专利展播|张永明：一种逆向流筛板塔式内循环生物反应器

Mingming5687 2022-09-18 发布于浙江

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2022年《中国给水排水》杂志社与珠海九通水务股份有限公司在总结往届“九通杯”专利评选活动经验的基础上，继续推出该项活动。所有入围专利，都有机会在《中国给水排水》官方微信公众号进行展播，我们将持续推动水行业更多创新发明实现转化应用，发挥更好的效益。

专利名称：一种逆向流筛板塔式内循环生物反应器

专利类型：发明专利

专利权人：上海师范大学

发明人：张永明曹利锋徐华张冰冰姜玲张雨婷杨超汤楹霞张伊宁

专利号：ZL 2015 1 0510978.7

授权时间：2017年03月08日

发明创新点

本发明主要针对目前城市生活污水和部分工业废水处理方面亟待解决的深度脱氮问题，提供了一种全新的反应器及其生物脱氮技术，从而实现高效脱氮。该反应器类似化工行业中筛板塔反应器，生物膜生长并附着于各层的筛板上，运行时利用水泵驱动污水在反应器内各层生物膜间往复折流，以强化传质，从而提高污水处理效率。由于污水在反应器内以垂直方式向上或向下流动，亦称为“垂直折流式生物反应器”，英文表示为：Vertical Baffled Bioreactor (缩写为VBBR)。

本发明专利的创新点包括：

①既可以制成缺(厌)氧VBBR，又可以制成好氧VBBR，以适应不同的水处理场合；

②缺氧VBBR可以替代传统的反硝化生物滤池，用于城市生活污水的深度脱氮，且脱氮效率可以大大提高；

③将缺(厌)氧VBBR与好氧VBBR串联耦合时，可以实现无污泥循环的A/O或A²/O的水处理工艺，提高污水脱氮效率20%以上，颠覆传统的A/O或A²/O水处理工艺。

应用领域和范围

根据有关报道，我国目前有许多城镇污水处理厂都因为总氮超标问题，需要进行技术改造，在此方面国内拥有上千亿的市场需求。由于本发明所提供的新颖生物反应器可以实现城市生活污水或部分工业废水的深度脱氮，且运行操作简单易行，因此特别适合于城镇生活污水处理厂的技术改造。尤其针对环境敏感地区的污水处理厂的技术改造，可以实现极限脱氮，使出水总氮浓度达到地表IV类水的标准。

实施效果

采用本专利所研发的缺氧VBBR可以用于污水的深度甚至极限脱氮。例如采用缺氧VBBR对地处江苏无锡的某化工企业的冷却水进行极限脱氮的中试，在C/N比5～8，水力停留时间3～5小时内将硝酸盐氮浓度从10mgN/L左右降低至1mgN/L以下，达到了地表水III类水的标准，几乎达到了极限脱氮的水平。将缺氧VBBR与好氧VBBR串联组成的无污泥循环A/O水处理系统，相比传统的有污泥循环的A/O水处理工艺，对于相同的进水水质，在水力停留时间缩短25%的条件下，在其他各项指标都满足一级A的出水指标的基础上，出水总氮的平均浓度为1.5 mgN/L，达到了地表水IV类水的标准。此外，剩余污泥产生量可以至少减少20%。

产业化及市场应用情况

目前基于VBBR的污水深度脱氮工艺，正在进行工业化应用推广阶段。

地处长江沿岸的江苏无锡某化工企业所采用的冷却水在循环使用过程中，由于冷却过程中水分不断蒸发，水中原有总氮浓度不断增加，为保护化工设备的正常使用，每天都需要不断补充新鲜水，以控制总氮浓度在一定范围内，同时每天需要排放等量的总氮浓度含量较高的污水。所排放污水中的总氮主要成分是硝酸盐，其浓度在15 mgN/L左右。由于该企业的化工产品销路很好，企业拟上几条新的生产线，因此污水的排放量将要增加。基于长江大保护的需要，当地环境保护部门对该企业实行总量控制，即要求该企业新增的排放污水中总氮浓度不得超过地表水V类水的标准(2mgN/L)。因此，采用本专利所提供的生物反应器，利用乙酸钠作为碳源，在C/N比为5～6的条件下，实现了极限脱氮，出水中的硝酸盐氮浓度低于1mgN/L。图1是在长江沿岸某化工企业运行的反应器实物图。

