一种反硝化脱氮反应器及其脱氮方法与流程

本发明涉及污水处理领域，并且更具体地涉及一种反硝化脱氮反应器及其脱氮方法。

背景技术：

随着经济发展，我国水体中由氮素引起的污染日益严重，国家及各省排放标准中，已经对氨氮和总氮排放指标进行严格控制，降低排水中总氮含量成为目前许多企业面临的问题。总氮在污水中，主要以有机氮、氨氮和(亚)硝态氮形式存在，其中(亚)硝态氮是总氮难以达标则主要原因。此外，在一些工业废水中，也含有大量硝态氮污染物，如国防工业炸药、煤制乙二醇、光伏行业单/多晶硅、钢铁及机械加工、催化剂生产等行业废水，由于生产过程产生或使用硝酸或硝酸盐等，废水中硝态氮的含量达到几百甚至上千mg/l，如何处理该类废水，成为目前解决废水总氮超标的重要环节。

由于硝态氮较稳定，一般混凝沉淀、氧化等方法无法去除，虽然对高浓度硝态氮废水，可通过离子交换或反渗透膜进行去除，但对进水要求较高，且会产生高浓盐水仍需进一步处理。

现有的脱氮技术存在以下缺陷：

传统生物脱氮技术，主要采用a/o(缺氧/好氧)或sbr(序批式间歇活性污泥法)生化工艺，通过生物硝化反硝化作用进行，在好氧条件下，通过硝化菌，将氨氮转化为no3-或no2-，然后在缺氧环境下，通过兼性厌氧反硝化菌，将水中的no3-或no2-代替o2(氧气)作为电子受体，将no3-或no2-通过反硝化过程，还原为n2的过程。但对于含高硝态氮工业废水，如煤制乙二醇、光伏行业单/多晶硅等含有废水，其中总氮主要以no3-n形式存在，氨氮含量较少，采用传统的a/o工艺无法对其进行有效处理，且由于进水总氮处理负荷低，造成池体体积较大，占地面积大，反应过程中温度控制成本较高，耐冲击负荷能力差，难以满足要求。

因此，对高浓度硝态氮废水，目前一般采用反硝化脱氮反应器/塔进行处理，采用封闭或半封闭形式严格控制其缺氧环境，强化反硝化菌的反硝化过程，达到对高浓度no3-n的处理目的。

但现有常见的反硝化脱氮反应器/塔，受到内部流速、泥水混合状态、菌种等限制，在现场运行中，实际脱氮效果较差，存在的主要问题如下：

(1)反应器内水流状态

由于废水中(亚)硝态氮浓度较高，而高浓度(亚)硝态氮浓度会对反硝化菌产生抑制作用，阻碍反硝化反应的正常进行，因此，如何保证反应器内部流动状态，防止短流情况发生，使污泥与污水处于均匀混合状态，成为保证脱氮效果的关键。

(2)回流循环量大

为改善反应器内混合状态，一般采用大高径比反应器或增大回流量等方式，提高反应器内部流速，所需水泵扬程高，或者循环回流量为进水量的5-8倍，使整体脱氮工艺运行成本高，能耗大，在工程实际中，能耗费占运行费用中的40％～60％。

(3)气体分离差

由于反应器内上升流速快，且反硝化过程产生气泡较小，使气固液分离困难，常规三相分离器分离效果差，污泥沉降性差，造成出水悬浮物高，污泥流失、污泥活性差等问题，对反应器内反硝化生化过程产生不利影响。

(4)控制参数

反硝化过程需要在缺氧条件下进行，且反硝化为产碱过程，如何控制反硝化所需的温度、ph值、碳源等，成为保证反应器内反硝化过程正常进行的主要因素。

综上，急需一种经济而高效的去除水体中硝态氮的方法。

技术实现要素：

本发明的一些实施例提供了一种反硝化脱氮的反应器，以从上到下的顺序，包括：沉淀区、三相分离区、反应区和排泥区，其中：所述反应区设置在所述排泥区正上方并且与所述排泥区流体连通；所述三相分离区设置在所述反应区和所述沉淀区之间，并且分别与所述反应区和所述沉淀区流体连通；所述沉淀区设置在所述反应区正上方并且由释气室围绕，所述沉淀区和所述释气室都与所述三相分离区和所述反应区流体连通；其中，所述反应器的中心筒将所述反应区分为内部区域和外部区域。

在一些实施例中，所述三相分离区包括设置在中心筒上方外侧处的导流板、设置在中心筒的中心部分正上方的沉降板以及设置在所述沉降板之间的反射锥，其中，所述三相分离区通过所述导流板与所述沉淀区周围的释气室流体连通，并且通过沉降板污泥回流口将所述反应区的内部区域和所述沉淀区流体连通。

