CN210683338U - 一种气控式生物脱氮同步回收n2o反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，反应器从下到上依次设有环形布水区、气控反应区、泥水分离区。环形布水区下部设有放空管，进气总管以及微孔曝气管，上部设有进水主管与三个斜切式布水器。泥水分离区下部隔板设有汇合式U型气控管、安全管与自助压力排泥管，两根U型气控管汇合至上升主管；泥水分离区上部设有集气室，集气室下端连通中心回液管，上端与集气管相连；泥水分离区中部设有溢流堰。本实用新型利用惰性气体吹脱控制反硝化中间产物N₂O高效产生并收集，将废水生物脱氮与能源气体N₂O捕集有机结合；利用汇合式U型气控管与中心回液管实现了气体循环利用，同时让整个反应区具备良好的传质能力，强化处理效果。

Description

一种气控式生物脱氮同步回收N2O反应器

技术领域

本实用新型涉及一种反硝化反应器，尤其涉及一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器。

背景技术

氮素是废水中的主要污染物之一。据环保部环境状况公报，2015年我国氨氮排放总量高达229.9万吨。研究表明，除氮气外，氮素循环的各中间产物均可对环境和人类产生不良影响。作为营养物质，氮素会诱发“富营养化”，造成水体生态***功能紊乱；作为能源，氨氮和亚硝氮在可消耗溶解氧，使水体缺氧，严重时可造成水体变黑发臭；作为毒物，氨氮可影响血液中氧的结合，使水生动物致死。简言之，我国水体氮素污染已呈现排放量大，污染面广，危害力大等特征，亟需新型高效废水生物脱氮技术。

生物反硝化是指微生物利用外源电子供体将硝氮通过异化还原最终产生氮气的过程。生物反硝化是一个能将溶解态氮素转化成气态氮素，从而净化水体的微生物学过程，且已经成功应用于全球各大污水处理***。在传统反硝化反应的过程中，会产生中间产物氧化亚氮(N₂O)。N₂O是一类强温室气体，其温室效应大约是CO₂的298倍，且化学性质稳定，对环境影响显著，已引起社会高度关注。但同时它也是一种强氧化剂和潜在的可再生能源，1mol CH₄与N₂O燃烧产生的能量比1mol CH₄与O₂增加30％。因此，若能灵活捕集废水处理***中的能源气体，将会有效实现水体可持续氮去除和能量回收。

发明内容

本实用新型目的是在对含氮废水实现高效生物脱氮的同时捕集反硝化过程中的能源气体N₂O，由此提供一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器。

本实用新型具体采用的技术方案如下：

一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，反应器从下到上依次设有环形布水区、气控反应区、泥水分离区；

环形布水区底部一侧设有放空管，另一侧设有进气总管，进气总管与底部中部的微孔曝气管相连；环形布水区上部环绕一根进水主管，进水主管与上方三个斜切式布水器相连，且斜切式布水器的布水口伸入环形布水区内朝下；环形布水区与气控反应区相连；气控反应区与泥水分离区之间通过一块横隔板分隔；所述横隔板上设有至少1条连通气控反应区与泥水分离区的安全管，安全管顶部与所述横隔板上表面平齐，底部伸入气控反应区中；泥水分离区中设有集气室、溢流堰、汇合式U型气控管和自助压力排泥管，所述汇合式U型气控管由两条对称的气控管顶部汇合后形成U型，且汇合位置与上升主管底部相连，上升主管顶部伸入集气室中；所述汇合式U型气控管的两条气控管底部穿过所述横隔板后伸入气控反应区中，且底部的开口高度高于所述安全管的底部开口；所述自助压力排泥管的顶部位于所述横隔板上表面，底部伸出反应器外；所述集气室下端连通中心回液管，中心回液管穿过所述横隔板后延伸至环形布水区上部，集气室通过集气管连接至反应器外部；所述溢流堰沿泥水分离区内壁环向设置，其集水腔通过出水管连接至反应器外部。

