申请日2019.09.19
公开(公告)日2019.11.22
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明公开了一种一体化废水生物同步脱氮除钙装置及其方法。它包括布水区、化学除钙区、生物脱氮区和分离区;布水区底部覆有微孔曝气系统，侧壁设有进水管跟回流管;化学除钙区内部填满石英砂颗粒，石英砂颗粒层上面覆盖反硝化颗粒污泥;化学除钙区顶部设置进砂管，底部设有排砂管;生物脱氮区顶部设有进泥管，底部设有排泥管;分离区侧壁从下到上依次设有溢流槽和出水管，出水管一路通过回流管回流进装置，另一路出水排出。分离区中央设有三相分离器，上部设有集气连接管和排气管。本发明中将废水生物脱氮和化学沉淀法除钙工艺耦合，以异养反硝化反应为基础，结合化学沉淀法工艺，可构建一体化废水生物脱氮除钙装置，在同一反应器内实现同步脱氮除钙。
权利要求书
1.一种一体化废水生物同步脱氮除钙装置，其特征在于：一体化装置从下到上依次分为布水区(A)、化学除钙区(B)、生物脱氮区(C)和分离区(D);布水区(A)内铺设有微孔曝气系统(16)，侧壁上设有进水管(1)和回流管(17);布水区(A)顶部与化学除钙区(B)底部之间通过一块表面均匀开孔的横隔板(2)分隔;化学除钙区(B)、生物脱氮区(C)和分离区(D)连为一体，化学除钙区(B)内部填满石英砂颗粒(14)，生物脱氮区内(C)内部填充有反硝化颗粒污泥(11)，且反硝化颗粒污泥(11)覆盖于石英砂颗粒(14)的层体顶部;化学除钙区(B)顶部和生物脱氮区(C)底部各设置一取样口(3)，石英砂颗粒(14)和反硝化颗粒污泥(11)的界面位于两取样口(3)中间;化学除钙区(B)顶部设有用于向化学除钙区(B)中补充石英砂颗粒(14)的进砂管(13)，底部设有用于将化学除钙区(B)底部石英砂颗粒(14)排出的排砂管(15);生物脱氮区(C)顶部设有用于向生物脱氮区(C)中补充反硝化颗粒污泥(11)的进泥管(10)，底部设有用于将生物脱氮区(C)底部反硝化颗粒污泥(11)排出的排泥管(12);分离区(D)侧壁内部设有溢流槽(5)，溢流槽(5)槽体连通出水管(9)，出水管(9)一路通过回流管(17)回流至布水区(A)中，另一路排出;分离区(D)中央设有三相分离器(8)，三相分离器(8)的气体出口通过集气连接管(7)与装置外部的排气管(6)相通。
2.根据权利要求1所述的一体化废水生物同步脱氮除钙装置，其特征在于：所述的进水管(1)和回流管(17)分别有多条，多条进水管(1)和多条回流管(17)均沿布水区(A)横截面周向均匀且相互间隔分布，进水管(1)和回流管(17)的出水口均朝向布水区(A)中心，使得进水与回流进水对冲并充分混合。
3.根据权利要求1所述的一体化废水生物同步脱氮除钙装置，其特征在于：所述的微孔曝气系统(16)采用膜片式微孔曝气器。
4.根据权利要求1所述的一体化废水生物同步脱氮除钙装置，其特征在于：所述的化学除钙区(B)与上部的生物脱氮区(C)的高度比为1：(1～1.5)，化学除钙区(B)内填充的石英砂颗粒(14)的体积占装置内总有效体积的1/3，生物脱氮区(C)填充的反硝化污泥(11)体积占装置内总有效体积的1/4。
5.根据权利要求1所述的一体化废水生物同步脱氮除钙装置，其特征在于：所述石英砂颗粒(14)的粒径为1～2mm，呈不规则几何形状，表面粗糙不平。
