一种梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器及其工艺
技术领域
本发明属于废水处理
技术领域
，更具体地说，涉及一种梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器及其工艺。背景技术
工业废水具有水量不稳定、有机物浓度高、生物毒性强等特点。此类工业废水处理，常采用以厌氧反应器为核心，辅以酸碱调节、混凝沉淀、预酸化、好氧处理等工艺。
但是，处理工艺及厌氧反应器具有以下缺点：(1)操作性能差，在调节酸碱过程中，通常需要外加液碱或石灰，操作过程需要配药剂，操作复杂，工作环境差；冬季水温低，厌氧反应器运行效果差，常需前置蒸汽加热系统提高水温，能源利用率低，控制精度低。(2)厌氧反应器抗冲击能力弱，处理效果不稳定。厌氧反应器主要依靠微生物新陈代谢去除污染物，若化工废水生物毒性强，自调节能力差，系统易崩溃，恢复周期长；化工废水中常含有硫酸根等离子，在硫酸盐还原菌的作用下产生硫化氢，对产甲烷菌有抑制作用，同时会和产甲烷菌竞争营养，导致厌氧反应器去除有机物性能下降。(3)调控余地小，反应器启动慢。厌氧反应器一般均按照设定浓度设计和安装，尺寸确定后即处理能力固定，当进水负荷增加，出水浓度对应增加；化工废水生物毒性强，微生物活性受到抑制，需要长期驯化，启动周期长。(4)去除指标单一。传统厌氧反应器重点考虑去除COD，且厌氧反应器通常仅设置一条内循环下降管，下降管将污水和污泥最终送至反应器底部的布水系统，导致反应器内无法实现不同高度的多样优势菌种的存在，传统厌氧反应器对总氮等去除效果差。
经检索发现，申请号201811414347.5，申请日为2018年11月26日的中国发明专利申请公开了高效厌氧脱氮生物反应器，其罐体的侧壁上开设有出水口，罐体内部分为混合区、脱氮除碳室、除碳转化室、沉淀区和气水分离区共五个功能区，通过集脱氮和除碳两个过程为一体，在脱氮除碳的同时，能够将水中的部分难降解物质转化为可生物降解的有机物，并通过采用强制大循环回流的方式，使大量的循环水和进水充分混合后，原水中的硝酸盐氮等对产甲烷菌、反硝化菌等的有害因子得到充分稀释，大大降低毒物对厌氧脱氮过程的影响，使得反应器的抗冲击负荷能力较强。但该反应器仍存在去除效果差、去除指标单一的问题，其只能够去除一部分COD。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术中废水处理反应器及其工艺存在抗冲击能力弱、去除效果差、去除指标单一等问题，本发明提供一种梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器及其工艺。本发明通过梯级电化学模块优化设计以及三重内循环系统独立设计，搭建了两级缺氧-厌氧环境，实现了总氮和COD的同步去除。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的一种梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器，包括反应器本体，所述反应器本体的顶部设置有第一气液分离器、第二气液分离器和第三气液分离器，反应器本体的底部设置有布水器，反应器本体的内部自下而上依次设置有一级电化学增强区、第一微生物处理区、二级电化学增强区、第二微生物处理区和污泥沉淀区；
其中，一级电化学增强区设置在布水器上方，一级电化学增强区与第一微生物处理区之间设置有气体收集器，第一微生物处理区与二级电化学增强区之间设置有一级三相分离器，第二微生物处理区与污泥沉淀区之间设置有二级三相分离器，气体收集器上设置有第一提升管，气体收集器通过第一提升管与第一气液分离器相连，一级三相分离器上设置有第二提升管，一级三相分离器通过第二提升管与第二气液分离器相连，二级三相分离器上设置有第三提升管，二级三相分离器通过第三提升管与第三气液分离器相连；并且
