一种废水反硝化脱氮处理装置和处理方法与流程

本发明属于化工及环保技术领域，具体涉及一种用于废水处理的缺氧膨胀床装置及方法。

背景技术：

近年来，水处理领域中氮的污染已成为社会热点之一。随着中国水体富营养化问题的日趋严重，以及污水排放标准的提升，水中氮的去除成为水处理领域关注的重点问题之一。如何经济、高效、安全地从水中去除硝酸盐氮，研发高效稳定的污水强化脱氮技术，已成为污水处理领域急需解决的技术问题。

当今污水处理面临高标准排放要求，如美国、加拿大等国家出水标准为TN(总氮)小于3mg/L。目前针对水中硝酸盐去除的主要方法包括：化学还原、反渗透、电渗析、离子交换、生物反硝化(包括自养和异养反硝化)等方法。

化学还原法主要是利用还原剂将硝酸盐氮还原，根据采用的不同还原剂可以分为活泼金属还原法和催化还原法；前者是以铁、铝、锌等金属单质为还原剂，处理效果较差，且会有亚硝酸盐生成；后者以氢气以及甲酸、甲醇等为还原剂，一般都必须有催化剂存在才能使反应进行，成本较高，且氢气的应用过程中存在保障危险。

反渗透、电渗析、离子交换等方法虽然可以有效去除水中的硝酸盐，但成本较高，同时会产生大量废水，因此在实际工程中应用较少。

生物反硝化法以其处理成本低受到广泛关注，反硝化过程以有机碳源等作为电子供体，以硝态氮作为电子受体，反硝化硝态氮为氮气，达到去除污水中氮的目的。目前常用于污水反硝化脱氮的工艺包括活性污泥法、悬浮填料生物膜法和传统砂滤反硝化脱氮工艺等。

活性污泥法污泥浓度低，不能处理高负荷污水，且污泥易膨胀、占地面积大、需要大规模沉淀设备、剩余污泥量大。悬浮填料生物膜法是向反应器中投加一定量密度接近于水的填料，为微生物的生长提供栖息地，将会提高反应器中生物量和生物种类，进而提高反应器的处理效率。悬浮填料生物膜法具有处理效率高、脱氮效果好、操作简单等特点。但仅仅采用悬浮填料进行反硝化，出水含有较高浓度的颗粒物质和悬浮物质，造成较高的浊度。传统砂滤反硝化脱氮工艺中因为砂石等填料密度较大，所以相对填充率较低，对反应器有效利用率也相应降低，同时工艺运行过程中易造成堵塞，不利于工艺运行。

因此，针对目前水处理中硝酸盐的去除技术状况，亟需研发一种新型的强化生物反硝化装置，实现经济、高效、安全地去除污水中硝酸盐及降低总氮的目的。

技术实现要素：

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种缺氧膨胀床，所述缺氧膨胀床3自下而上依次为反应区、连接段和出水区20，反应区和出水区20通过连接段连接；

所述出水区20的横截面积大于反应区的横截面积；

所述反应区的底部设有进水口17；

所述进水口17上方设有承托层18，承托层18内填装级配砾石颗粒；

所述承托层18上方设有填料区19，填料区19内填装直径为1-3mm的小粒径填料；

所述出水区20顶部周边设置集水槽27，集水槽27上方的侧壁设置溢流堰21；

所述出水区20的侧壁上部还设置与集水槽27联通的出水口26；

所述出水区20的中心位置居中设置三相分离器23；

所述出水区20内设置循环水进口管22。

所述反应区的外部设有夹套，夹套的下部设有加热水进口29，夹套的上部设有加热水出口30。

所述连接段的侧壁设有排泥口28。

所述连接段与出水区20的连接部分呈喇叭形。

所述三相分离器23包括中心管23-a，中心管23-a下端口连接上部罩体23-b，上部罩体23-b与下部罩体23-c通过连接件23-d连接，并构成过流通道；上部罩体23-b及下部罩体23-c呈喇叭状，且扩口端向下。