在一些实施例中，该反应器还包括：进水布水器，设置在所述反应器的底部，并且位于所述中心筒的外部和所述反应器的外壁之间。其中，所述进水布水器的开口向上。

在一些实施例中，该反应器还包括：污泥回流口，设置在所述反射锥和沉降板之间，其中，所述沉淀区通过污泥回流口与所述反应区的内部区域流体连通，实现沉淀区污泥回流。

在一些实施例中，该反应器还包括：回流泵，被配置为从所述三相分离区的导流板的外侧吸水室吸水，并且将水提供给回流布水器，其中，所述回流布水器设置在中心筒的顶部中心并且开口向下，使反应区内部区域水流方向向下，在所述污泥回流口处形成微负压。。

在一些实施例中，所述沉降板与竖直方向的第一夹角为40～60°；所述导流板与竖直方向的第二夹角为40～60°；以及所述沉淀区的液面与所述导流板的上沿的高度差为0.5-2m。

在一些实施例中，所述中心筒的直径与所述反应器的直径比为0.61-0.68；所述反应器的高径比为2-5；所述反应器通过回流泵使循环回流量比为200-400％；所述反应区内的水流速度为：5-8m/h。

在一些实施例中，所述反应区的污泥浓度为6000-14000mg/l，ph值为6.5-8.5，温度为25-35℃，溶氧量为0.1-0.6mg/l。

本发明的另一些实施例提供了一种反硝化脱氮反应器的脱氮方法，包括：将废水从反应器的底部进入反应区的外部区域，得到呈流化状态的泥水混合物，其中，所述反应器的中心筒将所述反应区分为内部区域和外部区域；使所述呈流化状态的泥水混合物在所述反应区的外部区域内向上流动，进入设置在反应区上方的三相分离区；所述呈流化状态的泥水混合物一方面经过所述三相分离区中的导流板将产生的气体继续上升进入释气室，另一方面将气体分离后的泥水混合物的一部分经由中心筒与所述三相分离区中的沉降板之间的通道进入所述反应区的内部区域，而将气体分离后的泥水混合物的另一部分沿所述沉降板的上部的通道进入设置在所述三相分离区上方的沉淀区，其中，所述释气室设置为围绕所述沉淀区释气室上端直接与大气相通；在所述沉淀区实现所述气体分离后的另一部分泥水混合物的固液分离，分离后上清液通过沉淀区上部的出水偃，经出水管排出反应器；将所述固液分离后的污泥经由设置在所述反射锥和沉降板之间污泥回流口返回至所述反应区的内部区域，在中心筒内部与回流布水器出水混合后，向下流至反应区底部，然后通过中心筒与污泥区之间的通道进入所述反应区的外部区域，实现水流在中心筒内外两个反应区的循环流动；其中，所述呈流化状态的泥水混合物通过反硝化作用产生所述气体。

在上述脱氮方法中，所述废水通过设置在所述反应器的底部的进水布水器进入所述反应区的外部区域；以及利用设置在所述中心筒的顶部中心的所述回流布水器将所述气体分离后的泥水混合物通过回流泵注入反应区的内部区域；以及固液分离后的污泥经由污泥回流口返回至所述反应区的内部区域。

在上述脱氮方法中，该脱氮方法还包括：在将所述固液分离后的污泥经由设置在所述反射锥和沉降板之间污泥回流口返回至所述反应区的内部区域之后，所述反应区的内部区域通过反硝化作用产生的气泡上升，在反射锥的阻挡作用下折向两边，经所述导流板分离后，上升进入所述释气室释放，可防止气泡进入沉淀区，对固液分离产生不利影响。

在上述脱氮方法中，该脱氮方法还包括：通过排泥区将沉积的污泥排出，进一步地，通过排泥管定时排出。

附图说明

图1示出了本发明的反硝化脱氮反应器的装置流程图(其中，①-沉淀区；②-三相分离区；③-反应区和④-排泥区；1-进水管；2-进水布水器；3-反应器外壁；4-中心筒；5-回流布水器；6-反射锥；7-沉降板；8-导流板；9-释气室；10-溢流堰；11-出水管；12-吸水室；13-回流管吸水管；14-回流管出水管；15-回流循环泵；16-进水泵；17-排泥管18-污泥回流口)。

具体实施方式

下面的实例可以使本领域技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

本发明根据高硝态氮工业污水处理技术的需求，基于反硝化菌对硝态氮进行反硝化生化工艺特点，解决目前现场实际中反硝化脱氮反应器存在的关键问题，形成一种高效的反硝化脱氮反应器。