其中，第一气液分离器、第二气液分离器、第三气液分离器上对应设置有第一下降管、第二下降管、第三下降管，第一下降管向下延伸至布水器，第二下降管向下延伸至第一微生物处理区，第三下降管向下延伸至第二微生物处理区。
优选地，所述污泥沉淀区的反应器本体侧壁上设置有第一循环进口，第二微生物处理区的反应器本体侧壁上设置有第一循环出口，第一循环进口通过第一循环管路与第一循环出口相连；
所述二级电化学增强区与一级三相分离器之间的反应器本体侧壁上设置有第二循环进口，第一微生物处理区的反应器本体侧壁上设置有第二循环出口，第二循环进口通过第二循环管路与第二循环出口相连。
优选地，所述一级电化学增强区和二级电化学增强区之间的体积比为(1～2)：1；第一微生物处理区和第二微生物处理区之间的体积比为(1～1.5)：1。
更优选地，所述一级电化学增强区和二级电化学增强区占反应器本体总容积的25％，第一微生物处理区和第二微生物处理区占反应器本体总容积的65％，并且污泥沉淀区占反应器本体总容积的10％。
优选地，所述气体收集器包括多个气体集气罩，所述多个气体集气罩上下间隔交错设置，上层的气体集气罩与下层的气体集气罩之间的间距D1为10～20cm，同一层的气体集气罩之间的间距D2为10～20cm；并且气体集气罩的形状为倒V型，V型顶部为1/3的半径3cm圆形结构。
更优选地，所述气体收集器还包括气体中转器，气体集气罩与气体中转器在水平方向通过焊接方式垂直连接。
优选地，所述一级电化学增强区和二级电化学增强区内设置有多个极板，所述多个极板上下间隔交错设置，一级电化学增强区中的极板层数为a，二级电化学增强区中的极板层数为b，其中a的取值范围为3～9中的奇数，b的取值范围为3～6，b＝a/2+1.5。
优选地，所述一级电化学增强区中的最底层极板距离布水器顶部300～500mm；和/或二级电化学增强区中的最底层极板距离一级三相分离器顶部500～700mm。
优选地，所述极板的形状为倒V型，倒V型夹角为50～60度。
优选地，所述极板上分布有多个孔，所述孔的直径为2～4cm，两个孔之间的间距为8～10cm。
更优选地，所述极板为铝板、铁板、钛板、石墨板、不锈钢、掺硼金刚石中的一种或多种。
本发明的一种污水脱氮除碳处理工艺，采用上述的一种梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器，具体工艺步骤包括：
S10、污水从布水器进入反应器本体，在一级电化学增强区中进行电絮凝、还原及氧化反应，去除重金属离子，并产生氧气和氢气，产生的氧气溶解在污水中，以提供缺氧反硝化环境，产生的氢气通过气体收集器进行收集；
S20、一级电化学增强区处理后的出水进入第一微生物处理区，在第一微生物处理区的下部进行反硝化脱氮处理，在第一微生物处理区的中部和上部进行除碳处理，并且产生氮气和甲烷，产生的氮气和甲烷通过一级三相分离器进行收集分离；
S30、第一微生物处理区处理后的出水进入二级电化学增强区，进行电絮凝、还原及氧化反应，产生氧气和氢气，产生的氧气溶解在污水中，以提供缺氧反硝化环境，产生的氢气通过二级三相分离器进行收集；
S40、二级电化学增强区处理后的出水进入第二微生物处理区，在第二微生物处理区的下部进行脱氮处理，在第二微生物处理区的中部和上部进行除碳处理，产生氮气和甲烷，产生的氮气和甲烷通过二级三相分离器进行收集；
S50、第二微生物处理区处理后的出水进入污泥沉淀区，污泥沉淀后的出水通过溢流堰排出；
其中，气体收集器将一级电化学增强区产生的氢气收集，气体携带污水通过第一提升管进入第一气液分离器，在第一气液分离器内实现气体和污水分离，而后污水通过第一下降管进入布水器上部；第一微生物处理区产生的氮气和甲烷通过一级三相分离器收集，气体携带污水通过第二提升管进入第二气液分离器，在第二气液分离器内实现气体和污水分离，污水通过第二下降管进入一级电化学增强区上部；并且第二微生物处理区产生的氮气和甲烷通过二级三相分离器收集，气体携带污水通过第三提升管进入第三气液分离器，在第三气液分离器内实现气体和污水分离，污水通过第三下降管进入二级电化学增强区上部，以形成三重内循环处理。