填料区19的厚度与填料区19的横截面直径之比≥2。

一种废水反硝化脱氮处理装置，应用上述的缺氧膨胀床3，还包括进料泵12，通过管路连接缺氧膨胀床3的进水口17，

循环泵13，通过管路分别连接缺氧膨胀床3的进水口17和循环水进口管22，

进料罐10，连接进料泵12，进料罐10设有低液位报警装置11，

浮气罐2，通过管路连接中心管23-a的上端口，

在线气体计量仪6，与浮气罐2连接，浮气罐2与在线气体计量仪6之间设有电磁控制阀1，

加热泵14，与缺氧膨胀床3的加热水进口29连接，

加热器15，一端与加热泵14连接，一端与加热水出口30连接，加热器15设有温度过热传感器7，

数显温度传感器4，其温度探头25设置在缺氧膨胀床3的出水区20内，

数显pH传感器5，其pH探头24设置在缺氧膨胀床3的出水 区20内。

所述废水反硝化脱氮处理装置还包括控制数据柜8，通过电脑数据线16和终端控制器9连接，

所述数显温度传感器4、数显pH传感器5、在线气体计量仪6、温度过热传感器7、电磁控制阀1、浮气罐2、低液位报警装置11、进料泵12、循环泵13和加热泵14的显示和/或操作控制均通过控制数据柜8来运作。

所述加热器15、加热泵14和缺氧膨胀床3的加热水进口29、加热水出口30组成加热水循环管路，加热水通过夹套对反应区加热。

所述的缺氧膨胀床3可由钢板、玻璃或其他材料制成。

缺氧膨胀床的主要特点包括：(1)填料区以膨胀态运行，避免水流短路，提高有机物和硝酸根去除负荷；(2)采用细小的颗粒填料，填料的比表面积更大，附着的生物膜量大；(3)大大增加了填料区厚度，填料区厚度与填料区横截面直径之比不小于2，减少废水反硝化脱氮处理装置的占地面积。

一种应用废水反硝化脱氮处理装置的废水处理方法，包括以下步骤：

1)废水经过进料泵12后，进料泵12的出水和循环泵13的出水进行混合，形成混合水；

2)混合水通过进水口17进入缺氧膨胀床3的反应区进行处理；

3)反应区出水通过连接段进入出水区20，然后通过循环水进口管22进入循环泵13；

4)出水区20上部出水通过出水口26排出。

在上述方案的基础上，步骤2)中混合水通过进水口17进入缺氧膨胀床3，然后经过承托层18内填装的级配砾石颗粒进行配水后，进入填料区19。

在上述方案的基础上，所述填料区19内的填料颗粒随循环水流浮动，使填料区19内的填料颗粒处于膨胀状态。

在上述方案的基础上，控制循环水流流量，使填料区19的膨胀率在50％以下。

在上述方案的基础上，步骤3)中所述出水区20内的三相分离器23可以使细小的填料颗粒自行沉降，并收集产生的气体。

在上述方案的基础上，所述气体进入浮气罐2，并通过电磁控制阀1和在线气体计量仪6进行气体体积计量后排出系统。

在上述方案的基础上，所述的温度和pH值，加热水液位和产气量均由计算机系统自动控制和监测。

本发明所述的废水反硝化脱氮处理装置有如下的有益效果：

填料区19采用细颗粒填料，比表面积大，可有效提高单位体积填料内的微生物量，进而提高反应器的容积负荷；

填料区19正常运行时处于膨胀状态，避免固定床可能产生的水流短路问题，固、液两相的流态有利于微生物与废水的接触和传质，提高生物反应效率；

采用强制水流循环，提高生物反应过程的稳定性和抗冲击性；

缺氧膨胀床3可采用较大的设备高度，提高缺氧膨胀床3的填料层厚度，进而减少反应器占地面积；

废水反硝化脱氮处理装置内的温度、pH值、加热水液位、产气 量均由计算机系统自动控制监测，自动化程度很高，大大降低了人工劳动强度。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明废水反硝化脱氮装置构成示意图