本发明提供的反硝化脱氮反应器，以从上到下的顺序包括：沉淀区、三相分离区、反应区和排泥区，其中：反应区设置在排泥区正上方并且与排泥区流体连通；三相分离区设置在反应区和沉淀区之间，并且分别与反应区和沉淀区流体连通；沉淀区设置在反应区正上方并且由释气室围绕，沉淀区和释气室都与三相分离区和反应区流体连通；其中，反应器的中心筒将反应区分为内部区域和外部区域。

本发明提供的反硝化脱氮反应器通过对脱氮反应器内部优化设计，可降低反应器内循环量，保证污泥和污水呈均匀流化混合状态，避免局部(亚)硝酸氮聚集，对反硝化作用产生抑制，强化了生物反硝化过程，并通过气体分离设计，实现气固液三相高效分离及污泥自动回流，提高反应器的运行稳定性及脱氮效率，达到对高浓度no3-n的处理目的，使其满足后续处理工艺或直接排放需求。

在一些实施例中，三相分离区包括设置在中心筒上方外侧处的导流板、设置在中心筒的中心部分正上方的沉降板以及设置在沉降板之间的反射锥，该三相分离区通过导流板与沉淀区周围的释气室流体连通，并且通过沉降板将反应区的内部区域和沉淀区流体连通。

在一些实施例中，该反应器还包括：进水布水器，设置在反应器的底部，并且位于中心筒的外部和反应器的外壁之间。其中，进水布水器的开口向上。

在一些实施例中，该反应器还包括：污泥回流口，设置在所述反射锥和所述沉降板之间，其中，所述沉淀区通过污泥回流口与所述反应区的内部区域流体连通，实现沉淀区污泥回流。

在一些实施例中，该反应器还包括：回流泵，被配置为从所述三相分离区的导流板的外侧吸水室吸水，并且将水提供给回流布水器，其中，回流布水器设置在中心筒的顶部中心并且开口向下，使反应区内部区域水流方向向下，在所述污泥回流口处形成微负压。

在一些实施例中，沉降板与竖直方向的第一夹角为40～60°，如45-55°；导流板与竖直方向的第二夹角为40～60°，如45-55°。

在一些实施例中，沉淀区的液面与导流板的上沿的高度差为0.5-2m，如1-2m，通过增大反应器直径方式，保证沉淀区内泥水分离效果，沉淀区表面负荷为1.5-0.6m/h，优选为1-0.7m/h。

在一些实施例中，中心筒的直径与反应器的直径比为0.61-0.68，如0.63-0.66，保证使中心筒内外的反应区的内部区域和外部区域的流速相同；反应器的高径比为2-5，如2.5-4；反应器通过回流泵使循环回流量比为200-400％，如250-350％；反应区内的水流速度为：5-8m/h，如6-7m/h。

在一些实施例中，反应区的污泥浓度为6000-14000mg/l，如8000-12000mg/l，ph值为6.5-8.5，如6.8-7.5，温度为25-35℃，如28-32℃，溶氧量为0.1-0.6mg/l，如0.2-0.5mg/l。

本发明还提供了一种反硝化脱氮反应器的脱氮方法，包括：将废水从反应器的底部进入反应区的外部区域，得到呈流化状态的泥水混合物，其中，反应器的中心筒将反应区分为内部区域和外部区域；使呈流化状态的泥水混合物在反应区的外部区域内向上流动，进入设置在反应区上方的三相分离区；呈流化状态的泥水混合物一方面经过三相分离区中的导流板将产生的气体继续上升进入释气室，另一方面将气体分离后的泥水混合物的一部分经由中心筒与三相分离区中的沉降板之间的通道进入反应区的内部区域，而将气体分离后的泥水混合物的另一部分沿沉降板的上部的通道进入设置在三相分离区上方的沉淀区，其中，释气室设置为围绕沉淀区；释气室上端直接与大气相通；在所述沉淀区实现所述气体分离后的另一部分泥水混合物的固液分离，分离后上清液通过沉淀区上部的出水偃，经出水管排出反应器；将所述固液分离后的污泥经由设置在所述反射锥和沉降板之间污泥回流口返回至所述反应区的内部区域，在中心筒内部与回流布水器出水混合后，向下流至反应区底部，然后通过中心筒与污泥区之间的通道进入所述反应区的外部区域，实现水流在中心筒内外两个反应区的循环流动；其中，所述呈流化状态的泥水混合物通过反硝化作用产生所述气体。