作为优选，环形布水区、气控反应区与泥水分离区的高度之比为1：(9～10)：(3～4)，环形布水区与气控反应区高度之和与气控反应区的直径比为(5～7)：1。

作为优选，泥水分离区的直径与气控反应区的直径之比为(1.5～1.8)：1。

作为优选，三个斜切式布水器沿环形布水区周向均布，其布水口均倾斜向下布置，且在水平面上朝同一方向倾斜，用于形成环形水流。

作为优选，汇合式U型气控管的底部距离泥水分离区底部的距离为反应区高度的0.07～0.08；U型气控管的直径为气控反应区直径的1/10～1/9。

作为优选，溢流堰位于泥水分离区的2/3高度处，集气室的中部与溢流堰上沿等高，集气室的直径为气控反应区直径的0.4～0.5，高度为泥水分离区高度的1/3。

作为优选，中心回液管的底端与环形布水区底部的距离为环形布水区高度的0.8～0.9，中心回液管的直径为反应区直径的0.13～0.15。

作为优选，安全管有两条，安全管底部开口具有斜向弯头。

作为优选，所述的自助压力排泥管顶部开口的底部与所述横隔板上表面平齐，自助压力排泥管穿过所述横隔板后延伸到环形布水区并伸出反应器外壳。

本实用新型与现有技术相比的有益效果是：1)本实用新型利用惰性气体吹脱，将反硝化脱氮的终产物控制在N₂O，并将溶解性的N₂O从水中吹扫出来后收集，实现了生物脱氮与能源气体捕集有机结合，将反应过程中的产物转化为能源加以利用，变废为宝；2)利用U型气控管在泥水分离区底部形成气室，利用气体上升时产生的瞬时负压使得泥水分离区底部的泥水混合物回流；利用上升气体裹挟部分泥水混合物至集气室，使得泥水混合物可由于集气室连通的中心回液管回流至反应区底部；从而使得整个反应器具备良好的传质效果，加强了处理深度；3)一个进水主管、三个斜切式布水器的组合使得反应器的布水更均匀，对进水水量、流速、剪切力的控制更为灵活，足以满足多种不同运行工况的要求。

附图说明

图1是一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器结构剖面图；

图2是一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器泥水分离区下部分侧视图(展示了汇合式U型气控管和安全管在横隔板上的布置方式)；

图3是一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器斜切式布水器俯视图。

图中：环形布水区I、气控反应区II、泥水分离区III、放空管1、进气主管2、微孔曝气管3、进水主管4、斜切式布水器5、汇合式U型气控管6、安全管7、上升主管8、集气室9、中心回液管10、集气管11、溢流堰12、自助压力排泥管13、出水管14。

具体实施方式

如图1、2、3所示，为本实施例中的一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，该反应器从下到上依次设有环形布水区I、气控反应区II、泥水分离区III。

环形布水区I底部呈倒锥形，其一侧设有用于将内部泥水混合物进行排空的放空管1，放空管1上需要设置控制阀门；另一侧设有进气总管2，进气总管2从反应器外部穿过壳体进入内腔，环形布水区I底部中心布置有一个微孔曝气管3，进气总管2与底部中心的微孔曝气管3进气口相连。环形布水区I上部环绕一根进水主管4，进水主管4与上方三个斜切式布水器5相连，同时为三个斜切式布水器5均匀供水。本实施例中，三个斜切式布水器5沿环形布水区I周向均布，相互之间呈120°夹角，其进水管呈直角形，而进水管末端的布水口均伸入环形布水区I内并倾斜向下布置，且三个斜切式布水器5的布水口在水平面上朝同一方向倾斜，用于形成环形水流。环形布水区I与气控反应区II相连通，两者没有明显的物理分隔，但气控反应区II与泥水分离区III之间通过一块横隔板分隔。横隔板除了设置相应管道的位置之外，其余均密实不透水。横隔板上设有至少1条连通气控反应区II与泥水分离区III的安全管7，安全管7顶部与横隔板上表面平齐，底部伸入气控反应区II中。安全管7的作用有两方面，一方面作为气控反应区II中处理后废水排入泥水分离区III的通道，另一方面也作为泥水分离区III底部沉淀的污泥或者泥水混合物回流至气控反应区II的通道。当然，这两种状态并不是并存的，它的切换是有后续的汇合式U型气控管6所控制的，后文将具体详述。在本实施例中，为了避免安全管7堵塞，可以在横隔板上同时设置两条安全管7。另外，由于安全管7上端为泥水分离的沉淀区域，因此为了避免水力扰动，安全管7底部开口具有斜向弯头，降低进入水流的流速。

