申请日2018.04.12
公开(公告)日2018.10.09
IPC分类号C02F3/12; C02F3/30; C02F101/16
摘要
一种脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器，曝气器系统安装在罐体内部，曝气器系统上方是硝化区，曝气器系统下方是反硝化区，反硝化区下方至罐底的空间为布水混合区;气水分离器安装在罐体顶部，上回流管一端连接在气水分离器底部，上回流管另一端位于硝化区并安装有多个上回流喷头;下回流管一端连接在气水分离器底部，下回流管另一端接至第一十字管，第一十字管上安装有多个下回流喷头。本发明水力与传质的合理设计，使反应器在曝气工况下产生的密度压力差形成气提动能，再利用位差和压力差使流体下泄喷出形成旋混，提高流体速度，增强水力剪切力，提高空气在水中的路径和停留时间，提高氧的利用率，可利用絮状污泥启动以形成好氧颗粒污泥。
权利要求书
1.一种脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器，其特征在于，包括罐体、曝气系统、进水管、气水分离器、上回流管、上回流喷头、下回流管、第一十字管、下回流喷头、集气罩、集气管、滗水器、排水管、外循环管、外循环泵、管道射流器、第二十字管、内导流板、中导流板以及生物绳填料层;
曝气器系统安装在罐体内部，曝气器系统上方是硝化区，曝气器系统下方是反硝化区，反硝化区下方至罐底的空间为布水混合区;
气水分离器安装在罐体顶部，上回流管一端连接在气水分离器底部，上回流管另一端位于硝化区并安装有多个上回流喷头;下回流管一端连接在气水分离器底部，下回流管另一端接至第一十字管，第一十字管上安装有多个下回流喷头;
集气罩安装在曝气器系统上方，集气管下端连接在集气罩的锥顶，集气管上端通过水平管连接进入气水分离器;
外循环管一端安装在罐体内硝化区的集气罩上方，外循环管另一端依次经过外循环泵和管道射流器后，通过三通管一路连接至第二十字管，另一路连接排泥管，第二十字管上安装有多个外循环进水喷头;
所述内导流板和中导流板均为与罐体同圆心的圆弧型，内导流板和中导流板将布水混合区从罐体中心向外依次划分内旋混区、中旋混区和外旋混区;
进水管安装在罐体布水混合区;滗水器安装在罐体内的顶端，并通过排水管连接至罐体外;
所述生物绳填料层安装在反硝化区的曝气系统与布水混合区之间。
2.如权利要求1所述的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器，其特征在于，还包括集气管控制阀、下回流管控制阀、上回流管控制阀、排水阀、曝气控制阀、循环控制阀、排泥阀、管道射流器进水阀、管道射流器出水阀、进水管控制阀、反硝化区溶解氧探头、硝化区溶解氧探头和控制系统;
集气管控制阀安装在集气管上，下回流管控制阀安装在下回流管上，上回流管控制阀安装在上回流管上，排水阀安装在排水管上，曝气控制阀安装在曝气系统上，循环控制阀安装在外循环管上，排泥阀安装在排泥管上，管道射流器进水阀安装在管道射流器进口上，管道射流器出水阀安装在管道射流器出口上，进水管控制阀安装在进水管上，反硝化区溶解氧探头安装在反硝化区，硝化区溶解氧探头安装在硝化区。
3.如权利要求2所述的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器，其特征在于，还包括控制系统，外循环泵系统、集气管控制阀、下回流管控制阀、上回流管控制阀、排水阀、曝气控制阀、循环控制阀、排泥阀、管道射流器进水阀、管道射流器出水阀、进水管控制阀、反硝化区溶解氧探头、硝化区溶解氧探头均与控制系统连接实现自动控制工作。
4.如权利要求1～3任意一项所述的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器，其特征在于，所述进水管的射流方向、多个上回流喷头的射流方向、多个下回流喷头的射流方向以及多个外循环进水喷头的射流方向均相同且均沿罐体横截面的割线方向;所述集气管上端水平管的射流方向沿气水分离器横截面的割线方向。
5.如权利要求1～3任意一项所述的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器，其特征在于，第一十字管的各个管臂处于内旋混区、中旋混区和外旋混区的部分分别设置下回流喷头;第二十字管的各个管臂处于内旋混区、中旋混区和外旋混区的部分分别设置外循环进水喷头。