在一些实施例中，废水通过设置在所述反应器的底部的进水布水器进入反应区的外部区域；以及利用设置在中心筒的顶部中心的回流布水器将气体分离后的泥水混合物通过回流泵注入反应区的内部区域；以及固液分离后的污泥经由污泥回流口返回至反应区的内部区域。

该方法还包括：在将所述固液分离后的污泥经由设置在所述反射锥和沉降板之间污泥回流口返回至所述反应区的内部区域之后，所述反应区的内部区域通过反硝化作用产生的气泡上升，在反射锥的阻挡作用下折向两边，经所述导流板分离后，上升进入所述释气室释放，可防止气泡进入沉淀区，对固液分离产生不利影响。

该方法还包括：通过排泥区将沉积的污泥排出，进一步地，通过排泥管定时排出。

本发明提供的反硝化脱氮反应器及其脱氮方法，能够实现对高浓度硝态氮废水的处理需求，(1)对硝态氮去除率高：对硝态氮的去除率可达到90％以上，可满足后续处理工序或直接排放要求；(2)脱氮负荷高：通过优化设计，改善反应器内部结构，保证泥水呈均匀流化状态，强化反硝化过程，提高总氮去除容积负荷达1.5-2.5kgtn/(m³·d)；(3)通过改善反应器内部结构，可降低高径比或减少反应器内部循环回流量，回流比可降为200％-300％，节约运行能耗及成本。

具体地，参考图1，高效反硝化脱氮反应器从上到下主要分为：沉淀区①、三相分离区②、反应区③和排泥区④。反应器内部的中心筒4将反应区分为内部区域ⅱ和外部区域ⅰ。

高硝态氮的泥水混合物经进水泵16加压后，通过进水管1，从反应器底部经进水布水器2进入反应器，进水布水器2均匀分布反应器底部，位于中心筒4外部和反应器外壁3之间，开口向上，呈流化状态的泥水混合物在反应区③的内部区域ⅰ内向上流动，进入三相分离区②，气固液三相混合物经导流板8分离后，将反硝化作用产生气泡继续上升进入释气室9，最终通过释气室上部直接排放；气体分离后的泥水混合物一部分经中心筒4与沉降板7之间的通道直接进入中心筒4反应区③的内部区域ⅱ，另一部分沿沉降板7上部的狭形通道进入沉淀区①，在沉淀区实现固液分离，分离后上清液经沉淀区顶部的溢流偃10通过出水管11排出，而污泥在污泥回流口18处形成污泥层，污泥经污泥回流口18返回到反应区③的内部区域ⅱ；回流泵15从位于导流板外侧的吸水室12吸水，然后通过位于中心筒4顶部中心的回流布水器5进入到反应区③的内部区域ⅱ，回流布水器5开口向下，使反应区③的内部区域ⅱ内的水流向下流动，在污泥回流口18形成微负压，有利于污泥回流；反应区③的内部区域ⅱ内反硝化过程产生的气泡上升经反射锥6的阻挡作用下折向两边，经导流板8分离后，上升进入释气室9释放；反应区ⅱ内呈流化状态的泥水混合物向下流到中心筒4底部，经过中心筒4和排泥区之间的通道，与布水器2进水混合后，进入反应区③的外部区域ⅰ，最终实现反应水流在中心筒4内外两个反应区的循环流动，保证反应器内水流速度，防止短流造成(亚)硝态氮局部聚集，抑制反硝化作用的进行。

沉积在反应器内底部排泥区④内的污泥，通过排泥管17排出反应器；

该高效反硝化脱氮反应器的中心筒4直径与反应器直径比为0.61-0.68，优选为0.63-0.66，保证使中心筒的反应区的外部区域ⅰ和内部区域ⅱ内的流速相同，反应器高径比为2-5，优选为2.5-4；反应器通过回流泵使循环回流量比为200-400％，优选为250-350％；反应区内水流速度为：5-8m/h，优选为6-7m/h。

反应器内反应区污泥浓度为6000-14000mg/l，优选为8000-12000mg/l，控制ph值为6.5-8.5，优选为6.8-7.5，温度为25-35℃，优选为28-32℃，控制溶解氧为0.2-0.6mg/l，优选为0.3-0.5mg/l。

三相分离区内，沉降板7与竖直方向夹角α为40～60°，优选为45-55°，导流板8与竖直方向夹角β为40～60°，优选为45-55°。

沉淀区液面与导流板8上沿高度差为0.5-2m，优选为1-2m，通过增大反应器直径方式，保证沉淀区内泥水分离效果，沉淀区表面负荷为1.5-0.6m/h，优选为1-0.7m/h。

