一种无需曝气的外循环全程自养脱氮装置的制作方法

本实用新型属于城市生活污水处理及资源化再利用技术领域，具体涉及一种无需曝气的外循环全程自养脱氮装置。

背景技术：

工业废水、农业废水和生活污水是自然水体中氮元素污染的最主要来源，水体中氮素的主要存在形式为氨氮，当不同形式的含氮化合物排入水体后或经过转化后都会引起严重的氮素污染，引发水体富营养化等严重的水质污染事件，使人类的饮用水源受到威胁，危害人类的健康和生存以及自然生态的平衡。因此，控制污水中的氮素含量成为近年来全球范围内学者研究的热点问题。

全程自养脱氮工艺的原理是利用好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的协同作用，在单一反应器内将进水中的氨氮转化为氮气去除。全程自养脱氮工艺在城市污水处理中应用的关键条件是要在反应器内控制微氧环境，有效抑制亚硝酸盐氧化菌的活性，保证好氧氨氧化菌和厌氧氨氧化菌的优势地位，微氧环境控制不佳，曝气量不足或过量都会导致脱氮效果恶化。现有的城市污水处理通常采用曝气机械以高能耗来控制反应器内溶解氧浓度，存在能耗高、溶解氧控制不精确及微氧条件控制难等问题，这也成为了限制全程自养脱氮工艺在城市污水中应用的制约因素之一。因此，本实用新型研发了一种无需曝气的外循环全程自养脱氮装置，并研发了其快速启动方法。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的无需曝气的外循环全程自养脱氮装置。

本实用新型为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种无需曝气的外循环全程自养脱氮装置，其特征在于包括蠕动泵、恒温池、接触氧化池，跌水曝气装置和进出水箱，其中接触氧化池设置于恒温池内用于维持接触氧化池内的反应温度恒定，该接触氧化池为封闭结构，进出水箱内的废水经蠕动泵及连接管道从接触氧化池的底部进水，废水在接触氧化池内与聚乙烯环保组合填料上附着的微生物充分接触后从接触氧化池的顶部出水，出水由连接管道通过设置于进出水箱上部的跌水曝气装置实现预曝气并再次进入进出水箱，跌水曝气装置采用多级可升降扩展排列的梯田式结构，用于保证水流水平流动与空气有足够的接触面积且增加水力停留时间以及足够的传质动力，在循环过程中通过氧的扩散梯度及跌水的方式补充出水溶解氧的不足，从而保证后续进水为微氧状态，在不需外加曝气装置的条件下实现自养脱氮反应的正常进行。

优选的，所述跌水曝气装置的级数为4～6级，且每级的高度为25cm。

优选的，所述跌水曝气装置内部设有具有支撑作用且可伸缩的支架，利用升棱形不稳定的原理实现跌水曝气装置中各级跌水单元的升降。

优选的，所述跌水曝气装置中相邻跌水单元的衔接处设有水平设置的挡水檐，该挡水檐上设有不规则排列的孔径为0.6cm的落水孔，用于使得水体在下跌的过程中呈雨帘模式，进而增大水体复氧量。

本实用新型所述的无需曝气的外循环全程自养脱氮装置的快速启动方法，其特征在于具体步骤为：

步骤s1：向接触氧化池内部接种厌氧氨氧化菌，取实验室内运行状态良好的厌氧氨氧化反应器中已附着大量生物膜的填料，在厌氧条件下接种到接触氧化池中，以氨氮与亚硝氮质量比例为1:1.32的人工合成废水对接种已附着在填料上的微生物进行稳定培养，接触氧化池中新接种的微生物在厌氧氨氧化条件下连续运行10天后，进水中的氨氮和亚硝氮已基本被完全去除，出水氨氮浓度降至5mg/l以下，去除率高达98%，总氮的去除率达到90%以上，此时认为接种的厌氧氨氧化生物膜已基本培养成功，厌氧氨氧化菌的活性已达到理想状态；