图2本发明缺氧膨胀床的主视图

图3本发明三相分离器的主视图

图4本发明三相分离器的俯视图

附图标记说明：

1、电磁控制阀，2、浮气罐，3、缺氧膨胀床，4、数显温度传感器，5、数显pH传感器，6、在线气体计量仪，7、温度过热传感器，8、控制数据柜，9、终端控制器，10、进料罐，11、低液位报警装置，12、进料泵，13、循环泵，14、加热泵，15、加热器，16、电脑数据线

17、进水口，18、承托层，19、填料区，20、出水区，21、溢流堰，22、循环水进口管，23、三相分离器，24、pH探头，25、温度探头，26、出水口，27、集水槽，28、排泥口，29、加热水进口，30、加热水出口

23-a、中心管，23-b、上部罩体，23-c、下部罩体，23-d、连接件

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图2-4所示，一种缺氧膨胀床，所述缺氧膨胀床3自下而上依次为反应区、连接段和出水区20，反应区和出水区20通过连接段连接；

所述出水区20的横截面积大于反应区的横截面积；

所述反应区的底部设有进水口17；

所述进水口17上方设有承托层18，承托层18内填装级配砾石颗粒；

所述承托层18上方设有填料区19，填料区19内填装直径为1-3mm的小粒径填料；

所述出水区20顶部周边设置集水槽27，集水槽27上方的侧壁设置溢流堰21；

所述出水区20的侧壁上部还设置与集水槽27联通的出水口26；

所述出水区20的中心位置居中设置三相分离器23；

所述出水区20内设置循环水进口管22。

所述反应区的外部设有夹套，夹套的下部设有加热水进口29，夹套的上部设有加热水出口30。

所述连接段的侧壁设有排泥口28。

所述连接段与出水区20的连接部分呈喇叭形。

所述三相分离器23包括中心管23-a，中心管23-a下端口连接上部罩体23-b，上部罩体23-b与下部罩体23-c通过连接件23-d连接，并构成过流通道；上部罩体23-b及下部罩体23-c呈喇叭状，且扩口端向下。

如图1所示，一种废水反硝化脱氮处理装置，应用上述的缺氧膨胀床3，还包括进料泵12，通过管路连接缺氧膨胀床3的进水口17，

循环泵13，通过管路分别连接缺氧膨胀床3的进水口17和循环水进口管22，

进料罐10，连接进料泵12，进料罐10设有低液位报警装置11，

浮气罐2，通过管路连接中心管23-a的上端口，

在线气体计量仪6，与浮气罐2连接，浮气罐2与在线气体计量仪6之间设有电磁控制阀1，

加热泵14，与缺氧膨胀床3的加热水进口29连接，

加热器15，一端与加热泵14连接，一端与加热水出口30连接，加热器15设有温度过热传感器7，

数显温度传感器4，其温度探头25设置在缺氧膨胀床3的出水区20内，

数显pH传感器5，其pH探头24设置在缺氧膨胀床3的出水区20内。

所述废水反硝化脱氮处理装置还包括控制数据柜8，通过电脑数据线16和终端控制器9连接，

所述数显温度传感器4、数显pH传感器5、在线气体计量仪6、温度过热传感器7、电磁控制阀1、浮气罐2、低液位报警装置11、进料泵12、循环泵13和加热泵14的显示和/或操作控制均通过控制数据柜8来运作。

所述加热器15、加热泵14和缺氧膨胀床3的加热水进口29、加热水出口30组成加热水循环管路，加热水通过夹套对反应区加热。

所述的缺氧膨胀床3可由钢板、玻璃或其他材料制成。

缺氧膨胀床的主要特点包括：(1)填料区以膨胀态运行，避免水流短路，提高有机物和硝酸根去除负荷；(2)采用细小的颗粒填料，填料的比表面积更大，附着的生物膜量大；(3)大大提高填料区厚度，填料区厚度与填料区横截面直径之比不小于2，减少废水反硝化脱氮处理装置的占地面积。

