CN100349806C - 过滤式高效分离内循环三相流化床反应器 - Google Patents

过滤式高效分离内循环三相流化床反应器 Download PDF

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Abstract

一种过滤式高效分离内循环三相流化床反应器，该反应器包括过滤区1、分离区2、反应区3；反应器的中部是具有内、外层双筒结构的反应区3，反应器顶部设有分离区2，在分离区2外围还设有过滤区1，过滤区1上部为出水管和出水堰组成的出水系统7，过滤区1中部为滤料层10，过滤区底部为过滤缓冲区和污泥区11，所述分离区2与过滤区1通过开孔连通。本发明在充分利用反应区高效率的基础上，于反应器内耦合过滤工艺，通过过滤措施实现高效固液分离，令出水水质达到《污水综合排放标准》一级排放标准，解决了困扰流化床反应器出水悬浮物超标的问题，同时仍保留内循环三相流化床反应器工艺流程简单，占地面积少，投资省，运行费用低等特点。

Description

过滤式高效分离内循环三相流化床反应器
技术领域
本发明涉及一种用于城镇生活和工业废水处理的装置，特别是涉及一种过滤式高效分离内循环三相流化床反应器。
现有技术
污水处理是环境治理中最重要的一个组成部分。尽管污水处理所需去除的污染物是相同的，但污水处理目前所采用的工艺却多种多样，主要包括物理方法、化学方法和生物方法等。而利用生物方法处理是污水处理工艺的主流，主要是因为生物处理工艺投资省，运行费用低。生物处理工艺的主体是微生物群体，微生物在特定的容器中生长，在生长的过程中降解水中的污染物，微生物利用降解过程中产生的能量，维持自身生长繁殖，通过固液分离把微生物从污水中去除，实现有机物、氮、磷等污染物从水中的去除。目前，污水处理的生物处理工艺主要有附着生长处理工艺和悬浮生长处理工艺，像传统活性污泥法、SBR、氧化沟等属于悬浮生长处理工艺，像生物转盘、接触氧化等属于附着生长污水处理工艺。污水的生物处理工艺近几年不断发展，也涌现了大量的新型处理工艺。
新型污水生物处理的主要特点是：与传统工艺相比，运行费用更低，投资更省，其中内循环三相流化床反应器就是近年涌现的新工艺之一。内循环三相流化床工艺是附着生长生物处理工艺的一种。与接触氧化等固定填料的工艺不同，内循环三相流化床工艺所投加的生物载体是悬浮在水中，并随水流不断运行的。内循环三相流化床工艺的典型特征是采用双筒结构，通过空气在内筒的提升，图1和图2为现有的流化床反应器的结构示意图，它包括沉淀区100、分离区200和反应区300；在所述流化床反应器中部是具有内筒301、外筒302双层结构的反应区300，在反应区300的底部设置有空气管303和进水管304，在反应区300的顶部设有分离区200，在该分离区200的外围设置有沉淀区100，在沉淀区100的上部设置有溢流堰103和出水管101，其底部则设置有排泥管102。其工作过程如图3所示：空气和污水分别经反应区300底部的空气管303和进水管304注入，在内筒301和外筒302之间形成大流量循环流动，附着在载体上的微生物随载体在两筒间流动，空气从反应器顶部的三相分离区200选出，经过脱气的混合液进入沉淀区100进行固液分离，固体及载体回流重新进入反应区300内，而处理后的污水通过沉淀区100顶部的溢流堰103进入出水管排出系统101。
内循环三相流化床反应器的生物量可以达到10g/l一20g/l，其氧的传质效率远远超过了传统工艺，内循环三相流化床反应器的水力停留时间远少于传统工艺，处理较低浓度污水时，停留时间仅为1-3小时。内循环三相流化床工艺占地面积少，投资省，运行费用低，特别是在处理较高浓度的工业废水时，因此在近几年内循环三相流化床反应器在国内有了很大的发展。
虽然内循环三相流化床反应器在处理有机物等污染物方面的效率令人满意，但是，由于流化床反应器一般采用高径比大于1的塔式结构，顶部能够用于固液分离的空间相对非常小，因此其出水的悬浮物浓度一般无法达到国家的一级排放标准。为了解决这个问题，不得不增加后续工艺或设置独立固液分离装置。很明显这样的处理方式令造价和运行费用大幅增加，因此，出水悬浮物无法达到排放标准即固液分离问题一直是困扰内循环三相流化床反应器发展的瓶颈。
发明内容
有鉴于此，为了充分利用流化床反应器处理污染物效率高的特点，解决内循环三相流化床反应器的固液分离问题，本发明在原有内循环三相流化床反应器的基础上耦合其他固液分离方式，使得系统在不增加新装置的基础上，保证出水悬浮物浓度满足《污水综合排放标准》一级排放标准值。