泥水分离区III中设有集气室9、溢流堰13、汇合式U型气控管6和自助压力排泥管12。其中，汇合式U型气控管6由两条对称的气控管顶部汇合后形成U型，且汇合位置与上升主管8底部相连，上升主管8顶部伸入集气室9中。汇合式U型气控管6的两条气控管底部均穿过横隔板后伸入气控反应区II中，且两条气控管底部的开口高度均需要高于两条安全管7的底部开口。由此，当气控反应区II中产生气体时，气体会逐渐在横隔板下方聚集，然后逐渐形成气室，当气室到达汇合式U型气控管6底部开口时，此时安全管7底部依然还在液面以下，由于表面张力的存在，汇合式U型气控管6的底部开口处会定时出现脉冲式的气体流入，而该位置本身就是泥水交界界面，因此脉冲式的气体会携带大量的泥水混合物进入汇合式U型气控管6，然后上升进入集气室9中，在集气室中气液分离。而自助压力排泥管12是一条用于排泥的管道，其顶部位于横隔板上表面，底部伸出反应器外。泥水分离区III中沉淀的污泥，主要通过自助压力排泥管12排出，因此自助压力排泥管12顶部开口的底部最好与横隔板上表面平齐，自助压力排泥管12穿过横隔板后延伸到环形布水区I并伸出反应器外壳。因此，该管道的排泥无需依赖外部动力，在重力以及泥水分离区III中的压力作用下，污泥能够自动进入自助压力排泥管12入口。但由于其没有抽吸力，因此可能仍有部分污泥沉积在横隔板上表面，而这部分污泥则可以在U型气控管6脉冲式抽吸过中，由于气控反应区II的瞬时负压从安全管7被抽吸回流至气控反应区II中。

另外，集气室9中也会抽吸进入大量的气液固混合物，因此其下端连通中心回液管10，中心回液管10穿过横隔板后延伸至环形布水区I上部，集气室9通过集气管11连接至反应器外部。含有N₂O的气体经由集气管11得到收集，而集气室9中的泥水混合物则从中心回液管10回流回气控反应区II。

另外，本实施例中，溢流堰13呈环形，堰口采用锯齿形堰口，溢流堰13沿泥水分离区III内壁环向设置，其集水腔通过出水管14连接至反应器外部，用于将上清液排出反应器。

在本实用新型中，各部件的参数可以采用如下设计：

环形布水区I、气控反应区II与泥水分离区III的高度之比为1：(9～10)：(3～4)，环形布水区I与气控反应区II高度之和与气控反应区II的直径比为(5～7)：1。泥水分离区III的直径与气控反应区II的直径之比为(1.5～1.8)：1。汇合式U型气控管6的底部距离泥水分离区III底部的距离为反应区高度的0.07～0.08；U型气控管6的直径为气控反应区II直径的1/10～1/9。溢流堰12位于泥水分离区III的2/3高度处，集气室9的中部与溢流堰12上沿等高，集气室9的直径为气控反应区II直径的0.4～0.5，高度为泥水分离区III高度的1/3。中心回液管10的底端与环形布水区I底部的距离为环形布水区I高度的0.8～0.9，中心回液管10的直径为反应区II直径的0.13～0.15。进水主管4与斜切式布水器5进水口的高度差为环形布水区I与气控反应区II高度之和的1/10～1/8，斜切式布水器进水管长度为气控反应区II直径的3/4～4/5，布水器的布水头与其进水管轴线的夹角为30°，布水头的布水方向与竖直方向夹角呈45°向下。

利用上述反应器的气控式生物脱氮同步回收N₂O的方法，其步骤如下：

首先，在在气控反应区II中接种反硝化活性污泥。

然后，将待处理的含氮废水经由进水主管4和斜切式布水器5输入预先接种反硝化活性污泥的反应器中，使废水充满环形布水区I后向上进入气控反应区II，并沿安全管7进入泥水分离区III中。反应器内污泥完成驯化后，继续由进水主管4不断通入含氮废水，使反硝化活性污泥与上升泥水混合液接触过程中进行反硝化生物脱氮作用，微生物摄取液相主体的硝态氮，逐步将其转化为亚硝态氮、一氧化氮、一氧化二氮以及氮气。这些气体逐渐集中在横隔板的下方，形成气室。另外，反硝化反应的过程中产生的中间产物氧化亚氮N₂O会溶于泥水混合物中，因此在反应过程中需要通过进气主管2中通入惰性气体，经由底部微孔曝气管3均匀曝气在环形布水区I；通过惰性气体的吹脱作用，将反硝化活性污泥中的可溶性中间产物N₂O吹离液相，以气相形式聚集在气室中，从而实现以N₂O为终产物的短程反硝化。

由于吹入的气体以及反应过程中产生的气体全部在横隔板下方聚集形成气室，因此气室的体积逐渐增大，气水界面逐渐下移，当气室底部达到汇合式U型气控管6底部位置时，气体会以脉冲形式携带部分泥水混合物从U型气控管6汇入上升主管8到达集气室9。而气体中含有N₂O，这些含有N₂O的气体可以经由顶部的集气管11排出反应器，并通过储气罐等方式进行收集。而集气室9中的泥水混合物则从中心回液管10回流回气控反应区II。

