一種氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，包括布水段、反應段及分離段，所述布水段包括下短圓筒，筒內設有布水器、微孔曝氣盤，布水器與進水管連通，微孔曝氣盤與進氣管連通；反應段包括長圓筒，長圓筒內設有多級文丘里管，多級文丘里管的兩端與長圓筒的端口之間分別形成分流區(qū)、混合區(qū)，并通過左、右循環(huán)管連通形成循環(huán)；分離段包括上短圓筒，筒內設有出水出氣系統(tǒng)。本發(fā)明通過微孔曝氣盤、混合區(qū)及多級文丘里管的設置，在多級文丘里管內形成渦旋流場，有效增強了氣液固三相間傳質效能；另外，上述結構與分流區(qū)及左、右循環(huán)管結合形成外循環(huán)，構成好氧-缺氧交替環(huán)境，使該反應器具有硝化反硝化生物脫氮功能。
【專利說明】一種氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種廢水處理生物脫氮反應器，尤其涉及一種氣升式外循環(huán)渦旋強化 生物脫氮反應器。

【背景技術】
[0002] 我國水污染問題十分嚴重，氮素隨污水持續(xù)進入水體，可引起水體富營養(yǎng)化，造成 水生植物和藻類過度生長，并由此衍生出"水華"、"赤潮"等一系列不良后果，我國每年由此 造成的經濟損失高達上百億元。可見，開發(fā)高效脫氮生物反應器勢在必行。
[0003] 生物脫氮一般分為兩個階段，即硝化階段和反硝化階段。在好氧條件下，硝化細菌 中的氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌發(fā)生生物硝化作用，氨氧化細菌將廢水中的nh 3-n氧 化為NCV，亞硝酸鹽氧化細菌將NCV氧化為NCV ;在缺氧條件下，反硝化細菌將NCV還原為 N2, N2從液相中逸出，實現生物脫氮。
[0004] 近年來在生物化工與廢水處理領域涌現了以氣升式內循環(huán)脫氮反應器為代表的 三相流化床生物反應器，該類反應器以氣體為動力使液體充分混合并在反應器內部循環(huán)流 動，可形成好氧區(qū)和缺氧區(qū)，具有一定脫氮的效能，但傳統(tǒng)的氣升式內循環(huán)反應器內流場往 往趨于全混流，對于生物反應器而言，在處理廢水效能方面平推流態(tài)較全混流態(tài)更加高效。


【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的是現有氣升式內循環(huán)反應器內流場趨于全混流，效率較低的技 術問題。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應 器，其特征在于，包括從下至上的布水段、反應段及分離段，所述布水段包括設于底板上的 下短圓筒，下短圓筒外側的最低處設有清空口，下短圓筒內設有布水器、微孔曝氣盤，布水 器與設于下短圓筒外側的進水管連通，微孔曝氣盤與設于下短圓筒外側的進氣管連通；所 述反應段包括長圓筒，長圓筒內設有多級文丘里管，多級文丘里管的上下兩端與長圓筒的 上下兩個端口之間分別形成分流區(qū)、混合區(qū)，分流區(qū)、混合區(qū)的左右兩側分別通過左循環(huán) 管、右循環(huán)管連通形成循環(huán)；多級文丘里管的兩端分別通過上圓環(huán)擋板、下圓環(huán)擋板固定于 長圓筒內；所述分離段包括上短圓筒，上短圓筒內設有出水出氣系統(tǒng)。
[0007] 優(yōu)選地，所述微孔曝氣盤與進氣管設于同一水平面上，進水管與布水器設于同一 水平面上，且微孔曝氣盤、進氣管高于進水管、布水器布置，進水管、布水器高于清空口布 置。
[0008] 優(yōu)選地，所述長圓筒的下端通過下法蘭與下短圓筒連接，上端通過上法蘭與上短 圓筒連接。
[0009] 進一步地，所述下法蘭內設有下篩網，上法蘭內設有上篩網。
