高效反硝化脱氮装置及方法与流程

本发明涉及水处理技术领域，具体而言，涉及一种高效反硝化脱氮装置及方法。

背景技术：

随着排放到水体中的氮素含量逐年增加，引起了水体富营养化的日益严重，从而导致水质恶化甚至湖泊退化。我国大部分淡水水系由于长期的富营养化，变得十分脆弱，水中氮素的去除已成为水污染控制中广为关注的热点。

目前去除硝态氮(以硝酸根离子形式存在的氮)的方法有生物法、物理化学法等，其中生物法以其低能耗、高效率的优点被广泛应用于污水处理中。生物异养反硝化工艺是目前生物法污水处理工程中最为常见的技术，其主要原理为：在无分子态氧的条件下，异养反硝化菌利用污水中的有机物作为碳源和电子供体，将NO₃^--N或NO₂^--N转化为氮气，将氮素排出水系统。但是我国的市政污水以及被氮素污染的地表水、地下水等主要特点就是C/N比值较低，即有机碳源不足。为了保证处理效果，必须投加一定量的乙酸、乙醇等有机物做碳源，生物系统产泥量增加，导致处理成本大大增加。且以有机物为反硝化碳源时，由于进水水质的波动，很容易导致水中碳源过量或者不足，从而引起二次污染或处理程度不足。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种高效反硝化脱氮装置及方法，以解决现有技术中脱氮成本过高和二次污染的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种高效反硝化脱氮装置，其包括依次串联设置的进水部、反应部和三相分离部，进水部设置有用于污水和固态电子供体进入的进水口，反应部中设置有自养反硝化菌群。

进一步地，进水部、反应部和三相分离部由下至上依次排列。

进一步地，反硝化脱氮装置包括空心柱体，进水部位于空心柱体的下端，三相分离部位于空心柱体的上端，空心柱体内的进水部和三相分离部之间形成反应部。

进一步地，反应部的高径比不小于4:1。

进一步地，三相分离部包括：集气罩，集气罩位于反应部的上方；集气管，集气管的一端与集气罩连接，另一端延伸至外部；顶部沉淀区，顶部沉淀区的底端与反应部的顶端相连，集气罩位于顶部沉淀区中。

进一步地，顶部沉淀区的顶端的径向长度与反应部的径向长度之比不小于3:1。

进一步地，三相分离部还包括盲板，盲板设置在空心柱体的远离反应部的一端，盲板上设置有通孔，集气管穿过通孔延伸至外部。

进一步地，三相分离部还设置有净化水出口，净化水出口位于三相分离部的一侧。

进一步地，三相分离部还设置有回流出口，回流出口设置在三相分离部的相对于净化水出口的另一侧；进水部还设置有回流进口，回流进口与回流出口相连。

进一步地，进水部包括进水管和回流管，进水管和回流管均设置在空心柱体内，进水管具有进水口和第一出水口，回流管具有回流进口和第二出水口。

进一步地，进水部还有布水孔板，布水孔板设置在空心柱体内，并位于进水管与反应部之间。

进一步地，进水部还包括排泥放空口，排泥放空口设置在空心柱体上。

进一步地，反硝化脱氮装置还包括：底座，底座设置在空心柱体的底端。

根据本发明的另一方面，还提供了一种反硝化脱氮方法，其包括以下步骤：将固态电子供体加至含硝态氮的污水中，从进水部进入添加有自养反硝化菌群的反应部进行自养反硝化反应，得到混合物；将混合物进行三相分离，得到净化水。

进一步地，含硝态氮的污水中，10～100mg/L，反应部的水力停留时间为1～3h。

应用本发明的技术方案，反硝化脱氮装置包括依次串联设置的进水部、反应部和三相分离部，进水部设置有用于污水和固态电子供体进入的进水口，反应部中添加有自养反硝化菌群。在具体脱氮处理过程中，在污水中添加固态电子供体，并将污水引入含有自养反硝化菌群的反应部，能够进行自养反硝化反应。在该反应过程中，污水中的硝态氮会转化为氮气排出。反应后含有氮气、污泥和净化水的混合物在三相分离部中完成分离，形成净化水和氮气排出，自养反硝化菌群沉降至反应部。

与乙酸、乙醇等相比，固态电子供体价格便宜且硫组分含量高，自养反硝化成本较低。同时，自养反硝化是以无机物作为电子供体，无产生残余有机物之虞，污泥产量较低。所以，自养反硝化工艺为碳源不足的污水深度脱氮提供了一种低能耗的手段。总之，利用本发明上述的脱氮装置处理污水，硝态氮的处理效率高，且没有二次污染、成本较低。

