CN203007015U - 一种实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，反应容器内设有若干生物盘片、曝气装置和内加热装置，在反应容器壁上设有出水口。相邻两盘片间设有圆筒网，圆筒网固定在盘片上，转轴套筒从所有的盘片和圆筒网中心穿过。盘片采用高分子塑料制成并在其外包裹无纺布层；每个圆筒网内的两端分别设有生物膜保护网。所述出水口有多个且位于反应容器壁上不同高度；在反应容器顶端设有可开合的反应器盖，反应器盖上设有气体收集装置和溶解氧控制孔。本实用新型盘片及填料的挂膜周期短，填料的附着性能好，反应器内基质混合均匀，传质效果良好；反应器内溶解氧易于控制，增强了反应器的脱氮性能，且节省运行成本和能耗。

Description

一种实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器

技术领域

本实用新型涉及单级自养脱氮工艺的改进，具体涉及一种实现单级自养脱氮工艺的无纺布包裹与生物载体填料填充相组合的生物转盘反应器，属于环境保护、水处理设备技术领域。

背景技术

随着工农业的飞速发展，大量含氮化合物排放进入水体，导致水体富营养化加剧，废水中氨氮的脱除引起了人们的广泛关注。传统的全程硝化-反硝化生物脱氮工艺主要通过亚硝化细菌将废水中的氨氮转化为亚硝酸盐氮，接着硝化细菌将亚硝酸盐氮进一步转化为硝酸盐氮，然后反硝化细菌将硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮并最终转化为氮气逸出，以达到脱氮的目的。传统的全程硝化-反硝化生物脱氮工艺运行性能稳定，脱氮效果良好，一直以来都被国内外广泛使用，但其存在工艺流程长、占地面积大、运行费用高等缺点。因此，近年来，高效低耗的脱氮技术（如单级自养脱氮工艺）已成为含氮废水脱氮处理研究及应用的热点。

单级自养脱氮工艺（One-Stage Autotrophic Nitrogen Removal Process，OSANRP）是在单一反应器中通过控制生化反应条件主要是限制氧浓度，由自养菌完成NH₄ ⁺至N₂的全部转化过程。单级自养脱氮现象被国内外众多研究者发现后被冠以不同的工艺名称，并提出了其中由NH₄ ⁺至N₂转化去除的各种机理假说，其中最具代表性的有微环境和微生态两种机理解释。目前单级自养脱氮工艺的微环境解释机理已普遍被研究者认可并予以证实，即单级自养脱氮工艺是使自养型好氧氨氧化细菌（Ammonium Oxidation Bacteria， AOB）和厌氧氨氧化细菌（Anaerobic Ammonium Oxidation Bacteria，AAOB）在一个生境中共存，并于同一个反应器中进行短程硝化和厌氧氨氧化（Anaerobic Ammonium Oxidation ，ANAMMOX）的耦合。在氧限制条件下（溶解氧Dissolved Oxygen，DO一般小于1.0 mg/L），AOB 和AAOB 共同协作，NH₄ ⁺-N被AOB部分转化为NO₂ ^--N，接着在AAOB的作用下以产生的NO₂ ^--N作为电子受体将剩余的NH₄ ⁺-N转化为N₂去除。其主要的代表工艺有CANON（Completely Autotrophic Nitrogen Removal Over Nitrite）工艺和OLAND工艺。单级自养脱氮工艺及其运行系统是污水脱氮研究的一个新兴方向，同时也是污水生物脱氮领域的新兴工艺，与传统全程硝化-反硝化生物脱氮工艺相比，具有工艺流程简短、能耗低、剩余污泥排放量少，并由于该工艺只需在一个反应器内进行，节省了基建投资和占地费用等优点。

由于运行单级自养脱氮工艺的关键菌种之一的AAOB生长速率极低，其最大比生长速率一般小于0.09 d^-1，所以要求运行该工艺的反应器应具有很好的生物附着能力和较大的生物量。DO浓度的控制也是该工艺运行的关键，能方便、有效地控制反应器中的DO，提高氧气的传质效率，是运行OSANRP的反应器所必须具备的。目前国内外运行单级自养脱氮工艺的反应器主要有序批式反应器、流化床反应器、气提式反应器等，但这些反应器在运行中存在一些难以解决的问题，如序批式反应器传质效率差，流化床反应器运行挂膜困难且挂膜不均匀，气提式反应器难于控制反应条件等。