6.根据权利要求1所述的一体化废水生物同步脱氮除钙装置，其特征在于：所述的三相分离器(8)为多组倒Y圆筒型三相分离器组合，各倒Y圆筒型三相分离器收集的气体分别通过集气连接管(7)统一接入排气管(6)排出。
7.根据权利要求1所述的一体化废水生物同步脱氮除钙装置，其特征在于：所述的三相分离器(8)露出液面部分的高度为其总高度的1/3～1/6。
8.根据权利要求1所述的一体化废水生物同步脱氮除钙装置，其特征在于：所述的生物脱氮区(C)侧壁设有若干采样口(4)，用于抽取生物脱氮区(C)内的水样。
9.一种利用如权利要求1～8任一所述一体化废水生物同步脱氮除钙装置的含氮含钙工业废水处理方法，其特征在于，步骤如下：
将待处理的含氮含钙废水经布水区(A)进入化学除钙区(B)，与生物脱氮区(C)的回流水充分混合，利用回流水中含有反硝化产生的CO32-在化学沉淀区(B)内与废水中的Ca2+反应生成CaCO3沉淀，进而去除废水中的钙离子;
在废水上升流经石英砂颗粒(14)填料层的过程中，在化学沉淀区(B)内生成的碳酸钙与石英砂颗粒(14)充分接触，碳酸钙吸附于石英砂表面，同时部分粒径细小的石英砂颗粒(14)亦作为絮状碳酸钙混凝的晶核，加速碳酸钙的沉淀;
经化学除钙区(B)去除钙离子的废水继续上升进入生物脱氮区(B)，在反硝化颗粒污泥(11)的作用下硝态氮被转化为N2，同时反硝化过程中在废水中产生大量的CO32-;
由生物脱氮反应区(C)处理后的废水继续进入分离区(D)，在三相分离器(8)的作用下进行气、液、固三相分离，气体由排气管(6)排出，反硝化颗粒污泥(11)重新回到生物脱氮反应区(C)，澄清的出水经由溢流槽(5)后，部分由出水管(9)直接排出，另一部分经由回流管(17)回流至布水区(A)中，并利用其携带的大量CO32-重新在化学除钙区(B)与含钙废水充分混合反应;
定期开启布水区(A)中的微孔曝气系统(16)，借助水流及微孔曝气系统(16)间歇曝气产生的搅动力，静置后密度最大的石英砂-碳酸钙结合物沉积在化学除钙区(B)的底层，密度较轻的石英砂颗粒(14)分布居中，而反硝化颗粒污泥密度最轻，分布在最上层;通过两个取样口(3)取样确定石英砂颗粒(14)的层体高度，定期将通过化学除钙区(B)底部的排砂管(15)将石英砂-碳酸钙结合物排出，并重新补充新的石英砂颗粒(14)。
10.如权利要求9所述的含氮含钙工业废水处理方法，其特征在于，所述回流比为回流进水量：废水进水量为200%～300%。
说明书
一体化废水生物同步脱氮除钙装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种一体化废水生物同步脱氮除钙装置，适用于含氮含钙工业废水的厌氧生物处理工程。
背景技术
全国实施“控源减排”后，废水有机污染得到有效治理，氮磷污染凸显为主要环境问题。污水生物脱氮处理工艺始于20世纪60年代的硝化反硝化，以其独特的高效、经济优势而被广泛应用于工业废水处理，但在处理光伏、不锈钢酸洗等工业废水时，遇到了高钙的挑战。光伏行业太阳能电池板在生产过程中使用了大量的氢氟酸、硝酸，产生大量高浓度含氟含氮废水，以无机态F-和NO3-为主。目前，对于高浓度含氟工业废水，一般采用钙盐沉淀法，即向废水中投加石灰和氯化钙，利用溶解后产生的Ca2+与水中的F-反应生成难溶的CaF2沉淀而将水中的F-除去。同时为了保证除氟效果，钙盐往往过量添加，导致除氟出水中Ca2+浓度高达800～1000mg/L。