图1 利用缺氧VBBR对某化工企业的冷却水进行极限脱氮

此外，将缺氧VBBR与好氧VBBR串联耦合后，实现了无污泥循环的A/O水处理工艺，并用于福建泉州某城镇污水处理厂的生活污水处理，与当地正在运行的传统A/O水处理工艺相比，在水力停留时间减少25%的条件下，出水中各项指标在满足国家城镇污水排放标准一级A的基础上，总氮平均浓度仅为1.5mgN/L。图2是福建泉州某城镇污水处理厂运行的无污泥循环的A/O工艺。

图2 在福建泉州某城镇污水处理厂运行的无污泥循环A/O污水处理中试

技术优势

基于本专利所开发的缺氧VBBR用于污水的深度脱氮时，相比目前普遍使用的传统反硝化生物滤池，其技术优势主要体现在：

①不存在配水时的跌水，因而没有溶解氧的侵入，其运行方式可以有效地隔绝溶解氧的侵入，从而大大提高有机碳源的利用效率，通常在C/N比小于4时，就可以实现有效脱氮；

②不像传统的反硝化生物滤池，运行一定时间后，由于微生物的增殖使得滤床堵塞，需要定期进行反冲洗，从而导致生物活性不稳定，而本专利所涉及的反应器长期运行都无需进行反冲洗，因特殊的生物膜载体设计，新增殖的微生物由于其具有自凝聚的特性，牢固地附着于载体上形成活性较高的生物膜，而老化的生物膜则由于失去自凝聚性能而自动脱落并随出水流出，因而可以使生物膜一直保持很高的生物活性；

③对于环境敏感地区的城镇污水处理厂，只需将尾水引入缺氧VBBR，就可以实现极限脱氮，使出水总氮浓度低于1mgN/L，而反硝化生物滤池几乎不可能做到极限脱氮。

此外，当将缺(厌)氧VBBR与好氧VBBR串联耦合时，可以实现无污泥循环的A/O或A²/O的水处理工艺。传统的有污泥循环的A/O或A²/O的水处理工艺在运行过程中，好氧池和缺氧池中的硝化污泥和反硝化污泥不停地循环混合，导致硝化和反硝化效率大大下降。而本专利所开发的无污泥循环的A/O或A²/O的水处理工艺在运行时可以确保硝化污泥和反硝化污泥稳定地固定在好氧和缺氧VBBR内。根据中试的运行效果，相比传统的A/O工艺，其脱氮效率可以提高20%以上。且剩余污泥产生量可以减少20%以上。

专利运用及保护

根据本专利所研发的系列反应器可以应用于不同的水处理场合，除了上述的应用场合之外，还可用于高浓度有机废水的生物降解，替代诸如传统的UASB、IC等反应器，可以有效地解决泥水分离的问题。这些已完成了实验室研究。

VBBR系列反应器内部还存在一些设计和制作细节，尤其是在反应器使用运行过程方面，我们课题组还申请了一些后续的专利技术，这些都为本专利提供了强有力的保护措施。这样，基于VBBR所开发的系列水处理工艺，都属于我们系列专利保护的范围。

作为本专利的完善，后续专利申请情况：

① 一种好氧与厌氧VBBR串联耦合装置及污水处理方法(专利号：ZL2019 1 0930412.8)(发明人：张永明;陆沁园;邹莎莎;朱格;谭冲;曾秋宇) (已授权)

② 一种用于筛板塔式生物反应器的生物膜载体及生物反应器(申请号：2021 1 0308024.3)(发明人：张永明;阎宁;陈浮;陆沁园;朱格;谭冲;陈松筠;周隽清)(实审中)

效益分析

当采用缺氧VBBR替代传统的反硝化生物滤池进行污水的深度脱氮时，有机碳源的消耗量可以节省25%以上。当缺(厌)氧与好氧串联耦合VBBR用于城市生活污水处理时，替代传统的A/O水处理工艺时，综合各项运行费用的情况，总体可以节省运行费用10%以上。

应用前景

目前我国许多城市污水处理厂都面临着技术改造的重任，其中很大一部分原因是出水总氮的超标问题。因此提高总氮的脱除效率正是技术改造的主要内容。根据有关部门的统计，这一技术改造拥有上千亿的市场。而缺氧VBBR恰能满足脱氮效率高、运行成本低、操作方便的要求。因此应用前景十分看好。另外，缺(厌)氧VBBR与好氧VBBR串联耦合同样适用于传统污水处理厂的技术改造，同时也适合于新建城镇生活污水处理厂。据报道，全国拟新建的城镇污水处理厂同样具有上千亿的市场。

论文发表情况

根据本专利技术研发的反应器在具体应用过程中，有2篇文章于21年20和2022年分别发表在Environmental Research和Science of the Total Environment(见图3和图4)。