一种应用废水反硝化脱氮处理装置的废水处理方法，包括以下步骤：

1)废水经过进料泵12后，进料泵12的出水和循环泵13的出水进行混合，形成混合水；

2)混合水通过进水口17进入缺氧膨胀床3的反应区进行处理；

3)反应区出水通过连接段进入出水区20，然后通过循环水进口管22进入循环泵13；

4)出水区20上部出水通过出水口26排出。

在上述方案的基础上，步骤2)中混合水通过进水口17进入缺氧膨胀床3，然后经过承托层18内填装的级配砾石颗粒进行配水后，进入填料区19。

在上述方案的基础上，所述填料区19内的填料颗粒随循环水流浮动，使填料区19内的填料颗粒处于膨胀状态。

在上述方案的基础上，控制循环水流流量，使填料区19的膨胀率在50％以下。

在上述方案的基础上，步骤3)中所述出水区20内的三相分离器23可以使细小的填料颗粒自行沉降，并收集产生的气体。

在上述方案的基础上，所述气体进入浮气罐2，并通过电磁控制阀1和在线气体计量仪6进行气体体积计量后排出系统。

在上述方案的基础上，所述的温度和pH值，加热水液位和产气量均由计算机系统自动控制和监测。

废水在本发明所述废水反硝化脱氮处理装置中的工艺处理过程如下：

缺氧膨胀床3的出水区20上部水体通过循环水进口管22进入循环泵13，循环泵13的出水和进料泵12的出水混合后，通过进水口17进入缺氧膨胀床3中，然后经过承托层18内填装的级配砾石颗粒进行配水后，进入填料区19，在向上流动的循环水流的作用下，填料区19内的填料颗粒随循环水流浮动，使填料区19内的填料颗粒处于膨胀状态，控制循环水流流量，使填料区19的膨胀率在50％以下，承托层18的砾石颗粒由于粒径大，不随水流浮动。由于循环水流中含有可生化降解的有机物和硝酸根，填料区的填料颗粒上会生长微生物膜，循环水流在通过填料区的过程中即可实现生化反应，完成有机物和硝酸根的反硝化降解，水流中的有机物和硝酸根得以去除。

循环水流通过填料区19后进入出水区20，出水区20的横截面积大于填料区，水流上升流速降低，填料区19内被循环水流带起的填料颗粒在水流流速降低后又沉降回填料区19，防止细小的填料颗粒被水流带出缺氧膨胀床13。水流到达出水区20后通过循环水进口管22泵入循环泵13，出水通过出水口26进入排水管排出系统。

三相分离器23可以使细小的填料颗粒自行沉降，并收集产生的气体，将收集的气体排出后进入浮气罐2，并通过电磁控制阀1和在线气体计量仪6进行气体体积计量后排出系统。

所述的温度和pH值，加热水液位和产气量均由计算机系统自动控制和监测。

本发明废水反硝化脱氮处理装置的反硝化脱氮效果：

采用废水反硝化脱氮处理装置处理某厂煤气化废水，煤气化废水COD为200-300mg/L，NH₄⁺-N为100-150mg/L。煤气化废水经好氧处理后NO₃^--N浓度为100-150mg/L，采用甲醇作为补充碳源，则反应器进水COD浓度为400-500mg/L。废水反硝化脱氮处理装置启动时NO₃^--N进水容积负荷为1kg/m³·d，NO₃^--N去除率三天内超过96％。逐渐提高进水流量来提高废水反硝化脱氮处理装置的容积负荷，废水反硝化脱氮处理装置运行一个月NO₃^--N进水容积负荷达3kg/m³·d，COD进水容积负荷达10kg/m³·d，NO₃^--N去除率高于96％。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。