步骤s2：进水中停止投加亚硝酸盐，将稳定运行的厌氧氨氧化反应器通过培养驯化，同时控制反应器运行条件，将其转化为全程自养脱氮反应器，控制接触氧化池的进水ph为7.8～8.0，温度保持33±1℃，hrt为8h，进水氨氮浓度维持在85～150mg/l，亚硝氮浓度低于0.1mg/l，氨氮负荷根据实验过程进行调整，无机碳源浓度为310～330mg/l，每12h更换一次进水，进出水箱中的废水经过蠕动泵从接触氧化池的底部进水，在封闭的接触氧化池内与填料上附着的微生物充分接触后从接触氧化池的顶部出水，出水通过跌水曝气装置复氧实现预曝气并再次进入进出水箱，与剩余进水混合来调节进水中溶解氧的含量，在氨氮的进水浓度控制在100±10mg/l，反应器连续运行115天后，氨氮的去除率一直保持在97%以上，总氮去除率达到75%以上，说明全程自养脱氮污水处理装置运行启动成功。

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：本实用新型过程全称自养脱氮，无需外加碳源，无需曝气，节约运行成本。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是本实用新型中跌水曝气装置的结构示意图；

图3是本实用新型中跌水级数对跌水曝气的影响曲线。

图中：1-蠕动泵，2-恒温池，3-接触氧化池，4-跌水曝气装置，5-连接管道，6-进出水箱，7-聚乙烯环保组合填料，8-落水孔。

具体实施方式

以下通过实施例对本实用新型的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型上述内容实现的技术均属于本实用新型的范围。

实施例

本实用新型针对现有全程自养脱氮工艺微氧条件控制困难这一问题，采用序批式内循环跌水式曝气装置，在不需曝气的条件下对系统内溶解氧环境进行调控。结合附图详细描述本实用新型的具体内容。如图1所示，一种无需曝气的外循环全程自养脱氮装置，包括蠕动泵1、恒温池2、接触氧化池3，跌水曝气装置4和进出水箱6，其中接触氧化池3设置于恒温池2内用于维持接触氧化池3内的反应温度恒定，该接触氧化池3为封闭结构，进出水箱6内的废水经蠕动泵1及连接管道5从接触氧化池3的底部进水，废水在接触氧化池3内与聚乙烯环保组合填料7上附着的微生物充分接触后从接触氧化池3的顶部出水，出水由连接管道5通过设置于进出水箱6上部的跌水曝气装置4实现预曝气并再次进入进出水箱6。

本实用新型中进出水箱中的废水经过蠕动泵从接触氧化池的底部进水，在接触氧化池内与聚乙烯环保组合填料上附着的微生物充分接触后从接触氧化池顶部出水，出水通过可升降折叠的跌水曝气装置实现预曝气并再次进入进出水箱，出水在进出水箱中与剩余进水混合，可调节进出水箱进水的溶解氧浓度，为自养脱氮反应提供微氧环境。在一个反应周期内（12h），废水在整套装置内循环。由于全程自养脱氮需要在微氧条件下进行，接触氧化池为封闭结构，较适合亚硝化菌和厌氧氨氧化菌的生长，出水溶解氧较低。本反应系统中进出水箱为开放结构且进出水箱的上部设有跌水曝气装置，可以在循环过程中通过氧的扩散梯度及跌水的方式补充出水溶解氧的不足，从而保证后续进水为微氧状态，在不需外加曝气装置的条件下实现自养脱氮反应的正常进行。所述跌水曝气装置采用多级可升降扩展排列的梯田式结构，一般以4～6级为佳，每级高度为25cm，可根据复氧量的需要在运行时自由调节。设置扩展式梯田的高度可根据处理工艺水位落差而定。水流向下传递的过程中，空气中的氧气向水中传递受到跌水高度、跌水水力停留时间、接触面积的限制。