优选地，本发明的一种污水脱氮除碳处理工艺，还包括步骤S70、通过第一循环管路，将污泥沉淀区底部的污水循环至二级电化学增强区上部；并且通过第二循环管路，将二级电化学增强区底部的污水循环至气体收集器上部，以形成双重外循环处理。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明的一种梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器，包括梯级优化设计的一级电化学增强区和二级电化学增强区，用于处理不同污染物浓度的污水，能够有效降低有害污染物浓度，弱化生物毒性，增加微生物活性，提高抗冲击能力，稳定处理效果；
(2)本发明的一种梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器，独立设计多重内循环系统，实现不同高度下优势菌群的培养，使整个处理工艺的去除效率更高；
(3)本发明的一种污水脱氮除碳处理工艺，一级电化学增强区和二级电化学增强区运行过程中产生氧气，由于氧气溶于水中，可实现溶解氧浓度控制为0.2～0.5mg/L，反应器自下至上形成了缺氧-厌氧-缺氧-厌氧环境，通过搭建两级缺氧-厌氧环境，实现了总氮和COD的同步去除。
附图说明
图1为本发明的一种梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器的结构示意图；
图2为本发明的气体收集器中的气体集气罩的结构示意图；
图3为本发明的一级或二级电化学增强区中的极板的结构示意图；
图4为本发明的极板的右视图；
图中：
100、反应器本体；110、第一气液分离器；120、第二气液分离器；
130、第三气液分离器；200、布水器；300、一级电化学增强区；
400、第一微生物处理区；500、二级电化学增强区；600、第二微生物处理区；
610、第一循环进口；620、第一循环出口；630、第一循环管路；
700、污泥沉淀区；710、第二循环进口；720、第二循环出口；
730、第二循环管路；800、气体收集器；810、第一提升管；
811、第一下降管；900、一级三相分离器；910、二级三相分离器；
920、第二提升管；930、第三提升管；921、第二下降管；
931、第三下降管；8100、气体集气罩；8200、极板。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
如图1所示，本发明的一种梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器，反应器可以是圆柱体罐体，直径为6～14m，高度为18～24m，高径比为(2～3)：1，反应器材料为钢制。
反应器本体100顶部设置有第一气液分离器110、第二气液分离器120和第三气液分离器130，反应器本体100底部设置有布水器200，反应器本体100内部自下向上依次设置有一级电化学增强区300、气体收集器800、第一微生物处理区400、一级三相分离器900、二级电化学增强区500、第二微生物处理区600、二级三相分离器910和污泥沉淀区700；
气体收集器800上设置有第一提升管810，气体收集器800通过第一提升管810与第一气液分离器110相连，一级三相分离器900上设置有第二提升管920，一级三相分离器900通过第二提升管920与第二气液分离器120相连，二级三相分离器910上设置有第三提升管930，二级三相分离器910通过第三提升管930与第三气液分离器130相连；
第一气液分离器110、第二气液分离器120、第三气液分离器130上对应设置有第一下降管811、第二下降管921、第三下降管931，第一下降管811向下延伸至布水器200，第一下降管811最低点与布水器200同一高度；第二下降管921向下延伸至第一微生物处理区400，第二下降管921最低点位于气体收集器800顶部500～1000mm；第三下降管931向下延伸至第二微生物处理区600，第三下降管931最低点位于一级三相分离器900顶部500～1000mm。