在反硝化工艺运行过程中，如果废水中钙离子的浓度较高，钙离子会与微生物代谢产生的CO2结合形成CaCO3沉积，在活性颗粒污泥表面形成灰白色的“钙层”，长期运行会使颗粒污泥成空心状，导致反硝化颗粒污泥钙化。钙化颗粒污泥堆积在反应器内，会影响活性颗粒污泥跟污染物的有效接触，产生局部水力短流，降低装置的有效容积和除氮效率。污泥更换又增加了反硝化工程的运行成本，进一步限制了反硝化技术的应用。此外，高浓度含钙废水在管道中运输，容易造成管道、设备结垢问题，存在巨大的安全隐患，也增加了污水处理设备的运行维护成本。
废水除钙的方法有化学沉淀法、离子交换法、膜分离法(RO、NF)和电化学法等。离子交换法所产浓盐水难处理，膜造价高且易堵塞或污染，电化学软化法对装置依赖性较强，且操作繁琐。目前我国污水处理工程上普遍应用的除钙技术仍以化学沉淀法为主(纯碱法)，即在废水中投加一定量的Na2CO3药剂，利用溶解后产生的CO32-与Ca2+反应生成CaCO3沉淀以去除废水中的钙离子(式1)。相比于离子交换法、膜分离法跟电化学法，化学沉淀法工艺简单，成熟可靠，能达到较高的净化程度。但是，此法处理成本较高，药剂消耗量及产泥量较大，且因CaCO3在水中仍有较小溶解度，容易形成絮状沉淀，故化学沉淀法出水中存在一定量残余钙离子。
Ca2++Na2CO3→CaCO3↓+2Na+ (式1)
6NO3-+5CH3OH→3N2+5HCO3-+7H2O+OH- (式2)
反硝化作用是指在缺氧条件下，反硝化细菌利用污水中原有的有机物将NO2-或NO3-还原为N2的过程。反硝化所需碳源可以来源于污水中的可生物降解COD、内源代谢产生的可生物降解COD以及外加碳源等。从异养反硝化反应的化学计量学公式(以甲醇计，式2)来看，该过程是个产碱(HCO3-)的过程，往往使得反应后溶液的pH值高于9。而当pH>8.3时，HCO3-跟OH-反应，溶液中主要以CO32-的形式存在。
本发明中将废水生物脱氮和化学沉淀法除钙工艺耦合，以异养反硝化反应为基础，结合化学沉淀法工艺，可构建一体化废水生物脱氮除钙装置，在同一反应器内实现同步脱氮除钙。由式1和式2可知，异养反硝化产生的CO32-可作为化学沉淀除钙的反应物，无需Na2CO3等化学试剂的投加，而通过化学除钙后的出水可降低反硝化活性颗粒污泥的钙化效应，最终实现硝氮和钙离子的同步去除。
发明内容
本发明的目的是克服现有除氟废水因含有大量的Ca2+，进生物脱氮系统后容易导致活性颗粒污泥钙化的不足，提供一种一体化废水生物同步脱氮除钙装置。
本发明具体采用的技术方案如下：
一体化废水生物同步脱氮除钙装置，其特征在于：一体化装置从下到上依次分为布水区、化学除钙区、生物脱氮区和分离区;布水区内铺设有微孔曝气系统，侧壁上设有进水管和回流管;布水区顶部与化学除钙区底部之间通过一块表面均匀开孔的横隔板分隔;化学除钙区、生物脱氮区和分离区连为一体，化学除钙区内部填满石英砂颗粒，生物脱氮区内内部填充有反硝化颗粒污泥，且反硝化颗粒污泥覆盖于石英砂颗粒的层体顶部;化学除钙区顶部和生物脱氮区底部各设置一取样口，石英砂颗粒和反硝化颗粒污泥的界面位于两取样口中间;化学除钙区顶部设有用于向化学除钙区中补充石英砂颗粒的进砂管，底部设有用于将化学除钙区底部石英砂颗粒排出的排砂管;生物脱氮区顶部设有用于向生物脱氮区中补充反硝化颗粒污泥的进泥管，底部设有用于将生物脱氮区底部反硝化颗粒污泥排出的排泥管;分离区侧壁内部设有溢流槽，溢流槽槽体连通出水管，出水管一路通过回流管回流至布水区中，另一路排出;分离区中央设有三相分离器，三相分离器的气体出口通过集气连接管与装置外部的排气管相通。
