CN216191395U - 一种生物炭强化脱氮的sbr短程硝化-反硝化装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种生物炭强化脱氮的SBR短程硝化‑反硝化装置,包括反应池本体，反应池本体包括反应区以及沿反应区周向设置的水浴加热区，反应区内设置有搅拌单元、曝气单元以及pH检测单元，反应区顶部和底部分别设置有进水口Ⅰ和排泥口，进水口Ⅰ通过管道与蠕动泵连接，反应区的侧面设置有排水口Ⅰ和排水口Ⅱ；水浴加热区内设置有加热单元，水浴加热区的顶部和顶部分别设置有进水口Ⅱ和排水口Ⅲ。该生物炭强化脱氮的SBR短程硝化‑反硝化装置的亚硝酸氮积累更快、运行更稳定、生物脱氮效果更好。
Description
技术领域
本实用新型属于污水处理技术领域，涉及SBR短程硝化-反硝化装置，具体涉及一种生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置。
背景技术
随着我国社会及工农业的迅速发展，含氮废水排放日益增加，这些废水若未经有效处理便排置缓流水体，势必导致藻类及其他浮游生物过度繁殖，加速水体的富营养化，造成水质恶化的现象。同时，硝酸盐和亚硝酸盐在水环境中长期积累容易形成N-亚硝基化合物，有致癌、致畸变的特点，对生态食物链产生强烈毒理效应，危害水生生物及人体健康。面对日趋严峻的水体富营养化及居高临下的水处理成本问题，研发一套绿色、经济、高效的脱氮工艺显得尤为重要。
短程硝化-反硝化技术是基于传统生物脱氮技术发展而来的一种新型脱氮技术，其在硝化阶段主要以氨氧化细菌作为优势微生物，逐渐淘汰亚硝酸盐氧化菌，从而可以将硝化反应控制在亚硝化阶段，而后再直接进行反硝化实现脱氮，这样就减少了传统生物脱氮中由NO2--N氧化为NO3 --N，再由NO3 --N还原为NO2 --N这两个多余的反映。与传统生物脱氮技术相比，短程硝化-反硝化技术的反硝化速率是传统生物脱氮技术的1.5-2倍，同时可以节约25％的曝气量和40％的有机碳源投加量，减少剩余污泥产生量因此。
在短程硝化-反硝化技术的实际应用中，由于序批式活性污泥法(SBR)具有工艺简单、占地少、不需要单独设置二沉池、运行费用低等优点，用SBR反应器进行短程硝化-反硝化反应已经在我国污水处理领域得到广泛应用。SBR是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术。它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。尤其适用于建设空间不足，间歇排放和流量变化较大的场合。SBR短程硝化-反硝化技术克服了传统生物脱氮技术碳源消耗量大，水力停留时间长，能源消耗高、污泥产量高等诸多问题。但同时，SBR短程硝化-反硝化技术也存在着启动时间长，运行时对环境较为敏感等问题。与此同时，生物炭作为一种生物质残体在限氧、高温条件下热解而成的含碳物质，具有比表面积大、制备简单、成本低廉等优点，其在污水处理中的应用也得到了不断提高的重视。
因此，若能开发一种由生物炭强化更高效的SBR短程硝化-反硝化反应系统，并将其用于污水中氮素污染物的处理，这无论是对于SBR短程硝化-反硝化技术的应用推广还是预防水体富营养化、确保水资源的可持续利用，都具有十分重要的现实意义。
实用新型内容
针对现有技术中SBR短程硝化-反硝化技术也存在着启动时间长，运行时对环境较为敏感等问题，本实用新型的目的是提供一种生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，该装置亚硝酸氮积累更快、运行更稳定、生物脱氮效果更好。
为达到上述目的，本实用新型提供的一种生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，包括反应池本体，所述反应池本体包括反应区以及沿反应区周向设置的水浴加热区，所述反应区内设置有搅拌单元、曝气单元以及pH检测单元，反应区顶部和底部分别设置有进水口Ⅰ和排泥口，进水口Ⅰ通过管道与蠕动泵连接，反应区的侧面设置有排水口Ⅰ和排水口Ⅱ；所述水浴加热区内设置有加热单元，水浴加热区的顶部和顶部分别设置有进水口Ⅱ和排水口Ⅲ。