此外，本发明上述的脱氮装置通过水力搅拌提高污水与污泥的混合效果，装置内部没有任何机械设备，大大降低了设备维护维修工作量。本发明中的污泥沉降性能很好，三相分离器即可将污水与污泥、氮气分离，无需额外的泥水分离设施，占地面积小，运行能耗低。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一种实施例的反硝化脱氮装置示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、进水部；101、进水口；102、回流进口；103、排泥放空口；110、布水孔板；120、底座；20、反应部；30、三相分离部；301、通孔；310、盲板；320、集气罩；330、集气管；302、净化水出口；303、回流出口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

正如背景技术部分所描述的，现有技术中利用生物异养反硝化工艺去除污水中的硝态氮时，存在处理深度不够、成本高和二次污染的问题。

为了解决这一问题，本发明提供了一种反硝化脱氮装置，如图1所示，其包括依次串联设置的进水部10、反应部20和三相分离部30，进水部10设置有用于污水和固态电子供体进入的进水口101，反应部20中设置有自养反硝化菌群。

本发明提供的上述反硝化脱氮装置，包括依次串联设置的进水部10、反应部20和三相分离部30，进水部10设置有用于污水和固态电子供体进入的进水口101，反应部20中添加有自养反硝化菌群(其中富集了脱氮硫杆菌)。在具体脱氮处理过程中，在污水中添加固态电子供体，并将污水引入含有自养反硝化菌群的反应部20，能够进行自养反硝化反应。在该反应过程中，污水中的硝态氮会转化为氮气排出。反应后含有氮气、污泥和净化水的混合物在三相分离部30中完成分离，形成净化水和氮气排出。

与乙酸、乙醇等相比，固态电子供体价格便宜且硫组分含量高，自养反硝化成本较低。同时，自养反硝化是以无机物作为电子供体，无产生残余有机物之虞，污泥产量较低。所以，自养反硝化工艺为碳源不足的污水深度脱氮提供了一种低能耗的手段。脱氮装置内部无设备，无需额外的泥水分离设施，占地面积小。总之，利用本发明上述的脱氮装置处理污水，硝态氮的处理效率高，且没有二次污染、成本较低。

此外，本发明上述的脱氮装置通过水力搅拌提高污水与污泥的混合效果，装置内部没有任何机械设备，大大降低了设备维护维修工作量。本发明中的污泥沉降性能很好，三相分离器即可将污水与污泥、氮气分离，无需额外的泥水分离设施，运行能耗低。

上述自养反硝化菌群的菌群形态可以是游离态，也可以是菌胶团，具体可以存在于活性污泥中。上述固态电子供体优选为硫磺。

在一种优选的实施例中，上述反硝化脱氮装置，进水部10、反应部20和三相分离部30由下至上依次排列。将进水部10、反应部20和三相分离部30由下至上依次排列，在污水进入进水部10后，会自下而上进入反应部20中，与自养反硝化菌群接触进行自养反硝化反应。通过进水的快速上升带动自养反硝化菌群上升，从而使自养反硝化菌群成悬浮状态，尽可能使固态电子供体、污水与菌群充分接触，从而能够提高反应效率，进而提高脱氮效率。

具体地进水部10、反应部20和三相分离部30的设置只要是按照由下至上依次设置，即可提高脱氮效率。在一种典型的实施例中，如图1所示，上述反硝化脱氮装置包括空心柱体，进水部10位于空心柱体的下端，三相分离部30位于空心柱体的上端，空心柱体内的进水部10和三相分离部30之间形成反应部20，且反应部20的高径比不小于4:1。这样，空心柱体的上下两端分别为三相分离部30和进水部10，中间部分为反应部20。该设置下，三个区域形成了柱状的整体，在污水处理过程中具有较高的连续性，处理能力相对更高。优选反应部20的高径比不小于4:1，能够使脱氮更加充分。

在一种优选的实施例中，上述反硝化脱氮装置，三相分离部30包括集气罩320、集气管330和顶部沉淀区，集气罩320位于反应部20的上方，集气管330的一端与集气罩320连接，另一端延伸至外部，顶部沉淀区的底端与反应部20的顶端相连，集气罩320位于顶部沉淀区中。反应部20处理后的污水与自养反硝化菌群、反硝化产生的氮气进入三相分离部30后，利用集气罩320收集后即可将氮气进入集气管330排出，且集气罩320还能够提高气体的脱除效率，从而进一步提高污水处理效率。利用顶部沉淀区，可以将脱氮后进入三相分离部30的污泥沉淀下来，返回反应部20。优选顶部沉淀区的顶端的径向长度与反应部20的径向长度之比不小于3:1这能够更快度地将污泥沉淀下来，从而进一步提高分离效率。举例说明，空心柱体为空心圆柱体，顶部沉淀区为圆锥形区，这样，圆锥形的上端直径与空心圆柱体的直径之比不小于3:1。

