CN216038823U - 基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器，包括结构相同的A柱和B柱；A柱顶端设有A柱溢流/进气管，底部设有A柱进/出水口；A柱内部自下而上依次设有粗沸石颗粒层、细沸石颗粒层和橡皮塞，A柱溢流/进气管穿过橡皮塞通向A柱外；A柱进/出水阀门通过三通管分别与A柱进/出水口、A柱进/出水管、B柱进/出水阀门连接；A柱进/出水阀门与B柱进/出水阀门之间的管道上设有交换蠕动泵；储水箱与A柱进/出水管连接；该反应器解决了传统设备黏附在生物膜上的有效沸石粉末容易脱落的问题，避免了反应器出水孔易堵塞的情况本申请反应器避免了传统曝气，减少设备成本以及其所造成的能耗消耗。

Description

基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器

技术领域

本发明涉及一种固定床生物膜污水处理技术，具体涉及一种基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器，属于污水处理技术领域

背景技术

我国市政污水处理有物理、化学和生物等多种方法，其中生物处理法因处理费用低、相对耗能低、处理水量大、二次污染小、适用性强、处理效果稳定可靠、运行维护简单、工艺成熟等原因占有重要的地位。

生物处理法主要包括活性污泥法、生物膜法、自然处理法、厌氧消化法等。活性污泥法处理废水效率显著，处理后的水质较好，因而被广泛运用。活性污泥法是在充分供氧下，以废水中的有机物污染物(COD、氨氮、磷等)为底物，对活性污泥中的菌群进行间歇或者连续的驯化，并将有机污染物，降解为无机物的过程。根据其运行式，又可分为连续运行式(传统活性污泥法)和间歇运行式(序批式活性污泥法SBR)两种。

近年来国家因环境保护对水质要求进一步提高，生物膜法因其去除效果较好而获得进一步发展，其形式包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化没备和生物流化床等。生物滤池是一种集物理、化学、生物反应，在过滤、吸附、生物降解作用下进行净化生活污水的净化装置，通过滤层的截留、物理吸附以及附着在填料上的生物膜生物降解等不同手段，从而实现水体中氨氮、总氮、COD、BOD、ss的去除。根据水量负荷不同，生物滤池又分为普通生物滤池、高负荷生物滤池、塔式生物滤池(新型的高负荷生物滤池)。

同时，现有技术中对去除氮和COD的污水处理技术存在以下缺点：1)传统的活性污泥法普遍采用曝气装置系统进行曝气，这种方法存在曝气效率低下，曝气设备能耗大，同时其施工安装过程也较为繁琐，曝气装置需维护与维修的问题，从而使得运营成本较为昂贵；

2)传统活性污泥法以及序批式活性污泥法(SBR)都存在运行完成后，产生大量的污泥，这些污泥一般需要经过浓缩、预处理、脱水、焚烧，然后灰分填埋等处理工序，这些工序不仅需要固定设备的投入，而且消耗能源，对环境不友好，污染环境；3)传统的硝化、反硝化生物滤池串联工艺需要至少硝化反应池、反硝化反应池分别运行，脱氮设备需要更大的空间运行，且其运行效果欠佳，需要进一步的改善；4)多数除氮和COD的污水处理技术在改变进水条件后，尤其是提高氨氮和COD浓度后，出现一定程度的处理能力下降的问题，耐高负荷冲击能力较差。

被动曝气同步硝化反硝化(Passive Aeration Simultaneous Nitrificationand Denitrification，PASND)，其的主要核心是构建特殊生物膜和生物膜上负载的离子交换材料。PASND工艺中具体分为两个阶段，及反应器充满水的厌氧过程与反应器排空水的好氧过程。在厌氧过程中，PASND的生物膜中的糖元累积型生物GAOs，吸收水体中的有机碳，转化为细胞内PHAs，同时离子交换材料也会吸收水体中的另一主要污染物铵根离子，经过这一过程水体中的污染物质浓度会大幅度降低。在好氧过程下(其反应原理如图2所示)，在硝化细菌和具有反硝化功能的反硝化聚糖菌(DGAOs)的共同作用下，首先，铵根离子通过硝化细菌(氨氧化菌AOB和亚硝酸氧化菌NOB)的硝化作用转化为硝酸根和亚硝酸根离子；生物膜内具有反硝化功能的反硝化聚糖菌(DGAOs)在厌氧或缺氧的条件下，以胞内有机物PHAs作为电子供体，将硝酸根和亚硝酸根离子最终转化为氮气(N₂)，剩余的PHAs 与氧气反应生成二氧化碳，从而实现同步硝化反硝化以及有机污染物的去除，使得生物膜得以再生，为下一个周期的污水处理做准备。该技术免去了传统的将空气通过设备打入反应器中，以至于能耗降低50％以上；能够同步硝化反硝化去除氨氮；生物膜工艺减少 30％-50％污泥处理量；抗高负荷冲击。因此在环境保护、污水处理去除COD、氨氮方面具有很大的应用前景。