需要说明的是，一级电化学增强区300和二级电化学增强区500占反应器本体100总容积的15～25％，优选25％；一级电化学增强区300和二级电化学增强区500之间的体积比为(1～2)：1；第一微生物处理区400占反应器本体100总容积的35～45％，第二微生物处理区600占反应器本体100总容积的20～30％，优选地，第一微生物处理区400和第二微生物处理区600之间的体积比为(1～1.5)：1；并且污泥沉降区700占反应器本体100总容积的10％。
需要进一步说明的是，如图2所示，气体收集器800包括气体集气罩8100和气体中转器(未示出)，所述气体集气罩8100上下间隔交错设置，通常气体集气罩8100的数量为2～4层，上层的气体集气罩8100与下层的气体集气罩8100之间的间距D1为10～20cm，同一层的气体集气罩8100之间的间距D2为10～20cm。
气体集气罩8100的形状为倒V型，V型顶部为1/3的半径3cm圆形结构。单块集气罩长度2～3m，单边宽度为30～40cm，厚度为3mm。这种倒V型椭圆形设计，上、下层极板重合度高，污水中夹带的甲烷、氢气、氮气等收集效率高。
此外，一级电化学增强区300和二级电化学增强区500内设置有多个极板8200，所述多个极板8200上下间隔交错设置，一级电化学增强区300中的极板层数为a，二级电化学增强区500中的极板层数为b，其中a的取值范围为3～9中的奇数，b的取值范围为3～6，并且b＝a/2+1.5。
极板材料可以是铝板、铁板、石墨板、不锈钢、掺硼金刚石、或钛板等。一级电化学增强区300中的最底层极板距离布水器200顶部300～500mm，二级电化学增强区500中的最底层极板距离一级三相分离器900顶部500～700mm。如图3所示，左、右极板间距为10～20cm，上、下极板间距为10～20cm，上下两层极板交叉排布。这样的设计有助于提高污水与极板的接触概率，同时有助于稳定水流，防止污水短流。
如图4所示，极板8200的形状为倒V型，单块极板长度为0.8～1.2m，单边宽度为0.3～0.4m，厚度为1～5mm，倒V型夹角为50～60度，并且在极板8200上分布有多个圆形孔，所述圆形孔的直径为2～4cm，两个孔之间的间距为8～10cm。极板之间通过焊接连接，在极板倒V型顶点同高度上设置接线柱，通过电缆与各极板连接。根据进水pH、COD、硫酸根、温度等浓度实时调节极板电流密度、通电时间和通电模式，基础电流密度为50mA/cm2，密度范围为50～300mA/cm2。
本发明的一种梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器，还包括独立的两套外循环系统。所述污泥沉淀区700的反应器本体侧壁上设置有第一循环进口610，第二微生物处理区600的反应器本体侧壁上设置有第一循环出口620，第一循环进口610通过第一循环管路630与第一循环出口620相连；所述二级电化学增强区500与一级三相分离器900之间的反应器本体侧壁上设置有第二循环进口710，第一微生物处理区400的反应器本体侧壁上设置有第二循环出口720，第二循环进口710通过第二循环管路730与第二循环出口720相连。
采用本发明的梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器进行污水脱氮除碳处理，控制一级电化学增强区300内的反应pH值为4.5～5.5，溶解氧为0.2～0.5mg/L，污泥浓度为5000～6000mg/L，反应温度25～30℃，电流密度范围为50～300mA/cm2；
控制第一微生物处理区400的污泥浓度MLSS为8000～10000mg/L，反应温度为25～30℃，进水pH值为6～8，上升流速为V1控制2～6m/h，回流量Q1为0.785D2V1-0.42C，其中上升流速V1(m/h)、反应器直径D(m)、进水量Q(m3/h)、进水COD浓度C(g/L)；
