申请日2017.10.20
公开(公告)日2018.04.17
IPC分类号C02F3/28; C02F101/16
摘要
本发明公开了一种颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器及方法。反应器主体呈圆筒状，从下到上依次设布水混合区、颗粒污泥区、生物填料区和分离沉淀区。布水混合区设进水管、旋流布水器、下回流管和排泥管。颗粒污泥区设污泥床、泥面控制管、导流板。生物填料区设汇集罩、排泥口、生物填料筒、网状孔板、环状循环缝和分流室。分离沉淀区设三相分离器、导气管、沉淀室、上回流管、环形溢流室和出水管。本发明反应器采用颗粒污泥区和生物填料区串联，将颗粒污泥和生物膜集于一体，结构衔接得当，功能分区合理，有利于积累功能菌，增强反应器抗负荷冲击能力，实现高氨氮废水深度处理。
权利要求书
1.一种颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器，其特征在于：反应器主体呈圆筒状，从下到上依次设布水混合区I、颗粒污泥区II、生物填料区III和分离沉淀区IV;布水混合区I设进水管(1)、旋流布水器(2)、下回流管(3)、排泥管(4);颗粒污泥区II设污泥床(5)、泥面控制管(6)、导流板(7);生物填料区III设汇集罩(8)、排泥口(9)、生物填料筒(10)、网状孔板(11)、环状循环缝(12)和分流室(13);分离沉淀区IV设三相分离器(14)、导气管(15)、沉淀室(16)、上回流管(17)、环形溢流室(18)和出水管(19);
所述的布水混合区I中，进水管(1)穿过反应器主体的侧壁，伸入反应器主体中央，尾端垂直向下，接入旋流布水器(2);下回流管(3)从进水管对面穿过反应器主体的侧壁，伸入反应器主体中央，尾端垂直向下，出口位于旋流布水器(2)上面;旋流布水器(2)位于反应器主体底部，呈圆锥状，表面由若干薄片叠加环绕排列而成;在旋流布水器(2)和反应器主体底板之间设排泥管(4)的进泥口;
所述的颗粒污泥区II中，污泥床(5)内充填厌氧氨氧化颗粒污泥;泥面控制管(6)设于反应器主体的侧壁上，位于污泥床(5)中部，用于控制污泥床(5)的高度;导流板(7)呈三棱柱状，环绕固定于反应器主体的内壁上，位于颗粒污泥区II顶部;
所述的生物填料区III中，汇集罩(8)上沿与生物填料筒(10)下沿相连，用于接纳颗粒污泥区II向上输送的混合液;排泥口(9)设于反应器主体的侧壁上，位于汇集罩(8)侧方，用于排掉汇集罩(8)斜面累积的污泥;生物填料筒(10)上下两端均设网状孔板(11)，内充填料;环状循环缝(12)位于反应器主体圆筒与生物填料筒(10)之间，用于混合液降流;分流室(13)介于生物填料筒(10)和分离沉淀区IV之间，使一部分混合液向上输送到分离沉淀区IV，而另一部分混合液向侧输送到环状循环缝(12);
所述的反应器分离沉淀区IV中，三相分离器(14)呈倒漏斗状，位于分离沉淀区IV中央;导气管(15)与三相分离器(14)上端相连，导气管(15)延伸出反应器顶部;沉淀室(16)位于反应器主体圆筒与导气管(15)之间，用于混合液污泥的沉降;上回流管(17)位于分离沉淀区IV高度的中间，设于反应器主体的侧壁上，用于混合液的回流;环形溢流室(18)环绕设于沉淀室(16)外围，溢流缝设于环形溢流室(18)底面的反应器主体交接的侧壁上，用于由反应器内部向环形溢流室(18)中溢液;出水管(19)设于环形溢流室(18)侧壁上，用于反应器排水。
2.根据权利要求1所述的颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器，其特征在于：反应器直径与总高度的比例为1:15～20，布水混合区I、颗粒污泥区II、生物填料区III和分离沉淀区IV的容积占反应器总容积的比例分别为1/9、4/9、2/9、2/9，反应器中各区的直径相同。
3.根据权利要求1所述的颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器，其特征在于：旋流布水器(2)的圆锥斜面与水平面的夹角为15°～20°，汇集罩(8)侧壁斜面与水平面的夹角α为45°～50°，三相分离器(14)斜面与水平面的夹角β为45°～50°，环形溢流室(18)底面与水平面的倾角γ为5～10°。
4.根据权利要求1所述的颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器，其特征在于：导流板(7)距离污泥床(5)上部5cm。