但目前PASND工艺还存在一些问题尚未解决，如现有技术中，沸石粉是粘附在细胞的荚膜(粘液层)，目的是为了吸附污染物铵根离子，但该黏附极易脱落，从而影响了吸附效果，氨氮去除效率下降，反应器出水孔易堵塞，运用到实际工程上补充沸石粉成本增加等问题。目前对于黏附在生物膜上的有效沸石粉末容易脱落、氨氮去除效率有限等问题的解决方法尚未成熟，因此，亟需研究出一种环境友好、耐久性高的升级PASND装置。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于沸石颗粒载体的低能耗固定生物膜污水处理装置，以固定化离子交换材料为基础构建新型生物膜在保留原有PASND 工艺优势的同时，同时克服原有PASND工艺长期氨氮处理效率不佳的不足。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：一种基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器，包括结构相同的A柱和B柱；A柱顶端设有A柱溢流/进气管4A，底部设有A柱进/出水口3A；A柱内部自下而上依次设有粗沸石颗粒层、细沸石颗粒层和橡皮塞，A柱溢流/进气管穿过橡皮塞通向A柱外部；A柱进/出水阀门通过三通管分别与A 柱进/出水口、A柱进/出水管、B柱进/出水阀门连接；A柱进/出水阀门与B柱进/出水阀门之间的管道上设有交换蠕动泵；储水箱中存储的污水通过A柱蠕动泵，沿着A柱进/出水管由A柱进/出水口进入A柱；

B柱顶端设有B柱溢流/进气管，底部设有B柱进/出水口，B柱内部自下而上依次设有与A柱相同的粗沸石颗粒层、细沸石颗粒层和橡皮塞，B柱溢流/进气管穿过橡皮塞通向B柱外；B柱进/出水阀门通过三通管分别与B柱进/出水口、B柱进/出水管及A柱进/ 出水阀门连接；B柱进/出水管上还设有B柱蠕动泵，B柱的出水通过B柱蠕动泵沿管道排出。

优选的，上述基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器中，粗沸石颗粒层由粒径为16mm沸石颗粒组成；细细沸石颗粒层由粒径分别为5mm、10mm的沸石颗粒组成。

优选的，基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器中，5mm、10mm、16mm三种粒径的沸石颗粒重量比依次为60％、35％和5％。

所述沸石颗粒为斜发沸石颗粒。

优选的，上述基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器中，A柱和B柱的材质为亚克力板。

本申请的非均匀级配填料滤层中的级配沸石颗粒，首先起到吸附并且截留污水中的少量悬浮物的作用；其结构中存在Na⁺等阳离子，在溶液中与其他阳离子交换，主要是 NH^{4 +}，导致除去废水中的NH⁴⁺；载体采用天然矿石原料，容易获取，耐磨损性能强，化学性能稳定，有利于生物膜的附着生长。

沸石颗粒是由通过共用氧连结在一起的硅氧四面体和铝氧四面体三维格架组成，三价铝取代四价硅产生的过剩负电荷由一价或二价的金属阳离子。沸石因成分不同分为：方沸石Na[AlSi₂O₆]·H2O、钙沸石Ca[Al₂Si₃O₁₀]·3H₂O。呈浅色，玻璃光泽，硬度3－3.5，比重2.0－2.4，粒径为5～16mm，使用寿命长。本申请中，优选氨氮吸附能力大于20μg NH⁴⁺-N/g沸石颗粒。

本申请的有益效果：

1.避免了传统曝气，无需曝气设备，减少设备成本以及其所造成的能耗消耗，降低了能耗约50％以上。

2.具有同步硝化反硝化功能，能够高效的去除污水中的营养物质氨氮。

3.为固定生物床工艺，几乎没有污泥产生，减少了减少30-50％污泥排放。

4.抗高负荷冲击。

5.在日常运行中仅需监控pH值、DO和液位，对现场人员的操作技能要求较少。

现有PASND在填料挂膜时在所用的活性污泥中加入沸石粉，从而达到去除氨氮，且在同步硝化反硝化时释放氨氮，作为AOB的营养物质。本申请与PASND所采用的的填料不同，采用的是天然沸石颗粒，这样带来的好处是：(1)解决了黏附在生物膜上的有效沸石粉末容易脱落的问题(2)避免了反应器出水孔易堵塞的情况(3)削减了填料的在实际工程上补充沸石粉的成本。(4)倡导循环经济，有效避免运用塑料。且沸石颗粒有强度高、耐磨损等优点，使用寿命很长。