含氮废水流经气控反应区II后完成了反硝化菌的脱氮处理，处理完毕的废水沿安全管7进入泥水分离区III，在泥水分离区III中由于重力作用进行液、固分离，分离出的污泥沉降在横隔板上并通过自助压力排泥管13定期排出反应器，而上清液则经过溢流堰12和出水管14出水。泥水分离区III底部的横隔板中可能尽小部分污泥或者泥水混合物无法完全通过自助压力排泥管13排出，因此此部分污泥在反应过程中，会在U型气控管6脉冲式抽吸过中由于气控反应区II的瞬时负压，从安全管7被抽吸进而回流至气控反应区II，不会造成上方污泥聚集，最大限度利用活性污泥。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，然其并非用以限制本实用新型。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，其特征在于：反应器从下到上依次设有环形布水区(I)、气控反应区(II)、泥水分离区(III)；

环形布水区(I)底部一侧设有放空管(1)，另一侧设有进气总管(2)，进气总管(2)与底部中部的微孔曝气管(3)相连；环形布水区(I)上部环绕一根进水主管(4)，进水主管(4)与上方三个斜切式布水器(5)相连，且斜切式布水器(5)的布水口伸入环形布水区(I)内朝下；环形布水区(I)与气控反应区(II)相连；气控反应区(II)与泥水分离区(III)之间通过一块横隔板分隔；所述横隔板上设有至少1条连通气控反应区(II)与泥水分离区(III)的安全管(7)，安全管(7)顶部与所述横隔板上表面平齐，底部伸入气控反应区(II)中；泥水分离区(III)中设有集气室(9)、溢流堰(13)、汇合式U型气控管(6)和自助压力排泥管(12)，所述汇合式U型气控管(6)由两条对称的气控管顶部汇合后形成U型，且汇合位置与上升主管(8)底部相连，上升主管(8)顶部伸入集气室(9)中；所述汇合式U型气控管(6)的两条气控管底部穿过所述横隔板后伸入气控反应区(II)中，且底部的开口高度高于所述安全管(7)的底部开口；所述自助压力排泥管(12)的顶部位于所述横隔板上表面，底部伸出反应器外；所述集气室(9)下端连通中心回液管(10)，中心回液管(10)穿过所述横隔板后延伸至环形布水区(I)上部，集气室(9)通过集气管(11)连接至反应器外部；所述溢流堰(13)沿泥水分离区(III)内壁环向设置，其集水腔通过出水管(14)连接至反应器外部。

2.根据权利要求1所述的一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，其特征在于：环形布水区(I)、气控反应区(II)与泥水分离区(III)的高度之比为1：(9～10)：(3～4)，环形布水区(I)与气控反应区(II)高度之和与气控反应区(II)的直径比为(5～7)：1。

3.根据权利要求1所述的一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，其特征在于：泥水分离区(III)的直径与气控反应区(II)的直径之比为(1.5～1.8)：1。

4.根据权利要求1所述的一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，其特征在于：三个斜切式布水器(5)沿环形布水区(I)周向均布，其布水口均倾斜向下布置，且在水平面上朝同一方向倾斜，用于形成环形水流。

5.根据权利要求1所述的一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，其特征在于：汇合式U型气控管(6)的底部距离泥水分离区(III)底部的距离为反应区高度的0.07～0.08；U型气控管(6)的直径为气控反应区(II)直径的1/10～1/9。

6.根据权利要求1所述的一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，其特征在于：溢流堰(13)位于泥水分离区(III)的2/3高度处，集气室(9)的中部与溢流堰(13)上沿等高，集气室(9)的直径为气控反应区(II)直径的0.4～0.5，高度为泥水分离区(III)高度的1/3。

7.根据权利要求1所述的一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，其特征在于：中心回液管(10)的底端与环形布水区(I)底部的距离为环形布水区(I)高度的0.8～0.9，中心回液管(10)的直径为反应区(II)直径的0.13～0.15。

8.根据权利要求1所述的一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，其特征在于：安全管(7)有两条，安全管(7)底部开口具有斜向弯头。

9.根据权利要求1所述的一种气控式生物脱氮同步回收N₂O反应器，其特征在于：所述的自助压力排泥管(12)顶部开口的底部与所述横隔板上表面平齐，自助压力排泥管(12)穿过所述横隔板后延伸到环形布水区(I)并伸出反应器外壳。

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