本实用新型提供的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，主要用于污水中氮素污染物的处理。在SBR系统短程硝化-反硝化开始运行前，通过对反应区内的溶解氧含量、温度以及pH等参数进行检测并控制相应运行参数，使其条件更利于氨氧化生长而不利于亚硝酸盐氧化菌生长。如此经过一段时间后，反应区内的亚硝酸盐氧化菌生长受到抑制而氨氧化菌称为优势菌种，此时进入反应区的氨氮污染物将主要被氨氧化菌反应为亚硝酸氮，而由于亚硝盐氧化菌已被抑制，所以生成的亚硝酸盐氮并不会继续被反应为硝酸盐氮，此即为该SBR短程硝化-反硝化装置的启动阶段。
反应区内投加有生物炭，在启动阶段完成后，SBR系统短程硝化-反硝化开始运行，将生物炭(如羊粪生物炭)与配水充分混合后进入反应区进行反应。使用该SBR短程硝化-反硝化装置，优选在反应区内投放羊粪生物炭。羊粪生物炭具有大量微孔结构，可为微生物提供更大的栖息空间，因此微生物可充分的附着在羊粪生物炭，并在溶解氧不易进入的内部形成缺/厌氧区，在羊粪生物炭外层即为好氧区。污水和投加的羊粪生物炭充分混合后进入反应区，首先污水中的氨氮污染物被吸附在微生物的表面，之后羊粪生物炭外层附着生长的氨氧化菌通过亚硝化作用将其表面吸附的氨氮转化成亚硝态氮：NH3-N→NO2 --N，而经过启动阶段后，亚硝酸盐氧化菌作为劣势菌种已被淘汰，因此亚硝酸盐氮并不会继续氧化为硝酸盐氮。之后，羊粪生物炭内层及孔隙中所形成缺/厌氧区中所依附生长的反硝化菌则利用有机碳源将亚硝态氮转化为氮气：NO2 --N→N2，达到最终脱氮的目的，从而实现高效脱氮。值得说明的是，本实用新型的创新点在于装置的结构组成，具体投加的生物炭没有特殊的限制，优选的羊粪生物炭，投加进SBR短程硝化-反硝化系统中后，不仅自身可以吸附水中的氮素污染物，还可以作为微生物的载体，形成生物膜，可为微生物高效转化氮素污染物提供稳定的场所。
上述生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，所述搅拌单元主要用于机械搅拌进入反应区内的废水，在可达到机械搅拌废水的基础上，搅拌单元可以采用本领域常用搅拌装置。在本实用新型中，搅拌单元优选包括设置于反应池本体外部的电机和与电机连接的控制装置，以及竖直设置于反应区内并与电机输出轴相连接的搅拌桨。
上述生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，所述曝气单元主要用于向反应区内提供充足的溶解氧，曝气单元优选包括设置于反应池本体外部的增氧泵以及设置于反应区内并通过管道与增氧泵连接的曝气头，所述曝气头与增氧泵之间的连接管道上设置有转子流量计。曝气头优选采用微孔曝气头，进一步地，所述曝气头优选设置于反应区的底部。此外，曝气单元除了提供足够的溶解氧，还可以通过气泡搅动污水，结合搅拌单元机械搅拌污水，可以保证泥水的充分接触与混合，强化了传质过程，使反应区内各点反应条件一致。
上述生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，所述pH检测单元主要用来测定溶液酸碱度值(pH值)，优选包括设置于反应池本体外部的pH计以及设置于反应区内并与pH计连接的pH计探头。所述pH计探头优选设置于反应区的中部。
上述生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，所述加热单元主要用于水浴加热区的加热，优选包括设置于反应池本体外部的控温装置以及设置于水浴加热区内并与控温装置连接的恒温加热器。通过其内的恒温加热器对反应区进行水浴加热，这样可使加热过程中反应区各点温度一致，避免了出现加热器附近温度过高，从而影响加热器周边处理效果的问题。所述恒温加热器优选设置于加热区的中部。
上述生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，排水口(排水口Ⅰ、排水口Ⅱ以及排水口Ⅲ)以及排泥口的具体数量并没有特殊的限制，可以根据反应池的具体尺寸进行设置。排水口Ⅰ主要用于排出反应区内反应沉淀后的上清液，排水口Ⅱ主要用于排出反应区中的污水，排水口Ⅲ用于排出水浴加热区中的水。优选地，反应区的侧面设置两个排水口Ⅰ和一个排水口Ⅱ，水浴加热区的底部设置一个排水口Ⅲ。排泥口通常为一个。