附图说明

图1为实施例的低能耗固定床生物膜反应器的结构示意图。

图2为实施例的低能耗固定床生物膜反应器运行三个月的有机碳COD的去除率。

图3为实施例的低能耗固定床生物膜反应器运行三个月的氨氮的去除率。

图4为实施例的低能耗固定床生物膜反应器运行一个周期的COD、氨氮、总氮、硝酸、亚硝酸变化示意图。

图中，1：A柱；2、B柱；3A、A柱进/出水口；3B、B柱进/出水口；4A、A柱溢流/ 进气管；4B、B柱溢流/进气管，5A、A柱蠕动泵；5B、B柱蠕动泵；5C、交换蠕动泵；6A、 A柱进/出水阀门；6B、B柱进/出水阀门；7A、A柱进/出水管；7B、B柱进/出水管；8、粗沸石颗粒层(16mm)；9、细沸石颗粒层(5m和10m混匀)10、取样口；11、橡皮塞； 12、储水箱。

具体实施方式

为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护的范围。

除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

以下通过描述示例实施例的方式对本发明进行详细描述。

实施例中斜发沸石购自河南景盈水处理材料有限公司。

图1为本实施例涉及的基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器示意图，包括结构相同的A柱1和B柱2；A柱1顶端设有A柱溢流/进气管4A，底部设有A柱进/出水口3A，A柱1内部自下而上依次设有粗沸石颗粒层8、细沸石颗粒层9和橡皮塞11，A柱溢流/进气管4A穿过橡皮塞11通向A柱1外部；A柱进/出水阀门6A通过三通管分别与A 柱进/出水口3A、A柱进/出水管7A、B柱进/出水阀门6B连接；A柱进/出水阀门6A与B 柱进/出水阀门6B之间的管道上设有交换蠕动泵5C；储水箱12中存储的进水通过A柱蠕动泵5A，沿着A柱进/出水管7A由A柱进/出水口3A进入A柱1；

B柱2顶端设有B柱溢流/进气管4B，底部设有B柱进/出水口3B，B柱2内部自下而上依次设有与A柱相同的粗沸石颗粒层、细沸石颗粒层和橡皮塞，B柱溢流/进气管4B穿过橡皮塞通向B柱2外；B柱进/出水阀门6B通过三通管分别与B柱进/出水口3B、B柱进/出水管7B及A柱进/出水阀门6A连接；B柱进/出水管7B上还设有B柱蠕动泵5B，B 柱2的出水通过B柱蠕动泵5B沿管道排出；

A柱中粗沸石颗粒层、细沸石颗粒层均与B柱相同。粗沸石颗粒层、细沸石颗粒层均为呈无规则的斜发沸石(在具体应用中，也可以选择其他天然沸石颗粒)，沸石填装前，以去离子水反复洗涤，除去附着的污垢和可溶性杂质，在105℃下干燥24小时。将沸石经过振动筛分机筛分，分为5mm、10mm、16mm三种不同尺寸的沸石颗粒，三种级配的沸石颗粒质量百分比依次为60％、35％和5％。将16mm沸石颗粒置于反应器底部，即为粗填沸石颗粒层8，该直径的沸石颗粒放置于反应器底部，可防止进/出水口堵塞；将5mm、10mm 两种级配的沸石混合均匀，放置于粗沸石颗粒层8上方，即为细沸石颗粒层9。粗、细沸石颗粒层的设置，既保证了较高的氨氮饱和吸附率，又能防止A柱与B柱出/进水口被堵住且有助于微生物的附着。这些沸石颗粒均匀混合，满足水中污染物和溶解氧与生物膜的有效传递。