在一种优选的实施例中，上述反硝化脱氮装置，三相分离部30还包括盲板310，盲板310设置在空心柱体的远离反应部20的一端，盲板310上设置有通孔301，集气管330穿过通孔301延伸至外部。这样设置后，反应部20处理后的污水与自养反硝化菌群、反硝化产生的氮气在三相分离部30处分离，氮气可以从集气管330排出，净化水则在盲板310的阻拦所用下从侧部溢流，从而方便对于净化水的收集。

在一种优选的实施例中，上述反硝化脱氮装置，三相分离部30还设置有净化水出口302，净化水出口302位于三相分离部30的一侧。这样，反应部20处理后的污水与自养反硝化菌群、反硝化产生的氮气进入三相分离部30后，净化水直接从净化水出口302出溢流出来，污泥则沉降回反应部20，从而无需其他动力和设备设施，自行完成三相分离。这能够极大地节约能耗，进一步降低污水的处理成本。

在一种优选的实施例中，上述反硝化脱氮装置，三相分离部30还设置有回流出口303，回流出口303设置在三相分离部30的相对于净化水出口302的另一侧；进水部10还设置有回流进口102，回流进口102与回流出口303相连。如此设置，当污泥沉降性能过好、污泥床层过低时，可以将出水循环，与进水共同进入反应部，提高反应部内水的上升流速，从而在无需搅拌的条件下使介质之间的接触更加充分，进而使反应更加充分。在具体的操作过程中，出水循环比可在0～200％之间变化，根据污泥状态进行调整。

在一种优选的实施方式中，进水部10包括进水管和回流管，进水管和回流管均设置在空心柱体内，进水管具有进水口101和第一出水口，回流管具有回流进口102和第二出水口。这样设置，进水部10的结构简单，进水流畅。

在一种优选的实施方式中，进水部10还有布水孔板110，布水孔板110设置在空心柱体内，并位于进水管与反应部20之间。利用布水孔板110可使进水更加均匀，进一步提高反应效率。

在一种优选的实施方式中，进水部10还包括排泥放空口103，排泥放空口103设置在空心柱体上。在实际操作过程中，运行一段时间后，可通过排泥放空口103将失活的污泥排出。

优选地，反硝化脱氮装置还包括：底座120，底座120设置在空心柱体的底端。设置底座120可使装置更加稳定。

根据本发明的另一方面，提供了一种反硝化脱氮方法，其包括以下步骤：将固态电子供体加至含硝态氮的污水中，从进水部进入添加有自养反硝化菌群的反应部进行自养反硝化反应，得到混合物；将混合物进行三相分离，得到净化水。

本发明提供的上述方法，利用相污水中添加固态电子供体的方式，使其在自养反硝化菌群的存在下发生自养反硝化反应，以将污水中的硝态氮转化为氮气，完成对污水的脱氮处理。与乙酸、乙醇等相比，固态电子供体价格便宜且硫组分含量高，自养反硝化成本较低。同时，自养反硝化是以无机物作为电子供体，无产生残余有机物之虞，污泥产量较低。所以，自养反硝化工艺为碳源不足的污水深度脱氮提供了一种低能耗的手段。总之，利用本发明上述的脱氮装置处理污水，硝态氮的处理效率高，且没有二次污染、成本较低。

具体的处理工艺可以根据污水的硝态氮含量等因素进行调整。在一种优选的实施方式中，含硝态氮的污水中，硝态氮的浓度为10～100mg/L，反应部的水力停留时间为1～3h。该工艺条件下，污水的脱氮效率更高。经该处理的污水，硝态氮的浓度可降至3mg/L以下，pH约为6.5～7.2。

总之，利用本发明上述的装置和工艺对污水进行脱氮处理，可达到以下技术效果：

1、仅投加硫粉，处理成本低；

2、污泥产量低，环境友好；

3、能够处理被硝酸盐污染的废水，尤其适用于污水中有机碳源不足时，无需投加有机物，无有机物污染问题；

4、反应部主体为游离的或形成菌胶团的自养反硝化菌群，无需其他物质做载体，可提高微生物与污水的接触率，提高反应速率，可有效缩短水力停留时间；

5、无需机械搅拌装置，无水下设备，运营过程中减少设备维护工作量；

6、无需二沉池或其他泥水分离设施、设备及污泥回流装置，占地面积小，运营维护简单。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。