为实现上述目的，本发明选用高效固液分离技术的一种------过滤作为与流化床反应器耦合的对象。本发明的技术方案为：所述的过滤式高效分离内循环三相流化床反应器包括过滤区1、分离区2、反应区3；所述过滤式高效分离内循环三相流化床反应器的中部是具有内、外层双筒结构的反应区3，在反应器的顶部设有分离区2，在反应区3的底部设置有布水系统4和布气系统5；在所述反应器的分离区2外围还设有过滤区1，自内而外形成分离区内筒、分离区外筒、过滤区的三环结构，在过滤区1上部为出水管和出水堰组成的出水系统7，过滤区1中部为滤料层10，过滤区底部为过滤缓冲区和污泥区11，所述分离区2与过滤区1通过开孔连通。
本发明的有益效果是：在充分利用内循环三相流化床反应区高效去除污染物的基础上，在反应器内耦合过滤工艺对反应器出水进行高效的固液分离，使得出水水质达到《污水综合排放标准》一级排放标准值，可以直接排放，从而消除了内循环三相流化床反应器推广应用的瓶颈，同时仍然保持了内循环三相流化床反应器工艺流程简单，占地面积少，投资省，运行费用低的固有特点。
附图说明
图1原有流化床反应器的剖面结构示意图
图2原有流化床反应器的俯视图
图3原有流化床反应器的运行示意图
图4本发明的剖面结构示意图
图5本发明的俯视图
图6本发明的正常运行示意图
图7本发明的气体反冲洗运行示意图
图8本发明的清水反冲洗运行示意图
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细说明。
如图4、5所示：本发明的过滤式高效分离内循环三相流化床反应器包括过滤区1、分离区2、反应区3；所述过滤式高效分离内循环三相流化床反应器的中部是具有内、外层双筒结构的反应区3，在反应器的顶部设有分离区2，在反应区3的底部设置有布水系统4和布气系统5；在所述反应器的三相分离区2外围还设有过滤区1，自内而外形成分离区内筒、分离区外筒、过滤区的三环结构，在过滤区1上部为出水管和出水堰组成的出水系统7，过滤区1中部为滤料层10，过滤区底部为过滤缓冲区和污泥区11，所述分离区2与过滤区1通过开孔连通。
在所述的过滤区1还设有反冲系统6，采用轻质过滤上向流方式进行气水联合反冲。该反冲系统6由反冲洗布气系统8、反冲洗布水系统9组成，所述的反冲洗布气系统8设置在过滤区1滤料层10下方，其配气管在过滤缓冲区11内，所述的反冲洗布水系统9包括设置在滤料层10上方的进水管和设置在滤料层10下方的排水管及，其进、出水分别经由进水阀门和出水阀控制。
所述的过滤区1中的滤料层10为轻质滤料，滤料层10顶部装有用以防止滤料流失的格网，所述的出水堰和出水管7装在格网上方。所述的轻质滤料的粒径应在2-4毫米之间，滤料层的厚度不应少于0.5m。
在所述的分离区2与过滤区1之间的开孔旁设有环状档板13，以阻止载体进入过滤区，同时在开孔处还设有充气限流装置14，以避免反冲洗排水时未分离水大量涌入过滤区底部，携带大量的载体，保证反冲洗的顺利进行，分离区2的顶部高度高于出水堰距离1～2m。
所述过滤式高效分离内循环三相流化床反应器的流化区部分高径比5～12，内外筒面积比1∶1～1∶4，所述过滤区1的高度在0.5～1.5m之间，所述分离区2顶部高度高于出水堰距离1.0～1.2m。
在所述反应区3中部为内筒15，外筒16双筒结构的流化床，内筒15由支撑固定，与反应器底部形成一定高度的底隙区，所述进水管及布水系统4、布气系统5均设置在底隙区内。
反应区3中部为内外筒结构的流化床，内筒由支撑固定与反应器底部形成一定高度的底隙区，为循环流体的过流通道。同时进水管及布水系统4、布气系统5均在底隙区内。
系统还包括一套完整的自动控制系统，可以完成对过滤区1整个反冲洗过程的自动操作以及流化床内循环流速的自动调整。该自动控制系统的硬件部分为公知技术，软件部分则根据本发明的过滤式高效分离内循环三相流化床反应器的工作流程设定适宜的控制参数。
下面对于反应器的运行过程和运行方式进行具体说明。
如图6所示：本发明的过滤式高效分离内循环三相流化床反应器在反应区3中部为内、外筒结构的流化床，在该流化区内以流化生物膜的形式培养大量微生物，用以降解进水中的有机物，在分离区2内把气体、固体、液体进行简单分离，载体截留在流化区内，粗分离后的液体进入过滤区，在过滤区内进行固液分离，然后出水达标排放。
进入本反应器的污水首先需要经过格栅等物理方式处理，去除较大的颗粒物。对于工业废水一般需要经过前面的厌氧处理，把有机物浓度降低到1000mg/l以下后经由反应区3底部的布水系统4进入本反应器。对于城镇生活污水，需要经过初沉池后才能进入本反应器。
位于反应器底部的布气系统5，把适量的空气引入反应器内筒15，由于气提作用，在内筒15会形成一定的上升流速，被提升到顶部的液体在重力的作用下沿外筒16向下流动，这样在内筒15和外筒16间就形成大流量的循环流动，可以达到进水流量的几十倍。具有一定压力的水从反应器底部的布水系统4进入反应器，被循环流量稀释，因此在流化床反应器内部相当于完全混合式反应器。