6.如权利要求1～3任意一项所述的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器，其特征在于，所述曝气系统为膜片曝气器或旋混曝气器或曝气管的任一种;滗水器为浮筒式滗水器或其它可升降的滗水器;气水分离器底部为小径端在下的锥形。
7.如权利要求1～3任意一项所述的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器，其特征在于，所述内导流板和中导流板的数量均≥2片，每片所述内导流板和中导流板的弧长均≤1/4圆周，各个内导流板均匀分布在圆周上，各个中导流板也均匀分布在圆周上，内导流板和中导流板交错布置;第一十字管与第二十字管交叉布置，内导流板置于罐底，中导流板通过支撑脚固定在罐底。
8.如权利要求1～3任意一项所述的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器，其特征在于，所述生物绳填料层由上下两层支架固定，每层支架由生物绳填料直支架、生物绳填料同心圆支架构成蜘蛛网状结构，生物绳填料固定于生物绳填料同心圆支架上。
9.如权利要求1～3任意一项所述的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器的工作方法，其特征在于，
运行时，系统分为进水、曝气、沉淀、排水四个阶段，序批式周而复始工作;
(1)进水阶段原水由进水管经进水管控制阀进入布水混合区;启动外循环泵系统，循环控制阀、管道射流器进水阀、管道射流器出水阀开启，循环水与空气从布水混合区的外循环进水喷头进入，被内导流板、中导流板和罐体的罐壁切向导流形成旋转并与进水混合，逐步经反硝化区上升至硝化区，达到设定水位后完成进水工作，外循环泵停止;
(2)启动曝气系统，气、液、固混合物在集气罩的内、外形成密度差，被提升到灌顶的气水分离器，一部分气、液、固混合物通过上回流管回流到集气罩外部，由上回流喷头射出，并形成旋转混合下沉进入集气罩后再次被提升形成上部循环;另一部分气、液、固混合物通过下回流管回流到罐体底部由下回流喷头射出，被内导流板、中导流板和罐体的筒壁切向导流形成旋转混合并上升，经过生物绳填料层后进入集气罩，再次被提升形成大循环;控制系统可根据反硝化区溶解氧探头与硝化区溶解氧探头反馈数据调节曝气系统与外循环泵系统进行交替模式运行，达到设定时间或达到处理水质要求后，曝气阶段完成;
(3)进入沉淀阶段、排水阶段，滗水器随着沉淀进行可同时排水，达到设定排水位即完成一个周期，可再次进入进水阶段序批式循环工作。
10.如权利要求1～3任意一项所述的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器的工作方法，其特征在于，曝气系统根据硝化区溶解氧探头与反硝化区溶解氧探头反馈数据间歇工作或连续工作，硝化区溶解氧控制0.8-2.0mg/L，反硝化区溶解氧控制0.5-0.8mg/L，下回流管控制阀调节气水分离器的回流量20-70%进入反硝化区的布水混合区，上回流管控制阀调节气水分离器的回流量为30-80%进入硝化区的上回流喷头射出。
说明书
一种脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器及其工作方法
技术领域
本发明涉及一种生物脱氮好氧颗粒污泥反应器，属于生物脱氮好氧颗粒污泥技术领域，具体是一种脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器(Denitrification aerobic granularsludge sequence batch reactor，DAGS-SBR反应器)。
技术背景
好氧颗粒污泥(Aerobic Granular Sludge，AGS)是通过微生物自凝聚作用形成的颗粒状活性污泥，与普通活性污泥相比，它具有不易发生污泥膨胀、抗冲击能力强、能承受高有机负荷，集不同性质的微生物(好氧、兼氧和厌氧微生物)于一体等特点。微生物的自凝聚过程是一个复杂的物理、化学和生物过程，其颗粒化受多种环境因素影响，为微生物的自凝聚提供合适的水力剪切力通常采用高径比大的反应器以及较大的曝气量，反应器太高又造成曝气的能耗增加，这制约了好氧颗粒污泥(AGS)技术在实际工程的应用。
