一种易沉藻处理高含氮废水半开放式生物反应器及其使用方法与流程

本发明涉及一种处理高含氮废水生物反应器及其使用方法。

背景技术：

氮(n)循环的管理被美国国家工程院(nationalacademyofengineering)认定为21世纪的重大挑战之一。氮的主要来源是高铵(nh4⁺)强度的废水，如工业废水(食品加工、化肥、塑料工业)、垃圾渗滤液、分离尿源和厌氧消化的集中物)。这些废水具有挑战性，而且处理费用昂贵。高浓度的nh4⁺往往会被回收到污水处理厂的废水处理系统中，导致不规律的高营养负荷，从而打乱生物脱氮(bnr)的主流流程，增加成本。

而对藻类来说，高含氮工业废水是其生长的良好培养基，提供氮、磷和碳源。许多藻类物种可以在高含氮工业废水中生长，这些废水中含有重金属等有毒有害物质。通过微藻来处理高含氮工业废水是一种双赢的策略，不仅能够增加藻类生物量从而生产以藻类为基础的清洁能源，也节省了大量与去除氮、磷等相关的资金。传统的藻类污水处理系统，包括跑道池等开放式光生物反应器、平板式、管式等不同类型的封闭生物反应器。

然而，传统的开放式藻培养有各种限制：(1)由于自阴影效应，光透入受限；(2)水面下部co2浓度低导致光合成效率低；(3)收集悬浮藻生物量既消耗能源又昂贵；(4)生物质的低效收获导致出水水质恶化。封闭式则需要不断提供光能、结构复杂，造价高昂等，这些缺点极大地限制了光生物反应器的升级以及藻对高含氮废水处理方法的发展。

技术实现要素：

本发明是要解决现有的开放式藻培养反应器光透入受限、水面下部co2浓度低导致光合成效率低、收集悬浮藻生物量既消耗能源又昂贵，生物质的低效收获导致出水水质恶化；而封闭式则需要不断提供光能、结构复杂，造价高昂的技术问题，而提供一种易沉藻处理高含氮废水半开放式生物反应器及其使用方法。

本发明的易沉藻处理高含氮废水半开放式生物反应器是由进水管1、喷头2、鼓风机3、穿孔曝气管4、格栅5、尼龙布6、led照明灯7、第一挡渣板8、溢流堰9、第二挡渣板10、出水管11、反应器主体12、排水管13、排泥管14和光度计15组成；

反应器主体12为透明箱体，反应器主体12的上方为敞口形式，反应器主体12的内部下方分别设置进水管1、穿孔曝气管4和排水管13，穿孔曝气管4的进气口与鼓风机3的出气口连通，鼓风机3设置在反应器主体12的外部；进水管1的出水口处设置一个喷头2，喷头2位于反应器主体12的中轴线上，喷头2的出水口朝上方；进水管1、穿孔曝气管4和排水管13上各设置一个阀门，三个阀门均位于反应器主体12的外部；所述的穿孔曝气管4的壁面孔洞朝上；

在进水管1、穿孔曝气管4和排水管13的上方水平设置格栅5，格栅5固定在反应器主体12的内壁上且格栅5位于反应器主体12的中下部，在格栅5的上表面固定一层尼龙布6，在反应器主体12的内壁上设置排泥管14且排泥管14在尼龙布6的上方，排泥管14上设置一个阀门；在反应器主体12的内壁中上部设置一个光度计15；在反应器主体12的外壁中部均匀设置多个led照明灯7；

在反应器主体12的上沿由侧壁向外设置溢流堰9，溢流堰9的侧壁下部设置出水管11，出水管11上设置阀门；溢流堰9的侧壁上部设置一圈第一挡渣板8，第一挡渣板8为一个平板且竖直设置，第一挡渣板8的底部与溢流堰9的内部底面之间留有空隙；溢流堰9的内部底面上设置一圈第二挡渣板10，第二挡渣板10的截面为直角三角形且斜边朝向反应器主体12内部，第一挡渣板8的底部与第二挡渣板10的斜面之间留有空隙。