5.根据权利要求1所述的颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器，其特征在于：所述三棱柱的截面为等边三角形。
6.根据权利要求1所述的颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器，其特征在于：所述的汇集罩(8)下沿与生物填料筒(10)的直径之比为3:2;生物填料筒(10)与反应器主体的直径之比为3:5，所述网状孔板(11)的孔径为5mm;生物填料筒(10)中填充PVC空心柱状填料，填料尺寸为比表面积大于500m2/m3，空隙率大于85%。
7.根据权利要求1所述的颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器，其特征在于：所述的三相分离器(14)下沿与反应器主体圆筒的直径之比为9:10，导气管(15)内径为1～3cm，溢流缝宽度为1cm;环形溢流室(18)外径与反应器主体圆筒的直径之比为2:1。
8.一种利用如权利要求1所述反应器的厌氧氨氧化深度脱氮方法，其特征在于，步骤如下：
将含氨氮的废水与亚硝氮配比后由进水管(1)流入，经旋流布水器(2)向上进入反应器，与通过下回流口(3)的回流液混合后进入颗粒污泥反应区Ⅱ的颗粒污泥床层(5)发生厌氧氨氧化反应;上升的水流和反应生成的气体，夹带着颗粒污泥床层(5)中的絮体污泥，在导流板(7)的作用下，经过汇集罩(8)进入生物填料区III的内套筒(10)，其中生物填料上附着形成生物膜，在内套筒(10)内部气升作用的带动下，反应液与生物膜上功能菌接触发生厌氧氨氧化反应从而去除含氮污染物，同时外部水流通过环状循环缝(12)形成自循环;反应后的混合液从内套筒(10)顶部排出，通过分流室(13)进入分离沉淀区IV，经过三相分离器(14)的分离作用，气体经由导气管(15)从反应器顶部排出，污泥折回到环状循环缝(12)，液体通过沉淀室(16)，部分经上回流口(17)回流至反应器底部，部分进入环形溢流室(18)后，从出水管(19)排出。
9.如权利要求8所述的厌氧氨氧化深度脱氮方法，其特征在于，污泥床(5)中的空床流速为3～8m/h。
说明书
颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器及方法
技术领域
本发明涉及厌氧氨氧化反应器，尤其涉及颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器及方法。
背景技术
人类的活动严重干扰了自然界的氮素循环，导致我国湖泊、河流以及近海等水体氮素污染加剧，造成自然环境质量的下降，并且已经严重威胁到人类及其它生物的生存发展。2015年全国废水排放总量735.3亿吨，废水中氨氮排放量229.9万吨。废水生物法脱氮凭借经济绿色的优势而成为废水氮素污染控制的重要手段。
厌氧氨氧化脱氮是一种新型生物脱氮技术，利用氨和亚硝酸盐进行生化反应，产物为氮气。厌氧氨氧化工艺较传统硝化反硝化工艺来说，具有无需添加有机物、可节约曝气能耗和污泥产量小的优势。目前厌氧氨氧化工艺已成功用于处理垃圾渗滤液、味精废水、猪场废水、污泥消化液等高氨氮废水，效果显著。
在厌氧氨氧化反应器的研究与应用中发现，反应器存在一些值得改进的不足之处。在高浓度氨氮条件下，一方面厌氧氨氧化菌体易受基质抑制，大大降低反应器的去除负荷;另一方面反应器具有一定的处理限度，出水氨氮浓度依旧较高，并不能直接满足相关排放标准，仍需后续工艺补充处理。为此，本发明设计了颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器，采用颗粒污泥区和生物填料区串联，颗粒污泥和生物膜集于一体，兼有活性污泥和生物膜的优点。两个反应区结构衔接得当，功能分区合理，有利于增强反应器的耐受负荷，实现高氨氮废水的深度处理。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，研发颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器。具体技术方案如下：
颗粒污泥和生物填料协同强化的厌氧氨氧化深度脱氮反应器，反应器主体呈圆筒状，从下到上依次设布水混合区I、颗粒污泥区II、生物填料区III和分离沉淀区IV;布水混合区I设进水管、旋流布水器、下回流管、排泥管;颗粒污泥区II设污泥床、泥面控制管、导流板;生物填料区III设汇集罩、排泥口、生物填料筒、网状孔板、环状循环缝和分流室;分离沉淀区IV设三相分离器、导气管、沉淀室、上回流管、环形溢流室和出水管;