生物转盘是一种生物膜法处理技术。生物转盘的盘片上可生长世代时间长的微生物（如AAOB），生物量大、具有很强的耐冲击负荷能力，同时生物转盘反应器还具有传质效果好、处理程度高、可控性强，运行稳定可靠、维护简单、动力消耗低，运行费用省等优点，在污水处理中具有广泛的应用前景。采用生物转盘反应器运行单级自养脱氮工艺，可以通过调整转速、盘片浸没率和反应器盖的开启程度相结合的方法来有效地控制反应器中的DO，同时提高氧气的传质效率，增强反应器的脱氮性能；另外，生物转盘反应器中的盘片在机械力的作用下不断转动，盘片与水均匀接触，其挂膜迅速且均匀。

盘片材质的选择及其设计对于生物转盘的处理效率至关重要。目前国内外常用的盘片材料有波纹塑料板、玻璃钢板、不锈钢、泡沫塑料等，这些盘片在实际应用中大多显示出盘片形状单一、比表面积小、挂膜性能差、单位体积盘片的生物量较少、处理效率低、使用寿命短等缺点，从而严重地影响了生物转盘的处理效率。由于AAOB生长缓慢，生长条件苛刻，所以要求生物转盘的盘片具有较强的生物附着能力，同时为了保证运行单级自养脱氮工艺的生物转盘的脱氮效率，还要求盘片具有较大的比表面积进而具有较大的生物膜量，所以选择以上材料制作盘片的生物转盘反应器都不宜用于运行单级自养脱氮工艺。AAOB最佳生长温度为30~43℃，这就需要运行单级自养脱氮工艺的反应器具有易于控制温度的装置；DO的控制也是影响运行单级自养脱氮工艺的反应器脱氮效率的一个关键因素，微量的氧气（<0.5g/L）对AAOB产生可逆的抑制作用，特别在ANAMMOX阶段必须保证适宜于AAOB生长的厌氧环境，而普通的生物转盘不具备温度和氧气调控的装置，不宜用于运行单级自养脱氮工艺。为能更好地运行单级自养脱氮工艺，必须对普通的生物转盘结构及盘片进行改进，以营造一个适宜于运行单级自养脱氮工艺的新型生物转盘反应器。

实用新型内容

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型提出一种实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，本生物转盘反应器具有较强的生物附着能力和较大的生物膜量，且具备温度和氧气调控功能。

本实用新型实现上述目的的技术解决方案如下：

一种实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，包括封闭的反应容器，反应容器内设有若干生物盘片、曝气装置和内加热装置，在反应容器壁上设有出水口；其特征在于：所有生物盘片平行排布，在相邻两盘片间设有圆筒网，圆筒网直径与盘片直径匹配，圆筒网两端固定在对应的盘片上，一转轴套筒从所有的盘片和圆筒网中心穿过；盘片采用高分子塑料制成并在其外包裹无纺布层；每个圆筒网内的两端分别设有与盘片平行的生物膜保护网，生物膜保护网与无纺布层保持一定间距以保护无纺布上所挂的生物膜；圆筒网和两生物膜保护网之间形成填料室，每个圆筒网内的填料室通过三个沿长度方向的填料室隔网在圆周方向等角度分隔为三个小填料室；每个小填料室内填充有生物载体填料；所述出水口有多个且位于反应容器壁上不同高度，每个出水口均带有控制塞；在反应容器顶端设有可开合的反应器盖，反应器盖上设有对反应容器产生的气体进行收集的气体收集装置和带控制塞的溶解氧控制孔。

本生物转盘反应器还包括位于反应容器外的外加热循环装置，外加热循环装置包括加热水箱和加热水循环泵，加热水箱、加热水循环泵和反应容器通过管道连接形成循环回路，在管道上设有水体流量计，加热水箱中设有电加热器，加热水箱中的电加热器和反应容器内的内加热装置分别与数显温控仪连接，通过调节数显温控仪的电流按钮来调控加热温度，电加热器加热温度大于内加热装置加热温度。

