申请日2004.05.13
公开(公告)日2005.11.16
IPC分类号C02F3/30
摘要
本发明涉及污水生物化学处理和废水资源化的技术领域，特别涉及一种一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器及操作方法。所述的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。本发明的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器将有机物去除与生物除磷脱氮有机结合，具有独特的构筑物和操作运行方式，具有小型化的特点，并有利于实现磷的回收利用。本发明的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器及操作方法，既可单独用于城市污水的处理达到国家综合排放标准;也可与过滤、反渗透等其它技术组合使用，实现城市污水的再利用。
权利要求书
1.一种一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器，由混合液循环流 动区，固液分离沉淀区，厌氧释磷区和富磷水收集区组成，其特征是：
所述反应器是一个矩形容器，矩形容器内腔固设一筒形容器，筒形 容器侧壁为U形片状，其前后两侧与矩形容器内壁面固接，左右两侧面 及底面与矩形容器内壁面之间有一间隙;筒形容器内腔下部有一隔板， 隔板与矩形容器内壁面接触部分与矩形容器内壁面固接;筒形容器侧壁 上设有厌氧污泥回流口、混合液出流口、沉淀污泥回流口;混合液出流 口位于隔板下方，厌氧污泥回流口和沉淀污泥回流口位于隔板上方;隔 板下方矩形容器内壁面上还设有污水进口，污水进口上连接的管道伸出 于矩形容器的侧壁;
一体的反应器由筒形容器侧壁和隔板分成上中下三层，隔板上方为 上层，是好氧区，其与大气相通，曝气转刷安装在好氧区的上部，其叶片 浸没于污水混合液的深度可调;筒形容器侧壁底面上方与隔板下方为中 间层，是缺氧区，污水进口位于缺氧区，好氧区和缺氧区构成混合液循 环流动区，混合液在此区进行立体循环;筒形容器侧壁与矩形容器内壁 面之间空隙为下层，其围成的空间由厌氧释磷区，固液分离沉淀区和富 磷水收集区组成;厌氧释磷区位于底部，固液分离沉淀区和富磷水收集 区位于筒形容器两侧;在厌氧释磷区一侧，固液分离沉淀区的底部设有 沉淀污泥推进器，在厌氧释磷区另一侧，富磷水收集区的底部设有厌氧 污泥搅拌器;在固液分离沉淀区的上部设有出水口，在富磷水收集区的 上部设有富磷水出口。
2、根据权利要求1所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器， 其特征在于：所述好氧区和缺氧区是连通的。
3、根据权利要求1所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器， 其特征在于：所述厌氧污泥回流口和沉淀污泥回流口分别位于筒形容器的两 侧壁上且位置可调。
4、根据权利要求1所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器， 其特征在于：所述厌氧释磷区还设有第二污水进口，第二污水进口上连接的 管道亦伸出于矩形容器的侧壁。
5、根据权利要求4所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器， 其特征在于：所述污水进口和第二污水进口，可分别单独通过管道与外设水 泵连接或同时通过管道与外设进水泵连接。
6、根据权利要求1所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器， 其特征在于：所述沉淀污泥推进器和厌氧污泥搅拌器，其叶片转轴分别连于 电机，电机为外部电机或潜水电机。
