一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备的制作方法

本实用新型涉及城镇污水处理领域，具体涉及一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备。

背景技术：

城镇生活污水处理工程，在国家经济飞速发展、人民生活水平不断提高的现状下，国家领导反复强调优化生态环境，强化污染防治多项指示，国家和地方也建立了水污染防治严格的督察机制，并已常态化。

城镇生活污水处理后排放水水质指标按现行国家标准（GB18918-2012），基本控制项目最高允许排放浓度（日平均）为：COD 50mg/L、BOD5 10mg/L、SS 10mg/L、TN 15mg/L、NH3-N 5（8）mg/L、TP 0.5mg/L、PH值6~9等。

现有处理工艺中以生化处理为主，其方法有：氧化沟法、SBR法、CASS法、活性污泥法等，因工艺过程有局限性或有操作频繁等问题，要全面达标有一定难度，其中TP、TN指标有超标风险，即便加用物化法除磷后，也仅能在一定程度上降低TP超标的风险。

近20~30年来，国内引进了国外的A-A-O法同步脱氮除磷工艺，在部分工程实施后与上述处理工艺相比有所改善，但T P达标还要靠物化法除磷，而TN指标中主要成份是NO3-，若厌氧生化反硝化效果不理想时，靠一般物化法是除不掉的，所以还是有TN升高的因素存在，尤其在有少量工业污水突然进入引起冲击负荷时，或是在冬季突发爆冷影响生化处理池内微生物的正常功能时。另外，随着国家对生态环境越来越重视，排放标准再提标的可能性也存在。

离子交换法在水处理领域应用广泛，如锅炉用水软化处理、工业用水除盐处理、纯水制备、工业废水除重金属等方面处理效果很好。但是，固定床顺流运行逆流再生离子交换法若在城镇污水处理末端用于脱氮有以下问题：

1．压力容器限用于微小型污水处理，在大中型污水处理过程中难以应用；

2．固定床逆流再生法存在交换树脂层引发乱层的因素：

2-1．再生剂（NaCl）溶液比重与Cl-型强碱性阴离子交换树脂相当，再生剂用泵压送入设备上升水流对交换树脂有向上的推力作用；

2-2．再生液上升水流雷诺数Re大大超过临界雷诺数Rek2000~2300，处于紊流状态；

3．再生过程包括：小反洗—放水—顶压—再生—反洗—正洗共六步，操作较麻烦；

4．设备内存放离子交换树脂的空间有效利用率仅70%左右。

因此，如何解决上述现有技术存在的不足，便成为本实用新型所要研究解决的课题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备，包括一池体，该池体由从下至上互通水流的进水区、反应区和出水区构成；所述池体的横截面为圆形；其中，

所述进水区及所述反应区之间设有一下滤网隔板，所述反应区及所述出水区之间设有一上滤网隔板，所述上滤网隔板以及所述下滤网隔板上均设有数个通水孔；

所述进水区具有一进水口，该进水口用于接入待处理的污水；

所述反应区中设有水流整流装置以及离子交换树脂层；所述水流整流装置设于所述下滤网隔板的上方，用于将进水整流成层流态水流；所述离子交换树脂层由若干离子交换树脂颗粒构成，各离子交换树脂颗粒的粒径大于所述通水孔的孔径；

污水经除氮处理之后经由所述出水区顶部的溢流面出水；

还包括用于进行离子再生、离子置换和清洗的管路系统，该管路系统包括第一进液管、第二进液管、排液管以及残液排空管；所述第一进液管通过一进液阀与所述第二进液管连通，所述第二进液管的出液口位于所述出水区的上方；所述残液排空管通过一第一排液阀与所述第二进液管的最下端连通；所述排液管通过一第二排液阀与所述进水区的进水口连通，并且该排液管上还连设有第一流量计。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1．上述方案中，“所述池体的横截面为圆形”，圆形的设计有利于通过钢设备实现，且环向承压好，结构简单，便于制作和运输，成本较低，日处理污水量可达千吨级，适用于乡村等生活污水处理量较小的地区。