为防止释气室内产生的泡沫溢出，还在释气室顶部设置有喷淋消泡装置。

实施例1

某化工企业，生产过程中产生一股废水，其中硝态氮含量为800mg/l，cod(化学需氧量)为3500-4000mg/l，水量为20m3/h。该污水中硝态氮含量较高，而氨氮含量较低，无法采用常规a/o生化工艺处理，因此采用本发明中高效反硝化脱氮反应器对该废水进行脱氮处理，去除硝态氮，出水进入后续生化处理段，对剩余cod和氨氮等进行处理后达标排放。

反应器外形尺寸为：φ5*17m，高径比为：3.4，反应器顶部沉淀区和释气室总直径为：6.5m，反应器内部反应区中心筒直径为3.2m，中心筒与反应器直径比为0.64，回流泵流量为40-50m3/h，回流比为200％，反应区内水流流速为：5～6m/h，反应器内污泥浓度为9000mg/l，ph为7.0～7.5，温度为29～32℃，溶氧量为0.3-0.5mg/l，沉淀区表面负荷为0.78m/h。运行过程中，添加工业甲醇作为反硝化过程中反硝化菌碳源补充。

废水进入高效反硝化脱氮反应器内，通过强化反硝化菌的反硝化作用，实现对硝态氮的去除目的，同时对水中原有cod也有一定去除效果，进出水主要指标如下表1：

表1

通过以上数据可以看出，高效反硝化脱氮反应器对进水硝态氮去除率在90％以上，出水硝态氮<80mg/l，总氮降到100mg/l左右，满足常规生化处理进水要求，对原水中的cod去除率也达到60％左右，进水容积负荷达1.6kgtn/(m³·d)。

本发明提供的反硝化脱氮反应器及其脱氮方法的有益效果在于：

(1)优化脱氮反应器的内部设计：通过中心筒，将反应区分为内部区域和外部区域，通过布水器，实现反应区的外部区域ⅰ内水流向上流动，反应区的内部区域ⅱ水流向下流动，并通过上下实现两反应区连通，达到提高反应器内部水流速度目的，保证反应区内污泥和污水呈均匀混合流化状态；为使中心筒内外流速相同，中心筒直径与反应器直径比例为0.61-0.68，如0.63-0.66。通过该内部优化设计，能够减少反应器内部循环回流量，可将循环回流量比由500-800％降为200-300％，从而大幅减少运行过程中由于回流泵产生的能耗。

(2)回流泵从三相分离区上部导流板外侧的循环吸水室吸水，此时水中污泥被导流板进一步拦截，而气泡上升从释气室排出，吸水区内取水，可防止水中气泡进入循环回流泵内，造成回流量减少，对反应区水量状态造成影响，并避免循环泵能效降低及设备气蚀。

(3)反应器的反应区的外部区域ⅰ内上升的泥水混合物经过三相分离区，与气体分离后的液固混合物沿沉降板上部的狭形通道进入沉淀区，固液分离后澄清液从溢流口排出，污泥在污泥回流口形成污泥层，而中心筒内反应区ⅱ由于向下的水流速度在此处又形成微负压，可增加污泥回流口的污泥的回流动力，实现污泥自回流；以及

通过三相分离区设计，反应区的外部区域ⅰ气固液三相混合物不直接冲击反射锥，因此避免了由于三相分离器设计不合理，造成进水短路，使泥水混合物从污泥回流口而不是进水口进入沉淀区，造成污泥难以返回反应区的问题，使污水和污泥回流严格分开，有利于沉淀区工作，提高沉淀效率。

(4)反应区的内部区域ⅱ内水流向下，反硝化过程产生的气泡上升经反射锥的阻挡作用下折向两边，经导流板分离后，上升进入释气室释放，过程中气泡与水流速度相反，有利于气泡的分离。

(5)分离出的气泡经三相分离区分离后，进入释气室，与污泥进一步实现分离，产生的氮气直接可通过水面排到大气中，不需设置水封罐，沉淀少量污泥进入吸水室，随回流返回反应区。

综上，本发明提供的反硝化脱氮反应器及其脱氮方法，在严格控制缺氧环境下，利用具有高浓度、高活性反硝化菌，通过内部结构优化设计，在低内回流循环量条件下，提高内部水流速度，实现污水及污泥均匀流化状态，避免局部(亚)硝态氮浓度局部聚集，对反硝化菌产生抑制作用，同时对三相分离区进行改进，实现气固液三相高效分离，防止污泥流失，强化反硝化反应过程，最终保证出水指标，降低运行能耗，达到对高浓度no3-n的处理目的。

本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中他们可以做出多种变化、替换以及改变。