上述生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，反应池本体总体呈双层结构，其具体的形状可以根据实际情况进行设置，反应池本体优选呈圆柱形双层结构，内部为反应区，外部为水浴加热区。
本实用新型提供的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置的工艺流程如下：该SBR短程硝化-反硝化装置的工艺分为进水、曝气﹑沉淀、出水四个阶段，四个阶段为一个周期，一周期共6小时，其中进水和出水分别为30分钟，曝气时间为四小时，静置时间为1小时。各阶段的运行时间可通过反应器实际运行情况进行适当调整。具体地：
进水阶段：生物炭与污水充分混合后，配水经蠕动泵控制恒流通过进水口Ⅰ进入反应区，保证进水、生物炭与活性污泥三者可以快速充分地混合。
曝气阶段：开启增氧泵并通过转子流量计调节适宜的曝气量，同时启动搅拌装置以确保反应过程中活性污泥、污水以及生物炭三者充分混合，保障反应器内各点反应条件一致；曝气阶段，通过转子流量计控制气体流量为1.0±0.1L/min。
静置阶段：前30分钟停止曝气，但不关闭搅拌装置，使反应装置可以在缺氧条件下充分进行反硝化过程，达到最终生物脱氮的目的；后30分钟关闭搅拌装置，确保泥水能够充分分离。
出水阶段：沉淀后的上清液通过反应区侧面设置的排水口Ⅰ排出。
反应装置每个反应周期完成后排水比控制为0.5，污水通过排水口Ⅱ排出。污泥龄为7天，剩余污泥通过排泥口排出。
与现有技术相较，本实用新型提供的技术方案具有以下有益效果：
(1)本实用新型提供的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，通过设置反应区、水浴加热区、曝气单元、pH检测单元以及搅拌单元，对反应区内的溶解氧含量、温度以及pH等进行检测并控制，使反应区内的条件更利于氨氧化生长而不利于亚硝酸盐氧化菌生长；反应区内优选投放有生物炭，由生物炭强化更高效地进行污水中氮素污染物的处理；该SBR短程硝化-反硝化装置对于SBR短程硝化-反硝化技术的应用推广还是预防水体富营养化、确保水资源的可持续利用，都具有十分重要的现实意义。
(2)本实用新型提供的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，反应区同时设置有曝气单元和搅拌单元，通过气泡搅动污水结合机械搅拌废水可以保证泥水的充分接触与混合，强化了传质过程，使反应区内各点反应条件一致。
(3)本实用新型提供的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，在反应区外侧设置了加热区，通过设置在加热区内的恒温加热器对反应区进行水浴加热，这样可使加热过程中反应区各点温度一致，避免了出现加热器附近温度过高，从而影响加热器周边处理效果的问题。
(4)本实用新型提供的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，优选使用的羊粪生物炭，投加进SBR短程硝化-反硝化系统中后，不仅自身可以吸附水中的氮素污染物，还可以作为微生物的载体，形成生物膜，为微生物高效转化氮素污染物提供了稳定的场所。
附图说明
图1是本实用新型生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置结构示意图。
附图标记说明：1、反应区；2、加热区；3、进水口Ⅰ；4排泥口；5、蠕动泵；6、排水口Ⅰ；7、排水口Ⅱ；8、进水口Ⅱ；9、排水口Ⅲ；10、电机；11、搅拌桨；12、增氧泵；13、曝气头；14、转子流量计；15、pH计；16、pH计探头；17、控温设置；18、恒温加热器。
具体实施方式
以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。
本实施例提供的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，如图1所示，包括反应池本体，反应池本体包括反应区1以及沿反应区1周向设置的水浴加热区2。反应池本体呈圆柱形双层结构，内部为反应区1，外部为水浴加热区2。反应池本体整体高度为40cm，直径为30cm；其中反应区1高度为40cm，直径为20cm，反应区1有效容积为12L。