在反应器的顶部是三相分离区2，通过布气系统5进入反应器内部的气体，沿内筒上升到反应器顶部后，部分从分离区2的自由液面溢出。部分气泡随水流进入降流区，最大程度的利用气泡内的氧。处理后水及载体颗粒沿内筒15和外筒16间的缝隙向下流动。由于颗粒比较大，再加上连通孔旁的环状挡板13的作用，载体无法从连通孔进入过滤区1，只有一些细小的悬浮污泥颗粒可以进入过滤区1内。在过滤区1内，大部分污泥颗粒被滤料层截留，经过固液分离的污水最终达标排出系统。
经过一定时间的运行后，过滤区1内的颗粒物逐渐增多，过滤的阻力逐渐增大。作为克服过滤阻力的动力，过滤出水液面与分离区2上方的液面液位差逐渐加大。当分离区内2的液位增加到设定位置时，过滤系统就需要进行反冲洗处理。
反冲洗过程是由配套的自动控制系统完全自动操作完成，它包括气体反冲洗和清水反冲洗运行过程。其气体反冲洗运行过程如图7所示：首先，关闭出水阀门，对限流装置14进行充气；充气完成后，打开反冲洗进气阀门进行空气反冲洗。气体冲洗一定时间后即可以进行清水反冲洗(如图8所示)，此时需要关闭反冲洗进气阀门，打开反冲洗进水阀和反冲洗排水阀；冲洗一段时间后，关闭反冲洗进水阀门和反冲洗排水阀门，对限流阀门进行排气后，完成了整个反冲洗过程。反冲洗完成后，整个系统重新进入正常的运行状态。
为了保证轻质过滤系统的运行效率，本发明中轻质滤料的粒径应在2-4毫米之间，滤料层的厚度不应少于0.5m。在过滤区底部保留一定的缓冲高度，由分离区过来的污水经过过滤后，出水的悬浮物浓度低于20mg/l。
本发明在过滤区底部的污泥区设置了污泥排放口，保证了系统悬浮生长微生物的排放。
本发明中分离区顶部的高度必须满足过滤阻力增长后液面高度的要求，与过滤区出水堰高度相比，分离区顶部高度应比其高1.0-1.2m。
本发明中反应区的结构为传统的双筒结构，反应区的内外筒面积比例应在1∶1-1∶4之间，高径比在5-12之间，以保证反应区载体的正常流化。
本发明中布气系统采用盘式微孔曝气器，可以提高系统的气提效率和充氧效率。下面以具体实例的测试结果来进一步说明本发明的优点及效果。
测试条件及方法
本工程采用过滤式高效分离内循环三相流化床反应器，反应器的容积为85m3，处理水量为1000m3/d，总停留时间为3小时；反应器反应区的内径为1.9m，外径为3m，反应区高度为12m。反应器分离区的直径为2.5m，分离区高度3.5m。反应器过滤区的直径为4.3m，过滤层厚度为1.0m。反应器进水为经过初沉处理的生活污水。
连续监测系统出水22天，每天取样分析反应器进出水悬浮物浓度和COD浓度，其测试结果见下表1和2：
表1测试时间内反应器进出水悬浮物浓度和进出COD浓度
  时间(d)   进水COD(mg/l)   出水COD(mg/l)   进水悬浮物(mg/l)   出水悬浮物(mg/l)   备注
  1   385   38   194   14
  2   425   49   195   11
  3   399   44   216   18
  4   350   34   200   20
  5   361   53   158   12
  6   412   49   164   14
  7   320   43   156   15
  8   330   36   182   15
  9   381   38   219   7
  10   370   32   163   9
  11   420   68   194   16
  12   344   35   184   15
  13   356   57   192   11
  14   397   51   215   25
  15   409   51   192   19
  16   392   46   228   8
  17   435   37   161   13
  18   372   33   163   9
  19   388   36   174   13
  20   345   35   157   17
  21   403   60   169   11
  22   358   32   225   5
表2测试时间内其它工艺参数
  序号   名称   数量   备注
  1   反应器内附着生长污泥浓度   12.0-12.5kg/m3
  2   反应器内悬浮生长污泥浓度   0.10-0.25kg/m3
  3   反冲洗周期   22-24h
  4   流化载体量   6.5-7.2％
  5   能耗   0.30kwh/吨污水
  6   容积负荷   3.8-5.1kgCOD/m3.d
根据试验所得，过滤式高效分离内循环三相流化床反应器出水的悬浮物浓度均少于20mg/l，完全可以达到国家排放标准。同时反应器的有机物去除率也满足了设计要求，达到了排放标准。