[0010] 優(yōu)選地，所述出水出氣系統(tǒng)包括較大口朝下的錐形集氣罩，錐形集氣罩通過導氣 筒與大氣連通，導氣筒的上端從上短圓筒上側露出，導氣筒通過環(huán)形溢流堰固定于上短圓 筒內，環(huán)形溢流堰上方設有出水管。
[0011] 進一步地，所述導氣筒內設有絲網除沫器，其在導氣筒中的高度占導氣筒高度的 1/5?1/4,可湮滅曝氣過程帶出的泡沫。
[0012] 優(yōu)選地，所述布水段、反應段、分離段的高度比為1.0 : (3. 5?5.5) : 1.5;下短 圓筒、上短圓筒與長圓筒的直徑相同，且高徑比為5. 5?7. 0。
[0013] 優(yōu)選地，所述混合區(qū)高度占長圓筒高度的1/8?1/7。
[0014] 優(yōu)選地，所述多級文丘里管由兩端的半文丘里管及中間的兩個規(guī)格相同的文丘里 管依次連接組成，各半文丘里管、各文丘里管與長圓筒的筒壁之間分別形成獨立的保溫區(qū)， 保溫區(qū)一側的較低處設有保溫水進口，另一側的較高處設有保溫水出口。
[0015] 優(yōu)選地，所述多級文丘里管的高度占長圓筒高度的5/7?3/4,其最小直徑與長 圓筒直徑之比為：1 ;多級文丘里管中單個文丘里管的母線與水平面之間的夾角為50°? 70。。
[0016] 優(yōu)選地，所述分流區(qū)高度占長圓筒高度的1/8?1/7。
[0017] 優(yōu)選地，所述左循環(huán)管、右循環(huán)管為對稱的三折線形狀，折角為100°?120°，其 直徑與長圓筒直徑之比為0.45?0.65 : 1。
[0018] 混合區(qū)，其兩側分別與左、右循環(huán)管下端相連，該區(qū)域可稀釋進料濃度和初步實現 氣液固三相混合；分流區(qū)，兩側分別與左、右循環(huán)管上端相連，混合液在該區(qū)分流。循環(huán)管， 該結構為缺氧區(qū)，發(fā)生生物反硝化反應。多級文丘里管的結構為好氧區(qū)，發(fā)生生物硝化反 應，且其內存在渦旋流場，可有效增強相間傳質。保溫區(qū)可實現反應器冬季增溫。上、下篩 網分別由上、下法蘭固定，可截留生物膜載體，防止生物膜載體洗出。絲網除沫器可湮滅曝 氣過程帶出的泡沫。
[0019] 本發(fā)明是一種生物膜反應器，內有一定量的填料，反應器內存在好氧區(qū)和缺氧區(qū)， 可實現生物硝化反硝化脫氮，其主體結構為多級文丘里管，該結構相當于多個全混流區(qū)域 的串聯，在流態(tài)上形成了"級間全混流，級際平推流"的流態(tài)。根據生物反應器理論，平推流 態(tài)的去除效率要高于全混流，達到相同處理效率平推流態(tài)反應器的體積要少于全混流。此 夕卜，經Fluent軟件模擬和運試驗證，多級文丘里管內存在對稱的渦旋流場，渦旋流場可有 效降低傳質阻力，增強氣液固三相間傳質效能。因此，相比傳統(tǒng)的氣升式內循環(huán)脫氮反應 器，本發(fā)明具有更好的脫氮效率和容積效能。
[0020] 由于采用了上述的技術方案，本發(fā)明與現有技術相比，具有以下的優(yōu)點和積極效 果：
[0021] 1)混合區(qū)的設置能令進水進氣與循環(huán)管回流液劇烈混合，充分傳質，具有稀釋進 水的作用，使反應器有較好的抗沖擊負荷能力，且由于該結構的設置可適當簡化布水器結 構，能節(jié)省基建費用；
[0022] 2)微孔曝氣盤、多級文丘里管以及左、右循環(huán)管等一系列結構設置，使反應器多級 文丘里管內處于好氧狀態(tài)，左、右循環(huán)管內處于缺氧狀態(tài)，使該反應器具有同步硝化反硝化 生物脫氮功能；
[0023] 3)多級文丘里管相當于多個收縮擴張的結構串聯，實現級間全混流，級際平推流 的流態(tài)，可在管的局部形成渦旋流場，渦旋流場內存在強剪切力，可削減傳質過程中液膜厚 度，降低傳質阻力，有效增強三相間的傳質效果；