本文中提到的横截面均指的是水平方向的截面。

2．上述方案中，所述水流整流装置通过控制下部进水，可使雷诺数Re大大小于临界雷诺数Rek，而保证随水流上升的离子交换树脂层不乱层。

3．上述方案中，所述上滤网隔板及所述下滤网隔板均包括两网格板，两所述网格板一上一下设置，两网格板的中间夹设一层孔径小于所述离子交换树脂颗粒的高强度纤维网（如尼龙网等）或不锈钢网。

所述网格板可以是塑料材质或玻璃钢材质，网格板上的网格直径可大于离子交换树脂颗粒的粒径。预制时，以半块为单元，安装时二块水平拼接组装。

4．上述方案中，所述水流整流装置的高度占所述反应区高度的20~95%。水流整流装置中设有若干紧密排列的整流孔，各所述整流孔的横截面形状为蜂窝形或矩形。

所述水流整流装置可采用塑料材质，其高度与整流孔的孔径可按设计要求灵活调整，并使其固定在下滤网隔板之上。

5．上述方案中，各所述整流孔的壁厚为0.3~1.5mm，优选0.5~1mm，以满足水流整流装置的强度需要；各整流孔的内切直径为30~100mm，优选40~60mm，内切直径越小，雷诺数Re越小，整流效果越好。

6．上述方案中，所述离子交换树脂颗粒为Cl^-型强碱性阴离子交换树脂颗粒；所述离子交换树脂颗粒的湿视密度为0.65~0.75g/mL，优选0.67~0.73g/mL，粒径为0.3~1mm，优选0.4~0.7mm。

7．上述方案中，所述离子交换树脂层的体积占所述反应区体积的90~95%。主要布置于所述水流整流装置的各整流孔中，以及水流整流装置的上方至所述上滤网隔板下方的空间中；由于离子交换树脂层在再生处理的清洗步骤中会发生膨胀，因此不能设置为占据反应区的全部空间。

8．上述方案中，还包括污水进水阀及第二流量计，两者均设于一进水管上，该进水管连通所述进水口。

9．上述方案中，所述溢流面的周部设有间隔布置的出水孔或齿形边，以使出水更均匀，对反应区的上升水流也产生有益的影响，避免上升水流紊乱。

10．上述方案中，所述出水区的顶部设有环形出水槽，该环形出水槽的设置位置低于所述溢流面的设置位置，且所述出水槽的底部通过一集水斗连设于一出水管。污水经除氮处理之后从溢流面溢出至环形出水槽，经由出水槽汇流至集水斗，并通过集水斗底部的出水管流出。

11．上述方案中，所述进水口开设于所述进水区的正下方，所述进水区内于所述进水口的正上方间隔设置有一导流挡板。当污水由下向上进入进水区时，水流将撞击所述导流挡板的底部，从而产生向周向上升的均布水流。

12．上述方案中，所述进水区底部的纵截面呈倒梯形。若水流的流速较快、流量较大，在进水的水流撞击导流挡板的底部后，可得以通过倒梯形的底部设计再次产生水流反射，有利于进一步产生均布水流，配合水流整流装置有助于进一步降低水流雷诺数Re。