本实施例中，A柱和B柱为体积相同的2个反应器，其材质为亚克力材料，有效容积(去除上端橡皮塞)分别为0.735(A柱)和0.707(B柱)升。设置在反应器体下部的进/出水口(3A和3B)的直径约为10mm；A柱1的底部进/出水阀门6A通过三通管连接进 /出水管7A，进/出水管7A端以蠕动泵5A向反应器内输送经过预处理后的废水(存储于储水箱12中)；三通管的另一端与B柱2的反应器进/出水阀门6B连接，三通管上设有交换蠕动泵5C；在A柱与B柱的底层都设有粒径较大的沸石颗粒粗填料层8(粗过滤层，防堵塞)，中间设有非均匀级配细填料层9。经过预实验5mm、10mm、16mm沸石颗粒静态的氨氮饱和吸附量分别为27.15、15.73、11.08μg NH₄ ⁺-N/g沸石颗粒。

本实施例中，污水为取自镇江市水业总公司城市有机质协同处理中心的曝气池取得含活性污泥的污水，该于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器(双联反应器)采用序批式的运行模式，具体步骤如下：

(1)存储于储水箱12中的污水由蠕动泵以1.2L·h^-1的流速从底部注入A柱直到注满，体积大约为200mL；

(2)污水在A柱内部停留6小时，进行COD和氨氮的去除；

(3)接着，污水由A柱的A柱反应器进/出水阀门6A排出，同时经由交换蠕动泵5C通过B柱反应器进/出水阀门6B注入B柱，进行二次处理；污水在B柱的停留时间和在反应器A柱保持一致，为6小时，此时B柱充满污水，A柱处于排空好氧状态；

(4)最后，污水由B柱排出，完成二次处理。此时，反应器B柱处于理排空好氧状态，本次污水处理周期完成。同时，A柱再次进水，进行下一周期的污水处理。

单个反应器的运行周期包括进水(10min)、厌氧(350min)、排水(10min)、好氧(350min)，整个系统HRT＝12h。反应器工作温度维持在25±2℃。进水，排水均由水泵通过设置内置时间程序控制自动运行。本工艺一个周期12h内能处理195mgCOD及15mgTN，耗能1.344×10^-6kwh，单位COD体积负荷体积负荷为0.13kgCOD·(m³·d)^-1，单位TN体积负荷为0.01TNkg·(m³·d)^-1。

沸石表面可形成生物膜并寄居大量微生物，氮的去除过程：在好氧环境下，通过自养菌进行硝化将氨氮(NH₄ ⁺-N)转化为硝态氮，即硝化过程适当的环境下(水中缺氧并存在碳源)，填料区的内度由于氧浓度梯度的下降可形成缺氧环境，可通过反硝化菌去除进水中的硝态氮(NO₃ ^--N和NO₂ ^-N)，即反硝化过程；除碳过程：在好氧环境下，通过异养菌将碳质有机污染物(BOD)转化为二氧化碳。

在正式工作阶段，分别在本发明的细沸石颗粒层9的采样口10取样，每隔一天取一次水样，本发明装置持续运行3个月后结束取样，检测COD、氨氮去除效果，本实施例低能耗固定床生物膜反应器运行三个月的有机碳COD的去除率如图2所示，运行三个月的氨氮的去除率如图3所示，运行一个周期的COD、氨氮、总氮、硝酸、亚硝酸变化如图4所示。

图2-4表明，实施例低能耗固定床生物膜反应器中COD平均去除率分别为93％，氨氮平均去除率为95％，并且在连续的重复实验中，其去除效率波动不大，效果稳定。

以上显示和描述了发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本实用新型，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器，包括结构相同的A柱和B柱；A柱顶端设有A柱溢流/进气管，底部设有A柱进/出水口；A柱内部自下而上依次设有粗沸石颗粒层、细沸石颗粒层和橡皮塞，A柱溢流/进气管穿过橡皮塞通向A柱外；A柱进/出水阀门通过三通管分别与A柱进/出水口、A柱进/出水管、B柱进/出水阀门连接；A柱进/出水阀门与B柱进/出水阀门之间的管道上设有交换蠕动泵；储水箱与A柱进/出水管连接；

B柱顶端设有B柱溢流/进气管，底部设有B柱进/出水口，B柱内部自下而上依次设有与A柱相同的粗沸石颗粒层、细沸石颗粒层和橡皮塞，B柱溢流/进气管穿过橡皮塞通向B柱外；B柱进/出水阀门通过三通管分别与B柱进/出水口、B柱进/出水管及A柱进/出水阀门连接；B柱进/出水管上还设有B柱蠕动泵。

2.根据权利要求1所述的基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器，其特征在于，所述粗沸石颗粒层由粒径为16mm沸石颗粒组成。

3.根据权利要求2所述的基于沸石颗粒载体的低能耗固定床生物反应器，其特征在于，所述沸石颗粒为斜发沸石颗粒。

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