一种自养反硝化脱氮反应装置、脱氮系统及其脱氮方法

摘要

本发明公开了一种自养反硝化脱氮反应装置，包括壳体，及壳体内的限氧亚硝化反应区、异养反硝化产气区与升流自养反硝化区；壳体上设有进液口与出液口，进液口与限氧亚硝化反应区连通；出液口与升流自养反硝化区连通；限氧亚硝化反应区设置在壳体上半部的中央区域；异养反硝化产气区设置在限氧亚硝化反应区的下方区域并与限氧亚硝化反应区连通；升流自养反硝化区环绕在限氧亚硝化反应区的四周，底部与异养反硝化产气区连通。本发明还公开了一种自养反硝化脱氮系统及其脱氮方法。本发明具有效率高、负荷大、操作方便的特点，运行费用低，无需外加大量碳源，易于实现自动控制，对于高氮低碳废水总氮的达标处理和高效低耗运行具有实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于污水处理装置及其使用领域，尤其涉及一种自养反硝化脱氮反应装置、脱氮 系统及其脱氮方法。

背景技术

传统生物脱氮理论提出：污水中的有机氮被异养型微生物转化为NH₄⁺-N，然后由自养硝 化细菌将其转化为硝态氮NO₂^--N和NO₃^--N，硝态氮在缺氧条件下，经反硝化细菌作用被还原 转化为氮气，达到污水脱氮的目的。足量的碳源是反硝化过程顺利进行进而实现高效脱氮的 关键。当废水中的碳氮比(C/N比值)低于3.4时，需投加外碳源来保证达到较好的生物脱 氮效果。低碳高氮污水如污泥析出液、垃圾渗滤液、味精废水、养殖废水、焦化废水等的处 理均属此类，如采用传统硝化反硝化处理需外加碳源，增加处理成本。

鉴于国家对污水中总氮排放要求的提高，传统的脱氮处理技术面临严峻挑战，迫切需要 新的高效低耗脱氮技术。

发明内容

本发明克服了现有技术中高碳氮所需外加碳源量高、处理成本昂贵，且无法在低碳氮比 环境下达到理想的生物脱氮效果等缺陷，提出了一种自养反硝化脱氮反应装置、脱氮系统及 其脱氮方法。

本发明提出了一种自养反硝化脱氮反应装置，包括壳体，及所述壳体内的限氧亚硝化反 应区、异养反硝化产气区与升流自养反硝化区；所述壳体上设有一个进液口与至少一个出液 口，所述进液口与所述限氧亚硝化反应区连通，用于提供高氨氮废水；所述出液口与所述升 流自养反硝化区连通，用于排出脱氮后的废水；所述限氧亚硝化反应区设置在所述壳体上半 部的中央区域；所述异养反硝化产气区设置在所述限氧亚硝化反应区的下方区域，并与所述 限氧亚硝化反应区连通；所述升流自养反硝化区环绕在所述限氧亚硝化反应区的四周，并通 过导流装置与所述限氧亚硝化反应区分隔；所述升流自养反硝化区的底部与所述异养反硝化 产气区连通。

本发明提出的自养反硝化脱氮反应装置中，所述限氧亚硝化反应区中设置有悬浮填料， 所述悬浮填料的密度小于等于1g/cm³。

本发明提出的自养反硝化脱氮反应装置中，所述导流装置的形状为中间向内收缩的圆柱 形中空管道。

本发明提出的自养反硝化脱氮反应装置中，所述异养反硝化产气区的底部设置有搅拌装 置，所述搅拌装置用以搅拌高氨氮废水并将高氨氮废水送入所述升流自养反硝化区中。

本发明提出的自养反硝化脱氮反应装置中，所述出液口的高度低于所述进液口0.1-0.15 米。

本发明还提出了一种自养反硝化脱氮系统，包括：所述自养反硝化脱氮反应装置；废水 输送机构，其与所述进液口连通，用于向所述自养反硝化脱氮反应装置内输送高氨氮废水； 供气机构，其与所述限氧亚硝化反应区连通，用于向所述自养反硝化脱氮反应装置供氧；碳 源输送机构，其与所述异养反硝化产气区连通，用于向所述异养反硝化产气区内提供碳源。

本发明提出的自养反硝化脱氮系统中，所述废水输送机构包括高氨氮废水储槽与蠕动泵；

所述高氨氮废水储槽通过管道与所述蠕动泵和所述进液口连通，由所述蠕动泵向所述限 氧亚硝化反应区中输送所述高氨氮废水。

本发明提出的自养反硝化脱氮系统中，所述供气机构包括风机与曝气装置；

所述曝气装置设置在所述限氧亚硝化反应区内，所述风机通过管道向所述曝气装置供给 气体，由所述曝气装置在所述限氧亚硝化反应区实现微曝气。

本发明提出的自养反硝化脱氮系统中，所述碳源输送机构包括外碳源储槽、蠕动泵与布 水管；所述布水管设置在所述异养反硝化产气区的底部，所述外碳源储槽通过蠕动泵向所述 布水管输送碳源，由所述布水管向所述异养反硝化产气区内提供碳源。