所述的布水混合区I中，进水管穿过反应器主体的侧壁，伸入反应器主体中央，尾端垂直向下，接入旋流布水器;下回流管从进水管对面穿过反应器主体的侧壁，伸入反应器主体中央，尾端垂直向下，出口位于旋流布水器上面;旋流布水器位于反应器主体底部，呈圆锥状，表面由若干薄片叠加环绕排列而成;在旋流布水器和反应器主体底板之间设排泥管的进泥口;
所述的颗粒污泥区II中，污泥床内充填厌氧氨氧化颗粒污泥;泥面控制管设于反应器主体的侧壁上，位于污泥床中部，用于控制污泥床的高度;导流板呈三棱柱状，环绕固定于反应器主体的内壁上，位于颗粒污泥区II顶部;
所述的生物填料区III中，汇集罩上沿与生物填料筒下沿相连，用于接纳颗粒污泥区II向上输送的混合液;排泥口设于反应器主体的侧壁上，位于汇集罩侧方，用于排掉汇集罩斜面累积的污泥;生物填料筒上下两端均设网状孔板，内充填料;环状循环缝位于反应器主体圆筒与生物填料筒之间，用于混合液降流;分流室介于生物填料筒和分离沉淀区IV之间，使一部分混合液向上输送到分离沉淀区IV，而另一部分混合液向侧输送到环状循环缝;
所述的反应器分离沉淀区IV中，三相分离器呈倒漏斗状，位于分离沉淀区IV中央;导气管与三相分离器上端相连，导气管延伸出反应器顶部;沉淀室位于反应器主体圆筒与导气管之间，用于混合液污泥的沉降;上回流管位于分离沉淀区IV高度的中间，设于反应器主体的侧壁上，用于混合液的回流;环形溢流室环绕设于沉淀室外围，溢流缝设于环形溢流室底面的反应器主体交接的侧壁上，用于由反应器内部向环形溢流室中溢液;出水管设于环形溢流室侧壁上，用于反应器排水。
作为一种优选实现方式，反应器直径与总高度的比例为1:15～20，布水混合区I、颗粒污泥区II、生物填料区III和分离沉淀区IV的容积占反应器总容积的比例分别为1/9、4/9、2/9、2/9，反应器中各区的直径相同。
作为一种优选实现方式，旋流布水器的圆锥斜面与水平面的夹角为15°～20°，汇集罩侧壁斜面与水平面的夹角α为45°～50°，三相分离器斜面与水平面的夹角β为45°～50°，环形溢流室底面与水平面的倾角γ为5～10°。
作为一种优选实现方式，导流板距离污泥床上部5cm。
作为一种优选实现方式，所述三棱柱的截面为等边三角形。
作为一种优选实现方式，所述的汇集罩下沿与生物填料筒的直径之比为3:2;生物填料筒与反应器主体的直径之比为3:5，所述网状孔板的孔径为5mm;生物填料筒中填充PVC空心柱状填料，填料尺寸为比表面积大于500m2/m3，空隙率大于85%。
作为一种优选实现方式，所述的三相分离器下沿与反应器主体圆筒的直径之比为9:10，导气管内径为1～3cm，溢流缝宽度为1cm;环形溢流室外径与反应器主体圆筒的直径之比为2:1。
本发明的另一目的在于提供一种利用所述反应器的厌氧氨氧化深度脱氮方法，其步骤如下：
将含氨氮的废水与亚硝氮配比后由进水管流入，经旋流布水器向上进入反应器，与通过下回流口的回流液混合后进入颗粒污泥反应区Ⅱ的颗粒污泥床层发生厌氧氨氧化反应;上升的水流和反应生成的气体，夹带着颗粒污泥床层中的絮体污泥，在导流板的作用下，经过汇集罩进入生物填料区III的内套筒，其中生物填料上附着形成生物膜，在内套筒内部气升作用的带动下，反应液与生物膜上功能菌接触发生厌氧氨氧化反应从而去除含氮污染物，同时外部水流通过环状循环缝形成自循环;反应后的混合液从内套筒顶部排出，通过分流室进入分离沉淀区IV，经过三相分离器的分离作用，气体经由导气管从反应器顶部排出，污泥折回到环状循环缝，液体通过沉淀室，部分经上回流口回流至反应器底部，部分进入环形溢流室后，从出水管排出。
作为一种优选实现方式，污泥床中的空床流速为3～8m/h。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1)采用颗粒污泥区和生物填料区串联，颗粒污泥和生物膜集于一体，兼有活性污泥和生物膜的优点，有利于实现高氨氮废水的深度处理;2)结构衔接得当。采用高上升流速，有利于冲洗出颗粒污泥床中的絮体污泥被生物填料区截留，同时颗粒污泥床产生的气体进入生物填料区起到自搅拌作用，有利于生物膜的形成;3)功能分区明显。颗粒污泥区位于反应器底部，接触高基质浓度，有利于培育快生型菌种，生物填料区位于反应器上部，接触低基质浓度，有利于培育高亲和力菌种;4)采用较大回流比和高径比，有利于减轻高浓度基质抑制作用和增强反应器的耐受负荷。