[0024] 4)保溫區(qū)和循環(huán)水進、出口的設置，可在反應器系統(tǒng)溫度較低時（< 15°C )通入 熱水或蒸汽為反應器增溫，保證硝化反硝化作用脫氮效率（硝化反硝化反應正常進行溫度 一般需要15°C以上）；
[0025] 5)分流區(qū)利用密度差異和上篩網可實現初步的三相分離，為之后固液混合物的循 環(huán)和錐形集氣罩的兩相分離作良好鋪墊；
[0026] 6)下篩網可防止填料落入布水段，上篩網可防止填料被氣液流帶出反應器，且上 篩網可允許絮體污泥或脫落的生物膜通過，能實現反應器內菌群的新老更替；
[0027] 7)出氣管上絲網除沫器的設置，可湮滅曝氣過程帶出的大量泡沫，保證環(huán)境衛(wèi)生， 保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運打；
[0028] 8)主體為圓筒狀，上下端直徑相等，結構緊湊，力學強度好，且反應器高徑比大，占 地面積省，有效降低基建投資。
[0029] 9)適用于含氮有機廢水的處理。經實驗室模擬廢水進水運試，常溫下其容積負荷 可達8. 5kg · COD/m3 · d，總氮容積負荷為0. 56kg/m3 · d。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1為本發(fā)明提供的一種氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器的結構示意圖；
[0031] 圖2為圖1中A-A面的剖視圖。

【具體實施方式】
[0032] 為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實施例，并配合附圖作詳細說明如下。
[0033] 實施例
[0034] 如圖1-2所示，為本發(fā)明提供的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器的結構示 意圖，包括從下至上的布水段I、反應段II及分離段III，所述布水段I包括設于底板1上 的下短圓筒3,下短圓筒3外側的最低處設有清空口 28,下短圓筒3內設有布水器26、微孔 曝氣盤25,布水器26與設于下短圓筒3外側的進水管2連通，微孔曝氣盤25與安裝在下短 圓筒3外側的進氣管27連通。微孔曝氣盤25與進氣管27設于同一水平面上，進水管2與 布水器26設于同一水平面上，且微孔曝氣盤25、進氣管27高于進水管2、布水器26布置， 進水管2、布水器26高于清空口 28布置。導氣筒18內設有絲網除沫器19,其在導氣筒18 中的高度占導氣筒18高度的1/5?1/4,可湮滅曝氣過程帶出的泡沫。
[0035] 所述反應段II包括長圓筒8,長圓筒8內設有多級文丘里管10,多級文丘里管10 的上下兩端與長圓筒8的上下兩個端口之間分別形成分流區(qū)13、混合區(qū)6,分流區(qū)13與混 合區(qū)6高度均占長圓筒8高度的1/8?1/7,分流區(qū)13、混合區(qū)6的左右兩側分別通過左循 環(huán)管11、右循環(huán)管23連通形成循環(huán)；左循環(huán)管11、右循環(huán)管23為對稱的三折線形狀，折角 α為100°?120°，其直徑d2與長圓筒8直徑D之比為0.45?0.65 : 1。多級文丘里 管10的兩端分別通過上圓環(huán)擋板12、下圓環(huán)擋板24固定于長圓筒8內。長圓筒8的下端 通過下法蘭4與下短圓筒3連接，上端通過上法蘭14與上短圓筒15連接。下法蘭4內設 有下篩網5,上法蘭14內設有上篩網21?；旌蠀^(qū)6高度占長圓筒8高度的1/8?1/7 ;分 流區(qū)13高度占長圓筒8高度的1/8?1/7。所述多級文丘里管10由兩端的半文丘里管及 中間的2個規(guī)格相同的文丘里管依次連接組成，各半文丘里管、各文丘里管與長圓筒8的筒 壁之間分別形成獨立的保溫區(qū)9,保溫區(qū)9 一側的較低處設有保溫水進口 7,另一側的較高 處設有保溫水出口 22。多級文丘里管10的高度占長圓筒8高度的5/7?3/4,其最小直徑 dl與長圓筒8直徑D之比為0.4?0.6 : 1;多級文丘里管10中單個文丘里管的母線與水 平面之間的夾角β為50°?70°。