所述曝气装置包括依次连接的储气瓶、减压阀、气体流量计和曝气管，曝气管位于反应容器底部，曝气管上均匀分布有曝气孔。

所述转轴套筒套在转轴上，转轴与驱动其转动的驱动装置连接，转轴套筒与转轴固定可同步转动；转轴套筒为高分子塑料套管。

所述生物膜保护网与对应的无纺布层的距离为5mm。

所述每个小填料室对应的圆筒网上设置有可开合的门，门的面积为与其对应的圆筒网面积的1/3左右，以打开该门能方便地更换生物载体填料。

所述圆筒网、生物膜保护网和填料室隔网均为不锈钢金属网，该不锈钢金属网网孔小于生物载体填料大小以阻止生物载体填料通过，丝径为1~1.6mm。

所述生物载体填料有效比表面积≥500m²/m³，直径为Φ10mm~Φ60mm。

本实用新型转盘盘片采用高分子塑料制成并在其表面包裹一层无纺布（无纺布孔隙度大，表面粗糙，非常有利于微生物的附着生长和繁殖），转笼主体两端设置有生物膜保护网层，以防止转动过程中生物转笼中的生物载体填料撞击盘片上的生物膜而导致其脱落，转笼内填料室中填充较大比表面积的生物载体填料，这不但适宜于生长缓慢的AAOB和AOB的附着生长，而且大大增加了生物转盘反应器内的生物膜量，增强了生物转盘反应器的脱氮性能。

因此本实用新型具有以下有益效果：

盘片及填料的挂膜周期短，填料的附着性能好，反应器内基质混合均匀，传质效果良好；反应器内溶解氧易于控制，易于实现和控制培养AAOB的厌氧环境和实现单级自养脱氮工艺的间歇好氧/厌氧环境，这不但适宜于生长缓慢的厌氧氨氧化细菌和亚硝化细菌的附着生长，而且大大增加了反应器内的生物膜量，增强了反应器的脱氮性能，且节省运行成本和能耗。

附图说明

图1-本实用新型整体结构图。

图2-生物转笼结构示意图。

图3-盘片和生物膜保护网的组合结构示意图。

图4-转笼主体部分结构示意图。

图5-生物转笼内部填料室及其表面可开合的门结构示意图。

图中：1-盘片；2-反应容器；3-驱动装置；4-转轴套筒；5-溶解氧控制孔；6-反应器盖；7-气体收集装置；8-气孔；9-出水口；10-曝气管；11-内加热装置；12-生物载体填料；13-数显温控仪；14-加热水箱；15-加热水循环泵；16-不锈钢架；17-气体流量计；18-减压阀；19-储气瓶，20-进水箱；21-蠕动泵；22 -水体流量计；23-无纺布层；24-生物膜保护网；26-转轴；27-圆筒网；28-填料室；29-填料室隔网；30-可开合的门。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

参见图1-图5，本实用新型实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，包括封闭的用于污水处理的反应容器2，反应容器2安装在不锈钢架16上，反应容器2通过进水管道与进水箱20连接，在该进水管道上设有蠕动泵21，以周期性地将进水箱中的污水泵入反应容器中。反应容器内设有生物反应所用的若干生物盘片1、曝气装置和内加热装置11。在反应容器2侧壁上设有出水口9，用于控制反应容器内污水量。

所有生物盘片1平行排布，在相邻两盘片1间设有圆筒网27，即盘片比圆筒网数量多一个，圆筒网27直径与盘片1直径匹配，圆筒网27两端固定在对应的盘片1上。一转轴套筒4从所有的盘片1和圆筒网27中心穿过，转轴套筒4套在转轴26上，转轴26与驱动其转动的驱动装置3连接，转轴26两端通过轴承安装在反应容器2侧壁上，转轴套筒4与转轴26用螺丝固定可同步转动。转轴套筒4为高分子塑料套管，除了用于固定转盘和填料室隔网，同时还能防止转轴锈蚀。

盘片1采用高分子塑料制成（经打磨后的聚丙乙烯）并在其外包裹无纺布层23，无纺布孔隙度大，表面粗糙，非常有利于微生物的附着生长和繁殖。每个圆筒网27内的两端分别设有与盘片平行的生物膜保护网24，生物膜保护网24与无纺布层23保持一定间距（实际为5mm）以保护无纺布上所挂的生物膜，即防止转动过程中填料室中的生物载体填料撞击盘片上的生物膜而导致其脱落。圆筒网27和其内的两生物膜保护网24之间形成填料室28，每个圆筒网内的填料室28通过三个沿长度方向的填料室隔网29在圆周方向等角度分隔为三个小填料室，即每个小填料室为横截面为120°的扇面，每个小填料室内填充有较大比表面积的生物载体填料12，大大增加了反应器内的生物膜量，进而增强了反应器的脱氮性能。分隔为三个小填料室可以确保生物转笼的稳定性、填料的流化性和传质的均匀性。实际设计时，在转轴套管上设有插槽，填料室隔网安装在插槽中。