反应区1内还设置有搅拌单元、曝气单元以及pH检测单元。反应区1顶部和底部分别设置有进水口Ⅰ3和排泥口4，进水口Ⅰ3通过管道与蠕动泵5连接，反应区1的侧面设置有排水口Ⅰ6和排水口Ⅱ7。水浴加热区2内设置有加热单元，水浴加热区2的顶部和顶部分别设置有进水口Ⅱ8和排水口Ⅲ9。通过进水口Ⅱ8向水浴加热区2加入水浴用水，装置停止运行后通过排水口Ⅲ9排出水浴加热区2中的水。
搅拌单元包括设置于反应池本体外部的电机10和控制装置以及竖直设置于反应区1内的搅拌桨11。控制装置与电机10连接，搅拌桨11与电机10输出轴相连接。通过控制装置和电机10可控制搅拌桨11的转速及搅拌时间。
曝气单元包括设置于反应池本体外部的增氧泵12以及设置于反应区1内的曝气头13，曝气头13通过管道与增氧泵12连接。曝气头13与增氧泵12之间的连接管道上设置有转子流量计14，曝气头13位于反应区1的底部。通过转子流量计14及增氧泵12控制曝气量与曝气时间。
pH检测单元包括设置于反应池本体外部的pH计15以及设置于反应区1内并与pH计15连接的pH计探头16。pH计探头16位于反应区1的中部。
加热单元包括设置于反应池本体外部的控温装置17以及设置于水浴加热区2内的恒温加热器18。控温装置17与控温装置17连接。恒温加热器18位于水浴加热区2的中部。
反应区内投放有生物炭，本实施例中生物碳种类为羊粪生物炭，投加方式为将羊粪生物炭与模拟废水充分混合后于曝气阶段开始前经蠕动泵由进水口Ⅰ进入反应区，投加比为1L污水：1g生物炭。所选羊粪原材料取自郫县某农场，剔除杂质后粉碎过60目筛网，于烘箱中进行烘干，选取适量羊粪于坩埚中，压实盖好后放于马弗炉，以15℃·min-1的升温梯度加热至600℃并恒温2h，待产物冷却至室温后以固液比1g每20ml加入1mol/L盐酸，于4000r/min高速离心机中进行3min离心，离心后取底部羊粪生物炭用去离子水进行反复冲洗直至洗液接近中性，于105℃烘箱中烘干至恒重，冷却至室温后过80目筛即得所用羊粪生物炭，最后密封备用。
本实施例提供的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置的工艺流程如下：处理工艺分为进水、曝气﹑沉淀、出水四个阶段，四个阶段为一个周期，一周期共6小时，其中进水和出水分别为30分钟，曝气时间为四小时，静置时间为1小时。各阶段的运行时间可通过反应器实际运行情况进行适当调整。具体地：
进水阶段：生物炭与污水充分混合后，配水经蠕动泵控制恒流通过进水口Ⅰ进入反应区，保证进水、生物炭与活性污泥三者可以快速充分地混合。
曝气阶段：开启增氧泵并通过转子流量计调节适宜的曝气量，同时启动搅拌装置以确保反应过程中活性污泥、污水以及生物炭三者充分混合，保障反应器内各点反应条件一致；曝气阶段，通过转子流量计控制气体流量为1.0±0.1L/min。
静置阶段：前30分钟停止曝气，但不关闭搅拌装置，使反应装置可以在缺氧条件下充分进行反硝化过程，达到最终生物脱氮的目的；后30分钟关闭搅拌装置，确保泥水能够充分分离。
出水阶段：沉淀后的上清液通过反应区侧面设置的排水口Ⅰ排出。
反应装置每个反应周期完成后排水比控制为0.5，污水通过排水口Ⅱ排出。污泥龄为7天，剩余污泥通过排泥口排出。
以下对本实施例提供的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置进行实际应用，设置两个SBR短程硝化-反硝化反应装置，使用的污水为实验室自配的模拟氨氮废水，通过投加葡萄糖、NaHCO3、NH4Cl以及KH2PO4等，使其主要水质指标达到如表1所示的范围。
表1进水水质表NH3-N
| 项目 | COD | NH<sub>3</sub>-N | TN | pH |
| 单位 | mg/L | mg/L | mg/L | - |
| 范围 | 150-200 | 50-70 | 52-72 | 7.2-8.2 |
| 平均值 | 175 | 60 | 66 | 7.7 |