本发明的易沉藻处理高含氮废水半开放式生物反应器的使用方法如下：

一、打开进水管1的阀门向反应器主体12中通入待处理的废水，并打开鼓风机3曝气和穿孔曝气管4上的阀门；采用间歇式进水方式；

二、从反应器主体12的上方加入处于对数生长期的易沉藻；

三、通过调节鼓风机3的档数和穿孔曝气管4上的阀门来调节反应器主体12中的曝气量，使易沉藻与待处理的废水混合均匀，且易沉藻稳定在尼龙布6与反应器主体12的上沿之间的中间部位，在反应器主体12上部的水呈现层流；

四、在溢流堰9的侧壁和第二挡渣板10之间的区域取水样进行检测，当检测结果不达标时，继续投加易沉藻或增加运行时间；当检测结果达标时打开出水管11上的阀门排出处理后的水；

五、当光强计15的数据不达标时开启led照明灯7对反应器主体12内部补充光强度；

六、当反应器主体12中的易沉藻发黄且水样检测不达标时，打开排水管13排水，用刮泥机将反应器主体12中的易沉藻堆积到排泥管14处，打开排泥管14上的阀门，取出易沉藻；重复步骤一至六的过程至待处理的水全部处理完；

七、待处理的水全部处理完后，打开排水管13排水，用刮泥机将反应器主体12中的易沉藻堆积到排泥管14处，打开排泥管14上的阀门，取出易沉藻。

层流是雷诺系数小于2300的水流。

易沉藻是容易沉淀的藻类。

本发明使用时，易沉藻加入到反应器本体12后，启动鼓风机3向反应器本体12中曝气，并调节曝气强度后，易沉藻与待处理的高含氮废水在反应器本体12中部均匀混合，易沉藻利用高含氮废水中的氮、磷和碳等营养元素结合透射进入反应器本体12的阳光或led照明灯7进行光合作用，快速生长繁殖，从而将高含氮废水中的氮含量降到排放标准以下(排放标准根据不同的工况而不同)，然后在反应器本体12上部稳水层(即水呈现层流的位置)因易沉藻易沉、易聚集的特性向下沉淀，并通过两个挡渣板进一步的分离，在溢流堰9处获得含藻量极少的处理后的水，检测达标后通过出水管11流出。

步骤五在反应器本体12获得光照不足时才开启，一般为光强计低于5000lx时启动，可视具体运行情况调整。

本发明在高含氮废水难以处理、用藻进行生物处理时能耗大，难以收获，出水ss值难以达标的背景下，实现简单易操作、能耗低、处理效果好等优点。而且结构简单、易扩建、投资小、后期易检修维护。

本发明仅需要间歇的更换易沉藻通过穿孔曝气管4通入co2或空气就可实现对高含氮废水的处理，不需要复杂的构件或运行条件，设备易放大、运行费用较低。

本发明可以通过调节曝气强度使反应器本体12上部为稳水层，使易沉藻在该区域下沉，达到控制出水水质的效果。本发明通过沉淀来收获易沉藻，方便简单且大大降低了运行费用。本发明在反应器本体12外壁上均匀布置led照明灯7使得反应器本体12在阴雨天等阳光不足时仍有足够的光照，比开放式光生物反应器更易运行，比封闭式反应器更节能减耗。

本发明通过将易沉藻置于透明反应器中，利用阳光、空气并辅以曝气、照明形成半开放式光生物反应器，应用于高含氮污水二级处理或三级处理有效脱氮，可大大减少能源的消耗、提高效率、并可回收易沉藻循环利用或产生附加值。

附图说明

图1为具体实施方式一的易沉藻处理高含氮废水半开放式生物反应器的示意图；

图2为图1中溢流堰9所处高度部分的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种易沉藻处理高含氮废水半开放式生物反应器，如图1-图2所示，具体是由进水管1、喷头2、鼓风机3、穿孔曝气管4、格栅5、尼龙布6、led照明灯7、第一挡渣板8、溢流堰9、第二挡渣板10、出水管11、反应器主体12、排水管13、排泥管14和光度计15组成；