Claims (7)

1、一种过滤式高效分离内循环三相流化床反应器，包括过滤区(1)、三相分离区(2)、反应区(3)；所述过滤式高效分离内循环三相流化床反应器的中部是具有内、外层双筒结构的反应区(3)，在反应器的顶部设有分离区(2)，在反应区(3)的底部设置有布水系统(4)和布气系统(5)；其特征在于：在所述反应器的分离区(2)外围还设有环状过滤区(1)，分离区(2)分为脱气区、载体分离区，与过滤区(1)形成三环结构，在过滤区(1)上部为出水管和出水堰组成的出水系统(7)，过滤区(1)中部为滤料层(10)，过滤区底部为过滤缓冲区和污泥区(11)，所述分离区(2)与过滤区(1)通过开孔连通。
2、根据权利要求1所述的过滤式高效分离内循环三相流化床反应器，其特征在于：在所述的过滤区(1)还设有反冲系统(6)，该反冲系统(6)由反冲洗布气系统(8)、反冲洗布水系统(9)组成，所述的反冲洗布气系统(8)设置在过滤区(1)滤料层(10)下方，其配气管在过滤缓冲区(11)内，所述的反冲洗布水系统(9)包括设置在滤料层(10)上方的进水管和设置在滤料层(10)下方的排水管，其进、出水分别经由进水阀门和出水阀控制。
3、根据权利要求1或2所述的过滤式高效分离内循环三相流化床反应器，其特征在于：所述的过滤区(1)中的滤料层(10)为轻质滤料，滤料层(10)顶部装有用以防止滤料流失的格网，所述的出水堰和出水管(7)装在格网上方。
4、根据权利要求3所述的过滤式高效分离内循环三相流化床反应器，其特征在于：所述的轻质滤料的粒径应在2-4毫米之间，滤料层的厚度不应少于0.5m。
5、根据权利要求1或2所述的过滤式高效分离内循环三相流化床反应器，其特征在于：在所述的分离区(2)与过滤区(1)之间的开孔旁设有用以阻止载体进入过滤区(1)的环状档板(13)，同时在开孔处还设有用以保证反冲洗过程顺利进行的充气限流装置(14)。
6、根据权利要求1或2所述的过滤式高效分离内循环三相流化床反应器，其特征在于：在所述过滤式高效分离内循环三相流化床反应器中，具有内、外层双筒结构的反应区(3)高径比为5～12，内外筒面积比为1∶1～1∶4，所述过滤区(1)的高度在0.5～1.5m之间，所述分离区(2)顶端高度高于出水堰距离1.0～1.2m。
7、根据权利要求1或2所述的过滤式高效分离内循环三相流化床反应器，其特征在于：在所述反应区(3)中部为内筒(15)，外筒(16)双筒结构的流化床，内筒(15)与反应器底板之间形成一定高度的底隙区，所述进水管及布水系统(4)、布气系统(5)均设置在底隙区内。
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