根据实验室模拟发现扩展式梯田跌水曝气随跌水高度的增加而增加，但溶解氧浓度随跌水级数增加而增大的趋势趋于平缓；当跌水流量越小，水流的比表面积越大，复氧效果越好。较大的比表面积有利于传质效率的提高，因此跌水曝气装置采用梯田式设计以保证水流与空气有足够的接触面，且跌水曝气装置四面均采用上下级扩展排列的方式，保证水流流动且增加了水力停留时间以及足够的传质动力。在跌水曝气装置中相邻跌水单元的衔接处设有水平设置的挡水檐，该挡水檐上设有不规则排列的孔径为0.6cm的落水孔8，用于使得水体在下跌的过程中呈雨帘模式，进而增大水体复氧量。

本实用新型所述无需曝气的外循环全程自养脱氮装置启动运行步骤如下：

1、向接触氧化池内部接种厌氧氨氧化菌，取实验室内运行状态良好的厌氧氨氧化反应器中已附着大量生物膜的填料，在厌氧条件下接种到接触氧化池中，以氨氮与亚硝氮质量比例为1:1.32的人工合成废水对接种已附着在填料上的微生物进行稳定培养，接触氧化池中新接种的微生物在厌氧氨氧化条件下连续运行10天后，进水中的氨氮和亚硝氮已基本被完全去除，出水氨氮浓度降至5mg/l以下，去除率高达98%，总氮的去除率达到90%以上，此时认为接种的厌氧氨氧化生物膜已基本培养成功，厌氧氨氧化菌的活性已达到理想状态。

2、进水中停止投加亚硝酸盐，将稳定运行的厌氧氨氧化反应器通过培养驯化，同时控制反应器运行条件，将其转化为全程自养脱氮反应器，控制接触氧化池的进水ph为7.8～8.0，温度保持33±1℃，hrt为8h，进水氨氮浓度维持在85～150mg/l，亚硝氮浓度低于0.1mg/l，氨氮负荷根据实验过程进行调整，无机碳源浓度为310～330mg/l，每12h更换一次进水，进出水箱中的废水经过蠕动泵从接触氧化池的底部进水，在封闭的接触氧化池内与填料上附着的微生物充分接触后从接触氧化池的顶部出水，出水通过跌水曝气装置复氧实现预曝气并再次进入进出水箱，与剩余进水混合来调节进水中溶解氧的含量，在氨氮的进水浓度控制在100±10mg/l，反应器连续运行115天后，氨氮的去除率一直保持在97%以上，总氮去除率达到75%以上，说明全程自养脱氮污水处理装置运行启动成功。

3、跌水装置复氧量与跌水级数的关系

根据实际经验，跌水级数对跌水曝气的影响如图3所示，跌水后溶解氧量随跌水级数增加而增加，之后又趋于平缓，一般以4～6级为佳，每级高度为25cm。

4、本装置对cod具有一定的耐受性。在自养脱氮工艺稳定运行阶段，控制进水氨氮维持在100±10mg/l，亚硝氮低于0.1mg/l，无机碳源浓度为310～330mg/l，ph为7.8～8.0，hrt为8h，温度保持33±1℃，向进水中投加有机物，cod浓度从50mg/l逐步提高到150mg/l，当cod浓度在50～100mg/l时，系统的脱氮效率能稳定在90%以上，当cod浓度达到150mg/l时，氨氮及总氮的去除率均降至10%以下，反应器基本已失去脱氮活性。表明当进水中少量有机质对菌群活性影响不大，而大量有机质会破坏一体化反应器的有效菌群构成，造成有机质去除率急剧下降、脱氮效果的明显恶化。在进水无cod的条件下，反应器可以以5%/d的速率恢复脱氮效果。说明此反应器对有机质具有一定的耐冲击性能，其耐受值为100mg/l。

以上实施例描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型原理的范围下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本实用新型保护的范围内。