7、根据权利要求1所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器， 其特征在于：所述厌氧污泥回流口、混合液出流口和沉淀污泥回流口是单孔 或复数个列成排的小孔。
8.一种一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器的操作方法，其特征 在于包括以下步骤：
首先根据一定的污泥负荷，利用进水泵，通过污水进口，将污水输 送至缺氧区，然后污水进入好氧区;经过好氧区和缺氧区不断循环，一 部分混合液经筒形容器侧壁上的混合液出流口进入固液分离沉淀区底 部，经沉淀分离，合格水由固液分离沉淀区上部的出水口排放，一部分 污泥经筒形容器侧壁上的沉淀污泥回流口回流至好氧区，一部分污泥浓 缩后经沉淀污泥推进器推动进入厌氧释磷区，释磷后的污泥经过筒形容 器侧壁上的厌氧污泥回流孔回流至混合液循环流动区，进行新一轮的好 氧/缺氧/厌氧循环，富磷水经富磷水收集区上部的富磷水出口收集，经化 学处理后与进水混合，重新进入反应器。
9、如权利要求8所述的操作方法，其特征在于包括以下步骤：
首先根据一定的污泥负荷，利用进水泵，通过第二污水进口，将污 水输送至厌氧释磷区，污水中的有机质被聚磷菌利用，释放磷酸盐到水 中，富磷水经富磷水收集区上部的富磷水出口收集，经化学处理后与进 水混合，进入反应器;释磷后的污泥经过筒形容器侧壁上的厌氧污泥回 流孔回流至混合液循环流动区，依次进入好氧区，缺氧区;经过好氧区 和缺氧区不断循环，一部分混合液经筒形容器侧壁上的混合液出流口进 入固液分离沉淀区底部，经沉淀分离，合格水由固液分离沉淀区上部的 出水口排放，一部分污泥经筒形容器侧壁上的沉淀污泥回流口回流至好 氧区，一部分污泥浓缩后经沉淀污泥推进器推动进入厌氧释磷区，与进 水混合，进行新一轮的好氧/缺氧/厌氧循环。
10、如权利要求8所述的操作方法，其特征在于包括以下步骤：
首先根据一定的污泥负荷，利用进水泵，通过污水进口、第二污水 进口，将污水同时输送至厌氧释磷区和缺氧区，进入厌氧释磷区和缺氧 区的污水分别经过立体循环，完成有机物的去除和除磷脱氮，合格水由 固液分离沉淀区上部的出水口排放，富磷水经富磷水收集区上部的富磷 水出口收集，经化学处理后与进水混合，再进入反应器。
说明书
一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器及操作方法
技术领域
本发明涉及环保技术领域，属于利用生物化学技术处理污水的设备， 特别涉及一种一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器及其操作方法。
背景技术 城市污水经活性污泥法等二级处理后，BOD去除率可达90%以上， 但脱氮率一般仅为20-50%，除磷率为20-30%。出水总氮含量为10-30mg/L， 总磷含量1-5g/L，大大超过了富营养化的临界浓度，所以必须进行除磷脱 氮处理。污水除磷脱氮的技术可分为物理法、化学法和生物法。相对而 言，生物除磷脱氮技术投资少、运行操作简单、无二次污染而被广泛应 用。
污水生物除磷脱氮的基本原理：
生物脱氮过程通过氨化、硝化和反硝化三步骤完成。硝化和反硝化 反应可用下式表示：
硝化反应包括两个步骤：
(1)NH4++1.5O2→NO2-+2H++H2O+亚硝酸菌 (亚硝化反应)
(2)NO2-+0.5O2→NO3-+硝酸菌 (硝化反应)
反硝化反应过程简单的表示如下：
(3)NO3-+3H→0.5N2+H2O+OH-
(4)NO2-+6H→0.5N2+H2O+OH-
生物除磷是利用除磷菌能够在厌氧条件下释放磷，好氧条件下摄取 磷，并将磷以聚合磷的形态储藏在菌体内的特性，形成富磷污泥，以排除 富磷污泥而达到从污水中除磷的目的。目前已经开发出来的生物除磷脱 氮工艺主要有以下几种：A2/O工艺系列、SBR工艺系列和氧化沟工艺系 列等，其中最典型的代表就是A2/O工艺，其他工艺多是从该工艺发展而来.
1.A2/O工艺是70年代在厌氧-缺氧工艺上开发出来的具有同步除磷 脱氮工艺。流程简图见图7.