13．上述方案中，所述第二进液管的出液口位于所述出水区的上方且位于其水平方向的中心位置。可使得出液口流出的再生液或清洗水更为均匀地流入所述出水区。

本实用新型的工作原理及优点如下：

1．提出一个高效低耗末端除氮方法，有助于降低城镇生活污水处理总氮超标的风险；

2．采用重力式离子交换法，使高效的离子交换法可以应用于不同规模污水处理除氮的需求；

3．采用水流整流装置和提高离子交换树脂层的利用率，使运行或再生过程中不会发生离子交换树脂层的乱层而影响离子交换反应效果的问题；

4．采用上流运行、逆流再生法，与固定床逆流再生法相比，处理效果更稳定、再生剂用量更省；

5．采用多台、按等时分段启动，可以人为掌控处理总出水的总氮，机动灵活，使出水稳定达标，若国家排放标准再提标，具有良好的应对能力；

6．小规模污水处理可采用多台并联运行、轮流再生；

7．操作管理简便，易于实现自动化运行。

附图说明

附图1为本实用新型实施例的结构示意图（为图2的B-B向剖面结构示意图）；

附图2为图1的俯视图；

附图3为图1中A-A向剖面结构示意图；

附图4为本实用新型实施例网格板的结构示意图。

以上附图中：1．进水区；2．反应区；3．出水区；4．下滤网隔板；5．上滤网隔板；6．进水口；7．导流挡板；8．水流整流装置；9．离子交换树脂层；10．整流孔；11．溢流面；12．出水孔；13．环形出水槽；14．集水斗；15．出水管；16．第一进液管；17．第二进液管；18．排液管；19．残液排空管；20．进液阀；21．出液口；22．第一排液阀；23．第二排液阀；24．第一流量计；25．污水进水阀；26．第二流量计；27．进水管；28．网格板；29．网格。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

实施例：参见附图1~4所示，一种重力整流式离子交换法污水处理末端除氮设备，包括一池体，该池体由从下至上互通水流的进水区1、反应区2和出水区3构成；所述池体的横截面为圆形，圆形的设计有利于通过钢设备实现，环向承压好，结构简单，便于制作和运输，且成本较低，日处理污水量可达千吨级，适用于乡村等生活污水处理量较小的地区。

其中，所述进水区1及所述反应区2之间设有一下滤网隔板4，所述反应区2及所述出水区3之间设有一上滤网隔板5，所述上滤网隔板5以及所述下滤网隔板4上均设有数个通水孔。

所述进水区1具有一进水口6，该进水口6用于接入待处理的污水；其中，所述进水口6开设于所述进水区1的正下方，所述进水区1内于所述进水口6的正上方间隔设置有一导流挡板7。当污水由下向上进入进水区1时，水流将撞击所述导流挡板7的底部，从而产生向周向上升的均布水流。

所述反应区2中设有水流整流装置8以及离子交换树脂层9；所述水流整流装置8设于所述下滤网隔板4的上方，用于将进水整流成层流态水流，通过控制下部进水，可使雷诺数Re大大小于临界雷诺数Rek，而保证随水流上升的离子交换树脂不乱层。所述离子交换树脂层9由若干离子交换树脂颗粒构成，各离子交换树脂颗粒的粒径大于所述通水孔的孔径。

其中，所述水流整流装置8的高度占所述反应区2高度的20~95%。水流整流装置8中设有若干紧密排列的整流孔10，各所述整流孔10的横截面形状为蜂窝形或矩形。各所述整流孔10的壁厚为0.3~1.5mm，优选0.5~1mm，以满足水流整流装置的强度需要；各整流孔10的内切直径为30~100mm，优选40~60mm，内切直径越小，水流雷诺数Re越小，整流效果越好。

所述水流整流装置8可采用塑料材质，其高度与整流孔10的孔径可按设计要求灵活调整，并使其固定在下滤网隔板4之上。

其中，所述离子交换树脂颗粒为Cl^-型强碱性阴离子交换树脂颗粒；所述离子交换树脂颗粒的湿视密度为0.65~0.75g/mL，优选0.67~0.73g/mL，粒径为0.3~1mm，优选0.4~0.7mm。

所述离子交换树脂层9的体积占所述反应区2体积的90~95%。主要布置于所述水流整流装置8的各整流孔10中，以及水流整流装置8的上方至所述上滤网隔板5下方的空间中；由于离子交换树脂层9在再生处理的清洗步骤中会发生膨胀，因此不能设置为占据反应区2的全部空间。