本实用新型的圆筒网27、生物膜保护网24和填料室隔网29构成生物转笼。

所述出水口9有多个（实施例为4个）且位于反应容器2壁上不同高度，每个出水口9均带有控制塞，这样可以根据反应进程控制盘片不同的淹没深度和出露高度。在反应容器2顶端设有可开合的反应器盖6，反应器盖6上设有对反应容器产生的气体进行收集的气体收集装置7，气体收集装置7上设有带控制塞的控制孔8，需要收集气体时，打开控制塞，气体即进入气体收集装置。反应器盖6上同时设置有带控制塞的溶解氧控制孔5，当需要厌氧培养AAOB发生厌氧氨氧化反应时，可塞紧控制塞使反应器处于封闭状态，当发生好氧氨氧化反应时，打开胶塞，以便增加氧的传质速率。

由于AAOB最佳生长温度为30~43℃，这就需要运行单级自养脱氮工艺的反应器具有易于控制温度的装置，上述内加热装置11的目的就是使反应容器内的污水保持在适当的温度。另外，由于污水处理效率问题，污水处理实际中往往存在对处理过的污水再循环回反应容器进行再处理的需要，因此本生物转盘反应器还包括位于反应容器外的兼有循环和外部加热的外加热循环装置，外加热循环装置包括加热水箱14和加热水循环泵15，加热水箱14、加热水循环泵15和反应容器2通过管道连接形成循环回路，在管道上设有水体流量计22，加热水箱14中设有电加热器，加热水箱中的电加热器和反应容器内的内加热装置11分别与数显温控仪13连接，通过调节数显温控仪的电流按钮来调控加热温度（调控范围为0~60℃）。考虑到循环过程中的热量散失和循环水与进水箱中的污水混合时的温度下降问题，本实用新型使电加热器加热温度大于内加热装置加热温度，这样可确保循环水与进水箱中污水在进入反应容器中开始混合时即达到需要温度，在内加热装置的恒定加热下又能维持该温度不变。通过数显温控仪可以实现水温的自动控制，为微生物（主要是AOB和AAOB）营造一个适宜稳定的生长和代谢环境。

所述曝气装置包括依次连接的储气瓶19、减压阀18、气体流量计17和曝气管10，曝气管10位于反应容器2底部，曝气管10上均匀分布有曝气孔。曝气装置一方面在于培养AAOB时曝氮气创造适宜于其生长的厌氧环境，另一方面，在单级自养脱氮工艺的前段（即亚硝化阶段）可以适量的曝入一定量的空气，这既能增加氧气的传质速率，又能形成气体剪切力剪切转盘上多余的生物膜。曝气装置与前述四个出水口及溶解氧控制孔配合，能很方便、容易的在生物转盘反应器内部实现适宜于单级自养脱氮工艺运行的间歇好氧/厌氧条件。

所述每个小填料室对应的圆筒网27上设置有可开合的门30，门的面积为与其对应的圆筒网面积的1/3左右，以打开该门能方便的更换生物载体填料。

所述圆筒网27、生物膜保护网23和填料室隔网29均为不锈钢金属网，该不锈钢金属网网孔小于生物载体填料大小以阻止生物载体填料通过，丝径为1~1.6mm。

所述生物载体填料有效比表面积≥500m²/m³，直径为Φ10mm~Φ60mm。

以下介绍一个反应器实施例及污水处理效果：生物转笼长度为60mm，盘片直径为150mm，盘片总面积为0.35m²，包裹的无纺布层厚度为5mm，盘片上生物膜保护网与无纺布的距离为5mm，金属网孔径为4.75mm，丝径1mm，目数为5目，转盘反应器的有效容积为20L，转笼内填充青岛思普润水处理有限公司研发生产的生物载体填料SPR-1（其有效比表面积为500m²/m³），填充率为30%，转速为2~4r/min，单位面积的最大生物量可达0.2~0.25kg/ m²，生物体的附着率可达97%~99%，当浸没率为80%， HRT=12~16h时，该反应器的最大氮去除负荷可达4.2kg NH₄ ⁺-N/L·d，TN去除率可达80%以上。