运行参数如下：反应装置A水温30℃，曝气量1L/min，初始pH7.8，投加生物炭为羊粪生物炭，羊粪生物炭于曝气阶段前与配水均匀混合后进入反应区，投加比为1g/L。SBR反应器每天运行2个周期，每个周期包括进水与出水1h、曝气4h以及静置沉淀1h，共计6h，每天在曝气期结束后从出水口取水样进行检测，每天两次，共测三天。反应装置B除了不投加羊粪生物炭外，各反应条件均与反应装置A相同。结果表明，曝气期结束后投加羊粪生物炭的反应装置A出水的NH3-N、NO2 --N，NO3 --N浓度分别为3.1-4.1mg/L、45.9-64.0mg/L、4.1-6.3mg/L，其中NH3-N去除率为93.8％-94.2％，NO2 --N积累率为90.4％-91.8％。而在沉淀期结束后投加羊粪生物炭的反应装置A出水的TN为6.1-7.2mg/L，对应TN去除率为89.1％-90.8％，相比不投加羊粪生物炭的反应装置B，NH3-N去除率提高了约为10％，TN去除率提高约为20％。由此可以看出，本实用新型在满足短程硝化的前提下，在保持了高的NO2 --N积累率的同时实现了对氮素污染物的高效去除。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，其特征在于：所述装置包括反应池本体，所述反应池本体包括反应区(1)以及沿反应区(1)周向设置的水浴加热区(2)，所述反应区(1)内设置有搅拌单元、曝气单元、pH检测单元，反应区(1)顶部和底部分别设置有进水口Ⅰ(3)和排泥口(4)，进水口Ⅰ(3)通过管道与蠕动泵(5)连接，反应区(1)的侧面设置有排水口Ⅰ(6)和排水口Ⅱ(7)；所述水浴加热区(2)内设置有加热单元，水浴加热区(2)的顶部和顶部分别设置有进水口Ⅱ(8)和排水口Ⅲ(9)。
2.根据权利要求1所述的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，其特征在于：所述反应区(1)内投加有羊粪生物炭。
3.根据权利要求1所述的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，其特征在于：所述搅拌单元包括设置于反应池本体外部的电机(10)和与电机(10)连接的控制装置，以及竖直设置于反应区(1)内并与电机(10)输出轴相连接的搅拌桨(11)。
4.根据权利要求1所述的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，其特征在于：所述曝气单元包括设置于反应池本体外部的增氧泵(12)以及设置于反应区(1)内并通过管道与增氧泵(12)连接的曝气头(13)，所述曝气头(13)与增氧泵(12)之间的连接管道上设置有转子流量计(14)，所述曝气头(13)位于反应区(1)的底部。
5.根据权利要求1所述的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，其特征在于：所述pH检测单元包括设置于反应池本体外部的pH计(15)以及设置于反应区(1)内并与pH计(15)连接的pH计探头(16)。
6.根据权利要求5所述的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，其特征在于：所述pH计探头(16)位于反应区(1)的中部。
7.根据权利要求1所述的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，其特征在于：所述加热单元包括设置于反应池本体外部的控温装置(17)以及设置于水浴加热区(2)内并与控温装置(17)连接的恒温加热器(18)。
8.根据权利要求7所述的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，其特征在于：所述恒温加热器(18)位于水浴加热区(2)的中部。
9.根据权利要求1-8任一所述的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，其特征在于：所述反应区(1)的侧面设置有两个排水口Ⅰ(6)。
10.根据权利要求1-8任一所述的生物炭强化脱氮的SBR短程硝化-反硝化装置，其特征在于：所述反应池本体呈圆柱形双层结构，内部为反应区(1)，外部为水浴加热区(2)。
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