该工艺在系统上是最简单的同步除磷脱氮工艺，总的水力停留时间小 于其他同类工艺(如Bardenpho工艺);在厌氧(缺氧)、好氧交替运行 的条件下，丝状菌不能大量繁殖，无污泥膨胀之虞，SVI值一般小于100， 利于处理后污水与污泥的分离;运行中在厌氧和缺氧段只需轻缓搅拌， 运行费用低。由于厌氧、缺氧和好氧三个区严格分开，有利于不同微生 物菌群的繁殖生长，因此脱氯除磷效果较好。A2/O系列工艺还有 Bardenpho、UCT、VIP等，为了解决回流污泥中过多的硝酸盐对厌氧放 磷的影响，强化生物除磷(EBPR)，还派生出改良UCT(MUCT)，改良A2 /O等工艺。
2.氧化沟系列
氧化沟工艺是五十年代初期发展起来的一种污水处理工艺形式，因 其构造简单，工作稳定可靠，易于维护管理，很快得到广泛的应用。到 目前为止，氧化沟工艺已发展成为多种形式，使用较为广泛的主要有： 卡鲁塞尔(CarrouseI)氧化沟、奥贝尔(Orbal)氧化沟、交替式氧化沟和一 体化氧化沟。氧化沟工艺是通过曝气系统在反应器实现空间上的厌氧/缺 氧/好氧环境，为除磷脱氮创造条件。
3.SBR系列
传统的SBR是一个间歇式的活性污泥系统，曝气池与沉淀池合二 为一。SBR工艺的一个完整的操作过程，亦即每个间歇反应器在处理 废水时的操作过程包括如下五个阶段：①进水期(或充水期)②反应期; ③沉淀期④排水排泥期⑤闲置期。除磷脱氮SBR工艺是通过曝气控制 系统在反应器内实现时间上的好氧、缺氧及厌氧环境，为聚磷菌有效释 磷和聚磷过程创造条件从而达到除磷脱氮的目的。
在上述三个系列工艺中，从处理效果看，均可满足处理要求。但每 种工艺均具有一定的局限性。A2/O除磷脱氮工艺流程长，工艺复杂，设 备构筑物多，占地面积大，能耗高，一般只适用于具有较高运行管理水 平的大型污水厂。而我国地域广阔，存在许多中小城镇，需要建设更多 的运行稳定，操作简单，投资低的中小型污水处理厂。氧化沟工艺构造 简单，其主要缺点是占地面积大。因此，在土地资源紧缺的国家或地区 使用受到制约。而且缺氧区与大气接触，存在复氧现象，导致反硝化效 率低。SBR工艺要求较高的自动化管理水平，操作复杂。此外，目前的 生物除磷都是通过排放吸附了磷的剩余污泥完成的，因此，除磷效果受 污泥龄的影响较大。若要获得较高的除磷效率，则需要大量排放剩余污 泥，即短污泥龄操作;但是，在短污泥龄情况下，硝化菌等世代繁殖时 间长的微生物则难以繁殖，导致脱氮的效率将降低。因此，在目前应用 的生物脱氮除磷工艺运行中经常出现脱氮效果好而除磷效果差，除磷效 果好而脱氮效果差的情况，很难出现脱氮和除磷效果均好的情况。
针对现有工艺存在问题，本发明旨在开发一种一体化的立体循环污 水生物除磷脱氮反应器，该反应器能够合理有效的利用空间，形成相对 独立的缺氧区、好氧区和厌氧区，除磷是通过排除高含磷水的方式完成， 排除了污泥龄对除磷效果的影响，脱氮除磷互不影响，可实现脱氮除磷 均佳的状况。此外，由于设备是一体化和立体循环，在除磷脱氮的同时 实现装置小型化和定型化，从而有效节省占地面积，降低运行费用和工 程投资。
发明内容
本发明的目的在于开发一种流态方式上全新、占地面积小、节省能 耗的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器。该反应器适合于小型化、 商品化和定型化。
本发明的另一目的在于提供一个适于一体化立体循环污水生物除磷 脱氮反应器的操作方法。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种一体化立体循 环污水生物除磷脱氮反应器，由混合液循环流动区，固液分离沉淀区，厌 氧释磷区和富磷水收集区组成，其所述反应器是一个矩形容器，矩形容 器内腔固设一筒形容器，筒形容器侧壁为U形片状，其前后两侧与矩形 容器内壁面固接，左右两侧面及底部侧面与矩形容器内壁面之间有一间 隙;筒形容器内腔下部有一隔板，隔板与矩形容器内壁面接触部分与矩 形容器内壁面固接;筒形容器侧壁上设有厌氧污泥回流口、混合液出流 口、沉淀污泥回流口;混合液出流口位于隔板下方，厌氧污泥回流口和 沉淀污泥回流口位于隔板上方;隔板下方矩形容器内壁面上还设有污水 进口，污水进口上连接的管道伸出于矩形容器的侧壁;