本反应器的使用方法和工作过程：

生物转盘反应器在运行OSANRP的整个过程中，先向填料室28中填充具有较大比表面的生物载体填料12。在厌氧条件下培养AAOB时，打开位置最高的出水口9，其余出水口关闭，同时用控制塞塞紧气体收集装置上的气孔8，当反应容器底部曝入一定量的氮气排净反应容器内空气时，用控制塞塞紧溶解氧控制孔5，此时盘片1完全浸入污水中，整个反应容器内形成了一个完全适宜于AAOB生长的厌氧环境。与此同时，在驱动装置3的作用下，转轴4带动转笼一起转动，转盘充分与反应容器中的污水接触，这有助于转盘和填料挂膜均匀、提高基质的传质效率。当生物转盘反应器中AAOB达到一定的菌体浓度后，向反应器中接种AOB，此时打开溶解氧控制孔5的控制塞，改用相对位置较低的出水口9出水，反应容器内污水液面下降，转盘下部浸入污水中，上部暴露在空气中。此时可视处理情况逐渐降低曝气量或停止曝气，当停止曝气运行正常后即可打开气体收集装置收集反应生成逸出的气体便于研究反应器的脱氮效率。当转盘1和转笼转入污水中时，转盘上和转笼内填料上生物膜吸附污水中的反应底物（NH₄ ⁺），完成厌氧氨氧化过程；当转盘1和圆筒转出污水时，空气中的氧不断扩散进入转盘和转笼内填料上的生物膜中，完成亚硝化过程。这样转盘上的生物膜不断交替的浸入污水中和暴露在空气中，实现了单级自养脱氮。同时还可调整转轴转速和出水口位置来控制亚硝化和厌氧氨氧化反应进程。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，包括封闭的反应容器（2），反应容器（2）内设有若干生物盘片（1）、曝气装置和内加热装置，在反应容器（2）壁上设有出水口（9）；其特征在于：所有生物盘片（1）平行排布，在相邻两盘片（1）间设有圆筒网（27），圆筒网直径与盘片直径匹配，圆筒网（27）两端固定在对应的盘片（1）上，一转轴套筒（4）从所有的盘片和圆筒网中心穿过；盘片采用高分子塑料制成并在其外包裹无纺布层（23）；每个圆筒网内的两端分别设有与盘片平行的生物膜保护网（24），生物膜保护网（24）与无纺布层（23）保持一定间距以保护无纺布上所挂的生物膜；圆筒网（27）和两生物膜保护网（24）之间形成填料室（28），每个圆筒网内的填料室（28）通过三个沿长度方向的填料室隔网（29）在圆周方向等角度分隔为三个小填料室；每个小填料室内填充有生物载体填料（12）；所述出水口（9）有多个且位于反应容器（2）壁上不同高度，每个出水口（9）均带有控制塞；在反应容器（2）顶端设有可开合的反应器盖（6），反应器盖（6）上设有对反应容器产生的气体进行收集的气体收集装置（7）和带控制塞的溶解氧控制孔（5）。

2.根据权利要求1所述的实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，其特征在于：本生物转盘反应器还包括位于反应容器外的外加热循环装置，外加热循环装置包括加热水箱（14）和加热水循环泵（15），加热水箱（14）、加热水循环泵（15）和反应容器通过管道连接形成循环回路，在管道上设有水体流量计（22），加热水箱中设有电加热器，加热水箱中的电加热器和反应容器内的内加热装置分别与数显温控仪（13）连接，通过调节数显温控仪的电流按钮来调控加热温度，电加热器加热温度大于内加热装置加热温度。

3.根据权利要求1所述的实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，其特征在于：所述曝气装置包括依次连接的储气瓶（19）、减压阀（18）、气体流量计（17）和曝气管（10），曝气管（10）位于反应容器（2）底部，曝气管上均匀分布有曝气孔。

4.根据权利要求1所述的实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，其特征在于：所述转轴套筒（4）套在转轴（26）上，转轴（26）与驱动其转动的驱动装置（3）连接，转轴套筒（4）与转轴（26）固定可同步转动；转轴套筒（4）为高分子塑料套管。

5.根据权利要求1所述的实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，其特征在于：所述生物膜保护网（24）与对应的无纺布层（23）的距离为5mm。

6.根据权利要求1所述的实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，其特征在于：所述每个小填料室对应的圆筒网上设置有可开合的门（30），门的面积为与其对应的圆筒网面积的1/3，打开该门能方便的更换生物载体填料。

7.根据权利要求1所述的实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，其特征在于：所述圆筒网（27）、生物膜保护网（24）和填料室隔网（29）均为不锈钢金属网，该不锈钢金属网网孔小于生物载体填料大小以阻止生物载体填料通过，丝径为1~1.6mm。

8.根据权利要求1所述的实现单级自养脱氮工艺的生物转盘反应器，其特征在于：所述生物载体填料（12）有效比表面积≥500m²/m³，直径为Φ10mm~Φ60mm。

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