其中，所述进水区1底部的纵截面呈倒梯形。若水流的流速较快、流量较大，在进水的水流撞击导流挡板7的底部后，可得以通过倒梯形的底部设计再次产生水流反射，有利于进一步产生均布水流，配合水流整流装置8有助于进一步降低水流雷诺数Re。

其中，污水经除氮处理之后经由所述出水区3顶部的溢流面11出水；所述溢流面11的周边环形设有间隔布置的出水孔12（或齿形边），以使出水更均匀，对反应区2的上升水流也产生有益的影响，避免上升水流紊乱。

所述出水区3的顶部设有环形出水槽13，该环形出水槽13的设置位置低于所述溢流面11的设置位置，且所述环形出水槽13向下倾斜设置，其下端作为出水端通过一集水斗14连设于一出水管15。污水经除氮处理之后从溢流面11溢出至环形出水槽13，经由环形出水槽13汇流至集水斗14，并通过集水斗14底部的出水管15流出。

其中，还包括用于进行离子再生、离子置换和清洗的管路系统，该管路系统包括第一进液管16、第二进液管17、排液管18以及残液排空管19；所述第一进液管16通过一进液阀20与所述第二进液管17连通，所述第二进液管17的出液口21位于所述出水区3的上方且位于其水平方向的中心位置，可使得出液口流出的再生液或清洗水更为均匀地流入所述出水区。所述残液排空管19通过一第一排液阀22与所述第二进液管17的最下端连通。

所述排液管18通过一第二排液阀23与所述进水区1的进水口6连通，并且该排液管18上还连设有第一流量计24。还包括污水进水阀25及第二流量计26，两者均设于一进水管27上，该进水管27连通所述进水口6。

其中，所述上滤网隔板5及所述下滤网隔板4均包括两网格板28，两所述网格板28一上一下设置，两网格板28的中间夹设一层孔径小于所述离子交换树脂颗粒的高强度纤维网（如尼龙网等）或不锈钢网。

如图4所示，所述网格板28可以是塑料材质（或玻璃钢材质），网格板28上的网格29直径可大于离子交换树脂颗粒的粒径。预制时，以半块为单元，安装时二块水平拼接组装。

本实用新型的除氮方法包括以下步骤：

步骤一、预处理

首先，通过好氧生化处理将污水中的氮化合物氧化、硝化为硝酸盐（NO3^-类）；

其次，向水中投入絮凝剂，经混凝沉淀与过滤处理后出水水质清晰；

步骤二、除氮处理

首先，所述设备的反应区2中离子交换树脂层9选用Cl^-型强碱性阴离子交换树脂颗粒构成；

其次，将预处理后的含NO3^-的污水从所述设备的进水区1送入设备中，并由下向上运行，流入所述反应区2中进行除氮的离子交换反应，该反应的化学式如下：

R^Cl-+NaNO3→R^NO3-+NaCl

其中，R ^Cl-表示Cl^-型强碱性阴离子交换树脂，R^NO3-表示反应后的Cl^-被NO3^-交换了的离子交换树脂；

然后，除氮后的水经由所述设备的出水区3溢流而出，当检测到出水中的总氮值（TN）达到预设值时停止污水流入设备，完成污水的一个除氮处理周期；

步骤三、再生处理

首先，选用NaCl作为再生剂，用水配制成浓度为6~10%的再生液；

其次，将所述再生液由上至下流入所述反应区2中，对离子交换树脂层9进行离子交换反应，该反应的化学式如下：

R^NO3-+NaCl→R^Cl-+NaNO3；

再生处理完成后，重复步骤二，进入下一个除氮处理周期。

其中，好氧生化处理为现有技术，是指在微生物的参与下，在适宜碳氮比、含水率和氧气等条件下，将有机物降解、转化成腐殖质样物质的生化过程。

其中，步骤一中，除絮凝剂之外，还需投入除磷剂，使出水中的总磷（TP）值达到小于0.5mg/L为佳， TP越小越好，否则原本与NO3^-发生离子交换的Cl^-将与PO4^3-发生离子交换，影响运行时除氮效果和除氮效率；