一体的反应器由筒形容器侧壁和隔板分成上中下三层，隔板上方为 上层，是好氧区，其与大气相通，曝气转刷安装在好氧区的上部，其叶片 浸没于污水混合液的深度可调;筒形容器侧壁底面上方与隔板下方为中 间层，是缺氧区，污水进口位于缺氧区，好氧区和缺氧区构成混合液循 环流动区，混合液在此区进行立体循环;筒形容器侧壁与矩形容器内壁 面之间空隙为下层，其围成的空间由厌氧释磷区，固液分离沉淀区和富 磷水收集区组成;厌氧释磷区位于底部，固液分离沉淀区和富磷水收集 区位于筒形容器两侧;在厌氧释磷区一侧，固液分离沉淀区的底部设有 沉淀污泥推进器，在厌氧释磷区另一侧，富磷水收集区的底部设有厌氧 污泥搅拌器;在固液分离沉淀区的上部设有出水口，在富磷水收集区的 上部设有富磷水出口。
所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器，其所述好氧区和 缺氧区是连通的。
所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器，其所述厌氧污泥 回流口和沉淀污泥回流口分别位于筒形容器的两侧壁上，且位置可调。
所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器，其所述厌氧释磷 区还设有第二污水进口，第二污水进口上连接的管道亦伸出于矩形容器 的侧壁。
所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器，其所述污水进口， 通过管道与外设进水泵连接。
所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器，其所述第二污 水进口，通过管道与外设进水泵连接。
所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器，其所述污水进口 和第二污水进口，同时通过管道与外设进水泵连接。
所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器，其所述沉淀污泥 推进器和厌氧污泥搅拌器，其叶片转轴分别连于电机，电机为外部电机 或潜水电机。
所述的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器，其所述厌氧污泥 回流口、混合液出流口和沉淀污泥回流口是单孔或复数个列成排的小孔。
本发明的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器为除磷脱氮微生 物的稳定生长提供一个适宜的栖息地，从而有效提高除磷脱氮的效果。
本发明的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器及其操作方法， 既可单独用于城市生活污水或与城市污水类似的工业废水的处理;也可 与过滤、反渗透等工艺结合，实现污水的综合利用。
所述的污泥回流的作用是维持微生物经历好氧/缺氧/厌氧环境的一种 措施。
本发明的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器的操作方法有三 种：