作为优选，所述的进水管和回流管分别有多条，多条进水管和多条回流管均沿布水区横截面周向均匀且相互间隔分布，进水管和回流管的出水口均朝向布水区中心，使得进水与回流进水对冲并充分混合。
作为优选，所述的微孔曝气系统采用膜片式微孔曝气器
作为优选，所述的化学除钙区与上部的生物脱氮区的高度比为1：(1～1.5)，化学除钙区内填充的石英砂颗粒的体积占装置内总有效体积的1/3，生物脱氮区填充的反硝化污泥体积占装置内总有效体积的1/4。
作为优选，所述石英砂颗粒的粒径为1～2mm，呈不规则几何形状，表面粗糙不平。
作为优选，所述的三相分离器为多组倒Y圆筒型三相分离器组合，各倒Y圆筒型三相分离器收集的气体分别通过集气连接管统一接入排气管排出。
作为优选，所述的三相分离器露出液面部分的高度为其总高度的1/3～1/6。
作为优选，所述的生物脱氮区侧壁设有若干采样口，用于抽取生物脱氮区内的水样。。
本发明的另一目的在于提供一种利用上述任一方案所述一体化废水生物同步脱氮除钙装置的含氮含钙工业废水处理方法，其步骤如下：
将待处理的含氮含钙废水经布水区进入化学除钙区，与生物脱氮区的回流水充分混合，利用回流水中含有反硝化产生的CO32-在化学沉淀区内与废水中的Ca2+反应生成CaCO3沉淀，进而去除废水中的钙离子;
在废水上升流经石英砂颗粒填料层的过程中，在化学沉淀区内生成的碳酸钙与石英砂颗粒充分接触，碳酸钙吸附于石英砂表面，同时部分粒径细小的石英砂颗粒亦作为絮状碳酸钙混凝的晶核，加速碳酸钙的沉淀;
经化学除钙区去除钙离子的废水继续上升进入生物脱氮区，在反硝化颗粒污泥的作用下硝态氮被转化为N2，同时反硝化过程中在废水中产生大量的CO32-;
由生物脱氮反应区处理后的废水继续进入分离区，在三相分离器的作用下进行气、液、固三相分离，气体由排气管排出，反硝化颗粒污泥重新回到生物脱氮反应区，澄清的出水经由溢流槽后，部分由出水管直接排出，另一部分经由回流管回流至布水区中，并利用其携带的大量CO32-重新在化学除钙区与含钙废水充分混合反应;
定期开启布水区中的微孔曝气系统，借助水流及微孔曝气系统间歇曝气产生的搅动力，静置后密度最大的石英砂-碳酸钙结合物沉积在化学除钙区的底层，密度较轻的石英砂颗粒分布居中，而反硝化颗粒污泥密度最轻，分布在最上层;通过两个取样口取样确定石英砂颗粒的层体高度，定期将通过化学除钙区底部的排砂管将石英砂-碳酸钙结合物排出，并重新补充新的石英砂颗粒。
作为优选，所述回流比为回流进水量：废水进水量为200%～300%。
本发明与现有技术相比具有以下优点：1)无需投加碳酸钠，利用生物脱氮区微生物反硝化产生的CO32-在化学沉淀区与Ca2+反应生成CaCO3沉淀，去除废水中的钙离子实现废水除钙;2)前置化学沉淀除钙工艺，可以降低生物脱氮区进水中Ca2+浓度，防止异养反硝化活性颗粒污泥的钙化过程;3)利用石英砂填料，通过进水水流及间歇曝气产生的上升流，石英砂跟化学沉淀区内生成的碳酸钙充分接触，碳酸钙吸附于石英砂表面。粒径细小的石英砂亦可作为絮状碳酸钙混凝的晶核，加速碳酸钙的沉淀;4)设置高效三相分离器，有效分离气、液、固三相。（发明人陆慧锋;吴春勇;王毅超）