本发明还提出了一种自养反硝化脱氮系统的自养反硝化脱氮方法，包括如下步骤：

步骤一：在所述自养反硝化脱氮反应装置中接种自养反硝化细菌，并放入悬浮填料；

步骤二：所述废水输送机构由进液口向所述限氧亚硝化反应区输送高氨氮废水；

步骤三：所述供气机构对所述限氧亚硝化反应区内微曝气，在存在NOx气体的情况下， 所述高氨氮废水所含的氮氨通过所述自养反硝化细菌发生限氧亚硝化反应生成亚硝酸盐，同 时生成氮气实现脱氮；

步骤四：所述碳源输送机构向所述异养反硝化产气区提供碳源，所述高氨氮废水下沉至 所述异养反硝化产气区中，亚硝酸盐与碳源发生异养反硝化反应，生成NOx气体并通过导流 装置收集并排入所述限氧亚硝化反应区内，搅拌装置将高氨氮废水送入所述升流自养反硝化 区中；

步骤五：在所述升流自养反硝化区中，在所述NOx气体存在的情况下，所述自养反硝化 细菌与所述高氨氮废水发生自养亚硝化反应，产生氮气实现脱氮；

步骤六：经脱氮处理后的废水从出液口排除。

本发明提出的自养反硝化脱氮系统的自养反硝化脱氮方法中，所述高氨氮废水进行脱氮 处理的温度为26～30摄氏度。

本发明提出的自养反硝化脱氮系统的自养反硝化脱氮方法中，所述异养反硝化产气区内 的碳氮比不高于0.1。

本发明的自养反硝化脱氮反应装置采用一体化设计，实现亚硝化反应与反硝化反应同时 在反应装置中完成，并且能够在低碳氮比的环境下进行高效的脱氮处理，所需外加的碳源量 大幅降低，总氮去除率高达95％以上。

本发明的自养反硝化脱氮系统操作运行方便，能够实时监测高氨氮废水的脱氮速率，易 于实现自动化控制。

本发明自养反硝化脱氮方法采用生物脱氮方法对于高氨氮低有机碳废水的处理具有效率 高、成本低、没有二次污染、不需要外加大量碳源的优点。

附图说明

图1是本发明自养反硝化脱氮反应装置的示意图；

图2是本发明自养反硝化脱氮反应装置的俯视图；

图3是本发明自养反硝化脱氮系统的示意图；

图4是本发明自养反硝化脱氮反应装置总氮去除率与氨氮容积负荷的曲线图；

图5是本发明自养反硝化脱氮方法的流程图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条 件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明 没有特别限制内容。

如图1所示的本发明中的自养反硝化脱氮反应装置，包括一个壳体，壳体内具有空间， 空间分为限氧亚硝化反应区、异养反硝化产气区与升流自养反硝化区。

壳体上设有一个进液口与若干个出液口，进液口与限氧亚硝化反应区连通，用于进给高 氨氮废水；出液口与升流自养反硝化区连通，用于排出脱氮后的废水。出液口的高度低于进 液口0.1-0.15米，从而形成废水从进水口流向出水口的自然流动。

限氧亚硝化反应区设置在壳体上半部的中央。限氧亚硝化反应区中设置有悬浮填料，悬 浮填料的密度小于等于1g/cm³。

异养反硝化产气区设置在限氧亚硝化反应区的下方，其与限氧亚硝化反应区连通。

升流自养反硝化区环绕限氧亚硝化反应区的四周，并通过导流装置6与限氧亚硝化反应 区分离，导流装置6的形状为中间向内收缩的圆柱形中空管道。升流自养反硝化区的底部与 异养反硝化产气区连通，并且异养反硝化产气区的底部设置有搅拌装置9，搅拌装置用以搅 拌高氨氮废水并将高氨氮废水送入升流自养反硝化区中。

导流装置6如图1与图2所示，其结构为中间向内收缩的圆柱形中空管道，大部分NOx 气体会被导流装置6导入限氧亚硝化反应区中，残留的NOx气体会随废水进入升流自养反硝 化区进行反硝化脱氮。