还可加入助凝剂，以便于将污水中经絮凝剂絮凝的小颗粒悬浮物进一步絮凝为大颗粒的悬浮物，便于提升水质的清晰度。

步骤二中，出水中总氮的预设值为小于或等于15mg/L。该预设值为国标，可通过增加污水处理单元或缩短再生处理周期的方式进一步降低出水中的总氮含量，以应对未来国标的提升。

步骤二中，在完成污水的一个除氮处理周期后，此时所述离子交换树脂层9包括下部的饱和区、中部的工作区以及上部的保护区；所述饱和区中的R^Cl-均已被交换为R^NO3-，所述工作区中的R^Cl-处于交换过程中，所述保护区中的R^Cl-仅部分被交换为R^NO3-。

借此设计，可通过保护区对离子交换树脂层9进行保护，避免其被污水“击穿”而丧失除氮作用，即，若保护区也成为工作区甚至保护区，则出水中的总氮很难保证不超标，此时离子交换树脂层的离子交换作用已失效。

步骤三中，所述再生液的浓度优选8~10%。若低于8%，过少的Cl-会对再生处理的效率带来影响，若高于10%，则会导致离子交换树脂颗粒过度收缩，会对再生处理的效果带来影响。

其中，步骤二中，先关闭设备的第二排液阀23，再打开设备的污水进水阀25，含NO^3-的污水通过第二流量计26计量后从进水管27通过进水口6向上进入设备的进水区1，向上水流在导流挡板7处碰撞发生扩散之后继续向上流动；

水流向上通过下滤网隔板4流入反应区2中，在离子交换树脂层9的下部通过水流整流装置8进行整流，使水流雷诺数Re大大小于临界Rek，整流后的水流成为层流态水流，同时离子交换树脂层9也被水流推升至其顶部位于上滤网隔板5下方；水流经离子交换反应后，进入设备的出水区3；

水流经由出水区3上部外周环形均布的数个出水孔12（池顶下100mm处）溢流进入环形出水槽13，并汇流进入集水斗14出水；当出水中总氮（TN）值达到预期指标时，完成了一个除氮处理周期；关污水进水阀25停止进水，开第二排液阀23放水使水位降至上滤网隔板5处，同时离子交换树脂层9随向下水流回落到运行前状态。

其中，步骤三中，所述再生处理包括再生、置换和清洗三步；

再生时，先开第一排液阀22放空第二进液管17内存水后关阀，再开进液阀20将配制好的NaCl再生液通过第一进液管16和第二进液管17压送入所述出水区3，此时出水区3作为再生液的储备区；在送入一次再生处理所需的再生液后，以所述再生液的浓度为10%为例，此时再生液的体积为离子交换树脂层体积的一半（再生液的体积与再生液的浓度成反比），此时最高液位在出水孔12底端处，关进液阀20、开第二排液阀23调节流量，由第一流量计24定量，再生液以慢速小流量（即低于除氮处理时水流的流速和流量）等压均匀向下流入反应区2的离子交换树脂层9，使液位降至上滤网隔板5处；

置换时，关第二排液阀23、开进液阀20，将洁净水（可选用自来水）通过第一进液管16和第二进液管17引入进入储备区，直至水位到达设定上限；然后关进液阀20、打开第二排液阀23，按与再生液相同的慢速小流量，由第一流量计24控量，逆流向下进行置换，直至水位降至上滤网隔板5。置换可以理解为再生的第二环节，通常置换液的体积与再生液相同。

清洗时，开大第二排液阀23，并打开进液阀20，用大流量快速向下清洗离子交换树脂层9，直至设定的清洗流量或/和清洗时间时，关进液阀20及第二排液阀23，此时再生处理步骤结束，可重复步骤二。

其中，再生处理时产生的废液经由所述进水口6并通过排液管18排出。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。