反应器主体12为透明箱体，反应器主体12的上方为敞口形式，反应器主体12的内部下方分别设置进水管1、穿孔曝气管4和排水管13，穿孔曝气管4的进气口与鼓风机3的出气口连通，鼓风机3设置在反应器主体12的外部；进水管1的出水口处设置一个喷头2，喷头2位于反应器主体12的中轴线上，喷头2的出水口朝上方；进水管1、穿孔曝气管4和排水管13上各设置一个阀门，三个阀门均位于反应器主体12的外部；所述的穿孔曝气管4的壁面孔洞朝上；

在进水管1、穿孔曝气管4和排水管13的上方水平设置格栅5，格栅5固定在反应器主体12的内壁上且格栅5位于反应器主体12的中下部，在格栅5的上表面固定一层尼龙布6，在反应器主体12的内壁上设置排泥管14且排泥管14在尼龙布6的上方，排泥管14上设置一个阀门；在反应器主体12的内壁中上部设置一个光度计15；在反应器主体12的外壁中部均匀设置多个led照明灯7；

在反应器主体12的上沿由侧壁向外设置溢流堰9，溢流堰9的侧壁下部设置出水管11，出水管11上设置阀门；溢流堰9的侧壁上部设置一圈第一挡渣板8，第一挡渣板8为一个平板且竖直设置，第一挡渣板8的底部与溢流堰9的内部底面之间留有空隙；溢流堰9的内部底面上设置一圈第二挡渣板10，第二挡渣板10的截面为直角三角形且斜边朝向反应器主体12内部，第一挡渣板8的底部与第二挡渣板10的斜面之间留有空隙。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的反应器主体12为透明pc材质构成，透光率为12％～88％。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述的反应器主体12为长方体，长宽比为(1～2):1。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的溢流堰9的过堰负荷宜为2l/(s×m)～3l/(s×m)。其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式为具体实施方式一中的易沉藻处理高含氮废水半开放式生物反应器的使用方法，具体如下：

一、打开进水管1的阀门向反应器主体12中通入待处理的废水，并打开鼓风机3曝气和穿孔曝气管4上的阀门；采用间歇式进水方式；

二、从反应器主体12的上方加入处于对数生长期的易沉藻；

三、通过调节鼓风机3的档数和穿孔曝气管4上的阀门来调节反应器主体12中的曝气量，使易沉藻与待处理的废水混合均匀，且易沉藻稳定在尼龙布6与反应器主体12的上沿之间的中间部位，在反应器主体12上部的水呈现层流；

四、在溢流堰9的侧壁和第二挡渣板10之间的区域取水样进行检测，当检测结果不达标时，继续投加易沉藻或增加运行时间；当检测结果达标时打开出水管11上的阀门排出处理后的水；

五、当光强计15的数据不达标时开启led照明灯7对反应器主体12内部补充光强度；

六、当反应器主体12中的易沉藻发黄且水样检测不达标时，打开排水管13排水，用刮泥机将反应器主体12中的易沉藻堆积到排泥管14处，打开排泥管14上的阀门，取出易沉藻；重复步骤一至六的过程至待处理的水全部处理完；

七、待处理的水全部处理完后，打开排水管13排水，用刮泥机将反应器主体12中的易沉藻堆积到排泥管14处，打开排泥管14上的阀门，取出易沉藻。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤二中所述的易沉藻为栅藻、小球藻、葡萄藻或球囊藻。其他与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式五不同的是：步骤六中所述的刮泥机为桥式刮泥机。其他与具体实施方式五相同。

用以下试验对本发明进行验证：

试验一：本试验为一种易沉藻处理高含氮废水半开放式生物反应器，如图1-图2所示，具体是由进水管1、喷头2、鼓风机3、穿孔曝气管4、格栅5、尼龙布6、led照明灯7、第一挡渣板8、溢流堰9、第二挡渣板10、出水管11、反应器主体12、排水管13、排泥管14和光度计15组成；所述的反应器主体12为透明pc材质构成，透光率为80％；所述的反应器主体12为长方体，长宽比为2:1所述的溢流堰9的过堰负荷宜为3l/(s×m)；

