷的去除率为84.5%。可见，该一体化反应器，用于处理城市生活污水时，具有较高的脱氮除碳效率，同时对废水中少量的磷也能有较好的脱除效果。出水指标完全达到了国标《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918－2002）的一级标准。

实施例3

处理工业废水，如采用混凝沉淀预处理后的印染废水，应用本专利提供的一体化反应器进行处理。步骤如实施例1，最后测试进入到该一体化反应器的预处理后的印染废水的水质中，有机物COD_cr为225-322mg/L，氨氮为24-28mg/L，总氮为41-46mg/L，色度为80-102倍，悬浮物SS为84-115mg/L。处理后的污水中，COD_cr为50-72mg/L，氨氮为1.4-3.2mg/L，总氮为7.0-13.1mg/L，色度为22-33倍，悬浮物SS为21-46mg/L。脱氮效率达到了93.4%，COD_cr去除率达到了72.7%，色度以及悬浮物的去除率分别为64.4%和72.0%。可见该一体化缺氧-好氧反应器，用于处理常见的工业废水时，具有较高的脱氮效率。对于印染废水而言，其经过该一体化缺氧-好氧反应器处理后，COD_cr、氨氮、色度和悬浮物的出水指标，均已达到行业标准《纺织染整工业水污染物排放标准》（GB4287-1992）以及《太湖地区城镇污水处理厂及重点工业行业主要水污染物排放限值》(DB 32/1072-2007)标准的一级标准。

实施例4

应用本专利提供的一体化反应器进行处理城市生活污水。城市生活污水属于需要脱除少量磷的含氮污水。步骤如实施例2，最后测试进入到该一体化反应器的生活污水水质中，有机物COD_cr为277-345mg/L，氨氮为14-24mg/L，总磷为2.1-3.2mg/L。处理后的污水中，COD_cr为40-55mg/L，氨氮为1.2-2.3mg/L，总磷为0.2-0.5mg/L。经过处理后，COD_cr去除率达到了82.2%，脱氮效率达到了93.6%，总磷的去除率为81.7%。可见，城市生活污水，应用该一体化反应器处理时，具有较高的脱氮除碳效率，同时对废水中少量的磷也能有较好的脱除效果。出水指标完全达到了国标《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918－2002）的一级标准。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (6)

1.一体化内循环式脱氮除碳生物膜反应器，其主体呈立体式锥形结构，平面结构可以采用圆形或矩形，其特征在于，其主体由三部分组成：下方的缺氧区（A）、上方的好氧区（B）和好氧区外周的沉淀区（C）；

缺氧区（A）为锥体式结构，其内有复合填料，一进水管（1）连通所述缺氧区（A）的底部；

好氧区（B）采用孔板（2B）分隔为上方添加载体和复合填料的填料区，和下方的泥水混合区，缺氧区（A）和好氧区（B）之间通过不透水隔板（5）进行分割，在所述隔板（5）上设置连通管（16）连通缺氧区（A）和好氧区（B），在所述好氧区（B）底部，即所述隔板（5）上方设有若干个曝气管（10），其上开设进气小孔；

沉淀区（C）由三部分组成，由上往下依次为清水区（11）、接触沉淀区（12）和污泥回流区（13），好氧区（B）通过顶部的出水孔（7）连接和沉淀区（C）相通的泥水过渡区（15），所述污泥回流区（13）底部为污泥回流缝（14），和所述好氧区（B）的底部相通；

所述沉淀区（C）的清水区还通过出水孔（78）连接设于反应器主体外的一环形出水槽（8）；所述环形出水槽（8）连接一出水管（9）排出清水，所述环形出水槽（8）还连接一硝化液回流管（17）通到所述的进水管（1）。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，缺氧区（A）内部采用孔板（2A）分隔为上下两部分,孔板（2A）上方采用复合填料一，即填充火山岩颗粒的球形悬浮填料（4）作为微生物载体，球形悬浮填料（4）为网状球体结构，聚乙烯或聚丙烯制作，直径为80-150mm，其火山岩填充量为50-80%；

缺氧区（A）孔板（2A）下方采用复合填料一，即填充火山岩颗粒的球形悬浮填料（3）作为微生物载体，球形悬浮填料（3）为网状球体结构，聚乙烯或聚丙烯制作，直径为50-80mm，其火山岩填充量为30-50%。

3.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述填料区的载体为好氧区（B）孔板（2B）上的挂膜填料（6），其距离顶部水面30-80cm，填料间距80-200mm，填料直径120-180mm，挂膜填料采用易为微生物附载的组合填料、软性填料或半软性填料。

4.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述好氧区（B）孔板（2B）上方还有填充火山岩颗粒的球形悬浮填料（4），球形悬浮填料为网状球体结构，聚丙烯或聚乙烯制作，直径为80-150mm，其填充率为30-50%。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述接触沉淀区（12）内添加了填充火山岩的球形悬浮填料（3），悬浮填料（3）搁置于孔板（21）之上。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述硝化液回流管（17）连接一个单向止回阀（18）通到所述进水管（1）。

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