二级电化学增强区500的溶解氧为0.2～0.5mg/L，反应温度25～30℃，电流密度范围为50～200mA/cm2；第二微生物处理区600的污泥浓度为4000～5000mg/L，反应温度为25～30℃，进水pH值为6～8，上升流速V2控制2～3m/h，回流量Q2为0.785D2V2-0.105C，其中上升流速为V2。具体步骤如下：
S10、污水通过泵进入布水器，布水器出水经过一级电化学增强区300，在通入的电流作用下，分别通过电絮凝、电催化等作用实现调节pH、重金属絮凝沉淀去除、提高可生化性等目的。产生的氧气溶解进污水中，提供缺氧反硝化环境；电极产生的氢气、反硝化产生的氮气及产甲烷细菌产生的甲烷在气体收集器内实现富集，进入反应器本体顶部第一气液分离器110实现气体和污水的分离，气体进入燃烧系统，污水通过第一下降管再次进入布水器区域。
S20、一级电化学增强区处理后的出水进入第一微生物处理区，该第一微生物处理区污泥浓度高，其底部为缺氧环境，中上部为厌氧环境。在第一微生物处理区底部，通过反硝化细菌作用将污水中的硝态氮转化成氮气，在第一微生物处理区上部，通过产甲烷菌的作用去除污水中的有机物。反应过程产生的甲烷、氮气等通过一级三相分离器，进入顶部独立的第二气液分离器，甲烷等气体进入沼气处理系统，分离剩余的污水含泥一并进入第一微生物处理区底部；同时，第一微生物处理区内的一级三相分离器上部设置有第二循环进口，一级电化学增强区最顶层极板上部设置有第二循环出口，通过外置泵流量控制，实现污泥悬浮状态。
S30、第一微生物处理区处理后的出水进入二级电化学增强区，运行过程中调整电流密度和通电时间，提高产甲烷菌活性；产生氧气溶入水中，出水之后进入第二微生物处理区。
S40、第二微生物处理区底部为缺氧区，继续通过反硝化细菌实现总氮的去除，上部区域通过产甲烷菌的作用去除有机物。第二微生物处理区厌氧产生的沼气通过二级三相分离器进入顶部独立第三气液分离器，甲烷等气体进入沼气处理系统，分离剩余的污水含泥一并进入第二微生物处理区底部；二级三相分离器上部设置第一循环进口，二级电化学增强区上部设置有第一循环出口，通过外置泵流量控制第二微生物处理区整体上升流速。
S50、第二微生物处理区处理后的出水进入污泥沉淀区，污泥沉淀后的出水通过溢流堰排出。
本发明的一种污水脱氮除碳处理工艺，通过独立多级内循环设计，实现不同高度下优势菌群的培养，去除效率更高。而常规反应器仅设置一条内循环下降管，下降管污水和污泥至底部布水系统，无法实现不同高度的多样优势菌种的存在。
此外，本发明的处理过程中，沼气带动污水的内循环管路以外，反应器内部设置电化学产气内循环和多级外循环系统。一级电化学增强区内产生氢气和氧气，其中氧气溶于水中，剩余的氢气随同产甲烷菌产生的甲烷、反硝化细菌产生的氮气等气体夹带污水单独进入顶部对应的第一气液分离器分离后，污水通过第一下降管回到进水布水器位置，实现热量交换，强化搅动提高传质效率。
微生物处理区自下而上分别为第一微生物处理区和第二微生物处理区，第一微生物处理区和第二微生物处理区分别配套对应的气液分离器，气液分离器分离的泥水进入对应的区域，同时配套独立的外部强制循环，根据各区污泥比重及控制条件，可单独控制回流比，实现不同反应区污泥膨胀高度。并且搭建了两级缺氧-厌氧环境，实现了总氮和COD的同步去除。
实施例1
本实施例的一种梯级电化学强化多循环脱氮除碳生物反应器，反应器直径10m，高度20m，内部自下而上分别为一级电化学增强区、第一微生物处理区、二级电化学增强区、第二微生物处理区和污泥沉淀区。一级电化学增强区和二级电化学增强区之间的体积比为5：4，第一微生物处理区和第二微生物处理区之间的体积比为1.3：1。
一级电化学增强区设置5层极板，极板材料为钛板，最底层极板距离布水器顶部300mm；二级电化学增强区设置4层极板，极板为铝板，最底层极板距离一级三相分离器顶部500mm。电极板长度为0.8m，单边宽度为0.3m，厚度为1mm，倒V型夹角为50度，极板上分布圆形孔直径为2cm，两个孔之间的间距为8cm。