序批式工艺采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。污染物的降解在时间上是一个推流过程，而微生物则处于好氧、缺氧、厌氧周期性变化之中，从而达到对污染物去除作用，同时还具有脱氮、除磷功能。它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，序批式工艺集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一体，无污泥回流系统。其工作过程可分为曝气、沉淀、滗水、闲置四个阶段，周期循环进行。
传统的生物脱氮工艺为一个完整生物脱氮过程，包括氨化作用，硝化作用和反硝化作用构成，是好氧硝化过程与缺氧反硝化相继或交替完成，由氨化菌的作用将有机氮氧化分解为NH4+-N;然后由自养型硝化细菌将NH4+-N氧化成NO2--N和NO3--N;接着NO2--N和NO3--N在反硝化细菌的作用下还原为N2或其它氮氧化物，最后N2释放到大气中，从而达到脱氮的目的。在全程硝化过程中，耗氧当量为2.86g O2/gNO3-N，为满足完全硝化反应所需的曝气，其过程大大增加了污水处理过程的整体能耗和运行费用。
国内外研究短程硝化反硝化工艺较多，其原理是利用氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌氮素转化的差异性，将氨氮氧化控制在NO2-N阶段，省去了传统生物脱氮中由亚硝酸盐氧化成硝酸盐，再还原成亚硝酸盐，短程硝化反硝化工艺耗氧当量为1.71gO2/gNO3-N，大幅度降低了污水处理过程的整体能耗和运行费用。但是工程化应用鲜有实例，形成一体化装备应用的更少。
目前，传统序批式生物好氧工艺有CASS和SBR工艺，多为砼结构的池体，池体深度一般小于8米，占地面积大，氧的利用率低，供氧能耗较高，絮状泥运行，工艺系统无法提供形成好氧颗粒污泥(AGS)所需要的水力剪切力，容易造成负荷冲击，碳源不足，污泥膨胀等问题。因此，在现行序批式生物好氧工艺上，结合鼓风机的曝气工况，通过水力与传质的合理设计，提高水力剪切力和溶解氧利用率，合理设置生物填料与功能分区，提高反应器生物总量，增强反应器硝化与反硝化同步功能区，利用絮状污泥启动并快速形成好氧颗粒污泥，发明具有脱氮功能的好氧颗粒污泥序批式运行生物反应器是必要的。
发明内容
本发明针对传统序批式生物好氧工艺及装备的不足，提供一种生物脱氮好氧颗粒污泥序批式工作的反应器，通过水力与传质的合理设计，合理设置生物填料和硝化与反硝化的功能分区，提高反应器生物总量，增强反应器硝化与反硝化同步功能区，提高水力剪切力和溶解氧利用率，可利用絮状污泥启动以形成好氧颗粒污泥，实现具有脱氮功能的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器的一体化装备。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器，包括罐体、曝气系统、进水管、气水分离器、上回流管、上回流喷头、下回流管、第一十字管、下回流喷头、集气罩、集气管、滗水器、排水管、外循环管、外循环泵、管道射流器、第二十字管、内导流板、中导流板以及生物绳填料层;
曝气器系统安装在罐体内部，曝气器系统上方是硝化区，曝气器系统下方是反硝化区，反硝化区下方至罐底的空间为布水混合区;
气水分离器安装在罐体顶部，上回流管一端连接在气水分离器底部，上回流管另一端位于硝化区并安装有多个上回流喷头;下回流管一端连接在气水分离器底部，下回流管另一端接至第一十字管，第一十字管上安装有多个下回流喷头;
集气罩安装在曝气器系统上方，集气管下端连接在集气罩的锥顶，集气管上端通过水平管连接进入气水分离器;
外循环管一端安装在罐体内硝化区的集气罩上方，外循环管另一端依次经过外循环泵和管道射流器后，通过三通管一路连接至第二十字管，另一路连接排泥管，第二十字管上安装有多个外循环进水喷头;
所述内导流板和中导流板均为与罐体同圆心的圆弧型，内导流板和中导流板将布水混合区从罐体中心向外依次划分内旋混区、中旋混区和外旋混区;
进水管安装在罐体布水混合区;滗水器安装在罐体内的顶端，并通过排水管连接至罐体外;
所述生物绳填料层安装在反硝化区的曝气系统与布水混合区之间。
进一步的，还包括集气管控制阀、下回流管控制阀、上回流管控制阀、排水阀、曝气控制阀、循环控制阀、排泥阀、管道射流器进水阀、管道射流器出水阀、进水管控制阀、反硝化区溶解氧探头、硝化区溶解氧探头和控制系统;