[0036] 所述分離段III包括上短圓筒15,上短圓筒15內設有出水出氣系統(tǒng)。出水出氣系 統(tǒng)包括較大口朝下的錐形集氣罩16,錐形集氣罩16通過導氣筒18與大氣連通，導氣筒18 的上端從上短圓筒15上側露出，導氣筒18通過環(huán)形溢流堰17固定于上短圓筒15內，環(huán)形 溢流堰17上方設有出水管20。導氣筒18內設有絲網除沫器19,其在導氣筒18中的高度 占導氣筒18高度的1/5?1/4,可湮滅曝氣過程帶出的泡沫。
[0037] 布水段I、反應段II、分離段III的高度比為1.0 : (3. 5?5.5) : 1.5;下短圓 筒3、上短圓筒15與長圓筒8的直徑D相同，且高徑比為5. 5?7. 0。
[0038] 本發(fā)明可采用PVC板或鋼板制作，其工作過程如下：
[0039] 上篩網21、下篩網5之間填充有一定量的填料，微生物以生物膜的形式附著于填 料上。含氮有機廢水由進水管2進入布水器26均勻布水，后由微孔曝氣盤25內所產微小 氣泡帶至反應段II的混合區(qū)6中，在混合區(qū)6內廢水與左循環(huán)管11、右循環(huán)管23回流混合 液混勻，再在上升氣流的帶動下進入多級文丘里管10。多級文丘里管10內存在對稱渦旋流 場，氣液固三相在多級文丘里管10內充分接觸，獲得較好的傳質效果，多級文丘里管10內 為好氧區(qū)，該區(qū)發(fā)生生物脫氮過程中的硝化步驟，將ΝΗ 3-Ν轉化為NCV，之后混合液進入分 流區(qū)13,部分液體進入分離段iii，部分液體和所有生物膜顆粒進入左循環(huán)管11、右循環(huán)管 23回流循環(huán)，左循環(huán)管11、右循環(huán)管23內為缺氧區(qū)，發(fā)生生物脫氮過程中的反硝化步驟，將 N03_轉化為N2，錐形集氣罩16收集大部分氣體（包括空氣和反硝化產生的氮氣），氣體通過 導氣筒18逸散至空氣中，處理后的廢水由環(huán)形溢流堰17與出水管20排出。導氣筒18液 面產生大量泡沫，由絲網除沫器19物理除沫。至此，完成反應的整個過程。經實驗室模擬 廢水進水運試，常溫下其容積負荷可達8. 5kg · COD/m3 · d，總氮容積負荷為0. 56kg/m3 · d。
【權利要求】
1. 一種氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，包括從下至上的布水段 (I) 、反應段（II)及分離段（III)，所述布水段（I)包括設于底板（1)上的下短圓筒（3)，下 短圓筒（3)外側的最低處設有清空口（28)，下短圓筒（3)內設有布水器（26)、微孔曝氣盤 (25)，布水器（26)與設于下短圓筒（3)外側的進水管（2)連通，微孔曝氣盤（25)與設于 下短圓筒（3)外側的進氣管（27)連通；所述反應段（II)包括長圓筒（8)，長圓筒（8)內設 有多級文丘里管（10)，多級文丘里管（10)的上下兩端與長圓筒（8)的上下兩個端口之間 分別形成分流區(qū)（13)、混合區(qū)（6)，分流區(qū)（13)、混合區(qū)（6)的左右兩側分別通過左循環(huán)管 (II) 、右循環(huán)管（23)連通形成循環(huán)；多級文丘里管（10)的兩端分別通過上圓環(huán)擋板（12)、 下圓環(huán)擋板（24)固定于長圓筒（8)內；所述分離段（III)包括上短圓筒（15)，上短圓筒 (15)內設有出水出氣系統(tǒng)。
2. 如權利要求1所述的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，所述微 孔曝氣盤（25)與進氣管（27)設于同一水平面上，進水管（2)與布水器（26)設于同一水平 面上，且微孔曝氣盤（25)、進氣管（27)高于進水管（2)、布水器（26)布置，進水管（2)、布水 器（26)高于清空口（28)布置。