气体集气罩的数量为3层，单块集气罩长度2m，单边宽度为30cm，厚度为3mm，气体集气罩的形状为倒V型，V型顶部为1/3的半径3cm圆形结构；上层气体集气罩与下层气体集气罩之间间距为10cm，同一层气体集气罩之间的间距为10cm。
采用本发明的反应器进行污水脱氮除碳处理工艺，控制一级电化学增强区内的反应pH值为5.5，溶解氧为0.5mg/L，污泥浓度为5000mg/L，反应温度28℃，电流密度范围为100mA/cm2；第一微生物处理区的污泥浓度MLSS为8000mg/L，反应温度为30℃，pH值为6.5，上升流速控制3m/h，回流量Q1为230m3/h。二级电化学增强区溶解氧为0.5mg/L，反应温度30℃，电流密度范围为80mA/cm2；第二微生物处理区污泥浓度为5000mg/L，反应温度为30℃，进水pH值为6.5，上升流速2m/h，回流量为150m3/h。
经过本实施例的反应器对污水进行脱氮除碳处理后，污水进水COD为4500mg/L，总氮为120mg/L，降低至出水COD为540mg/L，总氮为45mg/L。
实施例2
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：反应器直径6m，高度16m，一级电化学增强区和二级电化学增强区之间的体积比为1：1，第一微生物处理区和第二微生物处理区之间的体积比为1.5：1。一级电化学增强区设置3层极板，极板材料为钛板；二级电化学增强区设置3层极板，极板材料为钛板。气体集气罩数量为4层。
采用本发明的反应器进行污水脱氮除碳处理工艺，控制一级电化学增强区内的反应pH值为5.5，溶解氧为0.5mg/L，污泥浓度为6000mg/L，反应温度25℃，电流密度范围为150mA/cm2；第一微生物处理区的污泥浓度MLSS为8000mg/L，反应温度为28℃，pH值为6.8，上升流速控制2.5m/h，回流量Q1为70m3/h。二级电化学增强区溶解氧为0.4mg/L，反应温度28℃，电流密度范围为100mA/cm2；第二微生物处理区污泥浓度为5000mg/L，反应温度为28℃，进水pH值为7.0，上升流速2m/h，回流量为55m3/h。
经过本实施例的反应器对污水进行脱氮除碳处理后，污水进水COD为5500mg/L，总氮为80mg/L，降低至出水COD为780mg/L，总氮为25mg/L。
实施例3
本实施例的基本内容同实施例1，不同之处在于：反应器直径8m，高度18m，一级电化学增强区和二级电化学增强区之间的体积比为7：5，第一微生物处理区和第二微生物处理区之间的体积比为1.5：1。一级电化学增强区设置7层极板，极板材料为石墨板；二级电化学增强区设置5层极板，极板材料为铁板。气体集气罩数量为4层。
采用本发明的反应器进行污水脱氮除碳处理工艺，控制一级电化学增强区内的反应pH值为5.5，溶解氧为0.3mg/L，污泥浓度为5500mg/L，反应温度25℃，电流密度范围为200mA/cm2；第一微生物处理区的污泥浓度MLSS为9000mg/L，反应温度为28℃，pH值为7.0，上升流速控制4m/h，回流量Q1为200m3/h。二级电化学增强区溶解氧为0.3mg/L，反应温度28℃，电流密度范围为120mA/cm2；第二微生物处理区污泥浓度为5000mg/L，反应温度为28℃，进水pH值为7.2，上升流速2m/h，回流量为100m3/h。
经过本实施例的反应器对污水进行脱氮除碳处理后，污水进水COD为6300mg/L，总氮为140mg/L，降低至出水COD为720mg/L，总氮为35mg/L。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，所用的数据也只是本发明的实施方式之一，实际的数据组合并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出于该技术方案相似的实施方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
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