集气管控制阀安装在集气管上，下回流管控制阀安装在下回流管上，上回流管控制阀安装在上回流管上，排水阀安装在排水管上，曝气控制阀安装在曝气系统上，循环控制阀安装在外循环管上，排泥阀安装在排泥管上，管道射流器进水阀安装在管道射流器进口上，管道射流器出水阀安装在管道射流器出口上，进水管控制阀安装在进水管上，反硝化区溶解氧探头安装在反硝化区，硝化区溶解氧探头安装在硝化区。
进一步的，还包括控制系统，外循环泵系统、集气管控制阀、下回流管控制阀、上回流管控制阀、排水阀、曝气控制阀、循环控制阀、排泥阀、管道射流器进水阀、管道射流器出水阀、进水管控制阀、反硝化区溶解氧探头、硝化区溶解氧探头均与控制系统连接实现自动控制工作。
进一步的，所述进水管的射流方向、多个上回流喷头的射流方向、多个下回流喷头的射流方向以及多个外循环进水喷头的射流方向均相同且均沿罐体横截面的割线方向;所述集气管上端水平管的射流方向沿气水分离器横截面的割线方向。
进一步的，第一十字管的各个管臂处于内旋混区、中旋混区和外旋混区的部分分别设置下回流喷头;第二十字管的各个管臂处于内旋混区、中旋混区和外旋混区的部分分别设置外循环进水喷头。
进一步的，所述曝气系统为膜片曝气器或旋混曝气器或曝气管的任一种;滗水器为浮筒式滗水器或其它可升降的滗水器;气水分离器底部为小径端在下的锥形。
进一步的，所述内导流板和中导流板的数量均≥2片，每片所述内导流板和中导流板的弧长均≤1/4圆周，各个内导流板均匀分布在圆周上，各个中导流板也均匀分布在圆周上，内导流板和中导流板交错布置;第一十字管与第二十字管交叉布置，内导流板置于罐底，中导流板通过支撑脚固定在罐底。
进一步的，所述生物绳填料层由上下两层支架固定，每层支架由生物绳填料直支架、生物绳填料同心圆支架构成蜘蛛网状结构，生物绳填料固定于生物绳填料同心圆支架上。
所述的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器的工作方法，
运行时，系统分为进水、曝气、沉淀、排水四个阶段，序批式周而复始工作;
(1)进水阶段原水由进水管经进水管控制阀进入布水混合区;启动外循环泵系统，循环控制阀、管道射流器进水阀、管道射流器出水阀开启，循环水与空气从布水混合区的外循环进水喷头进入，被内导流板、中导流板和罐体的罐壁切向导流形成旋转并与进水混合，逐步经反硝化区上升至硝化区，达到设定水位后完成进水工作，外循环泵停止;
(2)启动曝气系统，气、液、固混合物在集气罩的内、外形成密度差，被提升到灌顶的气水分离器，一部分气、液、固混合物通过上回流管回流到集气罩外部，由上回流喷头射出，并形成旋转混合下沉进入集气罩后再次被提升形成上部循环;另一部分气、液、固混合物通过下回流管回流到罐体底部由下回流喷头射出，被内导流板、中导流板和罐体的筒壁切向导流形成旋转混合并上升，经过生物绳填料层后进入集气罩，再次被提升形成大循环;控制系统可根据反硝化区溶解氧探头与硝化区溶解氧探头反馈数据调节曝气系统与外循环泵系统进行交替模式运行，达到设定时间或达到处理水质要求后，曝气阶段完成;
(3)进入沉淀阶段、排水阶段，滗水器随着沉淀进行可同时排水，达到设定排水位即完成一个周期，可再次进入进水阶段序批式循环工作。
曝气系统根据硝化区溶解氧探头与反硝化区溶解氧探头反馈数据间歇工作或连续工作，硝化区溶解氧控制0.8-2.0mg/L，反硝化区溶解氧控制0.5-0.8mg/L，下回流管控制阀调节气水分离器的回流量20-70%进入反硝化区的布水混合区，上回流管控制阀调节气水分离器的回流量为30-80%进入硝化区的上回流喷头射出。
本发明脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器具有以下优点：
(1)结构设计巧妙、简单。内外循环功能，实现快速混合，传质效果优越，抗负荷冲击能力强。
(2)水力与传质的合理设计，使反应器在曝气工况下产生的密度压力差形成气提动能，再利用位差和压力差使流体下泄喷出形成旋混，提高流体速度，增强水力剪切力，提高空气在水中的路径和停留时间，提高氧的利用率，可利用絮状污泥启动以形成好氧颗粒污泥(AGS)。
(3)合理设置生物填料和硝化与反硝化的功能分区，提高反应器生物总量，增强反应器硝化与反硝化同步功能区。
(4)外循环系统利用空气射流进入反应器底部，传质与流速的可控性好，强化系统循环、混合、搅拌以及反硝化功能。
(5)使反应器可实现大高径比、低能耗运行。
(6)实现具有脱氮功能的脱氮好氧颗粒污泥序批式反应器的一体化装备。