第一种操作方法是：首先根据一定的污泥负荷，利用进水泵，通过 污水进口14，将污水输送至缺氧区13，然后污水进入好氧区10;经过 好氧区10和缺氧区13不断循环，一部分混合液经筒形容器侧壁11上的 出流口16进入固液分离沉淀区3底部，经沉淀分离，合格水由固液分离 沉淀区上部的出水口2排放，一部分污泥经筒形容器侧壁11上的回流口 17回流至好氧区10，一部分污泥浓缩后经沉淀污泥推进器4推动进入厌 氧释磷区5，释磷后的污泥经过筒形容器侧壁11上的回流孔9回流至好 氧区10，进行新一轮的好氧/缺氧/厌氧循环，富磷水经富磷水收集区7 上部的出口8收集，经化学处理后与进水混合，重新进入反应器。
或第二种操作方法是：首先根据一定的污泥负荷，利用进水泵，通 过第二污水进口15，将污水输送至厌氧释磷区5，污水中的有机质被聚 磷菌利用，释放磷酸盐到水中，富磷水经富磷水收集区7上部的出口8 收集，经化学处理后与进水混合，进入反应器。释磷后的污泥经过筒形 容器侧壁11上的回流孔9回流至好氧区，之后进入缺氧区13，经过好氧 区和缺氧区不断循环，一部分混合液经筒形容器侧壁11上的出流口16 进入固液分离沉淀区3底部，经沉淀分离，合格水由固液分离沉淀区3 上部的出水口2排放，一部分污泥经筒形容器侧壁11上的回流口17回 流至好氧区10，一部分污泥浓缩后经沉淀污泥推进器4推动进入厌氧释 磷区5，与进水混合，进行新一轮的好氧/缺氧/厌氧循环。
或第三种操作方法是：首先根据一定的污泥负荷，利用进水泵，通 过污水进口14，15，将污水同时输送至厌氧释磷区5和缺氧区13，进入 厌氧释磷区5和缺氧区13的污水分别经过第一种操作方法和第二种操作 方法中所述的循环，完成有机物的去除和除磷脱氮，合格水由固液分离 沉淀区3上部的出水口2排放，富磷水经富磷水收集区7上部的出口8 收集，经化学处理后与进水混合，再进入反应器。
本发明的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器及其操作方法可 有效脱出生活污水中的氮磷，去除有机污染物，同时大大减少占地面积 并减少电耗，从而降低污水处理厂工程投资和运行费用。
本发明的一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器及其操作方法可 应用于城市污水处理和工业污水处理。
本发明的设备及其操作方法具有如下优点：
1.系统结构紧凑，构造简洁，运行操作与维护十分简单，人工要求少， 易于实现自动化控制。
2.一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器可在一个反应器内形成 独立的好氧区、缺氧区和厌氧区，并能实现固液分离和富磷水的收集， 有效节省了占地面积。
3.一体化立体循环污水生物除磷脱氮反应器分上、中、下三层结构， 上层为好氧区，混合液是好氧状态，可有效地降解有机物并将氨氮氧化 为硝态氮(硝酸盐氮和亚硝酸盐氮);中间为缺氧区，混合液呈缺氧状态， 在反硝化菌的作用下将硝态氮还原为氮气而从水中去除。反硝化以有机 物为碳源，因此可同时将部分有机物去除;下层为厌氧区，聚磷菌能够 在此有效释磷，从而保证了其有效吸磷。由于缺氧区和厌氧区不与大气接 触，有效避免了大气复氧对缺氧环境和厌氧环境的影响，促进了缺氧区 和厌氧区的形成，反硝化效率高，有效的降低了因反硝化不完全导致的 硝酸盐氮对厌氧释磷的影响。因而可提高污水除磷脱氮效果，降低工程 投资和运行费用。
4.本发明中固液沉淀分离器和富磷水收集区分别安装在混合液循环 流动区的两端，对混合液的循环流动没有任何影响。在适当高度设置污 泥回流口，借助混合液循环流动区内混合液循环流动产生的流体力学特 性使厌氧污泥和沉淀污泥自动回流到好氧区内，污泥回流方式独特，泥 水分离效果好，实现污泥回流的无动力消耗，大大节省了动力消耗，从 而进一步降低了运行费用。
5.通过缺氧、厌氧和好氧的循环，可有效提高污泥沉降和脱水性能。
6.本发明的除磷是通过释磷和排除高含磷水实现，因此不受污泥龄的 影响，高含磷水易于通过化学法回收磷。