反应器主体12为透明箱体，反应器主体12的上方为敞口形式，反应器主体12的内部下方分别设置进水管1、穿孔曝气管4和排水管13，穿孔曝气管4的进气口与鼓风机3的出气口连通，鼓风机3设置在反应器主体12的外部；进水管1的出水口处设置一个喷头2，喷头2位于反应器主体12的中轴线上，喷头2的出水口朝上方；进水管1、穿孔曝气管4和排水管13上各设置一个阀门，三个阀门均位于反应器主体12的外部；所述的穿孔曝气管4的壁面孔洞朝上；

在进水管1、穿孔曝气管4和排水管13的上方水平设置格栅5，格栅5固定在反应器主体12的内壁上且格栅5位于反应器主体12的中下部，在格栅5的上表面固定一层尼龙布6，在反应器主体12的内壁上设置排泥管14且排泥管14在尼龙布6的上方，排泥管14上设置一个阀门；在反应器主体12的内壁中上部设置一个光度计15；在反应器主体12的外壁中部均匀设置多个led照明灯7；

在反应器主体12的上沿由侧壁向外设置溢流堰9，溢流堰9的侧壁下部设置出水管11，出水管11上设置阀门；溢流堰9的侧壁上部设置一圈第一挡渣板8，第一挡渣板8为一个平板且竖直设置，第一挡渣板8的底部与溢流堰9的内部底面之间留有空隙；溢流堰9的内部底面上设置一圈第二挡渣板10，第二挡渣板10的截面为直角三角形且斜边朝向反应器主体12内部，第一挡渣板8的底部与第二挡渣板10的斜面之间留有空隙。

本试验的易沉藻处理高含氮废水半开放式生物反应器的使用方法，具体如下：

一、打开进水管1的阀门向反应器主体12中通入待处理的废水，并打开鼓风机3曝气和穿孔曝气管4上的阀门；采用间歇式进水方式；

二、从反应器主体12的上方加入处于对数生长期的易沉藻；

三、通过调节鼓风机3的档数和穿孔曝气管4上的阀门来调节反应器主体12中的曝气量，使易沉藻与待处理的废水混合均匀，且易沉藻稳定在尼龙布6与反应器主体12的上沿之间的中间部位，在反应器主体12上部的水呈现层流；

四、在溢流堰9的侧壁和第二挡渣板10之间的区域取水样进行检测，当检测结果不达标时，继续投加易沉藻或增加运行时间；当检测结果达标时打开出水管11上的阀门排出处理后的水；

五、当光强计15的数据不达标时开启led照明灯7对反应器主体12内部补充光强度；

六、当反应器主体12中的易沉藻发黄且水样检测不达标时，打开排水管13排水，用刮泥机将反应器主体12中的易沉藻堆积到排泥管14处，打开排泥管14上的阀门，取出易沉藻；重复步骤一至六的过程至待处理的水全部处理完；

七、待处理的水全部处理完后，打开排水管13排水，用刮泥机将反应器主体12中的易沉藻堆积到排泥管14处，打开排泥管14上的阀门，取出易沉藻。

步骤二中所述的易沉藻为栅藻；步骤六中所述的刮泥机为桥式刮泥机。

本试验步骤一中的待处理的废水为稀土尾矿废水，水质如下：ph为3.24，nh4⁺-n为181.28mg/l，no3^--n为73.79mg/l，tp<0.01mg/l，so4^2-为1000mg/l；

步骤二中按照干重为5g/l的投加量投加处于对数生长期的栅藻于反应器主体12中处理稀土尾矿废水，处理方式为间歇式，停留时间为6天，出水水质为：nh4⁺-n为22.57mg/l，no3^--n为8.43mg/l，tn为31.02mg/l，满足稀土尾矿废水排放标准《稀土污染物排放标准(gb264-51-2011)》中总氮50mg/l，氨氮25mg/l的标准，实现使高含氮废水氮达标排放的目的。