图3显示的是本发明中的自养反硝化脱氮系统，包括自养反硝化脱氮反应装置、废水输 送机构、供气机构与碳源输送机构。

废水输送机构包括高氨氮废水储槽101与蠕动泵3；高氨氮废水储槽101通过管道与蠕 动泵3和进液口连通，由蠕动泵3向限氧亚硝化反应区中输送高氨氮废水。

供气机构向自养反硝化脱氮反应装置供给气体。供气机构包括风机5与曝气装置7；曝 气装置7设置在限氧亚硝化反应区内，风机5通过管道向曝气装置7供给气体，由曝气装置 7在限氧亚硝化反应区实现微曝气。

碳源输送机构包括外碳源储槽102、蠕动泵3与布水管8；布水管8设置在异养反硝化产 气区的底部，外碳源储槽102通过蠕动泵3向布水管8输送碳源，由布水管8向异养反硝化 产气区内提供碳源。

高氨氮废水由进水口送入限氧亚硝化反应区中。限氧亚硝化反应区内加入自养反硝化细 菌，并在限氧亚硝化反应区内为自养反硝化细菌设置悬浮填料10，悬浮填料10的密度小于 等于1g/cm³。

以上是本发明中的自养反硝化脱氮系统的主要结构，对于该自养反硝化脱氮系统的原理 做如下说明：

废水输送机构由进液口向限氧亚硝化反应区输送高氨氮废水。

在限氧亚硝化反应区中，在存在NOx气体的情况下，高氨氮废水中的氮氨通过加入自养 反硝化细菌利用NOx气体发生限氧亚硝化反应生成亚硝酸盐和氮气，其原理为： 3NH₄⁺+3O₂→N₂+NO₂^-+4H⁺+4H₂O。生成的氮气排放至外界环境中从而降低废水中的氮含量， 从而对高氨氮废水进行脱氮处理。

在异养反硝化产气区中，由碳源输送机构提供的碳源为废水提供电子供体，在限氧亚硝 化反应区中生成亚硝酸盐随高氨氮废水下沉，在异养反硝化产气区与碳源经异养反硝化反应 后产生NOx气体，一部分NOx气体被导流装置6收集并输送到上方的限氧亚硝化反应区中， 为限氧亚硝化反应区中的自养反硝化细菌的反应提供NOx气体，保证限氧亚硝化反应区中能 够顺利进行脱氮处理，由于在限氧亚硝化反应区中能够脱出高氨氮废水中70％的氮，因此异 养反硝化产气区中产生NOx气体的反应尤其重要。

高氨氮废水经上述脱氮后由搅拌装置9送入升流自养反硝化区中。在升流自养反硝化区 中高氨氮废水向出液口作升流运动。在升流运动过程中，废水中所含的自养反硝化细菌利用 NOx气体发生自养反硝化反应生成氮气，其原理为：NO₂^-+H⁺+3[H]→0.5N₂+2H₂O。生成 的氮气通过出液口排放至外界环境中，同时脱氮后的废水从出液口中流出，完成对高氨氮废 水进行脱氮处理。

如图5所示，本发明自养反硝化脱氮方法的操作步骤如下：

步骤一：在自养反硝化脱氮反应装置中接种自养反硝化细菌，并放入悬浮填料；

步骤二：废水输送机构由进液口向限氧亚硝化反应区输送高氨氮废水；

步骤三：供气机构对限氧亚硝化反应区内微曝气，在存在NOx气体的情况下，高氨氮废 水所含的氮氨通过自养反硝化细菌发生限氧亚硝化反应生成亚硝酸盐，同时生成氮气实现脱 氮；

步骤四：碳源输送机构向异养反硝化产气区提供碳源，高氨氮废水下沉至异养反硝化产 气区中，亚硝酸盐与碳源发生异养反硝化反应，生成NOx气体并通过导流装置收集并排入限 氧亚硝化反应区内，搅拌装置将高氨氮废水送入升流自养反硝化区中；异养反硝化产气区内 的碳氮比不高于0.1。

步骤五：在升流自养反硝化区中，在NOx气体存在的情况下，自养反硝化细菌与高氨氮 废水发生自养亚硝化反应，产生氮气实现脱氮；

步骤六：经脱氮处理后的废水从出液口排除。

上述过程中反应器运行的环境温度控制在26～30℃，并保持反应器避光状态，保持均匀 布入的碳源量满足C/N＝0.03。上部微曝气时溶解氧控制为约1mg/L。图4显示了自养反硝化 脱氮反应装置总氮去除率与氨氮容积负荷的关系，当废水输送机构的进水氨氮容积负荷控制 在80g/m³.d，水力停留时间约为70h时，其中亚硝化反应区停留时间约为35h，传统硝化反 硝化区域停留时间约为14h，升流自养反硝化区域停留时间约为21h，可使总氮去除率最高达 到80％。

在本发明实施过程中通过在管道上设置流量计2或气体流量计4对高氨氮废水、空气以 及外加碳源的流量进行实时监测，并且通过自动化程序控制供给的流量，实现全自动化生物 脱氮。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技 术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。