3. 如權利要求1所述的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，所述長 圓筒（8)的下端通過下法蘭（4)與下短圓筒（3)連接，上端通過上法蘭（14)與上短圓筒 (15)連接。
4. 如權利要求3所述的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，所述下 法蘭（4)內設有下篩網（5)，上法蘭（14)內設有上篩網（21)。
5. 如權利要求1所述的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，所述出 水出氣系統(tǒng)包括較大口朝下的錐形集氣罩（16)，錐形集氣罩（16)通過導氣筒（18)與大氣 連通，導氣筒（18)的上端從上短圓筒（15)上側露出，導氣筒（18)通過環(huán)形溢流堰（17)固 定于上短圓筒（15)內，環(huán)形溢流堰（17)上方設有出水管（20)。
6. 如權利要求5所述的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，所述導 氣筒（18)內設有絲網除沫器（19)，其在導氣筒（18)中的高度占導氣筒（18)高度的1/5? 1/4,可湮滅曝氣過程帶出的泡沫。
7. 如權利要求1所述的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，所述布 水段（I)、反應段（II)、分離段（III)的高度比為1.0: (3. 5?5.5) : 1.5;下短圓筒（3)、 上短圓筒（15)與長圓筒⑶的直徑⑶相同，且高徑比為5. 5?7.0。
8. 如權利要求1所述的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，所述混 合區(qū)（6)高度占長圓筒⑶高度的1/8?1/7。
9. 如權利要求1所述的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，所述多 級文丘里管（10)由兩端的半文丘里管及中間的兩個規(guī)格相同的文丘里管依次連接組成， 各半文丘里管、各文丘里管與長圓筒（8)的筒壁之間分別形成獨立的保溫區(qū)（9)，保溫區(qū) (9) 一側的較低處設有保溫水進口（7)，另一側的較高處設有保溫水出口（22)。
10. 如權利要求1或9所述的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，所 述多級文丘里管（10)的高度占長圓筒（8)高度的5/7?3/4,其最小直徑（dl)與長圓筒 (8)直徑（D)之比為（0.4?0.6) : 1 ;多級文丘里管（10)中單個文丘里管的母線與水平 面之間的夾角（β)為50°?70°。
11. 如權利要求1所述的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，所述分 流區(qū)（13)高度占長圓筒⑶高度的1/8?1/7。
12. 如權利要求1所述的氣升式外循環(huán)渦旋強化生物脫氮反應器，其特征在于，所述左 循環(huán)管（11)、右循環(huán)管（23)為對稱的三折線形狀，折角（α)為100°?120°，其直徑（d2) 與長圓筒⑶直徑⑶之比為〇· 45?0· 65 : 1。
【文檔編號】C02F3/30GK104085986SQ201410321199
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月7日 優(yōu)先權日:2014年7月7日
【發(fā)明者】陳小光, 戴若彬, 向心怡, 李崗, 徐正啟, 謝學輝, 黃丹平, 林海波, 王振希, 沈忱思, 張劍, 曾祥柳 申請人:東華大學, 四川理工學院